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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Innenraum
eines Kraftfahrzeugs und im Spezielleren eine Klimaanlage, die sowohl
eine Heizung als auch eine Kühlung
für den
Innenraum bereitstellen kann. Die vorliegende Erfindung betrifft auch
ein Umkehrventil zur Verwendung in einer Klimaanlage.
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Hintergrund der Erfindung
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Klimaanlagen
für die
Innenräume
von Kraftfahrzeugen sind gut bekannt. Im Allgemeinen umfassen diese
Systeme einen inneren Wärmetauscher (der
innerhalb des Innenraumes angeordnet oder diesem zugehörig ist)
und einen äußeren Wärmetauscher
(der außerhalb
des Innenraumes angeordnet ist). Ein Paar Fluiddurchgänge verbindet
die Wärmetauscher,
um die Zirkulation des Fluids durch die Wärmetauscher hindurch zuzulassen.
Eine Ausdehnungsvorrichtung ist in einem der Fluiddurchgänge positioniert.
Ein Verdichter und Kältemittelsammler ist
in dem anderen Fluiddurchgang positioniert. Wenn Fluid nacheinander
durch den Verdichter durch den äußeren Wärmetauscher,
die Ausdehnungsvorrichtung, den inneren Wärmetauscher und den Kältemittelsammler
hindurch gepumpt wird, wird Luft, die durch den inneren Wärmetauscher
hindurch strömt, gekühlt, während die
Luft in den Innenraum hinein strömt.
Wenn das Fluid in der umgekehrten Richtung nacheinander durch den
inneren Wärmetauscher,
die Ausdehnungsvorrichtung, den äußeren Wärmetauscher
und den Kältemittelsammler
hindurch gepumpt wird, wird Luft, die durch den inneren Wärmetauscher hindurch
strömt,
erwärmt,
wenn die Luft in den Innenraum hinein strömt. Ein Umkehrventil ist in
dem ande ren Fluiddurchgang positioniert, um die erforderliche Strömungsrichtung
für das
Fluid bereitzustellen. Die
EP-A-0
993 977 beschreibt solch eine Anordnung und ihre Betriebssteuerung.
Bekannte Umkehrventile können
groß sein
und/oder langsam arbeiten.
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Die
US-A-4 716 741 offenbart
ein System gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Die
US-A-4 664
152 offenbart ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
9.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Klimaanlage bereitzustellen,
in der das Umkehrventil klein, aber in der Lage ist, schnell zu
arbeiten.
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Eine
Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung
für einen
Innenraum eines Kraftfahrzeugs umfasst einen ersten Wärmetauscher,
der außerhalb des
Innenraumes positionierbar ist; einen zweiten Wärmetauscher zum Behandeln von
Luft, die in den Innenraum eintritt; einen ersten Fluiddurchgang
zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher; einen zweiten
Fluiddurchgang zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher;
eine Ausdehnungsvorrichtung, die in dem ersten Fluiddurchgang positioniert
ist; einen Verdichter, um Fluid in den zweiten Fluiddurchgang und
entweder in einer ersten Richtung nacheinander durch den ersten
Wärmetauscher,
die Ausdehnungsvorrichtung und den zweiten Wärmetauscher hindurch oder in
einer zweiten Richtung nacheinander durch den zweiten Wärmetauscher,
die Ausdehnungsvorrichtung und den ersten Wärmetauscher hindurch zu pumpen;
und ein Umkehrventil in dem zweiten Fluiddurchgang zum Steuern der
Richtung der Fluidströmung;
wobei das Umkehrventil umfasst: ein Gehäuse mit einer axial ver laufenden
Bohrung; einen Hauptkolben mit axial beabstandeten Kolbenringen,
die einen dichtenden Gleitsitz in der Bohrung herstellen, sodass
sich der Hauptkolben in einer axialen Richtung relativ zu dem Gehäuse zwischen
einer ersten Position und einer zweiten Position bewegen kann; axial
beabstandete Fluidkammern in der durch die Kolbenringe definierten
Bohrung; einen inneren Kolben, der in einer Durchgangsbohrung in
dem Hauptkolben positioniert ist, wobei der innere Kolben relativ
zu dem Hauptkolben zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position
drehbar ist und eine erste und eine zweite ausgerichtete Bohrung
aufweist, die durch eine Wand getrennt sind und vorbestimmte Fluidkammern abhängig von
der Position des inneren Kolbens fluidmäßig verbinden; ein Mittel zum
Drehen des inneren Kolbens; Fluidkanäle, die vorbestimmte Fluidkammern
mit dem Verdichter und mit dem zweiten Fluiddurchgang abhängig von
der Position des Hauptkolbens fluidmäßig verbinden; wobei in der
ersten Position des inneren Kolbens unter Druck stehendes Fluid
durch den inneren Kolben von dem Verdichter zu mindestens einer
vorbestimmten Fluidkammer gelenkt wird, um den Hauptkolben in seine
erste Position zu bewegen; und wobei in der zweiten Position des
inneren Kolbens unter Druck stehendes Fluid durch den inneren Kolben
von dem Verdichter zu mindestens einer weiteren vorbestimmten Fluidkammer
gelenkt wird, um den Hauptkolben in seine zweite Position zu bewegen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch ein Umkehrventil für eine Klimaanlage.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet das aus dem Verdichter austretende,
unter Druck stehende Fluid, um ein Druckdifferenzial an dem Hauptkolben
zu erzeugen und dabei zu helfen, den Hauptkolben in die erforderliche
Position für
die erforderliche Richtung der Fluidströmung durch das Sys tem hindurch
zu treiben. Mit dieser Anordnung ist die Bewegung des Hauptkolbens
zwischen seiner ersten und seiner zweiten Position sehr schnell
und die Größe des Umkehrventils
kann bei einem Minimum gehalten werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Klimaanlage in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Umkehrventils zur Verwendung in der Klimaanlage
von 1 in einer ersten Betriebsposition ist;
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3 eine
Querschnittsansicht des Umkehrventils von 2 in einer
zweiten Betriebsposition ist; und
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4 eine
Explosionsdarstellung des Umkehrventils der 2 und 3 ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen dient die
Klimaanlage 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, um den Innenraum
(nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs zu erwärmen oder zu kühlen. Die
Klimaanlage 10 umfasst die üblichen Komponenten eines Verdichters 12,
eines äußeren Wärmetauschers 14, eines
Kapillar rohres oder einer Ausdehnungsvorrichtung 16, eines
inneren Wärmetauschers 18 und
eines Kältemittelssammlers 20.
Der äußere Wärmetauscher 14 ist
außerhalb
des Innenraumes angeordnet. Der innere Wärmetauscher 18 ist
typischerweise innerhalb des Innenraumes angeordnet, obwohl er außerhalb
des Innenraumes positioniert sein kann und dennoch verwendet wird,
um Luft, die in den Innenraum eintritt, zu behandeln. Ein erster
Fluiddurchgang 22 verbindet den äußeren Wärmetauscher 14 fluidmäßig mit
dem inneren Wärmetauscher 18 mithilfe
der Ausdehnungsvorrichtung 16. Ein zweiter Fluiddurchgang 24 verbindet
den äußeren Wärmetauscher 14 fluidmäßig mit
dem inneren Wärmetauscher 18 mithilfe
eines Umkehrventils 32. Der Verdichter 12 und
der Kältemittelsammler 20 sind
mit dem zweiten Fluiddurchgang 24 mit Hilfe des Umkehrventils 32 fluidmäßig verbunden.
Der Verdichter 12 weist einen Fluidauslass 26 auf,
der mithilfe eines dritten Fluiddurchgangs 30 mit dem Umkehrventil 32 verbunden
ist. Der Verdichter 12 weist einen Fluideinlass 28 auf,
der mithilfe des Kältemittelsammlers 20 und
eines vierten Fluiddurchgangs 31 mit dem Umkehrventil 32 verbunden
ist.
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Während eines
normalen (Kühl)-Betriebes der
Klimaanlage 10 ist das Umkehrventil 32 derart eingestellt,
dass es eine Fluidströmung
in der Richtung X zulässt,
sodass Luft, die durch den inneren Wärmetauscher 18 strömt, gekühlt wird,
sodass die Klimaanlage dazu dient, den Innenraum zu kühlen. In diesem
Kühlmodus
wird das Kältemittelfluid
in dem System 10 durch den Verdichter 12 nacheinander durch
das Umkehrventil 32, den äußeren Wärmetauscher 14, die
Ausdehnungsvorrichtung 16, den inneren Wärmetauscher 18,
das Umkehrventil 32 und den Kältemittelsammler 20 hindurch
gepumpt, bevor es zu dem Verdichter zurückkehrt.
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Wenn
ein anfängliches,
zusätzliches
oder anhaltendes Heizen des Innenraumes erforderlich ist, wird das
Umkehrventil 32 derart eingestellt, dass es eine Fluidströmung in
der Richtung Y zulässt,
sodass Luft, die durch den inneren Wärmetauscher 18 strömt, erwärmt wird,
sodass die Klimaanlage dazu dient, den Innenraum zu heizen. In diesem
Heizpumpmodus wird das Kältemittelfluid
in dem System 10 durch den Verdichter 12 nacheinander
durch das Umkehrventil 32, den inneren Wärmetauscher 18, die
Ausdehnungsvorrichtung 16, den äußeren Wärmetauscher 14, das
Umkehrventil 32 und den Kältemittelsammler 20 hindurch
gepumpt, bevor es zu dem Verdichter zurückkehrt.
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Das
Umkehrventil 32 ist in den 2 bis 4 in
größerem Detail
gezeigt. Das Umkehrventil 32 umfasst ein Gehäuse 34 mit
einer axial verlaufenden Bohrung 36. Ein Hauptkolben 38 stellt
einen dichtenden Gleitsitz in der Bohrung 36 her und ist
zu einer Hin- und Herbewegung in der axialen Richtung A relativ
zu dem Gehäuse 34 in
der Lage. Der Hauptkolben 38 weist eine axial verlaufende
Durchgangsbohrung 40 und einen ersten, einen zweiten und
einen dritten Kolbenring 42, 44 bzw. 46 auf.
Die Kolbenringe 42–46 sind
axial beabstandet und stellen einen dichtenden Gleiteingriff mit
der Innenfläche 48 der
Bohrung 36 her, um eine erste, eine zweite, eine dritte
und eine vierte Fluidkammer 50, 52, 54, 56 innerhalb
der Bohrung zu definieren. Die zweite Kammer 52 ist zwischen
dem ersten und dem zweiten Kolbenring 42, 44 angeordnet.
Die dritte Kammer 54 ist zwischen dem zweiten und dem dritten
Kolbenring 44, 46 angeordnet. Die erste Kammer 50 ist
benachbart zu dem ersten Kolbenring 42. Die vierte Kammer 56 ist
benachbart zu dem dritten Kolbenring 46. Ein innerer Kolben 58 ist
in der Durchgangsbohrung 40 des Hauptkolbens 38 positioniert
und ist mit dem Hauptkolben relativ zu dem Gehäuse 34 axial bewegbar.
Der innere Kolben 58 ist durch einen Elektromotor 60 um
seine Längsachse
herum relativ zu dem Hauptkolben 38 drehbar. Der innere
Kolben 58 weist eine axial verlaufende, ausgerichtete erste
und zweite Bohrung 62 bzw. 64 auf, die durch eine
innere Wand 66 getrennt sind, die unter einem Winkel zu
der Längsachse
des inneren Kolbens verläuft.
Die erste Bohrung 62 des inneren Kolbens 58 ist
mit der ersten Kammer 50 fluidmäßig verbunden. Die zweite Bohrung 64 des
inneren Kolbens 58 ist mit der vierten Kammer 56 fluidmäßig verbunden.
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Eine
erste und eine zweite Öffnung 68, 70 sind
in dem inneren Kolben 58 gebildet. Die Öffnungen 68, 70 befinden
sich im Wesentlichen radial entgegengesetzt zueinander, wobei sich
die erste Öffnung 68 auf
einer Seite der Wand 66 befindet und sich die zweite Öffnung 70 auf
der anderen Seite der Wand befindet. Die erste Öffnung 68 öffnet sich
in die erste Bohrung 62 des inneren Kolbens 58 hinein.
Die zweite Öffnung 70 öffnet sich
in die zweite Bohrung 64 des inneren Kolbens 58 hinein.
Die erste und die zweite Öffnung 72, 74 sind
in dem Hauptkolben 38 gebildet. Die Öffnungen 72, 74 befinden
sich auf radial entgegengesetzten Seiten des Hauptkolbens 38, wobei
sich die erste Öffnung 72 auf
einer Seite des zweiten Kolbenringes 44 befindet und sich
die zweite Öffnung 74 auf
der anderen Seite des zweiten Kolbenringes befindet. Die erste Öffnung 72 öffnet sich in
die zweite Kammer 52 hinein. Die zweite Öffnung 74 öffnet sich
in die dritte Kammer 54 hinein. In einer ersten Drehposition
des inneren Kolbens 58 relativ zu dem Hauptkolben 38 (2) öffnet sich
die erste Öffnung 68 des
inneren Kolbens in die erste Öffnung 72 des
Hauptkolbens hinein, um die erste und die zweite Kammer 50, 52 fluidmäßig zu verbinden;
und die zweite Öffnung 70 des
inneren Kolbens öffnet
sich in die zweite Öffnung 74 des
Hauptkolbens hinein, um die dritte und die vierte Kammer 54, 56 fluidmäßig zu verbinden.
In einer zweiten Drehposition des inneren Kolbens 58 relativ
zu dem Hauptkolben 38 (3) öffnet sich
die erste Öffnung 68 des
inneren Kolbens in die zweite Öffnung 74 des
Hauptkolbens hinein, um die erste und die dritte Kammer 50, 54 fluidmäßig zu verbinden;
und die zweite Öffnung 70 des
inneren Kolbens öffnet sich
in die erste Öffnung 72 des Hauptkolbens
hinein, um die zweite und die vierte Kammer 52, 56 fluidmäßig zu verbinden.
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Ein
erster und ein zweiter Kolbensitz 76 bzw. 78 sind
in der Bohrung 36 des Gehäuses 34 gebildet. Der
erste und der zweite Kolbensitz 76, 78 sind axial beabstandet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist
der erste Kolbensitz 76 durch eine in der Innenfläche 48 der
Bohrung 36 gebildete Schulter definiert und der zweite
Kolbensitz 78 ist durch einen in der Bohrung eingesetzten
kreisringförmigen
Ring definiert. In einer ersten Position des Hauptkolbens 38 relativ
zu dem Gehäuse 34 (2)
steht der zweite Kolbenring 44 mit dem ersten Kolbensitz 76 in
Eingriff. In einer zweiten Position des Hauptkolbens 38 relativ
zu dem Gehäuse 34 (3)
steht der zweite Kolbenring 44 mit dem zweiten Kolbensitz 78 in
Eingriff.
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Ein
erster, ein zweiter, ein dritter, ein vierter und ein fünfter Kanal 80, 82, 84, 86 bzw. 88 sind
in dem Gehäuse 34 gebildet
und axial beabstandet. In der ersten Position des Hauptkolbens 38 relativ
zu dem Gehäuse 34 (2)
sind der erste und der zweite Kanal 80, 82 mit
der zweiten Kammer 52 fluidmäßig verbunden; der dritte und
der vierte Kanal 84, 86 sind mit der dritten Kammer 54 fluidmäßig verbunden;
und der fünfte
Kanal 88 ist durch den dritten Kolbenring 46 verschlossen.
In der zweiten Position des Hauptkolbens 38 relativ zu
dem Gehäuse 34 (3) sind
der zweite und der dritte Kanal 82, 84 mit der zweiten
Kammer 52 fluidmäßig verbunden;
der vierte und der fünfte
Kanal 86, 88 sind mit der dritten Kammer 54 fluidmäßig verbunden;
und der erste Kanal 80 ist durch den ersten Kolbenring 42 verschlossen.
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Der
erste Kanal 80 und der fünfte Kanal 88 sind
mithilfe eines ersten Abschnitts 90 des zweiten Fluiddurchgangs 24 mit
dem inneren Wärmetauscher 18 fluidmäßig verbunden.
Der zweite Kanal 82 ist mithilfe des vier ten Fluiddurchgangs 31 mit
dem Kältemittelsammler 20 und
dem Einlass 28 des Verdichters 12 fluidmäßig verbunden.
Der dritte Kanal 84 ist mithilfe eines zweiten Abschnitts 92 des
zweiten Fluiddurchgangs 24 mit dem äußeren Wärmetauscher 14 fluidmäßig verbunden.
Der vierte Kanal 86 ist mithilfe des dritten Fluiddurchgangs 30 mit
dem Auslass 26 des Verdichters 12 fluidmäßig verbunden.
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In
dem oben erwähnten
Kühlmodus
des Systems 10 wird der Elektromotor 60 betätigt, um
den inneren Kolben 58 in seine erste Position (wie in 2 gezeigt)
relativ zu dem Hauptkolben 38 zu stellen. Unter Druck stehendes
Fluid von dem Verdichter 12 tritt durch den vierten Kanal 86 hindurch
in die dritte Kammer 54 ein. Das unter Druck stehende Fluid
in der dritten Kammer 54 strömt durch die zweite Öffnung 74 in
dem Hauptkolben 38, die zweite Öffnung 70 in dem inneren
Kolben 58 und die zweite Bohrung 64 in dem inneren
Kolben hindurch in die vierte Kammer 56. Das unter Druck
stehende Fluid in der vierten Kammer 56 wirkt auf den dritten
Kolbenring 46 und das unter Druck stehende Fluid in der
dritten Kammer 54 wirkt auf den zweiten Kolbenring 44,
um den Hauptkolben 38 in seine erste Position (in 2 gezeigt)
zu bewegen, in der der zweite Kolbenring mit dem ersten Kolbensitz 76 in
Eingriff steht. In dieser ersten Position des Hauptkolbens 38 tritt
das unter Druck stehende Fluid durch den dritten Kanal 84 hindurch
aus der dritten Fluidkammer 54 aus, um das System 10 in
der Richtung X zu zirkulieren. Fluid, das aus dem inneren Wärmetauscher 18 austritt,
weist einen reduzierten Druck (im Vergleich zu dem unter Druck stehenden
Fluid, das aus dem Verdichter 12 austritt) auf und strömt durch
den ersten Kanal 80 in die zweite Kammer 52 und
tritt durch den zweiten Kanal 82 hindurch aus der zweiten
Kammer aus, um zu dem Verdichter 12 zurückzukehren. Der niedrigere Druck
in der zweiten Kammer 52 gleicht sich (durch die erste Öffnung 72 in
dem Hauptkolben 38, die erste Öffnung 68 in dem inneren
Kolben 58 und die erste Bohrung 62 in dem inneren
Kolben hindurch) mit dem Druck in der ersten Kammer 50 aus.
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In
dem oben erwähnten
Heizpumpmodus des Systems 10 wird der Elektromotor 60 betätigt, um den
inneren Kolben 58 in seine zweite Position (wie in 3 gezeigt)
relativ zu dem Hauptkolben 38 zu stellen. Unter Druck stehendes
Fluid von dem Verdichter 12 tritt durch den vierten Kanal 86 hindurch
in die dritte Kammer 54 ein. Das unter Druck stehende Fluid
in der dritten Kammer 54 strömt durch die zweite Öffnung 74 in
dem Hauptkolben 38, die erste Öffnung 68 in dem inneren
Kolben 58 und die erste Bohrung 62 in dem inneren
Kolben hindurch in die erste Kammer 50. Das unter Druck
stehende Fluid in der ersten Kammer 50 wirkt auf den ersten
Kolbenring 42 und das unter Druck stehende Fluid in der
dritten Kammer 54 wirkt auf den dritten Kolbenring 46,
um den Hauptkolben 38 in seine zweite Position (in 3 gezeigt)
zu bewegen, in der der zweite Kolbenring 44 mit dem zweiten
Kolbensitz 78 in Eingriff steht. In dieser zweiten Position
des Hauptkolbens 38 tritt das unter Druck stehende Fluid
durch den fünften Kanal 88 hindurch
aus der dritten Fluidkammer 54 aus, um das System 10 in
der Richtung Y zu zirkulieren. Fluid, das aus dem äußeren Wärmetauscher 14 austritt,
weist einen reduzierten Druck (im Vergleich zu dem unter Druck stehenden
Fluid, das aus dem Verdichter 12 austritt) auf und strömt durch
den dritten Kanal 84 in die zweite Kammer 52 und
tritt durch den zweiten Kanal 82 hindurch aus der zweiten
Kammer aus, um zu dem Verdichter 12 zurückzukehren. Der niedrigere
Druck in der zweiten Kammer 52 gleicht sich (durch die
erste Öffnung 72 in
dem Hauptkolben 38, die zweite Öffnung 70 in dem inneren
Kolben 58 und die zweite Bohrung 64 in dem inneren
Kolben hindurch) mit dem Druck in der vierten Kammer 56 aus.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet das aus dem Verdichter 12 austretende,
unter Druck stehende Fluid, um das Druckdifferenzial an dem Hauptkolben 38 zu
erzeugen und dabei zu helfen, den Hauptkolben in die erforderliche
Position für
die erforderliche Richtung der Fluidströmung durch das System 10 hindurch
zu treiben. Der Elektromotor 60 dreht den inneren Kolben 58,
um das unter Druck stehende Fluid entweder zu der vierten Kammer 56 für den Kühlmodus
zu lenken oder das unter Druck stehende Fluid zu der ersten Kammer 50 für den Heizpumpmodus
zu lenken. Mit dieser Anordnung ist die Bewegung des Hauptkolbens
zwischen seiner ersten und seiner zweiten Position sehr schnell
und die Größe des Elektromotors 60 und
des Umkehrventils 32 kann bei einem Minimum gehalten werden.
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Der
Verdichter
12 ist vorzugsweise ein elektronisch verstellbarer
Verdichter, dessen Betrieb durch ein elektronisches Verdrängungssteuerventil (nicht
gezeigt) gesteuert wird. Ein Beispiel für ein/en geeigneten/s Verdichter
und Steuerventil ist in der
EP-A-0
993 977 beschrieben. Der Verdichter
12 ist vorzugsweise
ein Taumelscheibenverdichter. Als eine Alternative kann ein Schrägscheibenverdichter verwendet
werden. Als eine weitere Alternative kann der Kältemittelsammler
20 anderswo
in dem System
10 angeordnet sein. Alternativ kann ein Zweiwege-Kältesammler
in dem System
10 verwendet werden. Der Elektromotor
60 kann
durch ein alternatives Mittel zum Drehen des inneren Kolbens
58 wie
z. B. ein mit dem inneren Kolben über eine Zahnstangenanordnung
verbundenes Solenoid ersetzt sein. Der kreisringförmige Ring,
der den zweiten Kolbensitz
78 definiert, kann durch eine
zylindrische Hülse
ersetzt sein, die sich an dem dritten Kolbenring
46 vorbei
erstreckt.