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Es
wird ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage zur Konditionierung
mehrerer Fluide sowie eine nach diesem Verfahren betreibbare Klimaanlage beschrieben.
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Zur
Klimatisierung von Fahrzeugen oder Gebäuden werden verschiedene
Fluide als Wärmeträger genutzt. Die Kühlung
oder Erwärmung der Luft erfolgt entweder direkt durch den
Wärmeübertrager vom Kältemittel an die
Luft, oder insbesondere bei weit verzweigten Systemen oder „stillen” Systemen durch
einen Wärmeübertrag vom Kältemittel an
ein Kühlmittel/Wärmeträger-Fluid, meist
Wasser.
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In
der
EP 1 472 106 B1 ist
eine Klimaanlage für ein Fahrzeug beschrieben mit einem
Koppelwärmetauscher für die Wärmeübertragung
zwischen Motorkühlwasser und Kältemittel. Hierbei
wird Wärme vom Motorkühlwasser an das Kältemittel übertragen und
damit die Verdampferleistung für die Innenraumzuluftkonditionierung
geregelt.
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In
US 2006 123 824 ist eine
Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug gezeigt, bei der im
Heizfall zunächst der Wasser-Wärmetauscher, dann
der Innenluftwärmetauscher und dann der Außenluftwärmetauscher
durchströmt wird. Der Wasser-Wärmetauscher und
der Innenluftwärmetauscher sind über ein Drosselorgan
getrennt, so dass sie auf unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus
betrieben werden. Das Heizwasser erwärmt die Zuluft für
den Innenraum, während das Kältemittel die Zuluft
für den Innenraum kühlt und entfeuchtet.
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In
US 7 231 776 ist eine Fahrzeugklimaanlage
beschrieben mit einem Koppelwärmetauscher zur Übertragung
von Wärme zwischen Kältemittel und Motorkühlwasser.
Der Fahrzeuginnenraum wird dabei vom Kältemittel gekühlt
und vom Motorkühlwasser geheizt.
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In
US 2001 020 529 ist eine
Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis
beschrieben. Die Zuluft für den Fahrzeuginnenraum wird
vom Kältemittel gekühlt und vom Motorkühlwasser
geheizt.
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In
US 7 182 129 bzw.
EP 1 132 230 B1 ist eine
Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis
beschrieben. Das Fahrzeug wird nur über Motorkühlwasser
beheizt.
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In
US 6 640 889 ist eine Klima-Heiz-Anlage für
ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Das Fahrzeug
wird nur über Motorkühlwasser beheizt. Die Wasser-Kältemittel-
und Luft-Kältemittel-Wärmetauscher sind parallel
angeordnet und über ein 3-Wege-Ventil getrennt.
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In
US 2005 039 878 und
US 6 862 892 B1 ist eine
Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis
beschrieben. Das Fahrzeug wird nur über Motorkühlwasser
beheizt. Die Wasser-Kältemittel- und Luft-Kältemittel-Wärmetauscher
sind parallel angeordnet und über ein 3-Wege-Ventil getrennt.
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In
US 2005 103 487 ist eine
Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis
beschrieben. Das Fahrzeug wird über das Kältemittel
m Wärmepumpenbetrieb beheizt. Der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher
dient als zusätzliche Wärmequelle zur Außenluft.
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In
der
US 6 574 977 B2 ist
eine Wärmepumpe beschrieben mit zwei in Reihe geschalteten
Hochdruckwärmetauschern, wobei der erste Hochdruckwärmetauscher
Wärme an ein erstes Fluid (Wasser) abgibt, das wiederum
die Innenraumzuluft erwärmt, und der zweite Hochdruckwärmetauscher
Wärme an ein zweites Fluid abgibt (Innenraumzuluft) und
das erste Fluid wärmer ist als das zweite. Es ist vorgesehen,
den Hochdruck in Abhängigkeit einer Kältemitteltemperatur
zwischen den beiden Hochdruckwärmetauschern zu regeln.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer
als Kälteanlage und Wärmepumpe umschaltbaren Klimaanlage
mit verbesserter Wirkungsweise sowie eine solche entsprechend betreibbare
Klimaanlage anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage,
vorzugsweise Fahrzeugklimaanlage oder Gebäudeklimaanlage
unter Konditionierung von mehreren Fluiden, gelöst, wobei
die Klimaanlage mindestens einen Verdichter, mindestens drei Wärmetauscher
und mindestens eine Expansionseinrichtung aufweist, wobei diese
Komponenten durch eine Druckleitung, in die Schaltmittel und/oder
Stellmittel geschaltet sind, verbunden sind und einen Fluidkreislauf
eines Arbeitsfluids bilden, und wobei vorgesehen ist, dass mindestens
zwei der Fluide konditioniert, das heißt gekühlt und/oder
geheizt werden und das weitere Fluid als Wärmesenke und/oder
Wärmequelle dient,
dass das Arbeitsfluid die Wärmetauscher
zum Wärmetausch mit den zu konditionierenden Fluiden in Reihe
durchfließt, beginnend mit dem Wärmetauscher des
zu konditionierenden Fluids mit der höchsten Temperaturdifferenz
zum Arbeitsfluid und
dass vorgesehen ist,
- a)
dass die Überhitzung des Arbeitsfluids im Niederdruckbereich
des Arbeitsfluidkreislaufs geregelt und/oder gesteuert wird und/oder
- b) dass der Hochdruck im Hochdruckbereich vor dem Expansionsventil
geregelt und/oder gesteuert wird und/oder
- c) dass der Differenzdruck zwischen dem Hochdruckbereich und
dem Niederdruckbereich geregelt und/oder gesteuert wird.
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Die
Aufgabe wird weiter mit einer umschaltbaren Kälteanlage-Wärmepumpenanlage,
vorzugsweise als Fahrzeugklimaanlage oder Gebäudeklimaanlage
ausgebildet, zur Konditionierung, das heißt Kühlung
und/oder Heizung mehrerer Fluide, gelöst, mit mindestens
einem Verdichter, mindestens drei Wärmetauschern und mindestens
einer Expansionseinrichtung, wobei diese Komponenten durch eine
Druckleitung, in die Schaltmittel und/oder Stellmittel geschaltet
sind, verbunden sind und einen ersten Fluidkreislauf eines Arbeitsfluids
bilden,
wobei vorgesehen ist,
- a) dass
ein erster Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen
dem Arbeitsfluid und einem ersten Fluid vorgesehen ist, wobei das
erste Fluid in einem eigenen Fluidkreislauf strömt,
- b) dass mindestens ein zweiter Wärmetauscher zum Wärmetausch
zwischen dem Arbeitsfluid und einem zweiten Fluid vorgesehen ist,
- c) dass mindestens ein weiterer Wärmetauscher zum Wärmetausch
zwischen dem Arbeitsfluid und einem dritten Fluid vorgesehen ist,
- d) dass die Reihenfolge der Durchströmung der Wärmetauscher
mit dem Arbeitsfluid in Abhängigkeit von der Betriebsart
durch die Schaltmittel und/oder Stellmittel bestimmt ist, wobei
der Wärmetauscher mit der höchsten Temperaturdifferenz zwischen
dem den Wärmetauscher durchströmenden zu konditionierenden
Fluid und dem Arbeitsfluid stromaufwärts von den übrigen
Wärmetauschern der zu konditionierenden Fluide angeordnet
ist, und
- e) wobei vorgesehen ist,
- e1) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen
ist, die die Überhitzung im Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs steuert
und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
mit der Expansionseinrichtung verbunden ist; und/oder
- e2) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen
ist, die den Druck im Hochdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs
steuert und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
mit der Expansionseinrichtung verbunden ist; und/oder
- e3) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen
ist, die den Differenzdruck zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich
des Arbeitsfluidkreislaufs steuert und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung mit der Expansionseinrichtung verbunden ist.
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Die
erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich dadurch
aus, dass sie so betreibbar ist, dass mindestens zwei der Fluide
konditioniert, das heißt gekühlt und/oder geheizt
werden, und dass weitere Fluid als Wärmesenke und/oder
Wärmequelle dient.
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Die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene
Klimaanlage kann durch die Festlegung der Reihenfolge der Durchströmung
der Wärmetauscher mit dem Arbeitsfluid in Abhängigkeit
von der Betriebsart so eingestellt werden, dass die Betriebsführung
optimal an den Betriebsfall, d. h. an Kühlbetrieb oder
Heizbetrieb, angepasst werden kann. Die Klimaanlage ermöglicht
dabei im Wärmepumpenbetrieb eine energiesparende Beheizung
eines Fahrzeuginnenraums oder Gebäudes.
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Die
Anpassung ist besonders einfach durch die vorgesehenen Schaltmittel
und/oder Stellmittel möglich, so dass keine Änderungen
vorgenommen werden müssen, die einen Montageaufwand erfordern,
wie beispielsweise das Umstecken von Verbindungsleitungen.
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Die
erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich weiter
dadurch aus, dass die räumliche Anordnung der Wärmetauscher
unabhängig von der funktionellen Reihenfolge der Wärmetauscher
im Arbeitsfluidkreislauf möglich ist, so dass eine klimatechnisch
optimale Anordnung im Fahrzeug oder Gebäude möglich
ist. Es ist so möglich, beispielsweise bei einer Fahrzeugklimaanlage
das erste Fluid durch Wärmetauscher zu leiten, die im Fußraum
des Fahrzeugs an den Fahrzeugwänden und/oder unter den Sitzen
angeordnet sein können und die von der Innenraumluft des
Fahrzeugs umströmt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße
Klimaanlage auch mit Vorteil in Verbindung mit einer Wasserzentralheizung
von Gebäuden eingesetzt werden, z. B. auch in Verbindung
mit einer Fußbodenheizung.
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Bei
der erfindungsgemäßen Klimaanlage sind sämtliche
Wärmetauscher mit Ausnahme der vorgenannten Wärmetauscher
im Arbeitsfluidkreislauf vom Arbeitsfluid durchflossen, so dass
die in herkömmlichen Fahrzeugklimaanlagen üblichen
als Wasser-Wärmetauscher ausgebildeten Heizer für
die Zuluft entfallen können.
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Es
kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem ersten Fluid um Wasser
handelt.
-
Es
ist aber auch möglich, dass es sich bei dem ersten Fluid
um ein Gemisch aus Wasser und Glykol handelt. „Glykol” steht
hierbei für Glykol oder ein anderes beliebiges Frostschutzmittel,
das dem Wasser zur Erniedrigung des Gefrierpunktes beigemischt ist.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem zweiten Fluid um Luft,
insbesondere um Innenluft oder um Zuluft für den Innenraum
eines Fahrzeugs oder Gebäudes handelt.
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Bei
dem dritten Fluid kann es sich um Außenluft handeln.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Arbeitsfluid um Kohlenstoffdioxid
handelt.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen sind auf die Anordnung der Wärmetauscher
im Arbeitsfluidkreislauf gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher stromabwärts
unmittelbar hinter dem Verdichter angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen
sein, dass der erste Wärmetauscher im Heizbetrieb zum Heizen
des ersten Fluids durchströmt wird. Im Kühlbetrieb
kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher zum
Heizen des ersten Fluids durchströmt wird oder eine Durchströmung
des ersten Wärmetauschers durch das erste Fluid nicht erfolgt.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher stromaufwärts
vor dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist. Hierbei kann
vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher im Kühlbetrieb
durch Schaltmittel vom Arbeitsfluid-Kreislauf getrennt ist. Im Heizbetrieb
kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher zum
Heizen des ersten Fluids von dem Arbeitsfluid durchströmt
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass
der erste Wärmetauscher stromaufwärts unmittelbar
vor dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist, und dass
der erste Wärmetauscher im Kühlbetrieb auch zum
Kühlen des ersten Fluids von verdampfendem Arbeitsfluid
durchströmt wird. Im Heizbetrieb kann vorgesehen sein, dass
der erste Wärmetauscher zum Heizen des ersten Fluids vom
Arbeitsfluid durchströmt wird.
-
Weiter
ist es möglich, dass eine Wärmeübertragung
zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid an einer von dem
zweiten Wärmeübertrager entfernten Stelle stattfindet,
wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das erste Fluid Konvektoren
durchströmt, die im Innenraum eines Fahrzeugs oder Gebäudes
angeordnet sind. Die Konvektoren können beispielsweise
im Fußbereich des Fahrzeuginnenraums angeordnet sein, wobei
der zweite Wärmeübertrager als Gebläseeinheit
im Kopfbereich der Fahrgäste angeordnet sein kann.
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Wie
weiter oben ausgeführt, kann die Expansionseinrichtung
in dem Arbeitsfluidkreislauf so geschaltet sein, dass es die Überhitzung
des Arbeitsfluids im Niederdruckteil des Fluidkreislaufs regelt.
Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage kann also
auf eine Druckregelung im Hochdruckbereich verzichtet werden. Es
kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Expansionseinrichtung
die Überhitzung des Arbeitsfluids an einer Stelle zwischen
Verdampferausgang und Verdichtereingang misst und/oder regelt. Es
kann aber auch zusätzlich oder an Stelle der Überhitzungsregelung
der Hochdruck vor der Expansionseinrichtung und/oder der Differenzdruck
zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck geregelt und/oder gesteuert
werden.
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Apparativ
kann vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
für die Überhitzung im Niederdruckbereich des
Arbeitsfluidskreislauf und/oder für den Druck im Hochdruckbereich
des Arbeitsfluidskreislaufs und/oder für den Differenzdruck
zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs eine
Messfühlereinrichtung und/oder eine Sollwert-Einstelleinrichtung
für diese betreffenden Parameter aufweist. Vorzugsweise
kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
mit der Expansionseinrichtung eine Baueinheit bildet.
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Zur
Steuerung und/oder Regelung der Überhitzung kann vorgesehen
sein, dass die die Überhitzung im Niederdruckbereich des
Arbeitsfluidkreislaufs messende Messfühlereinrichtung zwischen Verdampferausgang
und Verdichtereingang vorzugsweise unmittelbar vor dem Eingang des
Verdichters angeordnet ist. Zur Steuerung und/oder Regelung des
Drucks im Hochdruckbereich kann vorgesehen sein, dass die den Druck
im Hochdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs messende Messfühlereinrichtung
vorzugsweise unmittelbar vor dem Eingang der Expansionseinrichtung
angeordnet ist. Zur Steuerung und/oder Regelung der Druckdifferenz
zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs
kann vorgesehen sein, dass die die Druckdifferenz messende Messfühlereinrichtung
so angeordnet ist, dass sie den Druck des in die Expanisonseinrichtung
eintretenden und dem Druck des aus der Expansionseinrichtung austretenden
Arbeitsfluids misst.
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Weiter
kann ein interner Wärmetauscher vorgesehen sein, der vorzugsweise
als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, der von dem
Arbeitsfluid durchströmt wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
2 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 1 im Kühlbetrieb;
-
3 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 1 im Heizbetrieb;
-
4 ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
5 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 4 im Kühlbetrieb;
-
6 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 4 im Heizbetrieb;
-
7 ein
Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
8 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 7 im Kühlbetrieb;
-
9 ein
Blockschaltbild der Klimaanlage in 7 im Heizbetrieb.
-
1 bis 3 zeigen
eine erfindungsgemäße Klimaanlage 1,
die einen Verdichter 10, einen Wasser-Wärmetauscher 11,
einen äußeren Wärmetauscher 12,
einen inneren Wärmetauscher 13, einen internen
Wärmetauscher 14, ein Expansionsventil 15,
Dreiwegeventile 16a und 16b sowie vorzugsweise
als Rückschlagventile ausgebildete Ventile 17a bis 17d aufweist.
In der Klimaanlage 1 zirkuliert ein Arbeitsfluid, bei dem
es sich in dem konkreten Ausführungsbeispiel um Kohlenstoffdioxid
handelt.
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Der
Wasser-Wärmetauscher 11 ist als Arbeitsfluid-Wasser-Hochduckwärmetauscher
ausgebildet, im Weiteren als Wasser-Wärmetauscher bezeichnet.
Der Wasser-Wärmetauscher 11 weist einen Arbeitsfluid-Eingang
und einen Arbeitsfluid Ausgang, im Weiteren als Eingang und Ausgang
bezeichnet, sowie einen Wasser-Eingang und einen Wasser-Ausgang
auf.
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Bei
dem äußeren Wärmetauscher 12 und dem
inneren Wärmetauscher 13 handelt es sich um Arbeitsfluid-Luft-Wärmetauscher.
Die Wärmetauscher 12 und 13 weisen jeweils
einen Arbeitsfluid-Eingang und einen Arbeitsfluid-Ausgang auf, im Weiteren
als Eingang und Ausgang bezeichnet.
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Der
interne Wärmetauscher 14 ist als ein Gegenstrom-Wärmetauscher
ausgebildet, durch den das Arbeitsfluid im Gegenstrom fließt.
Der Wärmeaustauscher weist folglich einen ersten und einen zweiten
Eingang sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang auf. Dabei
ist der zweite Eingang stromabwärts hinter dem ersten Eingang
angeordnet.
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Der
Ausgang des Verdichters 10 ist mit dem Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 verbunden,
in dem das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid bei hohem
Temperaturniveau Wärme an das Wasser abgibt.
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Der
Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 ist mit dem
Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbunden,
in dem das Arbeitsfluid im Wärmeaustausch mit der Außenluft
steht, die als Wärmequelle oder Wärmesenke dient.
Der Wärmetauscher 12 kann bei Ausführungen
der Klimaanlage als Fahrzeugklimaanlage vorteilhafterweise auf dem
Fahrzeugdach angeordnet sein. In die Verbindungsleitung zwischen
dem Wasser-Wärmetauscher 11 und dem äußeren
Wärmetauscher 12 ist ein Dreiwegeventil 16a eingeschaltet,
dessen dritter Anschluss über eine Druckleitung mit dem
Eingang des inneren Wärmetauschers 13 verbunden
ist.
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Der
Ausgang des äußeren Wärmetauschers 12 ist
zum einen über ein vorzugsweise als Rückschlagventil
ausgebildetes Ventil 17a mit dem ersten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 verbunden und zum anderen über ein
weiteres Dreiwegeventil 16b mit dem zweiten Eingang des
internen Wämetauschers 14 verbindbar. Weiter ist
der Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 über
ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17b mit
dem ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbunden
und über das Dreiwegeventil 16b mit dem zweiten
Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbunden.
Der erste Ausgang des internen Wärmetauschers 14 ist
mit dem Eingang des Expansionsventils 15 verbunden. Der
zweite Ausgang des internen Wärmetauschers 14 ist
mit dem Eingang des Verdichters 10 verbunden.
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Der
Ausgang des Expansionsventils 15 ist zum einen über
ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17c mit
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 14 verbunden
und zum anderen über ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes
Ventil 17d mit dem Eingang des ersten inneren Wärmetauschers 13.
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Durch
Einstellen der Dreiwegeventile 16a und 16b sowie
der vorzugsweise als Rückschlagventile ausgebildeten Ventile 17a bis 17d ist
es möglich, die Klimaanlage sowohl im Kühlbetrieb
als auch im Heizbetrieb zu betreiben.
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Der
Wasserkreislauf des Wasser-Wärmetauschers 11 ist
weiter mit mindestens einem Konvektor 18 verbunden, wobei
das Wasser durch eine Umwälzpumpe 19 gefördert
werden kann. Der Konvektor 18 kann an geeigneter Stelle
im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnet sein
und dient der besseren Wärmeverteilung im Heizbetrieb.
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Die 2 zeigt
die Klimaanlage 1 im Kühlbetrieb. Zum besseren
Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die
gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
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Im
Kühlbetrieb fließt das verdichtete und dabei erhitzte
Arbeitsfluid vom Verdichter 10 in den Wasser-Wärmetauscher 11 und
gibt bei hohem Temperaturniveau Wärme an das Wasser ab.
Der Wärmeaustausch mit dem Wasser-Wärmetauscher 11 kann über
den mit der Umwälzpumpe 19 einstellbaren Wasserdurchfluss
geregelt werden oder auf Null zurückgenommen werden, wenn
im Kühlbetrieb keine (Wasser-)Heizung an anderer Stelle
benötigt wird.
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Das
Dreiwegeventil 16a ist so eingestellt, dass eine Verbindung
zwischen dem Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 und
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 hergestellt
ist. Die Verbindung zum Eingang des inneren Wärmetauschers 13 ist
unterbrochen. Folglich fließt das Arbeitsfluid über
den äußeren Wärmetauscher 12 und
wird dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt. Es
fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil
ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 und sodann zum Expansionsventil 15, in
dem es entspannt wird. Bei dem Expansionsventil 15 kann
es sich um ein thermostatisches Expansionsventil handeln, dessen
Messfühler 15f vor dem Eingang des Verdichters 10 angeordnet
ist und dort die Überhitzungstemperatur misst. Es kann
auch ein Expansionsventil eingesetzt werden, das den Hochdruck vor
dem Expansionsventil regelt. Der Hochdruck kann entweder als fixer
Wert einstellbar sein oder in Abhängigkeit einer Temperatur
eines der Fluide erfolgen. Vorzugsweise wird zur Ermittlung eines optimalen
Hochdrucks die Temperatur des Arbeitsfluids im Bereich zwischen
dem ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und
dem Eingang des Expansionsventils 15 gemessen. Es ist auch
eine Kombination von Hochdruckregelung und Überhitzungsregelung
möglich. Diese ist insbesondere bei mehrstufigen Anlagen
(z. B. mit Mitteldruckbehälter) vorteilhaft. Es kann auch
ein Expansionsventil vorgesehen sein, das die Druckdifferenz zwischen
Hoch- und Niederdruck, vorzugsweise die Druckdifferenz zwischen
Eintritt und Austritt des Expansionsventils 15 regelt.
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Das
entspannte Arbeitsfluid fließt über das vorzugsweise
als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d durch
den inneren Wärmetauscher 13. Im inneren Wärmetauscher 13 nimmt
das Arbeitsfluid bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur
Wärme von der zu kühlenden Zuluft für
den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf und verdampft dabei.
Das Arbeitsfluid strömt nun weiter über das Dreiwegeventil 16b zum
zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14.
Es wird im internen Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt,
bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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3 zeigt
die Klimaanlage 1 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis
sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz
hinterlegt.
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Das
hinter dem Wasser-Wärmetauscher 11 angeordnete
Dreiwegeventil 16a ist nun so eingestellt, dass die direkte
Verbindung zwischen dem Wasser-Wärmetauscher 11 und
dem äußeren Wärmetauscher 12 unterbrochen
ist. Das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid gibt zunächst
einen Teil seiner Wärme an das im Wasser-Wärmetauscher 11 strömende
Wasser ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über
die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des
Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt
wird und dabei Wärme an die Innenluft des Fahrzeugs oder
Gebäudes abgibt. Das abgekühlte Wasser fließt
in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
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Sodann
fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte
Arbeitsfluid durch das entsprechend eingestellte Dreiwegeventil 16a durch
den inneren Wärmetauscher 13 und gibt dort die
Restwärme an die Zuluft für den Innenraum des
Fahrzeugs oder Gebäudes ab, die dadurch erwärmt
wird. Das abgekühlte und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid
fließt weiter über den ersten Eingang des internen
Wärmetauschers 14, über das Expansionsventil 15 und über das
Rückschlagventil 17c zum äußeren
Wärmetauscher 12.
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Dazu
ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die
Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und
dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter
ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d völlig
geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
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Das
Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei
reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der
Außenluft auf. Es verdampft, fließt über
das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 und wird im internen Wärmetauscher 14 weiter überhitzt, bevor
es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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Die
Klimaanlage 1 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe,
welche die in der Außenluft auf einem niedrigen Temperaturniveau
gespeicherte Wärme nutzt und damit die Innenluft des Fahrzeugs
oder Gebäudes auf ein höheres Temperaturniveau
bringt, wobei der Innenraum sowohl über den inneren Wärmetauscher 13 als
auch durch den bzw. die Wärmetauscher 18 beheizt
wird.
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Die 4 bis 6 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Klimaanlage.
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4 zeigt
eine Klimaanlage 2, die sich von der in 1 weiter
oben beschriebenen Klimaanlage 1 im Wesentlichen dadurch
unterscheidet, dass der Wasser-Wärmetauscher 11 über
Magnetventile 20a und 20b abschaltbar ist.
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Der
Ausgang des Verdichters 10 ist nun außer mit dem
Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 auch über
das Magnetventil 20a mit dem Eingang des äußeren
Wärmetauschers 12 verbindbar. Der Ausgang des
Wasser-Wärmetauschers 11 ist nun nicht mehr mit
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbunden,
sondern ist über das Magnetventil 20b mit dem
Eingang des inneren Wärmetauschers 13 verbindbar.
Das Magnetventil 20b kann alternativ auch am Eingang des
Wasser-Wärmetauschers 11 angeordnet sein, oder
die Magnetventile 20a und 20b können
durch ein Dreiwegeventil ersetzt sein.
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5 zeigt
die Klimaanlage 2 im Kühlbetrieb. Zum besseren
Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die
gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
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Das
Magnetventil 20a ist geöffnet, so dass das verdichtete
und dabei erhitzte Arbeitsfluid vom Verdichter 10 über
den äußeren Wärmetauscher 12 fließt
und dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt wird. Es
fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil
ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 und weiter zum Expansionsventil 15,
in dem es entspannt wird.
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Das
entspannte Arbeitsfluid fließt über das vorzugsweise
als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d nun
durch den inneren Wärmetauscher 13. Im inneren
Wärmetauscher 13 nimmt das Arbeitsfluid bei reduziertem
Druck und niedriger Temperatur Wärme von der zu kühlenden
Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes
auf und verdampft. Die Verdampfung kann, muss aber nicht vollständig sein.
Das Arbeitsfluid strömt nun weiter zum zweiten Eingang
des internen Wärmetauschers 14. Es wird im internen
Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt, bevor
es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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6 zeigt
die Klimaanlage 2 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis
sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz
hinterlegt.
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Das
Magnetventil 20a am Ausgang des Verdichters 10 ist
nun geschlossen und das Magnetventil 20b am Ausgang des
Wasser-Wärmetauschers 11 geöffnet. Folglich
gelangt das aus dem Verdichter 10 strömende verdichtete
und erhitzte Arbeitsfluid in den Wasser-Wärmetauscher 11 und
gibt zunächst einen Teil seiner Wärme an das im
Wasser-Wärmetauscher 11 strömende Wasser
ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über
die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des
Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt
wird und dabei Wärme abgibt. Das abgekühlte Wasser
fließt in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
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Sodann
fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte
Arbeitsfluid durch den inneren Wärmetauscher 13 und
gibt die Restwärme an die zu heizende Zuluft für
den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. Das abgekühlte
und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid fließt weiter über
das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17b zum ersten
Eingang des internen Wärmetauschers 14 und weiter über
das Expansionsventil 15 und das vorzugsweise als Rückschlagventil
ausgebildete Ventil 17c zum äußeren Wärmetauscher 12.
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Dazu
ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die
Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und
dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter
ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagsventil ausgebildete Ventil 17d völlig
geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
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Das
Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei
reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der
Außenluft auf. Es verdampft hier und wird im internen Wärmetauscher 14 weiter überhitzt,
bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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Die
Klimaanlage 2 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe,
welche die in der Außenluft auf einem niedrigen Temperaturniveau
gespeicherte Wärme nutzt und damit die Zuluft für
den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf ein höheres
Temperaturniveau bringt. Die Klimaanlage 2 arbeitet im
Heizbetrieb besonders effektiv, weil im Wasser-Wärmetauscher 11 als
Fluid Wasser vorgesehen ist, das dort auf eine verhältnismäßig
hohe Temperatur gebracht wird, so dass mit dem erwärmten
Wasser zusätzlich zu dem ersten inneren Wärmetauscher 13 ein
oder mehrere im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnete
Wärmetauscher 18 betrieben werden können.
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Die 7 bis 9 zeigen
ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Klimaanlage.
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7 zeigt
eine Klimaanlage 3, die sich von der in 4 weiter
oben beschriebenen Klimaanlage 2 im Wesentlichen dadurch
unterscheidet dass der Wasser-Wärmetauscher 11 unmittelbar
vor dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnet ist.
So kann der Wärmeaustausch mit dem Wasser sowohl im Heizbetrieb
(siehe 9) als auch im Kühlbetrieb (siehe 8)
mit der höchsten Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsfluid
und dem Wasser erfolgen. Der Ausgang des Verdichters 10 ist über das
Magnetventil 20a mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbindbar
und über das Magnetventil 20b mit dem Eingang
des Wasser-Wärmetauschers 11 verbindbar.
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8 zeigt
die Klimaanlage 3 im Kühlbetrieb. Zum besseren
Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die
gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
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Das
Magnetventil 20a ist geöffnet, so dass das verdichtete
und dabei erhitzte Arbeitsfluid vom Verdichter 10 über
den äußeren Wärmetauscher 12 fließt
und dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt wird. Es
fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil
ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 und weiter zum Expansionsventil 15,
in dem es entspannt wird. Das Magnetventil 20b ist geschlossen.
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Das
entspannte Arbeitsfluid fließt nun über das vorzugsweise
als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d über
den Wasserwärmetauscher 11 und sodann durch den
inneren Wärmetauscher 13. Der Wasserkreislauf
im Wasser-Wärmetauscher 11 kann abgestellt, das
heißt die Pumpe 19 abgeschaltet sein. Falls dies
nicht der Fall ist, nimmt das Arbeitsfluid bei reduziertem Druck
und niedriger Temperatur bereits im Wasser-Wärmetauscher 11 von
dem Wasserkreislauf Wärme auf und kühlt das Wasser
und über die Wärmetauscher 18 den Innenraum
des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. In dem inneren Wärmetauscher 13 nimmt
das Arbeitsfluid dann weiterhin bei reduziertem Druck und niedriger
Temperatur Wärme von der zu kühlenden Zuluft für
den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf und verdampft.
Das Arbeitsfluid strömt nun weiter über das Dreiwegeventil 16b zum
zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14.
Es wird im internen Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt,
bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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9 zeigt
die Klimaanlage 3 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis
sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz
hinterlegt.
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Das
Magnetventil 20a ist nun geschlossen und das Magnetventil 20b ist
geöffnet. Folglich gelangt das aus dem Verdichter 10 strömende
verdichtete und erhitzte Arbeitsfluid über das geöffnete
Magnetventil 20b in den Wasser-Wärmetauscher 11 und gibt
zunächst einen Teil seiner Wärme an das im Wasser-Wärmetauscher 11 strömende
Wasser ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über
die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des
Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt
wird und dabei Wärme an die Innenluft des Fahrzeugs oder
Gebäudes abgibt. Das abgekühlte Wasser fließt
in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
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Sodann
fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte
Arbeitsfluid durch den inneren Wärmetauscher 13 und
gibt die Restwärme an die zu heizende Zuluft für
den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. Das abgekühlte
und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid fließt weiter über
das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17b, über den
ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und über
das Expansionsventil 15 zum äußeren Wärmetauscher 12.
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Dazu
ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die
Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und
dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter
ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d völlig
geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und
dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete
vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
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Das
Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei
reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der
Außenluft auf. Es verdampft hier und fließt über
das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen
Wärmetauschers 14 und wird hier weiter überhitzt,
bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
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Die
Klimaanlage 3 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe,
welche die in der auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeicherte
Wärme nutzt und damit die Innenluft des Fahrzeugs oder Gebäudes
auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Die Klimaanlage 3 arbeitet
im Heizbetrieb besonders effektiv, weil im Wasser-Wärmetauscher 11 als
Fluid Wasser vorgesehen ist, das dort auf eine verhältnismäßig
hohe Temperatur gebracht wird, so dass mit dem erwärmten
Wasser zusätzlich zu dem ersten inneren Wärmetauscher 13 ein
oder mehrere im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnete Wärmetauscher 18 betrieben
werden können. Dieselben und/oder andere Wärmetauscher 18 können im
Kühlbetrieb zur Abkühlung des Innenraums beitragen.
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- 1,
2, 3
- Klimaanlage
- 10
- Verdichter
- 11
- Wasser-Wärmetauscher
- 12
- äußerer
Wärmetauscher
- 13
- innerer
Wärmetauscher
- 14
- interner
Wärmetauscher
- 15
- Expansionsventil
- 16a,
16b
- Dreiwegeventil
- 17a
bis 17d
- Ventil,
vorzugsweise Rückschlagventil
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Umwälzpumpe
- 20a,
20b
- Magnetventil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1472106
B1 [0003]
- - US 2006123824 [0004]
- - US 7231776 [0005]
- - US 2001020529 [0006]
- - US 7182129 [0007]
- - EP 1132230 B1 [0007]
- - US 6640889 [0008]
- - US 2005039878 [0009]
- - US 6862892 B1 [0009]
- - US 2005103487 [0010]
- - US 6574977 B2 [0011]