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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühl- und Entfeuchtungsfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage.
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Es ist bekannt, dass Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einer Klimaanlage ausgestattet werden, die von einem Kältebetrieb in einen Wärmebetrieb und umgekehrt geschaltet werden kann.
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Ferner sind Fahrzeugklimaanlagen bekannt, deren Kältemittelkreislauf einen als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten indirekten Kondensator aufweist, der im Wärmebetrieb über einen kondensatorseitigen Kühlmittelkreislauf und dem dort stromabwärts integrierten Heizungswärmeübertrager die Luft des Fahrzeuginnenraums erwärmt. Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Innenraumverdampfer einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist. Alternativ kann die Kühlung eines Energiespeichers bzw. sonstiges Hochvoltbauteile auch über Direktverdampfung von Kältemittel im Bauteil erfolgen.
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Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In seiner Verschaltung bzw. Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt oder indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben.
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Eine gattungsbildende Fahrzeugklimaanlage mit einem Verdampfer, einem Kältemittelverdichter, einem ersten Kältemittelkondensator, einem dem Verdampfer zugeordneten ersten Expansionsorgan und einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist aus der
DE 10 2010 051 976 A1 bekannt. Im Heizbetrieb wird mittels eines Heizungswärmeübertragers eine in den Fahrzeuginnenraum strömende Zuluft erwärmt, wobei dieser Heizungswärmeübertrager über einen Kühlmittelkreislauf mit einem Antriebsaggregat, bspw. einer Antriebseinheit thermisch gekoppelt ist. Im Wärmepumpenbetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter verdichtete Kältemittel über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager geführt, wo ein Teil der Wärme des Kältemittels auf den Kühlmittelkreislauf zum Heizen der Fahrgastzelle übertragen wird. Diesem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist in Strömungsrichtung des Kältemittels ein zweiter Kältemittelkondensator nachgeschaltet, der im Heizbetrieb unmittelbar Wärme an die in den Fahrzeuginnenraum strömende Zuluft abgibt und diese vor der Durchströmung des Klimagerätes vorwärmt. Somit ist dieser als Vorwärmer dienende zweite Kältemittelkondensator am Lufteintritt zum Klimagerät angeordnet und in Strömungsrichtung der Zuluft dem Verdampfer noch vorgeschaltet.
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Dieser zweite Kältemittelkondensator ist damit als direkter Wärmeübertrager ausgeführt und in den Zuluftstrom für die Insassenkabine eingebunden. Nachteilig an der entsprechenden Position in der Luftansaugung zum Klimagerät sind beispielsweise die langen Wege für den Zuluftstrom durch das Klimagerät, ist die potentielle Wirkung des Wärmeübertragers als Schmutzfänger und ist die Gefahr einer Geruchsentwicklung. Die Lufterwärmung und gegebenenfalls bei aktivem Verdampferbetrieb folgende Luftstromabkühlung kann zu einem ineffizienten Anlagenbetrieb und zu einer zusätzlichen verdichterseitigen Leistungsaufnahme führen.
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Bekannte Wärmepumpensysteme mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel, wie sie bspw. in der
DE 101 63 607 A1 beschrieben werden, heizen mit im Klimagerät angeordneten direkten Wärmeübertragern, also Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager den Zuluftstrom der Kabine auf. Aufgrund des hohen Temperaturgefälles zwischen dem Kältemittel als Wärmeträger und dem Luftstrom als Wärmesenke ist es sinnvoll, bei Bedarf an maximaler Heizleistung ein Hochdruckniveau bis 133 bar einzustellen. Bei aktuellen Klimaanlagen mit R744 als Kältemittel beträgt daher die Arbeitsdruckobergrenze 133 bar, wobei die Systemabschaltung bei 140 bar erfolgt. Aus Robustheitsgründen, insbesondere zur Vermeidung von ausgeprägten Hochdrucklasten im Klimagerät, die ihrerseits sich auf die Bauteilbeanspruchung auswirken, können Druckbegrenzungen auch unterhalb der bekannten 133 bar-Grenze festgelegt werden. In der Vergangenheit wurden direkte Gaskühler für R744 bis zu einer maximalen Druckgrenze von 110 bar betrieben.
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Erfolgt eine direkte Kältemittelkühlung über einen solchen im Klimagerät angeordneten direkten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, so muss bei Einsatz von R744 als Kältemittel dieser Wärmeübertrager, wie oben angedeutet, einerseits entsprechende Festigkeitsanforderungen erfüllen und andererseits hinsichtlich der geometrischen Ausführung zur Umsetzung geforderter Heizleistungen an den vorhandenen Bauraum angepasst werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fahrzeugklimaanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass einerseits eine optimierte Heizfunktion realisierbar ist und andererseits diese den Robustheitsanforderungen bei Verwendung von R744 als Kältemittel genügt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf, umfasst:
- – einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen ersten Kältemittelkondensator/Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan und einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager,
- – einen Heizungswärmeübertrager zur Durchführung der Heizfunktion,
- – ein Klimagerät, in welchem der Verdampfer und der Heizungswärmeübertrager angeordnet sind, und
- – einen in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager nachgeschalteten zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler, der im Heizbetrieb Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum strömenden Zuluftstrom abgibt, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler in dem Klimagerät in Strömungsrichtung des Zuluftstromes zwischen dem Verdampfer und dem Heizungswärmeübertrager angeordnet ist.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage ist der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler als direkter Wärmeübertrager im Klimagerät angeordnet, nämlich in Strömungsrichtung des Zuluftstromes zwischen dem Verdampfer und dem Heizungswärmeübertrager, also in Strömungsrichtung des Zuluftstromes direkt dem Verdampfer nachgeschaltet. Dies hat zur Folge, dass der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler und der Heizungswärmeübertrager in direkter Nachbarschaft liegen und damit eine kompakte Anordnung ermöglichen.
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Weiterhin führt diese Anordnung des zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühlers in dem Klimagerät zwischen dem Verdampfer und dem Heizungswärmeübertrager zu dem Vorteil, dass der diesen zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler durchströmende Zuluftstrom bereits Verlustwärme, bspw. aus Gebläseverlusten der Klimaanlage aufgenommen hat und der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler nicht zwangsläufig direkt mit kalter Umgebungsluft beaufschlagt wird.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler ein zweites Expansionsorgan angeordnet. Dieses zweite Expansionsorgan befindet sich natürlich außerhalb des Klimagerätes, wodurch das Hochdruckniveau von bspw. 133 bar am Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf eine Mitteldruckvorlage von bspw. 90 bar entspannt wird, so dass sich dieses Druckniveau im Bereich des maximal zulässigen Betriebsdruckes einer Niederdruckkomponente eines R744-System bewegt und damit aktuell 90 bar nicht überschritten werden können. Das Entspannen mittels des zweiten Expansionsorgans auf Mitteldruckniveau führt nur zu geringen Temperaturverlusten, da im Fall der Verwendung von R744 als Kältemittel die Prozessführung überkritisch fortgesetzt wird und die Isothermen nahezu senkrecht bzw. steil verlaufen und somit die Expansion nahezu keine bzw. nur geringe Temperatur-Einbuße zur Folge hat.
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Ferner ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass eine Ventilanordnung dem Verdichter in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschaltet ist, wobei mittels der Ventilanordnung das Kältemittel im Kältebetrieb über den ersten Kältemittelkondensator/Gaskühler und im Heizbetrieb über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager geführt wird. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung der Fahrzeugklimaanlage wird der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager im Heiz- oder auch im Nachheizbetrieb, d. h. es erfolgt parallel zum Heizbetrieb auch ein Entfeuchten des Kabinenzuluftstroms über den dann aktiven Verdampfer von Kältemittel durchströmt.
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Alternativ wird bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Verdichter nachgeschaltet, und eine Ventilanordnung dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschaltet, wobei mittels der Ventilanordnung das Kältemittel im Kälteanlagen betrieb über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und den ersten Kältemittelkondensator/Gaskühler und im Wärmepumpenbetrieb über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und den zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler geführt wird. Damit würde dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auch im Kälteanlagenbetrieb permanent von dem Kältemittel durchströmt, d. h. unabhängig von der Systemverschaltung ist dieser Wärmeübertrager stets aktiv in Gebrauch. Die Abzweigung des Kältemittels zum zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler im Wärmepumpenbetrieb bzw. zum ersten Kältemittelkondensator/Gaskühler im Kälteanlagenbetrieb erfolgt erst nach diesem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mittels der Ventilanordnung. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler arbeiten damit auf einem identischen Druckniveau.
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Vorzugsweise ist bei der zuletzt genannten Ausführungsform der Erfindung ein zweites Expansionsorgan dem zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltet. Dieses zweite Expansionsorgan befindet sich ebenso außerhalb des Klimagerätes, wodurch das Hochdruckniveau von bspw. 133 bar am Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf eine Mitteldruckvorlage mit einer oberen Druckgrenze von bspw. 90 bar entspannt wird, so dass sich dieses Druckniveau im Bereich des maximal zulässigen Betriebsdruckes einer Niederdruckkomponente bewegt und damit aktuell 90 bar nicht überschritten werden können. Das Entspannen mittels des zweiten Expansionsorgans auf Mitteldruckniveau führt nur zu geringen Temperaturverlusten, da im Fall der Verwendung von R744 als Kältemittel die Prozessführung überkritisch fortgesetzt wird und die Isothermen nahezu senkrecht bzw. steil verlaufen und somit die Expansion nahezu keine bzw. nur eine geringfügige Temperatur-Einbuße zur Folge hat.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Heizungswärmeübertrager als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist, welcher über einen Kühlmittelkreislauf mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager verbunden ist.
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Ferner zeichnet sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch aus, dass
- – der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in dem Klimagerät angeordnet ist, und
- – der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der zweite Kältemittelkondensator/Gaskühler in einem einzigen Bauteil kombiniert sind.
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Damit würde die Wärme von diesem ursprünglichen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager direkt an die das Klimagerät durchströmende Zuluft übertragen und weist daher die Funktion eines Heizregisters, also eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers auf. Da dieses im Klimagerät untergebrachte Heizregister den Funktionsumfang des zweiten Kühlmittelkondensator/Gaskühler mit beinhaltet, können beide ursprünglich in separaten Bauteilen untergebrachten Funktionen in einem einzigen Bauteil vereint werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung arbeitet das aus diesem Heizregister und dem zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler kombinierte Bauteil auf Hochdruckniveau.
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Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein zweites Expansionsorgan in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in dem Kältemittelkreislauf angeordnet. Damit lässt sich das Druckniveau des aus dem Heizregister und dem zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler kombinierten Bauteils auf ein maximal zulässiges Mitteldruckniveau für Niederdruckkomponenten von aktuell 90 bar beschränken. Dies führt zu einer verbesserten Robustheit des Systems bzw. zu einer geringeren mechanischen Belastung dieses Bauteils.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Chiller mit einem dritten Expansionsorgan dem Verdampfer und dem ersten Expansionsorgan parallel geschaltet, wobei der Chiller mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist.
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Schließlich ist weiterbildungsgemäß ein innerer Wärmeübertrager vorgesehen, welcher, je nach Systemverschaltung in Strömungsrichtung des Kältemittels entweder dem primären Kondensator/Gaskühler (Kälteanlage) oder dem zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler (Wärmepumpe) nachgeschaltet ist. Für die Wärmepumpenverschaltung ist auch ein Verzicht auf ein hochdruckseitiges Durchströmen des inneren Wärmeübertragers möglich.
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Diese erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage ist besonders für den Betrieb mit R744 als Kältemittel, jedoch auch für alle anderen gängigen Kältemittel geeignet.
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Eine solche erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage ist geeignet für den Einsatz in allen Fahrzeugtypen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,
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2 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit Wärmepumpen-Funktion als siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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8 ein h-p-Diagramm zur Erläuterung der Expansion von Hochdruckniveau auf Mitteldruckniveau bei einer Fahrzeugklimaanlage nach 7.
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Die in den 1 bis 7 dargestellten erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlagen 1 weisen Kältemittelkreisläufe 2 auf, die in ihrer Grundstruktur übereinstimmen. Zunächst wird diese Grundstruktur der Kältemittelkreisläufe 2 für diese 1 bis 7 erläutert und anschließend werden die Ausführungsbeispiele gemäß den einzelnen Figuren mit ihren Unterschieden beschrieben.
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Der Einfachheit halber wird in den 1 bis 7 bei der Anlagendarstellung auf die Darstellung und Einbringung weiterer für den Fachmann bekannter funktional erforderlicher Bauteile, wie Absaugleitungen aus Totvolumina, also von in Abhängigkeit der jeweils gewählten Anlagenverschaltung resultierenden inaktiven Systemabschnitten, verzichtet. Das gleiche gilt in Bezug auf die Positionierung von Rückschlagventilen am Austritt eines Gaskühlers bzw. eines Heizregisters oder eines Kondensators zur Vermeidung von Kältemittelrückströmung in den jeweils inaktiven Sektor des Systems.
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Der Kältemittelkreislauf 2 besteht aus einem Verdampfer 3, einem Kältemittelverdichter 4, einem ersten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 5, einem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10, einem als Expansionsventil ausgebildeten ersten Expansionsorgan 6, einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7, einem inneren Wärmeübertrager 11 und einem Kältemittelsammler 18, wobei als Kältemittel Kohlendioxid (R744) verwendet wird.
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Auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4 ist eine Ventilanordnung 12 aus zwei Absperrventilen 12.1 und 12.2 vorgesehen. Das Absperrventil 12.2 wird bei geschlossenem Absperrventil 12.1 für den Kälteanlagenbetrieb geöffnet und das Absperrventil 12.1 wird bei geschlossenem Absperrventil 12.2 für den Heizbetrieb geöffnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Ventile 12.1 und 12.2 können diese als Kompaktbauteil und somit als 3-2-Wegeventil 12 ausgeführt werden, mit den Abgängen 12.1 bzw. 12.2.
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Gemäß den 1 bis 5 ist der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 über den Heizungskreislauf 8 thermisch mit einem als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Heizungswärmeübertrager 9 mit Wasser als Kühlmittel thermisch gekoppelt. Mit einer Wasserpumpe 20 wird das Fluid im Heizungskreislauf 8 umgewälzt.
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Gemäß den 6 und 7 ist ein Heizungswärmeübertrager 9 vorgesehen, der entweder als elektrischer Zuheizer oder als mit einem Kühlmittelkreislauf eines Antriebsmotors thermisch verbundener Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgeführt. In einer weiteren Ausbaustufe ist neben dem Heizregister 17 auch eine gemeinsame Unterbringung von Heizungswärmeübertrager 9 und eines elektrischen Zuheizers denkbar.
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Der Verdampfer 3 und der Heizungswärmeübertrager 9 sowie der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 sind gemäß den 1 bis 5 gemeinsam in einem Klimagerät 1.1 der Fahrzeugklimaanlage 1 untergebracht.
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Zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums wird gemäß den 1 bis 5 ein Zuluftstrom L1 durch das Klimagerät 1.1 geführt, wobei der Verdampfer 3, der Heizungswärmeübertrager 9 sowie der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 in dem Klimagerät 1.1 derart angeordnet sind, dass der zu Konditionierung vorgesehene Luftstrom L1 zunächst über den Verdampfer 3, anschließend über den zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 und schließlich über den Heizungswärmeübertrager 9 geführt wird.
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Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 das Kältemittel abgekühlt und die damit auf das Wasser als Kühlmittel übertragene Wärme dem Heizungswärmeübertrager 9 zugeführt, mit welchem die Zuluft L1 direkt erwärmt wird.
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Eine weitere Kältemittelkühlung erfolgt bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 mittels des dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschalteten zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 innerhalb des Klimagerätes 1.1. Damit erfolgt die Abkühlung des Kältemittelstroms 2-stufig, wobei der zu konditionierende Zuluftstrom L1 zum einen mittels des Heizungskreislaufes 8 indirekt und mittels des zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 direkt erwärmt wird.
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Ferner ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 7 ein Chiller 14 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten und als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 15 vorgesehen, wobei die Serienschaltung aus diesem Chiller 14 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan 15 der Serienschaltung aus dem Verdampfer 3 mit vorgeschalteten ersten Expansionsorgan 6 parallel geschaltet ist.
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Dieser Chiller 14 bildet zusammen mit einer Wärmequelle 19 einen Kühlmittelkreislauf 16 und dient dazu die von der Wärmequelle 19 auf das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 16 aufgenommene Wärme auf den Kältemittelkreislauf 2, also auf das Kältemittel zu übertragen, wobei in dieser Funktion der Chiller 14 zusammen mit dem weiteren Expansionsorgan 15 als Verdampfer arbeitet. Mit dieser Wärme wird dann, wie oben bereits erwähnt, zum einen mittels des Kältemittel-Heizmittel-Wärmeübertragers 7 der Zuluftstrom L1 indirekt sowie mittels des zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 direkt erwärmt.
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Als Wärmequelle 19 dienen bspw. eine Hochvoltbatterie und/oder elektrische Komponenten, wie bspw. Elektromotoren oder Leistungselektroniken. Darüber hinaus ist es möglich die Wärmequelle auch als elektrischen Heizer auszugestalten bzw. den bereits vorhandenen Abwärmequellen hinzuzuschalten. So kann bspw. ein Hochvolt- oder auch Niedervoltheizer Wärme in den Kühlmittelkreis 16 übertragen, die wiederum vom Chiller 14 zur Verdampfung des ihn durchströmenden Kältemittels aufgenommen wird.
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Schließlich sind zur Steuerung der Fahrzeugklimaanlage 1 mittels eines in den Figuren nicht dargestellten Steuergerätes Druck- und Temperaturwerte des Kältemittels im Kältemittelkreislauf 2 mittels entsprechenden Sensoren zu erfassen. So ist ein erster Druck- und Temperatursensor pT1 am Ausgang des Verdichters 4, ein zweiter Druck- und Temperatursensor pT2 am Ausgang des ersten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 5 sowie ein dritter Druck- und Temperatursensor pT3 zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem inneren Wärmeübertrager 11 angeordnet. Aus weiteren Anwendungen ist bekannt, dass der pT3 auch direkt vor Verdichter 2 bzw. im Leitungsabschnitt zwischen innerem Wärmeübertrager 11 und Verdichter 2 platziert sein kann.
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Im Kälteanlagebetrieb des Kältemittelkreislaufes 2 gemäß den 1 bis 7 wird das von dem Kältemittelverdichter 4 auf einen Hochdruck verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil 12.2 dem im Frontbereich des Fahrzeugs angeordneten ersten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 5 und anschließend dem inneren Wärmeübertrager 11 hochdruckseitig zugeführt. Danach verzweigt sich das Kältemittel einerseits über das erste Expansionsorgan 6 auf ein Niederdruckniveau entdrosselt in den Verdampfer 3 und andererseits über das weitere Expansionsorgan 15 in den Chiller 14. Die dem Kältemittel mittels des Gaskühlers 5 entzogene Wärme wird über einen Luftstrom in die Fahrzeugumgebung abgeführt. Das Kältemittel aus dem Verdampfer 3 und dem Chiller 14 wird in dem Kältemittelsammler 18 zusammengeführt und gelangt auf der Niederdruckseite über den inneren Wärmeübertrager 11 wieder zum Verdichter 4. Der dem Verdampfer 3 zugeführte Luftstrom L1 wird von diesem gekühlt und der Fahrgastzelle des Fahrzeugs zugeführt, wobei dieser Luftstrom L1 nicht oder nicht vollständig über den Heizungswärmeübertrager 9 geleitet werden kann.
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Gemäß 1 wird für den Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage 1 das verdichtete Kältemittel aus dem Verdichter 4 bei geschlossenem Absperrventil 12.2 über das geöffnete Absperrventil 12.1 dem Kältemittel-Heizmittel-Wärmeübertrager 7 zugeführt, wo die erste Stufe der Abkühlung des Kältemittels erfolgt, und anschließend dem nachgeschalteten zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10, wo die zweite Stufe der Abkühlung des Kältemittels durch direkte Übertragung von Wärme auf den Zuluftstrom L1 erfolgt, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Bei diesem Kältemittelkreislauf 2 gemäß 1 arbeiten der Kältemittel-Heizmittel-Wärmeübertrager 7 und der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 auf einem gemeinsamen Druckniveau, nämlich auf Hochdruckniveau bspw. mit dem aktuell gültigen maximal zulässigen Arbeitsdruck von 133 bar.
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Das derart in dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 und dem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 abgekühlte Kältemittel wird mittels des weiteren Expansionsorgans 15 in den als Verdampfer arbeitenden Chiller 14 entspannt. Das zweite Expansionsorgan 6 ist mit einer Absperrfunktion ausgeführt, so dass in diesem Wärmepumpenbetrieb kein Kältemittel aus dem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 in den Verdampfer 3 strömen kann. Das Kältemittel nimmt in dem Chiller 14 Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 16 auf und wird über den Kältemittelsammler 18 und dem inneren Wärmeübertrager 11 dem Verdichter 4 zugeführt.
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Bei dieser Fahrzeugklimaanlage gemäß 1 liegen der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 und der Heizungswärmeübertrager 9 in direkter Nachbarschaft innerhalb des Klimagerätes 1.1 und können daher in einer kompakten Anordnung realisiert werden.
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Die 2 zeigt eine Fahrzeugklimaanlage 1, bei welcher im Unterschied zu derjenigen gemäß 1 dem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 ein als Expansionsventil ausgeführtes zweites Expansionsorgan 13 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltet wird. Mit diesem zweiten Expansionsorgan 13 wird das Kältemittel von dem Hochdruckniveau des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 mit bspw. 130 bar auf ein Mitteldruckniveau des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 von bspw. 90 bar, dem aktuell gültigen maximal zulässigem Druck für Niederdruckkomponenten entspannt. Der Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 arbeitet damit als Niederdruckkomponente und kann somit mit anderen Auslegungskriterien und Anforderungen als eine Hochdruckkomponente, wie bspw. der Kältemittel-Heizmittel-Wärmeübertrager 7 spezifiziert und entwickelt werden.
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Das Entspannen auf Mitteldruckniveau mittels des zweiten Expansionsorgans 13 führt nur zu geringen Temperaturverlusten, da die Prozessführung bei R744 kältemittelseitig überkritisch fortgesetzt wird und die Isothermen nahezu senkrecht bzw. sehr steil verlaufen und somit die Expansion nahezu keine Temperatureinbuße zur Folge hat.
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Zur Steuerung der Expansion auf Mitteldruckniveau mittels des zweiten Expansionsorgans 13 ist gemäß 2 am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 ein weiterer Drucksensor idealerweise vierter Druck- und Temperatursensor pT4 vorgesehen.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 wird bei der Wärmepumpenfunktion der innere Wärmeübertrager 11 nicht genutzt. Demgegenüber zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel eines Kältemittelkreislaufes 2, bei welchem der innere Wärmeübertrager 11 bei der Wärmepumpenfunktion genutzt wird. So wird im Unterschied zu 1 im Heizbetrieb der Ausgang des zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10 mit dem inneren Wärmeübertrager 11 hochdruckseitig verbunden, so dass das Kältemittel nach Durchströmen des inneren Wärmeübertragers 11 über das weitere Expansionsorgan 15 in den Chiller 14 entspannt wird.
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Auch bei dem Kältemittelkreislauf 2 gemäß 2 sowie in allen nachfolgenden Verschaltungsvarianten kann in dieser Weise der inneren Wärmeübertrager 11 bei der Wärmepumpenfunktion genutzt werden.
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Bei dem Kältemittelkreislauf 2 gemäß den 1 bis 3 wird der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 nur im Heizbetrieb von Kältemittel durchströmt. Demgegenüber wird der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 bei dem Kältemittelkreislauf 2 gemäß den 4 und 5 auch während des Kälteanlagenbetriebes, also permanent mit Kältemittel durchströmt. Hierzu ist dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen dem Verdichter 4 und der Ventilanordnung 12 angeordnet.
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Bei einem solchen Kältemittelkreislauf 2 gemäß den 4 und 5 ist darauf zu achten, dass ein ständiger Kühlmittelfluss in dem Kühlmittelkreislauf 8 sichergestellt ist, da es ansonsten aufgrund der extremen Temperaturen im Kältemittel von weit über 100°C zu einer lokalen Kühlmittelverdampfung und Blasenbildung innerhalb des Kühlmittelkreislaufes 8 kommen könnte.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Kühlmittelkreis 8 Zu-/Abgänge zu weiteren fahrzeugseitig vorgesehenen Kühlmittelkreisen aufweisen, auf deren Darstellung in den aufgezeigten 1 bis 5 der Einfachheit halber verzichtet wurde. So kann Wärme über andere Quellen dem Kühlmittelkreislauf 8 zugeführt bzw. vom Kühlmittelkreislauf 8 an alternative Senken abgegeben werden.
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Bei dem Kältemittelkreislauf 2 nach 4 arbeitet sowohl der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 als auch der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 auf einem gemeinsamen Druckniveau, nämlich dem Hochdruckniveau.
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Im Unterschied hierzu ist bei dem Kältemittelkreislauf 2 nach 5 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 ein zweites Expansionsorgan 13 angeordnet. In diesem Fall arbeitet der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 auf Hochdruckniveau und der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 auf Mitteldruckniveau. Zur Steuerung dieses Mitteldruckniveau ist bei dem Kältemittelkreislauf 2 nach 5 am Ausgang des zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühler 10 zumindest ein weiterer Drucksensor, idealerweise jedoch ein vierter Druck- und Temperatursensor pT4 angeordnet.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 und 5 wird zur Durchführung der Wärmepumpenfunktion der innere Wärmeübertrager 11 nicht genutzt. Entsprechend des Kältemittelkreislaufes 2 nach 3 ist dies jedoch auch für den Kältemittelkreislauf 2 gemäß den 4 und 5 realisierbar.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 6 und 7 wird im Unterschied zu denjenigen der 1 bis 5, bei welchen die Abkühlung des Kältemittels mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 indirekt und anschließend mit dem zweiten Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 innerhalb des Klimagerätes 1.1 direkt erfolgt, auch die Abkühlfunktion des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 durch einen direkten Wärmeübergang an die das Klimagerät 1.1 durchströmende Zuluft L1 realisiert.
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Hierzu ist sowohl der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 als auch der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 in dem Klimagerät 1.1 angeordnet, wobei beide Komponenten 7 und 10 zu einem einzigen Bauteil 17 zusammengeführt sind und daher eine kompakte Anordnung bilden. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 bildet damit ein Heizregister, bei welchem die Abkühlung des Kältemittels durch direkte Erwärmung des Zuluftstromes L1 erfolgt. Auch dieses Bauteil 17 ist in Strömungsrichtung der Zuluft L1 zwischen dem Verdampfer 3 und dem Heizungswärmeübertrager 9 angeordnet. Sowohl der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 als auch der zweite Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 10 arbeiten auf einem gemeinsamen Druckniveau, welches entweder auf eine maximal zulässigen Arbeitsdruck auf Hochdruckniveau von 133 bar oder auch auf einen maximal zulässigen Niederdruck von 90 bar eingestellt werden kann. Dieses Druckniveau wird mittels des ersten Druck- und Temperatursensors pT1 überwacht.
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Gemäß 6 wird für den Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage 1 das verdichtete Kältemittel aus dem Verdichter 4 bei geschlossenem Absperrventil 12.2 über das geöffnete Absperrventil 12.1 direkt dem Bauteil 17 in dem Klimagerät 1.1 zugeführt, wo sowohl die erste Stufe der Abkühlung des Kältemittels durch direkten Wärmeübertrager auf die Zuluft L1 als auch die zweite Stufe der Abkühlung des Kältemittels durch eine ebenso direkte Übertragung von Wärme auf den Zuluftstrom L1 erfolgt.
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Der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 7 unterscheidet sich von demjenigen nach 6 dadurch, dass im Anschluss an die Verdichtung des Kältemittels durch den Verdichter 4 eine Expansion mittels eines zweiten als Expansionsventil ausgeführtes Expansionsorgan 13 auf ein Mitteldruckniveau mit einem maximal zulässigen Mitteldruckniveau für Niederdruckkomponenten von bspw. 90 bar durchgeführt wird. Gemäß 7 ist dieses zweite Expansionsorgan 13 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Bauteil 17 angeordnet. Mittels eines am Ausgang des Bauteils 17 angeordneten zusätzlichen Drucksensors, idealerweise eines vierten Druck-Temperatur-Sensors pT4 wird dieses Mitteldruckniveau überwacht.
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Das Verdichten auf 133 bar mit anschließender Expansion auf Mitteldruckniveau von 90 bar ist beispielhaft in dem Enthalpie-Druck-Diagramm nach 8 dargestellt. Hiernach wird ausgehend von einem Ausgangspunkt A mit dem Verdichter 4 das Kältemittel von 25 bar auf 130 bar verdichtet und anschließend mittels des zweiten Expansionsorgans 13 auf 90 bar entspannt. Auf diesem Druckniveau erfolgt die Abkühlung des Kältemittels und damit Erwärmung des Luftstroms L1 mittels des als Heizregister funktionierenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 und des zweiten Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 10. Mit dem weiteren Expansionsorgan 15 erfolgt eine Entspannung in den Chiller 14 auf 25 bar und anschließend, durch Verdampfung des den Chiller durchströmenden Kältemittels, eine Erhöhung der Enthalpie im Chiller 14 bis zum Ausgangspunkt A. Hiernach bedeutet die direkte Expansion nach dem Verdichter 4 auf das Mitteldruckniveau ein geringfügiger Verlust in der Kältemitteltemperatur am Austritt des zweiten Expansionsorgans 13, jedoch auch ein Zugewinn Δh an Enthalpie für den Kühlprozess des Kältemittels und damit auch für den Heizprozess der Zuluft L1.
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Bei den Kältemittelkreisläufen 2 gemäß den 6 und 7 wird der innere Wärmeübertrager 11 in der Wärmepumpenfunktion nicht verwendet. Jedoch kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 der innere Wärmeübertrager 11 im Heizbetrieb eingebunden werden, indem der Ausgang des Bauteils 17 mit dem inneren Wärmeübertrager 11 verbunden wird.
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Die Fahrzeugklimaanlagen gemäß den 1 bis 7 können nicht nur mit dem Kältemittel R744, sondern auch mit Kältemitteln mit unterkritischem Prozessverlauf verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugklimaanlage
- 1.1
- Klimagerät der Fahrzeugklimaanlage 1
- 2
- Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage 1
- 3
- Verdampfer des Kältemittelkreislaufes 2
- 4
- Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufes 2
- 5
- erster Kältemittelkondensator, Gaskühler
- 6
- erstes Expansionsorgan, Expansionsventil
- 7
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 8
- Kühlmittelkreislauf
- 9
- Heizungswärmeübertrager
- 10
- zweiter Kältemittelkondensator, Gaskühler
- 11
- innerer Wärmeübertrager
- 12
- Ventilanordnung
- 12.1
- Absperrventil der Ventilanordnung 12
- 12.2
- Absperrventil der Ventilanordnung 12
- 13
- zweites Expansionsorgan, Expansionsventil
- 14
- Chiller
- 15
- drittes Expansionsorgan, Expansionsventil
- 16
- Kühlmittelkreislauf
- 17
- Bauteil aus Kältemittel-Heizmittel-Wärmeübertrager und zweiter Kältemittelkondensator/Gaskühler
- 18
- Kältemittelsammler
- 19
- Wärmequelle des Kühlmittelkreislaufes 16
- 20
- Wasserpumpe
- pT1
- erster Druck-Temperatur-Sensor
- pT2
- zweiter Druck-Temperatur-Sensor
- pT3
- dritter Druck-Temperatur-Sensor
- pT4
- vierter Druck-Temperatur-Sensor
- L1
- Zuluftstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010051976 A1 [0005]
- DE 10163607 A1 [0007]
