DE102010042127B4

DE102010042127B4 - Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102010042127B4
Application number: DE102010042127.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Florian Wieschollek; Christian Rebinger; Dirk Schroeder
Original assignee: Audi AG; Hanon Systems Corp
Current assignee: Audi AG; Hanon Systems Corp
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: DE102010042127A1; US9242527B2; JP2012081955A; CN102563943A; CN102563943B; JP5391379B2; US20120085114A1

Abstract

Kältemittelkreislauf (1) einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, umfassend:- einen Primärkreislauf mit einem Verdichter (5), einem Wärmeübertrager (2) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Sammler (8), einem ersten Expansionsorgan (6), einem Verdampfer (3) zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel sowie einem parallel zum Verdampfer (3) geschaltet angeordneten Wärmeübertrager (4, 13) und- einen Sekundärstrang, welcher sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter (5) und dem Wärmeübertrager (2) angeordneten Abzweigstelle (25) bis zu dem zwischen dem Wärmeübertrager (2) und dem Verdampfer (3) angeordneten Sammler (8), welcher zum Speichern des Kältemittels sowie zum Zusammenführen und/oder Aufteilen von Teilmassenströmen des Kältemittels ausgebildet ist, erstreckt und einen Wärmeübertrager (15) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich an diesen anschließendes Ventil (16) aufweist, wobei der Kältemittelkreislauf (1) für einen kombinierten Kühlmodus und Heizmodus sowie für einen Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges oder Hybridfahrzeuges, der zur Nutzung mehrerer Wärmequellen und mehrerer Wärmesenken ausgebildet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Kä Itemittel kreislaufes.
Der Trend zu verlustarmen und umweltschonenden Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge bedingt, dass nicht mehr ausreichend Abwärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht. Durch die geringere Verlustwärme sowie das geringere Temperaturniveau des den Antrieb kühlenden Kühlmittelkreislaufes verschlechtern sich die Heizungsbedingungen bei Fahrzeugen, deren Erwärmung des Fahrzeuginnenraums ausschließlich auf dem motorseitigen Kühlmittelkreislauf basiert. Die gewohnten Komfortansprüche können ohne Zusatzmaßnahmen nicht erfüllt werden. Deshalb wird die Beheizung des Fahrzeuginnenraums eines Elektrofahrzeuges beispielsweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung betrieben, die auf dem Einsatz von PTC höherer Spannung oder PTC niederer Spannung basiert (PTC - Positiv-Temperatur-Koeffizient). Das elektrische Zuheizen mithilfe der Widerstandsheizung wirkt sich jedoch auf den Strombedarf des Elektrofahrzeuges, insbesondere der Klimaanlage, aus. Die Reichweite des Fahrzeuges wird drastisch reduziert.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, neben derartigen Zusatzheizsystemen die in den Kraftfahrzeugen vorhandenen Kältemittelsysteme beziehungsweise Kälteanlagen zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes zu nutzen. Dies ist beispielsweise möglich, indem die Kälteanlage zur Beheizung als Wärmepumpe betrieben wird.
Alternativ kann ein kurzer Kreislauf ohne sekundäre Wärmeaufnahme genutzt werden. Dabei wird die mechanische Antriebsleistung des Verdichters zu wesentlichen Teilen in Wärme zur Fahrzeuginnenraumbeheizung umgewandelt.
Während des Betriebes erhitzen sich sowohl die Batteriezellen der Batterie als auch andere Komponenten des elektrischen Antriebs, wie der Elektromotor und die Leistungselektronik. Insbesondere sollte die Batterie beim Entladen und Laden mit einer optimalen Temperatur betrieben werden. Dabei ist die entstehende und freigesetzte Wärme abzuführen, da eine erhöhte Betriebstemperatur zu einer sehr starken thermischen Belastung der Batteriezellen führt. Auf Grund der eingeschränkten Temperaturbeständigkeit der Batterien müssen diese aktiv gekühlt werden. Geeignete Medien zur Kühlung der Batterie und anderer elektronischer Bauteile des Antriebs, welche ebenfalls vor einer starken thermischen Belastung zu schützen und demzufolge thermisch zu konditionieren sind, sind Umgebungsluft, Luft des Fahrzeuginnenraumes, Kältemittel und Kühlmittel. Als Kühlmittel wird beispielsweise Wasser beziehungsweise Glykol eingesetzt. Der thermischen Konditionierung der Batterie und anderer Komponenten des elektrischen Antriebs bedarf es sowohl während der Fahrt als auch im Stand des Fahrzeuges.
Die Kühlung der für einen Kältemittelkreislauf als Wärmequelle anzusehenden Batterie führt zur Erhöhung ihrer Lebensdauer und sollte derart erfolgen, dass die Temperaturen der gekühlten Batterie lediglich innerhalb eines begrenzten Bereiches variieren.
Für den Betrieb bei einer optimalen Betriebstemperatur der Batterien der Elektrofahrzeuge ist aber nicht nur die entstehende Wärme abzuführen, sondern gleichfalls bei zu geringer Umgebungstemperatur, insbesondere beim Starten, der kalten Batterie Wärme zuzuführen.
Aus dem Stand der Technik sind Klimatisierungssysteme von Elektrofahrzeugen bekannt, die zum einen der Temperierung der Komponenten des elektrischen Antriebs dienen und zum anderen aufgenommene Wärme an die Zuluft in den Fahrzeuginnenraum übertragen.
Die DE 199 30 148 A1 offenbart ein System zur Temperatursteuerung des Innenraumes eines mit Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeuges, dessen Energie durch sogenannte Hochtemperaturbatterien bereitgestellt wird. Ein Kältemittelkreislauf umfasst einen Primärkreis mit einem externen und einem internen Wärmeübertrager, wobei der interne Wärmeübertrager in dem Pfad eines ersten Luftmassenstromes angeordnet ist, der zum Innenraum hin ausgerichtet ist. Des Weiteren weist der Kältemittelkreislauf einen Sekundärkreis mit einem Kompressor und eine Umschalteinrichtung bezüglich der Zirkulationsrichtung des Kältemittels im Primärkreis auf. Das System ist damit im Heizmodus oder im Kühlmodus für den Innenraum betreibbar. Ein das Kühlen der Batterien ermöglichender Wasserkühlkreislauf umfasst einen Flüssigkeit/Luft-Wärmeübertrager im Pfad des ersten Luftmassenstromes sowie einen Flüssigkeit/Kältemittel-Wärmeübertrager im Sekundärkreis des Kältemittelkreislaufes. Der Kältemittelkreislauf weist dabei jeweils eine Wärmequelle sowie eine Wärmesenke auf. Bei direkter thermischer Verbindung des Kältemittelkreislaufes mit dem Wasserkühlkreislauf umfasst der Kältemittelkreislauf mit einem zusätzlichen Wärmeübertrager eine weitere Wärmequelle.
Aus der DE 102 01 741 A1 gehen ein Verfahren zum Temperieren eines Fahrzeuges sowie eine Klimaanlage und eine Wärmequelle innerhalb des Fahrzeuges hervor, die über einen Medienkreislauf mit einem gemeinsamen Medium zum Kühlen und/oder Heizen beaufschlagt sind. Der Medienkreislauf weist dabei Mittel zum Expandieren und zum Komprimieren des Mediums auf. Die Kühlung der Wärmequelle und die Klimatisierung des Fahrzeuges werden mit einem Medium realisiert. Neben der Wärmequelle weist die Klimaanlage Wärmeübertrager auf, die je nach Bedarf als Wärmequellen und/oder Wärmesenken betrieben werden.
Sowohl beim in der DE 199 30 148 A1 offenbarten System als auch bei der in der DE 102 01 741 A1 beschriebenen Klimaanlage wird die Heizfunktion für den Fahrzeuginnenraum über einen Wärmeübertrager realisiert, der im Kühlmodus der Anlage als Verdampfer geschaltet ist. Wird dieser Wärmeübertrager anschließend wieder zur Beheizung genutzt, so tritt unter bestimmten Nutzungs- und Umgebungsbedingungen ein sehr unerwünschter und sicherheitstechnisch gefährlicher Effekt auf.
Insbesondere wird bei der Nutzung des Kältemittelsystems als Kälteanlage, das heißt im Kühlmodus, der in der Belüftungsanlage des Fahrzeuges angeordnete Verdampfer die zu kühlende Luft entfeuchten. Die auf der Verdampferoberfläche kondensierte Feuchtigkeit wird dann beispielsweise nach Stillstand des Fahrzeuges und erneuter Inbetriebnahme bei Nutzung des zuvor als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers im Heizmodus als Kondensator durch die Erwärmung an den dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstrom abgegeben. Diese alternierende Nutzung des Kältemittelkreislaufes als Kälteanlage und Wärmepumpe tritt in der Übergangszeit häufiger auf.
Die hohe Luftfeuchte in der dem Fahrzeuginnenraum zugeleiteten Luft führt an den kalten Oberflächen im Inneren des Fahrzeuges zum Niederschlag und insbesondere zum Beschlagen der Scheiben mit einhergehender Verschlechterung der Sichtverhältnisse für die Fahrzeuginsassen. Dieser Effekt wird auch als „Flash-fogging“ bezeichnet.
Ein weiterentwickeltes System geht beispielsweise aus der DE 10 2009 048 674 A1 hervor, die eine Klimatisierungseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit einem Kältemittelkreislauf beschreibt, der einen Verdampfer sowie einen Wärmeübertrager umfasst. Mittels dieses Wärmeübertragers ist in den Kältemittelkreislauf eingebrachte Wärmeenergie in die Zuluft eines Fahrgastraums einbringbar. Die Klimatisierungseinrichtung weist zudem eine Abluftleitung auf, über die die Luft aus dem Fahrgastraum abführbar ist. Der Verdampfer des Kältemittelkreises ist dabei zumindest bereichsweise innerhalb der Abluftleitung angeordnet. Dadurch ist die Wärmeenergie der Abluft in einem Wärmepumpenmodus der Klimatisierungseinrichtung in die Zuluft übertragbar. Die Klimatisierungseinrichtung weist damit Komponenten zur Wärmerückgewinnung auf. Die aus der Abluft abgeführte Wärme wird mittels eines Zwischenmediums und damit zusätzlicher Wärmeübertrager an die Zuluft übertragen.
In der DE 10 2006 026 359 A1 wird eine Klimaanlage für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb für Fahrzeuge beschrieben. Die Klimaanlage weist einen Primärkreislauf mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Umgebung, einem ersten Drosselorgan sowie einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel und eine Sekundärpassage auf. Die Sekundärpassage umfasst zwei Abschnitte, wobei sich der erste Abschnitt, ausgehend von einem zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager angeordneten Abzweigpunkt bis zu einem zwischen dem Wärmeübertrager und dem Verdichter angeordneten Mündungspunkt erstreckt. Im ersten Abschnitt sind ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich daran anschließendes zweites Drosselorgan vorgesehen. Der zweite Abschnitt der Sekundärpassage erstreckt sich, ausgehend von einem zwischen dem Wärmeübertrager und dem Verdichter angeordneten weiteren Abzweigpunkt, bis zu einem zwischen dem Wärmeübertrager und dem Verdichter vorgesehenen Mündungspunkt.
In der DE 35 11 421 A1 wird ein Kältemittelkreislauf für eine Kälteanlage mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan und einem Verdampfer offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist zudem stromauf des Drosselorgans eine Druckerhöhungsvorrichtung auf, welche bei geringem Kondensationsdruck selbsttätig einschaltbar ist.
Die DE 602 14 985 T2 betrifft Wärmemanagementsysteme für Fahrzeuge mit einem Kühlmittelkreislaufsystem. Das Wärmemanagementsystem weist ein Kältemittelkreislaufsystem, einen Motorkühlkreislauf für das Wärmemanagement des Motors und eine erste Wärmeübertrageranordnung zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Motorkühlmittel auf. Zum Übertragen von Wärme zwischen einem vom Motorkühlkreislauf abweichenden Fahrzeugsystem und dem Kältekreislaufsystem ist eine weitere Wärmeübertrageranordnung vorgesehen.
Aus der DE 196 44 583 A1 geht eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, hochdruckseitig zwei seriell angeordneten Kondensatoren und/oder niederdruckseitig zwei parallel angeordneten Verdampfern hervor. Die Anlage weist Steuermittel zum wahlweisen Betreiben im Heizbetrieb, im Kühlbetrieb oder im Nachheizbetrieb auf. Der erste Kondensator dient im Heizbetrieb und im Nachheizbetrieb zum Aufheizen des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms, während der zweite Kondensator zur primären Kondensation des Kältemittels im Kühlbetrieb und optional im Nachheizbetrieb vorgesehen ist. Zusätzlich oder alternativ dazu dient ein erster Verdampfer im Kühlbetrieb und im Nachheizbetrieb zum Kühlen des Luftstroms, während ein zweiter Verdampfer im Heizbetrieb und optional im Nachheizbetrieb zur Kältemittelverdampfung bei höherem Druck mittels Nutzung von Fahrzeugantriebsabwärme ausgebildet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Klimatisierungssystem für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges, mit zusätzlicher Möglichkeit der Konditionierung von Komponenten des elektrischen Antriebs zur Verfügung zu stellen, dass zum Betrieb die Aufnahme einer minimalen elektrischen Leistung aufweist und somit eine größtmögliche elektrische Leistung für eine maximale Reichweite des Fahrzeuges bereitstellt. Das System soll unter Nutzung mehrerer Wärmequellen und Wärmesenken zudem mit maximalem Wirkungsgrad betreibbar und kompakt ausgeführt sein, um den Bauraum innerhalb des Fahrzeuges zu minimieren. Damit sollen die Betriebskosten, die Herstellungskosten sowie die Wartungskosten minimiert werden. Außerdem sollen beim Betrieb des Systems auftretende negative sicherheitstechnische Effekte vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, gelöst. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Primärkreislauf und einen Sekundärstrang.
Der Primärkreislauf weist mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Sammler, einem Expansionsorgan sowie einem zweiten Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel Komponenten eines herkömmlichen Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage auf. Zudem ist der Primärkreislauf mit einem parallel zum Wärmeübertrager, welcher zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft an das Kältemittel vorgesehen ist, geschaltet angeordneten weiteren Wärmeübertrager ausgebildet. Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung ist bevorzugt bidirektional durchströmbar ausgebildet.
Der Sekundärstrang erstreckt sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager des Primärkreislaufes, welcher zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung vorgesehen ist, angeordneten Abzweigstelle bis zu dem zwischen dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie dem Wärmeübertrager zur Wärmeaufnahme des Kältemittels aus der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums angeordneten Sammler. Der Sekundärstrang weist einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich an diesen anschließendes Ventil auf. Der Sammler ist zum Speichern des Kältemittels sowie zum Zusammenführen und/oder Aufteilen von Teilmassenströmen des Kältemittels ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten innerhalb des Kältemittelkreislaufes ermöglicht für die Konditionierung der Zuluft in den Fahrzeuginnenraum das Umschalten zwischen einem Heizmodus und einem Kühlmodus sowie einem vorteilhaften Nachheizmodus des Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sammler im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes angeordnet. Der Sammler ist mit unterschiedlichen Kältemittelleitungen versehen, welche in das vom Sammler umschlossene Volumen münden. Das Kältemittel strömt aus verschiedenen Kältemittelleitungen in den Sammler ein und/oder aus dem Sammler wieder aus.
Der Kältemittelkreislauf ist mit der Anordnung des Wärmeübertragers zur Wärmeübertragung zwischen einer Komponente des Antriebs und dem Kältemittel bevorzugt für einen zusätzlichen kombinierten Kühlbetrieb und Heizbetrieb der Komponente des Antriebs des Kraftfahrzeuges ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist dabei bidirektional durchströmbar und weist ein im Kühlbetrieb in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltetes Element auf. Das vorgeschaltete Element ist im Kühlbetrieb des Wärmeübertragers vorteilhaft als Expansionsorgan und im Heizbetrieb des Wärmeübertragers als Element mit druckhaltendem Durchlass des Kältemittels einstellbar ausgebildet. Als Expansionsorgan ist bevorzugt ein Expansionsventil vorgesehen, wobei das Expansionsventil extern regelbar ausgebildet ist.
Der Primärkreislauf weist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Mündungsstellen auf. Zwischen den Mündungsstellen ist ein als Expansionsorgan ausgebildetes Ventil angeordnet, welches ebenfalls bevorzugt als Expansionsventil ausgebildet ist. Dabei sind die Expansionsorgane und das Expansionsventil vorteilhaft auch extern regelbar.
Der Wärmeübertrager des Primärkreislaufes, der dem Wärmeübertrager zur direkten Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung entspricht, ist je nach Betriebsweise des Kältemittelkreislaufes als Kondensator oder Verdampfer ausgebildet. Der Wärmeübertrager des Primärkreislaufes, der dem Wärmeübertrager zur direkten Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel entspricht, ist als Verdampfer und damit zur Kühlung und/oder Entfeuchtung der Zuluft vorgesehen. Der Wärmeübertrager des Sekundärstranges dient mit direkter Wärmeübertragung als Kondensator zum Beheizen und zur Nacherhitzung der abgekühlten und zu konditionierenden Zuluft, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird.
Der bevorzugt bidirektional durchströmbar ausgebildete Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung einer Komponente des Antriebs mit dem Kältemittel ist je nach Betriebsweise des Kältemittelkreislaufes als Kondensator oder Verdampfer zur Beheizung oder zur Kühlung der Batterie des Fahrzeuges vorgesehen. Ein zusätzlicher, diesem bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager parallel geschalteter Wärmeübertrager ist als Verdampfer zur Kühlung von weiteren Komponenten des elektrischen Antriebs des Fahrzeuges vorgesehen.
Alternativ können die Wärmeübertrager des Primärkreislaufes, die zur Wärmeübertragung mit Komponenten des Antriebs ausgebildet sind, auch in Kühlmittelkreisläufe eingebunden sein, sodass die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem Kühlmittel in Zwischenkreisläufen beziehungsweise, je nach Ausbildung, in einem gemeinsamen Zwischenkreislauf erfolgt.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des Sekundärstrangs, welcher sich ausgehend von der in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter befindlichen Abzweigstelle und der Verbindungsstelle des Primärkreislaufes, die bevorzugt als Sammler ausgebildet ist, erstreckt, zwischen der Abzweigstelle und dem nachfolgenden Wärmeübertrager ein Umschaltventil angeordnet ist. Zudem weist auch der Primärkreislauf ein Umschaltventil auf, welches zwischen dem bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung einer Komponente des Antriebs mit dem Kältemittel und einer Mündungsstelle ausgebildet ist. Diese innerhalb des Sekundärstranges und des Primärkreislaufes vorgesehenen Umschaltventile bilden vorteilhaft eine Kältemittelverbindung vom Sekundärstrang zum Primärkreislauf, insbesondere vom Sekundärstrang zum bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager des Antriebs.
Weiterhin vorteilhaft ist es, den Primärkreislauf mit einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager auszubilden, wobei der kreisprozessinterne Wärmeübertrager hochdruckseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels im Anschluss an die bevorzugt als Sammler ausgebildete Verbindungsstelle und niederdruckseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter angeordnet ist. Damit ist es möglich, zwischen dem flüssigen Kältemittel bei Hochdruck und dem gasförmigen Kältemittel bei Niederdruck innerhalb des Primärkreislaufes, das heißt kreisprozessintern, Wärme zu übertragen. Dabei wird flüssiges Kältemittel nach der Kondensation beziehungsweise am Austritt des Sammlers unterkühlt und gleichzeitig das vom Verdichter angesaugte Sauggas überhitzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes für einen kombinierten Kühlmodus und Heizmodus sowie für den Nachheizmodus bezüglich der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums werden im Kühlmodus der Primärkreislauf und im Heizmodus sowie im Nachheizmodus sowohl der Primärkreislauf als auch der Sekundärstrang mit Kältemittel durchströmt. Dabei werden ein im Kühlmodus und im Nachheizmodus als Kondensator ausgebildeter Wärmeübertrager, der zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung dient, und ein Ventil in Bezug auf den Heizmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Zudem wird in einem im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes angeordneten Sammler das je nach Betriebsmodus in Teilmassenströme aufgeteilte Kältemittel zusammengeführt und/oder aufgeteilt. Das Kältemittel strömt durch verschiedene, in den Sammler mündende Kältemittelleitungen in den Sammler ein und/oder aus dem Sammler wieder aus. Dabei werden einzelne Kältemitteleitungen je nach Betriebsmodus in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Das Verfahren ist zudem für einen kombinierten Kühlbetrieb und Heizbetrieb bezüglich einer Komponente des Antriebs des Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei ein im Kühlbetrieb als Verdampfer ausgebildeter Wärmeübertrager und ein Expansionsorgan in Bezug auf den Heizbetrieb vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.
Der Kältemittelkreislauf wird vorteilhaft derart betrieben, dass die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraumes, die Umgebungsluft, die Batterie sowie Komponenten des elektrischen Antriebs, wie der Elektromotor und der Leistungselektronik, wahlweise oder gleichzeitig als Wärmequellen genutzt. Zudem werden je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufes die Umgebungsluft, die Zuluft und die Batterie als Wärmesenken wahlweise oder gleichzeitig als Wärmesenken verwendet.
Nach einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kältemittelkreislauf im Heizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums betrieben.
Dabei werden ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit der Umgebung, ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums sowie ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit Komponenten des elektrischen Antriebs und dem Kältemittel jeweils als Verdampfer betrieben. Das Kältemittel nimmt beim Vorgang der Verdampfung jeweils Wärme auf. Damit dienen wahlweise oder gleichzeitig die Umgebungsluft, die Zuluft und Komponenten des elektrischen Antriebs als Wärmequellen.
Gleichzeitig wird ein Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit dem Kältemittel als Kondensator betrieben. Beim Vorgang der Kondensation gibt das Kältemittel Wärme an die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums ab, sodass die Zuluft eine Wärmesenke darstellt. Dabei wird die Zuluft beheizt. Die dafür notwendige Wärme wird aus den Wärmequellen an den Kältemittelkreislauf übertragen.
Nach einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kältemittelkreislauf im Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums betrieben.
Dabei werden ein erster Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Zuluft zum Fahrzeuginnenraum und dem Kältemittel beziehungsweise Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung von Komponenten des elektrischen Antriebs und dem Kältemittel als Verdampfer betätigt, sodass das Kältemittel wahlweise oder gleichzeitig die Zuluft und Komponenten des elektrischen Antriebs als Wärmequellen nutzt und jeweils Wärme aufnimmt.
Gleichzeitig werden der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Umgebungsluft und dem Kältemittel beziehungsweise ein zweiter Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel als Kondensator betrieben und an die Umgebungsluft beziehungsweise die Zuluft, als Wärmesenken, Wärme abgegeben.
Nach einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kältemittelkreislauf im Kühlmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums betrieben. Im Vergleich zum Betrieb im Nachheizmodus wird dabei der zweite Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel nicht von Kältemittel durchströmt und vom Kältemittelkreislauf hydraulisch abgetrennt.
Nach einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kältemittelkreislauf im Heizbetrieb zum Erwärmen einer Komponente des elektrischen Antriebs, vorzugsweise der Batterie, betrieben.
Dabei werden die Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Umgebungsluft, der Zuluft und einer Komponente des elektrischen Antriebs mit dem Kältemittel als Verdampfer betrieben, sodass das Kältemittel jeweils Wärme aufnimmt und die Umgebungsluft, die Zuluft und Komponenten des elektrischen Antriebs, ausgenommen der Batterie, wahlweise oder gleichzeitig als Wärmequellen genutzt werden.
Gleichzeitig werden die Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen der Batterie und der Zuluft mit dem Kältemittel als Kondensator betrieben, sodass das Kältemittel jeweils Wärme abgibt und die Batterie als Komponente des elektrischen Antriebs sowie die Zuluft wahlweise oder gleichzeitig als Wärmesenken genutzt werden.
Die Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft, mit der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums sowie mit den Komponenten des elektrischen Antriebs des Fahrzeuges und dem Kältemittel werden vorteilhaft mit direkter Wärmeübertragung betrieben, sodass die Vorgänge der Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Wärmesenken und die Vorgänge der Wärmeaufnahme vom Kältemittel an die Wärmequellen direkt mit dem Kältemittel erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren des Kältemittelkreislaufes wird folglich bevorzugt ohne Zwischenkreisläufe, zum Beispiel Kühlmittelkreisläufe, betrieben.
Nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens werden insbesondere die Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen Komponenten des elektrischen Antriebs des Fahrzeuges und dem Kältemittel über Zwischenkreisläufe und damit indirekter Wärmeübertragung betrieben.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung verschiedener Wärmequellen mit mindestens drei unterschiedlichen Druckniveaus beziehungsweise Temperaturniveaus mittels einer mehrstufigen Expansion innerhalb des Kältemittelkreislaufes. Das Kältemittel wird mittels des Verdichters von Niederdruck auf Hochdruck verdichtet. Durch die mehrstufige Expansion wird das Kältemittel innerhalb einer ersten Expansionsstufe auf ein Zwischendruckniveau, das auch als Mitteldruck bezeichnet wird, entspannt. Innerhalb der zweiten Expansionsstufe erfährt das Kältemittel eine Entspannung vom Mitteldruck auf Niederdruck.
Dabei werden zum einen die Teilmassenströme des Kältemittels, welche die Wärme aus den Wärmequellen mit einem höheren Temperaturniveau aufnehmen, an einer ersten Mündungsstelle zusammengeführt. Zum anderen werden die Teilmassenströme des Kältemittels, welche die Wärme aus Wärmequellen mit einem niedrigeren Temperaturniveau aufnehmen, an einer zweiten Mündungsstelle vereint. Die zweite Mündungsstelle ist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der ersten Mündungsstelle angeordnet. Das Kältemittel wird vorteilhaft beim Durchströmen eines zwischen den Mündungsstellen angeordneten als Expansionsventil ausgebildeten Ventils entspannt. Das Expansionsventil wird dabei bevorzugt extern geregelt.
Die erfindungsgemäße Lösung weist diverse Vorteile auf:

- Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen des Fahrzeuginnenraums mit minimalem elektrischem Energieeinsatz und dabei
- - Nutzung von Verlustwärmeströmen zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums,
- - Kühlung der Komponenten des Antriebs des Fahrzeuges, wie der Batterie, dem Elektromotor sowie der Leistungselektronik, und dadurch erhöhte Leistungsfähigkeit, Wirksamkeit und Lebensdauer der Komponenten,
- - Bereitstellung eines Komforts innerhalb des Fahrzeuginnenraums auf gleichem Niveau wie bei verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen,
- Ermöglichen der maximalen Reichweite von Elektrofahrzeugen bei gleicher Batteriekapazität, insbesondere unter extremen Klimabedingungen, auch durch
- Reduzierung der erforderlichen Batteriekapazität für Nebenverbraucher und damit verbunden
- - Gewichtsreduzierung sowie
- - Kostenreduzierung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils einen Kältemittelkreislauf:

1: mit zwei Wärmequellen und einer Wärmesenke zum Belüften des Fahrzeuginnenraumes bei gleichzeitigem Kühlen und Entfeuchten der Zuluft sowie zum Kühlen der Batterie,
2: mit Betrieb von drei Wärmequellen und einer Wärmesenke zum Belüften des Fahrzeuginnenraumes bei gleichzeitigem Entfeuchten/Kühlen und Beheizen der Zuluft sowie zum Kühlen der Batterie und Komponenten des Antriebs,
3: in Ausbildung ähnlich 2 mit Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft als zusätzliche Wärmequelle,
4a, 4b: in Ausbildung ähnlich 2 beziehungsweise 3 mit Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft als zusätzlich betriebene Wärmesenke zum Belüften des Fahrzeuginnenraumes bei gleichzeitigem Kühlen, Entfeuchten und Nachheizen der Zuluft sowie zum Kühlen der Batterie und Komponenten des Antriebs,
5a, 5b: in Ausbildung ähnlich 3 mit Betrieb von einer Wärmequelle, Umgebungsluft, und einer Wärmesenke zum Beheizen der Batterie,
6a: in Ausbildung ähnlich 3 mit zusätzlichem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und Betrieb im Kühlmodus,
6b: in Ausbildung ähnlich 3 mit zusätzlichem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und Betrieb im Heizmodus sowie
6c: in Ausbildung ähnlich 3 mit zusätzlichem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und Betrieb mit Nachheizmodus.

1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 als Primärkreislauf mit in Strömungsrichtung des Kältemittels einem Verdichter 5, einem als Kondensator betriebenem Wärmeübertrager 2 zur direkten Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Umgebungsluft 12, einem Sammler 8, einem ersten als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 6 sowie einem Verdampfer 3 zur direkten Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel. In Strömungsrichtung des Kältemittels ist zwischen der als Sammler 8 ausgebildeten Verbindungsstelle und einer zwischen dem Verdampfer 3 und dem Verdichter 5 angeordneten Mündungsstelle 9 ein weiterer, als Verdampfer betriebener Wärmeübertrager 4 mit vorgeschaltetem, als Expansionsventil ausgebildetem Expansionsorgan 7 angeordnet. Der Verdampfer 3 und der als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 4 sind parallel zueinander geschaltet. Die Mündungsstelle 9 ist als T-Stück ausgebildet. Die als Sammler 8 ausgebildete Verbindungsstelle ist im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 1 angeordnet.
Bei einer ersten alternativen Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufes 1 ist zudem ein nicht dargestellter Sammler im Niederdruckbereich vorgesehen, sodass der Kältemittelkreislauf sowohl mit einem Niederdrucksammler als auch mit einem Hochdrucksammler ausgebildet ist. Nach einer zweiten Alternative ist der Kältemittelkreislauf 1 neben dem Sammler 8 im Hochdruckbereich mit einem auf einem Zwischendruckniveau angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Sammler ausgebildet. Dabei besteht die Möglichkeit, die Anordnung des Sammlers auf Zwischendruckniveau anstelle des Sammlers im Niederdruckbereich vorzusehen oder mit einem Sammler im Niederdruckbereich zu kombinieren.
Das im Verdichter 5 komprimierte und dabei erwärmte Kältemittel gibt im als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 Wärme an die Umgebungsluft 12 ab und wird dabei verflüssigt. Der Wärmeübertrager 2 dient für den Kältemittelkreislauf somit als Wärmesenke.
Das flüssige Kältemittel wird nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 2 im Sammler 8 gespeichert. Durch die Entspannung beim Durchströmen der als Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorgane 6, 7 wird das Kältemittel als Zweiphasengemisch zum Verdampfer 3 und den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 4 geleitet und dort unter Aufnahme von Wärme verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird vom Verdichter 5 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 1 ist geschlossen.
Der Verdampfer 3 und der Wärmeübertrager 4 stellen jeweils eine Wärmequelle dar, die wahlweise oder gleichzeitig betrieben werden. Der im Luftkanal 10 der Klimaanlage angeordnete Verdampfer 3 dient dem Kühlen und Entfeuchten der Zuluft 11 zum Belüften des Fahrzeuginnenraumes, während der Wärmeübertrager 4 zum Kühlen der Batterie des Fahrzeuges vorgesehen ist. Das Temperieren der Batterie wird mittels direkter Wärmeübertragung durch das Kältemittel gewährleistet. Alternativ kann der Wärmeübertrager 4 auch in einen Kühlmittelkreislauf der Batteriekühlung integriert sein. Der Wärmeübertrager 4 der Batteriekühlung wird auch als Kühler bezeichnet.
In 1 ist der Kältemittelkreislauf 1 folglich im Kühlmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges, bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum, dargestellt.
In 2 wird der Kältemittelkreislauf 1 als Primärkreislauf nach 1 mit weiteren Wärmeübertragern 13, 15 als Wärmequellen und Wärmesenken gezeigt. Dabei ist neben dem als Verdampfer der Batteriekühlung betriebenen Wärmeübertrager 4 ein zusätzlicher, als Verdampfer betriebener Wärmeübertrager 13 mit vorgeschaltetem als Expansionsventil ausgebildetem Expansionsorgan 14 als Wärmequelle parallel geschaltet, der zum Kühlen weiterer Komponenten des elektrischen Antriebs vorgesehen ist. Die Anzahl der Wärmeübertrager ist auf diese Art und Weise beliebig erweiterbar. Der als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 13, der ebenfalls als Kühler bezeichnet wird, wird dabei über ein T-Stück 20 innerhalb der Kältemittelleitung zwischen dem Sammler 8 und dem als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 7 sowie über ein T-Stück 19 innerhalb der Kältemittelleitung zwischen dem Verdampfer 3 und der als T-Stück ausgebildeten Mündungsstelle 9 eingebunden. Der Massenstrom des Kältemittels wird dabei in Teilmassenströme aufgeteilt. Das Temperieren der Komponenten des elektrischen Antriebs wird ebenfalls mittels direkter Wärmeübertragung durch das Kältemittel gewährleistet. Alternativ kann der Wärmeübertrager 13 auch in einen Kühlmittelkreislauf der Komponenten des elektrischen Antriebs integriert ausgebildet sein. Über den dann ebenfalls als Kühler ausgebildeten Wärmeübertrager 13 wird die Abwärme der Komponenten des elektrischen Antriebs mittels eines kühlmittelbasierten Kühlsystems als Wärmeträger in den Kältemittelkreislauf 1 einkoppelt.
Aufgrund möglicher unterschiedlicher Temperaturniveaus der elektrischen Antriebskomponenten, wie Elektromotor, Leistungselektronik und Batterie, können zwei oder mehr unterschiedliche, gegebenenfalls unabhängige Kühlmittelkreisläufe vorgesehen werden, die dann entweder mittels eines gemeinsamen oder mittels zwei beziehungsweise mehrerer einzelner Wärmeübertrager 4, 13 in den Kältemittelkreislauf 1 eingebunden werden. Im Falle der Ausbildung des Kältemittelkreislaufes 1 mit mehreren Wärmeübertragern 4, 13 können diese entweder in Reihe, bevorzugt nach aufsteigender Reihenfolge des Temperaturniveaus des Kühlmittels, oder parallel im Kältemittelkreislauf 1 angeordnet werden.
Bei der Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufes 1 mit paralleler Anordnung ist jeder Wärmeübertrager 4, 13 vorteilhaft mit jeweils einem absperrbaren Expansionsorgan 7, 14 auszustatten. Dabei kann jedes Expansionsorgan 7, 14 als Expansionsventil, bevorzugt jedoch als extern regelbares Expansionsorgan, beispielsweise mit Schrittmotor oder als Proportional-Magnetventil, ausgebildet werden.
Neben dem Primärkreislauf weist der Kältemittelkreislauf 1 einen Sekundärstrang auf. Der Sekundärstrang erstreckt sich dabei ausgehend von einer zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmeübertrager 2 angeordneten Abzweigstelle 25 bis zur als Sammler 8 ausgebildeten Verbindungsstelle. Die Abzweigstelle 25 ist als Drei-Wege-Ventil beziehungsweise Ventil 18, insbesondere ein Umschaltventil, ausgebildet. Innerhalb des Sekundärstranges ist ein Wärmeübertrager 15 als zweiter Kondensator zur direkten Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich daran anschließendes, als Regelventil ausgebildetes Ventil 16 angeordnet. Die Wärmeübertragungsflächen des im Luftkanal 10 der Klimaanlage in Strömungsrichtung der Zuluft 11 nach dem Verdampfer 3 vorgesehenen und als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 15 werden, wie der Verdampfer 3, direkt von der Zuluft 11 überströmt. Die im Verdampfer 3 entfeuchtete und abgekühlte Zuluft 11 wird beim Überströmen des als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 15 wieder erwärmt und anschließend in den Fahrgastinnenraum geleitet.
Dabei wird die Wärme des im Verdichter 5 komprimierten Kältemittels nicht im als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 an die Umgebungsluft 12 übertragen. Das warme Kältemittel wird vielmehr über das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 zum Wärmeübertrager 15 geleitet und dort kondensiert. Der Wärmeübertrager 15 dient für den Kältemittelkreislauf als Wärmesenke. Nach der Verflüssigung im Wärmeübertrager 15 strömt das Kältemittel durch das geöffnete, als Regelventil ausgebildete Ventil 16 in den Sammler 8. Der als Kondensator betriebene Wärmeübertrager 2 zur Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft 12 ist über das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 und das Ventil 17 vom Kältemittelkreislauf 1 hydraulisch getrennt. Das Ventil 17 ist als Absperrventil geschaltet.
In 2 ist der Kältemittelkreislauf 1 damit im Heizmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum gezeigt. Der Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 werden jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Abwärme der Batterie, die Abwärme des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft 11 werden als Wärmequellen genutzt. Beim gleichzeitigen Betrieb wird der Massenstrom des Kältemittels auf Teilmassenströme durch den Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 aufgeteilt.
3 zeigt eine Erweiterung des Kältemittelkreislaufes 1 nach 2, bei dem die Umgebungsluft 12 als zusätzliche Wärmequelle eingebunden ist. Dabei wird das Ventil 17 als Expansionsventil verwendet. Zudem wird das im Verdichter 5 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 25 zum als Umschaltventil ausgebildeten Ventil 18 geleitet, das getrennt von der Abzweigstelle 25 ausgebildet ist. Die als T-Stück ausgebildete Abzweigstelle 25 trennt die Kältemittelleitung in zwei Stränge, zum einen in den Sekundärstrang, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem T-Stück ein zusätzliches Absperrventil 23 aufweist, und zum anderen in einen Verbindungsstrang zum Wärmeübertrager 2. Das Ventil 18 ist innerhalb des Verbindungsstranges zum Wärmeübertrager 2 angeordnet und stellt als Drei-Wege-Ventil eine zusätzliche Verbindungsleitung 21 des Kältemittels zum Eintritt in den Verdichter 5 her. Die zusätzliche Verbindungsleitung 21 zweigt über das Ventil 18 vom Verbindungsstrang ab, welcher über eine Mündungsstelle 24 in die Kältemittelleitung zum Verdichter 5 einmündet. Im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 1 aus 2 ist zwischen der als T-Stück ausgebildeten Mündungsstelle 9 und der ebenfalls als T-Stück ausgebildeten Mündungsstelle 24 vorteilhaft ein weiteres Ventil 22 in Form eines Expansionsventils angeordnet.
Über das als Expansionsventil ausgebildete Ventil 17, in dem ein Teilmassenstrom des Kältemittels nach dem Austritt aus dem Sammler 8 auf ein niederes Druckniveau entspannt wird, strömt das zweiphasige Kältemittel mit einer Temperatur unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft 12 zum Wärmeübertrager 2. Im Wärmeübertrager 2, der im Kühlmodus nach 1 als Kondensator betrieben wird, wird das Kältemittel nunmehr verdampft. Dabei strömt die Umgebungsluft 12 direkt über die Wärmeübertragungsflächen des nunmehr als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers 2, sodass die Wärme von der Umgebungsluft 12 auf das Kältemittel übertragen wird. Anschließend strömt das Kältemittel durch das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 und die Verbindungsleitung 21 sowie die als T-Stück ausgebildete Mündungsstelle 24 zum Eintritt des Verdichters 5.
Das im Verdampfer 3 und in den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 4, 13 verdampfte Kältemittel, das gegebenenfalls ein höheres Druckniveau und Temperaturniveau aufweist als der durch den Wärmeübertrager 2 geströmte Teilmassenstrom des Kältemittels, wird beim Durchqueren des als Expansionsventil ausgebildeten Ventils 22 auf das Druckniveau des durch den Wärmeübertrager 2 geleiteten Kältemittels entspannt. Das nunmehr als gesamter Massenstrom vom Verdichter 5 angesaugte Kältemittel wird komprimiert durch das geöffnete Absperrventil 23 in den Sekundärstrang geleitet und, wie zu 2 beschrieben, den Kältemittelkreislauf 1 durchströmen.
Der Kältemittelkreislauf 1 weist somit eine mehrstufige Expansion auf, sodass unterschiedliche Druckniveaus beziehungsweise unterschiedliche Temperaturniveaus der in den Kältemittelkreislauf 1 eingebundenen Wärmequellen nutzbar sind.
Wie in 2 wird der Kältemittelkreislauf 1 auch in der Schaltung nach 3 im Heizmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum betrieben. Der Verdampfer 3 und die jeweils als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2, 4, 13 werden je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Umgebungsluft, die Abwärme der Batterie, die Abwärme des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft 11 werden als Wärmequellen genutzt. Der Massenstrom des Kältemittels wird dann auf Teilmassenströme durch die Wärmeübertrager 2, 4, 13 und den Verdampfer 3 aufgeteilt.
4a stellt den Kältemittelkreislauf 1 in etwas veränderter Ausgestaltung zum Kältemittelkreislauf 1 aus 2 dar. In 4b ist der Kältemittelkreislauf 1 in etwas abgewandelter Form zum Kältemittelkreislauf 1 aus 3 gezeigt. Der Kältemittelkreislauf 1 zum Konditionieren des Fahrzeuginnenraumes bei gleichzeitigem Kühlen, Entfeuchten und Nachheizen der Zuluft 11 sowie zum Kühlen der Batterie und weiterer Komponenten des Antriebs des Fahrzeuges weist mit der Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft 12 eine zusätzliche Wärmesenke auf.
Die Ausbildung des Kältemittelkreislaufes 1 ermöglicht somit den Betrieb der Klimaanlage in einem kombinierten Kühlmodus und Heizmodus, die auch als Kälteanlagenmodus und Wärmepumpenmodus bezeichnet werden, sowie einem Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrzeuginnenraums.
Im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 1 aus 2 weist der Kältemittelkreislauf 1 in 4a anstelle des als Drei-Wege-Ventil beziehungsweise Umschaltventil ausgebildeten Ventils 18 eine als T-Stück ausgebildete Abzweigstelle 25 mit in Strömungsrichtung des Kältemittels nachfolgend angeordneten Absperrventilen 23, 26 auf. Das Absperrventil 23 stellt eine Komponente des Sekundärstrangs dar. Das Absperrventil 26 ist in der Kältemittelleitung zwischen der Abzweigstelle 25 und dem Wärmeübertrager 2 angeordnet. Das als Regelventil ausgebildete Ventil 17 ist geöffnet.
Im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 1 aus 3 weist der Kältemittelkreislauf 1 in 4b die gleichen Kreislaufkomponenten auf. Allerdings sind die Ventile 17, 22 geöffnet und dienen nicht als Expansionsventile. Zudem wird das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 derart geschaltet, dass das vom Verdichter 5 komprimierte Kältemittel zum Wärmeübertrager 2 geleitet wird, wobei die Verbindungsleitung 21 geschlossen ist.
Mittels der Anordnung des T-Stücks an der Abzweigstelle 25 und den nachfolgenden Absperrventilen 23, 26 anstelle des als Umschaltventil ausgebildeten Ventils 18 aus 4a und der angegebenen Schaltung der Ventile 17, 18, 22 nach 4b ist es möglich, den Wärmeübertrager 2 als zusätzliche Wärmesenke, das heißt als Kondensator zu nutzen. Der Massenstrom des im Verdichter 5 komprimierten Kältemittels wird an der Abzweigstelle 25 auf einen Teilmassenstrom durch den Sekundärstrang und damit den als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15 sowie einen Teilmassenstrom durch den ebenfalls als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 aufgeteilt.
Damit besteht die Möglichkeit des Nachheizens der im Verdampfer 3 abgekühlten und entfeuchteten Zuluft 11. Die im Verdampfer 3 und in den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 4, 13 vom Kältemittel aufgenommene Wärme wird dabei mittels des als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 15 an die Zuluft 11 übertragen, sodass die abgekühlte und entfeuchtete Zuluft 11 aufgeheizt wird. Im Nachheizmodus werden das als Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 6 und das Absperrventil 23 derart geregelt, dass die Heizleistung am Wärmeübertrager 15 des Sekundärstranges geringer sein kann als die Summe der innerhalb des Verdampfers 3 und der als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 aufgenommenen Kälteleistungen, insbesondere die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Zuluft 11. Überschüssige Wärme wird über den Wärmeübertrager 2 an die Umgebungsluft 12 abgegeben.
Nach den 4a und 4b wird der Kältemittelkreislauf 1 somit im Nachheizmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum betrieben. Der Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 werden wiederum jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben, wobei der Massenstrom des Kältemittels gegebenenfalls auf Teilmassenströme durch den Verdampfer 3 und die Wärmeübertrager 4, 13 aufgeteilt wird. Die zwei als Kondensatoren betriebenen Wärmeübertrager 2, 15 werden jeweils als Wärmesenken genutzt. Die Umgebungsluft 12 und die Zuluft 11 dienen als Wärmesenken.
In den 5a und 5b wird eine Erweiterung des Kältemittelkreislaufes 1 nach 3 gezeigt, bei dem die Umgebungsluft 12 als Wärmequelle zum Beheizen der Batterie dient.
Im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 1 nach 3 ist das Absperrventil 23 innerhalb des Sekundärstranges nicht dargestellt. Als zusätzliche Komponenten sind Umschaltventile 27, 28 zum einen innerhalb des Sekundärstranges und zum anderen zwischen dem Wärmeübertrager 4, der zur Temperierung der Batterie dient, und der Mündungsstelle 9 integriert. Das Umschaltventil 27 ist dabei zwischen der Abzweigstelle 25 und dem Wärmeübertrager 15 des Sekundärstranges angeordnet. Die Umschaltventile 27, 28 stellen eine zusätzliche Kältemittelverbindung vom Sekundärstrang zum Wärmeübertrager 4 her.
Bei geschlossenen Expansionsorganen 6, 14, Ventilen 16, 22, geöffnetem Expansionsorgan 7 und dem Betrieb des Ventils 17 als Expansionsventil wird das vom Verdichter 5 komprimierte Kältemittel im Sekundärstrang zum Umschaltventil 27 geleitet. Das Umschaltventil 27 schließt den ursprünglichen Sekundärstrang und verhindert das Strömen des Kältemittels zum als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15. Dabei ist die zusätzliche Kältemittelverbindung vom Sekundärstrang zum Umschaltventil 28 geöffnet. Das Kältemittel strömt durch das Umschaltventil 28, das wiederum die Kältemittelleitung zum Verdichter 5 verschließt, zum Wärmeübertrager 4. Die Wärme des komprimierten und heißen Kältemittels wird im Wärmeübertrager 4, der nunmehr als Kondensator betrieben wird, an die Batterie übertragen. Anschließend strömt das Kältemittel in den Sammler 8 und durch das Ventil 17 zum als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2. Das beim Durchströmen des Ventils 17 entspannte und teilverflüssigte Kältemittel wird im Wärmeübertrager 2 unter Aufnahme von Wärme wieder verdampft und gelangt vom als Umschaltventil ausgebildeten Ventil 18, das die Verbindungsleitung 21 öffnet, zum Eintritt des Verdichters 5.
Der Wärmeübertrager 2 stellt damit als Verdampfer eine Wärmequelle dar, die die Wärme aus der Umgebungsluft 12 an das Kältemittel überträgt, während der Wärmeübertrager 4 als Kondensator zum Beheizen der Batterie des Fahrzeuges als Wärmesenke genutzt wird. Außerdem besteht die Möglichkeit auch den Verdampfer 3 und den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 13 als zusätzliche Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig mit dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2 zu nutzen. Dann würde neben der Umgebungsluft auch die Abwärme des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft 11 als Wärmequellen eingesetzt.
In den 5a und 5b ist der Kältemittelkreislauf 1 folglich im Heizbetrieb der Batterie des Fahrzeuges dargestellt.
In Erweiterung zu 5a besteht nach 5b zudem die Möglichkeit, den als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15 zum Nachheizen der Zuluft 11 in den Fahrzeuginnenraum zu nutzen. Dabei wird das Umschaltventil 27 derart geschaltet, dass es sowohl in Richtung des Umschaltventils 28 als auch in Richtung des Wärmeübertragers 15 Kältemittel durchströmen lässt. Das als Regelventil ausgebildete Ventil 16 ist geöffnet. Das heiße Kältemittel wird im als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15 verflüssigt und gibt dabei Wärme an die Zuluft 11 ab. Die Zuluft 11 dient dann als weitere Wärmesenke. Die Zuluft 11 ist des Weiteren auch als Wärmequelle verwendbar. Dabei strömt das Kältemittel aus dem Sammler 8 durch das als Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 6 und wird dabei entspannt. Anschließend wird das Kältemittel im Verdampfer 3 verdampft und nimmt Wärme aus der Zuluft 11 auf, die dabei entfeuchtet und abgekühlt wird, bevor sie beim Durchströmen des als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 15 wieder erwärmt wird. Das Kältemittel strömt vom Austritt aus dem Verdampfer 3 zum als Expansionsventil ausgebildeten Ventil 22 und wird beim Durchströmen des Ventils 22 auf das Druckniveau des aus dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2 austretenden Kältemittels entspannt. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 24 zusammengeführt und gemeinsam zum Verdichter 5 geleitet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann auch der Wärmeübertrager 13 zur Kühlung weiterer Komponenten des elektrischen Antriebs als Wärmequelle genutzt werden. Dabei strömt das Kältemittel parallel zum Verdampfer 3 durch den auch als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 13 und nimmt dort Wärme auf, bevor es über das T-Stück 19 zum als Expansionsventil ausgebildeten Ventil 22 geleitet wird.
Als Wärmequellen werden dabei die Umgebungsluft 12, die Zuluft 11 und/oder Komponenten des elektrischen Antriebs verwendet. Gleichzeitig dienen die Batterie des Fahrzeuges und/oder die Zuluft 11 als Wärmesenken.
In den 6a, 6b und 6c ist die Erweiterung des Kältemittelkreislaufes 1 nach 3 beziehungsweise 4b mit einem zusätzlichen kreisprozessinternen Wärmeübertrager 30 dargestellt. Zudem ist konstruktionsbedingt ein zusätzliches T-Stück 29 vorgesehen.
Der kreisprozessinterne Wärmeübertrager 30 dient der Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Kältemittel bei Hochdruck und dem gasförmigen Kältemittel bei Niederdruck. Dabei wird einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation am Austritt aus dem Sammler 8 und vor dem Eintritt in die als Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorgane 6, 7, 14 weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Eintritt in den Verdichter 5 überhitzt.
Der kreisprozessinterne Wärmeübertrager 30 ist mit der Hochdruckseite folglich in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der als Sammler 8 ausgebildeten Verbindungsstelle und vor den Expansionsorganen 6, 7, 14 angeordnet. Auf der Niederdruckseite wird der kreisprozessinterne Wärmeübertrager 30 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 5 und damit zwischen der als T-Stück ausgebildeten Mündungsstelle 24 und dem Eintritt in den Verdichter 5 integriert.
6a zeigt den Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Kühlmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum. Dabei wird das im Verdichter 5 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 25 und das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 zum als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 geleitet, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft 12 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete, als Regelventil ausgebildete Ventil 17 in den Sammler 8 gelangt. Das als Absperrventil ausgebildete Ventil 16 und das Absperrventil 23 sind geschlossen, sodass der Sekundärstrang nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist.
Vom Sammler 8 strömt das Kältemittel durch den Hochdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt, zu den als Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorganen 6, 7, 14. Nach der Entspannung in das Zweiphasengebiet gelangt das Kältemittel in den Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 und wird unter Wärmeaufnahme verdampft. Im Verdampfer 3 wird dabei die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt und/oder entfeuchtet. Nach Zusammenführung der Teilmassenströme wird das Kältemittel durch das geöffnete Ventil 22 zum Niederdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 geleitet und dort unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es in den Verdichter 5 eintritt. Im Kühlmodus der Klimaanlage sowie gleichzeitigem oder wahlweisem Kühlbetrieb der Batterie werden der Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Abwärme der Batterie, die Abwärme des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft 11 werden als Wärmequellen genutzt, während ausschließlich die Umgebungsluft 12 im als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 als Wärmesenke verwendet wird.
In 6b ist der Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Heizmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum dargestellt. Das im Verdichter 5 komprimierte Kältemittel strömt über die Abzweigstelle 25 und durch das geöffnete Absperrventil 23 zum als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Zuluft 11 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete, als Regelventil ausgebildete Ventil 16 in den Sammler 8 gelangt.
Vom Sammler 8 wird das Kältemittel zum einen durch den Hochdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt, wiederum zu den als Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorganen 6, 7, 14 geleitet. Ein weiterer Teilmassenstrom gelangt über das als Expansionsventil betriebene Ventil 17, in dem es beim Durchströmen auf Niederdruck entspannt wird, zum als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2 und wird dort bei direkter Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft 12 verdampft. Danach wird das verflüssigte Kältemittel über das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 und durch die Verbindungsleitung 21 zur Mündungsstelle 24 geführt.
Nach der Entspannung in den Expansionsorganen 6, 7, 14 auf einen Zwischendruck, welcher gegebenenfalls oberhalb des Niederdrucks und unterhalb des Hochdrucks liegt, wird das Kältemittel in den Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 geleitet und unter Wärmeaufnahme verdampft. Im Verdampfer 3 wird dabei die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt und/oder entfeuchtet. Nach Zusammenführung der Teilmassenströme wird das Kältemittel beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 22 auf Niederdruck entspannt und anschließend an der Mündungsstelle 24 mit dem durch den Wärmeübertrager 2 geströmten Teilmassenstrom mit gleichem Druckniveau vermischt.
Anschließend wird der Gesamtmassenstrom des Kältemittels wiederum durch den Niederdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 geführt und unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es zum Verdichter 5 gelangt.
Bei gleichzeitiger Nutzung verschiedener Wärmequellen wird somit nicht der gesamte Kältemittelmassenstrom über die Hochdruckseite des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 geführt.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass bei gleichzeitiger Nutzung verschiedener Wärmequellen nicht der gesamte Kältemittelmassenstrom über die Niederdruckseite des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 geleitet wird. Bei der nicht dargestellten Ausgestaltung würde beispielsweise die als T-Stück ausgebildete Mündungsstelle 24 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der Niederdruckseite des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 und damit zwischen dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager 30 und dem Verdichter 5 angeordnet sein.
Zudem wird der Kältemittelmassenstrom bevorzugt parallel derart aufgeteilt, dass

- ein Teilmassenstrom durch den Verdampfer 3, der die Zuluft 11 als Wärmequelle nutzt, strömt,
- mindestens ein Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager 4 und/oder den Wärmeübertrager 13, die als Kühler die Batterie beziehungsweise den elektrischen Antrieb als Wärmequelle nutzen, strömen und
- ein Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager 2, der als Verdampfer die Umgebungsluft 12 als Wärmequelle nutzt, strömt.

1

24

5

3

4

13

9

4

13

2

9

24

3

4

13

9

24

22

Im Heizmodus der Klimaanlage sowie gleichzeitigem oder wahlweisem Kühlbetrieb der Batterie werden demzufolge der Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2, 4, 13 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Umgebungsluft 12, die Abwärme der Batterie, die Abwärme des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft 11 werden als Wärmequellen genutzt, während ausschließlich die Zuluft 11 im als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15 als Wärmesenke verwendet wird.
In 6c wird der Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Nachheizmodus der Klimaanlage des Fahrzeuges bezogen auf die Zuluft 11 zum Fahrzeuginnenraum gezeigt. Dabei wird das im Verdichter 5 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 25 auf den Sekundärstrang und die Verbindung zum Wärmeübertrager 2 aufgeteilt. Ein Teilmassenstrom strömt durch das geöffnete Absperrventil 23 zum als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 15, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Zuluft 11 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete, als Regelventil ausgebildete Ventil 16 in den Sammler 8 gelangt. Der zweite Teilmassenstrom wird durch das als Umschaltventil ausgebildete Ventil 18 zum als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 geleitet, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft 12 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete Ventil 17 in den Sammler 8 einströmt.
Vom Sammler 8 strömt das Kältemittel, wie im Heizmodus nach 6a, durch den Hochdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt, zu den als Expansionsventilen ausgebildeten Expansionsorganen 6, 7, 14. Nach der Entspannung in das Zweiphasengebiet gelangt das Kältemittel in den Verdampfer 3 und die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 13 und wird unter Wärmeaufnahme verdampft. Nach Vermischung der Teilmassenströme wird der Gesamtmassenstrom des Kältemittels durch das geöffnete Ventil 22 zum Niederdruckbereich des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 30 geleitet und dort unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es in den Verdichter 5 eintritt.
Im Nachheizmodus werden der Verdampfer 3 und die Wärmeübertrager 4, 13 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben.
Die Zuluft 11, die Abwärme der Batterie und/oder die Abwärme des elektrischen Antriebs werden als Wärmequellen genutzt, während die Umgebungsluft 12 und die Zuluft 11 in den Wärmeübertragern 2, 15 als Wärmesenken verwendet werden.
Die beschriebenen Verschaltungsvarianten und Betriebsmodi sind für unterschiedliche Kältemittel anwendbar, die niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig erfahren und dabei Wärme aufnehmen. Hochdruckseitig gibt das Kältemittel durch Enthitzung beziehungsweise Gaskühlung, mit anschließender Kondensation und gegebenenfalls Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke, beispielsweise Umgebungsluft oder Zuluft zum Fahrzeuginnenraum, wieder ab. Als geeignete Kältemittel sind zum Beispiel natürliche Stoffe, wie R744, sowie chemische Stoffe, wie R134a, R152a, HFO-1234yf, einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelkreislauf
2: Wärmeübertrager
3: Verdampfer
4: Wärmeübertrager
5: Verdichter
6, 7: Expansionsorgan
8: Sammler
9: Mündungsstelle
10: Luftkanal
11: Zuluft
12: Umgebungsluft
13: Wärmeübertrager
14: Expansionsorgan
15: Wärmeübertrager
16: Ventil
17: Ventil
18: Ventil
19, 20: T-Stück
21: Verbindungsleitung
22: Ventil
23, 26: Absperrventil
24: Mündungsstelle
25: Abzweigstelle
27,28: Umschaltventil
29: T-Stück
30: kreisprozessinterner Wärmeübertrager

Claims

Kältemittelkreislauf (1) einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, umfassend: - einen Primärkreislauf mit einem Verdichter (5), einem Wärmeübertrager (2) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Sammler (8), einem ersten Expansionsorgan (6), einem Verdampfer (3) zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel sowie einem parallel zum Verdampfer (3) geschaltet angeordneten Wärmeübertrager (4, 13) und - einen Sekundärstrang, welcher sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter (5) und dem Wärmeübertrager (2) angeordneten Abzweigstelle (25) bis zu dem zwischen dem Wärmeübertrager (2) und dem Verdampfer (3) angeordneten Sammler (8), welcher zum Speichern des Kältemittels sowie zum Zusammenführen und/oder Aufteilen von Teilmassenströmen des Kältemittels ausgebildet ist, erstreckt und einen Wärmeübertrager (15) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich an diesen anschließendes Ventil (16) aufweist, wobei der Kältemittelkreislauf (1) für einen kombinierten Kühlmodus und Heizmodus sowie für einen Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums ausgebildet ist.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (8) im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (1) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (1) mit dem Wärmeübertrager (4) für einen kombinierten Kühlbetrieb und Heizbetrieb einer Komponente des Antriebs des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, wobei der Wärmeübertrager (4) bidirektional durchströmbar ist und ein im Kühlbetrieb in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltetes Element aufweist, wobei das vorgeschaltete Element derart ausgebildet ist, dass es im Kühlbetrieb des Wärmeübertragers (4) als Expansionsorgan (7) und im Heizbetrieb des Wärmeübertragers (4) auf druckhaltenden Durchlass des Kältemittels einstellbar ausgebildet ist.
Kältemittelkreislauf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf Mündungsstellen (9, 24) aufweist, wobei zwischen den Mündungsstellen (9, 24) ein als Expansionsorgan ausgebildetes Ventil (22) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsorgane (6, 7) und das Ventil (22) als extern regelbare Expansionsventile ausgebildet sind.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass - der Sekundärstrang zwischen der Abzweigstelle (25) und dem Wärmeübertrager (15) ein Umschaltventil (27) aufweist und - der Primärkreislauf zwischen dem Wärmeübertrager (4) und der Mündungsstelle (9) ein Umschaltventil (28) aufweist, wobei die Umschaltventile (27, 28) eine Kältemittelverbindung vom Sekundärstrang zum Primärkreislauf, insbesondere zum Wärmeübertrager (4), ausbildend angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes (1) für einen kombinierten Kühlmodus und Heizmodus sowie für einen Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums, bei dem im Kühlmodus ein Primärkreislauf und im Heizmodus sowie im Nachheizmodus sowohl der Primärkreislauf als auch ein Sekundärstrang mit Kältemittel beaufschlagt werden, wobei - im Kühlmodus und Nachheizmodus ein als Kondensator ausgebildeter Wärmeübertrager (2) und ein Ventil (17) in Bezug auf den Heizmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden, - in einem im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (1) angeordneten Sammler (8) das je nach Betriebsmodus in Teilmassenströme aufgeteilte Kältemittel zusammengeführt und/oder aufgeteilt wird und - in einem kombinierten Kühlbetrieb und Heizbetrieb für eine Komponente des Antriebs des Kraftfahrzeuges im Kühlbetrieb ein als Verdampfer ausgebildeter Wärmeübertrager (4) und ein Expansionsorgan (7) in Bezug auf den Heizbetrieb vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Verdampfer (3) zur Wärmeübertragung mit der zu konditionierenden Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums sowie Wärmeübertrager (4, 13) zur Wärmeübertragung mit Komponenten des elektrischen Antriebs des Fahrzeuges und dem Kältemittel derart betrieben werden, dass das Kältemittel jeweils Wärme aufnimmt, sodass die Zuluft (11) und/oder Komponenten des elektrischen Antriebs als Wärmequellen genutzt werden, und dass - ein Wärmeübertrager (15) zur Wärmeübertragung mit dem Kältemittel derart betrieben wird, dass das Kältemittel Wärme an die zu konditionierende Zuluft (11) des Fahrzeuginnenraums abgibt, sodass die Zuluft (11) als Wärmesenke genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (2) zur Wärmeübertragung mit der Umgebung und dem Kältemittel derart betrieben wird, dass das Kältemittel Wärme aufnimmt, sodass die Umgebungsluft (12) als Wärmequelle genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (2) zur Wärmeübertragung mit der Umgebung und dem Kältemittel derart betrieben wird, dass das Kältemittel Wärme abgibt, sodass die Umgebungsluft (12) als Wärmesenke genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wärmeübertrager (2, 13) und der Verdampfer (3) zur Wärmeübertragung mit dem Kältemittel derart betrieben werden, dass das Kältemittel jeweils Wärme aufnimmt, sodass die Umgebungsluft (12), die Zuluft (11) und/oder erste Komponenten des elektrischen Antriebs als Wärmequellen genutzt werden, und dass - die Wärmeübertrager (4, 15) zur Wärmeübertragung mit dem Kältemittel derart betrieben werden, dass das Kältemittel jeweils Wärme abgibt, sodass eine von den ersten Komponenten des elektrischen Antriebs abweichende zweite Komponente des elektrischen Antriebs und/oder die Zuluft (11) als Wärmesenken genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer mehrstufigen Expansion unterschiedliche Temperaturniveaus der Wärmequellen nutzbar sind, wobei - Teilmassenströme des Kältemittels, welche die Wärme aus Wärmequellen mit einem höheren Temperaturniveau aufnehmen, an einer Mündungsstelle (9) zusammengeführt werden, - Teilmassenströme des Kältemittels, welche die Wärme aus Wärmequellen mit einem niedrigeren Temperaturniveau aufnehmen, an einer in Strömungsrichtung des Kältemittels der Mündungsstelle (9) nachgeordneten Mündungsstelle (24) zusammengeführt werden und dass - das Kältemittel beim Durchströmen eines zwischen den Mündungsstellen (9, 24) angeordneten als Expansionsventil ausgebildeten Ventils (22) entspannt wird, wobei das als Expansionsventil extern geregelt wird.