DE102011082333A1

DE102011082333A1 - Kältemittelkreislauf und Verfahren zum Temperieren von in einem Kältemittelkreislauf strömenden Kältemittel

Info

Publication number: DE102011082333A1
Application number: DE201110082333
Authority: DE
Inventors: Dr. Eisele Marc-Thomas
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Verfahren zum Temperieren von in einem Kältemittelkreislauf strömenden Kältemittel, wobei dem Kältemittel in einem zwischen einem Ausgang eines Verdichters und einem Eingang eines Expansionsorgans befindlichen Abschnitt oder auf einem Teilabschnitt dieses Abschnitts des Kältemittelkreislaufs Wärme zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 3.
In Hybrid- oder Elektrofahrzeugen kommen als Energiespeicher derzeit primär Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Betriebstemperatur derartiger Energiespeicher muss in einem vorgegebenen Betriebstemperaturbereich gehalten werden, um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen. In Abhängigkeit vom Betriebszustand des Energiespeichers und in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur müssen derartige Energiespeicher gekühlt bzw. beheizt werden.
Es wurde bereits erwogen, elektrische Energiespeicher, die in Fahrzeugen eingesetzt werden, über den Klimakreislauf der Fahrzeugklimaanlage zu temperieren. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen (unterhalb von –5°C) ist die Kältemitteltemperatur im Kondensator des Kältemittelkreislaufs jedoch so gering, dass nur noch ein sehr geringer Kältemittelmassenstrom erreicht wird, der möglicherweise nicht mehr ausreicht, um die Vorgaben des Thermomanagements eines elektrischen Energiespeichers zu erfüllen. Dies kann zu einer verminderten Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kältemittelkreislauf zu schaffen, der zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen geeignet ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Temperieren von Kältemittel anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein herkömmlicher Kältemittelkreislauf, wie er z. B. bei Fahrzeugklimaanlagen anzutreffen ist. Kernkomponenten eines solchen Kältemittelkreislaufs sind – in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet – ein Verdichter, ein Kondensator, ein Expansionsorgan und ein Verdampfer.
Ein Druckausgang des Verdichters ist über eine Kältemittelleitung mit einem Eingang des Kondensators verbunden. Von einem Ausgang des Kondensators führt eine Kältemittelleitung zu einem Eingang des Expansionsorgans, in dem Kältemittel von einem hohen Druck auf einen niedrigeren Druck entspannt wird. Ein Ausgang des Expansionsorgans ist über eine Kältemittelleitung mit einem Eingang des Verdampfers verbunden. Von einem Ausgang des Verdampfers führt eine Kältemittelleitung zu einem (Saug-)Eingang des Verdichters.
Der Verdampfer ist zum Kühlen einer zu kühlenden Komponente vorgesehen. Bei der zu kühlenden Komponente kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Energiespeicher, wie z. B. um eine Lithium-Ionen-Batterie eines Fahrzeugs, handeln. Von der zu kühlenden Komponente abgegebene Wärme wird mittels des Verdampfers auf das Kältemittel übertragen. Im Verdichter wird das Kältemittel auf ein höheres Druckniveau verdichtet, wodurch dessen Temperatur steigt. Über den Kondensator wird Wärme von dem Kältemittel an die Umgebung abgegeben. Das im Kondensator abgekühlte Kältemittel wird im Expansionsorgan entspannt, wodurch es sich abkühlt, so dass es im Verdampfer erneut Wärme aufnehmen kann.
Wie einleitend bereits dargelegt, kann bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen der Fall eintreten, dass das Kältemittel im Bereich des Kondensators so kalt ist, dass kein hinreichender Kältemittelmassenstrom mehr erreicht wird.
Der Kern der Erfindung besteht darin, in dem zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Expansionsorgans liegenden Bereich des Kältemittelkreislaufs eine Heizeinrichtung vorzusehen, mittels der dem Kältemittel bei Bedarf Wärme zugeführt werden kann. Dadurch soll erreicht werden, dass auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ein für die Kühlung der zu kühlenden Komponente erforderlicher Mindestkältemittelmassenstrom erreichbar ist.
Die Heizeinrichtung kann unmittelbar am Kondensator angeordnet oder in den Kondensator integriert sein. Bei der Heizeinrichtung kann es sich z. B. um einen Heizdraht bzw. um eine um eine Kältemittelleitung oder einen Kältemittelleitungsabschnitt geschlungene Heizwendel handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Das Grundprinzip eines Kältemittelkreislaufs gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung; und
2 ein LOGP-H-Diagramm zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung.
1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einem Expansionsorgan 4 und einem Verdampfer 5. Ein Druckausgang 6 des Verdichters 2 ist über eine Kältemittelleitung 7 mit einem Eingang 8 des Kondensators 3 verbunden. Ein Ausgang 9 des Kondensators 3 ist über eine Kältemittelleitung 10 mit einem Eingang 11 des Expansionsorgans 4 verbunden. Ein Ausgang 12 des Expansionsorgans 4 ist über eine Kältemittelleitung 13 mit einem Eingang 14 des Verdampfers 5 verbunden. Ein Ausgang 15 des Verdampfers 5 ist mit einem Saugeingang 16 über eine Kältemittelleitung 17 verbunden.
Der Verdichter 2 pumpt Kältemittel in der oben beschriebenen Richtung in dem Kältemittelkreis 1 um. Dabei kann mittels des Verdampfers 5 Wärmeleistung von einer hier nicht näher dargestellten, zu kühlenden Komponente (z. B. einem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs) aufgenommen werden. Im Verdichter 2 wird das Kältemittel verdichtet, wodurch dessen Temperatur steigt. Mittels des Verdampfers 3 kann Wärmeleistung an die Umgebung abgeführt werden. Im Expansionsorgan 4 wird das abgekühlte Kältemittel auf eine niedrigere Temperatur und einen geringeren Druck entspannt, so dass es im Verdampfer 5 erneut Wärme aufnehmen kann.
In dem zwischen dem Ausgang 6 des Verdichters 2 und dem Eingang 11 des Expansionsorgans 4 befindlichen Kältemittelkreislaufabschnitt ist eine Heizeinrichtung 18 vorgesehen.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 18 als elektrische Heizwendel ausgebildet, die in den Kondensator 3 integriert ist. Mittels der Heizeinrichtung 18 kann dem Kältemittel Wärme zugeführt werden, was z. B. bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen erforderlich ist, um einen gewissen Mindestkältemittelmassenstrom aufrechtzuerhalten, der für eine hinreichende Kühlung einer zu kühlenden Komponente erforderlich ist.
2 beschreibt die in dem Kältemittelkreislauf der 1 auftretenden Zustände anhand eines log(p)-H-Diagramms. P repräsentiert den Druck des Kältemittels, H dessen Enthalpie.
Der Bereich unterhalb der Kurve 19 repräsentiert das sogenannte Zwei-Phasen-Gebiet. Der Zustandspunkt 20 beschreibt den Zustand des Kältemittels am Saugeingang 16 des Verdichters 2. Durch Verdichten des Kältemittels wird der Zustandspunkt 21 erreicht. Im Kondensator 3 wird (idealisiert) isobar Energie abgegeben, was dem Übergang vom Zustandspunkt 21 zum Zustandspunkt 22 entspricht. Im Expansionsorgan wird das Kältemittel von einem oberen Druckniveau auf ein unteres Druckniveau entspannt, wodurch sich das Kältemittel abkühlt. Die Entspannung des Kältemittels im Expansionsorgan 4 entspricht dem Übergang vom Zustandspunkt 22 zum Zustandspunkt 23. Im Verdampfer 5 nimmt das Kältemittel Wärme von einer zu kühlenden Komponente auf, was den Übergang vom Zustandspunkt 23 zu dem Zustandspunkt 20 entspricht.
Je niedriger die Umgebungstemperatur, umso niedriger ist auch das Druckniveau, bei dem die Wärmeabgabe an die Umgebung stattfindet. Die gestrichelte Linie 24 beschreibt eine Wärmeabgabe bei niedriger Umgebungstemperatur von einem Zustandspunkt 21' zu einem Zustandspunkt 22'. Um ein ”zu starkes Absinken” dieser Linie 24 zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche dem Kältemittel bei Bedarf Wärme zuführen kann.

Claims

Kältemittelkreislauf (1), insbesondere für Fahrzeuge, mit – einem Verdichter (2), der einen Druckausgang (6) aufweist, – einem Kondensator (3), der einen Eingang (8, welcher über eine Kältemittelleitung (7) mit dem Druckausgang (6) des Verdichters (2) verbunden ist, und einen Ausgang (9)) aufweist, – einem Expansionsorgan (4), das einen Eingang (11), der über eine Kältemittelleitung (10) mit dem Ausgang (9) des Kondensators (3) verbunden ist, und einen Ausgang (12) aufweist, – einem Verdampfer (5), der einen Eingang (14), welcher über eine Kältemitteleitung (13) mit dem Ausgang (12) des Expansionsorgans (4) verbunden ist, und einen Ausgang (15) aufweist, der mit einem Eingang (16) des Verdichters (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang (6) des Verdichters (2) und dem Eingang (11) des Expansionsorgans (4) eine Heizeinrichtung (18) zum Beheizen von in diesem Abschnitt des Kältemittelkreislaufs (1) strömendem Kältemittel vorgesehen ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (18) am Kondensator (3) angeordnet oder in den Kondensator (3) integriert ist.
Verfahren zum Temperieren von in einem Kältemittelkreislauf (1) strömenden Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittel in einem zwischen einem Ausgang (6) eines Verdichters (2) und einem Eingang (11) eines Expansionsorgans (4) befindlichen Abschnitt oder auf einem Teilabschnitt dieses Abschnitts des Kältemittelkreislaufs (1) Wärme zugeführt wird.