-
Die Erfindung betrifft eine kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen mit geringer Abwärmeentwicklung, wie Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben vorbezeichneter Anlage mit funktionsabhängiger gezielter Kältemittelverlagerung innerhalb des Kältemittelkreislaufes je nach Betriebsart der Kälteanlage und Wärmepumpe.
-
Im Stand der Technik sind kombinierte Kälteanlagen und Wärmepumpen für den Einsatz in Fahrzeugen bekannt. Da bei umweltschonenden Antriebssystemen von Fahrzeugen häufig nicht mehr ausreichend Abwärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht, greifen die Klimatisierungssysteme dieser Fahrzeuge auf Zusatzheizungen oder auf in den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage integrierte Wärmepumpenschaltungen zurück. Dabei wird aus der Umgebungsluft oder aus anderen Abwärmequellen Wärme für die Beheizung des Fahrzeuginnenraumes zur Verfügung gestellt.
-
Beispielsweise sind kombinierte Wärmepumpen und Kälteanlagen bekannt, die als Wärmequelle in der Wärmepumpenverschaltung zusätzliche Verdampfer für die Batteriekühlung und die Kühlung des elektrischen Antriebsstranges nutzen.
-
Bei kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenverschaltungen nach dem Stand der Technik werden unterschiedliche Betriebsmodi abgedeckt, wie beispielsweise:
- a) Kälteanlagenbetrieb mit Innenraumkühlung und Entfeuchten über den Verdampfer der Klimaanlage und Wärmeabgabe an die Umgebungsluft am Kondensator;
- b) Innenraumkühlung und Entfeuchten über den Verdampfer der Klimaanlage mit gleichzeitiger Batteriekühlung und Wärmeabgabe an die Umgebungsluft am Kondensator;
- c) weitere Kühlmodi mit Innenraumkühlung über den Verdampfer der Klimaanlage, Wärmeübertrager als Batteriekühler und Kühler des elektrischen Antriebsstranges in beliebiger Kombination mit Wärmeabgabe am Kondensator;
- d) Reheat-Modus mit Innenraumkühlen/Entfeuchten sowie Nachheizen über Heizungswärmeübertrager und/oder das Heizregister in der Klimaanlage im Wärmepumpenmodus, der auch als Heizkondensator bezeichnet wird;
- e) Luftwärmepumpe mit Wärmeaufnahme am Wärmepumpenverdampfer aus der Umgebungsluft und Wärmeabgabe am Heizkondensator in der Klimaanlage;
- f) Luftwärmepumpe mit Wärmeaufnahme am Wärmepumpenverdampfer aus der Umgebungsluft und Wärmeabgabe an die Batterie;
- g) Wasserwärmepumpe mit Wärmequelle Batterie und/oder Elektromaschinenkreis und Wärmeabgabe über Heizkondensator an die Klimaanlage;
- h) Wärmepumpenmodus Luft/Wasser und paralleles Innenraumentfeuchten bei gleichzeitigem Erwärmen des Kabinenluftstromes.
-
Kälteanlagenverschaltungen zur Realisierung dieser Funktionen sind im Stand der Technik bekannt und gehen ansatzweise aus der
DE 199 30 148 A1 hervor, wo ein System zur Temperatursteuerung des Innenraumes eines mit Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeuges offenbart wird, dessen Energie durch sogenannte Hochtemperaturbatterien bereitgestellt wird.
Der 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.
-
In der
DE 10 2004 019 439 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung eines Verdampfers offenbart, wobei ein kombiniertes Heiz- und Kühlverfahren durch Wärmepumpen- und Kältemaschinenbetrieb angewendet wird. Die Vorrichtung zeigt einen Bypass zwischen dem Verdichter und dem Ausgang des inneren Wärmetauschers.
-
Die US 2006/ 0 266 063 A1 zeigt eine Wärmepumpe mit einer Mehrstufenverdichtung, die einen Sekundärstrang mit Wärmetauscher und Expansionsventil aufweist.
-
Die Nachteile multifunktionaler Kälteanlagen- und Wärmepumpensysteme sind aufgrund der Komplexität der Anlagen häufig darin begründet, dass es nicht möglich ist, die spezifischen Anforderungen der einzelnen Schaltungsvarianten beispielsweise hinsichtlich der Kältemittelfüllmenge zu erfüllen, um ein effizientes Betreiben der Gesamtanlage in den verschiedenen Betriebsmodi zu erlauben.
Beispielsweise wird im Luftwärmepumpenbetrieb der innere Wärmeübertrager auf der Saugseite mit sehr kaltem Kältemittel durchströmt. Der Hochdrucksammler und die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers werden jedoch nicht durchströmt. Durch die Wärmeleitung im inneren Wärmeübertrager wird die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers jedoch im Betrieb abgekühlt. Hier befindliches Kältemittel wird kondensieren, wodurch das Druckniveau im inneren Wärmeübertrager fällt und Kältemittel wird über den Kältemittelsammler von der Hochdruckseite nachströmen. Dies führt dazu, dass das Volumen des Hochdrucksammlers, die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers und die Leitungen zwischen dem inneren Wärmeübertrager, dem Kältemittelsammler und dem Expansionsventil mit flüssigem Kältemittel aufgefüllt werden. Dies kann unter Umständen ein signifikanter Anteil der im Kältekreislauf befindlichen Kältemittelfüllmenge sein. Dieses Kältemittel fehlt im Kältekreislauf und führt zu einer Überhitzung und einer Absenkung des Saugdruckes. Für die Luftwärmepumpe ist dies ein kritischer Vorgang, da hierdurch das Risiko der Vereisung des Wärmepumpenverdampfers erhöht wird. Weiterhin bestehen Probleme mit der Positionierung eines Expansionsorgans am Eintritt des niederdruckseitigen Abschnittes des Wärmeübertragers, was nur einen leistungsbegrenzten Betrieb der Wasserwärmepumpe bei gleichzeitiger Entfeuchtung der Innenraumzuluft erlaubt. Die Kühler, im weiteren Verlauf auch als Chiller oder nach ihrer Funktion im Zwei-Phasen-Kältemittelkreislauf auch als Verdampfer bezeichnet, liegen stets auf dem selben Druckniveau und eine zu weite Absenkung des Niederdruckes bei gleichzeitig aktivem Verdampfer hat ein Vereisen des Kondensats im Verdampfer zur Folge, wodurch der Freiluftquerschnitt reduziert wird und die Luftmenge schließlich einbricht.
-
Eine unerwünschte Kältemittelumverlagerung in den Verdampfer tritt speziell beim Modus des Wasserwärmepumpenbetriebes auf. Kalte in den Verdampfer einströmende Umgebungsluft kühlt den Verdampfer ab und saugt das im System befindliche aktive Kältemittel ein und lässt es kondensieren. Gefahr tritt stets dann auf, wenn das Verdampfungsdruck- und Temperaturniveau in den Chillern oberhalb des Kombinationstemperaturniveaus im Verdampfer sich einstellt bei direkt miteinander verbundenen Kältemittelsträngen.
-
Die verschiedenen Betriebsmodi einer so komplexen kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe können je nach Verschaltung unterschiedliche Kältemittelfüllmengen als Optimum benötigen. Somit gelingt es in der Praxis nicht, eine gemeinsame Basis zu schaffen, wodurch Kompromisse hinsichtlich der Leistung und der Dynamik der einzelnen Modi im Stand der Technik in Kauf genommen werden müssen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine spezifische Anlagenverschaltung und ein Verfahren zum Betreiben derselben unerwünschte Kältemittelverlagerungen zu vermeiden und gezielt für die Bereitstellung der für den aktuellen Betriebsmodus notwendigen Kältemittelmenge zu sorgen. Es ist das Ziel der Erfindung, stets die optimale aktive Kältemittelfüllmenge vorzuhalten. Darüber hinaus soll gewährleistet sein, dass in Kombination mit der Vermeidung unerwünschter Umverlagerung von Kältemittel ein funktionaler Mehrwert der Anlage erzielt werden kann.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Diese Aufgabe wird insbesondere durch eine kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe gelöst, die einen Primärstrang mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager als Kälteanlagenkondensator oder Wärmepumpenverdampfer, einem Kältemittelsammler, einem inneren Wärmeübertrager mit einer Hochdruckpassage und einer Niederdruckpassage für das Kältemittel, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer sowie einen Sekundärstrang mit einem Heizkondensator mit einem Expansionsorgan aufweist und die insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass ein absperrbarer Bypass zur Durchströmung der Hochdruckpassage des inneren Wärmeübertragers zwischen dem Hochdruckausgang des inneren Wärmeübertragers und dem Kälteanlagenkondensator oder Wärmepumpenverdampfer angeordnet ist.
-
Besonders vorteilhaft wird der absperrbare Bypass zur Durchströmung der Hochdruckpassage des inneren Wärmeübertragers dadurch ausgebildet, dass ein Expansionsventil und gegebenenfalls zusätzlich eine Rückschlagklappe in diesem Bypass angeordnet sind.
-
Weiterhin ist die kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe dadurch vorteilhaft ausgestaltet, dass mindestens ein zusätzlicher Wärmeübertrager mit zugeordnetem Expansionsventil als zusätzliche Wärmequelle oder Wärmesenke in der Anlage angeordnet und verschaltet ist.
-
Die Schaltung des Verdampfers wird bevorzugt dadurch realisiert, dass ein Expansionsventil unmittelbar vor und ein Expansionsorgan unmittelbar nach dem Verdampfer angeordnet ist, sodass der Verdampfer der Klimaanlage zur Konditionierung des Luftstromes für die Fahrgastzelle auf einem Zwischendruckniveau betreibbar ausgebildet ist.
-
Ein Verzicht auf die Konditionierung des Luftstromes erfordert statt des zusätzlichen Expansionsorgans nur ein Absperrorgan, wie ein Absperrventil oder eine Rückschlagklappe. Damit wird die Einlagerung von Kältemittel in den Verdampfer der Klimaanlage im Wasserwärmepumpenbetrieb wirksam vermieden.
-
Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Bypass mit einem Absperrorgan vorgesehen , der Kältemittel aus dem Sekundärstrang der Anlage und dem Heizkondensator abgreift und auf der Niederdruckseite der Kälteanlage zwischen den Expansionsorganen der Chiller und des Verdampfers und der Saugseite des Kältemittelverdichters einmündet.
-
Ein Verfahren zum Betreiben der Kälteanlage und Wärmepumpe der vorangehend bezeichneten Art löst die Aufgabe der Erfindung konzeptionsgemäß dadurch, dass Kältemittel aus den nicht aktiven Bereichen abgesaugt und in aktive Bereiche der Anlage beim Anfahren oder im Betrieb der Anlage durch die Schaltung einer Verbindung der nicht aktiven Bereiche der Anlage mit der aktiven Niederdruckseite der Anlage eingespeist wird.
-
Alternativ erfolgt das Austreiben von Kältemittel aus den nichtaktiven Bereichen in aktive Bereiche der Anlage beim Anfahren oder im Betrieb der Anlage durch die Schaltung einer Verbindung der nicht aktiven Bereiche der Anlage mit der aktiven Hochdruckseite der Anlage.
-
Weiterhin besteht ein vorteilhafter Aspekt der Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Anlage darin, dass die Verlagerung von Kältemittel aus den aktiven Bereichen der Anlage in die nichtaktiven Bereiche der Anlage bei einem Kältemittelüberschuss in bestimmten Betriebsmodi erfolgt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass beim Anfahren des Wasserwärmepumpenbetriebs bis zum Erreichen des minimalen Saugdrucks ein Absperrorgan geöffnet und zur Vermeidung von unkontrollierter Kältemittelverlagerung in den nicht aktiven Bereich die betreffenden Expansionsorgane geschlossen werden. Dabei wird Kältemittel aus dem nicht aktiven Kondensator abgesaugt und dem Wärmepumpenkreislauf zur Verfügung gestellt.
-
Weiterhin wird im Wasserwärmepumpenbetrieb die Temperatur der den Verdampfer durchströmenden Luft angehoben, um Kältemittel aus dem Verdampfer auszutreiben.
-
Das erfindungsgemäße Regelregime der Anlage für den Kälteanlagenbetrieb besteht darin, dass ein Bypass zum Absaugen von Kältemittel aus dem Heizregister zum Kältemittelverdichter geöffnet und das Kältemittel aus dem Heizregister abgesaugt und an einer beliebigen Stelle auf der Niederdruckseite eingespeist wird.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass beim Luftwärmepumpenbetrieb das Druckniveau im Kältemittelsammler zwischen Hoch- und Saugdruck mittels den Kältemittelsammler und innerem Wärmeübertrager umgebender Expansionsorgane geregelt und darüber die Kältemittelfüllmenge im Kältemittelsammler eingestellt wird. Insbesondere wird bei einer Überhitzung oder zu niedrigem Saugdruck im Luftwärmepumpenbetrieb das in Strömungsrichtung des Kältemittels erste Expansionsorgan weiter geschlossen und das damit korrespondierende Expansionsorgan weiter geöffnet.
-
Eine vorteilhafte Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass beim Wasserwärmepumpenbetrieb mittels der den Verdampfer umgebenden Expansionsorgane ein Mitteldruckniveau für den Verdampfer eingestellt wird.
-
Im Kälteanlagenbetrieb wird bei zu hohem Hochdruckniveau, Heißgastemperaturniveau beziehungsweise dem Betrag der sich einstellenden Unterkühlung nach dem Kondensator überschüssiges Kältemittel in das Heizregister ausgelagert, wobei eine Kältemittelverlagerung von Kältemittelgas über ein Absperrorgan unmittelbar nach dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters erfolgt und alternativ Kältemittelflüssigkeit über das Expansionsorgan unmittelbar vor dem Heizregister erfolgt, wodurch Kältemittelflüssigkeit nach dem Kondensator in das Heizregister strömen kann.
-
Die Konzeption der Erfindung besteht in der Anpassung der Kältemittelkreislaufverschaltung an den jeweiligen Betriebsmodus unter Beachtung der jeweils optimalen Kältemittelfüllmenge. Das nicht durchströmte Volumen der Anlagenkomponenten im Wärmepumpenbetrieb wird beispielsweise minimiert. Die Anpassung der Wärmepumpenverschaltung erfolgt auf der Hochdruckseite, in dem neben dem bestehenden Leitungsverlauf zwischen der Eintrittsseite des Wärmepumpenverdampfers und dem Austritt in den Kältemittelsammler ein zusätzlicher Leitungsstrang zum Austritt des inneren Wärmeübertragers vorgesehen wird. Dieser Bypass erzwingt und realisiert somit im Wärmepumpenbetrieb die Strömung des Kältemittels vom Heizkondensator kommend durch den Kältemittelsammler und den inneren Wärmeübertrager zum Wärmepumpenverdampfer unter Behebung von vorangehend beschriebenen Nachteilen.
In diesen Bypass ist ein Expansionsorgan eingebunden. Da dieser Bypass stets nur in einer Richtung durchströmt wird, könnte zusätzlich bei einer zu erwartenden Leckage ein Rückschlagventil geschaltet werden. Somit können zusätzlich potenzielle Leckageströme von Kältemitteln über inaktive Abschnitte unterbunden werden. Unter Rückschlagventilen oder Rückschlagklappen werden im weiteren Sinne Absperrelemente verstanden, die einen Leitungsabschnitt nur in eine Richtung durchströmbar ausgestalten und es sollen neben Rückschlagklappen im engeren Sinne auch Rückschlagventile und weitere Komponenten mit dieser Funktion von vorgenanntem Begriff umfasst sein.
-
Auf Rückschlagklappen kann verzichtet werden, sofern alle Ventile, wie Expansionsventile und Absperrventile, bidirektional dichtend sind und unabhängig von der Drucklage an den jeweiligen Ventilanschlüssen keinen Kältemittelfluss erlauben.
-
Mit der erfindungsgemäßen Verschaltung und dem Vorsehen eines zusätzlichen Leitungsstranges werden der Kältemittelsammler und der innere Wärmeübertrager in allen Betriebsmodi in gleicher Richtung aktiv durchströmt. Somit kann auf bereits im Stand der Technik bekannte Ausgestaltungen von Kältemittelsammlern als bewährte Komponenten zurückgegriffen werden. Ein Kältemittelverlagerungsproblem wird somit ausgeschlossen. Das optional angegebene Rückschlagventil beziehungsweise Absperrventil ist speziell für den Reheat-Modus durch ein Expansionsorgan zu ersetzen, um den Kältemittelfluss über die dann aktiven verstellbaren Expansionsorgane kontrollieren zu können. Um auch im Reheat-Modus beide Stränge über den Kältemittelsammler und inneren Wärmeübertrager zu schicken, ist es notwendig, dass wenigstens ein erforderliches Absperrventil gegen ein Expansionsorgan mit Absperrfunktion im Bypass ersetzt ist. Damit wird der Kältemittelfluss im Bypass reguliert.
-
Die Erfindung weist gegenüber den Anlagenverschaltungen nach dem Stand der Technik signifikante Vorteile auf. Insbesondere sind zu nennen:
- Kühlen und Heizen des Fahrzeuginnenraumes mit minimalem elektrischen Energieeinsatz durch Nutzung der Verlustwärmeströme zur Heizung des Fahrzeugs und gleichzeitige Kühlung der Antriebskomponenten, wie Batterie, Elektromaschine und Leistungselektronik. Daraus ergibt sich eine erhöhte Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz und Lebensdauer der Komponenten und der Gesamtanlage.
- Der Innenraumkomfort ist auf gleichem Niveau wie bei verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen.
- Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen unter extremen Klimabedingungen bei gleicher Batteriekapazität.
- Die Reduzierung der erforderlichen Batteriekapazität für Nebenverbraucher führt zu einer Gewichtsreduzierung, einer Kostenreduzierung und zu einer Schonung limitierter Ressourcen.
- Ermöglichen des Umluftbetriebes auch im Wärmepumpenmodus aufgrund Zwischendruckniveau am Verdampfer ohne Leistungsbegrenzung an den Kühlern, wobei zeitweise der Verdampfungsdruck am Verdampfer größer ist als der Druck an den Chillern.
- Vermeidung von unerwünschten und nachteiligen Kältemittelumverlagerungen im Verdampfer durch die eingesetzten Absperrorgane, wie Expansions-, Rückschlag- oder Absperrventile. Das große Volumen der Gesamtanlage bietet ein hohes Speicherpotenzial, was durch die eingesetzten Absperrorgane optimal ausgenutzt wird.
- Regelungsmöglichkeit der aktiven Kältemittelfüllmenge durch Absaugen und Auslagern aus beziehungsweise in inaktive Sektoren beziehungsweise Bereiche oder Komponenten der Kälteanlage und Wärmepumpenschaltung.
-
Die Unterkühlung ist ein Maß für die Kältemittelfüllung in den aktiven Strängen der Anlage und ihr Betrag kann als Maß für den Bedarf der Notwendigkeit der Umverlagerung herangezogen werden. Das Überschreiten eines im Vorfeld festzulegenden Betrages der Unterkühlung wird als Kennwert für den Start des Einlagerungsprozesses genutzt.
Für die Unterkühlungsregelung ist alternativ ein Druck- und Temperatursensor für das Kältemittel nach dem Kondensator oder ein Temperatursensor für das Kältemittel nach dem Kondensator und ein Drucksensor beziehungsweise ein Druck- und Temperatursensor zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelverdichter vorgesehen, da der Druckverlust über dem Kondensator nicht so gravierend ist und auf den Druck vor dem Kondensator zurück gegriffen werden kann.
Über den gemessenen Druck wird zunächst die Kondensationstemperatur ermittelt, diese mit dem gemessenen Temperaturwert verrechnet und damit der Betrag der Unterkühlung berechnet. Ist dieser Betrag größer als ein vorgegebener Grenzwert von zum Beispiel 5 K, so erfolgt eine Umverlagerung von Kältemittel bis dieser Wert auf 5 K sinkt.
Bei einer ermittelten Unterkühlung von weniger als 5 K wird keine Umverlagerung eingeleitet.
-
Mit einer fixen Kältemittelfüllung der Gesamtanlage kann über gezieltes Zurverfügungstellen oder Inaktivieren eines Teils der Kältemittelfüllung jeweils die optimale Kältemittelverfügbarkeit für den jeweiligen Betriebsmodus erreicht werden, in welchem gegebenenfalls nur ein Teil der Anlage aktiv ist.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Prinzipschaltbild der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe mit Bypass und zusätzlichem Expansionsorgan für den Zwischendruckbetrieb des Verdampfers;
- 2: Prinzipschaltbild im Kälteanlagenmodus;
- 3: Prinzipschaltbild im Luftwärmepumpenmodus;
- 4: Prinzipschaltbild im Wasserwärmepumpenmodus;
- 5: Prinzipschaltbild im Reheat-Kälteanlagenmodus.
-
In 1 ist die kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe mit den einzelnen Komponenten als Prinzipschaltbild dargestellt.
-
Die Anlage weist einen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage auf, der auch als Primärstrang bezeichnet wird. Die Komponenten sind wie üblich in Strömungsrichtung des Kältemittels angegeben. Ein Kältemittelverdichter 1, ein Wärmeübertrager 2 der im Kälteanlagenmodus als Kondensator arbeitet und von Umgebungsluft 24 durchströmt wird, ein Kältemittelsammler 9 sowie ein innerer Wärmeübertrager 5, ein Expansionsorgan 3 sowie ein Verdampfer 4 und die anschließende Verbindung zurück zur Saugseite des Kältemittelverdichters 1 bilden diesen Primärstrang, der die Basisschaltung der Anlage darstellt. Innerhalb des Primärstranges sind weitere Wärmeübertrager als Wärmequelle oder Wärmesenke, je nach Betriebsmodus, integriert. Insbesondere handelt es sich dabei um den Chiller 1 mit dem Bezugszeichen 18 und den Chiller 2 mit dem Bezugszeichen 20 mit den zugeordneten Expansionsorganen 17 und 19, die jeweils parallel zu dem Verdampfer 4 und dem Expansionsorgan 21 geschaltet sind. Abschnittsweise parallel zu dem Primärstrang ist der Bypass 23 mit dem Expansionsorgan 14 angeordnet, dessen Funktion nachfolgend noch erläutert wird.
-
Weiterhin besteht die Anlage aus einem sogenannten Sekundärstrang, der den Heizkondensator 11, der auch als Heizregister bezeichnet wird und Wärme an den Luftstrom 25 für die Fahrgastzelle abgibt, einbindet. Im Sekundärstrang sind hinter dem Heizkondensator 11 in der Strömungsrichtung des Kältemittels in der Wärmepumpenschaltung gegebenenfalls ein Expansionsorgan 12 und eine Rückschlagklappe 13 angeordnet, bevor der Sekundärstrang am Kältemittelsammler 9 mit dem Primärstrang verbunden ist.
-
Die Aufteilung des Kältemittelstromes in Primärstrang und Sekundärstrang kann über ein Mehrwegeventil oder aber, wie in der 1 dargestellt, über zwei Absperrorgane 6 und 10 erfolgen.
Den weiteren Komponenten der Anlage, den Expansionsorganen 7, 14, 12 und 21 kommen Funktionen innerhalb der verschiedenen Betriebsmodi der Anlagenschaltung zu. Ebenfalls sind Rückschlagklappen 8, 13, 22 und 16 dargestellt, die zwar teilweise nicht zwingend erforderlich sind, jedoch in bestimmten Betriebsmodi eine einfache Realisierung von vorteilhaften Funktionen mit einfachen Mitteln erlauben. Schließlich ermöglicht die Verbindung des Wärmeübertragers 2 mit dem Niederdruckanschluss des inneren Wärmeübetragers 5 eine bidirektionale Durchströmung des Wärmeübertragers 2, wobei diese Verbindung über das Absperrorgan 15 geschaltet wird. Eine weitere Verbindung ist mit dem Bypass 26 mit zugehörigem Absperrorgan 27 von der Saugseite des Verdichters 1 zum Heizregister 11 zur Kältemittelabsaugung aus dem Heizregister 11 vorgesehen.
-
Bevorzugt ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein zusätzlicher Bypass 28 mit Absperrorgan 29 zur Kältemittelumverlagerung von flüssigem Kältemittel in den inaktiven Sekundärstrang mit dem Heizregister 11 im Kälteanlagenmodus vorgesehen. Gegebenenfalls ist dieser Bypass 28 mit einem Rückschlagventil abgesichert. Die Abzweigung des Bypasses 28 erfolgt dabei zwischen dem Kondensator 2 und den Expansionsorganen 3, 17 und 19. Die Einmündung des Bypasses 28 erfolgt im Sekundärstrang zwischen den Absperrorganen 10 und 12, wobei letzteres als Expansionsorgan ausgestaltet sein kann.
-
Sowohl das Absperrorgan 27 als auch das Absperrorgan 29 innerhalb der Bypässe 26 und 28 sind bevorzugt als bidirektional dichtend ausgeführt.
-
Eine erfindungsgemäße Besonderheit der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe besteht darin, dass jeder als Verdampfer betreibbare Wärmeübertrager ein eigenes ihm zugeordnetes und optimal abgestimmtes und dimensioniertes Expansionsorgan besitzt. Dies betrifft die Kombinationen von Expansionsorgan 17 mit dem Chiller 18, dem Expansionsorgan 19 mit dem Chiller 20 sowie das Expansionsorgan 3 mit dem Verdampfer 4, sowie das Expansionsorgan 14 und dem Wärmepumpenverdampfer 2 für den Luftwärmepumpenbetrieb. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Expansionsorgan - Wärmeübertrager - Kopplung, wenn diese integriert in einer Baueinheit ausgeführt sind, so dass auch ein modulweiser Austausch dieser funktional eine Einheit bildenden Komponenten einfach realisierbar und immer eine optimale Abstimmung der Unterkomponenten Expansionsorgan und Wärmeübertrager gegeben ist.
-
Die Betriebsweise der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe nach 1 soll anhand der einzelnen realisierbaren Betriebsmodi in den 2 bis 5 dargelegt werden.
-
Im Kälteanlagenmodus, graphisch durch dickere Linien in 2 hervorgehoben, wird der Kältemitteldampf im Verdichter 1 komprimiert und gelangt über das geöffnete Absperrorgan 6 zum Kondensator 2, wo das Kältemittel durch den Umgebungsluftstrom 24, der als Pfeil angedeutet ist, gekühlt, kondensiert und unterkühlt wird. Das Kondensat gelangt im Primärstrang über das Expansionsorgan 7 und über die Rückschlagklappe 8 in den Kältemittelsammler 9, von wo aus das Kältemittel über den inneren Wärmeübertrager 5 zum Expansionsorgan 3 gelangt und in diesem auf das Verdampfungstemperatur und -druckniveau expandiert wird, bevor das flüssige Kältemittel im Verdampfer 4 unter Wärmeaufnahme aus dem Luftstrom für die Fahrgastzelle 25 verdampft und diesen dabei kühlt und gegebenenfalls entfeuchtet. Der Kältemitteldampf gelangt schließlich über den inneren Wärmeübertrager 5 zur Saugseite des Kältemittelverdichters 1 und der Kreislauf ist geschlossen.
-
Parallel zu dem Kältemittelstrom durch den Verdampfer 4 und das für die Einstellung eines Zwischendruckes vorgesehene Expansionsorgan 21 sowie die Rückschlagklappe 22 kann beispielsweise ein zweiter und/oder ein dritter Verdampfer 18, 20 mit jeweils zugehörigem Expansionsorgan 17, 19 parallel betrieben werden, wobei bis zu zwei Verdampfungsdrücke und somit Temperaturniveaus durch die Expansionsorgane 3, 17, 19 und 21 mit der Anlage gefahren werden können. Der parallele Strang zum Verdampfer 18 ist in der dargestellten Ausführung als Batteriekühler, auch als Chiller 1 bezeichnet, ausgestaltet und in der 2 mit einer Strichlinie markiert. Der Verdampfer 20, auch als Chiller 2 bezeichnet, ist als Kühler des Elektromotors, des elektrischen Antriebsstranges allgemein oder anderen Abwärme produzierenden Komponenten ausgestaltet und mit einer Strichlinie in der 2 markiert.
Um Kältemittel aus dem Heizkondensator 11 abzusaugen, ist ein Bypass 26 mit Absperrorgan 27 realisiert, der bevorzugt die Saugseite des Kältemittelverdichters 1 oder alternativ eine geeignete Einmündungsstelle auf der Niederdruckseite des Kreislaufes mit dem abgesperrten Strang des Heizkondensators 11 beziehungsweise bevorzugt dem Eingang des Heizkondensators 11 verbindet.
-
Die Unterkühlungsregelung erfolgt im Kälteanlagenmodus über ein Temperatursignal, welches über einen Temperatur- oder Druck- und Temperatursensor nach dem Kondensator 2 in Strömungsrichtung des Kältemittels ermittelt wird. Die Unterkühlungsberechnung erfolgt dann auf der Basis des Hochdruckes, welcher alternativ über einen Druck-Temperatursensor nach dem Kondensator 2 oder über einen Sensor zwischen dem Kältemittelverdichterausgang und dem Kondensatoreingang ermittelt wird. Die korrespondierende Kondensationstemperatur wird für die Berechnung des Betrages der Unterkühlung herangezogen.
-
In 3 ist das Prinzipschaltbild im Luftwärmepumpenmodus grafisch durch dickere Linien hervorgehoben.
Der Kältemitteldampf wird im Kältemittelverdichter 1 verdichtet und strömt über das Absperrorgan 10 in den Sekundärstrang der Anlage und gelangt dort zum Heizkondensator 11, der als Heizregister in der Klimaanlage zur Erwärmung des Luftstromes 25 für die Fahrgastzelle ausgebildet ist. Dabei kühlt, kondensiert und unterkühlt der Kältemitteldampf und gelangt über das vollständig geöffnete Expansionsorgan 12 und die Rückschlagklappe 13 in den Kältemittelsammler 9, durch den inneren Wärmeübertrager 5 hindurch in den Bypass 23 mit dem Expansionsorgan 14 zum Wärmeübertrager 2. Dabei wird das Kondensat im Expansionsorgan 14 entspannt, sodass der Wärmeübertrager 2 in diesem Modus als Wärmepumpenverdampfer arbeitet und Wärme aus dem Umgebungsluftstrom 24 für den Luftwärmepumpenmodus aufnimmt. Schließlich gelangt der Kältemitteldampf über das Absperrorgan 15 und die Rückschlagklappe 16 über den inneren Wärmeübertrager 5 zur Saugseite des Kältemittelverdichters 1 und der Kreislauf ist geschlossen.
-
In 4 ist das Prinzipschaltbild im Wasserwärmepumpenmodus dargestellt. Der Kältemitteldampf wird im Kältemittelverdichter 1 auf Hochdruckniveau gebracht und strömt über das Absperrorgan 10 wiederum in den Sekundärstrang der Anlage. Im Heizkondensator 11 kondensiert der Kältemitteldampf und gibt dabei Wärme an den Luftstrom 25 für die Fahrgastzelle ab. Wiederum strömt das Kältemittel durch das vollständig geöffnete Expansionsorgan 12 und die Rückschlagklappe 13 zum Kältemittelsammler 9 und über den inneren Wärmeübertrager 5. Danach nimmt das Kältemittel in verschiedenen alternativ oder parallel und kumulativ als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertragern 18, 20 und 4 Wärme auf. Das Kältemittel nimmt Wärme nach der Expansion im Expansionsorgan 17 aus dem Chiller 1 für die Batterie 18 auf. Parallel oder alternativ ist als Wärmequelle in diesem Modus auch der Chiller 20 nach vorheriger Entspannung des Kältemittels im Expansionsorgan 19 geschaltet und das Kältemittel nimmt Wärme, insbesondere Verlustwärme, aus dem elektrischen Antriebsstrang auf. Eine weitere alternative oder kumulative Wärmequelle für diesen Wärmepumpenmodus ist die Wärmeaufnahme durch den Verdampfer 4 der Klimaanlage nach Entspannung des Kältemittels im Expansionsorgan 3. Die Wärme wird dabei aus dem Luftstrom 25 aus der Fahrgastzelle entnommen, wobei als Wärmequelle beispielsweise der Umluftstrom, ein Teilumluftstrom oder der Abluftstrom dienen.
-
Der Kältemitteldampf der parallelen Teilströme wird zusammengeführt und über den inneren Wärmeübertrager 5 geleitet und gelangt so zur Saugseite des Kältemittelverdichters 1, wodurch der Kreislauf wiederum geschlossen ist. Eine Kältemittelauslagerung bei diesem Modus ist in den inaktiven ersten Teil des Primärstranges mit dem Kondensator 2 möglich.
-
Der Reheat-Modus ist in drei Unter-Modi gliederbar.
Im ersten Unter-Modus steht zu viel Wärme zur Verfügung und die Anlage läuft im Reheat-Kälteanlagenmodus.
In 5 ist das Prinzipschaltbild des Reheat-Kälteanlagenmodus dargestellt. Dabei wird der Gesamtmassenstrom des überhitzten Kältemittels als Kältemitteldampf im Kältemittelverdichter 1 verdichtet und nach diesem als Hochdruckstrom in zwei Teilmassenströme aufgeteilt. Ein Teilmassenstrom wird über den Primärstrang und ein Teilmassenstrom über den Sekundärstrang geleitet. Der Massenstrom des Primärstranges wird über das Expansionsorgan 7 geregelt und der Massenstrom des Sekundärstranges wird über das Expansionsorgan 12 geregelt. Der Kältemitteldampf im Primärstrang gelangt über das Absperrorgan 6 zum Kondensator 2, kondensiert dort und gelangt weiterhin über das Expansionsorgan 7 und die Rückschlagklappe 8 zum Kältemittelsammler 9 und weiter durch den inneren Wärmeübertrager 5 nach Entspannung im Expansionsventil 3 zum Verdampfer 4. Im Primärstrang wird die überschüssige Wärme an die Umgebungsluft 24 abgegeben.
Der Sekundärstrangmassenstrom gelangt über das Absperrorgan 10 zum Heizkondensator 11, kondensiert dort und gelangt über das Expansionsorgan 12, wo gegebenenfalls eine Entspannung auf das Druckniveau des Primärstranges an dieser Stelle erfolgt, in den Kältemittelsammler 9. Im Kältemittelsammler 9 werden die beiden Massenströme zusammengeführt und gelangen anschließend gemeinsam bei einem eventuellen ersten Mitteldruck I zum Expansionsorgan 3, werden dort auf Mitteldruck II entspannt und gelangen dann zum Verdampfer 4. Der Luftstrom 25 für die Fahrgastzelle wird somit zunächst durch den Verdampfer 4 gekühlt und entfeuchtet und anschließend durch den Heizkondensator 11, in welchem der Kältemitteldampf des Sekundärstrangmassenstromes kondensiert, wieder erwärmt.
-
Anschließend wird der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer 4 vom Mitteldruck II auf den Niederdruck im Expansionsorgan 21 entspannt und gelangt über die Rückschlagklappe 22 zum inneren Wärmeübertrager 5 und von dort zur Saugseite des Kältemittelverdichters 1. Die Aufteilung des Gesamtmassenstromes in die Teilmassenströme kann zwischen den beiden Extremen reiner Heizbetrieb und Nichtheizbetrieb schwanken. Im Modus reiner Heizbetrieb geht der Primärstrangmassenstrom gegen Null und im Nichtheizbetrieb wird der Primärstrangmassenstrom zum Gesamtmassenstrom.
-
Im zweiten Unter-Modus steht zu wenig Wärme zur Verfügung. In diesem Fall könnte eine zusätzliche Wärmeaufnahme über die Chiller 18 und 20 oder auch den Kondensator 2 für das System erfolgen. Der Primärstrang wäre bei Nutzung der Chiller 18 oder 20 über den Kondensator 2 bis zum Mündungspunkt vor dem Kältemittelsammler 9 durch das Absperrventil 6 und die Rückschlagklappe 8 abgesperrt.
-
Im dritten Unter-Modus steht genau ausreichend Wärme zur Verfügung. In diesem Fall wäre wie vorangehend beschrieben der Primärstrang abgesperrt und zusätzlich auch der Parallelfluss des Kältemittels durch die Chiller 18 und 20 unterbunden, so dass das Kältemittel nur über den Sekundärstrang und ab dem Kältemittelsammler 9 und dem inneren Wärmeübertrager 5 nur über den Verdampfer 4 zirkuliert.
-
Soll auf den Reheat-Modus und die damit verbundene Funktionalität verzichtet werden, so können die Expansionsorgane 7 und 12 durch Absperrorgane beziehungsweise Rückschlagklappen Kosten minimierend ersetzt werden.
-
Die Betriebsstrategie der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe ist stark von den jeweiligen Einsatzbedingungen abhängig.
Mit der Anlagenverschaltung gemäß 1 können verschiedene Funktionen wie dargelegt realisiert werden.
Eine wesentliche und erfindungsgemäße Funktion ist die aktive Rückholung von Kältemittel aus nicht aktiven Strängen und Komponenten der Anlage. Durch das Absaugen von Kältemittel aus den nicht durchströmten Bereichen der Anlage beim Anfahren, aber auch beim Betrieb der Anlage, kann einem Kältemittelmangel, beziehungsweise einer Unterversorgung der je nach Betriebsmodus aktiven Systemabschnitte, entgegengewirkt werden.
-
Beim Anfahren der Wasserwärmepumpe wird das Absperrventil 15 zwischen dem Wärmeübertrager 2 und dem inneren Wärmeübertrager 5 geöffnet. Hierdurch wird das Kältemittel, das sich in den Wärmeübertrager 2 umverlagert hat, aus diesem abgesaugt. Bei Erreichen des gewünschten oder minimalen Saugdrucks kann das Absperrorgan 15 dann geschlossen werden. Durch das Schließen beziehungsweise das Geschlossenhalten der Expansionsventile 7 und 14 wird eine unkontrollierte Kältemittelverlagerung in den abgeschlossenen Abschnitten unterbunden. Eine analoge Verfahrensweise wird für den Verdampfer 4 mit den Expansionsorganen 3 und 21 vorgesehen.
-
Voraussetzung für das aktive Absaugen von Kältemittel bei Systemstart aber auch während des Betriebes ist das Vorhandensein einer aktiv schaltbaren Verbindung der nicht aktiven Stränge mit der Niederdruckseite des Systems, im Idealfall mit der Eintrittsseite des Verdichters 1.
-
Sind aufgrund der Systemverschaltung solche gegebenen Verbindungen, wie die zwischen dem Wärmeübertrager 2 über das Absperrorgan 15 zum Verdichtereintritt bei der Wasserwärmepumpenschaltung nicht gegeben, werden zusätzliche Verbindungen beziehungsweise Hilfsverbindungen vorgesehen.
-
Bei der Umverlagerung von Kältemittel in den Verdampfer 4 kann durch Umluft-/Teilumluftbetrieb, speziell bei der Wasserwärmepumpenschaltung, die Temperatur der den Verdampfer 4 durchströmenden Luft gezielt angehoben werden. Das im Verdampfer 4 gespeicherte Kältemittel verdampft und kann dem aktiven Prozess zugeführt werden. Eine verstärkte Nutzung von Umluftanteilen wirkt sich letztlich auch positiv auf die aufzubringende Heizleistung aus, die sich reduziert.
Ein weiterer Aspekt dieser Betriebsstrategie ist die Unterfüllungserkennung speziell für Wasserwärmepumpen aufgrund nicht angehobenem Niederdruck bei steigender Wassertemperatur und gleichzeitig nicht ansteigendem Hochdruck.
-
Ebenfalls im Wärmepumpenbetrieb wird ein Teilumluftmodus beziehungsweise ein Umluftmodus des Luftstroms 25 eingesetzt, um im Verdampfer 4 auskondensiertes Kältemittel des Klimagerätes auszutreiben.
-
Das Heizregister 11 ist beim Kälteanlagenbetrieb an beiden Seiten der diesen absperrenden Ventile 10 und 12 von Hochdruck umgeben. Somit ist ein Bypass 26 vom Heizregister 11 zur Saugseite und Eintrittsleitung des Verdichters 1 vorgesehen, welcher über ein Absperrventil 27 schaltbar ausgebildet ist. Das Absperrventil 27 ist bevorzugt bidirektional abdichtend ausgeführt, um damit per Öffnen des Ventils das umverlagerte Kältemittel aus dem Heizregister 11 abzusaugen.
-
Eine Kältemittelumverlagerung aus dem Kondensator 2 erfolgt a) durch Austreiben des Kältemittels durch Heißgasspülung, was jedoch nur bedingt und nur bevorzugt bei stehendem Fahrzeug und fehlender Umströmung des Kondensators 2 erfolgt sowie b) Absaugen des Kältemittels aus dem Kondensator 2 über die Niederdruckseite bei geschlossenen Expansionsorganen 7 und 14 sowie geschlossenem Absperrorgan 6 und geöffnetem Absperrventil 15 zum Kondensator 2. Das Kältemittel wird dabei vom Verdichter 1 aus dem Kondensator 2 abgesaugt.
-
Die Regelung der aktiven Kältemittelmenge ist eine weitere erfindungsgemäße Funktion der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe.
-
Aufgrund des zusätzlichen Bypasses 23 ist eine unkontrollierte Kältemittelverlagerung im Luftwärmepumpenbetrieb unterbunden. Außerdem befindet sich bei diesem Betriebsmodus auf beiden Seiten des Hochdrucksammlers 9 ein extern regelbares Expansionsorgan 12 und 14. Mit einer aktiven Regelung der beiden Querschnitte der Expansionsorgane 12 und 14 kann das Druckniveau im Kältemittelsammler 9 zwischen Hoch- und Saugdruck geregelt werden. Somit wird die Dichte und damit die Füllmenge im Kältemittelsammler 9 aktiv beeinflusst.
-
So wird zum Beispiel bei einer Überhitzung oder zu niedrigem Saugdruck im Luftwärmepumpenbetrieb, das Expansionsorgan 12, das sich in Strömungsrichtung vor dem Kältemittelsammler 9 befindet, weiter geschlossen und das Expansionsorgan 14, das sich nach dem Kältemittelsammler 9 befindet, weiter geöffnet. Die Drosselwirkung wird somit hauptsächlich vom Expansionsorgan 12 übernommen. Im Kältemittelsammler 9 strömt ein 2-Phasen-Gemisch, das eine geringere mittlere Dichte besitzt als reine Flüssigkeit. Somit steigt die Kältemittelmenge im Wärmepumpenverdampfer 2. Folglich wird die Überhitzung reduziert und das Druckniveau angehoben. Dies reduziert das Vereisungsrisiko am Wärmepumpenverdampfer 2.
-
Im Wasserwärmepumpenmodus wird der Verdampfer 4 als Wärmequelle bei Zwischendruck betrieben. Der Verdampfer 4 ist dazu zwischen zwei Expansionsorganen 3 und 21 angeordnet. Dadurch können die Umluftanteile der Fahrzeugkabinenzuluft in diesem Betriebsmodus erhöht werden.
-
Der Querschnitt des Expansionsorgans 3 ist deutlich kleiner dimensioniert als der Querschnitt des Expansionsorgans 21. Das Expansionsorgan 21 drosselt den Kältemittelmassenstrom im Wärmepumpenmodus wohingegen im Kälteanlagenmodus das Kältemittel ungehindert und druckverlustfrei das Expansionsorgan 21 durchströmt.
Die Expansionsorgane 3 und 21 werden so angesteuert, dass sich im Verdampfer 4 ein Mitteldruckniveau einstellt, so dass die Entfeuchtung des Luftstromes 25 gewährleistet ist, ohne dass Vereisung auftritt. Am Eintritt des Expansionsorgans 3 liegt Hochdruckniveau an und am Austritt des Expansionsorgans 21 liegt Niederdruckniveau an. Zwischen den Expansionsventilen liegt Zwischendruck an.
Im Betriebszustand des Leersaugens des Verdampfers 4 liegt jedoch auch Niederdruck auf der Verdampferseite des Expansionsventils 3 an.
Das Expansionsventil 21 wird vorteilhaft direkt am Austritt des Verdampfers 4 platziert, um den Chillern 1 und 2 die maximale Wärmeaufnahme aus den Kühlflüssigkeiten zu ermöglichen. Das Druckniveau der Chiller 1 und 2 ist kleiner oder gleich dem Druck im Verdampfer 4, wenn beide Komponenten aktiv sind.
Das Expansionsorgan 21 in bidirektional nicht dichtender Ausführung muss stromaufwärts zum Verdampfer 4 mit einem Rückschlagventil 22 gesichert werden, um bei eventuell steigendem Druckniveau in den Chillern 1 und 2 ein Rückströmen von Kältemittel in den Verdampfer 4 zu verhindern. Wird auf die Entfeuchtung der Luft im Wärmepumpenbetrieb verzichtet, ist die Rückschlagklappe 22 mit großem Querschnitt allein ausreichend und auf ein kostenintensives Expansionsorgan 21 kann verzichtet werden.
-
Ist das Fahrzeug des Weiteren mit einer Scheibenheizung für Front-, Seiten- oder Heckscheibe ausgestattet, so kann der Luftstrom 25 für die Kabinenkonditionierung primär für den Komfort der Insassen genutzt werden. Die Luftmenge kann reduziert werden und primär an den Füßen und gegebenenfalls an den Mannanströmerdüsen in die Kabine ausströmen, da bisher ein Teilvolumenstrom für die Scheibenerwärmung zur Verhinderung des Beschlagens genutzt und dabei gekühlt wurde.
-
Ein weiterer sehr bedeutender Vorteil der Positionierung des Expansionsorgans 21 unmittelbar nach dem Verdampfer 4 ist das Vermeiden der Umverlagerung von Kältemittel in den bei Frischluftbetrieb kaltgeblasenen Verdampfer 4.
Das Expansionsorgan ist dabei als bidirektional dichtendes Expansionsventil, als monodirektional dichtendes Expansionsventil 21 mit Rückschlagventil 22, wie in den 1 bis 5 dargestellt, als schaltbares Absperrventil oder nur als Rückschlagventil, dann allerdings ohne die Funktion des Entfeuchtens im Modus Luftwärmepumpe und Wasserwärmepumpe, ausgeführt.
Die Absperrventile und Rückschlagventile müssen einen maximalen Strömungsquerschnitt vorweisen, um im Kälteanlagenbetrieb keinen unerwünschten Druckverlust zu verursachen, der direkt nachteilig auf die Energieeffizienz der Anlage ist.
-
Die unterschiedlichen Betriebsvarianten der kombinierten Kälteanlage und Wärmepumpe erfordern verschiedene Kältemittelverfügbarkeiten für den jeweils optimalen Betrieb der gewählten Betriebsvariante.
Ist im aktiv geschalteten Bereich zu wenig Kältemittel im Umlauf, so wird Kältemittel aus den inaktiven Komponenten, beziehungsweise Leitungssträngen, wie vorangehend beschrieben, abgesaugt.
-
Ist zu viel Kältemittel im aktiven Sektor, was beispielsweise erkennbar ist wegen des sich einstellenden zu hohen Hochdruckniveaus, so wird Kältemittel gezielt in inaktive Bereiche verlagert.
Bei einem Betrieb der Anlage im Kälteanlagenmodus wäre das beispielsweise das Heizregister 11. Dabei strömt Kältemittel bei bidirektional dichtendem Expansionsorgan 12 in das Heizregister 11, sofern kein Rückschlagventil 13 vorhanden ist.
-
Bei bestehender Verbindung zum Absaugen von Kältemittel aus dem Heizregister 11 über den Bypass 26 kann diese auch unter bestimmten Bedingungen für die Umverlagerung von Kältemittel genutzt werden. Dabei ist der Heizregistereingang mit der Saugseite des Kältemittelverdichters 1 durch den Bypass 26 und ein Absperrorgan 27 trennbar verbunden. Durch kurzzeitiges Öffnen der Ventile wird das Kältemittel verlagert. Die Umverlagerung kann in mehreren Zwischenschritten, aber auch durch lang andauerndes Öffnen erfolgen. So wie ausgelagert wird, kann je nach Bedarf in selbem Maße auch die Rückholung von Kältemittel erfolgen.
-
Zusammengefasst besteht die Konzeption für den Aspekt der Variation der Kältemittelverfügbarkeit in der regelungstechnischen Umsetzung der Erkenntnis, dass im Wärmepumpenbetrieb, speziell im LuftWärmepumpenbetrieb, ein höherer Kältemittelbedarf gegenüber dem Kälteanlagenbetrieb vorliegt.
Bei Überfüllungserkennung über Heißgastemperatur, Hochdruck und Unterkühlung im Kälteanlagenbetrieb erfolgt ein Auslagern von Kältemittel, beispielsweise in das Heizregister 11 des Sekundärstranges für den Wärmepumpenbetrieb. Wird die Umverlagerung bei warmem Heizregister vorgenommen, erfolgt eine reduzierte Umverlagerung von Kältemittelgas vom Verdichteraustritt. Dabei ist das Absperrorgan 10 geöffnet.
Wird die Kältemittelumverlagerung bei kaltem Heizregister 11 vorgenommen, erfolgt eine erhöhte Kältemittelumverlagerung durch unterkühlte Kältemittelflüssigkeit nach dem Kondensator 2. Dabei ist das Absperrorgan 6 und das Expansionsorgan 12 geöffnet und es ist keine Rückschlagklappe 13 in dem Strang angeordnet.
-
Eine eingelagerte Flüssigkeitsmenge im Heizregister 11 wirkt sich positiv auf die Akustik aus, speziell beim Aktivieren des Reheat-Modus durch die akustisch dämpfenden Eigenschaften der Flüssigkeit.
-
Umgekehrt erfolgt das Austreiben des Kältemittels aus dem Heizregister 11 durch aktives Spülen mit Kältemittelheißgas über die Absperrorgane und Expansionsventile 10 und 12, wobei beide Sperren temporär geöffnet werden und die Chiller 18 und/oder 20 aktiv sind bei bevorzugt abgeschaltetem Verdampfer 4.
-
Die Abkühlung des Heizregisters 11 wird vermieden, indem die Luftmenge über dem Wärmeübertrager im Klimagerät über das Gebläse eingestellt und reduziert, gegebenenfalls auf null gesetzt wird. Sofern keine Luft strömt, erfolgt kein Wärmeaustausch zwischen Luft und Kältemittel und es ist keine Kondensation im Heizregister möglich. Das heiße Kältemittel vom Verdichter kommend kocht die Flüssigkeit aus und lässt sie verdampfen.
Zum Abschluss des Austreibens des Kältemittels schließt das Absperrventil 10 und der eigentliche Prozess startet.
Diese Maßnahme ist beispielsweise beim Ladevorgang des Fahrzeuges denkbar, da somit die Fahrgäste nicht davon berührt werden.
Die Reduzierung des Kältemittels im Heizregister 11 kann durch dauerhaftes Absaugen über eine FixdrossellKapillare vom Heizregister 11 auf der Niederdruckseite oder bevorzugt durch ein getaktetes/geregeltes Absaugen über ein separates Expansionsorgan oder Absperrventil 27 erfolgen.
-
Unter Expansionsorganen oder Absperrorganen werden im Sinne der Erfindung alle Komponenten verstanden, die die entsprechende Funktion der Expansion beziehungsweise des Absperrens für Fluide erfüllen. Gleiches gilt für Rückschlagklappen oder Ventile, die im Sinne der Erfindung Absperrorgane mit entsprechender Funktion sind.
-
Aus energetischen Gründen ist es sinnvoll die Grundverschaltung beziehungsweise das Setting der Ventile so zu wählen, dass der Kälteanlagenmodus vorgegeben ist.
-
Alternativ dazu ist es hinsichtlich der Umverlagerungsproblematik zum Kondensator 2 hin vorteilhaft, die Absperrventile 6, 10 und 15 stromlos geschlossen zu halten, was im Wasser-Wärmepumpenmodus vorteilhaft ist.
-
Die beschriebene kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe ist mit allen üblichen Kältemittel betreibbar, insbesondere mit R134a und HFO-1234yf.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kältemittelverdichter
- 2
- Wärmeübertrager, Kälteanlagenkondensator, Wärmepumpenverdampfer
- 3
- Expansionsorgan
- 4
- Verdampfer
- 5
- innerer Wärmeübertrager, IWT
- 6
- Absperrorgan, Ventil
- 7
- Expansionsorgan
- 8
- Rückschlagklappe
- 9
- Kältemittelsammler, Hochdrucksammler
- 10
- Absperrorgan, Ventil
- 11
- Heizkondensator, Heizregister
- 12
- Expansionsorgan
- 13
- Rückschlagklappe
- 14
- Expansionsorgan
- 15
- Absperrorgan, Ventil
- 16
- Rückschlagklappe
- 17
- Expansionsorgan
- 18
- Chiller 1/Batterie
- 19
- Expansionsorgan
- 20
- Chiller 2/E-Maschine
- 21
- Expansionsorgan
- 22
- Rückschlagklappe
- 23
- Bypass IWT
- 24
- Umgebungsluft
- 25
- Luftstrom Fahrgastzelle
- 26
- Bypass Kältemittelabsaugung aus Heizregister
- 27
- Absperrorgan
- 28
- Bypass Kältemittelumverlagerung in Heizregister
- 29
- Absperrorgan
