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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimatisierungsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In Fahrzeugen ist es häufig erforderlich, Aggregate des Fahrzeugs, die während des Betriebs warm werden, zu kühlen. Ferner ist es, abhängig von der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, erwünscht, einen Passagierraum des Fahrzeugs zu kühlen oder zu heizen. Das Heizen, also das Zuführen von Wärme und das Kühlen, also das Abführen von Wärme können allgemein auch als Klimatisierung bezeichnet werden, bei der bedarfsabhängig Wärme zu- bzw. abgeführt wird. Um den energetischen Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern, wird versucht, die Klimatisierung möglichst effizient durchzuführen. Dies gilt sowohl für Kraftfahrzeuge, die eine Brennkraftmaschine als Hauptantriebsaggregat aufweisen, als auch für Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen ist eine effiziente Klimatisierung von erhöhter Bedeutung, da in der Regel keine Brennkraftmaschine mit Wärmeüberschuss oder Leistungsüberschuss zur Verfügung steht. Die ohnehin begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen bzw. von Hybridfahrzeugen im elektrischen Antriebsmodus wird durch zusätzliche Verbraucher elektrischer Energie signifikant reduziert.
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Um die Effizienz der Fahrzeugklimatisierung, insbesondere bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zu verbessern, ist es bekannt, einen Kältemittelkreis einzusetzen, also einen Wärmepumpenkreis, der verkürzt auch als Wärmepumpe bezeichnet werden kann. Üblicherweise umfasst ein Wärmepumpenkreis, also ein Kältemittelkreis, einen Kältemittelverdichter, in dem ein gasförmiges Kältemittel komprimiert wird, um darin die Temperatur zu erhöhen. In einem nachfolgenden Kondensator kann die mit Hilfe des Kältemittelverdichters in das Kältemittel eingebrachte Wärme dem Kältemittel wieder entzogen werden, indem das Kältemittel kondensiert wird. Das flüssige Kältemittel kann nun mit Hilfe eines Verdampfers wieder verdampft werden, wodurch dem Kältemittel Wärme zugeführt wird. Das verdampfte Kältemittel gelangt anschließend wieder zum Kältemittelverdichter. Mit Hilfe einer derartigen Wärmepumpe kann die Wärme mit Hilfe des Verdampfers von einem ersten System auf das Kältemittel des Kältemittelkreises übertragen werden. Im Kältemittelkreis kann mit Hilfe des Kältemittelverdichters diese Wärme mit vergleichsweise wenig Aufwand auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Über den Kondensator kann dann die Wärme des Kältemittels an ein zweites System übertragen werden. Da mit Hilfe der Wärmepumpe das Temperaturniveau zwischen dem ersten System und dem zweiten System verändert werden kann, ist es letztendlich möglich, z. B. Abwärme niedriger Temperatur aus einem ersten System in ein zweites System auf höherer Temperatur zuzuführen. Im Vergleich zur, im zweiten System erhaltenen Wärme, ist der Aufwand des Kältemittelverdichters gering. Die CoP genannte Leistungsziffer, als Verhältnis von erhaltener Wärme im zweiten System, zur aufgewendeten mechanischen Arbeit des Kältemittelverdichters, erreicht Werte größer Eins.
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Aus der
DE 101 41 389 B4 ist eine Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Kältemittelkreis und einen Kühlmittelkreis umfasst. Im Kältemittelkreis zirkuliert ein Kältemittel. Der Kältemittelkreis weist einen Kältemittelverdichter und eine Kondensationseinrichtung auf. Im Kühlmittelkreis zirkuliert ein Kühlmittel. Der Kühlmittelkreis weist eine Kühlmittelpumpe und einen Heizwärmetauscher zum Beheizen eines Heizluftstroms auf. Ferner sind der Kältemittelkreis und der Kühlmittelkreis über die Kondensationseinrichtung thermisch miteinander gekoppelt. Mit anderen Worten, der Kältemittelkreis bzw. das Kältemittel kann über die Kondensationseinrichtung Wärme auf den Kühlmittelkreis bzw. auf das Kühlmittel übertragen. Bei der bekannten Fahrzeugklimatisierungsanlage ist die Kondensationseinrichtung als einteiliger Kondensator ausgestaltet.
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Aus der
DE 10 2008 043 823 B4 ist für eine Gebäudeheizung ein Wärmepumpenkreis bekannt, der in üblicher Weise einen Kältemittelverdichter, eine Kondensationseinrichtung und einen Verdampfer aufweist. Bei diesem Kältemittelkreis ist die Kondensationseinrichtung in drei Komponenten unterteilt, nämlich einen Enthitzer, einen Kondensator und einen Unterkühler. Bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels ist der Kondensator dabei stromab des Enthitzers und stromauf des Unterkühlers im Kältemittelkreis angeordnet. Beim bekannten Wärmepumpenkreis ist ein Wärmespeicher der Gebäudeheizung über einen ersten Übertragungskreis mit dem Enthitzer thermisch gekoppelt und über einen dazu separaten zweiten Übertragungskreis mit dem Kondensator thermisch gekoppelt. Ein dritter separater Übertragungskreis ist nach Art einer Reihenschaltung mit dem Unterkühler und dem Verdampfer thermisch gekoppelt. In diesem dritten Übertragungskreis ist außerdem ein Wärmequellen-Wärmetauscher angeordnet, um der jeweiligen Wärmequelle, z. B. Umgebungsluft, Energie entziehen zu können.
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Aus der
DE 38 34 387 C2 ist eine weitere Fahrzeugklimatisierungsanlage bekannt, die einen Kältemittelkreis und einen Kühlmittelkreis aufweist. Bei dieser Fahrzeugklimatisierungsanlage sind die beiden Kreise über einen Verdampfer des Kältemittelkreises thermisch miteinander gekoppelt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Fahrzeugklimatisierungsanlage eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten energetischen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kondensationseinrichtung in drei Komponenten zu unterteilen, nämlich in einen Enthitzer, einen Kondensator und einen Unterkühler, wobei der Kühlmittelkreis mit allen drei Komponenten thermisch gekoppelt ist. Durch die Untergliederung der Kondensationseinrichtung in den Enthitzer, den Kondensator und den Unterkühler lassen sich die drei Komponenten jeweils für sich optimal für die im jeweiligen Anwendungsfall auftretenden Volumenströme und Temperaturen optimieren. Innerhalb der einzelnen Komponenten lässt sich außerdem eine Anpassung an die jeweils auftretenden Aggregatszustände leichter durchführen. Beispielsweise lässt sich der Enthitzer dahingehend optimieren, dass möglichst viel sensible Wärme aus dem gasförmigen Kältemittel abgeführt werden kann. Insbesondere ist dabei eine kältekreisseitige Verrohrung auf die vergleichsweise großen Volumenströme des gasförmigen Kältemittels angepasst. Im Unterschied dazu kann der Kondensator für eine Abgabe latenter Wärme optimiert sein. Hierdurch erfolgt innerhalb des Kondensators die Kondensatbildung. Die kühlkreisseitige Verrohrung kann dabei eine Reduzierung des Volumenstroms des eintretenden gasförmigen Kältemittels auf das austretende flüssige Kältemittel berücksichtigen. Schließlich kann der Unterkühler für das Abgeben sensibler Wärme aus dem flüssigen Kältemittel optimiert werden. Insbesondere ist dabei die kältekreisseitige Verrohrung auf die vergleichsweise kleinen Volumenströme des flüssigen Kältemittels angepasst.
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Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass der Kühlkreis sowohl mit dem Erhitzer und dem Kondensator als auch mit dem Unterkühler thermisch gekoppelt ist. Hierdurch kann dem Kühlmittel in drei Stufen Wärme zugeführt werden, wodurch die Wärmeübertragung zwischen den beiden Kreisen über die Kondensationseinrichtung besonders effizient realisierbar ist.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Verschaltung zur fluidischen Kopplung des Kühlmittelkreises mit der Kondensationseinrichtung zwischen einer Heizschaltstellung und einer Kühlschaltstellung umschaltbar sein. Die beiden Schaltstellungen unterscheiden sich dabei durch unterschiedliche fluidische Kopplungen des Kühlmittelkreises mit dem Enthitzer, dem Kondensator und dem Unterkühler. Auf diese Weise lassen sich für die Wärmeübertragung auf den Kühlmittelkreis wenigstens zwei unterschiedliche Betriebszustände einstellen, nämlich mit der Heizschaltstellung einerseits und mit der Kühlschaltstellung andererseits. Auf diese Weise kann die hier vorgestellte Fahrzeugklimatisierungsanlage für diese beiden unterschiedlichen Betriebszustände optimiert werden.
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Der Begriff „Verschaltung” umfasst dabei die für die jeweilige fluidische Kopplung erforderlichen Fluid führenden Leitungselemente, wie zum Beispiel Leitungen, Rohre und Kanäle. Ebenso umfasst die Verschaltung erforderliche Schaltelemente, wie zum Beispiel Ventile.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Verschaltung den Kühlmittelkreis in der Heizschaltstellung nacheinander durch den Unterkühler, den Kondensator und den Enthitzer führen, so dass im Heizbetrieb der Klimatisierungsanlage der Unterkühler, der Kondensator und der Enthitzer vom Kühlmittel nacheinander durchströmt werden.
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Hinsichtlich des Kühlmittelkreises sind somit die Komponenten der Kondensationseinrichtung in der Heizschaltstellung in Reihe angeordnet. In diesem Fall kann die Wärme vom Kältemittelkreis in drei separaten und aufeinanderfolgenden Stufen auf den Kühlmittelkreis übertragen werden, wodurch eine intensive Wärmeübertragung in Verbindung mit einer relativ hohen Endtemperatur für das Kühlmittel erzielbar sind. Die Heizschaltstellung eignet sich somit in besonderer Weise für einen Heizbetrieb, bei dem in einem weiteren Wärmeüberträger mittels des Kühlmittels ein Heizluftstrom auf eine vergleichsweise hohe Temperatur aufgeheizt werden kann. Mit Hilfe des Heizluftstroms kann insbesondere ein Fahrgastraum des Fahrzeugs beheizt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann in der Heizschaltstellung der Kondensator bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmittels im Kühlmittelkreis stromauf des Enthitzers und stromab des Unterkühlers angeordnet sein. Hierdurch wird eine Durchströmung der drei Komponenten der Kondensationseinrichtung nach dem Gegenstromprinzip realisiert, wodurch für das Kühlmittel eine besonders hohe Endtemperatur erzielt werden kann.
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Bei einer anderen Weiterbildung kann die Verschaltung den Kühlmittelkreis in der Kühlschaltstellung parallel durch den Unterkühler, den Kondensator und den Enthitzer führen, so dass im Kühlbetrieb der Klimatisierungsanlage der Unterkühler, der Kondensator und der Enthitzer parallel vom Kühlmittel durchströmt werden. Durch diese Kühlschaltstellung, die eine Parallelanordnung der Kondensationseinrichtung im Kühlmittelkreis bewirkt, lässt sich ein besonders hoher Volumenstrom im Kühlmittel einstellen, wodurch eine erhöhte Wärmemenge über den Kühlmittelkreis abgeführt werden kann. Hierdurch kann mit Hilfe des Kältemittelkreises einer im Kühlbetrieb zu kühlenden Wärmequelle entsprechend viel Wärme entzogen werden, um dort eine effiziente Kühlung zu bewirken. Die Wärmequelle kann beispielsweise eine Hauptbatterie eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs sein. Ebenso kann in einem derartigen Fahrzeug eine Leistungselektronik oder ein Antriebsmotor als Wärmequelle dienen. Ferner kann ein Wärmetauscher zum Kühlen eines Kühlluftstroms, der einem Fahrgastraum zugeführt wird, eine Wärmequelle bilden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann die Verschaltung in einer den Unterkühler mit dem Kondensator fluidisch verbindenden ersten Verbindungsleitung ein Rückschlagsperrventil enthalten, das in der Heizschaltstellung sperrt und in der Kühlschaltstellung öffnet. Das Rückschlagsperrventil ist hierzu so in der ersten Verbindungsleitung angeordnet, dass es vom Unterkühler in Richtung Kondensator sperrt, während es in der Gegenrichtung, also vom Kondensator in Richtung Unterkühler durchströmbar ist. Ferner kann die Verschaltung in einer den Kondensator mit dem Enthitzer fluidisch verbindenden zweiten Verbindungsleitung ein steuerbares Sperrventil enthalten, das in der Heizschaltstellung gesperrt und in der Kühlschaltstellung geöffnet ist. Hierdurch lassen sich mit Hilfe der Verschaltung die Reihenanordnung für die Heizschaltstellung und die Parallelanordnung für die Kühlschaltstellung besonders einfach realisieren.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann eine Steuerung zum Umschalten der Verschaltung zwischen der Heizschaltstellung und der Kühlschaltstellung vorgesehen sein. Diese Steuerung ist mit der Kühlmittelpumpe gekoppelt, so dass die Steuerung die Kühlmittelpumpe ansteuern kann, um den von der Kühlmittelpumpe geförderten Volumenstrom des Kühlmittels zu verändern bzw. einzustellen. Ferner kann die Steuerung zweckmäßig so programmiert und/oder ausgestaltet sein, dass sie in der Heizschaltstellung die Kühlmittelpumpe zum Einstellen eines kleineren Volumenstroms ansteuert als in der Kühlschaltstellung. Die Komponenten der Kondensationseinrichtung sind zweckmäßig für die Heizschaltstellung optimiert, so dass in der dann vorliegenden Reihenschaltung ein vorbestimmter Volumenstrom im Kühlmittel realisierbar ist, der für eine ausreichende Wärmeaufnahme im Kühlmittel sorgt. Ziel ist dabei eine möglichst hohe Temperatur im Kühlmittel, um im Heizwärmetauscher möglichst effizient eine Aufheizung des Heizluftstroms erzielen zu können. In der Kühlschaltstellung lässt sich dagegen aufgrund der Parallelanordnung der Komponenten der Kondensationseinrichtung ein deutlich höherer Volumenstrom im Kühlmittel realisieren, was durch eine entsprechende Ansteuerung der Kühlmittelpumpe erreicht wird, so dass letztlich über den hohen Volumenstrom vergleichsweise viel Wärme auf das Kühlmittel übertragen und abgeführt werden kann.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlmittelkreis einen den Heizwärmetauscher umgehenden, steuerbaren Bypass aufweisen, der zumindest in der Kühlschaltstellung geöffnet ist und zumindest in der Heizschaltstellung gesperrt ist. Mit Hilfe des Bypasses kann der Heizwärmetauscher und somit sein Strömungswiderstand umgangen werden, wenn ein Beheizen des Heizluftstroms nicht erforderlich ist, beispielsweise im Kühlbetrieb.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Kältemittelkreis im Kondensator oder zwischen dem Kondensator und dem Unterkühler einen Kältemittelsammler aufweisen. Hierdurch wird in einem Bereich des Kältemittelkreises, in dem das Kältemittel flüssig vorliegt, ein Reservoir bzw. Speichervolumen geschaffen, um überschüssiges Kältemittel zu speichern und nur verflüssigtes Kältemittel – sofern vorhanden – an den Unterkühler weiterzuleiten. Nicht verflüssigtes Kältemittel wird in Sammler zurück zu behalten.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann im Kühlmittelkreis ein elektrischer Zuheizer angeordnet sein, der bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlmittels im Kühlmittelkreis stromauf des Heizwärmetauschers angeordnet ist. Zweckmäßig befindet sich der Zuheizer im Kühlmittelkreis zwischen dem Heizwärmetauscher und der Kühlmittelpumpe. Mit Hilfe des Zuheizers kann im Bedarfsfall zusätzlich Wärme in das Kühlmittel eingebracht werden, falls die über den Kältemittelkreis zugeführte Wärme nicht ausreichen sollte, um die gewünschte Beheizung des Heizluftstroms zu bewirken.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Fahrzeugklimatisierungsanlage während eines Heizbetriebs,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch während eines Kühlbetriebs.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Fahrzeugklimatisierungsanlage 1, wie sie bevorzugt in einem Hybridfahrzeug oder in einem Elektrofahrzeug zur Anwendung kommen kann, einen Kältemittelkreis 2 und einen Kühlmittelkreis 3. Im Kältemittelkreis 2 zirkuliert ein Kältemittel. Im Kühlmittelkreis 3 zirkuliert ein Kühlmittel. Der Kältemittelkreis 2 enthält einen Kältemittelverdichter 4 und eine Kondensationseinrichtung 5, die bezüglich einer Strömungsrichtung 6 des Kältemittels, die in den Figuren durch Pfeile angedeutet ist, stromab des Kältemittelverdichters 4 im Kältemittelkreis 2 angeordnet ist. Der Kältemittelkreis 2 weist außerdem in üblicher Weise einen hier nicht gezeigten Verdampfer auf, der mit einer Wärmequelle gekoppelt ist, um das Kältemittel zu verdampfen. Besagter Verdampfer ist dabei im Kältemittelkreis 2 zwischen der Kondensationseinrichtung 5 und dem Kältemittelverdichter 4 angeordnet. Ferner ist stromab der Kondensationseinrichtung 5 und stromauf des Verdampfers üblicherweise eine hier nicht gezeigte Drosseleinrichtung vorhanden, gegen die der Kältemittelverdichter arbeitet.
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Der Kühlmittelkreis 3 enthält eine Kühlmittelpumpe 7 zum Antreiben des Kühlmittels, wobei sich für das Kühlmittel eine in den 1 und 2 durch Pfeile angedeutete Strömungsrichtung 8 einstellt. Ferner enthält der Kühlmittelkreis 3 einen Heizwärmetauscher 9, mit dessen Hilfe ein Heizluftstrom 10 beheizt werden kann, mit dem der Heizwärmetauscher 9 beaufschlagt werden kann. Dieser Heizluftstrom 10 ist in 1 durch Pfeile angedeutet und kann beispielsweise einem Passagierraum des Fahrzeugs zugeführt werden.
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Der Kältemittelkreis 2 und der Kühlmittelkreis 3 sind über die Kondensationseinrichtung 5 thermisch miteinander gekoppelt. Dementsprechend ist die Kondensationseinrichtung 5 auch in den Kühlmittelkreis 3 eingebunden.
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Die Kondensationseinrichtung 5 ist hinsichtlich ihrer Wärmeübertragungsfunktion in drei Komponenten unterteilt, nämlich einen Enthitzer 11, einen Kondensator 12 und einen Unterkühler 13. Im Kältemittelkreis 2 sind diese drei Komponenten 11, 12, 13 in Reihe angeordnet, derart, dass zuerst der Enthitzer 11 durchströmt wird, dass anschließend der Kondensator 12 durchströmt wird und dass abschließend der Unterkühler 13 durchströmt wird. Der Kühlmittelkreis 3 ist nun mit allen drei Komponenten 11, 12, 13 thermisch gekoppelt.
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Um die thermische Kopplung des Kühlmittelkreises 3 mit den Komponenten 11, 12, 13 der Kondensationseinrichtung 5 zu erzielen, ist eine fluidische Kopplung vorgesehen, die mit Hilfe einer Verschaltung 14 realisiert wird. Diese Verschaltung 14 umfasst hier rein exemplarisch eine erste Enthitzerleitung 15, die einen Zulauf des Kühlmittels zum Enthitzer 11 darstellt, eine zweite Enthitzerleitung 16, die einen Ablauf des Kühlmittels vom Enthitzer 11 darstellt. Ferner sind eine erste Unterkühlerleitung 17, die einen Zulauf zum Unterkühler 13 für das Kühlmittel repräsentiert, und eine zweite Unterkühlerleitung 18 vorgesehen, die für das Kühlmittel einen Ablauf vom Unterkühler 13 repräsentiert. Ferner sind eine erste Kondensatorleitung 19 und eine zweite Kondensatorleitung 20 vorgesehen, die ebenfalls als Zulauf und Ablauf für das Kühlmittel zum Kondensator 12 bzw. vom Kondensator 12 dienen. Ferner umfasst die Verschaltung 14 einen ersten Einlass 21 und einen zweiten Einlass 22, die mit der ersten Enthitzerleitung 15, der ersten Unterkühlerleitung 17 und der ersten Kondensatorleitung 19 fluidisch in Verbindung stehen. Des Weiteren weist die Verschaltung 14 einen Auslass 23 auf, der mit der zweiten Enthitzerleitung 16, der zweiten Unterkühlerleitung 18 und der zweiten Kondensatorleitung 20 fluidisch verbunden ist. Eine erste Verbindungsleitung 24 verbindet fluidisch auf einer, die Einlässe 21, 22 aufweisenden Einlassseite den Unterkühler 13 mit dem Kondensator 12. Eine zweite Verbindungsleitung 25 verbindet auf einer den Auslass 23 aufweisenden Auslassseite den Enthitzer 11 fluidisch mit dem Kondensator 12. Eine dritte Verbindungsleitung 26 ist wieder an der Einlassseite angeordnet und verbindet den Kondensator 12 fluidisch mit dem Enthitzer 11. Eine vierte Verbindungsleitung 27 ist an der Auslassseite angeordnet und verbindet den Unterkühler 13 fluidisch mit dem Kondensator 12. Im Einzelnen verbindet die erste Verbindungsleitung 24 die erste Kondensatorleitung 19 mit der ersten Unterkühlerleitung 17. Die zweite Verbindungsleitung 25 verbindet die zweite Enthitzerleitung 16 mit der zweiten Kondensatorleitung 20. Die dritte Verbindungsleitung 26 verbindet die erste Enthitzerleitung 15 mit der ersten Kondensatorleitung 19. Die vierte Verbindungsleitung 27 verbindet die zweite Unterkühlerleitung 18 mit der zweiten Kondensatorleitung 20.
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Die Verschaltung 14 ist zwischen einer in 1 gezeigten Heizschaltstellung und einer in 2 gezeigten Kühlschaltstellung umschaltbar. Die beiden Schaltstellungen unterscheiden sich voneinander durch unterschiedliche fluidische Kopplungen des Kühlmittelkreises 3 mit den einzelnen Komponenten 11, 12, 13 der Kondensationseinrichtung 5.
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Gemäß der in 1 gezeigten Heizschaltstellung führt die Verschaltung 14 den Kühlmittelkreis 3 nacheinander durch den Unterkühler 13, den Kondensator 12 und den Enthitzer 11. In der Folge werden in einem Heizbetrieb der Klimatisierungsanlage 1, bei welcher der Heizluftstrom 10 beheizt wird, der Unterkühler 13, der Kondensator 12 und der Enthitzer 11 vom Kühlmittel nacheinander durchströmt. Bezüglich der Strömungsrichtung 8 des Kühlmittels ist dabei der Kondensator 12 stromauf des Enthitzers 11 und stromab des Unterkühlers 13 angeordnet, wodurch sich für die Kondensationseinrichtung 5 eine Durchströmung gemäß dem Gegenstromprinzip einstellt. In diesem Heizbetrieb kann eine vergleichsweise hohe Endtemperatur am Austritt 23 für das Kühlmedium erzielt werden. Hierdurch kann im Heizwärmetauscher 9 mit hoher Effizienz der Heizluftstrom 10 beheizt werden.
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Gemäß der in 2 gezeigten Kühlschaltstellung führt die Verschaltung 14 den Kühlmittelkreis 3 in diesem Fall parallel durch den Unterkühler 13, den Kondensator 12 und den Enthitzer 11. In diesem Kühlbetrieb der Klimatisierungsanlage 1 werden somit der Unterkühler 13, der Kondensator 12 und der Enthitzer 11 vom Kühlmittel parallel durchströmt. Diese parallele Durchströmung ermöglicht einen vergleichsweise großen Volumenstrom im Kühlmittel, wodurch im Kühlbetrieb vergleichsweise viel Wärme vom Kältekreis 2 auf den Kühlkreis 3 übertragen werden kann. Insbesondere kann somit über einen mit dem Kühlmittelkreis 3 thermisch gekoppelten Umgebungswärmetauscher entsprechend viel Wärme an eine Umgebung des Fahrzeugs abgegeben werden.
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Die Durchströmung der drei Komponenten 11, 12, 13 der Kondensationseinrichtung 5 mit dem Kältemittel bleibt im Heizbetrieb und im Kühlbetrieb gleich, so dass die Komponenten 11, 12, 13 in Reihe vom Kältemittel durchströmt werden.
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Der Kühlmittelkreis 3 kann insbesondere zum Kühlen einer Hauptbatterie oder Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs dienen. Ebenso kann der Kühlmittelkreis eine Leistungselektronik und/oder einen Antriebsmotor des Fahrzeugs kühlen. Dementsprechend weist der Kühlmittelkreis 3 an hier nicht gezeigter Stelle eine entsprechende thermische Kopplung zu den zu kühlenden Bauteilen des Fahrzeugs auf. Ferner kann im Kühlmittelkreis 3 ein hier ebenfalls nicht gezeigter Kühler, also ein Wärmetauscher angeordnet sein, der mit einem Umgebungsluftstrom beaufschlagt werden kann, um Wärme aus dem Kühlmittel auf die Umgebung zu übertragen und so das Kühlmittel zu kühlen.
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An den ersten Einlass 21 ist dabei ein Zulauf 28 des Kühlmittelkreises 3 angeschlossen, der insbesondere von vorgenanntem Kühler kommt. Der Auslass 23 ist über eine Leitung 29, in der die Kühlmittelpumpe 7 und der Heizwärmetauscher 9 angeordnet sind, an einen Rücklauf 30 des Kühlmittelkreises 3 angeschlossen, der insbesondere zu vorstehend genanntem Kühler führt.
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Für den Heizbetrieb ist der Kühlmittelkreis 3 mit einer Rückführleitung 31 ausgestattet, die stromab des Heizwärmetauschers 9 an die Leitung 29 angeschlossen ist und unter Umgehung des Rücklaufs 30 zum zweiten Einlass 22 der Verschaltung 14 führt. Diese Rücklaufleitung 31 kann mit Hilfe eines Schaltventils 32 geöffnet und gesperrt werden, das hierzu in der Rücklaufleitung 31 angeordnet ist. Um für diesen Fall den Rücklauf 30 zu sperren, ist ein weiteres Schaltventil 33 vorgesehen.
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Zur Realisierung der Heizschaltstellung und der Kühlschaltstellung sind bei der hier gezeigten Ausführungsform der Verschaltung 14 in der ersten Verbindungsleitung 24 ein Rückschlagsperrventil 34 und in der zweiten Verbindungsleitung 25 ein steuerbares Sperrventil 35 angeordnet. In der Heizschaltsteilung gemäß 1 sperrt das Rückschlagsperrventil 34 und das Sperrventil 35 ist ebenfalls gesperrt. Somit wird bei gleichzeitig geöffneter Rückführleitung 31 ein in sich geschlossener Kreis für die Zirkulation des Kühlmittels geschaffen, der vom Vorlauf 28 und vom Rücklauf 30 quasi entkoppelt ist. Im Einzelnen strömt das Kühlmittel im Heizbetrieb von der Kühlmittelpumpe 7 durch den Heizwärmetauscher 9, durch die Rückführleitung 31 zum zweiten Einlass 22. Von dort aus strömt das Kühlmittel durch die erste Unterkühlerleitung 17 zum Unterkühler 13, durch die zweite Unterkühlerleitung 18, die vierte Verbindungsleitung 27, die zweite Kondensatorleitung 12 zum Kondensator 12, durch die erste Kondensatorleitung 19, die dritte Verbindungsleitung 26 und die erste Enthitzerleitung 15 zum Enthitzer 11 und durch die zweite Enthitzerleitung 16 über die Leitung 29 zurück zur Kühlmittelpumpe 7.
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Im Unterschied dazu sind in der Kühlschaltstellung gemäß 2 das Rückschlagsperrventil 34 durchströmbar und das Sperrventil 35 geöffnet, während gleichzeitig die Rücklaufleitung 31 gesperrt ist. Das Kühlmittel strömt dann vom Vorlauf 28 zum ersten Einlass 21, von wo aus es über die erste Enthitzerleitung 15 zum Enthitzer 11 und über die dritte Verbindungsleitung 26 und die erste Kondensatorleitung 12 zum Kondensator 12 und über die erste Verbindungsleitung 24 und die erste Unterkühlerleitung 17 zum Unterkühler 13 gelangt. Nach den drei Komponenten 11, 12, 13 werden die zweite Unterkühlerleitung 18, die zweite Kondensatorleitung 20 und die zweite Enthitzerleitung 16 über die vierte Verbindungsleitung 27 und die zweite Verbindungsleitung 25 zum Auslass 23 zusammengeführt. Vom Auslass 23 gelangt das Kühlmittel durch die Leitung 29 zum Rücklauf 30.
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Für die Kühlschaltstellung kann vorgesehen sein, dass die Kühlmittelpumpe 7 im Kühlbetrieb einen größeren Volumenstrom im Kühlmittel erzeugt als im Heizbetrieb. Der vergrößerte Volumenstrom ist durch die Parallelanordnung der drei Komponenten 11, 12, 13 im Kühlmittelkreis 3 möglich und führt zu einer höheren Wärmeübertragung auf den Kühlmittelkreis 3. Um die Kühlmittelpumpe 7 und die steuerbaren Stellglieder des Kühlmittelkreises 3 entsprechend ansteuern zu können, ist eine Steuerung 36 vorgesehen, die auf geeignete Weise mit den schaltbaren Komponenten des Kühlmittelkreises 3 verbunden ist. Entsprechende Steuerleitungen sind hier zur Wahrung der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt.
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Entsprechend den 1 und 2 kann der Kühlmittelkreis 3 einen Bypass 37 aufweisen, der den Heizwärmetauscher 9 umgeht und mit Hilfe eines weiteren Steuerventils 38 gesteuert werden kann. Insbesondere in dem in 2 gezeigten Kühlbetrieb ist der Bypass 37 geöffnet, so dass keine Durchströmung des Heizwärmetauschers 9 erfolgt.
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Ferner kann entsprechend den 1 und 2 im Kältemittelkreis 2 zwischen dem Kondensator 12 und dem Unterkühler 13 ein Kältemittelsammler 39 angeordnet sein, in dem gasförmiges Kältemittel abgefangen und überschüssiges flüssiges Kältemittel bevorratet werden kann. Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, den Kältemittelsammler 39 in den Kondensator 12 zu integrieren.
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Entsprechend den 1 und 2 ist im Kühlmittelkreis 3 außerdem ein elektrischer Zuheizer 40 angeordnet. Zweckmäßig ist der Zuheizer 40 dabei bezüglich der Strömungsrichtung 8 des Kühlmittels im Kühlmittelkreis 3 stromauf des Heizwärmetauschers 9 angeordnet. Der Bypass 37 ist hier so positioniert, dass er auch den Zuheizer 40 umgeht. Somit ist der Bypass 37 eingangsseitig zwischen der Kühlmittelpumpe 7 und dem Zuheizer 40 an den Kühlmittelkreis 3 bzw. an die Leitung 29 angeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10141389 B4 [0004]
- DE 102008043823 B4 [0005]
- DE 3834387 C2 [0006]
