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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden Kältemittelkreisläufe in Betracht gezogen, die wahlweise als Wärmepumpenkreislauf (Heizbetrieb) bzw. im Klimabetrieb betreibbar sind. Derartige Kältemittelkreisläufe sind üblicherweise thermisch mit einem flüssigkeitsdurchströmten Heizkreislauf gekoppelt. Der Heizkreislauf wiederum weist einen Heizwärmetauscher (Flüssigkeits-/Luftwärmetauscher) auf, über den im Heizbetrieb Wärme aus dem Heizkreislauf an die in den Fahrgastraum einströmende Luft abgegeben wird.
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Da auch im Klimabetrieb über den Wärmetauscher eine gewisse Wärmeleistung vom Kältemittelkreislauf in den Heizkreislauf abgegeben wird, besteht die Gefahr, dass sich der Heizkreislauf zu stark erhitzt und im Heizkreislauf zu hohe Drücke entstehen.
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Prinzipiell könnte der Heizkreislauf zwar auf hinreichend hohe Temperaturen und Drücke ausgelegt werden. Dies ist jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, die man vermeiden möchte.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs anzugeben, bei dem eine Überhitzung des Kältemittels am Kompressoreingang und somit ein zu starker Anstieg der Verdichteraustrittstemperatur verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug, der einen Verdichter, mindestens einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher, mindestens einen Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher, mindestens ein Expansionsorgan und mindestens einen Verdampfer aufweist. Wenn der Kältemittelkreislauf im Kühl- bzw. Klimabetrieb arbeitet, wird aus der in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmenden Luft Wärme über den Verdampfer an das im Kältemittelkreislauf umgepumpte Kältemittel abgegeben. Dadurch wird die in den Fahrgastraum strömende Luft gekühlt.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, im Klimabetrieb des Kältemittelkreislaufs eine Überhitzung am Verdichtereingang und somit zu hohe Verdichterausgangstemperaturen zu vermeiden, indem über einen Kältemittel-Flüssigkeitswärmetauscher zumindest eine gewisse Wärmeleistung vom im Kältemittelkreislauf umgepumpten Kältemittel an einen Flüssigkeitskühlkreislauf abgegeben wird.
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Mit der Erfindung werden also zu hohe Temperaturen im Heizkreislauf vermieden, indem eine Überhitzung des Kältemittels am Kompressoreingang verhindert bzw. sogar ein leichter Flüssigkeitsanteil (Kältemittel) am Kompressoreingang eingestellt wird und somit ein zu starker Anstieg der Verdichteraustrittstemperatur verhindert wird.
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Unter dem Begriff „Flüssigkeitskühlkreislauf“ ist ein von Flüssigkeit durchströmter Kreislauf zu verstehen, mittels dem z.B. eine bestimmte Fahrzeugkomponente oder mehrere Fahrzeugkomponenten (z.B. eine Elektronikkomponente, ein Hochvoltspeicher, ein Elektromotor o.ä.) gekühlt wird. Der Flüssigkeitskühlkreislauf kann auch als „Niedertemperaturkreislauf“ bezeichnet werden, da die Temperatur im Flüssigkeitskühlkreislauf gewöhnlich geringer ist als die Temperatur des Kältemittels auf der Druckseite des Kältemittelverdichters.
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Erfindungsgemäß wird der von dem Verdichter verdichtete und erhitzte Kältemittelvolumenstrom mindestens in einen ersten und eine zweiten Teilvolumenstrom verzweigt. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Teilvolumenstrom im Klimabetrieb des Kältemittelkreislaufs über den Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Die Wärmeabgabe erfolgt vorzugsweise isobar. Durch Wärmeabgabe über den Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher erreicht das vom Verdichterausgang kommende, heiße, gasförmige Kältemittel mit unterkritischer Betriebsweise (z.B. R134a, R1234yf) einen flüssigen, unterkühlten Zustand. Bei einem Kältemittel mit überkritischer Betriebsweise (z.B. Kohlendioxid) kann die Wärmeabgabe auch überkritisch erfolgen, d.h. das Kältemittel wird oberhalb des kritischen Drucks abgekühlt und erhöht seine Dichte, ohne dass ein Phasenwechsel auftritt.
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Nach der Wärmeabgabe über den Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher kann vorgesehen sein, dass das den ersten Teilvolumenstrom bildende Kältemittel über ein erstes Expansionsorgan entspannt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung durchströmt der erste Teilvolumenstrom nach der Entspannung den Verdampfer, wo er Wärme aus der in den Fahrgastraum strömenden Luft aufnimmt.
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Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das vom Verdichterausgang kommende, heiße, gasförmige Kältemittel, welches den zweiten Teilvolumenstrom bildet, mittels eines zweiten Expansionsorgans geschaltet oder auf einen warmen, immer noch gasförmigen Zustand etwas entspannt wird.
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Die Wärmeabgabe an den Flüssigkeitskühlkreislauf erfolgt nach dem Durchgang durch das ganz geöffnete Expansionsorgan mit evtl. einer kleinen Entspannung des zweiten Teilvolumenstroms auf den warmen, immer noch gasförmigen Zustand über den oben erwähnten, mindestens einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher. Die Wärmeabgabe von dem den zweiten Teilvolumenstrom bildenden Kältemittel an den Flüssigkeitskühlkreislauf kann isobar erfolgen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Teilvolumenstrom nach der Wärmeabgabe an den Flüssigkeitskühlkreislauf über ein drittes Expansionsorgan entspannt wird. Anschließend kann der zweite Teilvolumenstrom mit dem vom Verdampfer kommenden ersten Teilvolumenstrom vermischt werden. Der vermischte (Gesamt-)Kältemittelvolumenstrom wird anschließend erneut vom Verdichter angesaugt.
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Es kann vorgesehen sein, dass zumindest der erste Teilvolumenstrom vor dem Vermischen mit dem zweiten Teilvolumenstrom durch einen Sammler geleitet wird.
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Betrachtet man den Flüssigkeitskühlkreislauf, so kann vorgesehen sein, dass dieser über einen Flüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher (sogenannter „Niedertemperaturkühler“) Wärme an die Umgebung abgibt.
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Wie oben bereits angedeutet, kann der Kältemittelkreislauf auch als Wärmepumpenkreislauf betrieben werden. Im Wärmepumpenbetrieb gibt der vom Verdichter verdichtete und erhitzte Kältemittelvolumenstrom Wärme über einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher an einen Heizkreislauf des Fahrzeugs ab. Der Heizkreislauf wiederum weist einen sogenannten Heizwärmetauscher, d.h. einen Flüssigkeits-/Luftwärmetauscher, auf, über den vom Kältemittelkreislauf kommende, an den Heizkreislauf abgegebene Wärme an die in den Fahrgastraum strömende Luft abgegeben werden kann, wodurch diese erwärmt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Ein log p-H-Diagramm, welches ganz allgemein die Fluidzustände eines im Klimabetrieb betriebenen Kältemittelkreislaufs zeigt;
- 2 zeigt einen wahlweise im Klimabetrieb bzw. im Wärmepumpenbetrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf mit unterkritischer Betriebsweise;
- 3 zeigt qualitativ anhand eines log p-H-Diagramms, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden soll;
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbaren Kältemittelkreislaufs; und
- 5 zeigt die einzelnen Zustände des Kältemittels anhand eines log p-H-Diagramms.
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1 zeigt ein log p-H-Diagramm mit den bei einem typischen Kältemittelkreislauf auftretenden Kältemittelzuständen mit unterkritischer Betriebsweise (z.B. R134a, R1234yf). Der Diagrammbereich unterhalb der Kurve 10 beschreibt Zustände, in denen das Kältemittel teilweise flüssig und teilweise gasförmig ist. Rechts von der Kurve 10 liegen die Zustände, in denen das Kältemittel gasförmig ist. Links der Kurve 10 liegen die Zustände, in denen das Kältemittel flüssig ist.
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Der Zustandspunkt 1' beschreibt den Kältemittelzustand am Verdichtereingang. Hier ist das Kältemittel gerade vollständig gasförmig. Durch Verdichten des Kältemittels wird der Zustand 2' erreicht. Das verdichtete und erhitzte Kältemittel durchströmt anschließend einen Wärmetauscher (z.B. Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher), in dem es isobar vom Zustand 2' auf den Zustand 3' abkühlt. Im Zustand 3' ist das gesamte Kältemittel flüssig (unterkühlter Zustand). Anschließend wird das flüssige, unterkühlte Kältemittel über ein Expansionsorgan auf den Zustand 4' entspannt, wodurch es sich abkühlt. Das abgekühlte Kältemittel durchströmt anschließend einen Verdampfer, wo es Wärme aus der zu kühlenden Luft aufnimmt, so dass erneut der Zustand 1' erreicht wird.
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Bei einem Kältemittel mit überkritischer Betriebsweise (z.B. Kohlendioxid) kann die Wärmeabgabe auch überkritisch erfolgen, d.h. das Kältemittel wird oberhalb des kritischen Drucks und damit oberhalb der Kurve 10 nahezu isobar abgekühlt und erhöht seine Dichte, ohne dass ein Phasenwechsel auftritt.
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2 zeigt einen wahlweise im Klimabetrieb oder im Kältemittelbetrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf 11. Der Kältemittelkreislauf 11 weist einen Verdichter 12 mit einem Saugeingang 13 und einem Druckausgang 14 auf. Das vom Verdichter 12 verdichtete Kältemittel durchströmt einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 15. Über den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 15 ist der Kältemittelkreislauf 11 thermisch mit einem Heizkreislauf 16 gekoppelt. Der Heizkreislauf 16 weist eine Flüssigkeitspumpe 17 und einen Heizwärmetauscher 18 auf. Über den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 15 kann Wärme von dem im Kältemittelkreislauf 11 umgepumpten Kältemittel an eine im Heizkreislauf 16 umgepumpte Flüssigkeit abgegeben werden. Über den Heizwärmetauscher 18 kann Wärme aus dem Heizkreislauf 16 an die in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmende Luft 19 abgegeben werden.
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Nach Durchströmen des Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauschers 15 verzweigt sich der Kältemittelkreislauf 11 an einer Verzweigungsstelle 20 in einen ersten Teilvolumenstrom 21 und einen zweiten Teilvolumenstrom 22. Der erste Teilvolumenstrom 21 durchströmt ein Ventil (Expansionsorgan 23), das je nach Schaltzustand im Wesentlichen ganz oder nahezu ganz geöffnet ist oder als Drossel bzw. als Expansionsorgan fungiert. Nach dem Ventil (Expansionsorgan 23) ist ein Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 24 vorgesehen, über den in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Ventils (Expansionsorgan 23) Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen oder Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Nach dem Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 24 ist ein weiteres Ventil (Expansionsorgan 25) vorgesehen, das im Wesentlichen dieselben Schaltzustände wie das Ventil (Expansionsorgan 23) einnehmen kann, d.h. es kann z.B. ganz oder nahezu ganz geöffnet sein oder als Drossel- bzw. Expansionsorgan geschaltet sein. Nach dem Ventil (Expansionsorgan 25) ist ein weiterer Kältemittel-/Luftwärmetauscher vorgesehen, der im Klimabetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 als Verdampfer 26 fungiert.
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Der zweite Teilvolumenstrom 22 durchströmt nach der Verzweigungsstelle 20 ein Ventil (Expansionsorgan 27), das entsprechend den möglichen Schaltzuständen der Ventile (Expansionsorgane 23, 25) wahlweise ganz oder nahezu ganz geöffnet sein kann bzw. als Drossel- bzw. Expansionsorgan geschaltet oder ganz geschlossen sein kann.
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Das vom Ventil (Expansionsorgan 27) kommende Kältemittel durchströmt anschließend einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28, über den das Kältemittel Wärme an einen Flüssigkeitskühlkreislauf 29 abgeben oder im Heizbetrieb von ihm aufnehmen kann. Der Flüssigkeitskühlkreislauf 29 weist eine Kühlmittelpumpe 30 auf, welches Kühlmittel durch eine zu kühlende Fahrzeugkomponente 31 (z.B. Elektronik, Hochvoltspeicher, elektrische Maschine o.ä.) und weiter durch den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28 pumpt. Vom Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28 kommendes, erwärmtes Kühlmittel durchströmt anschließend einen Niedertemperaturkühler (Flüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher 32), über den die Kühlflüssigkeit Wärme z.B. an die Umgebungsluft abgibt.
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Die beiden Teilvolumenströme 21, 22 werden an einem Knotenpunkt 33 miteinander vermischt. Der Gesamtvolumenstrom durchströmt anschließend einen Sammler 34 und wird danach erneut vom Verdichter 12 angesaugt.
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Wird der Kältemittelkreislauf 11 im Klimabetrieb betrieben, so wird über den Heizwärmetauscher 18 kaum oder überhaupt keine Wärme an die in den Fahrgastraum strömende Luft 19 abgegeben. Somit besteht die Gefahr, dass im Heizkreislauf 16 unzulässig hohe Temperaturen bzw. Drücke entstehen.
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3 verdeutlicht qualitativ, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden soll, nämlich vermeiden, dass am Verdichterausgang unzulässig hohe Kältemitteltemperaturen auftreten, indem am Verdichtereingang eine Überhitzung des Kältemittels vermieden wird bzw. sogar etwas Kältemittel im flüssigen Zustand zur Kühlung im Verdichter dem Verdichter zugeführt wird. Ziel ist es also, am Verdichtereingang anstatt des Zustands 1' den Zustand 1" (in 5 entspricht der Zustand 1" dem Zustand 8) und am Verdichterausgang anstatt des Zustands 2' den Zustand 2" zu erreichen.
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4 zeigt einen Kältemittelkreislauf 11, der weitgehend dem in 2 gezeigten Kältemittelkreislauf entspricht. Identische Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Gemäß der Erfindung wird das vom Verdichter 12 verdichtete heiße, gasförmige Kältemittel an der Verzweigungsstelle 20 in die beiden Teilvolumenströme 21, 22 verzweigt. Im Klimabetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 ist das Ventil (Expansionsorgan 23) vollständig oder nahezu vollständig geöffnet.
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Im Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 24 gibt das Kältemittel des zweiten Teilvolumenstroms 22 Wärme isobar an die Umgebung ab, wodurch es sich auf den in 5 mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichneten Zustand abkühlt (flüssiger, unterkühlter Zustand). Anschließend wird es über das im Klimabetrieb als Expansionsorgan 25 geschaltete Ventil entspannt, wodurch der Zustand 4 erreicht wird. Bei Durchströmen des im Klimabetrieb als Verdampfer 26 fungierenden Kältemittel-/Luftwärmetauschers nimmt das Kältemittel Wärme aus der zu kühlenden Luft auf, wodurch der Zustand 1 erreicht wird.
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Der zweite Teilvolumenstrom 22 wird von dem Druckausgang 14 und auch noch an der Verzweigungsstelle 20 herrschenden heißen, gasförmigen Zustand 2" auf den immer noch warmen, gasförmigen Zustand 5 durchgelassen bzw. etwas entspannt. In diesem Zustand durchströmt das Kältemittel den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28 und gibt dabei Wärme isobar an den Flüssigkeitskühlkreislauf 29 ab, wodurch das Kältemittel den Zustand 6 erreicht.
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Im Unterschied zu 2 ist beim Kältemittelkreislauf der 4 zwischen dem Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28 und dem Knotenpunkt 33 ein Ventil 35 vorgesehen, das im Klimabetrieb geschlossen ist. Das vom Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher 28 kommende isobar abgekühlte Kältemittel des Zustands 6 wird über das Expansionsorgan 36 vom Zustand 6 auf den Zustand 7 entspannt und über ein einfaches Öffnungs- bzw. Schließventil 37 zu einem Knotenpunkt 38 geleitet, wo sich das Kältemittel des Zustands 7 mit dem im Zustand 1 vorliegenden Teilvolumenstrom zum Zustand 8 vermischt. Der Zustand 8 entspricht dem Zustand des Kältemittels am Verdichtereingang.
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Eine andere Ausprägung kann die Zusammenführung der beiden Volumenströme nicht am Knotenpunkt 38 sondern an der Zusammenlegung der Knotenpunkte 33 und 38 am Knotenpunkt 33 vor dem Sammler sein
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In einer weiteren Ausprägung kann das Expansionsorgan 36 und die Schließventile 37 und 35 zu einer Einheit zusammengefasst sein, oder das Expansionsorgan 36 und das Schließventil 37 als ein elektrisches Expansionsventil ausgeformt sein.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, liegen die Zustände 8 bzw. 2" etwas links von den Zuständen 1 bzw. 2. Dies wird durch Betreiben des Kältemittelkreislaufs 11 gemäß der Erfindung erreicht.
