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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem (HVAC-System, hier im Folgenden auch kurz Fahrzeug-Klimasystem genannt) mit einem Kältemittelkreis und ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeug-Klimasystems.
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Bei Fahrzeugen, die rein von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, kann problemlos die Abwärme des Motors zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums verwendet werden, da in der Regel auch bei kalten Umgebungstemperaturen bereits kurz nach dem Start ausreichend überschüssige Wärmeenergie zur Verfügung steht. Ein Kältemittelkreis wird in diesen Fällen ausschließlich zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und eventuell zur Entfeuchtung der Luft, die in den Fahrzeuginnenraum strömt, benötigt. Im Normalfall ist ausreichend Abwärme vorhanden, sodass beispielsweise auch die einströmende Luft zuerst durch den Kältemittelkreis und dessen Verdampfer herunter gekühlt und anschließend wieder auf eine gewünschte, über der Außentemperatur liegende Temperatur aufgeheizt werden kann.
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Bei Personenfahrzeugen mit Hybridantrieben oder rein elektrischen Antriebe, wie sie immer stärker in den Fokus geraten, verringert sich allerdings die Verfügbarkeit von Motorabwärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums. Es ist daher notwendig, andere Wärmequellen zu nutzen.
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Eine Möglichkeit besteht darin, Wärmepumpensysteme einzusetzen, um beispielsweise aus der Umgebung des Fahrzeugs Wärmeenergie zum Heizen des Fahrzeuginnenraums zu gewinnen. Hierzu wurde bereits vorgeschlagen, den existierenden Kältemittelkreis eines Fahrzeugklimasystems zu verwenden. Wie im Fall der Kühlung erfolgt auch der Betrieb als Wärmepumpe über einen Carnot-Prozess.
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Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, im Kältemittelkreis einen Kältemittelsammler vorzusehen, der als Reservoir dient, um unterschiedliche Kältemittelmengen im Kältemittelkreis auszugleichen. Außerdem erlaubt ein Kältemittelsammler eine Trennung in gasförmige und flüssige Kältemittelanteile, was wiederum den Betrieb in unterschiedlichen Betriebsarten erleichtert.
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Der Kältemittelsammler kann auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreises angeordnet sein, um einen direkten Zugriff auf flüssiges Kältemittel zu haben, ohne dass dieses erst in verdampfter Form dem Kompressor zugeführt werden muss.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein flexibel einsetzbares Fahrzeug-Klimasystem zu schaffen, das sowohl eine Kühlung als auch eine Heizung des Fahrzeuginnenraums bewirken kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Fahrzeug-Klimasystem gelöst, das einen Kältemittelkreis aufweist, in dem ein Kompressor vorgesehen ist, der Kältemittel im Kältemittelkreis bewegt, wobei außerdem ein Umgebungs-Wärmetauscher vorgesehen ist, über den Wärmeenergie mit einer Umgebung des Fahrzeug-Klimasystems ausgetauscht werden kann, sowie ein Fahrzeuginnenraummodul, das einen Verdampfer sowie einen Kondensator umfasst, über das Wärmeenergie mit einem Fahrzeuginnenraum ausgetauscht werden kann. Auf einer Hochdruckseite des Kältemittelkreises ist ein Kältemittelsammler angeordnet. Der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls ist so im Kältemittelkreis angeordnet, dass er nur unidirektional vom Kältemittel durchströmbar ist. Dies bedeutet, dass der Kondensator stets nur in einer einzigen Strömungsrichtung vom Kältemittel durchflossen wird und damit auch, dass er immer die Funktion einer Wärmequelle erfüllt. Das Fahrzeug-Klimasystem kann sowohl in einem Modus arbeiten, in dem der Fahrzeuginnenraum gekühlt wird, als auch in einem Modus, in dem der Fahrzeuginnenraum geheizt wird. Der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls wird dabei aber grundsätzlich in einem Modus bestrieben, in dem er potenziell Wärmeenergie an den Fahrzeuginnenraum abgeben kann.
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Im Rahmen dieser Anmeldung kann der Kondensator stets nicht nur so betrieben werden, dass dort gasförmiges Kältemittel kondensiert, sondern auch in einem Betriebszustand, in dem das Kältemittel nur abgekühlt wird, aber in der Gasphase verbleibt (sogenanntes Enthitzen).
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Der Begriff „Kondensator“ schließt also auch einen Gaskühler ein, für den Fall, dass die Wärmeabgabe des Kältemittels ohne Kondensation erfolgt. Dies kann z.B. bei einem Klimasystem auftreten, das mit dem Kältemittel R744 (CO2) transkritisch betrieben wird.
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Der Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls ist in einer möglichen Ausführungsform so ausgelegt, dass er ebenfalls nur unidirektional, also nur in einer Richtung vom Kältemittel durchströmbar ist und stets als Verdampfer arbeitet. In diesem Fall kann der Verdampfer neben der Bereitstellung von Kühlwirkung auch dazu eingesetzt werden, einen Heizprozess des Fahrzeuginnenraums zu unterstützen, indem er in einem Wärmepumpenmodus Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum aufnimmt und dabei gegebenenfalls zusätzlich die Luft im Fahrzeuginnenraum entfeuchtet. Die aufgenommene Wärmeenergie wird über den Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls an den Innenraum zurückgegeben.
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Es ist aber grundsätzlich auch denkbar, den Verdampfer so auszulegen, dass eine bidirektionale Durchströmung mit Kältemittel möglich ist und der Verdampfer wahlweise als Wärmesenke (Verdampfer) oder als zusätzliche Wärmequelle arbeiten kann.
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Der Kältemittelsammler dient allgemein als zentrale Speichereinheit für Kältemittel im Kältemittelkreis und kann vorzugsweise von mehreren der Komponenten im Kältemittelkreis Kältemittel empfangen und an diese Kältemittel liefern. insbesondere, wenn die Komponenten für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt sind
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Der Kompressor ist vorzugsweise so ausgelegt, dass seine Geschwindigkeit regelbar ist, um die Flexibilität des Fahrzeug-Klimasystems weiter zu erhöhen und eine Heiz- bzw. Kühlleistung des Fahrzeug-Klimasystems auf einfache Weise anpassen zu können.
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Bei einem Wechsel von einem Kühlbetrieb zu einem Heizbetrieb, entsprechend einem Wechsel von einem Betrieb als Wärmesenke zu einem Betrieb als Wärmequelle, ist eine Umkehr der Flussrichtung in diversen Komponenten des Fahrzeug-Klimasystems unter Umständen vorteilhaft. Der Kompressor wird selbstverständlich stets nur in einer Richtung durchströmt, in ihm wird grundsätzlich immer das Kältemittel verdichtet. Durch Komponenten, die bidirektional durchströmbar sind, fließt jedoch das Kältemittel bei einem Wechsel zwischen den verschiedenen Modi in unterschiedlicher Strömungsrichtung.
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Eine Umkehr der Strömungsrichtung ist beispielsweise durch ein 3/2-Wege-Ventil erreichbar, das mit der Hochdruckseite des Kompressors, mit der Niederdruckseite des Kompressors und mit einem bidirektionalen Anschluss des Kältemittelsammlers verbunden ist. Anstelle des 3/2-Wege-Ventils kann auch eine Anordnung von mehreren Absperrventilen in den jeweiligen Leitungsabschnitten zwischen den genannten Anschlüssen eingesetzt werden, die die jeweiligen Leitungsabschnitte absperren oder freigeben.
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Der Umgebungs-Wärmetauscher ist vorzugsweise so ausgebildet und so im Kältemittelkreis angeordnet, dass er bidirektional von Kältemittel durchströmbar ist. Auf diese Weise kann er dazu genutzt werden, im Kühlbetrieb des Fahrzeug-Klimasystems Wärme, die aus dem Fahrzeuginnenraum aufgenommen wurde, an die Umgebung abzugeben (Wärmequellenbetrieb), sowie im Heizbetrieb des Fahrzeug-Klimasystems unterstützend als Wärmepumpe zu arbeiten und Wärmeenergie aus der Umgebung des Fahrzeugs aufzunehmen (Wärmesenkenbetrieb).
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Die Flexibilität des Fahrzeug-Klimasystem wird weiter erhöht durch die Möglichkeit, außer den bereits beschriebenen Komponenten wenigstens einen zusätzlichen Wärmetauscher im Kältemittelkreis vorzusehen, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er bidirektional von Kältemittel durchströmbar ist. Insbesondere kann der zusätzliche Wärmetauscher einem elektrischen Energiespeicher, z.B. in Form einer oder mehrerer Batterien, eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der zusätzliche Wärmetauscher kann, je nach Gegebenheit, zur Kühlung oder zur Heizung der Energiespeicher eingesetzt werden. In einem Wärmepumpenbetrieb ist es auch möglich, durch den zusätzlichen Wärmetauscher Wärmeenergie zu gewinnen, um den Fahrzeuginnenraum zu heizen, wenn sich die Energiespeicher auf einem ausreichend hohen Temperaturniveau befinden. Dafür könnte der elektrische Energiespeicher vor Beginn der Fahrt auch gezielt aufgeheizt werden.
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Ein Anschluss des zusätzlichen Wärmetauschers ist vorzugsweise über eine Expansionsvorrichtung mit dem Kältemittelsammler verbunden.
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Weitere zusätzliche Wärmetauscher zur Heizung oder Kühlung geeigneter Fahrzeugkomponenten an geeigneten Stellen im Fahrzeug können ebenfalls in den Kältemittelkreis des Fahrzeug-Klimasystems integriert sein.
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Vorzugsweise sind die jeweiligen zusätzlichen Wärmetauscher generell so im Kältemittelkreis verschaltet, dass sie in eigenständigen, parallelen Teilkreisläufen betrieben werden können, ohne dass sämtliche Wärmetauscher des Fahrzeugs stets seriell durchströmt werden müssen.
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Allgemein können Wärmetauscherkomponenten im Fahrzeug-Klimasystem z.B. der Kondensator und der Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls, der Umgebungs-Wärmetauscher sowie gegebenenfalls ein oder mehrere zusätzliche Wärmetauscher sein.
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Der Druck des zu den Komponenten strömenden sowie des zum Kältemittelsammler rückströmenden Kältemittels lässt sich beispielsweise über zwischengeschaltete Expansionsvorrichtungen flexibel einstellen. Bei den Expansionsvorrichtungen kann es sich generell um elektronische Expansionsventile handeln, zumindest teilweise ist aber auch eine Verwendung von Drosseln mit festem Strömungsquerschnitt in Kombination mit einfachen Absperrventilen denkbar, genauso wie auch die Verwendung von thermischen Expansionsventilen.
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Bevorzugt ist ein erstes Luftleitelement, z.B. in Form eines Shutters, vorgesehen, über das ein Luftstrom in Wechselwirkung mit dem Umgebungs-Wärmetauscher einstellbar ist. Auf diese Weise kann die Luftmenge und eventuell die Luftgeschwindigkeit der über den Umgebungs-Wärmetauscher strömenden Luft eingestellt werden, was den Wärmeübertrag zwischen Umgebungsluft und Umgebungs-Wärmetauscher beeinflusst und die Leistung des Umgebungs-Wärmetauschers somit regelbar macht.
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Wird das erste Luftleitelement in eine geschlossene Stellung bewegt, so kann der Umgebungs-Wärmetauscher im Wesentlichen komplett inaktiv geschaltet werden. Er arbeitet dann lediglich als Kältemittelleitung ohne nennenswerten Wärmeaustausch mit der Umgebung. In diesem Fall kann der Umgebungs-Wärmetauscher auch in einem Enteisungsmodus betrieben werden In einem solchen Enteisungsmodus wird der Umgebungswärmetauscher bevorzugt als Gaskühler oder Kondensator betrieben, d.h. mit Kältemittel von der Hochdruckseite beaufschlagt. Durch die Übertragung von Wärme aus dem Kältemittel auf den Wärmetauscher, insbesondere dessen auf Flachrohre und Lamellen, steigt die Temperatur auf über 0°C, sodass Eis, das sich gegebenenfalls im Wärmepumpenbetrieb dort gesammelt hat, schmilzt und vorwiegend als flüssiges Wasser abgeführt werden kann. Denkbar ist aber auch eine Enteisung mit Kältemittel von der Niederdruckseite, wenn das Druckniveau so hoch gehalten wird, dass die Temperatur des zunächst gasförmigen Kältemittels im Wärmetauscher über 0°C gehalten wird,
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Der Umgebungs-Wärmetauscher kann im Übrigen der normale Frontend-Wärmetauscher eines bekannten Fahrzeug-Klimasystems sein.
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In einer möglichen Ausführungsform sind der Verdampfer und der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls baulich voneinander getrennt. Dies bedeutet, dass es sich um separate Bauteile handelt, die räumlich getrennt, aber auch in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut sein können.
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Vorzugsweise ist ein zweites Luftleitelement vorgesehen, z.B. in Form einer Luftklappe, über das ein Luftstrom, der mit dem Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls wechselwirkt, einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich ein thermischer Bypass des Kondensators realisieren, der es erlaubt, eine Wärmeabgabe vom Kondensator an den Fahrzeuginnenraum zu unterbinden. So lässt sich die Heizwirkung des Kondensators einstellen, von einem Maximalwert bei vollständig geöffnetem zweiten Luftleitelement bis hin zu einem im Wesentlichen vollständigen Abschalten der Heizwirkung, wenn keine Luft über den Kondensator geleitet wird. In diesem Fall wird der Kondensator des Fahrzeuginnenraums nur als Kältemittelleitung genutzt.
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Das zweite Luftleitelement ist dabei vorteilhaft in einem Luftkanal angeordnet, der einen Luftstrom zum Fahrzeuginnenraum leitet. Auf diese Weise kann allein durch eine Einstellung der Luftströmungsbedingungen die Heizleistung für den Fahrzeuginnenraum reguliert werden.
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Der Eingang des Kondensators des Fahrzeuginnenraummoduls ist vorzugsweise mit dem Ausgang des Kompressors verbunden, insbesondere ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten, sodass der Kondensator das nächste Bauteil stromabwärts des Kompressors darstellt. Die Wärme, die durch den Verdichtungsprozess im Kompressor erzeugt wird, wird daher in möglichst hohem Maß an den Kondensator weitergeleitet und steht dort zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung.
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Ein effektiver Heizprozess lässt sich durchführen, wenn der Kältemittelkreis einen Heiz-Teilkreislauf aufweist, in dem nur der Kompressor, der Kondensator und eine Expansionsvorrichtung von Kältemittel durchströmt werden. So kann der Kältemittelkreis in einem sogenannten Dreiecksprozess betrieben werden, bei dem Wärmeenergie durch die Kompression des Kältemittels im Kompressor gewonnen und über den Kondensator an den Fahrzeuginnenraum weitergeleitet wird. Die Expansionsvorrichtung bewirkt dabei stromab des Ausgangs des Kondensators eine Entspannung des Kältemittels und bildet den Übergang von der Hochdruck- zur Niederdruckseite im Heiz-Teilkreislauf. Die Expansionsvorrichtung kann beispielsweise ein elektronisches Expansionsventil sein, eine Drossel mit festem Querschnitt in Kombination mit einem Absperrventil, oder auch eine Drossel in Form eines Leitungsstücks mit einem reduzierten Durchmesser, das einen entsprechenden Druckverlust generiert.
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Ein Anschluss des Umgebungs-Wärmetauschers und ein Anschluss des Verdampfers des Fahrzeuginnenraummoduls können mit dem Kältemittelsammler verbunden sein, wobei diese Komponenten vorzugsweise parallel zueinander mit dem Kältemittelsammler verbunden sind. Vorzugsweise liegen zwischen den jeweiligen Wärmetauschern und dem Kältemittelsammler keine weiteren Wärmetauscherkomponenten.
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Beispielsweise kann in einem Betriebsmodus der Umgebungs-Wärmetauscher als Kondensator (also als Wärmequelle) arbeiten und der Verdampfer als Kühlung (also als Wärmesenke), während der Kältemittelsammler in Reihe zwischen diesen beiden Komponenten geschaltet ist. Dies stellt einen normalen Klimaanlagenbetrieb zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums dar.
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In einem anderen Betriebsmodus, in dem der Fahrzeuginnenraum geheizt wird, kann beispielsweise der Umgebungs-Wärmetauscher als Wärmepumpe (also als Wärmesenke) arbeiten, während der Verdampfer weiterhin im Kühlbetrieb läuft (also ebenfalls als Wärmesenke arbeitet). Der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls wird in diesem Fall genutzt, um Wärmeenergie an den Fahrzeuginnenraum abzugeben. So wird ein Heizbetrieb mithilfe von Umgebungswärme und der über den Verdampfer aus dem Innenraum zurückgewonnenen Wärme realisiert. Die Kühlwirkung des Verdampfers kann dabei die Innenraumluft entfeuchten.
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Der zusätzliche Wärmetauscher kann in diesem Modus beispielsweise als weitere Wärmepumpe betrieben werden, um Wärmeenergie zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zu gewinnen. Falls dies notwendig sein sollte, kann der zusätzliche Wärmetauscher aber auch in einem Heizbetrieb arbeiten, um beispielsweise die elektrischen Energiespeicher bei kalter Umgebungstemperatur zu beheizen.
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Zwischen dem Umgebungs-Wärmetauscher und dem Kältemittelsammler und zwischen dem Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls und dem Kältemittelsammler ist vorteilhaft jeweils eine Expansionsvorrichtung vorgesehen. Die Expansionsvorrichtungen können jeweils bidirektional ausgelegt sein, sodass sie in beiden Strömungsrichtungen eine Expansion des durchfließenden Kältemittels bewirken.
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Der Kältemittelsammler hat vorzugsweise wenigstens einen bidirektionalen Anschluss, der als Einlass für das Kältemittel von einem bidirektionalen Wärmetauscher, der als Kondensator arbeitet oder als Auslass für flüssiges Kältemittel zu einem bidirektionalen Wärmetauscher, der als Verdampfer arbeitet, genutzt werden kann. Alle bidirektionalen Wärmetauscher sind vorteilhaft mit bidirektionalen Anschlüssen des Kältemittelsammlers verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Ausgang des Kondensators des Fahrzeuginnenraummoduls strömungsmäßig und ohne Zwischenschaltung eines weiteren Wärmetauschers mit dem Kältemittelsammler verbunden. In diesem Fall nimmt der Kältemittelsammler Kältemittel aus einer Komponente auf, die ausschließlich als Wärmequelle, insbesondere als Kondensator oder Enthitzer, arbeitet. Der Anschluss kann daher an einem unidirektionalen Anschluss des Kältemittelsammlers erfolgen.
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In dem Leitungsabschnitt zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelsammler kann stromaufwärts des Kältemittelsammlers ein Absperrventil vorgesehen sein, sodass die Strömungsverbindung zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelsammler in diesem Leitungsabschnitt komplett unterbrochen und die direkte Rückleitung von flüssigem Kältemittel vom Kondensator zum Kältemittelsammler unterbunden werden kann. Optional ist zur Druckminderung eine Drossel mit fester Öffnung in diesem Leitungsabschnitt vorgesehen. Die Drossel kann beispielsweise auch in den unidirektionalen Anschluss des Kältemittelsammlers integriert sein.
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Stromabwärts des Ausgangs des Kondensators des Fahrzeuginnenraummoduls ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet, der unidirektional mit dem Kältemittelsammler verbunden ist. Der Flüssigkeitsabscheider trennt die flüssige von der gasförmigen Phase des Kältemittels. Der Flüssigkeitsabscheider hat einen Auslass für Kältemittel in der überwiegend flüssigen Phase, der mit dem unidirektionalen Einlass des Kältemittelsammlers verbunden ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets überwiegend flüssiges Kältemittel vom Ausgang des Kondensators zum Kältemittelsammler zurückgeführt wird. Vorzugsweise sind der Kondensator, der Flüssigkeitsabscheider und der Kältemittelsammler in Reihe miteinander verbunden.
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Der Flüssigkeitsabscheider hat vorzugsweise einen Einlass, der mit dem Kondensatorausgang verbunden ist, sowie wenigstens einen Auslass für gasförmiges Kältemittel, der strömungsmäßig jeweilig mit bidirektionalen Wärmetauschern des Fahrzeug-Klimasystems oder dem Kompressoreingang verbunden ist sind.
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Zwischen dem Ausgang des Kondensators und dem Flüssigkeitsabscheider kann stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Flüssigkeitsabscheiders eine Expansionsvorrichtung, insbesondere ein elektronisches Expansionsventil (EXV) vorgesehen sein.
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Es ist möglich, zwischen dem Flüssigkeitsabscheider und dem Kältemittelsammler eine Expansionsvorrichtung vorzusehen, die z.B. statisch als Drossel oder einstellbar als Expansionsventil ausgeführt sein kann. Diese Expansionsvorrichtung erfüllt mehrere Aufgaben. Durch den induzierten Druckverlust verhindert sie das schnelle Ablaufen des flüssigen Kältemittels in den Kältemittelsammler. Dadurch staut sich das Kältemittel bis zum Flüssigkeitsabscheider oder sogar bis zum Kondensator an. Im ersten Fall wird dadurch verhindert, dass gasförmiges Kältemittel durch den Ausgang des Flüssigkeitsabscheiders, der für flüssiges Kältemittel vorgesehen ist, in den Kältemittelsammler strömt. Im zweiten Fall führt die Rückstauung von Kältemittel bis zum Kondensator dazu, dass das Kältemittel in dem Kondensator unterkühlt wird und das System effizienter betrieben werden kann. In beiden Fällen senkt die Expansionsvorrichtung den Druck und damit auch die Temperatur des Kältemittels im Kältemittelsammler ab, so dass im Winterbetrieb beim Heizen Wärmeverluste über die Außenwände des Kältemittelsammlers reduziert werden.
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In bestimmten Betriebsfällen werden die Äste zwischen dem Auslass für flüssiges Kältemittel des Flüssigkeitsabscheiders, der Expansionsvorrichtung und dem Kältemittelsammler einerseits und wenigstens einem Auslass für gasförmiges Kältemittel des Flüssigkeitsabscheiders, einem weiteren Kondensator und dem Kältemittelsammler andererseits parallel durchströmt. Dabei stellt sich über beide Äste der gleiche Druckverlust ein. Durch die Expansionsvorrichtung in dem ersten Ast kann die Aufteilung der Kältemittelmassenströme auf die beiden Äste beeinflusst und ein gleichmäßigerer Strömungswiderstand in beiden Ästen eingestellt werden.
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In einer möglichen Ausführungsform ist wenigstens ein innerer Wärmetauscher vorgesehen, der einen Austausch von Wärmeenergie zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Kältemittelkreises erlaubt. Ein innerer Wärmetauscher kann beispielsweise zwischen Hin- und Rückleitung zum Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls vorgesehen sein, zwischen einem Leitungsabschnitt zwischen dem Umgebungs-Wärmetauscher und dem Kältemittelsammler und der Niederdruckrückleitung zum Kompressor, aber auch zwischen dem Leitungsabschnitt zwischen zusätzlichem Wärmetauscher und Kältemittelsammler und der Niederdruckseite eines Leitungsabschnitts des Heiz-Teilkreislaufes. Es können all die beschriebenen inneren Wärmetauscher oder nur einzelne davon vorgesehen sein, auch innere Wärmetauscher an anderen Stellen sind natürlich einsetzbar.
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Außerdem ist es möglich, im Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls ein phasenveränderliches Material als Kältespeicher vorzusehen. Dieses sorgt dafür, dass bei Stillstand des Kompressors, wenn ein Luftstrom über den Verdampfer geleitet wird, das phasenveränderliche Material Wärmeenergie aufnimmt, sodass eine zeitweise Innenraumkühlung ohne Kältemittelströmung aufrechterhaltbar ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeug-Klimasystems mit einem Kältemittelkreis, einem Kompressor, einem Fahrzeuginnenraummodul mit einem Kondensator und einem auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreises angeordneten Kältemittelsammler, wobei der Kältemittelkreis einen Heiz-Teilkreislauf umfasst, in dem der Kompressor und der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls angeordnet sind. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Fahrzeug-Klimasystem handeln, wie es oben beschrieben wurde. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kältemittelkreis so betrieben, dass der Kältemittelsammler mit dem Heiz-Teilkreislauf verbunden, aber nicht mit dem Kompressor und dem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Zusätzlich kann noch eine Expansionsvorrichtung zwischen dem Kondensatorausgang und dem Kompressoreingang zur Druckregelung eingesetzt werden.
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Auf diese Weise kann der Kältemittelsammler gezielt und flexibel dazu genutzt werden, Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf aufzunehmen, um die zirkulierende Kältemittelmenge zu reduzieren oder Kältemittel abzugeben, um die gerade im Kältemittelkreis zirkulierende Kältemittelmenge zu erhöhen.
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Bedarfsweise kann beispielsweise über den Flüssigkeitsabscheider flüssiges Kältemittel zum Kältemittelsammler zurückgeführt werden, um die Kältemittelmenge im Heiz-Teilkreislauf zu reduzieren. Dies erfolgt bei einem oben beschriebenen Fahrzeug-Klimasystem beispielsweise durch Schließen des Expansionsventils zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher und dem Kältemittelsammler und Öffnen des Absperrventils im Leitungsabschnitt zwischen dem Flüssigkeitsabscheider und dem Umgebungs-Wärmetauscher und dem Öffnen der Expansionsvorrichtung zwischen Umgebungs-Wärmetauscher und Kältemittelsammler. Hierdurch fließt Kältemittel in den Kältemittelsammler. Alternativ kann dies auch erreicht werden, indem das Absperrventil zwischen Flüssigkeitsabscheider und Kältemittelsammler geöffnet wird, sodass flüssiges Kältemittel direkt zum Kältemittelsammler zurückströmt, wenn das Fahrzeug-Klimasystem einen derartigen Leitungsabschnitt aufweist.
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In einem anderen Modus wird bedarfsweise aus dem Kältemittelsammler flüssiges Kältemittel in den Heiz-Teilkreislauf überführt, um die Kältemittelmenge im Heiz-Teilkreislauf zu erhöhen. Dies ist beispielsweise möglich durch das Öffnen der Expansionsvorrichtungen zwischen dem Kältemittelsammler und dem Umgebungs-Wärmetauscher oder dem zusätzlichen Wärmetauscher, wodurch flüssiges Kältemittel verdampft wird und durch den Kompressor in den Heiz-Teilkreislauf angesaugt wird.
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Neben dem oben beschriebenen Dreiecksprozess, bei dem nur der Kompressor und der Kondensator des Fahrzeuginnenraummoduls durchströmt werden, ist es beispielsweise auch möglich, parallel zu diesem Heiz-Teilkreislauf wenigstens einen Wärmepumpen-Teilkreislauf von Kältemittel durchströmen zu lassen, der den Kältemittelsammler sowie den Umgebungs-Wärmetauscher, den Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls oder den zusätzlichen Wärmetauscher umfasst, die dann jeweils als Wärmepumpe betrieben werden. Jeder dieser Wärmetauscher bildet vorzugsweise mit dem Kältemittelsammler einen eigenen Wärmepumpen-Teilkreislauf, der getrennt vom oder parallel zum Heiz-Teilkreislauf durchströmt werden kann. Es kann zusätzlich einer oder mehrere dieser Wärmetauscher-Teilkreisläufe parallel zum Heiz-Teilkreislauf betrieben werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Betriebsmodus;
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2 das Fahrzeug-Klimasystem aus 1 in einem zweiten Betriebsmodus;
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3 das Fahrzeug-Klimasystem aus 1 in einem dritten Betriebsmodus;
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4 eine zweite Ausführungsform des Fahrzeug-Klimasystems aus 1;
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5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems aus 6;
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8 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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9 bis 11 schematische Schnittzeichnungen eines Kältemittelsammlers eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems; und
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12 einen Ausschnitt des Fahrzeug-Klimasystems aus 6.
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1 zeigt ein Fahrzeug-Klimasystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Das Fahrzeug-Klimasystem 10 hat einen Kältemittelkreis 12, der von einem geeigneten Kältemittel durchströmt wird. Im Kältemittelkreis 12 ist ein Kompressor 14 angeordnet, der das Kältemittel bewegt. Das Kältemittel erreicht den Kompressor 14 im Wesentlichen in gasförmigem Zustand und wird in diesem verdichtet. Der Kompressor 14 ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass er mit variabler Förderleistung, insbesondere mit variabler Drehzahl, betrieben werden kann.
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Der Ausgang des Kompressors 14 ist mit einem Eingang eines Kondensators 16 verbunden, wobei der Kondensator 16 strömungsmäßig das direkt anschließende Bauteil zum Kompressor 14 bildet.
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Der Kondensator 16 ist Teil eines Fahrzeuginnenraummoduls 18, das außer dem Kondensator 16 noch einen Verdampfer 20 umfasst. Der Kondensator 16 und der Verdampfer 20 sind hier als separate Bauteile ausgebildet und können räumlich getrennt, aber auch räumlich dicht beieinanderliegend angeordnet sein. Sowohl der Kondensator 16 als auch der Verdampfer 20 haben jeweils eigene Ein- und Ausgänge für das Kältemittel, die vollständig voneinander getrennt sind, wie auch der Kältemittelstrom im Inneren von Kondensator 16 und Verdampfer 20 vollständig separiert verläuft.
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Der Kältemittelkreis 12 umfasst außerdem einen Umgebungs-Wärmetauscher 22, der Wärmeenergie mit der Umgebung des Fahrzeugs austauschen kann. Hierbei kann es sich um einen normalerweise in Fahrzeug-Klimasystemen vorgesehenen Wärmetauscher im Kühlmodul des Front-Ends handeln.
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Der Kondensator 16 ist, was die Durchströmung mit Kältemittel angeht, unidirektional ausgelegt, das heißt Kältemittel strömt stets vom Kompressor 14 aus durch den Kondensator 16 und behält auch im Inneren des Kondensators 16 stets dieselbe Strömungsrichtung bei. Dies hat zur Folge, dass der Kondensator 16 nur in einem einzigen Betriebsmodus, nämlich als Wärmequelle, betrieben werden kann.
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Der Umgebungs-Wärmetauscher 22 ist hingegen bidirektional ausgelegt, was bedeutet, dass er in zwei entgegengesetzten Strömungsrichtungen von Kältemittel durchströmbar ist. In der einen Strömungsrichtung arbeitet der Umgebungs-Wärmetauscher 22 als Kondensator und gibt Wärme an die Umgebung ab und dient somit als Wärmequelle, während er bei Durchströmung in der anderen Richtung als Verdampfer arbeitet, Wärmeenergie aus der Umgebung des Fahrzeugs aufnimmt und somit eine Wärmesenke darstellt.
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Der Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass er nur unidirektional durchströmbar ist und stets als Verdampfer zur Kühlung der in den Fahrzeuginnenraum einströmenden Luft arbeitet. Es wäre jedoch auch denkbar, den Verdampfer 20 bidirektional auszulegen, sodass er auch bei entgegengerichteter Strömungsrichtung in einem Kondensatormodus als zusätzliche Wärmequelle für den Fahrzeuginnenraum dienen könnte.
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Im Kältemittelkreis 12 ist ein Kältemittelsammler 24 angeordnet, in dem flüssiges Kältemittel gesammelt werden kann, sodass es momentan dem Kältemittelkreis 12 entzogen ist. Der Kältemittelsammler 24 befindet sich auf der Hochdruckseite oder zumindest einem Zwischendruckniveau des Kältemittelkreises 12. Eine genauere Darstellung findet sich in den 9 bis 12.
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Der Kältemittelsammler 24 ist in Strömungsverbindung mit dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 angeordnet, wobei zwischen diesen beiden Komponenten lediglich eine als elektronisches Expansionsventil ausgebildete Expansionsvorrichtung 26 geschaltet ist. Die Expansionsvorrichtung 26 ist so ausgelegt, dass sie bidirektional durchströmbar ist, wobei jedes Mal auf der stromabwärts gelegenen Seite der Expansionsvorrichtung 26 ein Druckabfall entsteht.
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Der Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 ist ebenfalls mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, wobei strömungsmäßig zwischen diesen beiden Bauteilen nur eine Expansionsvorrichtung 28 vorgesehen ist. Die Expansionsvorrichtung 28 ist hier durch ein thermisches Expansionsventil in Reihe mit einem einfachen Absperrventil gebildet.
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Außerdem ist in diesem Beispiel noch ein zusätzlicher Wärmetauscher 30 im Kältemittelkreis 12 vorgesehen, der hier einem (in 1 angedeuteten) elektrischen Energiespeicher 25 des Fahrzeugs zugeordnet ist, beispielsweise einem Satz von Batterien, der elektrische Antriebsenergie liefern, etwa bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Der zusätzliche Wärmetauscher 30 ist hier ebenfalls bidirektional ausgelegt und ist strömungsmäßig mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, wobei im Leitungsabschnitt zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher 30 und dem Kältemittelsammler 24 lediglich eine Expansionsvorrichtung 32 vorgesehen ist, die hier analog zur Expansionsvorrichtung 26 als elektronisches Expansionsventil ausgebildet ist.
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Der Kältemittelkreis 12 umfasst mehrere, teils parallel verlaufende Teilkreisläufe.
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Hierzu sind mehrere Knotenpunkte K1, K2, K3, K4 vorgesehen, an denen jeweils drei oder mehr Leitungsabschnitte zusammenlaufen. Insgesamt besteht der hier gezeigte Kältemittelkreis 12 aus den folgenden Leitungsabschnitten (siehe auch z.B. 1).
Leitungsabschnitt A: vom Ausgang des Kondensators 16 zum Knotenpunkt K1,
Leitungsabschnitt B: vom Knotenpunkt K1 zum Knotenpunkt K3 vor dem Umgebungs-Wärmetauscher 22,
Leitungsabschnitt C: vom Knotenpunkt K3 zum Knotenpunkt K2,
Leitungsabschnitt D: vom Knotenpunkt K3 durch den Umgebungs-Wärmetauscher 22 zum Kältemittelsammler 24,
Leitungsabschnitt E: vom Kältemittelsammler 24 zum Eingang des Verdampfers 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18,
Leitungsabschnitt F: vom Ausgang des Verdampfers 20 zum Knotenpunkt K2,
Leitungsabschnitt G: vom Knotenpunkt K1 zum Knotenpunkt K4 vor dem zusätzlichen Wärmetauscher 30,
Leitungsabschnitt H: vom Knotenpunkt K4 über den zusätzlichen Wärmetauscher 30 zum Kältemittelsammler 24,
Leitungsabschnitt I: vom Knotenpunkt K4 zum Knotenpunkt K2,
Leitungsabschnitt J: vom Knotenpunkt K2 zum Eingang des Kompressors 14, sowie (der Vollständigkeit halber),
Leitungsabschnitt K: vom Ausgang des Kompressors 14 zum Eingang des Kondensators 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18.
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Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Komponenten ist im Leitungsabschnitt B ein Absperrventil 34 angeordnet, im Leitungsabschnitt C ein Absperrventil 36 und im Leitungsabschnitt I ein Absperrventil 38. Im Leitungsabschnitt G befindet sich eine Expansionsvorrichtung 40, beispielsweise ein elektronisches Expansionsventil. Die Durchströmung der Leitungsabschnitte B, C, D, E, G, H und I kann also individuell ganz oder teilweise unterbunden werden, wodurch sich unterschiedliche parallele Teilkreisläufe realisieren können, die im Folgenden noch näher beschrieben werden. Einige der Teilkreisläufe können den Kältemittelsammler 24 umfassen.
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Der Kältemittelsammler 24 bildet zusammen mit den beiden Expansionsvorrichtungen 26, 32 eine bidirektionale Flussmanagementzentrale 42.
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Dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 ist ein erstes Luftleitelement 44 zugeordnet, hier in Form eines Shutters, das im geschlossenen Zustand einen Luftstrom durch den Umgebungs-Wärmetauscher 22 und damit eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft oder eine Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft praktisch vollständig verhindern kann. Durch Schließen des ersten Luftleitelements 44 lässt sich somit der Umgebungs-Wärmetauscher 22 im Wesentlichen inaktiv schalten.
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Außerdem ist ein zweites Luftleitelement 46 in Form einer Luftklappe vorgesehen, das in einem Luftkanal 48 angeordnet ist, über den Luft, die in den Fahrzeuginnenraum gelangen soll, durch den Kondensator 16 geführt wird, um von diesem Wärme aufzunehmen. Wird das zweite Luftleitelement 46 geschlossen, so erfolgt im Wesentlichen keine Wärmeabgabe an die in den Fahrzeuginnenraum einströmende Luft, und der Kondensator 16 ist bezüglich seiner Heizwirkung inaktiv geschaltet.
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Der zusätzliche Wärmetauscher 30 könnte ebenfalls mit einem Luftleitelement versehen sein, um seine Kühlwirkung einstellbar zu machen.
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Das Fahrzeug-Klimasystem 10, dargestellt in den 1 bis 3, kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden.
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1 zeigt einen ersten Betriebsmodus, der einem Heizmodus des Fahrzeuginnenraums entspricht.
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In diesem Betriebsmodus strömt das Kältemittel vom Kompressor 14, wo es verdichtet und dadurch erhitzt wird, in den Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18. Dort nimmt die durch den Luftkanal 48 strömende Luft Wärme aus dem Kältemittel auf und führt sie mit dem Luftstrom dem Fahrzeuginnenraum zu. Das zweite Luftleitelement 46 ist dabei in geöffneter Stellung, um eine Luftdurchströmung durch den Luftkanal 48 zu ermöglichen. Über die Stellung des zweiten Luftleitelements 46 besteht eine Möglichkeit, die Heizwirkung zu regulieren.
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Nach Passieren des Kondensators 16 strömt das Kältemittel, immer noch unter hohem Druck stehend, durch den Leitungsabschnitt G und die geöffnete Expansionsvorrichtung 40 zum zusätzlichen Wärmetauscher 30. Dieser arbeitet hier ebenfalls als Kondensator, gibt also Wärme an die ihm zugeordneten Komponenten, beispielsweise die Batterien eines elektrischen Antriebs, ab. Durch den Leitungsabschnitt H strömt das Kältemittel immer noch unter hohem Druck, aber teilweise abgekühlt in den Kältemittelsammler 24, wo flüssige Anteile abgeschieden und gesammelt werden.
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Die flüssigen Anteile des Kältemittels werden über den Leitungsabschnitt D zum Umgebungs-Wärmetauscher 22 geführt, der in diesem Fall als Wärmepumpe arbeitet und Wärmeenergie aus der Umgebung des Fahrzeugs aufnimmt. Bei Passieren der Expansionsvorrichtung 26 im Leitungsabschnitt D stromaufwärts des Umgebungs-Wärmetauschers 22 entspannt sich das Kältemittel, sodass es nach Passieren des Umgebungs-Wärmetauschers 22 einen niedrigen Druck aufweist und im Wesentlichen gasförmig ist. Das Kältemittel durchströmt anschließend nach dem Knotenpunkt K3 den Leitungsabschnitt C durch das geöffnete Absperrventil 36 und gelangt über den Knotenpunkt K2 in den Leitungsabschnitt J und zurück zum Eingang des Kompressors 14.
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Parallel zur Durchströmung des Umgebungs-Wärmetauschers 22 fließt Kältemittel auch vom Kältemittelsammler 24 zum Eingang des Verdampfers 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 (siehe auch 9 bis 12). Die Kältemittelmenge, die in den Verdampfer 20 gelangt, lässt sich beispielsweise über die Expansionsvorrichtung 28 regeln. Der Verdampfer 20 nimmt Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum auf und entfeuchtet dabei gleichzeitig die Luft im Fahrzeuginnenraum. Das Kältemittel gelangt nun über den Leitungsabschnitt F zum Knotenpunkt K2 und von dort ebenfalls über den Leitungsabschnitt J zurück zum Kompressor 14.
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Wird eine Durchströmung des Verdampfers 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 nicht gewünscht, so kann dieser Strömungszweig durch Schließen der Expansionsvorrichtung 28, hier durch Schließen des im Leitungsabschnitt E enthaltenen Absperrventils, unterbunden werden. Es hat sich jedoch als hilfreich herausgestellt, den Verdampfer 20 zum Entfeuchten der Luft des Fahrzeuginnenraums einzusetzen, zumal die so gewonnene Wärmeenergie in den Kältemittelkreis 12 zurückgeführt wird.
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Im Heizmodus ist es auch möglich, den Umgebungs-Wärmetauscher 22 inaktiv zu schalten, indem die Expansionsvorrichtung 26 geschlossen wird, sodass der Kältemittelstrom ausschließlich über den Verdampfer 20 zurück zum Kompressor 14 fließt.
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2 zeigt einen zweiten Betriebsmodus für das Fahrzeug-Klimasystem 10, nämlich einen Kühlmodus für den Fahrzeuginnenraum.
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Vom Ausgang des Kompressors 14 strömt das Kältemittel wieder in derselben Strömungsrichtung wie im Heizmodus durch den Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 zum Knotenpunkt K1. Von dort strömt das Kältemittel durch den Leitungsabschnitt B und das geöffnete Absperrventil 34 durch den Umgebungs-Wärmetauscher 22, der hier in der entgegengesetzten Strömungsrichtung wie im Heizmodus durchflossen wird. Der Umgebungs-Wärmetauscher 22 arbeitet in diesem Modus als Kondensator und gibt überschüssige Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs ab, wodurch das Kältemittel abgekühlt wird. Das Kältemittel wird durch den Leitungsabschnitt D zum Kältemittelsammler 24 zurückgeführt. Von dort werden flüssige Anteile des Kältemittels über den Leitungsabschnitt H zum zusätzlichen Wärmetauscher 30 geführt, der hier als Verdampfer arbeitet und die ihm zugeordnete Komponente kühlt. Über den Leitungsabschnitt I und das geöffnete Absperrventil 38 gelangt das Kältemittel vom zusätzlichen Wärmetauscher 30 zum Knotenpunkt K2 und von dort über den Leitungsabschnitt J zurück zum Eingang des Kompressors 14.
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Zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums wird flüssiges Kältemittel vom Kältemittelsammler 24 aus dem Kältemittelsammler 24 über den Leitungsabschnitt E und die Expansionsvorrichtung 28 in den Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 geleitet, wo das Kältemittel verdampft und erwärmt wird und dabei Wärme aus der in den Fahrzeuginnenraum geleiteten Luft aufnimmt. Über den Leitungsabschnitt F, den Knotenpunkt K2 und den Leitungsabschnitt J gelangt das nun gasförmige und erwärmte Kältemittel zurück zum Kompressor 14.
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Wenn In diesem Fall eine Aufheizung des Fahrzeuginnenraums unerwünscht ist, kann der Luftleitkanal 48 durch das zweite Luftleitelement 46 im Wesentlichen verschlossen sein, wodurch der Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls im Prinzip inaktiv geschaltet wird. Die in den Fahrzeuginnenraum geleitete Luft kann über einen (nicht gezeigten) Bypass zum Luftkanal 48 unter Umgehung des Kondensators 16 in den Fahrzeuginnenraum geleitet werden. Die Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum lässt sich somit praktisch komplett unterbinden.
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Natürlich kann der Kondensator 16 auch dazu verwendet werden, die im Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 herunter gekühlte und entfeuchtete Luft wieder auf den vom Fahrzeuginsassen gewünschten Wert zu erwärmen.
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Die nicht erwähnten Absperrventile in den restlichen Leitungsabschnitten sind im jeweiligen Betriebsmodus geschlossen, um den Kältemittelkreis 12 auf die beschriebenen Leitungsabschnitte zu beschränken. Dies gilt im Übrigen für sämtliche Betriebsmodi des Fahrzeug-Klimasystems.
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Im Kühlungsbetriebsmodus werden hier parallel der zusätzliche Wärmetauscher 30 und der Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 durchströmt. Wird eine Kühlwirkung im zusätzlichen Wärmetauscher 30 nicht benötigt, so kann über eine entsprechende Einstellung der Expansionsvorrichtung 32 die Durchströmung des zusätzlichen Wärmetauschers 30 reduziert oder ganz unterbrochen werden.
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Sowohl der Umgebungs-Wärmetauscher 22 als auch der zusätzliche Wärmetauscher 30 können hier bidirektional betrieben werden und entweder als Wärmepumpe, also als Verdampfer, oder als Kondensator, also als Wärmequelle, arbeiten.
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Der Umgebungs-Wärmetauscher 22 kann im Kühlbetrieb auch zum Enteisen eingesetzt werden. Dafür wird beispielsweise erst das Luftleitelement 44 geschlossen, sodass der Umgebungs-Wärmetauscher 22 luftseitig nicht durchströmt wird. Dem Umgebungs-Wärmtauscher 22 wird dann Wärme zugeführt, um das Eis zu verflüssigen und das flüssige Wasser zu drainieren.
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Die Wärme kann dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 auf zwei Arten zugeführt werden:
Der Umgebungs-Wärmetauscher 22 kann durch Öffnen des Absperrventils 34 und der Expansionsvorrichtung 26 unter Schließen des Absperrventils 36 im Kondensationsmodus auf der Hochdruckseite betrieben werden.
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Alternativ können das Absperrventil 34 und die Expansionsvorrichtung 26 geschlossen sowie das Absperrventil 36 geöffnet werden, so dass der Umgebungs-Wärmetauscher 22 mit der Niederdruckseite kommuniziert, aber nicht von Kältemittel durchströmt wird. Der Druck auf der Niederdruckseite wird so weit angehoben, dass die Sättigungstemperatur des gasförmigen Kältemittels 0°C übersteigt. Wie im normalen Kondensationsbetrieb verflüssigt sich das gasförmige Kältemittel und gibt seine Wärme an den Umgebungs-Wärmetauscher 22 ab, sodass das Eis auf dessen Flachrohren und Lamellen verflüssigt wird und abfließt. Durch die Verflüssigung des Kältemittels in dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 kommt es zu einer Volumenkontraktion, durch die weiteres gasförmiges Kältemittel in den Umgebungs-Wärmetauscher 22 eingesogen wird, bis das Eis entweder geschmolzen ist oder der Umgebungs-Wärmetauscher 22 mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist und kein weiteres gasförmiges Kältemittel mehr einsaugen kann.
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Ein dritter Betriebsmodus ist der sogenannte Dreiecksprozess, der in 3 dargestellt ist.
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In diesem Fall wird nur ein Heiz-Teilkreislauf 12' des Kältemittelkreises 12 von Kältemittel durchströmt, in dem lediglich der Kompressor 14, der Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 sowie eine Expansionsvorrichtung, in diesem Fall die Expansionsvorrichtung 40 im Leitungsabschnitt G, enthalten sind.
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Die Expansionsvorrichtung 40 dient dabei dazu, das Kältemittel zu entspannen, sodass sie den Übergang von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Heiz-Teilkreislaufs 12' markiert.
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Der in 3 mit den ungefüllten Pfeilen verdeutlichte Heiz-Teilkreislauf 12' umfasst also die Leitungsabschnitte K, A, G, I und J und die Knotenpunkte K1, K4 und K2.
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In diesem Betriebsmodus erfolgt ein schnelles Aufheizen des Kondensators 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 durch die beim Verdichten des Kältemittels im Kompressor 14 erzeugte Wärme. Da die Wärme in keiner anderen Komponente abgeführt wird, lässt sich so sehr schnell ein ausreichender Wärmeeintrag in den Fahrzeuginnenraum erreichen.
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Im Dreiecksprozess wird der Kondensator 16 als Enthitzer betrieben. Das vom Kompressor 14 komprimierte und überhitzte Kältemittel wird bis zur Sättigung gekühlt und kondensiert dann nur so weit, dass es nach der Expansion wieder komplett gasförmig ist. Dadurch wird verhindert, dass flüssiges Kältemittel, z.B. als Tropfen, in den Kompressor 14 gesogen wird.
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Es ist möglich, die Kältemittelmenge im Heiz-Teilkreislauf 12' zu erhöhen, indem flüssiges Kältemittel zusätzlich aus dem Kältemittelsammler 24 zugeführt wird. Hierzu wird die Expansionsvorrichtung 32 im Leitungsabschnitt H ganz oder teilweise geöffnet, sodass über den zusätzlichen Wärmetauscher 30 Kältemittel vom Kompressor 14 in den Leitungsabschnitt I und damit in den Heiz-Teilkreislauf 12' gesaugt werden kann.
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Die Kältemittelmenge im Heiz-Teilkreislauf 12' kann reduziert werden, um z.B. die Heizleistung zu reduzieren. Dafür wird die Expansionsvorrichtung 40 ganz oder teilweise geschlossen und das Absperrventil 34 im Leitungsabschnitt B sowie die Expansionsvorrichtung 26 geöffnet. In diesem Fall strömt Kältemittel vom Kondensator 16 über den ersten Knotenpunkt K1 und den Umgebungs-Wärmetauscher 22 zurück zum Kältemittelsammler 24. Die Expansionsvorrichtung 32 im Leitungsabschnitt H vor dem zusätzlichen Wärmetauscher 30 wird dann entsprechend teilweise oder ganz geschlossen.
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In diesem Fall wird vorzugsweise der Umgebungs-Wärmetauscher 22 als Kondensator betrieben, um das Kältemittel unter hohem Druck zu verflüssigen, sodass es im Kältemittelsammler 24 im Heiz-Teilkreislauf 12' aufgenommen und so dem Heiz-Teilkreislauf 12' entzogen werden kann.
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Natürlich sind auch hier Varianten möglich, insbesondere was das ganz oder teilweise Öffnen und Schließen von Ventilen und Expansionsvorrichtungen angeht.
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Die für die einzelnen Betriebsmodi genannten Variationsmöglichkeiten lassen sich natürlich im Ermessen des Fachmanns auch gegeneinander austauschen oder miteinander kombinieren, insbesondere was den Öffnungs- und Schließgrad von Expansionsvorrichtungen, das Öffnen und Schließen von Absperrventilen sowie die Menge an aufgenommener oder abgegebener Wärmeenergie durch Stellung der Luftleitelemente angeht.
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Generell können sämtliche Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsformen selbstverständlich im Ermessen des Fachmanns gegeneinander ausgetauscht oder miteinander kombiniert werden.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Fahrzeug-Klimasystems 10. Für Komponenten, die nicht oder nur geringfügig gegenüber der bisherigen Ausführungsform verändert wurden, werden die bereits eingefügten Bezugszeichen beibehalten.
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Zur Vereinfachung des in den 1 bis 3 gezeigten Fahrzeug-Klimasystems 10 ersetzt hier das im Knotenpunkt K3 angeordnete 3/2-Wege-Ventil 50 die beiden Absperrventile 34 und 36 in den Leitungsabschnitten B und C, was den Bauraumbedarf und die Zahl der Bauteile reduziert. Das 3/2-Wege-Ventil 50 lässt entweder eine Kältemittelströmung durch den Leitungsabschnitt B zum Umgebungs-Wärmetauscher 22 oder eine Kältemittelströmung vom Umgebungs-Wärmetauscher 22 im Leitungsabschnitt C zum Knotenpunkt K2 zu.
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Außerdem ist hier die Expansionsvorrichtung 40 im Leitungsabschnitt G, die im Beispiel der 1 bis 3 als elektronisches Expansionsventil ausgebildet ist, als Kombination aus einem Absperrventil 52 mit einer Drossel 54 mit festem Querschnitt ersetzt.
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Bezüglich des restlichen Aufbaus und der Funktion entspricht das Fahrzeug-Klimasystem 10 gemäß 4 dem 1 bis 3.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems 100.
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Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist hier zwischen dem Knotenpunkt K1 und dem Kältemittelsammler 24 ein Leitungsabschnitt 160 vorgesehen, über den Kältemittel direkt vom Ausgang des Kondensators 16 zum Kältemittelsammler 24 zurückgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, dem Kältemittelkreis 12 Kältemittel zu entziehen, um die zirkulierende Kältemittelmenge zu reduzieren und damit die Heizleistung oder Kühlleistung zu verringern, ohne dass das Kältemittel durch den Umgebungs-Wärmetauscher 22 oder einen der zusätzlichen Wärmetauscher 30 fließen muss.
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Im Leitungsabschnitt 160 ist außerdem eine Expansionsvorrichtung vorgesehen, in diesem Fall bestehend aus einem Absperrventil 162 sowie einer Drossel 164 mit festem Durchmesser. Es wäre möglich, auch nur das Absperrventil 162 im Leitungsabschnitt 160 anzuordnen.
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Bis auf die Möglichkeit, die Kältemittelmenge durch direkte Ableitung des Kältemittels zum Kältemittelsammler 24 zu regulieren, ist die Funktion des Fahrzeug-Klimasystems 100 identisch mit der des Fahrzeug-Klimasystems 10.
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6 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems 200.
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Hier ist an der Position des Knotenpunktes K1 zusätzlich ein Flüssigkeitsabscheider 270 vorgesehen, der auf bekannte Weise so ausgebildet ist, dass in ihm flüssige und gasförmige Anteile des Kältemittels getrennt werden.
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Über den Leitungsabschnitt 160 ist der Flüssigkeitsabscheider 270 mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, sodass flüssiges Kältemittel direkt vom Flüssigkeitsabscheider 270 in den Kältemittelsammler 24 zurückfließen kann. Im Leitungsabschnitt 160 ist wie in der letzten Ausführungsform eine Expansionsvor-richtung, bestehend aus einem Absperrventil 162 und einer Drossel 164 mit festem Querschnitt vorgesehen.
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Der Flüssigkeitsabscheider 270 ist auch mit den beiden Leitungsabschnitten B und G und über diese mit dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 sowie dem zusätzlichen Wärmetauscher 30 verbunden. Über die Leitungsabschnitte C und J bzw. I und J steht der Flüssigkeitsabscheider 270 auch in Strömungsverbindung mit dem Eingang des Kompressors 14.
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Außerdem ist in dieser Ausführungsform im Leitungsabschnitt A zwischen dem Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 und dem Knotenpunkt K1, an dem in diesem Fall der Flüssigkeitsabscheider 270 liegt, eine weitere Expansionsvorrichtung 272 vorgesehen. Die Expansionsvorrichtung 272 ist in diesem Fall als elektronisches Expansionsventil ausgebildet.
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7 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die eine Variante des gerade beschriebenen Fahrzeug-Klimasystems 200 darstellt. Hier ist zur Vereinfachung des Fahrzeug-Klimasystems die Expansionsvorrichtung 272 zwischen Kondensator 16 und Flüssigkeitsabscheider 270 weggelassen. Außerdem ist, wie in der ersten Ausführungsform, zwischen den Leitungsabschnitten B und C kein 3/2-Wege-Ventil vorgesehen, sondern in jedem der Leitungsabschnitte ist ein Absperrventil 34, 36 angeordnet.
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In der Funktion entspricht diese Variante jedoch der der 6.
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Neben den für das Fahrzeug-Klimasystem 10 beschriebenen Funktionsweisen ist es mit dem Fahrzeug-Klimasystem 200 auch möglich, den beschriebenen Dreiecksprozess mit einem zusätzlichen parallelen Wärmepumpenprozess zu kombinieren. Wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, werden im Dreiecksprozess nur der Kompressor 14, der Kondensator 16 sowie die Expansionsvorrichtung 40 im Leitungsabschnitt I bzw. die Kombination aus Absperrventil 52 und fester Drossel 54 durchströmt.
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Zusätzlich wird hier parallel ein Teilkreislauf 12'' von Kältemittel durchströmt, in dem bei dem in 7 gezeigten Beispiel der Umgebungs-Wärmetauscher 22 sowie der Leitungsabschnitt C bis zum Knotenpunkt K2 durchströmt wird. Der Umgebungs-Wärmetauscher 22 arbeitet dabei als Wärmepumpe und nimmt Umgebungswärme auf. Hierzu erhält er aus dem Kältemittelsammler 24 flüssiges Kältemittel (siehe auch 9 bis 12), das durch die Aufnahme der Umgebungswärme Wärme zumindest teilweise verdampft. Ab dem Knotenpunkt K2 mündet der Teilkreislauf 12'' in den Teilkreislauf 12', und das gesamte Kältemittel wird über den Leitungsabschnitt J zurück zum Eingang des Kompressors 14 geleitet.
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Auf diese Weise wird zusätzlich Wärme aufgenommen, was gerade bei einem Kaltstart bei niedrigen Umgebungsbedingungen hilft, schnell die gewünschte Heizwirkung im Kondensator 16 bereitstellen zu können. Anstelle des hier beispielhaft verwendeten Umgebungs-Wärmetauschers 22 kann natürlich auch der zusätzliche Wärmetauscher 30 oder der Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 als Wärmepumpe verwendet, um zusätzlich Wärmeenergie zu gewinnen. Auch eine Kombination ist selbstverständlich möglich. Allerdings ist zu beachten, dass der Verdampfer 20 nur in Bedingungen betrieben werden sollte, in denen keine Vereisung auftritt.
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Auch beim Fahrzeug-Klimasystem 200 ist es auf einfache Weise möglich, die Kältemittelmenge und damit die Leistung im Teilkreislauf 12‘, 12‘‘ zu regulieren, indem wahlweise flüssiges Kältemittel zum Kältemittelsammler 24 zurückgeführt und somit den Teilkreisläufen 12‘, 12‘‘ entzogen wird oder flüssiges Kältemittel aus dem Kältemittelsammler 24 in die Teilkreisläufe 12‘, 12‘‘ eingespeist wird, um die Kältemittelmenge zu erhöhen.
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Dies ist im Prinzip in sämtlichen Betriebsmodi möglich. Es hat sich aber herausgestellt, dass diese Vorgehensweise insbesondere im Dreiecksprozess eine einfache Leistungsregelung ermöglicht.
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Im Folgenden wird ein Beispiel für den Heizmodus näher beschrieben.
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Beim Start bei kalten Umgebungstemperaturen, beispielsweise bei –10 °Celsius, kann zur schnelleren Erwärmung der Heiz-Teilkreislauf 12' zunächst so durchströmt werden, dass der Kondensator 16 inaktiv geschaltet ist, indem das zweite Luftleitelement 46 geschlossen ist und so eine Abgabe von Wärme durch den Kondensator 16 im Wesentlichen verhindert ist. Auf diese Weise erwärmt sich das Kältemittel im Heiz-Teilkreislauf 12' sehr schnell.
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Der Kompressor 14 wird in diesem Schritt beispielsweise mit niedrigen Geschwindigkeiten betrieben.
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Die flüssigen Anteile des Kältemittels werden kontinuierlich im Flüssigkeitsabscheider 270 abgetrennt und in den Kältemittelsammler 24 zurückgeleitet.
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Sobald eine gewisse Überhitzung (super heating) des Kältemittels auf der Saugseite des Kompressors 14 erreicht ist, wird die direkte Zurückleitung von Kältemittel zum Kältemittelsammler 24 unterbunden, indem das Ventil 162 geschlossen wird.
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Sobald ein zweiter, größerer Überhitzungswert erreicht wird, kann die Kompressordrehzahl erhöht und die Expansionsvorrichtung 40 im Leitungsabschnitt G so eingestellt werden, dass sich der Druckabfall über die Expansionsvorrichtung 40 erhöht. Dies sollte so erfolgen, dass sich eine höhere Last am Kompressor 14 einstellt und außerdem ein Saugdruck unterhalb des Sättigungsdrucks der jeweiligen Umgebungstemperatur.
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Bei Erreichen eines dritten Überhitzungswertes kann beispielsweise das Absperrventil 36 kurz geöffnet werden (im Leitungsabschnitt C), sodass über den Umgebungs-Wärmetauscher 22 flüssiges zusätzliches Kältemittel in den Heiz-Teilkreislauf 12' gelangen kann.
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Hierdurch reduziert sich der Grad der Überhitzung, da kaltes Kältemittel in den Kompressor 14 gesaugt wird. Dieser Schritt kann so lange wiederholt werden, bis das Ventil 36 geöffnet bleiben kann und die gesamte Kältemittelmenge im Prinzip im Kältemittelkreis 12 zirkuliert oder im Kältemittelsammler 24 gespeichert wird.
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Wenn eine Aufnahme von Wärme aus der Umgebung gewünscht ist, kann jetzt die Expansionsvorrichtung 26 im Leitungsabschnitt D zwischen Kältemittelsammler 24 und Umgebungs-Wärmetauscher 22 so eingestellt werden, dass ein Druckabfall erreicht wird, der einen Wärmepumpenbetrieb des Umgebungs-Wärmetauschers 22 ermöglicht.
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Ab Erreichen einer vorgegebenen Druckschwelle am Ausgang des Kompressors 14 wird das zweite Luftleitelement 46 geöffnet und Luft über den Kondensator 16 geleitet, die dort Wärmeenergie aufnimmt und in den Fahrzeuginnenraum bringt.
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Das thermische Gleichgewicht im Kältemittelkreis 12 kann beispielsweise durch Einstellen der Luftmenge, die den Kondensator 16 passiert, erreicht werden. Eine andere Möglichkeit ist es, die Kompressordrehzahl zu regeln.
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Ab diesem Zeitpunkt ist es auch möglich, das Ventil 162 wieder zu öffnen und ein Rückführen von flüssigem Kältemittel in den Kältemittelsammler 24 zu ermöglichen. Dann kann neben dem Dreiecksprozess parallel ein Wärmepumpen-Teilkreislauf betrieben werden. Es ist auch möglich, gegebenenfalls den Dreiecksprozess zu stoppen, indem die Expansionsvorrichtung 40 im Leitungsabschnitt T oder das Ventil 38 im Leitungsabschnitt I geschlossen wird, und Wärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums nur durch den Wärmepumpenbetrieb in einem oder mehreren Teilkreisläufen 12'' zu gewinnen.
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Es hat sich herausgestellt, dass mit dem beschriebenen Verfahren eine gute Heizleistung auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen erreichbar ist.
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Die maximale Heizleistung lässt sich in wenigen Minuten erreichen. Gegebenenfalls kann das Fahrzeug-Klimasystem mit einer Fernsteuerung ausgerüstet sein, die es einem Benutzer ermöglicht, kurze Zeit vor Benutzen des Fahrzeugs bereits das Klimasystem einzuschalten, um den Fahrzeuginnenraum zu beheizen. Dies könnte beispielsweise über eine geeignete Applikation auf einem Mobiltelefon erfolgen. Zusätzliche elektrische Heizsysteme, beispielsweise über einen Hochspannungsheizwiderstand (HV-PDC), können dadurch entfallen.
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Die Verwendung des Dreiecksprozesses in Kombination mit einem parallelen Wärmepumpen-Heizkreislauf erlaubt beispielsweise auch, den Umgebungs-Wärmetauscher 22 im Wärmepumpenmodus bei einer Temperatur knapp oberhalb des Taupunkts zu betreiben, sodass eine Vereisung vermieden werden kann.
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8 zeigt eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems 300. Dieses basiert auf dem Fahrzeug-Klimasystem 200 der 7, jedoch sind in dieser Ausführungsform zusätzlich mehrere innere Wärmetauscher 380 vorgesehen, die jeweils Wärmeenergie zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des Kältemittelkreises 12 übertragen.
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Ein erster innerer Wärmetauscher 380 ist beispielsweise zwischen den Leitungsabschnitten E und F, die zum und vom Verdampfer 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 verlaufen, vorgesehen.
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Ein zweiter innerer Wärmetauscher 380 ist in diesem Beispiel zwischen den Leitungsabschnitten H und I vorgesehen und überträgt Wärmeenergie zwischen der Verbindungsleitung vom Kältemittelsammler 24 und dem zusätzlichen Wärmetauscher 30 und dem Rücklauf zum Kompressor 14.
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Ein dritter innerer Wärmetauscher ist hier zwischen den Leitungsabschnitten D und C angeordnet und überträgt Wärmeenergie zwischen dem Leitungsabschnitt zwischen dem Kältemittelsammler 24 und dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 und dem Rücklauf zum Kompressor 14.
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Über die inneren Wärmetauscher 380 lässt sich die Wärmepumpenleistung verstärken, indem Wärme von dem flüssigen Kältemittel auf der Hochdruckseite auf das gasförmig-flüssige Kältemittel auf der Niederdruckseite übertragen wird. Die Enthalpie des Kältemittels auf der Hochdruckseite nimmt dadurch ab, sodass nach der Expansion ein höherer Flüssigkeitsanteil vorhanden ist. Aufgrund der somit erhöhten Wärmekapazität des Kältemittels, das die jeweilige als Wärmepumpe, also als Verdampfer, arbeitende Komponente erreicht, steigt der Wirkungsgrad der jeweiligen Wärmepumpe.
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Darüber hinaus wird auf der Niederdruckseite des inneren Wärmetauschers 380 flüssiges Kältemittel verdampft, das in dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 in Folge einer eventuellen inhomogenen Flüssigkeitsverteilung nicht verdampft werden konnte. Der innere Wärmetauscher 380 gleicht diese Inhomogenität somit aus, wodurch die Wärmepumpe mit einem höheren Kältemittelmassenstrom betrieben werden kann und eine höhere Wärmeleistung aufnimmt.
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Das in 8 dargestellte Fahrzeug-Klimasystem 300 hat im Wesentlichen dieselbe Funktionsweise wie das gerade beschriebene Fahrzeug-Klimasystem 200.
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Die 9 bis 11 zeigen eine mögliche Ausführungsform des Kältemittelsammlers 24.
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Die in 9 dargestellte Lage entspricht der Einbaulage des Kältemittelsammlers 24 im Fahrzeug-Klimasystem.
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Der Kältemittelsammler 24 hat ein Gehäuse, in dem ein im Wesentlichen zylindrischer Aufnahmeraum 80 für flüssiges Kältemittel ausgebildet ist.
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Am Boden des Gehäuses sind zwei bidirektionale Anschlüsse 82 vorgesehen, über die der Kältemittelsammler 24 in den beschriebenen Ausführungsformen des Fahrzeug-Klimasystems 10, 100, 200, 300 mit dem Umgebungs-Wärmetauscher 22 und mit dem zusätzlichen Wärmetauscher 30 verbunden ist, die beide als bidirektionale Komponenten betrieben werden können.
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Beide bidirektionalen Anschlüsse 82 haben eine Verbindung zum Aufnahmeraum 80. Die beiden bidirektionalen Anschlüsse 82 erstrecken sich jeweils im Wesentlichen tangential zum kreiszylindrischen Aufnahmeraum 80 und sind gegenüber der Horizontalen geneigt ausgerichtet, sodass sie zum Aufnahmeraum 80 hin ansteigen. Der Neigungswinkel α (siehe 9) ist vorzugsweise kleiner als 90° und liegt besonders bevorzugt zwischen 10 und 25°.
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10 zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X in 9 auf der Höhe der beiden bidirektionalen Anschlüsse 82.
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Am oberen Ende des Aufnahmeraums 80 ist ein unidirektionaler Einlass 84 vorgesehen, der Kältemittel aufnimmt, das sowohl flüssige als auch gasförmige Anteile enthalten kann. In den beschriebenen Ausführungsformen ist der unidirektionale Einlass 84 mit dem Ausgang des Kondensators 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 oder mit dem Auslass des Flüssigkeitsabscheiders 270 verbunden, je nachdem, ob in der jeweiligen Ausführungsform ein Flüssigkeitsabscheider 270 vorgesehen ist oder nicht.
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11 zeigt einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in 9 auf der Höhe des unidirektionalen Einlasses 84.
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Der unidirektionale Einlass 84 verläuft in horizontaler Richtung und tangential zum kreisförmigen Querschnitt des Aufnahmeraums 80. Die Abtrennung der flüssigen Anteile des zugeführten Kältemittels durch den unidirektionalen Einlass 84 erfolgt nach dem Zentrifugalprinzip, wobei flüssige Anteile an der Wand des Aufnahmeraums 80 aufgefangen werden, diese mit einem Flüssigkeitsfilm benetzen und sich am Boden des Aufnahmeraums 80 sammeln, während die gasförmigen Anteile im oberen Bereich des Aufnahmeraums 80 verbleiben.
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Nach dem gleichen Prinzip erfolgt auch die Abtrennung der flüssigen Anteile des Kältemittels in den bidirektionalen Anschlüsse 82, wenn diese als Eingänge dienen. Hier kommt noch hinzu, dass das einströmende Kältemittel beim Durchlaufen der Steigung des Anschlusses eine nach oben gerichtete Bewegungskomponente erhält, die dafür sorgt, dass das Kältemittel einen Bogen beschriebt und über dem Niveau der Mündungen der bidirektionalen Anschlüsse 82 in Kontakt mit der Wand des Aufnahmeraums 80 kommt, was eine ausreichende Wegstrecke zum Abtrennung der flüssigen Anteile schafft.
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Die Drossel 164 der Expansionsvorrichtung im Leitungsabschnitt 160, die vom Kondensator 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 zum Kältemittelsammler 24 führt, könnte in den unidirektionalen Eingang 84 des Kältemittelsammlers 24 integriert sein (nicht dargestellt).
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Der hier gezeigte Kältemittelsammler 24 weist an seinem oberen Ende einen weiteren Auslass 86 auf, der dazu vorgesehen ist, gasförmiges Kältemittel in einen stromabwärts gelegenen Teilkreislauf des Kältemittelkreises 12 einzuspeisen. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen des Fahrzeug-Klimasystems wird dieser Anschluss nicht verwendet, dies wäre aber prinzipiell möglich.
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Außerdem hat der Kältemittelsammler 24 in seinem Boden einen Auslass 88, der hier in der Bodenfläche ausgebildet ist. Durch den Auslass 88 verlässt flüssiges Kältemittel den Kältemittelsammler 24. In den beschriebenen Fahrzeug-Klimasystemen ist dieser Auslass 88 mit dem Eingang des Verdampfers 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 verbunden (siehe 6).
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In diesem Fall wird der Verdampfer 20 stets als Verdampfer betrieben und nur unidirektional vom Kältemittel durchströmt. Für die Fälle, in denen es gewünscht ist, auch den Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls 18 wahlweise als Verdampfer und als Kondensator, also in einem bidirektionalen Modus, zu betreiben, wird der Verdampfer 20 an einen der bidirektionalen Anschlüsse des Kältemittelsammlers 24 angeschlossen.
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Auch wenn in diesem Beispiel nur zwei bidirektionale Anschlüsse 82 gezeigt sind, kann selbstverständlich der Kältemittelsammler 24 auch mehr als zwei bidirektionale Anschlüsse oder nur einen einzigen bidirektionalen Anschluss 82 aufweisen.
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Die Anordnung und Verschaltung der Anschlüsse des Kältemittelsammlers 24 sowie des Flüssigkeitsabscheiders 270 sind für das Fahrzeug-Klimasystem 200 der vierten Ausführungsform in 12 verdeutlicht. Diese Figur zeigt einen Ausschnitt aus dem Fahrzeug-Klimasystem 200 aus 6, der den Kältemittelsammler 24 und den Flüssigkeitsabscheider 270 umfasst.
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Der Flüssigkeitsabscheider 270 hat einen Einlass 274, der mit dem Ausgang des Kondensators 16 verbunden ist und der als unidirektionaler Eingang ausgebildet sein kann. Der Einlass 274 nimmt eine Mischung aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel auf, die im Flüssigkeitsabscheider 270 in die flüssige und die gasförmige Phase getrennt werden.
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Der Flüssigkeitsabscheider 270 hat zwei Auslässe 276, die in den hier gezeigten Beispielen der Fahrzeug-Klimasysteme mit den Leitungen B und G verbunden sind. Die Auslässe 276 liefern gasförmiges Kältemittel, das so in den Kältemittelkreis 12 zurückgeführt wird und wahlweise zum Umgebungs-Wärmetauscher 22, zum zusätzlichen Wärmetauscher 30 (vorzugsweise, wenn diese als Kondensator betrieben werden) und/oder direkt zum Eingang des Kompressors 14 zurückgeführt werden kann.
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Alternativ kann der Flüssigkeitsabscheider 270 mit einem Auslass 276 ausgeführt werden. Stromab des Auslasses 276 befindet sich dann eine Verzweigung, die das vorwiegend gasförmige Kältemittel auf die Wärmetauscher 22, 30 verteilt oder direkt zum Kompressor 14 zurückführt.
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Außerdem hat der Flüssigkeitsabscheider 270 einen Auslass 278 für Kältemittel in der flüssigen Phase, der über den Leitungsabschnitt 160 mit dem unidirektionalen Einlass 84 des Kältemittelsammlers 24 verbunden ist.
