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Die Erfindung betrifft einen Kältekreis für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter, einem Kühler, einem ersten Expansionsventil und einem Verdampfer, welche in Strömungsrichtung eines Kältemittels hintereinandergeschaltet sind, mit einem ersten Teilkreis, der sich stromab des Verdichters bis zum ersten Expansionsventil erstreckt, mit einem zweiten Teilkreis, der sich stromab des ersten Expansionsventils bis zum Verdichter erstreckt, und mit einem inneren Wärmetauscher, zur Übertragung von Wärme vom ersten Teilkreis in den zweiten Teilkreis. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kältekreises.
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Ein entsprechender Kältekreis ist beispielsweise in der
DE 44 32 272 A1 beschrieben.
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In einem Kraftfahrzeug dient ein Kältekreis üblicherweise zur Klimatisierung verschiedener Fahrzeugkomponenten, häufig beispielsweise des Innenraums des Kraftfahrzeugs. Regelmäßig weist der Kältekreis hierbei einen Kühlbetrieb auf, in welchem der zu kühlenden Komponente mittels eines Verdampfers Wärme entzogen wird, welche schließlich über einen Kühler beispielsweise an die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Die Leistung des Kältekreises in diesem Kühlbetrieb wird maßgeblich durch die Enthalpiedifferenz des im Kältekreis zirkulierenden Kältemittels an Ein- und Austritt des Verdampfers bestimmt. Zur Leistungssteigerung weist der Kältekreis daher häufig einen zusätzlichen inneren Wärmetauscher auf, welcher dem Kältemittel stromauf des Verdampfers Wärme entnimmt und stromab des Verdampfers wieder zuführt. Dadurch tritt das Kältemittel dann mit einer im Vergleich geringeren Enthalpie in den Verdampfer ein, sodass der zu kühlenden Komponente entsprechend mehr und effizienter Wärme entzogen werden kann.
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Zudem ist es beispielsweise aus der
DE 10 2006 042 788 A1 bekannt, den Kältekreis derart auszubilden, dass dieser in einem Heizbetrieb als Wärmepumpe betrieben wird, wobei über den Verdampfer zunächst Wärme aufgenommen wird, beispielsweise aus der Umgebung, und anschließenden zur Beheizung einer Fahrzeugkomponente verwendet wird. Beispielsweise ist es dann möglich, mittels des Kältekreises im Kühlbetrieb eine Innenraumkühlung zu realisieren und im Heizbetrieb eine Innenraumbeheizung. Je nach Ausgestaltung des Kältekreises ist mitunter sogar ein gleichzeitiger Kühl- und Heizbetrieb möglich, sodass dann beispielsweise die Abwärme einer ersten Komponente zur Beheizung einer zweiten Komponente verwendet wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kältekreis anzugeben. Dieser soll sowohl in einem Kühlbetrieb als auch in einem Heizbetrieb möglichst effizient und leistungsfähig arbeiten. Weiterhin soll ein entsprechendes Betriebsverfahren angegeben werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kältekreis mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Kältekreis sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Der Kältekreis ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet und weist eine Anzahl von Kältekreiskomponenten auf, nämlich einen Verdichter, einen Kühler, ein erstes Expansionsventil und einen Verdampfer, welche in Strömungsrichtung eines Kältemittels hintereinandergeschaltet sind. Unter Kühler wird hierbei ein Kühler für das Kältemittel verstanden, d. h. ein Wärmetauscher, an welchem das Kältemittel Wärme abgibt, insbesondere ein Kondensator oder Gaskühler. Der Verdichter und das erste Expansionsorgan unterteilen den Kältekreis in zwei Teilkreise, nämlich einen ersten Teilkreis, der sich stromab des Verdichters und von diesem aus bis zum ersten Expansionsventil erstreckt, und einen zweiten Teilkreis, der sich stromab des ersten Expansionsventils und von diesem aus bis zum Verdichter erstreckt. Zusätzlich weist der Kältekreis einen inneren Wärmetauscher auf, zur Übertragung von Wärme vom ersten Teilkreis in den zweiten Teilkreis. Dadurch ist insbesondere eine vergrößerte Enthalpiedifferenz am Verdampfer realisiert.
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Erfindungsgemäß ist im ersten Teilkreis ein Ventil angeordnet, zu dessen Ansteuerung weiterhin eine Steuereinheit angeordnet ist, und der innere Wärmetauscher ist in einem Normalbetrieb sowie in einem reduzierten Betrieb betreibbar, wobei im reduzierten Betrieb eine im Vergleich zum Normalbetrieb reduzierte Wärmeübertragung erfolgt und wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass diese durch Steuerung des Ventils den inneren Wärmetauscher zwischen dem Normalbetrieb und dem reduzierten Betrieb umschaltet, zum Einstellen der Menge an Wärme, welche der innere Wärmetauscher überträgt.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Menge an Wärme, welche vom inneren Wärmetauscher übertragen wird steuerbar, d. h. einstellbar ist und durch Steuerung des Ventils eingestellt wird. Mit anderen Worten: mittels des Steuereinheit und des Ventils wird der Grad des Wärmetauschs, der zwischen den beiden Teilkreisen durch den inneren Wärmetauscher erfolgt, eingestellt. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Kältekreis, welcher mehrere Betriebsmodi aufweist, beispielsweise einen Kühlbetrieb und einen Heizbetrieb. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung eines inneren Wärmetauschers in einem Kühlbetrieb des Kältekreises zwar eine vorteilhafte Leistungssteigerung zur Folge hat, sich in einem Heizbetrieb jedoch unter Umständen nachteilig auswirken kann und in einem solchen Fall zweckmäßigerweise zumindest teilweise neutralisiert wird, d. h. die Menge an zwischen den Teilkreisen übertragener Wärme reduziert wird.
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Im Heizmodus soll üblicherweise eine Fahrzeugkomponente beheizt werden, beispielsweise soll der Innenraum auf eine bestimmte Innenraumtemperatur geheizt werden. Dazu wird beispielsweise Wärme über den Kühler an einen zusätzlichen Heizkreis abgegeben, wobei zum Erreichen einer bestimmten Innenraumtemperatur dann am Kühler eine bestimmte Zieltemperatur erzeugt werden muss. Der Kühler ist hierbei beispielsweise als Kondensator ausgebildet. Die benötigte Wärme wird über den Verdampfer beispielsweise aus der Umgebung des Fahrzeugs aufgenommen. Zusätzlich hierzu wird dem Kältemittel stromab des Verdampfers noch Wärme über den inneren Wärmetauscher zugeführt, sodass im nachfolgenden Verdichter möglicherweise eine unzulässig hohe Verdichtungsendtemperatur erreicht wird.
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Eine solch hohe Verdichtungsendtemperatur hat potentiell eine Beschädigung des Kältekreises zur Folge. Besonders hoch ist die Gefahr einer Beschädigung des Kältekreises bei einer besonders großen Differenz zwischen Zieltemperatur am Kühler und Außentemperatur am Verdampfer, beispielsweise im Winter. Vorzugsweise wird daher besonders in einer solchen Situation der innere Wärmetauscher in den reduzierten Betrieb umgeschaltet, d. h. gedrosselt oder teilweise neutralisiert. Dadurch wird dann im Vergleich zum Normalbetrieb, d. h. ungedrosseltem Betrieb, weniger Wärme vom ersten Teilkreis in den zweiten Teilkreis übertragen und die Verdichtungsendtemperatur auch in extremen Temperatursituationen hinreichend niedrig gehalten.
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Zudem wird vorteilhaft auf ein Zurückfahren des Kältekreises, d. h. eine Leistungsminderung, verzichtet und eine damit möglicherweise einhergehende Komfortverringerung durch eine nicht-erreichte Zieltemperatur vermieden. Auch auf ein Zuheizen durch zusätzliche Heizeinrichtungen, beispielsweise Durchlauferhitzer oder elektrische Heizdrähte, wird vorteilhafterweise verzichtet. Dadurch ist in sämtlichen Betriebsmodi des Kältekreises ein besonders hoher Wirkungsgrad sichergestellt und insbesondere im Heizbetrieb auch eine deutlich höhere Heizleistung erzielbar.
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Der erste Teilkreis erstreckt sich ausgehend vom Verdichter bis zum ersten Expansionsventil und stellt bei herkömmlichen Kältekreisen somit eine Hochdruckseite des Kältekreises dar, auf welcher das Kältemittel aufgrund der Kompression im Verdichter einen hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweist. Dahingegen bildet der zweite Teilkreis eine Niederdruckseite, auf welcher das Kältemittel aufgrund der Entspannung im ersten Expansionsventil einen entsprechend niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur aufweist. Die Wirkung des inneren Wärmetauschers basiert nun im Wesentlichen darauf, dass das Kältemittel am Eintritt zum inneren Wärmetauscher im ersten Teilkreis eine höhere Temperatur aufweist als am Eintritt zum inneren Wärmetauscher im zweiten Teilkreis. Bei der Wärmeübertragung überträgt der innere Wärmetauscher also Wärme von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite.
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Unter Umschalten wird insbesondere Einstellen verstanden, in dem Sinne, dass das Ventil mehrere, insbesondere mehr als zwei Schaltzustände aufweist, von denen einer durch Umschalten aus einem anderen Schaltzustand eingestellt wird. In einer ersten Variante sind die Schaltzustände diskret, in einer zweiten Variante erfolgt das Einstellen dagegen kontinuierlich. In einer geeigneten Weiterbildung weist der innere Wärmetauscher dann mehrere reduzierte Betriebsmodi auf, in deren jeweils eine unterschiedliche Menge an Wärme übertragen wird, insbesondere jedoch jeweils weniger Wärme als im Normalbetrieb. Dadurch ist die Menge an Wärme, welche vom inneren Wärmetauscher übertragen wird flexibler einstellbar.
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Das zusätzliche Ventil ist in einer prinzipiell geeigneten Ausgestaltung derart im ersten Teilkreis angeordnet, dass beim Umschalten des Ventils durch die Steuereinheit das Kältemittel zumindest teilweise über einen Bypass am inneren Wärmetauscher vorbeigeführt wird und entsprechend nicht durch diesen hindurch, wodurch eine Übertragung von Wärme in den zweiten Teilkreis vermieden wird. Im reduzierten Betrieb ist demnach durch Umschalten des Ventils ein reduzierter Kältemittelmassenstrom durch den inneren Wärmetauscher eingestellt. Im Normalbetrieb strömt dagegen im Wesentlichen sämtliches Kältemittel in herkömmlicher Weise durch den inneren Wärmetauscher, wodurch insbesondere ein maximaler Wärmeübertrag erfolgt.
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Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung derart, dass das Ventil ein zweites Expansionsventil ist und im ersten Teilkreis stromauf des inneren Wärmetauschers angeordnet ist. Diese Ausführungsform weist deutliche konstruktive Vorteile auf und ist daher auch besonders kostengünstig. So ist ein herkömmlicher Kältekreis ohne Weiteres durch Einfügen eines zweiten Expansionsorgans stromauf des inneren Wärmetauschers auf einfache Weise und mit geringem Verrohrungsaufwand nachrüstbar. Zudem wird insbesondere im Gegensatz zu einer Bypass-Lösung mit Bypass-Leitungen vorteilhafterweise auf Leitungsabschnitte, welche je nach Betriebsmodus des inneren Wärmetausches stillgelegt sind, verzichtet. Hierdurch wird insbesondere auch eine Versackung von Kältemaschinenöl in solchen Leitungsabschnitten vermieden, welche auch über einen längeren Zeitraum von beispielsweise mehreren Monaten stillliegen.
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Beim Umschalten des inneren Wärmetauschers zwischen dem Normalbetrieb und dem reduzierten Betrieb dient das zweite Expansionsventil insbesondere der bezüglich des ersten Expansionsventils vorzeitigen Entspannung des Kältemittels. Das zweite Expansionsorgan weist eine Öffnung mit einstellbarem Querschnitt auf, die im Normalbetrieb zweckmäßigerweise wenigstens einem Leitungsquerschnitt oder Nenndurchmesser des Kältekreises entspricht, sodass das Kältemittel in diesem Fall beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans unbeeinflusst bleibt. Beim Umschalten in den reduzierten Betrieb stellt die Steuereinheit dann eine reduzierte Öffnung ein, wodurch das Kältemittel bereits vor dem inneren Wärmetauscher entsprechend entspannt und abgekühlt wird. Dadurch wird wiederum die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Teilkreisen am inneren Wärmetauscher, die sogenannte treibende Temperaturdifferenz, reduziert und damit auch die insgesamt übertragene Wärme.
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Das zweite Expansionsventil teilt somit den ersten Teilkreis in zwei Teilkreisabschnitte, nämlich einen stromauf und einen stromab des zweiten Expansionsventils. Während der stromauf liegende Teilkreisabschnitt unbeeinflusst vom zweiten Expansionsventil durchgängig die Hochdruckseite des Kältekreises bildet, ist der stromab liegende Teilkreisabschnitt entsprechend umschaltbar und je nach Betriebsmodus des inneren Wärmetauscher eher der Hochdruckseite oder eher der Niederdruckseite zugeordnet. Allgemein bildet der stromab liegende Teilkreisabschnitt im reduzierten Betrieb insbesondere einen Zwischendruckabschnitt. Die Steuereinheit stellt somit insbesondere den Druck des Kältemittels am Eintritt des inneren Wärmetauschers ein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung regelt die Steuereinheit das Ventil, insbesondere das zweite Expansionsorgan, d. h. den Querschnitt von dessen Öffnung. Dadurch ist insbesondere zu jedem Zeitpunkt und in jeglichem Betriebsmodus des Kältekreises ein optimaler Wirkungsgrad des Kältekreises gewährleistet. Ziel der Regelung ist insbesondere die geeignete Einstellung der Öffnung des zweiten Expansionsventils. Als Regelgröße dient beispielsweise direkt der Druck des Kältemittels, die treibende Temperaturdifferenz am Wärmetauscher oder die Temperatur einer zu klimatisierenden Fahrzeugkomponente. Bevorzugterweise erfolgt die Regelung lediglich im reduzierten Betrieb, während im Normalbetrieb das Ventil vorzugsweise maximal geöffnet ist.
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Vorteilhafterweise stellt die Steuereinheit das Ventil in Abhängigkeit einer Verdichtungsendtemperatur für das Kältemittel am Ausgang des Verdichters ein. Diese Verdichtungsendtemperatur ist typischerweise die höchste im Kältekreis erreichte Temperatur und der Austritt des Verdichters entsprechend die thermisch am stärksten belastete Stelle des Kältekreises. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Kältekreises ist es daher besonders sinnvoll, die Verdichtungsendtemperatur als Kriterium für das Umschalten des inneren Wärmetauschers und das Einstellen des Ventils zu verwenden.
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Insbesondere ist die Verdichtungsendtemperatur üblicherweise von einer Zieltemperatur abhängig, welche das Kältemittel im Heizbetrieb aufweisen soll, um ein bestimmtes Maß an Beheizung zu realisieren. Anstelle der Verdichtungsendtemperatur wird daher in einer geeigneten Alternative das Ventil in Abhängigkeit der Zieltemperatur eingestellt oder alternativ sogar geregelt. Dadurch lässt sich die Menge an durch den inneren Wärmetauscher übertragener Wärme direkt in Abhängigkeit der geforderten Heizleistung des Kältekreises anpassen und einstellen.
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Der Kältekreis ist vorzugsweise in einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb betreibbar und die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese zwischen dem Kühlbetrieb und dem Heizbetrieb umschaltet und im Heizbetrieb zusätzlich den inneren Wärmetauscher in den reduzierten Betrieb umschaltet. Besonders im Heizbetrieb werden am Kühler je nach Heizanforderung besonders hohe Temperaturen des Kältemittels erzeugt, um die geforderte Heizleistung aufzubringen. Entsprechend besteht insbesondere im Heizbetrieb die Gefahr einer unzulässig hohen Temperatur des Kältemittels, weshalb bevorzugt im Heizbetrieb der innere Wärmetauscher in den reduzierten Betrieb umgeschaltet wird.
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In einer geeigneten Variante schaltet die Steuereinheit den inneren Wärmetauscher automatisch in den reduzierten Betrieb um, wenn der Kältekreis in den Heizbetrieb umgeschaltet wird. In einer geeigneten Alternative schaltet die Steuereinheit den inneren Wärmetauscher jedoch lediglich dann in den reduzierten Betrieb um, falls im Heizmodus eine hinreichend hohe Heizanforderung vorliegt.
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Zweckmäßigerweise ist der innere Wärmetauscher in einem Neutralbetrieb betreibbar, in welchem keine Wärmeübertragung erfolgt und die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese den inneren Wärmetauscher in den Neutralbetrieb und aus diesem heraus umschaltet. Dazu wird insbesondere das Ventil mittels der Steuereinheit in geeigneter Weise umgeschaltet. Im Neutralbetrieb ist der innere Wärmetauscher vollständig neutralisiert und die treibende Temperaturdifferenz beträgt im Wesentlichen null. Dies ist im Falle einer Bypass-Lösung geeigneterweise durch ein komplettes Umleiten des Kältemittels über eine Bypass-Leitung am inneren Wärmetauscher vorbei realisiert. Bei einem Ventil, das als zweites Expansionsorgan ausgebildet ist, wird dagegen an diesem zweckmäßigerweise durch eine entsprechend reduzierte Öffnung eine verschwindende treibende Temperaturdifferenz eingestellt. In diesem Fall ist der stromab des Ventils liegende Teilkreisabschnitt insbesondere ein Teil der Niederdruckseite des Kältekreises und das erste Expansionsventil ist geeigneterweise derart eingestellt, insbesondere hinreichend weit geöffnet, dass das Kältemittel das erste Expansionsorgan im Wesentlichen unbeeinflusst durchströmt. Beim Umschalten zwischen Normalbetrieb und Neutralbetrieb erfolgt somit zugleich insbesondere auch eine Zuordnung des stromab liegenden Teilkreisabschnitts zur Hochdruckseite bzw. Niederdruckseite. Zweckmäßigerweise erfolgt mittels der Steuereinheit auch ein Einstellen des ersten Expansionsorgans in Abhängigkeit des Betriebsmodus des inneren Wärmetauschers.
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Als Kältemittel sind grundsätzlich alle üblichen Kältemittel geeignet, beispielsweise R1234YF oder R134a. Das erfindungsgemäße Konzept des geeigneten Einstellens der vom inneren Wärmetauscher übertragenen Wärme eignet sich allerdings besonders für einen Kältekreis, welcher mit R744, d. h. Kohlendioxid, als Kältemittel betrieben wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung zirkuliert daher in dem Kältekreis R744 als Kältemittel. Aufgrund der stofflichen Eigenschaften von R744 ist die Verwendung eines inneren Wärmetauschers in einem mit R744 betriebenen Kältekreis besonders bei hohen Außentemperaturen notwendig, um eine hinreichende Kühlleistung zu realisieren.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung, welche sich besonders zum Betrieb mit R744 als Kältemittel eignet, ist der Kühler als Gaskühler ausgebildet, dem ein Zusatzgaskühler nachgeschaltet ist, wobei das Ventil zwischen dem Kühler und dem Zusatzgaskühler angeordnet ist. Der Zusatzgaskühler dient dabei insbesondere der Leistungssteigerung, insbesondere im Kühlbetrieb, durch zusätzliche Reduzierung der Enthalpie und der Temperatur des Kältemittels vor dem Eintritt in den inneren Wärmetauscher. Die Abkühlung des Kältemittels erfolgt dann vorteilhaft zweistufig, nämlich stromab des Verdichters zunächst im Gaskühler von einem hohen auf ein mittleres Temperaturniveau und anschließend durch den Zusatzgaskühler auf ein niedriges Temperaturniveau. Dies ist vor allem in solchen Fällen von Vorteil, in denen der Gaskühler beispielsweise thermisch mit einem weiteren Kreislauf verbunden ist, insbesondere mit Wasser als Kühlmittel, und der Zusatzgaskühler ist beispielsweise luftgekühlt, insbesondere mit Außenluft beaufschlagt. Dadurch ist es dann insbesondere möglich, das Kältemittel im Kühlbetrieb auf eine Temperatur abzukühlen, die nahezu der Außentemperatur entspricht, d. h. insbesondere sich um lediglich wenige Grad Celsius unterscheidet.
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Auch im Heizbetrieb wird herkömmlicherweise unter Umständen über den Zusatzgaskühler weiterhin Wärme abgegeben. Diese Wärme steht dann nicht mehr zur Beheizung zur Verfügung, wodurch die Effizienz des Kältekreises zumindest im Heizbetrieb entsprechend reduziert ist. Um dies zu verhindern, wird beispielsweise der Luftstrom über den Zusatzgaskühler unterbrochen oder abgeschaltet. Durch die Anordnung des zweiten Expansionsventils stromauf des Zusatzgaskühlers ist die Wärmeabgabe über denselben jedoch in konstruktiver Hinsicht auf besonders einfache Weise gelöst und eine Steuerung des Luftstroms zu diesem Zweck ist nicht notwendig. Ähnlich wie oben bereits im Zusammenhang mit dem inneren Wärmetauscher ausgeführt, erfolgt stattdessen mittels des zweiten Expansionsventils bereits vor dem Zusatzgaskühler eine Entspannung des Kältemittels, so dass eine besonders im Heizbetrieb nachteilige Wärmeabgabe verhindert oder zumindest reduziert wird. Der dem Zusatzgaskühler nachgeschaltete innere Wärmetauscher ist dabei insbesondere automatisch entsprechend gedrosselt oder neutralisiert.
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Vorzugsweise wird die Wärmeabgabe mittels der Steuereinheit bedarfsgerecht eingestellt, insbesondere indem die Öffnung des zweiten Expansionsventils entsprechend gesteuert oder geregelt wird. Dabei wird des Ventil zweckmäßigerweise derart eingestellt, dass im Zusatzgaskühler die Kondensationstemperatur des Kältemittels höchstens der Lufttemperatur entspricht, insbesondere höchstens der Außentemperatur.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung erfolgt im Heizbetrieb sogar eine Wärmeaufnahme über den Zusatzgaskühler. Insbesondere ist dazu das zweite Expansionsorgan derart eingestellt, dass die Temperatur des Kältemittels beim Einströmen in den Zusatzgaskühler unterhalb der Außentemperatur liegt und somit das Kältemittel zusätzliche Wärme aus der Umgebung aufnimmt, welche anschließend zur Beheizung verwendet wird. Dadurch wird abermals eine deutliche Leistungssteigerung erzielt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
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1 einen Kältekreis und
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2 eine Variante des Kältekreises.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils einen Kältekreis 2 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Im Kältekreis 2 zirkuliert ein Kältemittel in einer Strömungsrichtung S. Bezüglich dieser Strömungsrichtung S sind im Kältekreis mehrere Kältekreiskomponenten hintereinandergeschaltet, nämlich ein Verdichter 4, ein Kühler 6, ein erstes Expansionsventil 8 und ein Verdampfer 10. Über den Verdampfer 10 wird vorrangig Wärme in den Kältekreis 2 aufgenommen und über den Kühler 6 wieder abgegeben. Ein Wärmeaustausch erfolgt dabei jeweils beispielsweise mit der Umgebung oder einer Fahrzeugkomponente entweder direkt oder mittels eines zusätzlichen Kühlmittelkreises. Beispielsweise ist an den Kühler 6 im Ausführungsbeispiel der 2 ein separater Heizkreis 12 angeschlossen, in welchem ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser zirkuliert.
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Der Verdichter 4 und das erste Expansionsventil 8 teilen den Kältekreis 2 in einen ersten Teilkreis 14 und einen zweiten Teilkreis 16. Die beiden Teilkreise 14, 16 sind mittels eines inneren Wärmetauschers 18 thermisch verbunden, sodass im Betrieb Wärme von ersten Teilkreis 14 in den zweiten Teilkreis 16 übertragen wird. Dazu ist der innere Wärmetauscher 18 stromauf und stromab des Verdampfers 10 jeweils an den Kältekreis 2 angeschlossen. Im inneren Wärmetauscher 18 erfolgt lediglich ein Wärmeaustausch, ein Austausch von Kältemittel zwischen den beiden Teilkreisen 14, 16 dagegen nicht.
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Der Kältekreis 2 ist mittels einer Steuereinheit 20 zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb umschaltbar. Im Kühlbetrieb wird beispielsweise über den Verdampfer 10 Wärme von einer zu kühlenden Fahrzeugkomponente, beispielsweise dem Innenraum aufgenommen und über den Kühler 6 abgegeben. Im Heizbetrieb wird dagegen die beispielsweise über den Kühler 6 abgegebene Wärme zur Beheizung einer Fahrzeugkomponente verwendet.
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Im Kühlbetrieb ist durch den inneren Wärmetauscher 18 eine deutliche Leistungssteigerung realisiert, da durch den zusätzlichen Wärmeübertrag am Verdampfer 10 eine deutliche größere Enthalpiedifferenz erzeugt wird und dann dort entsprechend mehr Wärme aufgenommen wird, d. h. eine höhere Kühlleistung vorhanden ist. Maßgeblich ist hierbei die sogenannte treibende Temperaturdifferenz am Inneren Wärmetauscher 18, d. h. die Differenz zwischen den Temperaturen des Kältemittels an einem ersten Eintritt 22 des inneren Wärmetauschers 18 im ersten Teilkreis 14 und der Temperatur an einem zweiten Eintritt 24 im zweiten Teilkreis 16.
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Zur Steuerung der Menge an vom inneren Wärmetauscher 18 übertragener Wärme und insbesondere zur Steuerung der treibenden Temperaturdifferenz ist im ersten Teilkreis 14 stromauf des inneren Wärmetauschers 18 ein Ventil 26 angeordnet, welches in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen als Expansionsventil ausgebildet ist und somit ein zweites Expansionsorgan des Kältekreises 2 ist. Dieses Ventil 26 wird von der Steuereinheit 20 angesteuert. Mittels des Ventils 26 ist der innere Wärmetauscher 18 von einem Normalbetrieb in einen reduzierten Betrieb und insbesondere auch einen Neutralbetrieb umschaltbar. Im Normalbetrieb ist das Ventil 26 dann derart eingesteht, dass das Kältemittel dieses unbeeinflusst durchströmt und dann insbesondere eine maximale treibende Temperaturdifferenz vorliegt. Im reduzierten Betrieb wird der Querschnitt des Ventils 26 jedoch derart eingestellt, d. h. insbesondere gedrosselt, dass bereits vor dem inneren Wärmetauscher 18 eine teilweise Entspannung und Druckabsenkung des Kältemittels erfolgt, wodurch die treibende Temperaturdifferenz und die Menge an übertragener Wärme reduziert werden. Im Extremfall wird das Kältemittel im Neutralbetrieb am Ventil 26 derart stark entspannt, dass am ersten Expansionsventil keine weitere Entspannung nötig ist und auch nicht erfolgt. Der innere Wärmetauscher 18 ist dann vollständig neutralisiert und führt keinen Wärmetausch zwischen den beiden Teilkreisen 14, 16 durch.
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In 1 ist der Kühler 6 als Kondensator ausgebildet, in 2 jedoch als Gaskühler, da hier insbesondere R744 als Kältemittel verwendet wird. Zusätzlich ist in 2 dem Kühler 6 ein Zusatzgaskühler 28 nachgeschaltet. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Zusatzgaskühler 28 ein luftgekühlter Gaskühler, der hier von Außenluft überströmt wird, um im Kühlbetrieb zusätzlich Wärme aus dem Kältekreis 2 an die Umgebung abzugeben. Das Ventil 26 ist zwischen dem Kühler 6 und dem Zusatzgaskühler 28 angeordnet, um bei entsprechendem Bedarf nicht nur den Wärmetausch am inneren Wärmetauscher 18 einzustellen sondern zugleich auch den Wärmetausch am Zusatzgaskühler 28 zu kontrollieren. Durch geeignetes Einstellen des Ventils 26 erfolgt dann bereits vor dem Zusatzgaskühler 28 eine zumindest teilweise Entspannung des Kältemittels, sodass ein im Heizbetrieb nachteiliger Verlust von Wärme an die Umgebung verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kältekreis
- 4
- Verdichter
- 6
- Kühler
- 8
- erstes Expansionsventil
- 10
- Verdampfer
- 12
- Heizkreis
- 14
- erster Teilkreis
- 16
- zweiter Teilkreis
- 18
- innerer Wärmetauscher
- 20
- Steuereinheit
- 22
- erster Eintritt
- 24
- zweiter Eintritt
- 26
- Ventil (zweites Expansionsventil)
- 28
- Zusatzgaskühler
- S
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4432272 A1 [0002]
- DE 102006042788 A1 [0004]
