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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Wärmemanagements innerhalb eines Kraftfahrzeugs und insbesondere das Wärmemanagement zwischen einer sogenannten warmen Quelle mit hoher Temperatur, die Wärmeenergie ausgibt, und einer sogenannten kalten Quelle, die Wärmeenergie aufnimmt.
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Um Wärmeenergie zwischen einer warmen Quelle und einer kalten Quelle zu übertragen, ist bekannt, eine Wärmeaustauschschleife zu verwenden, die einen Wärmetauscher in Kontakt mit jeder Quelle und eine Pumpe aufweist, mit der es möglich ist, ein zwischen den beiden Wärmetauschern zirkulierendes Wärmeträgerfluid in Bewegung zu bringen.
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Bei warmen Quellen mit hoher Temperatur, wie etwa einem Verbrennungsmotor, wird gewöhnlich ein Wärmeträgerfluid mit einer hohen kritischen Temperatur verwendet, um die Probleme der Hohlraumbildung und/oder eines beeinträchtigten Betriebs der Pumpe der Wärmemanagementschleife zu vermeiden. Derartige warme Quellen können dazu verwendet werden, insbesondere das Heizen des Fahrgastraums zu unterstützen.
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Die Verwendung eines insbesondere in einer Klimatisierungsschleife verwendeten Kühlfluids als Wärmeträgerfluid in einer Wärmeaustauschschleife, die den Wärmeaustausch zwischen einer warmen Quelle und einer kalten Quelle ermöglicht, kann jedoch ungeeignet sein, insbesondere wenn die warme und die kalte Quelle beide eine hohe Temperatur und eine geringe Temperaturdifferenz haben. Bei einer hohen Temperatur befindet sich nämlich das Kühlfluid (beispielsweise Kohlendioxid) in einem superkritischen Zustand, d. h. es hat eine Temperatur, die über seiner kritischen Temperatur liegt. Die Pumpe, die dazu dient, das Kühlfluid in Bewegung zu bringen, kann somit nicht mehr mit Fluid im Flüssigzustand gespeist werden, und es können Probleme hinsichtlich der Hohlraumbildung und eines beeinträchtigten Betriebs auftreten. Es ist somit erforderlich, ein Wärmeträgerfluid auszuwählen, dessen kritische Temperatur zumindest höher ist als die Temperatur der kalten Quelle innerhalb einer spezifischen Wärmeaustauschschleife. Die Tatsache, dass eine spezifische Wärmeaustauschschleife verwendet werden muss, führt zu einer Erhöhung der Herstellungskosten, jedoch auch zu einer Verringerung des verfügbaren Raums für andere Vorrichtung für das Wärmemanagement, wie etwa für die Klimatisierung.
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Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu beseitigen und eine Wärmemanagementvorrichtung vorzuschlagen, die den Wärmeaustausch zwischen einer warmen Quelle mit hoher Temperatur und einer kalten Quelle, die auch eine hohe Temperatur hat, ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Wärmemanagementvorrichtung mit einer Klimatisierungsschleife, in der ein Kühlfluid zirkuliert, wobei die Klimatisierungsschleife in Fluidzirkulationsrichtung einen Verdichter, einen ersten Wärmetauscher, eine erste Druckminderungsvorrichtung, einen zweiten Wärmetauscher umfasst,
wobei die Wärmemanagementvorrichtung ferner eine Wärmeaustauschschleife aufweist, die mit der Klimatisierungsschleife verbunden ist, wobei die Klimatisierungsschleife und die Wärmeaustauschschleife zumindest den Verdichter gemeinsam haben,
wobei die Wärmeaustauschschleife in Kühlfluidzirkulationsrichtung angeordnet einen mit einer kalten Quelle verbundenen dritten Wärmetauscher, eine zweite Druckminderungsvorrichtung und einen mit einer warmen Quelle verbundenen vierten Wärmetauscher umfasst.
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Aufgrund der Verbindung zwischen der Klimatisierungsschleife und der Wärmeaustauschschleife innerhalb ein und derselben Wärmemanagementvorrichtung, bei der die beiden Schleifen zumindest den Verdichter gemeinsam nutzen, kann ein Wärmeaustausch zwischen einer warmen Quelle auf Höhe des vierten Wärmetauschers und einer kalten Quelle auf Höhe des dritten Wärmetauschers stattfinden, und dies unter Verwendung des Kühlfluids aus der Klimatisierungsschleife. Die Tatsache, dass das Kühlfluid einen Druckverlust von zwischen 0 und 5 bar auf Höhe der zweiten Druckminderungsvorrichtung erfahren kann, ermöglicht es dem Verdichter, das Kühlfluid in der Wärmeaustauschschleife in Bewegung zu bringen und dabei so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen. Darüber hinaus kann das Kühlfluid als Transportmittel von Wärmeenergie zwischen der warmen Quelle und der kalten Quelle auch bei hoher Temperatur verwendet werden, insbesondere wenn die Temperatur der kalten Quelle bei einer Temperatur liegt, die über der kritischen Temperatur des Kühlfluids liegt. Der Verdichter unterliegt nämlich keinen Schwierigkeiten hinsichtlich der Hohlraumbildung und eines beeinträchtigten Betriebs, wenn sich das Kühlfluid im gasförmigen Zustand befindet.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die zweite Druckminderungsvorrichtung zumindest das Kühlfluid mit einem Druckverlust von zwischen 0 und 5 bar durchlassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Wärmemanagementvorrichtung ferner eine Umlenkungsvorrichtung auf, die die Zirkulation des aus dem Verdichter stammenden Kühlfluids in der Klimatisierungsschleife oder in der Wärmeaustauschschleife ermöglichen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Klimatisierungsschleife einen internen Wärmetauscher auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Wärmemanagementvorrichtung einen Entfeuchtungsspeicher auf, der stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Klimatisierungsschleife zwischen einem stromaufwärts der ersten Druckminderungsvorrichtung liegenden dritten Umgehungspunkt und einem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers liegenden vierten Umgehungspunkt angeordnet einen fünften Wärmetauscher und eine dritte Druckminderungsvorrichtung auf, welche stromaufwärts des fünften Wärmetauschers angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verbindung zwischen der Klimatisierungsschleife und der Wärmeaustauschschleife über eine erste Umgehungsleitung zwischen einem stromabwärts des Verdichters liegenden ersten Umgehungspunkt und einem stromaufwärts des Verdichters liegenden zweiten Umgehungspunkt gebildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der dritte Wärmetauscher, die zweite Druckminderungsvorrichtung und der vierte Wärmetauscher an, der ersten Umgehungsleitung angeordnet, wobei der erste Umgehungspunkt dann:
- • in Kühlfluidzirkulationsrichtung innerhalb der Klimatisierungsschleife zwischen dem Verdichter und dem ersten Wärmetauscher liegt,
- • in Kühlfluidzirkulationsrichtung innerhalb der Wärmeaustauschschleife zwischen dem Verdichter und dem dritten Wärmetauscher liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung haben sowohl die Klimatisierungsschleife als auch die Wärmeaustauschschleife den dritten Wärmetauscher, die zweite Druckminderungsvorrichtung und den vierten Wärmetauscher gemeinsam, wobei der erste Umgehungspunkt dann in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem vierten Wärmetauscher und dem ersten Wärmetauscher liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Wärmemanagementvorrichtung Folgendes auf:
- • eine zweite Umgehungsleitung zwischen einem fünften Umgehungspunkt, der in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem vierten Wärmetauscher und dem ersten Wärmetauscher liegt, und einem sechsten Umgehungspunkt, der in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher liegt, wobei die zweite Umgehungsleitung eine vierte Druckminderungsvorrichtung aufweist, und
- • eine zweite Vorrichtung zur Umlenkung des aus dem vierten Wärmetauscher stammenden Kühlfluids zum ersten Wärmetauscher oder zur zweiten Umgehungsleitung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Wärmemanagementvorrichtung entsprechend einem sogenannten Betriebsmodus zur „Wärmeenergierezirkulation” ausgestaltet, bei dem das Kühlfluid nacheinander in dem Verdichter, in dem dritten Wärmetauscher, in der zweiten Druckminderungsvorrichtung, in der das Kühlfluid einer begrenzten Druckminderung von unter oder gleich 5 bar ausgesetzt wird, und durch den vierten Wärmetauscher zirkuliert und über die erste Umgehungsleitung zum Verdichter zurückströmt.
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Gemäß, einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Wärmemanagementvorrichtung entsprechend einem sogenannten Betriebsmodus zur „Klimatisierung” ausgestaltet, bei dem das Kühlfluid nacheinander durch den Verdichter, den ersten Wärmetauscher, die erste Druckminderung, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung unterliegt, und durch den zweiten Wärmetauscher strömt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel angegeben ist, und aus den beigefügten Zeichnungen.
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Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Wärmemanagementvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2, 3a und 3b die Wärmemanagementvorrichtung aus 1 in unterschiedlichen Betriebsmodi,
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4 eine schematische Darstellung einer Wärmemanagementvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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5 bis 7c die Wärmemanagementvorrichtung aus 4 in unterschiedlichen Betriebsmodi.
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In den verschiedenen Figuren sind identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgenden Ausführungen sind Beispiele. Auch wenn sich die Beschreibung auf eine oder mehrere Ausführungsformen bezieht, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass jeder Bezug die gleiche Ausführungsform betrifft oder dass die Merkmale lediglich bei einer einzigen Ausführungsform gelten. Einfache Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen können auch kombiniert werden, um weitere Ausführungen zu bieten.
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Bei der vorliegenden Beschreibung können bestimmte Elemente oder Parameter zum Beispiel als erstes Element oder als zweites Element sowie als erster Parameter und als zweiter Parameter oder auch als erstes Kriterium und als zweites Kriterium usw. indiziert werden. In diesem Fall handelt sich um eine einfache Indexierung zur Unterscheidung und Bezeichnung ähnlicher, aber nicht identischer Elemente oder Parameter oder Kriterien. Diese Indexierung beinhaltet keine Priorität eines Elements, eines Parameters oder eines Kriteriums in Bezug auf andere, wobei derartige Bezeichnungen leicht ausgetauscht werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen. Diese Indexierung beinhaltet auch keine zeitliche Ordnung beispielsweise zur Bewertung eines derartigen Kriteriums oder derartiger Kriterien.
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Bei der vorliegenden Beschreibung ist unter „stromaufwärts angeordnet” zu verstehen, dass ein Element bezogen auf die Kühlfluidzirkulationsrichtung vor einem anderen Element angeordnet ist. Im Gegensatz dazu ist unter „stromabwärts angeordnet” zu verstehen, dass ein Element bezogen auf die Kühlfluidzirkulationsrichtung nach einem anderen Element angeordnet ist.
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Wie in den verschiedenen Figuren gezeigt, umfasst die erfindungsgemäße Wärmemanagementvorrichtung 1 eine Klimatisierungsschleife A und eine Wärmeaustauschschleife B, in denen ein Kühlfluid zirkuliert.
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Die Klimatisierungsschleife A umfasst in Fluidzirkulationsrichtung insbesondere einen Verdichter 3, einen ersten Wärmetauscher 11, eine erste Druckminderungsvorrichtung 21 und einen zweiten Wärmetauscher 12. Der erste Wärmetauscher 11 kann ein Wärmetauscher sein, der in Kontakt mit Außenluft beispielsweise an der Vorderseite eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 12 kann seinerseits ein Wärmetauscher sein, der in einer Heiz-, Belüftungs- und Klimatisierungsvorrichtung (oder HVAC für die englische Abkürzung Heating, Ventilation and Air-Conditioning) angeordnet ist, so dass er mit einem Luftstrom in Kontakt ist, der für den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
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Die Klimatisierungsschleife A kann auch einen internen Wärmetauscher 19 aufweisen, der so angeordnet ist, dass er den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid am Ausgang des ersten Wärmetauschers 11 und dem Kühlfluid am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 12 ermöglicht.
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Die Klimatisierungsschleife A kann ferner einen Entfeuchtungsspeicher 30 aufweisen, der stromaufwärts des Verdichters 3 angeordnet ist. Der Entfeuchtungsspeicher 30 kann insbesondere zwischen dem internen Wärmetauscher 19 und dem zweiten Wärmetauscher 12 angeordnet sein.
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Die Wärmeaustauschschleife B kann ihrerseits in Kühlfluidzirkulationsrichtung angeordnet einen mit einer kalten Quelle verbundenen dritten Wärmetauscher 13, eine zweite Druckminderungsvorrichtung 22, die zumindest das Kühlfluid mit einem Druckverlust von zwischen 0 und 5 bar, vorzugsweise von 2 bar durchlassen kann, und einen vierten Wärmetauscher 14 aufweisen, der mit einer warmen Quelle verbunden ist.
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Unter einer kalten Quelle ist ein Element des Kraftfahrzeugs zu verstehen, das möglicherweise eine Wärmeenergiezufuhr benötigt, um erwärmt zu werden. Bei einer derartigen kalten Quelle kann es sich zum Beispiel um einen Luftstrom in Richtung Fahrgastraum, Batterien oder Motor handeln, die erwärmt werden müssen, damit sie eine optimale Betriebstemperatur erreichen.
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Unter einer warmen Quelle ist ein Element des Kraftfahrzeugs zu verstehen, das Wärmeenergie abgeben kann, um gekühlt zu werden, wobei diese Wärmeenergie zur Erwärmung der kalten Quelle wiederverwendet werden kann. Bei einer derartigen warmen Quelle kann es sich zum Beispiel um einen Vorwärmer, einen Verbrennungsmotor, die Abgase, eine thermische Batterie handeln. Der vierte Wärmetauscher 14 ist nicht zwangsläufig in direktem Kontakt mit der warmen Quelle, er kann insbesondere mit einem Kreislauf zum Kühlen der warmen Quelle, zum Beispiel mit dem Kreislauf zum Kühlen eines Verbrennungsmotors und/oder elektronischer Komponenten verbunden sein.
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Die Wärmeaustauschschleife B ist mit der Klimatisierungsschleife A verbunden, so dass sowohl die Klimatisierungsschleife A als auch die Wärmeaustauschschleife B zumindest den Verdichter 3 gemeinsam haben.
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Die Verbindung zwischen der Klimatisierungsschleife A und der Wärmeaustauschschleife B erfolgt über eine erste Umgehungsleitung 51 zwischen einem stromabwärts des Verdichters 3 liegenden ersten Umgehungspunkt 101, 110 und einem stromaufwärts des Verdichters 3, insbesondere stromaufwärts des Entfeuchtungsspeichers 30 liegenden zweiten Umgehungspunkt 102.
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Die Wärmemanagementvorrichtung 1 weist ferner eine Umlenkungsvorrichtung auf, die die Zirkulation des aus dem Verdichter 3 stammenden Kühlfluids in der Klimatisierungsschleife A oder in der Wärmeaustauschschleife B ermöglichen kann. Die Umlenkungsvorrichtung, die die Zirkulation des aus dem Verdichter 3 stammenden Kühlfluids in der Klimatisierungsschleife A oder in der Wärmeaustauschschleife B ermöglichen kann, kann zum Beispiel aus einem ersten Sperrventil 301 bestehen, das an der Wärmeaustauschschleife B angeordnet ist, und aus einem zweiten Sperrventil 302, das an der Klimatisierungsschleife A angeordnet ist. Durch das Öffnen oder Schließen des ersten Sperrventils 301 oder des zweiten Sperrventils 302 wird bestimmt, ob das Kühlfluid in der entsprechenden Schleife zirkulieren kann oder nicht. Die Umlenkungsvorrichtung kann auch dadurch gesichert werden, dass eine oder mehrere der Druckminderungsvorrichtungen den Kühlfluidstrom blockieren können. Eine weitere Möglichkeit kann auch darin bestehen, dass es sich bei dieser Umlenkungsvorrichtung um ein Dreiwegeventil handeln kann, das auf Höhe des ersten Umgehungspunkts 101, 110 angeordnet ist.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Klimatisierungsschleife A angeordnet zwischen einem stromaufwärts der ersten Druckminderungsvorrichtung 21 liegenden Umgehungspunkt 103 und einem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 12 liegenden Umgehungspunkt 104 einen fünften Wärmetauscher 15 und eine dritte Druckminderungsvorrichtung 23 aufweisen, die stromaufwärts des fünften Wärmetauschers 15 angeordnet ist.
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Der fünfte Wärmetauscher 15 kann zusätzlich zum dem Luftstrom, der durch eine Heiz-, Belüftungs- und/oder Klimatisierungsvorrichtung (auch mit der Abkürzung HVAC bezeichnet, die dem englischsprachigen Begriff „Heating, Ventilation, Air-Conditionning device” entspricht) strömt, deren Kühlung mit der Klimatisierungsschleife erforderlich sein kann, auch mit einem Kraftfahrzeugelement in Kontakt sein.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in den 1 bis 3b veranschaulicht ist, sind der dritte Wärmetauscher 13, die zweite Druckminderungsvorrichtung 22 und der vierte Wärmetauscher 14 an der ersten Umgehungsleitung 51 angeordnet, wobei der Umgehungspunkt 101 dann:
- • in Kühlfluidzirkulationsrichtung innerhalb der Klimatisierungsschleife A zwischen dem Verdichter 3 und dem ersten Wärmetauscher 11 liegt,
- • in Kühlfluidzirkulationsrichtung innerhalb der Wärmeaustauschschleife B zwischen dem Verdichter 3 und dem dritten Wärmetauscher 13 liegt.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in den 4 bis 7c veranschaulicht ist, haben sowohl die Klimatisierungsschleife A als auch die Wärmeaustauschschleife B auch den dritten Wärmetauscher 13, die zweite Druckminderungsvorrichtung 22 und den vierten Wärmetauscher 14 gemeinsam. Bei dieser zweiten Ausführungsform liegt dann der Umgehungspunkt 110 in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem vierten Wärmetauscher 14 und dem ersten Wärmetauscher 11.
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Gemäß ihrer zweiten Ausführungsform, die in den 4 bis 7c veranschaulicht ist, kann die Wärmemanagementvorrichtung 1 auch Folgendes aufweisen:
- • eine zweite Umgehungsleitung 52 zwischen einem fünften Umgehungspunkt 105, der in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem vierten Wärmetauscher 14 und dem ersten Wärmetauscher 11 liegt, und einem sechsten Umgehungspunkt 106, der in Kühlfluidzirkulationsrichtung zwischen dem ersten Wärmetauscher 11 und dem zweiten Wärmetauscher 12 liegt, wobei die zweite Umgehungsleitung 52 eine vierte Druckminderungsvorrichtung 24 aufweist, und
- • eine zweite Vorrichtung zur Umlenkung des aus dem vierten Wärmetauscher 14 stammenden Kühlfluids zum ersten Wärmetauscher 11 oder zur zweiten Umgehungsleitung 52.
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Diese Vorrichtung zur Umlenkung des aus dem vierten Wärmetauscher 14 stammenden Kühlfluids zum ersten Wärmetauscher 11 oder zur zweiten Umgehungsleitung 52 kann sich beispielsweise aus einem dritten Sperrventil 303, das zwischen dem fünften Umgehungspunkt 105 und dem ersten Wärmetauscher 11 angeordnet ist, und aus der vierten Druckminderungsvorrichtung 24, die den Kühlfluidstrom blockieren könnte, oder aus einem Sperrventil zusammensetzen, das an der zweiten Umgehungsleitung 52 angeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit kann auch darin bestehen, dass es sich bei dieser Umlenkungsvorrichtung um ein Dreiwegeventil handelt, das auf Höhe des fünften Umgehungspunkts 105 angeordnet ist.
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Bei dem in der Wärmemanagementvorrichtung 1 zirkulierenden Kühlfluid kann es sich zum Beispiel um R744 (oder Kohlendioxid) oder auch um jegliches andere Kühlfluid handeln, das dem Fachmann bekannt ist und auf dem Gebiet verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Wärmemanagementanlage mit einer wie zuvor beschriebenen Wärmemanagementvorrichtung 1. Die 2, 3a und 3b sowie die 5 bis 7c zeigen unterschiedliche Betriebsmodi der Wärmemanagementvorrichtung 1, in denen die Elemente und Leitungen, in denen das Kühlfluid zirkuliert, mit durchgezogener Linie dargestellt sind. Die Elemente und Leitungen, in denen das Kühlfluid nicht umgelenkt wird oder in Bewegung ist, sind gestrichelt dargestellt.
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Die Wärmemanagementvorrichtung 1 kann insbesondere entsprechend einem sogenannten Betriebsmodus zur „Rezirkulation von Wärmeenergie” ausgestaltet sein, der in den 2 und 5 veranschaulicht ist. Bei diesem Betriebsmodus zirkuliert das Kühlfluid hauptsächlich in der Wärmeaustauschschleife B. Das Kühlfluid zirkuliert nacheinander in dem Verdichter 3, in dem dritten Wärmetauscher 13, in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid einer begrenzten Druckminderung von weniger als oder gleich 5 bar, vorzugsweise von 2 bar unterliegt, und in dem vierten Wärmetauscher 14 und strömt über die erste Umgehungsleitung 51 zum Verdichter 3 zurück.
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Bevor es zurück zum Verdichter 3 strömt, kann das Kühlfluid auch durch den Entfeuchtungsspeicher 30 und den internen Wärmetauscher 19 strömen.
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Dieser besondere Betriebsmodus ermöglicht den Wärmeaustausch zwischen der warmen Quelle, die auf Höhe des vierten Wärmetauschers 14 liegt, und der kalten Quelle, die auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 liegt. Die Tatsache, dass das Kühlfluid einer begrenzten Druckminderung von weniger als oder gleich 5 bar und vorzugsweise von 2 b ausgesetzt wird, ermöglicht es dem Verdichter 3, dieses in Bewegung zu setzen und dabei so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen. Darüber hinaus kann das Kühlfluid als Transportmittel von Wärmeenergie zwischen der warmen Quelle und oder kalten Quelle auch bei einer hohen Temperatur verwendet werden, insbesondere wenn die Temperatur der kalten Quelle eine Temperatur hat, die höher ist als die kritische Temperatur des Kühlfluids. Der Verdichter 3 ist nämlich keinen Schwierigkeiten hinsichtlich der Hohlraumbildung oder eines beeinträchtigten Betriebs ausgesetzt, wenn sich das Kühlfluid im gasförmigen Zustand befindet.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgestaltet ist, wie in 2 veranschaulicht ist, zirkuliert das Kühlfluid nacheinander insbesondere in dem Verdichter 3, strömt durch den ersten Umgehungspunkt 101, um in die erste Umgehungsabzweigung 51 zu zirkulieren, und zirkuliert in dem dritten Wärmetauscher 13 und in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid einer begrenzten Druckminderung von weniger als oder gleich 5 bar, vorzugsweise von 2 bar unterliegt. Das Kühlfluid zirkuliert dann in dem vierten Wärmetauscher 14 und strömt durch den zweiten Umgehungspunkt 102 und zum Verdichter 3 zurück.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform ausgestaltet ist, die in 5 veranschaulicht ist, zirkuliert das Kühlfluid nacheinander insbesondere in dem Verdichter 3, in dem dritten Wärmetauscher 13 und in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid einer begrenzten Druckminderung von weniger als oder gleich 5 bar, vorzugsweise von 2 bar unterliegt. Das Kühlfluid strömt dann nur durch den ersten Umgehungspunkt 110, zirkuliert in dem ersten Umgehungszweig 51, strömt durch den zweiten Umgehungspunkt 102 und zum Verdichter 3 zurück.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung 1 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ausgeführt ist, kann diese gemäß einem ersten Betriebsmodus ausgestaltet sein, der als „Klimatisierungsmodus” bezeichnet wird und in dem das Kühlfluid in der Klimatisierungsschleife A zirkuliert, wie in 3a veranschaulicht ist. Das Kühlfluid zirkuliert dann nacheinander in dem Verdichter 3, in dem ersten Wärmetauscher 11, in der ersten Druckminderungsvorrichtung 21, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt ist, und in dem zweiten Wärmetauscher 12.
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Unter einer vollständigen Druckminderung ist eine Druckverringerung zu verstehen, die ausreichend groß ist, damit ein Enthalpiezyklus realisiert wird, der für eine herkömmliche und bekannte Klimatisierung ausreicht.
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Das Kühlfluid zirkuliert insbesondere in dem Verdichter 3, strömt durch den ersten Umgehungspunkt 101 und zirkuliert dann in dem ersten Wärmetauscher 11. Das Kühlfluid kann anschließend ein erstes Mal durch den internen Wärmetauscher 19 strömen, bevor es durch die erste Druckminderungsvorrichtung 21 strömt, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt ist. Das Kühlfluid zirkuliert anschließend in dem zweiten Wärmetauscher 12, strömt durch den zweiten Umgehungspunkt 102, kann durch den Entfeuchtungsspeicher 30 strömen, ein zweites Mal durch den internen Wärmetauscher 19 strömen und schließlich den Verdichter 3 erreichen.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung 1 entsprechend der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform ausgeführt ist, kann diese gemäß einem zweiten Betriebsmodus ausgestaltet sein, der als „Klimatisierungsmodus” bezeichnet wird und in dem das Kühlfluid wie in 6a veranschaulicht in der Klimatisierungsschleife A zirkuliert. Das Kühlfluid zirkuliert dann nacheinander in dem Verdichter 3, in dem dritten Wärmetauscher 13, in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid seinen Druck beibehält, in dem vierten Wärmetauscher 14, in dem ersten Wärmetauscher 11, in der ersten Druckminderungsvorrichtung 21, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt ist, und in dem zweiten Wärmetauscher 12.
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Bei dieser Ausführungsform kann somit die zweite Druckminderungsvorrichtung 22 das Kühlfluid ohne Druckverlust durchströmen lassen. Dazu kann es sich bei der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22 um einen Druckminderer mit einer ausreichenden Öffnung für das Durchlassen des Kühlfluids ohne Druckverlust oder um einen herkömmlichen Druckminderer mit einer Ausweichleitung handeln.
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Wie oben ist unter einer vollständigen Druckminderung eine Druckverringerung zu verstehen, die ausreichend groß ist, damit ein Enthalpiezyklus realisiert wird, der für eine herkömmliche und bekannte Klimatisierung ausreicht.
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Bei diesem zweiten Betriebsmodus, der als „Klimatisierungsmodus” bezeichnet wird, zirkuliert das Kühlfluid insbesondere in dem Verdichter 3 und anschließend in dem dritten Wärmetauscher 13. Auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 tauscht das Kühlfluid keine Wärmeenergie aus. Wenn zum Beispiel der dritte Wärmetauscher in einer HVAC angeordnet ist, wird er von keinerlei Luftstrom in Richtung Fahrgastraum durchströmt. Das Kühlfluid strömt anschließend durch die zweite Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid seinen Druck beibehält, und in dem vierten Wärmetauscher 14. Auf Höhe des vierten Wärmetauschers kann das Kühlfluid beispielsweise Wärmeenergie mit der warmen Quelle austauschen, um eine Vorkühlung zu erfahren. Das Kühlfluid strömt anschließend durch den ersten Umgehungspunkt 110 und zirkuliert dann in dem ersten Wärmetauscher 11, in dem es gekühlt wird und Wärmeenergie freigibt. Das Kühlfluid kann anschließend ein erstes Mal durch den internen Wärmetauscher 19 strömen, bevor es durch die erste Druckminderungsvorrichtung 21 strömt, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt wird. Das Kühlfluid zirkuliert dann in dem zweiten Wärmetauscher 12, in dem es Wärmeenergie aufnimmt, strömt durch den zweiten Umgehungspunkt 102, kann durch den Entfeuchtungsspeicher 30 strömen und ein zweites Mal durch den internen Wärmetauscher 19 strömen, um schließlich den Verdichter 3 zu erreichen.
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Unabhängig davon, ob es sich um den ersten oder um den zweiten Betriebsmodus handelt, der als „Klimatisierungsmodus” bezeichnet wird, kann das Kühlfluid, nachdem durch den ersten Wärmetauscher 11 geströmt ist, auch in der dritten Druckminderungsvorrichtung 23 zirkulieren, in der das Kühlfluid einer Druckminderung ausgesetzt ist, und anschließend in dem fünften Wärmetauscher 15, wie dies in den 3b und 6b veranschaulicht ist. Um zu entscheiden, ob das Kühlfluid in der dritten Druckminderungsvorrichtung 23 und in dem fünften Wärmetauscher 15 zirkuliert oder nicht, kann die dritte Druckminderungsvorrichtung 23 den Kühlfluidstrom blockieren. Es ist auch möglich, das Vorhandensein eines Sperrventils zwischen dem dritten Umgehungspunkt 103 und der dritten Druckminderungsvorrichtung 23 in Erwägung zu ziehen.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung 1 entsprechend der zweiten Ausführungsform ausgeführt ist und wie oben beschrieben eine zweite Umgehungsleitung 52 aufweist, kann die Wärmemanagementvorrichtung 1 wie in 7a veranschaulicht auch entsprechend einem ersten Betriebsmodus ausgestaltet sein, der als „Wärmepumpenmodus” bezeichnet wird. Bei diesem Betriebsmodus zirkuliert das Kühlfluid nacheinander in dem Verdichter 3, in dem dritten Wärmetauscher 13, in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid seinen Druck beibehält, in dem vierten Wärmetauscher 14, in der vierten Druckminderungsvorrichtung 24, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt wird, und in dem ersten Wärmetauscher 11 und strömt über die erste Umgehungsleitung 51 zum Verdichter 3 zurück. Bei diesem Betriebsmodus nimmt das Kühlfluid auf Höhe des ersten Wärmetauschers 11 Wärmeenergie auf und gibt sie auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 frei.
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Wenn die Wärmemanagementvorrichtung 1 weiterhin entsprechend der zweiten Ausführungsform ausgeführt ist und eine zweite Umgehungsleitung 52 aufweist, kann die Wärmemanagementvorrichtung 1 wie in den 7b und 7c veranschaulicht auch gemäß einem zweiten Betriebsmodus ausgestaltet sein, der als „Wärmepumpenmodus” bezeichnet wird. Bei diesem als „Wärmepumpenmodus” bezeichneten zweiten Betriebsmodus zirkuliert das Kühlfluid nacheinander in dem Verdichter 3, in dem dritten Wärmetaucher 13 und in der zweiten Druckminderungsvorrichtung 22, in der das Kühlfluid einer vollständigen Druckminderung ausgesetzt wird. Das Kühlfluid zirkuliert dann in dem vierten Wärmetauscher 14, in der vierten Druckminderungsvorrichtung 24, in der das Kühlfluid einen konstanten Druck beibehält, und in dem zweiten Wärmetauscher 12.
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Bei diesem Betriebsmodus kann somit die erste Druckminderungsvorrichtung 21 das Kühlfluid ohne Druckverlust durchlassen. Dazu kann es sich bei der ersten Druckminderungsvorrichtung 21 um einen Druckminderer mit einer ausreichenden Öffnung für das Durchströmen des Kühlfluids ohne Druckverlust oder um einen herkömmlichen Druckminderer mit einer Ausweichleitung handeln.
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Bei diesem Betriebsmodus nimmt das Kühlfluid auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 Wärmeenergie auf und gibt sie auf Höhe des zweiten Wärmetauschers 12 frei.
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Bei diesem als „Wärmepumpenmodus” bezeichneten zweiten Betriebsmodus, und wie in 7c veranschaulicht ist, kann das Kühlfluid, nachdem es durch die vierte Druckminderungsvorrichtung 24 durchgeströmt ist, auch in der dritten Druckminderungsvorrichtung 23, in der das Kühlfluid seinen Druck beibehält, und in dem fünften Wärmetauscher 15 zirkulieren. Wie bei der ersten Druckminderungsvorrichtung 21 kann somit die dritte Druckminderungsvorrichtung 23 das Kühlfluid ohne Druckverlust durchlassen. Dazu kann es sich bei der dritten Druckminderungsvorrichtung 23 um einen Druckminderer mit einer ausreichenden Öffnung für das Durchlassen des Kühlfluids ohne Druckverlust oder auch um einen herkömmlichen Druckminderer mit einer Ausweichleitung handeln.
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Bei diesem besonderen Betriebsmodus nimmt das Kühlfluid auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 Wärmeenergie auf und gibt sie auf Höhe des zweiten Wärmetauschers 12 und des fünften Wärmetauschers 15 frei.
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Es ist somit offensichtlich, dass aufgrund der Verbindung zwischen der Klimatisierungsschleife A und der Wärmeaustauschschleife B innerhalb ein und derselben Wärmemanagementvorrichtung 1 und bei der die beiden Schleifen zumindest den Verdichter 3 gemeinsam haben ein Wärmeaustausch zwischen einer warmen Quelle auf Höhe des vierten Wärmetauschers 14 und einer kalten Quelle auf Höhe des dritten Wärmetauschers 13 stattfinden kann, und dies unter Verwendung des Kühlfluids aus der Klimatisierungsschleife A, obwohl die kalte Quelle eine Temperatur haben kann, die höher ist als die kritische Temperatur des Kühlfluids.
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Darüber hinaus ist es mit dem besonderen Aufbau der Wärmemanagementvorrichtung 1 auch möglich, besondere Betriebsmodi zu erlauben, insbesondere den Wärmepumpenmodus, bei dem auf Höhe des zweiten 12 und des fünften Wärmetauschers 15 die wieverwendete Wärmeenergie direkt von der warmen Quelle stammt.
