DE102016121362A1 - Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf (18a, 18b) und einem Kältemittelkreislauf (3). Der Kühlmittelkreislauf (18a, 18b) ist mit mindestens einem Wärmeübertrager (17, 27b) zum Temperieren einer elektrischen Komponente und einem mit Umgebungsluft als Wärmequelle oder Wärmesenke für das Kühlmittel beaufschlagbaren Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (25) ausgebildet. Der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildete Kältemittelkreislauf (3) zum Kühlen, Heizen und Nachheizen der Zuluft eines Fahrgastraums sowie zum Kühlen und Heizen der elektrischen Komponente weist einen Verdichter (4) zur Verdichtung des Kältemittels, einen ersten als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und einen zweiten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Konditionieren der Zuluft, eine Ventilanordnung (7) zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi, mindestens ein Element (10, 11, 12) zur Veränderung des Durchströmquerschnitts sowie mindestens einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8, 9) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (3) und dem Kühlmittel des mindestens einen Kühlmittelkreislaufs (18a, 18b) auf.Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf sowie einem Kältemittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf weist mindestens einen Wärmeübertrager zum Temperieren einer elektrischen Komponente und einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildete Kältemittelkreislauf zum Konditionieren der Zuluft eines Fahrgastraums weist einen Verdichter, einen als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs auf.
  • Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
  • Als effiziente Energiespeicher für batteriebetriebene elektrisch angetriebene Fahrzeuge, kurz BEV als Abkürzung für den englischen Begriff „Battery Electric Vehicle“ bezeichnet, und für Hybridfahrzeuge mit elektrischen Antriebskomponenten, kurz HEV als Abkürzung für den englischen Begriff „Hybrid Electric Vehicle“ bezeichnet, erlangen insbesondere Lithium-Ionen-Batterien zunehmend größere Bedeutung. Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ermöglicht im Vergleich zu anderen Batterietechnologien einerseits eine sehr hohe Leistungsdichte bei einer sehr hohen möglichen Entnahmeleistung, sodass in Kraftfahrzeugen Batterien mit geringem Bauraum und geringem Gewicht technisch und wirtschaftlich nutzbar sind. Lithium-Ionen-Batterien sind andererseits aber anfällig gegenüber Änderungen der Betriebstemperatur, welche die Lebensdauer, die Entnahmeleistung und das Speichervermögen der Batterie verringern. Insbesondere in Klimazonen mit extremen Temperaturwerten und Temperaturveränderungen stellt die Verringerung des Speichervermögens der Batterie durch thermische Alterung eine Herausforderung für die technische Ausgestaltung eines Kraftfahrzeugs dar. Bei niedrigen Temperaturen der Batteriezellen, insbesondere bei Temperaturen bis 0 °C, muss die elektrische Leistung der Batterie reduziert werden, um eine Schädigung der Batteriezellen zu verhindern. Im Temperaturbereich bis 0 °C ist auch das Laden der Batterien nicht möglich. Mit ansteigender Betriebstemperatur steigt der elektrische Wirkungsgrad der Lithium-Ionen-Batterien an. Bei Temperaturen oberhalb von 40 °C setzt jedoch eine erhöhte Alterung der Batteriezellen ein, die bei Temperaturen von über 50 °C sogar zur Beschädigung der Batteriezellen führen kann.
  • Die Lithium-Ionen-Batterie sollte folglich mit einer optimalen Temperatur betrieben werden. Dabei ist zum einen die entstehende und freigesetzte Wärme abzuführen, die Batteriezellen müssen aktiv gekühlt werden, und zum anderen ist bei zu geringer Umgebungstemperatur, insbesondere beim Starten, der kalten Batterie Wärme zuzuführen. Die Batterie ist bei geringen Umgebungstemperaturen vorzukonditionieren.
  • Mit Hilfe eines thermischen Batteriemanagementsystems mit einer aktiven Kühlung und einer aktiven Beheizung des Batteriemoduls kann die Betriebstemperatur der Batterie auf einem Temperaturniveau im Bereich von etwa 0 °C bis 40 °C gehalten werden, welches insbesondere die thermische Alterung der Batterie minimiert.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme zum Temperieren einer Batterie eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bekannt.
  • So offenbart die DE 10 2012 100 525 A1 ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf, welcher in verschiedenen Betriebsmodi als Kälteanlage und als Wärmepumpe zum Konditionieren, das heißt zum Beheizen, Abkühlen und/oder Entfeuchten, der Luft des Fahrgastraums dient. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs in der Wärmepumpenschaltung sind ein Wärmepumpenkondensator, ein Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer sowie ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufes als zusätzlicher Wärmepumpenverdampfer in Reihe geschaltet angeordnet. Das Klimatisierungssystem bietet die Möglichkeit, die Batterie des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zu kühlen. Dabei wird die Batterie entweder mit im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager abgekühltem Kühlmittel oder direkt mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Klimatisierungs- und Kühlsystemen kann die Batterie, insbesondere bei geringen Werten der Umgebungstemperatur, mittels des Kältemittelkreislaufs des Klimatisierungssystems mit Wärmepumpenfunktionalität nicht aufgeheizt und damit nicht vorkonditioniert und die Betriebstemperatur der Batterie nicht im vorgeschriebenen Bereich gehalten werden.
  • Aufgrund der hohen thermischen Masse kann die Batterie auch als thermischer Speicher genutzt werden, um bei geringen Umgebungstemperaturen beim Betriebsmodus des Heizens die elektrischerseits begrenzte Reichweite des Kraftfahrzeugs zu erhöhen. Die Funktionen des Erwärmens der Batterie und des Aufladens der Batterie als thermischen Speicher werden herkömmlich über elektrische Zusatzheizelemente erfüllt. Da elektrische Heizelemente einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen als im Wärmepumpenmodus betriebene Kälteanlagen, ist ein System mit elektrischen Heizelementen aus dem Stand der Technik weniger effizient als eine im Wärmepumpenmodus betriebene Kälteanlage.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktionalität und einem Kühlmittelkreislauf, bei welchem neben den Funktionalitäten Heizen, Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums sowie Kühlen einer elektrischen Komponente, insbesondere der Batterie des elektrischen Antriebsstrangs, die elektrische Komponente zudem vorkonditioniert, insbesondere aufgeheizt beziehungsweise erwärmt, werden kann. Dabei soll die Vorrichtung eine minimale Anzahl an Komponenten aufweisen. Die Kosten für Herstellung, Wartung und Betrieb sollen minimal sein. Die Vorrichtung soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf sowie einem Kältemittelkreislauf gelöst. Der mindestens eine Kühlmittelkreislauf weist mindestens einen Wärmeübertrager zum Temperieren einer elektrischen Komponente und einen mit Umgebungsluft als Wärmequelle oder Wärmesenke für das Kühlmittel beaufschlagbaren Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Nach der Konzeption der Erfindung ist der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildete Kältemittelkreislauf zum Kühlen, Heizen und Nachheizen der Zuluft eines Fahrgastraums sowie zum Kühlen und Heizen der elektrischen Komponente ausgebildet und weist einen Verdichter zur Verdichtung des Kältemittels, einen ersten als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und einen zweiten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft auf. Der Kältemittelkreislauf ist zudem mit einer Ventilanordnung zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi und mindestens einem Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts für das Kältemittel ausgebildet. Innerhalb des Kältemittelkreislaufs ist mindestens ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und dem Kühlmittel des mindestens einen Kühlmittelkreislaufs integriert.
  • Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums sind innerhalb eines Klimageräts angeordnet. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der dem Fahrgastraum zuzuführenden Zuluft ist je nach Bedarf und Betriebsmodus der Vorrichtung als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbar ausgebildet. Beim Betrieb des Wärmeübertragers als Verdampfer wird die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet. Beim Betrieb des Wärmeübertragers als Kondensator/Gaskühler wird die Zuluft erwärmt. Im als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager wird das Kältemittel enthitzt und gegebenenfalls verflüssigt. Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei sogenanntem unterkritischen Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit dem Kältemittel R744, was dem natürlichen Kältemittel Kohlendioxid entspricht, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei sogenanntem überkritischen Betrieb des Kältemittelkreislaufs beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Ein überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs, zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid, auftreten.
  • Beim Nachheizmodus, auch als „Reheat“ bezeichnet, wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt und dabei entfeuchtet, anschließend wird die entfeuchtete Luft geringfügig aufgeheizt. Im Nachheizmodus ist die erforderliche Nachheizleistung meist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Abkühlen und Entfeuchten der Luft.
  • Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist vorteilhaft zwischen dem Verdichter und der Ventilanordnung des Kältemittelkreislaufs ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der Wärmeübertrager zum Temperieren einer elektrischen Komponente zum Kühlen und Heizen der elektrischen Komponente als Wärmequelle oder Wärmesenke für das Kühlmittel sowie die zu temperierende elektrische Komponente als eine Batterie ausgebildet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager der Vorrichtung je nach Bedarf und Betriebsmodus der Vorrichtung als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler des Kältemittels betreibbar. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist kältemittelseitig vorteilhaft bidirektional durchströmbar.
  • Ein erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist je nach Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Ventilanordnung vorteilhaft direkt vorgelagert oder nachgelagert ausgebildet. Das Kältemittel strömt folglich ohne ein Durchströmen einer anderen Komponente des Kältemittelkreislaufs zwischen der Ventilanordnung und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Kältemittelkreislauf zwei getrennt voneinander ausgebildete und parallel mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungspfade aufweist, welche sich jeweils zwischen einer ersten Verbindungsstelle und einer zweiten Verbindungsstelle erstrecken. Die Strömungspfade sind vorteilhaft bidirektional durchströmbar.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist ein erster Strömungspfad zwei Elemente zur Veränderung des Durchströmquerschnitts und den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Dabei ist ein Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts zwischen der ersten Verbindungsstelle und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie ein Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts zwischen der zweiten Verbindungsstelle und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und die Elemente zur Veränderung des Durchströmquerschnitts sind kältemittelseitig vorteilhaft bidirektional durchströmbar.
  • Ein zweiter Strömungspfad weist vorteilhaft ein Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts und einen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel auf. Dabei ist das Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der ersten Verbindungsstelle angeordnet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und das Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts sind kältemittelseitig bevorzugt bidirektional durchströmbar.
  • Das mindestens eine Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts ist vorteilhaft je nach Betriebsmodus der Vorrichtung und damit des Betriebs des zugehörigen Wärmeübertragers als ein Absperrelement, insbesondere als ein Absperrventil, oder als ein Expansionsorgan, insbesondere als ein Expansionsventil, oder mit voll geöffnetem Durchlass, insbesondere als ein Durchlassventil, betreibbar ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen inneren Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck auf. Dabei ist der innere Wärmeübertrager einerseits zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der ersten Verbindungsstelle sowie andererseits dem Verdichter vorgelagert angeordnet.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs jeweils in einem Strömungspfad angeordnet, welcher sich zwischen zwei Verbindungsstellen erstreckt. Jeder Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs ist einem eigenen Strömungspfad zugeordnet.
  • Jeder mit einem Wärmeübertrager ausgebildete Strömungspfad weist bevorzugt eine als Drei-Wege-Ventil ausgebildete Verbindungsstelle zum Öffnen oder Schließen des Strömungspfades des Kühlmittelkreislaufs auf.
  • Der Kühlmittelkreislauf weist vorteilhaft neben dem Wärmeübertrager zum Kühlen und Heizen einer elektrischen Komponente einen Wärmeübertrager zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, einer weiteren elektrischen Komponente auf.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Kühlmittelkreislauf mit einem Bypass ausgebildet ist, welcher sich zwischen dem Strömungspfad mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem Strömungspfad mit dem Wärmeübertrager zum Temperieren einer elektrischen Komponente erstreckt.
  • Der Kühlmittelkreislauf weist bevorzugt einen Bypass auf, welcher parallel zum Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug in einem Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente gelöst. Im Wärmeübertrager zum Temperieren der elektrischen Komponente wird Wärme von der elektrischen Komponente an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus oder im Nachheizmodus im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs übertragen. Dabei wird der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als Verdampfer betrieben. Die elektrische Komponente, insbesondere die Batterie, dient dabei vorteilhaft als Wärmequelle zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel und im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird als Kondensator/Gaskühler betrieben. Je nach Bedarf wird im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Die Umgebungsluft dient vorteilhaft als Wärmesenke.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel und im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen. Je nach Bedarf wird im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Je nach Bedarf wird im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft übertragen, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager jeweils als Kondensator/Gaskühler betrieben werden. Die Umgebungsluft dient vorteilhaft als Wärmesenke.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs übertragen, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als Verdampfer betrieben wird.
  • Sämtliche zu temperierende elektrische Komponenten dienen vorteilhaft als Wärmequellen zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums.
  • Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug in einem Modus mit aktivem Heizen der elektrischen Komponente im Wärmeübertrager zum Temperieren der elektrischen Komponente in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus gelöst. Dabei wird im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von der Umgebungsluft an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und/oder im Wärmeübertrager für elektrische Komponenten Wärme von elektrischen Komponenten an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs sowie im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird als Verdampfer betrieben. Im Wärmeübertrager für elektrische Komponenten wird Wärme vom Kühlmittel an die elektrische Komponente übertragen.
  • Die Umgebungsluft dient als Wärmequelle zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums beziehungsweise zum Vorkonditionieren der elektrischen Komponente, insbesondere der Batterie.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente oder im Modus mit aktivem Heizen der elektrischen Komponente jeweils in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und/oder im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel an die Zuluft übertragen. Dabei werden der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler betrieben und die Zuluft erwärmt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betreiben der Vorrichtung im Modus mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente oder im Modus mit aktivem Heizen der elektrischen Komponente jeweils in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von der Zuluft an das Kältemittel übertragen. Dabei wird der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet. Zudem wird je nach Bedarf im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft übertragen, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler betrieben wird.
  • Insbesondere beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus werden die elektrische Komponente, insbesondere die Batterie, und/oder die Zuluft des Fahrgastraums erwärmt, wobei die Umgebungsluft und/oder andere elektrische Komponenten als Wärmequellen dienen.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der innere Wärmeübertrager beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs stets beiderseits von Kältemittel durchströmt. Dabei wird beim Betrieb in einem Kälteanlagenmodus und beim Betrieb in einem bestimmten Nachheizmodus Wärme übertragen, während beim Betrieb in einem Wärmepumpenmodus und in einem bestimmten Nachheizmodus keine Wärme übertragen wird.
  • Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug in einem Modus zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums gelöst. In den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern wird Wärme vom Kältemittel auf einem Hochdruckniveau an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird kühlmittelseitig nicht durchströmt, sodass keine Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird. Das Kältemittel wird im als Expansionsventil betriebenen Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts auf ein Niederdruckniveau entspannt. Im inneren Wärmeübertrager wird kreislaufintern Wärme vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
    • - einfache Integration in standardisierte Klimageräte mit bekannten Plattformen,
    • - geringe Systemkomplexität unter Bereitstellung einer großen Anzahl an Betriebsmodi und damit vergleichbare Systemkomplexität zu herkömmlichen Wärmepumpensystem des Standes der Technik, jedoch mit wesentlich mehr Funktionen,
    • - Kältemittelkreislauf zum Betreiben in unterschiedlichen Betriebsmodi bei minimaler Anzahl an Expansionsventilen und Ventilanordnungen, insbesondere Schaltventilen,
    • - eine geringe Komplexität des Kältemittelkreislaufs durch eine geringe Anzahl an Komponenten und damit
    • - geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung,
    • - beim Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus wird im inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs Wärme übertragen, während beim Betrieb im Wärmepumpenmodus im inneren Wärmeübertrager keine Wärme übertragen wird - der innere Wärmeübertrager ist ohne die Ausbildung eines Umströmungspfades beim Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus automatisch aktiv und beim Betrieb im Wärmepumpenmodus automatisch inaktiv und wird dabei stets beiderseits von Kältemittel durchströmt,
    • - auch beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi wird stets eine große Anzahl der Kältemittelleitungen durchströmt, sodass das Risiko der Ablagerung von Öl, welches zum Schmieren, Kühlen und Abdichten des Verdichters dient, minimiert und eine stetige Zirkulation des Öls durch den Kältemittelkreislauf gewährleistet ist, was zudem die Ölmenge im Kältemittelkreislauf reduziert,
    • - maximale Effizienz der Vorrichtung beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit geringer Abwärmeproduktion, wie HEV oder BEV ohne Verbrennungsmotor oder brennstoffzellenbetriebener Kraftfahrzeuge:
    • - effizientes Kühlen, Heizen und Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums,
    • - Vorkonditionieren der Batterie, insbesondere der Hochvolt-Batterie, bei klimatischen Bedingungen mit geringer oder hoher Temperatur einerseits durch Nutzung der Wärmepumpenfunktionalität und damit signifikantes Erhöhen der Reichweite sowie andererseits Kühlen der Batterie zum Sicherstellen und Einhalten der Temperaturbetriebsgrenzen,
    • - Nutzen der Abwärme der Batterie zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums,
    • - Nutzen der Umgebungsluft als Wärmequelle zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums beziehungsweise zum Vorkonditionieren der Batterie beziehungsweise
    • - Nutzen der Abwärme des Kraftfahrzeugs und der Umgebungsluft beim Betrieb im Wärmpumpenmodus zur Beheizung der Zuluft des Fahrgastraums oder zur Vorkonditionierung der Batterie.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils eine Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug einem Kältemittelkreislauf und:
    • 1a bis 1i: mit zwei getrennten Kühlmittelkreisläufen in unterschiedlichen Betriebsmodi, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf nicht mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist, und
    • 1a: Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus,
    • 1b: Betrieb im Modus mit aktiver Batteriekühlung,
    • 1c: Betrieb im Modus mit passiver Batteriekühlung,
    • 1d: Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batteriekühlung,
    • 1e: Betrieb im Heißgasmodus,
    • 1f: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit Umgebungsluft als Wärmequelle,
    • 1g: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batteriekühlung und mit der Batterie als Wärmequelle,
    • 1h: Betrieb im Modus mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft als Wärmequelle,
    • 1i: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft als Wärmequelle,
    • 2a bis 2i: mit einem Kühlmittelkreislauf in unterschiedlichen Betriebsmodi und
    • 2a: Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus,
    • 2b: Betrieb im Modus mit aktiver Batteriekühlung,
    • 2c: Betrieb im Modus mit passiver Batteriekühlung,
    • 2d: Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batteriekühlung,
    • 2e: Betrieb im Heißgasmodus,
    • 2f: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen,
    • 2g: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batteriekühlung und mit der Batterie sowie mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen,
    • 2h: Betrieb im Modus mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen sowie
    • 2i: Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus jeweils mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen.
  • In den 1a bis 1i ist jeweils eine Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf 3 und zwei getrennt voneinander ausgebildeten Kühlmittelkreisläufen 18a, 26 in unterschiedlichen Betriebsmodi gezeigt. Der erste Kühlmittelkreislauf 18a ist über zwei Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, 9 mit dem Kältemittelkreislauf 3 verbunden. Die Strömungsrichtungen von Kältemittel und Kühlmittel innerhalb der Kreisläufe sind anhand von Pfeilen gekennzeichnet.
  • Der Kältemittelkreislauf 3 weist einen Verdichter 4 zur Verdichtung des Kältemittels, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Zuluft des Fahrgastraums sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 zum Kühlen und Verflüssigen des verdichteten, gasförmigen Kältemittels bei hoher Temperatur sowie zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums, eine Ventilanordnung 7 zum Umschalten des Kältemittelkreislauf 3 zwischen verschiedenen Betriebsmodi und einen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel auf. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 sind innerhalb eines Klimageräts 2 angeordnet. Die Zuluft des Fahrgastraums wird durch das Klimagerät 2 und dabei über die Wärmeübertragungsflächen der Wärmeübertrager 5, 6 geleitet sowie je nach Bedarf konditioniert. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 ist kältemittelseitig bidirektional durchströmbar. Die Ventilanordnung 7 ist beispielsweise als ein Vier-Wege-Ventil oder aus einer Kombination von vier Ein-Wege-Ventilen ausgebildet.
  • Der Kältemittelkreislauf 3 ist mit zwei getrennt voneinander oder parallel zueinander von Kältemittel beaufschlagbaren und bidirektional durchströmbaren Strömungspfaden ausgebildet. Die Strömunspfade erstrecken sich jeweils zwischen einer ersten Verbindungsstelle 15 und einer zweiten Verbindungsstelle 16. Der erste Strömungspfad weist zwei Elemente 10, 11 zur Veränderung des Durchströmquerschnitts und den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 auf, wobei jeweils eines der Elemente 10, 11 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor und hinter dem Wärmeübertrager 5 angeordnet ist. Die Elemente 10, 11 sind somit jeweils zwischen einer Verbindungsstelle 15, 16 und dem Wärmeübertrager 5 angeordnet und ebenso wie der Wärmeübertrager 5 bidirektional durchströmbar.
  • Der zweite Strömungspfad weist einen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel auf. Dem Wärmeübertrager 9 ist ein Element 12 zur Veränderung des Durchströmquerschnitts zugeordnet, welches zwischen dem Wärmeübertrager 9 und der ersten Verbindungsstelle 15 angeordnet und ebenso wie der Wärmeübertrager 9 bidirektional durchströmbar ist.
  • Die innerhalb der beiden parallel angeordneten Strömungspfade des Kältemittelkreislaufs 3 ausgebildeten Elemente 10, 11, 12 zur Veränderung des Durchströmquerschnitts sind bevorzugt als Ventile 10, 11, 12 ausgebildet und können je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1a jeweils als Expansionsventil, Durchlassventil oder Absperrventil betrieben werden.
  • Der Kältemittelkreislauf 3 weist zudem einen inneren Wärmeübertrager 13 auf. Unter dem inneren Wärmeübertrager 13 ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Verflüssigung weiter abgekühlt beziehungsweise unterkühlt und andererseits das als Sauggas vorliegende Kältemittel vor dem Eintritt des Verdichters 4 überhitzt.
  • Folglich ist der innere Wärmeübertrager 13 sauggasseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Eintritt des Verdichters 4 angeordnet. Dem inneren Wärmeübertrager 13 ist ein Kältemittelakkumulator 14 zum Abscheiden von flüssigem Kältemittel und zum Speichern von Kältemittel vorgelagert. Der Kältemittelakkumulator 14 dient zum Schutz des Verdichters 4 vor Flüssigkeitsschlägen.
  • Andererseits ist der innere Wärmeübertrager 13 zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und der ersten Verbindungsstelle 15 angeordnet und bidirektional durchströmbar.
  • Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 3 sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden.
  • Die Wärmeübertrager 8, 9 des Kältemittelkreislaufs 3 sind jeweils als eine Komponente des ersten Kühlmittelkreislaufs 18a ausgebildet und werden damit einerseits vom Kältemittel und andererseits von einem ersten Kühlmittel, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmt.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf 18a weist neben den Wärmeübertragern 8, 9 einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zur Wärmeübertragung zwischen dem ersten Kühlmittel und der Umgebungsluft sowie einen Wärmeübertrager 17 zum Konditionieren einer elektrischen Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Batterie, auf. Der Wärmeübertrager 17 wird auch als Batterie-Wärmeübertrager 17 bezeichnet.
  • Jeder Wärmeübertrager 8, 9, 17, 25 ist in einem eigenen Strömungspfad angeordnet, welche sich jeweils zwischen zwei Verbindungsstellen 21, 22, 23, 24 erstrecken.
  • Dabei sind der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 in Strömungspfaden angeordnet, welche sich jeweils zwischen einer ersten Verbindungsstelle 21 und einer zweiten Verbindungsstelle 22 erstrecken. Während der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und damit auch der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 bidirektional durchströmbar sind, ist der Strömungspfad mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 lediglich in einer Richtung von Kühlmittel beaufschlagbar. Innerhalb dieses Strömungspfads ist eine erste Fördervorrichtung 19 angeordnet, welche in Strömungsrichtung des Kühlmittels dem Wärmeübertrager 8 vorgelagert ist. Das Kühlmittel strömt folglich von der ersten Verbindungsstelle 21 durch die Fördervorrichtung 19 zum Wärmeübertrager 8 und anschließend zur zweiten Verbindungsstelle 22. Die erste Verbindungsstelle 21 ist als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet, während die zweite Verbindungsstelle 22 als ein T-Stück ausgebildet ist.
  • Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 und der Batterie-Wärmeübertrager 17 sind ebenfalls in Strömungspfaden angeordnet, welche sich jeweils zwischen einer dritten Verbindungsstelle 23 und einer vierten Verbindungsstelle 24 erstrecken. Die Strömungspfade sind lediglich in einer Richtung von Kühlmittel beaufschlagbar. Innerhalb des Strömungspfads mit dem Batterie-Wärmeübertrager 17 ist eine zweite Fördervorrichtung 20 angeordnet, welche in Strömungsrichtung des Kühlmittels dem Batterie-Wärmeübertrager 17 nachgelagert ist. Das Kühlmittel strömt folglich von der dritten Verbindungsstelle 23 durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 zur Fördervorrichtung 20 und anschließend zur vierten Verbindungsstelle 24. Die dritte Verbindungsstelle 23 ist als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet, während die vierte Verbindungsstelle 24 als ein T-Stück ausgebildet ist.
  • Die Fördervorrichtungen 19, 20 zum Umwälzen des Kühlmittels sind insbesondere als Pumpen ausgebildet.
  • Die Komponenten des ersten Kühlmittelkreislaufs 18a sind über Kühlmittelleitungen miteinander verbunden, wobei zudem die erste Verbindungsstelle 21 mit der vierten Verbindungsstelle 24 sowie die zweite Verbindungsstelle 22 mit der dritten Verbindungsstelle 23 jeweils über eine Kühlmittelleitung hydraulisch miteinander gekoppelt sind.
  • Der zweite Kühlmittelkreislauf 26 weist einen Wärmeübertrager 27a zum Temperieren, insbesondere zum Abkühlen, elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs sowie einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 29 zur Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Kühlmittel und der Umgebungsluft auf. Das zweite Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch, wird mittels einer Fördervorrichtung 28, insbesondere einer Pumpe, zwischen den Wärmeübertragern 27a, 29 umgewälzt. Der zweite Kühlmittelkreislauf 26 ist unabhängig vom ersten Kühlmittelkreislauf 18a betreibbar, sodass im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 29 unabhängig vom Betrieb des Kältekreislaufs 3 Wärme von elektrischen Komponenten abgeführt und an die Umgebungsluft übertragen werden kann.
  • 1a zeigt den Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Kälteanlagenmodus M1 und im Nachheizmodus M2.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, welcher beim Betrieb im Kälteanlagenmodus M1 luftseitig nicht angeströmt wird, sodass keine Wärme vom Kältemittel abgeführt wird. Im Gegensatz dazu wird der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beim Betrieb im Nachheizmodus M2 mit Zuluft des Fahrgastraums beaufschlagt und als Kondensator/Gaskühler betrieben, wobei im Kondensator/Gaskühler ein Teil der Abwärme des Kältemittelkreislaufs 3 als Wärme OK,M2 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen wird. Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 und durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 geleitet, in welchem Wärme OK,M1,M2 vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierende Kühlmittel übertragen wird. Damit wird insbesondere beim Betrieb im Kälteanlagenmodus M1 die Effizienz des Betriebes erhöht, speziell beim Stillstand oder bei sehr langsamer Fahrt des Kraftfahrzeugs.
  • Beim darauffolgenden Durchströmen des inneren Wärmeübertragers 13 wird kreislaufintern Wärme Qi,M1,M2 vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen, um die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a weiter zu steigern und die Kälteleistung Q0,M1,M2 zu erhöhen. An der ersten Verbindungsstelle 15 wird das Kältemittel zum geöffneten Ventil 10 geleitet. Das Ventil 12 ist geschlossen. Im als Expansionsventil betriebenen Ventil 10 wird das Kältemittel auf Niederdruckniveau und damit in das Zweiphasen-Gebiet entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 wird das Kältemittel verdampft.
  • Das verdampfte und nunmehr gasförmig vorliegende Kältemittel wird durch das geöffnete und damit auf Durchlass eingestellte Ventil 11 und die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem das Kältemittel überhitzt wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 sind im Klimagerät luftseitig in Strömungsrichtung der Zuluft des Fahrgastraums nacheinander angeordnet. Beim Verdampfen des Kältemittels im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird die Zuluft des Fahrgastraums abgekühlt und/oder entfeuchtet. Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus M1 wird die Luft anschließend nicht weiter konditioniert dem Fahrgastraum zugeführt. Beim Betrieb im Nachheizmodus M2 wird die abgekühlte und/oder entfeuchtete Zuluft vor dem Einleiten in den Fahrgastraum über den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet und dabei erwärmt. Die beim Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 an das Kältemittel übertragene Wärme kann genutzt werden, um die Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 zu erwärmen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 wird die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 aus dem Kältemittelkreislauf 3 aufgenommene Wärme QK,M1,M2 als Wärme QM1,M2 an die Umgebungsluft übertragen.
  • Da das Ventil 12 geschlossen ist, wird auch der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 nicht mit Kältemittel beaufschlagt und keine Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel übertragen. Das durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 strömende und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird nicht konditioniert, sodass auch die Batterie nicht konditioniert wird. Allerdings wird sichergestellt, dass das Kühlmittel stets durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 hindurchströmt, um eine lokale Überhitzung der Batterie zu vermeiden.
  • In 1b ist der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit aktiver Batteriekühlung M3 dargestellt.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, welcher luftseitig nicht angeströmt wird, sodass keine Wärme vom Kältemittel abgeführt wird. Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 und durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 geleitet, in welchem Wärme QK,M3 vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierende Kühlmittel übertragen wird. Damit wird die Effizienz des Betriebes im Modus mit aktiver Batteriekühlung M3 erhöht, speziell beim Stillstand oder bei sehr langsamer Fahrt des Kraftfahrzeugs. Auch der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird vorteilhaft luftseitig nicht angeströmt.
  • Beim Durchströmen des inneren Wärmeübertragers 13 wird kreislaufintern Wärme Qi,M3 vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen, um die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a zu steigern und die Kälteleistung Q0,M3 zu erhöhen.
  • An der ersten Verbindungsstelle 15 wird das Kältemittel zum geöffneten Ventil 12 geleitet. Das Ventil 10 ist geschlossen. Im als Expansionsventil betriebenen Ventil 12 wird das Kältemittel auf Niederdruckniveau und damit in das Zweiphasen-Gebiet entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 wird das Kältemittel verdampft.
  • Das verdampfte und nunmehr gasförmig vorliegende Kältemittel wird durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem das Kältemittel überhitzt wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird, wie beim Betrieb in einer der in 1a gezeigten Betriebsmodi derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert, wobei die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 aus dem Kältemittelkreislauf 3 aufgenommene Wärme QK,M3 als Wärme QM3 an die Umgebungsluft übertragen wird.
  • Im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird Wärme Q0,M3 vom Kühlmittel an das verdampfende Kältemittel übertragen. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 abgekühlte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme OB,M3 von der Batterie an das Kühlmittel abgeführt wird. Die Batterie wird aktiv gekühlt, das heißt die Abwärme der Batterie wird an das Kühlmittel und vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen.
  • Aus 1c geht der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit passiver Batteriekühlung M4 hervor. Der Kältemittelkreislauf 3 ist außer Betrieb. Die Vorrichtung 1a wird im Modus mit passiver Batteriekühlung M4 betrieben, wenn die Zuluft des Fahrgastraums nicht zu konditionieren ist, beispielsweise bei für die Insassen komfortablen Umgebungsbedingungen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel zwischen dem Batterie-Wärmeübertrager 17 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert, wobei die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 von der Batterie aufgenommene Wärme OB,M4 als Wärme QM4 an die Umgebungsluft übertragen wird. Die Batterie wird passiv gekühlt, das heißt die Abwärme der Batterie wird an das Kühlmittel und vom Kühlmittel die Umgebungsluft übertragen.
  • Die erste Pumpe 19 des Kühlmittelkreislaufs 18a ist außer Betrieb. Die jeweils als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten erste Verbindungsstelle 21 und dritte Verbindungsstelle 23 sind derart geschaltet, dass die Strömungspfade mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 nicht mit Kühlmittel beaufschlagt werden.
  • 1d zeigt den Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Kälteanlagenmodus M5 sowie im Nachheizmodus M6 jeweils mit aktiver Batteriekühlung.
  • Der Unterschied zum Betrieb der Vorrichtung 1a im Kälteanlagenmodus M1 oder im Nachheizmodus M2 gemäß 1a liegt lediglich in der Betriebsweise des Kältemittelkreislaufs 3. Dabei wird wiederum der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus M5 luftseitig nicht angeströmt, sodass keine Wärme vom Kältemittel abgeführt wird, wobei im Gegensatz dazu der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beim Betrieb im Nachheizmodus M6 mit Zuluft des Fahrgastraums beaufschlagt und Wärme QK,M6 vom Kältemittel an die Zuluft übertragen wird.
  • Im als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird Wärme QK,M5,M6 vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierende Kühlmittel und im inneren Wärmeübertrager 13 wird kreislaufintern Wärme Qi,M5,M6 vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen, um die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a zu steigern und die Kälteleistungen Q0,M5,M6 zu erhöhen.
  • An der ersten Verbindungsstelle 15 wird das Kältemittel in zwei Teilmassenströme aufgeteilt. Dabei werden ein erster Teilmassenstrom zum geöffneten Ventil 10 und ein zweiter Teilmassenstrom zum geöffneten Ventil 12 geleitet. In den jeweils als Expansionsventil betriebenen Ventilen 10, 12 wird das Kältemittel auf Niederdruckniveau und damit in das Zweiphasen-Gebiet entspannt. Beim anschließenden Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 wird das Kältemittel des ersten Teilmassenstroms unter Aufnahme von Wärme Q0,M5,M6 verdampft. Beim Durchströmen des ebenfalls als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 wird auch das Kältemittel des zweiten Teilmassenstroms unter Aufnahme von Wärme Q0,M5,M6 verdampft. Die Teilmassenströme des verdampften und nunmehr gasförmig vorliegenden Kältemittels werden an der zweite Verbindungsstelle 16 wieder vermischt und durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem das Kältemittel überhitzt wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird wiederum derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert, wobei im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 aus dem Kältemittelkreislauf 3 aufgenommene Wärme QK,M5,M6 als Wärme QM5,M6 an die Umgebungsluft übertragen wird.
  • Im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird Wärme Q0,M5,M6 vom Kühlmittel an das verdampfende Kältemittel übertragen. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 abgekühlte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme QB,M5,M6 von der Batterie an das Kühlmittel abgeführt wird.
  • Die beim Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 an das Kältemittel übertragene Wärme und die im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 von der Batterie in den Kältemittelkreislauf 3 übertragene Wärme können genutzt werden, um die Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 zu erwärmen.
  • In 1e wird der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Heißgasmodus M7, auch als Dreiecksprozess bezeichnet, gezeigt.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, wobei ein Teil der Abwärme des Kältemittelkreislaufs 3 als Wärme OK,M7 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen wird.
  • Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 und durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 geleitet, welcher kühlmittelseitig nicht durchströmt wird, sodass keine Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird. Beim darauffolgenden Durchströmen des inneren Wärmeübertragers 13 wird kreislaufintern Wärme Qi,M7 vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen.
  • An der ersten Verbindungsstelle 15 wird das Kältemittel zum geöffneten Ventil 10 geleitet. Das Ventil 12 ist geschlossen. Das Kältemittel wird durch das auf Durchlass eingestellte Ventil 10 ohne bedeutende Druckänderung hindurchgeleitet. Beim anschließenden Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 wird das Kältemittel unter Abgabe von Wärme QK,M7 weiter abgekühlt beziehungsweise kondensiert.
  • Anschließend wird das Kältemittel durch das als Expansionsventil betriebene Ventil 11 auf Niederdruckniveau entspannt und durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13 an. Im inneren Wärmeübertrager 13 wird das auf Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel unter Aufnahme von Wärme Qi,M7 verdampft und gegebenenfalls zuvor verdampft. Mit dem Verdampfen des Kältemittels wird sichergestellt, dass kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter 4 einströmt.
  • Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 sind im Klimagerät luftseitig in Strömungsrichtung der Zuluft des Fahrgastraums bevorzugt nacheinander angeordnet. Beim Durchströmen der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 wird jeweils Wärme Wärme OK,M7 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Dabei werden das Kältemittel jeweils abgekühlt und die Zuluft des Fahrgastraums erwärmt.
  • Die erste Pumpe 19 des Kühlmittelkreislaufs 18a ist außer Betrieb. Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass die erste Verbindungsstelle 21 und die dritte Verbindungsstelle 23 die Strömungspfade zum Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25, zur ersten Pumpe 19 und zum ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 verschließen.
  • Da das Ventil 12 des Kältemittelkreislaufs 3 geschlossen ist, wird auch der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 nicht mit Kältemittel beaufschlagt und keine Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel übertragen. Das durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 strömende und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird nicht konditioniert, sodass auch die Batterie nicht konditioniert wird. Allerdings wird sichergestellt, dass das Kühlmittel stets durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 hindurchströmt, um eine lokale Überhitzung der Batterie zu vermeiden.
  • Der Betrieb der Vorrichtung 1a im Heißgasmodus M7 dient dazu, den Fahrgastraum mit hoher Heizleistung sehr schnell aufzuheizen. Durch die Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 3 ist der Verdichter 4 auf einfache konstruktive Art vor der Ansaugung von flüssigem Kältemittel geschützt und die Regelung des Dreiecksprozesses ist einfach.
  • Mit dem Betrieb im Heißgasmodus M7 können zudem elektrische Zuheizelemente entfallen, welche bei sehr geringen Temperaturen der Umgebung den Betrieb der Vorrichtung 1a in einem Wärmepumpemodus, insbesondere in einer Aufheizphase des Fahrgastraums, unterstützen. Der Betrieb im Heißgasmodus M7 reduziert damit die Kosten der Vorrichtung 1a.
  • Mit dem inneren Wärmeübertrager 13 im Kältemittelkreislauf 3 kann der Betrieb der Vorrichtung 1a im Heißgasmodus im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen einfach geregelt werden. Der Kältemittelkreislauf 3 ist derart geschaltet, dass der innere Wärmeübertrager 13 in Betrieb ist, um den Prozess zu stabilisieren. Durch den Modus im Heißgasmodus sind keine elektrischen Zuheizelemente notwendig, um insbesondere bei einem schnellen Aufheizen zeitnah und zuverlässig eine ausreichend hohe Heizleistung für kurze Zeit bereitzustellen. Die Vorrichtung 1a weist dabei eine gleiche Effizienz wie ein elektrisches Zuheizelement auf.
  • Aus 1f geht der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M8 sowie im Nachheizmodus M9 jeweils mit Umgebungsluft als Wärmequelle hervor.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, welcher mit Zuluft des Fahrgastraums beaufschlagt ist, sodass beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M8 ein Teil der Abwärme QK,M8 des Kältemittelkreislaufs 3 sowie im Nachheizmodus M9 die gesamte Abwärme QK,M9 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen wird. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme enthitzt und gegebenenfalls kondensiert. Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 und über die Verbindungsstelle 16 zum Ventil 11 geleitet. Das Ventil 12 ist geschlossen, sodass der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird.
  • Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M8 wird das Kältemittel beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 11 vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau entspannt, was die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a erhöhen kann, und zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet. Im als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird ein weiterer Teil der Abwärme QK,M8 des Kältemittelkreislaufs 3 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme kondensiert und gegebenenfalls unterkühlt. Anschließend wird das Kältemittel im ebenfalls als Expansionsventil betriebenen Ventil 10 auf Niederdruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt.
  • Auch beim Betrieb im Nachheizmodus M9 wird das Kältemittel beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 11 vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt und zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet. Das als Expansionsventil betriebene Ventil 11 wird genutzt, um ein geeignetes Mitteldruckniveau des Kältemittels und damit eine geeignete Verdampfungstemperatur zum Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums einzustellen. Im als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme Q0,M9 verdampft. Anschließend wird das Kältemittel im ebenfalls als Expansionsventil betriebenen Ventil 10 auf Niederdruckniveau entspannt.
  • Nachfolgend strömt das sowohl beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M8 als auch beim Betrieb im Nachheizmodus M9 im Zweiphasengebiet auf Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 13. Dabei wird keine Wärme übertragen, da das Kältemittel beiderseits das gleiche Druckniveau und damit das gleiche Temperaturniveau aufweist. Mit der Außerbetriebnahme des inneren Wärmeübertragers 13 werden zu hohe Heißgastemperaturen des Kältemittels am Austritt des Verdichters vermieden. Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 13 strömt das Kältemittel durch den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, in welchem Wärme Q0,M8,M9 vom im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird, und verdampft. Das verdampfte und nunmehr gasförmig vorliegende Kältemittel wird durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem keine Wärme übertragen wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 sind im Klimagerät luftseitig in Strömungsrichtung der Zuluft des Fahrgastraums bevorzugt nacheinander angeordnet. Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M8 wird die Zuluft des Fahrgastraums sowohl beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 als auch beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 erwärmt. Das Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums in zwei Stufen erhöht die Effizienz der Vorrichtung 1a beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M8.
  • Beim Betrieb im Nachheizmodus M9 wird die Zuluft des Fahrgastraums beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 abgekühlt und/oder entfeuchtet und beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 vor dem Einleiten in den Fahrgastraum erwärmt. Die beim Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 an das Kältemittel übertragene Wärme kann genutzt werden, um die Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 zu erwärmen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme OM8,M9 als Wärme Q0,M8,M9 an das Kältemittel übertragen.
  • Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel wird keine Wärme übertragen. Das durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 strömende und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird nicht konditioniert, sodass auch die Batterie nicht konditioniert wird. Allerdings wird sichergestellt, dass das Kühlmittel stets durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 hindurchströmt, um eine lokale Überhitzung der Batterie zu vermeiden.
  • 1g zeigt den Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M10 sowie im Nachheizmodus M11 jeweils mit aktiver Batteriekühlung und mit der Batterie als Wärmequelle. Der Unterschied zum Betrieb der Vorrichtung 1a im Wärmepumpenmodus M8 sowie im Nachheizmodus M9 gemäß 1f liegt in der Nutzung der Batterie anstatt der Umgebungsluft als Wärmequelle und damit auch der aktiven Batteriekühlung. Das Betreiben des Kältemittelkreislaufs 3 ist jeweils dem Betrieb der Vorrichtung 1a im Wärmepumpenmodus M8 beziehungsweise im Nachheizmodus M9 nach 1f zu entnehmen.
  • Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M10 wird sowohl beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 als auch beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 jeweils Wärme QK,M10 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Beim Betrieb im Nachheizmodus M11 wird die Zuluft des Fahrgastraums beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 abgekühlt und/oder entfeuchtet, wobei die Wärme Q0,M11 an das Kältemittel übertragen wird, und anschließend beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 vor dem Einleiten in den Fahrgastraum erwärmt, wobei die Wärme QK,M11 vom Kältemittel an die Zuluft übertragen wird.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das wahlweise von der ersten Pumpe 19 oder von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Batterie-Wärmeübertrager 17 zirkuliert. Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Batterie-Wärmeübertrager 17 von der Batterie aufgenommene Wärme QB,M10,M11 als Wärme Q0,M10,M11 an das Kältemittel übertragen. Die Batterie wird aktiv gekühlt, zudem wird die Abwärme der Batterie zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums genutzt.
  • Die jeweils als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten erste Verbindungsstelle 21 und dritte Verbindungsstelle 23 sind derart geschaltet, dass die Strömungspfade mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 nicht mit Kühlmittel beaufschlagt werden.
  • In 1h ist der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit aktiver Batterieheizung M12 und mit Umgebungsluft als Wärmequelle dargestellt.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, welcher luftseitig nicht angeströmt wird, sodass keine Wärme vom Kältemittel abgeführt wird. Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 und durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 geleitet, in welchem Wärme QK,M12 vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierende Kühlmittel übertragen wird. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme enthitzt, zumindest teilweise kondensiert und gegebenenfalls unterkühlt. Das Ventil 11 ist geschlossen, sodass der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird. In den Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern 5, 6 wird jeweils keine Wärme übertragen.
  • Beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 12 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt. Nachfolgend wird das Kältemittel ohne Übertragung von Wärme durch den inneren Wärmeübertrager 13 geleitet. Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 13 strömt das Kältemittel durch den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, in welchem Wärme Q0,M12 vom im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird, und verdampft.
  • Das verdampfte und nunmehr gasförmig vorliegende Kältemittel wird durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem keine Wärme übertragen wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme QM12 als Wärme Q0,M12 an das Kältemittel übertragen.
  • Im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird Wärme QK,M12 vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 erwärmte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme QB,M12 vom Kühlmittel an die Batterie abgegeben wird. Die Batterie wird aktiv beheizt, das heißt die Abwärme des Kältemittelkreislaufs 3 wird an die Batterie übertragen.
  • Der Betrieb der Vorrichtung 1a mittels Wärmepumpenfunktionalität im Modus mit aktiver Batterieheizung stellt einen großen Vorteil für Kraftfahrzeuge mit Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, im elektrischen Antriebsstrang dar. Bei geringen Temperaturen der Außenluft beziehungsweise der Umgebungsluft kann die Betriebstemperatur der Batterie ohne den Einsatz eines zusätzlichen elektrischen Heizers auf einen erlaubten Temperaturwert als Mindestmaß vorgewärmt werden. Zudem kann die Batterie als thermischer Speicher für eine Wärmepumpenfunktion genutzt werden. Bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft kann die Batterie auf eine maximal erlaubte Betriebstemperatur vorgewärmt werden, während das Kraftfahrzeug an das elektrische Netz angeschlossen ist. Während der anschließenden Fahrt wird die in der Batterie gespeicherte Wärme mittels eines als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers von der Batterie an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Die Erwärmung der Zuluft des Fahrgastraums mit Hilfe der in der Batterie gespeicherten Wärme führt zu einer deutlich höheren Heizleistung und zu einer deutlich höheren Leistungszahl des Wärmepumpensystems im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen. Mit der vorliegenden Vorrichtung 1a mit Wärmepumpenfunktionalität kann die elektrische Reichweite von BEV und HEV um bis zu 60 % erhöht werden.
  • In 1i ist der Betrieb der Vorrichtung 1a zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M13 sowie im Nachheizmodus M14 jeweils mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft als Wärmequelle gezeigt.
  • Das aus dem Verdichter 4 austretende, gasförmige und überhitzte Kältemittel wird durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 geleitet, welcher mit Zuluft des Fahrgastraums beaufschlagt ist, sodass beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M13 ein Teil der Abwärme QK,M13 des Kältemittelkreislaufs 3 sowie im Nachheizmodus M14 die gesamte Abwärme QK,M14 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen wird. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme enthitzt und gegebenenfalls kondensiert. Anschließend wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 7 zur zweiten Verbindungsstelle 16 geleitet.
  • An der zweiten Verbindungsstelle 16 wird das Kältemittel in zwei Teilmassenströme aufgeteilt. Dabei werden ein erster Teilmassenstrom zum Ventil 11 und ein zweiter Teilmassenstrom zum zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 geleitet.
  • Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M13 wird der erste Teilmassenstrom des Kältemittels beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 11 vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau entspannt, was die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a erhöhen kann, und zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet. Im als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird ein weiterer Teil der Abwärme QK,M13 des Kältemittelkreislaufs 3 vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme kondensiert und gegebenenfalls unterkühlt. Anschließend wird das Kältemittel im ebenfalls als Expansionsventil betriebenen Ventil 10 auf Niederdruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt.
  • Auch beim Betrieb im Nachheizmodus M14 wird der erste Teilmassenstrom des Kältemittels beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 11 vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt und zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet. Das als Expansionsventil betriebene Ventil 11 wird genutzt, um ein geeignetes Mitteldruckniveau des Kältemittels und damit eine geeignete Verdampfungstemperatur zum Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums einzustellen. Im als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme Q0,M14 verdampft. Anschließend wird das Kältemittel im ebenfalls als Expansionsventil betriebenen Ventil 10 auf Niederdruckniveau entspannt.
  • Der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels wird sowohl beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M13 als auch beim Betrieb im Nachheizmodus M14 durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 geleitet, in welchem Wärme QK,M13,M14 vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierende Kühlmittel übertragen wird. Dabei wird das Kältemittel je nach übertragener Wärme enthitzt, zumindest teilweise kondensiert und gegebenenfalls unterkühlt. Beim Durchströmen des als Expansionsventil betriebenen Ventils 12 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau in das Zweiphasengebiet entspannt.
  • Die beiden Teilmassenströme des jeweils auf Niederdruckniveau entspannten und nunmehr im Zweiphasengebiet vorliegenden Kältemittels werden an der ersten Verbindungsstelle 15 wieder vermischt. Nachfolgend wird das Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 13 geleitet. Nach dem Austreten aus dem inneren Wärmeübertrager 13 strömt das Kältemittel durch den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, in welchem Wärme Q0,M13,M14 vom im Kühlmittelkreislauf 18a zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird, und verdampft.
  • Das verdampfte und nunmehr gasförmig vorliegende Kältemittel wird durch die Ventilanordnung 7 zum Kältemittelakkumulator 14 geleitet. Der Verdichter 4 saugt das gasförmige Kältemittel aus dem Kältemittelakkumulator 14 durch den inneren Wärmeübertrager 13, in welchem keine Wärme übertragen wird, an. Der Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
  • Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, 6 sind im Klimagerät luftseitig in Strömungsrichtung der Zuluft des Fahrgastraums bevorzugt nacheinander angeordnet. Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M13 wird die Zuluft des Fahrgastraums sowohl beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 als auch beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 erwärmt. Das Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums in zwei Stufen erhöht die Effizienz des Betriebes der Vorrichtung 1a beim Betrieb im Wärmepumpenmodus M13.
  • Beim Betrieb im Nachheizmodus M9 wird die Zuluft des Fahrgastraums beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 abgekühlt und/oder entfeuchtet und beim Überströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 vor dem Einleiten in den Fahrgastraum erwärmt. Die beim Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 an das Kältemittel übertragene Wärme kann genutzt werden, um die Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 beziehungsweise die Batterie zu erwärmen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a wird derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme QM13,M14 als Wärme Q0,M13,M14 an das Kältemittel übertragen.
  • Im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird Wärme QK,M13,M14 vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 erwärmte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme QB,M13,M14 vom Kühlmittel an die Batterie abgegeben wird. Die Batterie wird aktiv beheizt, das heißt die Abwärme des Kältemittelkreislaufs 3 wird an die Batterie übertragen.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18a des Klimatisierungssystems 1a weist eine minimale Anzahl sowohl an Pumpen 19, 20 zum Fördern des Kühlmittels als auch an Drei-Wege-Ventilen auf.
  • In den 2a bis 2i ist jeweils eine Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf 3 und einem Kühlmittelkreislauf 18b in unterschiedlichen Betriebsmodi gezeigt. Der Kühlmittelkreislauf 18b ist über die zwei Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, 9 mit dem Kältemittelkreislauf 3 verbunden. Die Strömungsrichtungen von Kältemittel und Kühlmittel innerhalb der Kreisläufe sind anhand von Pfeilen gekennzeichnet. Da die Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 3 der Vorrichtung 1b der Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 3 der Vorrichtung 1a gemäß den 1a bis 1i entspricht, wird auf die oben genannten Ausführungen verwiesen.
  • Die Wärmeübertrager 8, 9 des Kältemittelkreislaufs 3 sind jeweils als eine Komponente des Kühlmittelkreislaufs 18b ausgebildet und werden einerseits vom Kältemittel und andererseits von Kühlmittel, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b weist neben den Wärmeübertragern 8, 9 den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebungsluft, den Wärmeübertrager 17 zum Konditionieren einer elektrischen Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Batterie, sowie den Wärmeübertrager 27b zum Temperieren, insbesondere zum Abkühlen, elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs auf.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b des Klimatisierungssystems 1b weist im Vergleich zum Kühlmittelkreislauf 18a des Klimatisierungssystems 1a eine weitere Pumpe 30 und weitere Drei-Wege-Ventile auf.
  • Im Unterschied zur Vorrichtung 1a aus den 1a bis 1i ist der Wärmeübertrager 27b nicht in einem zweiten Kühlmittelkreislauf sondern im einzigen Kühlmittelkreislauf 18b integriert. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 29 zur Wärmeübertragung zwischen einem zweiten Kühlmittel und der Umgebungsluft entfällt. Es wird lediglich ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 benötigt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b weist im Vergleich zum Kühlmittelkreislauf 18a der Vorrichtung 1a aus den 1a bis 1i zudem zwei zusätzliche Bypässe 33, 36 auf, welche sich jeweils zwischen zwei zusätzlichen Verbindungsstellen 34, 35, 37, 38 erstrecken. Dabei sind jeweils eine Verbindungsstelle 35, 38 der Bypässe 33, 36 als ein Drei-Wege-Ventil und jeweils eine Verbindungsstelle 34, 37 der Bypässe 33, 36 als ein T-Stück ausgebildet.
  • Zu den Strömungspfaden mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 des Kühlmittelkreislaufs 18a, 18b sind beim Kühlmittelkreislauf 18b zwei weitere Strömungspfade angeordnet, welche zu den Strömungspfaden des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 25 und des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 8 sowie zueinander parallel geschaltet sind.
  • Dabei weist einer der Strömungspfade, welcher sich zwischen einer fünften Verbindungsstelle 31 und einer sechsten Verbindungsstelle 32 des Kühlmittelkreislaufs 18b erstreckt, den Wärmeübertrager 27b zum Temperieren elektrischer Komponenten auf. Innerhalb dieses Strömungspfads sind eine dritte Fördervorrichtung 30, welche in Strömungsrichtung des Kühlmittels dem Wärmeübertrager 27b vorgelagert ist, und eine siebte Verbindungsstelle 34 angeordnet. Die dritte Fördervorrichtung 30 zum Umwälzen des Kühlmittels ist insbesondere als eine Pumpe ausgebildet. Die siebte Verbindungsstelle 34 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels dem Wärmeübertrager 27b nachgelagert. Das Kühlmittel strömt folglich von der fünften Verbindungsstelle 31 durch die Pumpe 30 und den Wärmeübertrager 27b zur siebten Verbindungsstelle 34. Von der siebten Verbindungsstelle 34 erstreckt sich ein Bypass 33 zu einer achten Verbindungsstelle 35, welche innerhalb des Strömungspfads mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 ausgebildet ist. Die achte Verbindungsstelle 35 ist dabei zwischen der Fördervorrichtung 19 und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 angeordnet.
  • Zu den Strömungspfaden mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, mit dem Wärmeübertrager 27b für elektrische Komponenten und mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 ist ein Bypass 36 ausgebildet, welcher von einer neunten Verbindungsstelle 37 zu einer zehnten Verbindungsstelle 38 erstreckt.
  • Die siebte Verbindungsstelle 34 und die zehnte Verbindungsstelle 38 sind jeweils als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet, während die achte Verbindungsstelle 35 und die neunte Verbindungsstelle 37 jeweils als ein T-Stück ausgebildet sind.
  • Jeder Wärmeübertrager 8, 9, 17, 25, 27b ist dabei in einem eigenen Strömungspfad angeordnet, welche sich jeweils zwischen zwei Verbindungsstellen 22, 23, 24, 31, 34, 35, 37, 38 erstrecken. Während der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und damit auch der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 bidirektional durchströmbar sind, sind die Strömungspfade mit den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern 8, 9 sowie den Wärmeübertragern 17, 27b als Batterie-Wärmeübertrager und Wärmeübertrager für elektrische Komponenten und damit auch die Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, 9 sowie die Wärmeübertrager 17, 27b lediglich in einer Richtung von Kühlmittel beaufschlagbar.
  • Die über Kühlmittelleitungen miteinander verbundenen Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 18b erlauben die Nutzung der Abwärme aus elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeugs, wie einem Transformer, einem Inverter, einem Motor oder einem im Kraftfahrzeug integrierten Ladegerät, zur Beheizung der Zuluft des Fahrgastraums beziehungsweise zum Vorkonditionieren der Batterie.
  • Bevor im Folgenden einzelne Betriebsmodi der Vorrichtung 1b beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass die Funktionen im Wesentlichen den Funktionen der Vorrichtung 1a aus den 1a bis 1i entsprechen. Da der Kältemittelkreislauf 3 zudem identisch ausgebildet ist, werden nachfolgend vor allem die Unterschiede der Betriebsmodi zur Vorrichtung 1a dargelegt.
  • 2a zeigt den Betrieb Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Kälteanlagenmodus M1 und im Nachheizmodus M2.
  • Die elektrischen Komponenten werden mit dem Wärmeübertrager 27b gekühlt, welcher im gleichen Kühlmittelkreislauf 18b ausgebildet ist, wie die Wärmeübertrager 8, 25 zur Wärmeabgabe des Kältemittelkreislaufs 3. Der Kühlmittelkreislauf 18b wird derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 wird die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 aus dem Kältemittelkreislauf 3 aufgenommene Wärme QK,M1,M2 zumindest als ein Teil der Wärme QM1,M2 an die Umgebungsluft übertragen. Die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 34, 38 sind derart geschaltet, dass die Bypässe 33, 36 geschlossen sind.
  • Der Wärmeübertrager 27b zur Aufnahme von Wärme QeK,M1,M2 der elektrischen Komponenten kann je nach Bedarf unabhängig vom Gesamtsystem betrieben und mit Kühlmittel, insbesondere einem Teilmassenstrom des Kühlmittels, beaufschlagt werden. Bei Inbetriebnahme der Pumpe 30 strömt zumindest ein Teilmassenstrom des Kühlmittels von der Verbindungsstelle 31 durch den Wärmeübertrager 27b zur Verbindungsstelle 32. Das Kühlmittel wird dabei je nach Bedarf an der Verbindungsstelle 31 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt, wobei die Aufteilung zwischen 0 und 100 % beträgt. An der Verbindungsstelle 32 werden die Teilmassenströme wieder vermischt und zum Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geleitet.
  • In 2b ist der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit aktiver Batteriekühlung M3 dargestellt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b wird, wie beim Betrieb in einer der in 2a gezeigten Betriebsmodi derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert, wobei die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 aus dem Kältemittelkreislauf 3 aufgenommene Wärme QK,M3 zumindest als ein Teil der Wärme QM3 im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 an die Umgebungsluft übertragen wird. Bei Inbetriebnahme der Pumpe 30 strömt zumindest ein Teilmassenstrom des Kühlmittels von der Verbindungsstelle 31 durch den Wärmeübertrager 27b zur Verbindungsstelle 32. Das Kühlmittel wird dabei je nach Bedarf an der Verbindungsstelle 31 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt, wobei die Aufteilung zwischen 0 und 100 % beträgt. An der Verbindungsstelle 32 werden die Teilmassenströme wieder vermischt und zum Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geleitet.
  • Die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 34, 38 sind derart geschaltet, dass die Bypässe 33, 36 geschlossen sind.
  • Im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 wird Wärme Q0,M3 vom Kühlmittel an das verdampfende Kältemittel übertragen. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 abgekühlte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme QB,M3 von der Batterie an das Kühlmittel abgeführt wird. Die Batterie wird aktiv gekühlt, das heißt die Abwärme der Batterie wird an das Kühlmittel und vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen.
  • Aus 2c geht der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit passiver Batteriekühlung M4 hervor. Der Kältemittelkreislauf 3 ist außer Betrieb.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b wird derart betrieben, dass das von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel zwischen dem Batterie-Wärmeübertrager 17 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert, wobei die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 von der Batterie aufgenommene Wärme QB,M4 als Wärme QM4 an die Umgebungsluft übertragen wird. Die Batterie wird passiv gekühlt, das heißt die Abwärme der Batterie wird an das Kühlmittel und vom Kühlmittel die Umgebungsluft übertragen.
  • Die erste Pumpe 19 des Kühlmittelkreislaufs 18b ist außer Betrieb. Die jeweils als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstelle 21, 23, 34, 35 sind derart geschaltet, dass die Strömungspfade mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 sowie die Bypässe 33, 36 nicht von Kühlmittel durchströmt werden.
  • Der Wärmeübertrager 27b zur Aufnahme von Wärme QeK,M4 der elektrischen Komponenten wird je nach Bedarf mit einem Teilmassenstrom des Kühlmittels beaufschlagt. Bei Inbetriebnahme der dritten Pumpe 30 wird das mit der Abwärme der Batterie aufgewärmte Kühlmittel an der Verbindungsstelle 31 in zwei Teilmassenströme, das heißt einen Teilmassenstrom durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager 27b, aufgeteilt. Der durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 strömende Teilmassenstrom des Kühlmittels wird bei der Übertragung der Wärme QM4 an die Umgebungsluft abgekühlt. Der durch den Wärmeübertrager 27b strömende Teilmassenstrom des Kühlmittels wird bei der Übertragung der Wärme QeK,M4 an das Kühlmittel weiter erwärmt. Die elektrischen Komponenten weisen folglich eine höhere Temperatur auf als die Batterie. An der Verbindungsstelle 32 werden die Teilmassenströme des Kühlmittels mit unterschiedlichen Temperaturen wieder vermischt und zum Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet. Der durch den Wärmeübertrager 27b geleitete Teilmassenstrom wird mittels der Pumpe 30 derart geregelt, dass das an der Verbindungsstelle 32 aus den Teilmassenströmen vermischte Kühlmittel eine geringere Temperatur als die Batterie aufweist, um die Wärme QB,M4 von der Batterie an das Kühlmittel zu übertragen.
  • 2d zeigt den Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Kälteanlagenmodus M5 sowie im Nachheizmodus M6 jeweils mit aktiver Batteriekühlung.
  • Der Unterschied zum Betrieb der Vorrichtung 1b im Kälteanlagenmodus M1 oder im Nachheizmodus M2 gemäß 2a liegt lediglich in der Betriebsweise des Kältemittelkreislaufs 3, wobei auf die Ausführungen zu den 1a und 1d verwiesen wird.
  • In 2e wird der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Heißgasmodus M7, auch als Dreiecksprozess bezeichnet, gezeigt.
  • Die erste Pumpe 19 des Kühlmittelkreislaufs 18b ist außer Betrieb. Der Kühlmittelkreislauf 18b wird derart betrieben, dass die erste Verbindungsstelle 21 und die dritte Verbindungsstelle 23 die Strömungspfade zur zweiten Verbindungsstelle 22 sowie zur vierten Verbindungsstelle 24 und damit zur ersten Pumpe 19 und zum ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 verschließen.
  • Die elektrischen Komponenten werden mit dem Wärmeübertrager 27b gekühlt. Das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel strömt von der Verbindungsstelle 31 durch den Wärmeübertrager 27b zur Aufnahme von Wärme QeK,M7 zur Verbindungsstelle 32 und anschließend durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25, um dort die Wärme QM7 an die Umgebungsluft zu übertragen..
  • Die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 34, 38 sind derart geschaltet, dass die Bypässe 33, 36 geschlossen sind.
  • Aus 2f geht der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M8, M15 sowie im Nachheizmodus M9, M16 jeweils mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen hervor.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus M8 sowie im Nachheizmodus M9 mit Umgebungsluft und elektrischen Komponenten als Wärmequellen wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 und der Bypass 36 geschlossen sind sowie der Bypass 33 geöffnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme OM8,M9 und die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M8,M9 als Wärme Q0,M8,M9 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus M15 sowie im Nachheizmodus M16 ausschließlich mit elektrischen Komponenten als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geschlossen und die Bypässe 33, 36 geöffnet sind, was anhand der gestrichelten Linien und Pfeile gekennzeichnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M15,M16 als Wärme Q0,M15,M17 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim nicht dargestellten Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausschließlich mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geöffnet und die Bypässe 33, 36 sowie der Strömungspfad mit der dritten Pumpe 30 geschlossen sind. Die dritte Pumpe 30 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme an das Kältemittel übertragen.
  • 2g zeigt den Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M10 sowie im Nachheizmodus M11 jeweils mit aktiver Batteriekühlung und mit der Batterie sowie mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen. Der Unterschied zum Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus M8 sowie im Nachheizmodus M9 gemäß 2f liegt in der Nutzung der Batterie anstatt der Umgebungsluft als Wärmequelle und damit auch der aktiven Batteriekühlung.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b wird derart betrieben, dass das wahlweise von der zweiten Pumpe 20 oder von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, dem Batterie-Wärmeübertrager 17 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Batterie-Wärmeübertrager 17 von der Batterie aufgenommene Wärme QB,M10,M11 und die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M10,M11 als Wärme Q0,M10,M11 an das Kältemittel übertragen. Die Batterie wird aktiv gekühlt, zudem werden die Abwärme der Batterie und die Abwärme der elektrischen Komponenten zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums genutzt.
  • Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 23, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19, der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25, der Strömungspfad mit dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 sowie der Bypass 36 geschlossen sind und der Bypass 33 sowie der Strömungspfad mit der dritten Pumpe 30 geöffnet sind. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • In 2h ist der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Modus mit aktiver Batterieheizung M12 und mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen dargestellt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 18b wird derart betrieben, dass im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 Wärme QK,M12,M17 vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 erwärmte und von der zweiten Pumpe 20 geförderte Kühlmittel wird durch den Batterie-Wärmeübertrager 17 geleitet, wobei Wärme QB,M12,M17 vom Kühlmittel an die Batterie abgegeben wird. Die Batterie wird aktiv beheizt, das heißt die Abwärme des Kältemittelkreislaufs 3 wird an die Batterie übertragen.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Modus M12 mit Umgebungsluft und elektrischen Komponenten als Wärmequellen wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 und der Bypass 36 geschlossen sind sowie der Bypass 33 geöffnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme QM12 und die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M12 als Wärme Q0,M12 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Modus M17 ausschließlich mit elektrischen Komponenten als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geschlossen und die Bypässe 33, 36 geöffnet sind, was anhand der gestrichelten Linien und Pfeile gekennzeichnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M17 als Wärme Q0,M17 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim nicht dargestellten Betrieb der Vorrichtung 1b im Modus ausschließlich mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geöffnet und die Bypässe 33, 36 sowie der Strömungspfad mit der dritten Pumpe 30 geschlossen sind. Die dritte Pumpe 30 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme an das Kältemittel übertragen.
  • In 2i ist der Betrieb der Vorrichtung 1b zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug im Wärmepumpenmodus M13, M18 sowie im Nachheizmodus M14, M19 jeweils mit aktiver Batterieheizung und mit Umgebungsluft und/oder mit elektrischen Komponenten als Wärmequellen gezeigt.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus M13 sowie im Nachheizmodus M14 mit Umgebungsluft und elektrischen Komponenten als Wärmequellen wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 und der Bypass 36 geschlossen sind sowie der Bypass 33 geöffnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme QM13,M14 und die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M13,M14 als Wärme Q0,M13,M14 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus M18 sowie im Nachheizmodus M19 ausschließlich mit elektrischen Komponenten als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der dritten Pumpe 30 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Wärmeübertrager 27b für die elektrischen Komponenten zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geschlossen und die Bypässe 33, 36 geöffnet sind, was anhand der gestrichelten Linien und Pfeile gekennzeichnet ist. Die erste Pumpe 19 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 wird die im Wärmeübertrager 27b von den elektrischen Komponenten aufgenommene Wärme QeK,M18,M19 als Wärme Q0,M18,M19 an das Kältemittel übertragen.
  • Beim nicht dargestellten Betrieb der Vorrichtung 1b im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausschließlich mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Kühlmittelkreislauf 18b derart betrieben, dass das von der ersten Pumpe 19 geförderte Kühlmittel zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 zirkuliert. Dabei sind die als Drei-Wege-Ventile ausgebildeten Verbindungsstellen 21, 34, 38 derart geschaltet, dass der Strömungspfad mit der ersten Pumpe 19 sowie der Strömungspfad mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 geöffnet und die Bypässe 33, 36 sowie der Strömungspfad mit der dritten Pumpe 30 geschlossen sind. Die dritte Pumpe 30 ist außer Betrieb.
  • Im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 werden die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 25 aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme an das Kältemittel übertragen.
  • Mit dem Kühlmittelkreislauf 18b des Klimatisierungssystems 1b kann im Vergleich zum Kühlmittelkreislauf 18a des Klimatisierungssystems 1a im Wärmeübertrager 27b Abwärme elektrischer Komponenten aufgenommen und zur Beheizung der Zuluft des Fahrgastraums genutzt werden, was die Leistungszahl der Vorrichtung erhöht und zudem das Risiko der Vereisung des beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zur Wärmeübertragung von der Umgebungsluft an das Kühlmittel dienenden Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 25 minimiert. Das Vereisen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 25 würde zu einer Verschlechterung des luftseitigen Wärmeübergangs und somit zu einer Verschlechterung der Heizleistung und der Effizienz der gesamten Vorrichtung 1b führen. Wenn der Kältemittelkreislauf bei vereisten Wärmeübertrager 25 weiter betrieben wird, kann zudem der Verdichter 4 irreversibel geschädigt werden.
  • Die beschriebenen Verschaltungsvarianten und Betriebsmodi sind für unterschiedliche Kältemittel anwendbar, die niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig erfahren und dabei Wärme aufnehmen. Hochdruckseitig gibt das Kältemittel durch Enthitzung beziehungsweise Gaskühlung mit anschließender Kondensation beziehungsweise Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke wieder ab. Als geeignete Kältemittel sind zum Beispiel natürliche Stoffe, wie R744, sowie chemische Stoffe, wie R134a, R152a, R1234yf, einsetzbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b
    Vorrichtung zur Wärmeverteilung
    2
    Klimagerät
    3
    Kältemittelkreislauf
    4
    Verdichter
    5
    Wärmeübertrager, erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    6
    Wärmeübertrager, zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    7
    Ventilanordnung
    8
    Wärmeübertrager, erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    9
    Wärmeübertrager, zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    10,11,12
    Element zur Veränderung des Durchströmquerschnitts, Ventil
    13
    innerer Wärmeübertrager
    14
    Kältemittelakkumulator
    15
    erste Verbindungsstelle Kältemittelkreislauf 3
    16
    zweite Verbindungsstelle Kältemittelkreislauf 3
    17
    Wärmeübertrager, Batterie-Wärmeübertrager
    18a, 18b
    (erster) Kühlmittelkreislauf
    19
    erste Fördervorrichtung Kühlmittelkreislauf 18a, 18b, Pumpe
    20
    zweite Fördervorrichtung Kühlmittelkreislauf 18a, 18b, Pumpe
    21
    erste Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18a, 18b
    22
    zweite Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18a, 18b
    23
    dritte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18a, 18b
    24
    vierte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18a, 18b
    25
    Wärmeübertrager, Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    26
    zweiter Kühlmittelkreislauf
    27a,27b
    Wärmeübertrager für elektrische Komponenten
    28
    Fördervorrichtung zweiter Kühlmittelkreislauf 26, Pumpe
    29
    Wärmeübertrager, Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    30
    dritte Fördervorrichtung Kühlmittelkreislauf 18b, Pumpe
    31
    fünfte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    32
    sechste Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    33
    Bypass Kühlmittelkreislauf 18b
    34
    siebte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    35
    achte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    36
    Bypass Kühlmittelkreislauf 18b
    37
    neunte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    38
    zehnte Verbindungsstelle Kühlmittelkreislauf 18b
    Q
    Wärme
    0
    Verdampfung, Kälte
    B
    Batterie
    eK
    elektrische Komponenten
    K
    Kondensation, Verflüssigung
    M1 - M19
    Betriebsmodus
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012100525 A1 [0007]

Claims (23)

  1. Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug, aufweisend - mindestens einen Kühlmittelkreislauf (18a, 18b) mit mindestens einem Wärmeübertrager (17, 27b) zum Temperieren einer elektrischen Komponente und einem mit Umgebungsluft als Wärmequelle oder Wärmesenke für das Kühlmittel beaufschlagbaren Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (25) sowie - einen für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislauf (3) zum Kühlen, Heizen und Nachheizen der Zuluft eines Fahrgastraums sowie zum Kühlen und Heizen der elektrischen Komponente mit - einem Verdichter (4) zur Verdichtung des Kältemittels, - einem ersten als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und einem zweiten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Konditionieren der Zuluft, - einer Ventilanordnung (7) zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi, - mindestens einem Element (10, 11, 12) zur Veränderung des Durchströmquerschnitts sowie - mindestens einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8, 9) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (3) und dem Kühlmittel des mindestens einen Kühlmittelkreislaufs (18a, 18b).
  2. Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (17) zum Kühlen und Heizen der elektrischen Komponente als Wärmequelle oder Wärmesenke für das Kühlmittel sowie die temperierte elektrische Komponente als eine Batterie ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8, 9) je nach Bedarf und Betriebsmodus der Vorrichtung (1a, 1b) als Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler des Kältemittels betreibbar ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zwischen dem Verdichter (4) und der Ventilanordnung (7) des Kältemittelkreislaufs (3) ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) je nach Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf (3) der Ventilanordnung (7) vorgelagert oder nachgelagert ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (3) zwei getrennt voneinander ausgebildete und parallel mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungspfade aufweist, welche sich jeweils zwischen einer ersten Verbindungsstelle (15) und einer zweiten Verbindungsstelle (16) erstrecken.
  7. Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strömungspfad zwei Elemente (10, 11) zur Veränderung des Durchströmquerschnitts und den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) aufweist, wobei ein Element (10) zwischen der ersten Verbindungsstelle (15) und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) sowie ein Element (11) zwischen der zweiten Verbindungsstelle (16) und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Strömungspfad ein Element (12) zur Veränderung des Durchströmquerschnitts und einen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel aufweist, wobei das Element (12) zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) und der ersten Verbindungsstelle (15) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Element (10, 11, 12) zur Veränderung des Durchströmquerschnitts je nach Betriebsmodus der Vorrichtung (1a, 1b) als ein Absperrelement oder als ein Expansionsorgan oder mit voll geöffnetem Durchlass betreibbar ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (3) einen inneren Wärmeübertrager (13) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck aufweist, wobei der Wärmeübertrager (13) einerseits zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) und der ersten Verbindungsstelle (15) sowie andererseits dem Verdichter (4) vorgelagert angeordnet ist.
  11. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager (8, 9, 17, 25, 27b) jeweils in einem Strömungspfad des Kühlmittelkreislaufs (18a, 18b) angeordnet sind, welcher sich zwischen zwei Verbindungsstellen (21, 22, 23, 24, 34, 35, 37, 38) erstreckt.
  12. Vorrichtung (1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (18b) den Wärmeübertrager (17) zum Kühlen und Heizen einer elektrischen Komponente sowie einen Wärmeübertrager (27b) zum Temperieren einer weiteren elektrischen Komponente aufweist.
  13. Vorrichtung (1b) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (18b) einen Bypass (33) aufweist, welcher sich zwischen dem Strömungspfad mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) und dem Strömungspfad mit dem Wärmeübertrager (27b) zum Temperieren der elektrischen Komponente erstreckt.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Modus (M3, M5, M6, M10, M11) mit aktivem Kühlen der elektrischen Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeübertrager (17) Wärme (QB,M3,M5,M6,M10,M11) von der elektrischen Komponente an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3) übertragen wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Kälteanlagenmodus (M5) oder im Nachheizmodus (M6), dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) Wärme (Q0,M3,M5,M8) vom Kühlmittel an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (3) übertragen wird, wobei der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) als Verdampfer betrieben wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Kälteanlagenmodus (M5), dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) Wärme (QK,M5) vom Kältemittel an das Kühlmittel und im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (25) Wärme (QM5) vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen wird, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) als Kondensator/Gaskühler betrieben wird, und je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) Wärme (Q0,M5) von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Nachheizmodus (M6), dadurch gekennzeichnet, dass je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) Wärme (QK,M6) vom Kältemittel an das Kühlmittel und im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (25) Wärme (QM6) vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen wird sowie je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) Wärme (Q0,M6) von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, sowie je nach Bedarf im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums Wärme (QK,M6) vom Kühlmittel an die Zuluft übertragen wird, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) als Kondensator/Gaskühler betrieben werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 14 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Wärmepumpenmodus (M10) oder im Nachheizmodus (M11), dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) Wärme (Q0,M10,M11) vom Kühlmittel an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (3) übertragen wird, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) als Verdampfer betrieben wird.
  19. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Modus mit aktivem Heizen (M12, M17) der elektrischen Komponente im Wärmeübertrager (17) in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Wärmepumpenmodus (M13, M18) oder im Nachheizmodus (M14, M19), dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (25) Wärme (QM12,M13,M14) von der Umgebungsluft an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3) und/oder im Wärmeübertrager (27b) Wärme von elektrischen Komponenten an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3) sowie im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) Wärme (Q0,M12,M13,M14,M17,M18,M19) vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird, wobei der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) als Verdampfer betrieben wird, sowie im Wärmeübertrager (17) Wärme (QB,M12,M13,M14) vom Kühlmittel an die elektrische Komponente übertragen wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Wärmepumpenmodus (M10, M13, M18), dadurch gekennzeichnet, dass je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und/oder im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) Wärme (QK,M10,M13,M18) vom Kältemittel an die Zuluft übertragen wird, wobei die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5, 6) als Kondensator/Gaskühler betrieben werden und die Zuluft erwärmt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19 in Kombination mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) im Nachheizmodus (M11, M14, M19), dadurch gekennzeichnet, dass je nach Bedarf im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) Wärme (Q0,M11,M14,M19) von der Zuluft an das Kältemittel übertragen wird, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) als Verdampfer betrieben und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, sowie je nach Bedarf im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums Wärme (QK,M11,M14,M19) vom Kühlmittel an die Zuluft übertragen wird, wobei der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6) als Kondensator/Gaskühler betrieben wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 zum Betreiben einer Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (13) beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs (3) stets beiderseits von Kältemittel durchströmt wird, wobei beim Betrieb in einem Kälteanlagenmodus (M3, M5) und in einem Nachheizmodus (M6) Wärme (Qi,M3,M5,M6) übertragen wird und beim Betrieb in einem Wärmepumpenmodus (M10, M12, M13, M17, M18) und in einem Nachheizmodus (M11, M14, M19) keine Wärme übertragen wird.
  23. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1a, 1b) zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13 in einem Modus (M7) zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums, dadurch gekennzeichnet, dass in den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern (5, 6) Wärme (QK,M7) vom Kältemittel auf einem Hochdruckniveau an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen wird, der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) kühlmittelseitig nicht durchströmt wird und keine Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird, das Kältemittel im als Expansionsventil betriebenen Element (11) auf ein Niederdruckniveau entspannt wird sowie im inneren Wärmeübertrager (13) kreislaufintern Wärme (Qi,M7) vom Kältemittel auf Hochdruckniveau an das Kältemittel auf Niederdruckniveau übertragen wird.
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