DE102016203045A1

DE102016203045A1 - Temperiereinrichtung zum Temperieren eines Innenraums eines Fahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Temperiereinrichtung

Info

Publication number: DE102016203045A1
Application number: DE102016203045.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Keil
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung (1) zum Temperieren eines Innenraums (2) eines Fahrzeugs, mit wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (3), mittels welcher das Fahrzeug elektrisch antreibbar ist, mit wenigstens einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmittelkreislauf (4), in welchem die elektrische Antriebskomponente (3) angeordnet ist, mit wenigstens einem von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (7), in welchem wenigstens ein Verdichter (10) zum Verdichten des Kältemittels, wenigstens ein Expansionselement (11) zum Expandieren des Kältemittels, wenigstens ein erster Wärmetauscher (13) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft und wenigstens ein zweiter Wärmetauscher (14) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft angeordnet sind, und mit wenigstens einem in dem Kühlmittelkreislauf (4) und in dem Kältemittelkreislauf (7) angeordneten dritten Wärmetauscher (17) zum Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel, wobei die Temperiereinrichtung (1) in wenigstens einem Heizbetrieb zum Erwärmen des Innenraums (29) und in wenigstens einem Kühlbetrieb zum Kühlen des Innenraums (2) betreibbar ist, wobei zumindest in dem Heizbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung zum Temperieren eines Innenraums eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Temperiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Eine solche Temperiereinrichtung zum Temperieren eines Innenraums eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs wie beispielsweise eines Kraftwagens, ist bereits der WO 2011/029538 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Temperiereinrichtung umfasst dabei wenigstens eine elektrische Antriebskomponente, mittels welcher das Fahrzeug elektrisch, das heißt unter Verwendung von elektrischem Strom beziehungsweise elektrischer Energie, antreibbar ist. Bei der elektrischen Antriebskomponente handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Maschine. Unter dem Temperieren ist zu verstehen, dass der Innenraum des Fahrzeugs mittels der Temperiereinrichtung erwärmt sowie gekühlt werden kann. Das Erwärmen des Innenraums wird auch als Beheizen des Innenraums bezeichnet.
Die Temperiereinrichtung umfasst ferner wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmittelkreislauf, in welchem die elektrische Antriebskomponente angeordnet ist. Dadurch ist die elektrische Antriebskomponente beispielsweise mittels des Kühlmittels zu kühlen. Ferner umfasst die Temperiereinrichtung wenigstens einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf beispielsweise dazu ausgebildet ist, wenigstens einen thermodynamischen Kreisprozess des Kältemittels durchzuführen beziehungsweise zu bewirken. In dem Kältemittelkreislauf ist wenigstens ein Verdichter zum Verdichten des Kältemittels angeordnet. Ferner sind in dem Kältemittelkreislauf wenigstens ein Expansionselement zum Expandieren des Kältemittels, wenigstens ein erster Wärmetauscher zum Temperieren von dem Innenraum zuzuführender Luft und wenigstens ein zweiter Wärmetauscher zum Temperieren von dem Innenraum zuzuführender Luft angeordnet.
Die Temperiereinrichtung umfasst ferner wenigstens einen in dem Kühlmittelkreislauf und in dem Kältemittelkreislauf angeordneten dritten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel. Mit anderen Worten kann über den dritten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel stattfinden. Der jeweilige Wärmetauscher wird auch als Wärmeübertrager bezeichnet. Dabei ist die Temperiereinrichtung in wenigstens einem Heizbetrieb zum Erwärmen des Innenraums und in wenigstens einem Kühlbetrieb zum Kühlen des Innenraums betreibbar. Mit anderen Worten wird im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben der Temperiereinrichtung der Innenraum mittels der Temperiereinrichtung in dem Heizbetrieb erwärmt beziehungsweise beheizt. In dem Kühlbetrieb der Temperiereinrichtung wird der Innenraum mittels der Temperiereinrichtung gekühlt. Zum Temperieren des Innenraums wird die dem Innenraum zuzuführende Luft mittels des ersten Wärmetauschers und/oder mittels des zweiten Wärmetauschers temperiert, indem beispielsweise ein Wärmeaustausch zwischen der dem Innenraum zuzuführenden Luft und dem Kältemittel über den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher erfolgt.
Ferner offenbart die DE 10 2012 205 200 A1 eine Kältemittelkreislaufvorrichtung für eine Klimaanlage, die einen Entfeuchtungsbetrieb zum Kühlen und Entfeuchten von Zuführungsluft, die in einen zu klimatisierenden Raum geblasen werden soll, und zum Heizen der entfeuchteten Luft durchführt.
Des Weiteren offenbart die DE 101 23 830 A1 eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, das von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Außerdem ist aus der DE 10 2013 206 630 A1 ein Kühl- und Heizsystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bekannt.
Darüber hinaus offenbart die DE 10 2013 105 747 A1 eine Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug.
Somit ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mittels des Kältemittelkreislaufs einen Heizbetrieb zum Erwärmen beziehungsweise Beheizen des Innenraums zu realisieren, wobei mittels des Kältemittelkreislaufes eine Wärmepumpe dargestellt werden kann. Eine solche Wärmepumpe wird auch als Wärmepumpensystem bezeichnet und wirkt sich im Vergleich zu einer rein elektrischen Heizung zum Beheizen des Innenraums weniger negativ auf eine realisierbare elektrische Reichweite aus, über welche das beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildete Fahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Derartige Wärmepumpensysteme sind jedoch kostenintensiv im Vergleich zu rein elektrischen Heizungen. Um eine möglichst effiziente Erwärmung des Innenraums auch bei tiefen Außentemperaturen zu ermöglichen, greifen die herkömmlichen Wärmepumpen auf Wärme aus der Umgebung des Fahrzeugs, das heißt auf Wärme aus der Umgebungsluft zurück, indem mithilfe der Wärmepumpe Wärme aus der Umgebung auf ein gegenüber der Umgebung höheres Temperaturniveau angehoben und dann an dem Innenraum zuzuführende Luft und somit an den Innenraum selbst weitergegeben wird.
Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik elektrische Widerstandsheizungen zum Beheizen von Innenräumen von Fahrzeugen bekannt, wobei eine solche elektrische Widerstandsheizung üblicherweise wenigstens ein PTC-Element (PTC – Positive Temperature Coefficient) umfasst. Wärmepumpensysteme beziehungsweise elektrische Widerstandsheizungen kommen insbesondere bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz, da üblicherweise Abwärme, welche von elektrischen Antriebskomponenten zum Antreiben des Fahrzeugs bereitgestellt wird, nicht für eine hinreichende Beheizung des Innenraums ausreicht. Rein elektrische Heizsysteme wie beispielsweise elektrische Widerstandsheizungen sind in der Herstellung kostengünstig, verringern jedoch durch ihren Verbrauch an elektrischer Energie die elektrische Reichweite des Fahrzeugs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Temperiereinrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte, insbesondere dynamische und effiziente, Temperierung des Innenraums realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Temperiereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Um eine Temperiereinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte und insbesondere dynamische und effiziente Temperierung des Innenraums des Fahrzeugs realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt. Im Rahmen der Erfindung ist unter einem direkten Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel ein solcher Wärmeübergang zu verstehen, bei welchem Wärme nur von der Umgebungsluft und keinem anderen Fluid gezielt über einen Wärmetauscher an das Kältemittel übergeht, ohne dass ein von dem Kältemittel und von der Umgebungsluft unterschiedliches Fluid zwischengeschaltet ist, das heißt ohne dass Wärme von der Umgebungsluft zunächst an ein von dem Kältemittel und von der Umgebungsluft unterschiedliches Fluid und daran anschließend von dem Fluid an das Kältemittel übergeht. Somit ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb kein direkter Wärmeübergang von Umgebungsluft an beziehungsweise in das Kältemittel erfolgt. Mit anderen Worten erfolgt im Heizbetrieb keine gezielte, das heißt beabsichtigte direkte Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft in den Kältemittelkreislauf über einen Wärmetauscher.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Herkömmliche Wärmesysteme, die eine Erwärmung des Kältemittels beziehungsweise eine Wärmeaufnahme in das Kältemittel aus der Umgebungsluft, insbesondere ausschließlich aus der Umgebungsluft, über einen entsprechenden Wärmetauscher durchführen, haben den Nachteil, dass es zu einer Vereisung des auch als Außenwärmeübertrager oder Außenwärmetauscher bezeichneten Wärmetauschers bei Temperaturen um 0 Grad Celsius und feuchter Umgebungsluft kommen kann. Aufgrund von Niederschlag auskondensierter Feuchtigkeit und einer daraus resultierenden Vereisung des Außenwärmeübertragers muss herkömmlicherweise eine aufwändige Enteisungsprozedur, zum Beispiel durch Umschalten in den Kühlbetrieb, durchgeführt werden. Während dieser Zeit muss zur Aufrechterhaltung einer hinreichenden Heizleistung elektrisch zugeheizt werden, was die Effizienz beeinträchtigt. Diese Effizienzbeeinträchtigung kann bei der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung vermieden werden.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung eine Dämpfung des Wärmeübertragungsverhaltens im Heizbetrieb beziehungsweise in einem Wärmepumpenmodus vermieden werden, sodass sich eine besonders dynamische, insbesondere schnelle, Aufheizung des Innenraums realisieren lässt. Zu einer solchen unerwünschten Dämpfung des Wärmeübertragungsverhaltens kommt es insbesondere bei Einsatz eines Kühlmittelvolumens mit hoher spezifischer Wärmekapazität und bei Einsatz eines Zwischenwärmeübergangs an einen Heizkreislauf. Um trotz einer solchen Dämpfung eine hinreichende Heizleistung zu erhalten, kann der Kältemittelkreislauf auf höherem Hochdruck betrieben werden, um die Temperatur während der Kondensation zu erhöhen, was sich jedoch negativ auf die Effizienz des Heizbetriebs auswirkt. Diese Effizienzbeeinträchtigung kann bei der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung ebenfalls vermieden werden.
Ferner liegt der Erfindung folgende Erkenntnis zugrunde: In einem Mischbetrieb, in welchem die dem Innenraum zuzuführende Luft gekühlt und dann erwärmt wird, sodass beispielsweise dem Innenraum zuzuführende Luft, insbesondere durch das Kühlen, entfeuchtet wird, arbeiten bei herkömmlichen Temperiereinrichtungen Wärmeübertrager als Verdampfer in Serie, insbesondere in einer Heiz-/Kühleinheit. Die Regelung von seriellen Verdampfern ist aufgrund der nötigen Einstellung eines Zwischendrucks schwieriger als die Regelung von parallelen Verdampfern. Bei überwiegender Heizanforderung im Mischbetrieb kann es nötig sein, über eine Bypassleitung Kältemittel an wenigstens einem der Verdampfer vorbeizuführen, was dazu führt, dass Kältemittel in flüssiger Phase an eine Saugseite des Verdichters geführt wird, was vermieden werden sollte. Abhilfe könnte hierzu eine zusätzliche Komponente insbesondere in Form eines Akkumulators schaffen, jedoch resultieren daraus erhöhte Kosten und erhöhter Bauraumbedarf. Diese Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung ebenfalls vermieden werden.
Um einen besonders effizienten Heizbetrieb zu realisieren und den Innenraum besonders schnell, das heißt dynamisch erwärmen zu können, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der dritte Wärmetauscher in dem Heizbetrieb als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels arbeitet und infolge eines Wärmeübergangs von dem Kühlmittel über den dritten Wärmetauscher an das Kältemittel das Kältemittel erwärmt und das Kühlmittel kühlt.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperiereinrichtung wenigstens einen vierten Wärmetauscher umfasst, welcher in dem Kältemittelkreislauf stromab des zweiten Wärmetauschers und in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Dabei strömt das Kältemittel sowohl in dem Heizbetrieb als auch in dem Kühlbetrieb durch den vierten Wärmetauscher. Hierdurch können der Aufbau und somit die Teileanzahl, die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf der Temperiereinrichtung gering gehalten werden, wobei sich gleichzeitig ein besonders effizienter Betrieb der Temperiereinrichtung realisieren lässt.
Um den Innenraum besonders energiegünstig temperieren, insbesondere erwärmen, zu können, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb eine Strömung des Kühlmittels durch den vierten Wärmetauscher unterbleibt. Mit anderen Worten ist es bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb das Kühlmittel nicht durch den vierten Wärmetauscher strömt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Kühlbetrieb der vierte Wärmetauscher als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, arbeitet und infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den vierten Wärmetauscher an das Kühlmittel das Kältemittel kühlt und das Kühlmittel erwärmt. Hierdurch kann der Innenraum besonders effizient temperiert, insbesondere gekühlt, werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Kühlbetrieb eine Strömung des Kältemittels durch den dritten Wärmetauscher unterbleibt. Mit anderen Worten ist es bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass in dem Kühlbetrieb das Kältemittel nicht durch den dritten Wärmetauscher strömt. Hierdurch kann ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb der zweite Wärmetauscher als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, arbeitet und die dem Innenraum zuzuführende Luft infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den zweiten Wärmetauscher an die Luft erwärmt. Dabei unterbleibt ein durch den ersten Wärmetauscher bewirktes Kühlen der Luft. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die dem Innenraum zuzuführende Luft nicht mittels des ersten Wärmetauschers gekühlt wird. Ferner kann der Innenraum besonders energiegünstig temperiert, insbesondere erwärmt, werden.
Zur Realisierung eines besonders energiegünstigen Betriebs hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in dem Kühlmittelkreislauf ein fünfter Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und Umgebungsluft, die den fünften Wärmetauscher umströmt, angeordnet ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass den fünften Wärmetauscher durchströmende Kühlmittel infolge eines Wärmeübergangs von dem Kühlmittel über den fünften Wärmetauscher an die Umgebungsluft zu kühlen.
Um eine besonders dynamische Temperierung, insbesondere Erwärmung, des Innenraums zu realisieren, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in dem Heizbetrieb der fünfte Wärmetauscher als Heizelement arbeitet und das Kühlmittel infolge eines Wärmeübergangs von der Umgebungsluft über den fünften Wärmetauscher an das Kühlmittel erwärmt.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn auch in dem Kühlbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt.
Der jeweilige Wärmetauscher wird auch als Wärmeübertrager bezeichnet, da der jeweilige Wärmetauscher der Übertragung von Wärme dient. Dabei ist im Rahmen der Erfindung der jeweilige Wärmetauscher beziehungsweise Wärmeübertrager als ein solcher Wärmeübertrager zu verstehen, welcher von wenigstens zwei Fluiden umströmt beziehungsweise durchströmt wird, sodass über den jeweiligen Wärmetauscher ein Wärmeaustausch beziehungsweise eine Wärmeübertragung zwischen den Fluiden erfolgt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich schließlich gezeigt, wenn wenigstens ein Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie vorgesehen ist. Der Energiespeicher ist vorzugsweise eine Hochvolt-Energiespeicher (HV-Energiespeicher), welcher eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung, von mehr als 50 Volt, insbesondere von mehr als 100 Volt, bereitstellt beziehungsweise aufweist. Ferner ist wenigstens ein dem Energiespeicher zugeordneter sechster Wärmetauscher vorgesehen. Der sechste Wärmetauscher ist in dem Kältemittelkreislauf angeordnet und dabei parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet. Somit kann beispielsweise das Kältemittel parallel beziehungsweise gleichzeitig sowohl durch den zweiten Wärmetauscher als auch durch den sechsten Wärmetauscher strömen.
Der sechste Wärmetauscher arbeitet zumindest in einem Speicher-Heizbetrieb als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels. Dabei führt der sechste Wärmetauscher Wärme zum Beheizen des Energiespeichers von dem Kältemittel ab. Mit anderen Worten führt der sechste Wärmetauscher in dem Speicher-Heizbetrieb Wärme von dem Kältemittel ab, wodurch das Kältemittel gekühlt wird. Die mittels des sechsten Wärmetauschers in dem Speicher-Heizbetrieb von dem Kältemittel abgeführte Wärme wird zumindest mittelbar, insbesondere über den sechsten Wärmetauscher, genutzt, um die Energiespeicher zu beheizen, das heißt zu erwärmen oder warm zu halten.
Beispielsweise erfolgt ein Übergang von Wärme von dem Kältemittel über den sechsten Wärmetauscher direkt an den Energiespeicher. Ferner ist es denkbar, dass der Energiespeicher in einem weiteren Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher von einem weiteren Kühlmittel, insbesondere einer weiteren Kühlflüssigkeit, durchströmbar ist. Dabei erfolgt in dem Speicher-Heizbetrieb ein Wärmeübergang von dem Kältemittel über den sechsten Wärmetauscher an das weitere Kühlmittel, sodass das weitere Kühlmittel, welches beispielsweise den sechsten Wärmetauscher durchströmt, erwärmt wird. Das weitere Kühlmittel durchströmt auch den Energiespeicher, welcher infolge eines Wärmeübergangs von dem erwärmten weiteren Kühlmittel an den Energiespeicher beheizt wird. Somit wird der Energiespeicher mit Hilfe des sechsten Wärmetauschers mittelbar beheizt.
Da der sechste Wärmetauscher parallel zu dem zweiten Wärmetauscher geschaltet ist, kann der Speicher-Heizbetrieb mit dem zuvor genannten Heizbetrieb zusammenfallen, sodass sowohl der Energiespeicher als auch die dem Innenraum zuzuführende Luft erwärmt werden können.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff das Patentanspruchs 12 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte, insbesondere effiziente und dynamische, Temperierung des Innenraums realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb ein mittels eines Wärmetauscher gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt. Mit anderen Worten wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden, dass es zu einem zuvor beschriebenen direkten Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft über einen Wärmetauscher an das Kältemittel beziehungsweise in den Kältemittelkreislauf kommt. Damit verbunden beziehungsweise verknüpft ist der Vorteil, dass, insbesondere in dem Heizbetrieb, eine direkte Wärmeabgabe von dem Kältemittel, insbesondere über den zweiten Wärmetauscher, an die Luft, die in den Innenraum strömt, erfolgen kann. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Temperiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in einem Heizbetrieb;
3 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform in dem Heizbetrieb;
4 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in einem Kühlbetrieb;
5 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in einem Mischbetrieb;
6 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
8 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
9 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
10 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
11 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform; und
12 eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Temperiereinrichtung zum Temperieren eines Innenraums 2 eines Fahrzeugs, welches beispielsweise als Kraftfahrzeug, insbesondere als Kraftwagen wie beispielsweise ein Personenkraftwagen, ausgebildet ist. Das Fahrzeug umfasst einen in 1 nicht näher dargestellten Antriebsstrang, welcher als elektrischer oder elektrifizierter Antriebsstrang ausgebildet ist und demzufolge wenigstens eine elektrische Antriebskomponente 3 umfasst, mittels welcher das Fahrzeug antreibbar ist. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Antriebskomponente 3 um eine elektrische Maschine, welche beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar ist. In dem Motorbetrieb kann mittels der elektrischen Maschine wenigstens ein Rad des Fahrzeugs angetrieben werden. Um die elektrische Maschine in ihrem Motorbetrieb zu betreiben, wird die elektrische Maschine beispielsweise mit elektrischem Strom aus einem elektrischen Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie gespeichert. Der elektrische Strom ist beispielsweise in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert.
Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist die elektrische Antriebskomponente 3 auch Bestandteil der Temperiereinrichtung 1, da die elektrische Antriebskomponente 3 zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und/oder Wärmen, des Innenraums 2 genutzt wird. Insbesondere wird Abwärme der elektrischen Antriebskomponente 3 zum Temperieren, insbesondere Beheizen, des Innenraums 2 verwendet.
Die Temperiereinrichtung 1 umfasst einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmittelkreislauf 4, welcher beispielsweise einen ersten Teilstrang 5 zur Wärmeaufnahme und einen zweiten Teilstrang 6 zur Wärmeabgabe aufweist. Das Kühlmittel ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, welche auch als Kühlwasser bezeichnet wird. Dabei ist die elektrische Antriebskomponente 3 in dem Kühlmittelkreislauf 4, insbesondere in dem Teilstrang 5, angeordnet, sodass das Kühlmittel durch die elektrische Antriebskomponente 3 strömen kann. Beispielsweise infolge eines Wärmeübergangs von der elektrischen Antriebskomponente 3 an das die elektrische Antriebskomponente 3 durchströmende Kühlmittel wird die elektrische Antriebskomponente 3 gekühlt und das Kühlmittel erwärmt.
Die Temperiereinrichtung 1 weist ferner wenigstens einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf 7 auf. Der Kältemittelkreislauf 7 wird beispielsweise genutzt, um wenigstens einen thermodynamischen Kreisprozess des Kältemittels durchzuführen beziehungsweise zu bewirken. Somit ändert beispielsweise das Kältemittel beim Durchströmen des Kältemittelkreislaufs 7 und somit beim Durchlaufen des thermodynamischen Kreisprozesses seinen Phasenzustand. Der Kältemittelkreislauf 7 umfasst dabei einen dritten Teilstrang 8 und einen vierten Teilstrang 9.
In dem Kältemittelkreislauf ist wenigstens ein Verdichter 10 angeordnet, mittels welchem das Kältemittel zu verdichten ist beziehungsweise verdichtet wird. Dabei geben in 1 jeweilige Pfeile eine jeweilige Strömungsrichtung des Kältemittels beziehungsweise des Kühlmittels an.
Der Verdichter 10 ist vorzugsweise als elektrischer beziehungsweise elektrisch betreibbarer Kältemittelverdichter ausgebildet. Dabei umfasst der Verdichter 10 beispielsweise wenigstens einen Elektromotor, mittels welchem wenigstens ein Verdichtungselement zum Verdichten des Kältemittels angetrieben werden kann.
In dem Kältemittelkreislauf 7, insbesondere in dem Teilstrang 9, ist ein erstes Expansionselement 11 zum Expandieren des Kältemittels angeordnet. Ferner ist in dem Kältemittelkreislauf 7, insbesondere in dem Teilstrang 8, ein zweites Expansionselement 12 zum Expandieren des Kältemittels angeordnet. Das jeweilige Expansionselement 11 beziehungsweise 12 ist beispielsweise als Expansionsventil ausgebildet und wird auch als Expansionsorgan bezeichnet.
In dem Kältemittelkreislauf 7, insbesondere in dem Teilstrang 8, ist wenigstens ein erster Wärmetauscher 13 zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, von dem Innenraum 2 zuzuführender Luft angeordnet. Ferner ist in dem Kältemittelkreislauf 7, insbesondere in dem Teilstrang 9, wenigstens ein zweiter Wärmetauscher 14 zum Temperieren, insbesondere zum Erwärmen, von dem Innenraum 2 zuzuführender Luft angeordnet. Der Wärmetauscher 13 arbeitet beispielsweise als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels. Beim Verdampfen des Kältemittels nimmt das Kältemittel Wärme von Luft, die Wärmetauscher 13 umströmt, über den Wärmetauscher 13 auf, wodurch die Luft gekühlt wird. Die gekühlte Luft ist beispielsweise die dem Innenraum 2 zuzuführende Luft, sodass durch Zuführen der gekühlten Luft in den Innenraum 2 der Innenraum 2 gekühlt werden kann. Der Wärmetauscher 13 wird daher beispielsweise auch als Verdampfer Innenraum bezeichnet. Somit ist der Teilstrang 8 beispielsweise ein Teilstrang des Wärmetauschers 13.
Der Wärmetauscher 14 arbeitet beispielsweise als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels. Beim Kondensieren gibt das Kältemittel Wärme über den Wärmetauscher 14 an Luft, die den Wärmetauscher 14 umströmt, ab, wodurch die Luft erwärmt wird. Wird diese Luft beispielsweise dem Innenraum 2 zugeführt, so kann der Innenraum 2 erwärmt, das heißt beheizt werden. Daher wird der Wärmetauscher 14 auch als Heizkondensator oder als Heizkondensator Innenraum bezeichnet, sodass der Teilstrang 9 ein Teilstrang des Wärmetauschers 14 ist.
Die Temperiereinrichtung 1 umfasst beispielsweise eine Heiz-/Kühleinheit 15, welche die Wärmetauscher 13 und 14 umfasst. Hierbei umfasst die Heiz-/Kühleinheit 15 beispielsweise ein Gehäuse 16, in welchem die Wärmetauscher 13 und 14 angeordnet sind. Dabei ist das Gehäuse 16 beispielsweise von Luft, die dem Innenraum 2 zuzuführen ist, durchströmbar. Bezogen auf eine Strömungsrichtung, entlang welcher die dem Innenraum 2 zuzuführende Luft durch das Gehäuse 16 beziehungsweise durch die Heiz-/Kühleinheit 15 strömt, sind die Wärmetauscher 13 und 14 hintereinander beziehungsweise seriell zueinander geschaltet. Bezogen auf die Strömungsrichtung der das Gehäuse 16 durchströmenden und dem Innenraum 2 zuzuführenden Luft ist der Wärmetauscher 13 stromauf des Wärmetauschers 14 angeordnet.
Die Temperiereinrichtung 1 umfasst ferner wenigstens einen dritten Wärmetauscher 17, welcher in dem Kühlmittelkreislauf 4 und in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnet und demzufolge sowohl von dem Kältemittel als auch von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Die jeweilige, in dem Kühlmittelkreislauf 4 beziehungsweise in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnete Komponente ist von dem Kühlmittel beziehungsweise dem Kältemittel durchströmbar. Der dritte Wärmetauscher 17 dient dazu, einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel durchzuführen beziehungsweise gezielt zu bewirken. Der jeweilige Wärmetauscher wird auch als Wärmeübertrager bezeichnet, da der jeweilige Wärmetauscher genutzt wird, um gezielt einen Wärmeaustausch zwischen wenigstens zwei Fluiden wie beispielsweise zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel, zwischen dem Kältemittel und Luft und/oder zwischen dem Kühlmittel und Luft zu bewirken. Dieser Wärmeaustausch beziehungsweise diese Wärmeübertragung erfolgt dabei über den jeweiligen Wärmetauscher. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist die Temperiereinrichtung 1 in wenigstens einem Heizbetrieb zum Erwärmen des Innenraums 2 und in wenigstens einem Kühlbetrieb zum Kühlen des Innenraums 2 betreibbar.
Unter einem direkten Wärmeübergang von Umgebungsluft an das Kältemittel ist zu verstehen, dass gezielt mittels eines Wärmetauschers ein Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft, das heißt nur von Umgebungsluft und keinem weiteren Fluid wie beispielsweise Luft aus dem Innenraum 2, über den Wärmetauscher an das Kältemittel erfolgt, und zwar ohne Zwischenschaltung eines von dem Kältemittel und von der Umgebungsluft unterschiedlichen Fluids, das heißt ohne dass Wärme zunächst von der Umgebungsluft an das von der Umgebungsluft und dem Kältemittel unterschiedliche Fluid und dann von dem Fluid an das Kältemittel übergeht.
Um nun eine besonders vorteilhafte und insbesondere dynamische und effiziente Temperierung des Innenraums 2 zu realisieren, ist es bei der Temperiereinrichtung 1 sowie bei einem entsprechenden Verfahren zum Betreiben der Temperiereinrichtung 1 vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb ein direkter Wärmeübergang von Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt beziehungsweise vermieden wird.
Die Heiz-/Kühleinheit 15 umfasst eine beispielsweise in dem Gehäuse 16 angeordnete Mischluftklappe 18, mittels welcher eine Strömung der Luft durch die Heiz-/Kühleinheit 15 gezielt beziehungsweise bedarfsgerecht einstellbar ist. Die Temperiereinrichtung 1 umfasst des Weiteren einen vierten Wärmetauscher 19, welcher sowohl in dem Kühlmittelkreislauf 4 als auch in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnet ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf 7 ist der Wärmetauscher 19 stromab des Wärmetauschers 14 angeordnet. Dabei strömt das Kältemittel sowohl in dem Heizbetrieb als auch in dem Kühlbetrieb durch den vierten Wärmetauscher 19.
Die Temperiereinrichtung 1 umfasst ferner eine in dem Kühlmittelkreislauf 4 angeordnete Pumpe 20, mittels welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 4 gefördert wird. Dabei ist die Pumpe 20 beispielsweise als elektrische beziehungsweise elektrisch betreibbare Kühlmittelpumpe ausgebildet. Des Weiteren ist ein Ventil 21 vorgesehen, welches in dem Kühlmittelkreislauf 4 angeordnet ist. Das Ventil 21 ist beispielsweise als Absperrventil ausgebildet, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar ist. In der Schließstellung ist das Ventil 21 geschlossen, sodass das Kühlmittel nicht durch das Ventil 21 strömen kann. In der Offenstellung ist das Ventil 21 geöffnet, sodass das Kühlmittel durch das Ventil 21 strömen kann. Darüber hinaus umfasst die Temperiereinrichtung 1 einen fünften Wärmetauscher 22, welcher in dem Kühlmittelkreislauf 4 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 22 dient dem Bewirken beziehungsweise Durchführen eines Wärmeaustausches beziehungsweise einer Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und den fünften Wärmetauscher 22 umströmender Umgebungsluft.
1, 2, 4 und 5 zeigen eine erste Ausführungsform der Temperiereinrichtung 1, wobei in 1 eine Basistopologie der als Kühl- und Heizsystem ausgebildeten Temperiereinrichtung 1 veranschaulicht ist. Der Wärmetauscher 19 ist dabei beispielsweise als Kältemittel-Kühlmittel-Kondensator ausgebildet, wobei der Wärmetauscher 13 beispielsweise als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels ausgebildet ist. Das jeweilige Expansionsventil beziehungsweise das jeweilige Expansionselement 11 beziehungsweise 12 ist beispielsweise zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar. In der Schließstellung ist das jeweilige Expansionsventil geschlossen, sodass das Kältemittel nicht durch das jeweilige Expansionsventil strömen kann. In der Offenstellung kann das Kältemittel durch das Expansionsventil strömen.
Die Heiz-/Kühleinheit 15 wird mit der die Heiz-/Kühleinheit 15 beziehungsweise das Gehäuse 16 durchströmenden Luft beispielsweise mittels eines Gebläses versorgt, welches die Luft ansaugt und durch die Heiz-/Kühleinheit 15 hindurch fördert. Bei dieser das Gehäuse 16 durchströmenden Luft handelt es sich beispielsweise um sogenannte Klimaluft. Die Klimaluft umfasst beispielsweise ausschließlich Frischluft, das heißt Umgebungsluft. Mit anderen Worten ist beispielsweise die Klimaluft ausschließlich Umgebungsluft, welche mittels des Gebläses aus der Umgebung angesaugt wird. Ferner ist es denkbar, dass die Klimaluft ein Luftgemisch ist, welches Umgebungsluft beziehungsweise Frischluft und Umluft, das heißt Luft aus dem Innenraum 2 umfasst. Hierbei saugt das Gebläse beispielsweise Umgebungsluft und Umluft, das heißt Luft aus dem Innenraum 2 an, woraus das Luftgemisch entsteht. Die Wärmetauscher 13 und 14 sind in dem Gehäuse 16 verbaute Komponenten, welche bezogen auf eine Strömungsrichtung, entlang welcher die Klimaluft durch das Gehäuse 16 strömt, hintereinander beziehungsweise seriell zueinander verschaltet angeordnet sind.
Im Kühlbetrieb arbeitet der Wärmetauscher 13 als Verdampfer, welcher das Kältemittel verdampft und die Klimaluft infolge eines Wärmeübergangs von der Klimaluft über den Wärmetauscher 13 an das Kältemittel kühlt, wodurch das Kältemittel erwärmt wird. Gleichzeitig wird die Klimaluft durch Auskondensieren von in der Klimaluft enthaltenem Wasser getrocknet. Im Heizbetrieb arbeitet die Temperiereinrichtung 1, insbesondere der Kältemittelkreislauf 7, beispielsweise in einem Wärmepumpenbetrieb. In dem Heizbetrieb beziehungsweise Wärmepumpenbetrieb arbeitet der Wärmetauscher 14 als Kondensator, mittels welchem das Kältemittel kondensiert wird. Hierdurch erwärmt der Wärmetauscher 14 die Klimaluft infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den Wärmetauscher 14 an die Klimaluft, wodurch das Kältemittel gekühlt wird.
Die Mischluftklappe 18 in der Heiz-/Kühleinheit 15 erfüllt beispielsweise durch Absperren des Wärmetauschers 14 die Funktion eines Ventils, um kalte Klimaluft stromab des Wärmetauschers 13 direkt in Richtung des Innenraums 2 zu leiten beziehungsweise zu fördern. Befindet sich somit beispielsweise die Mischluftklappe 18 in einer Schließstellung, so strömt die Klimaluft nach dem Wärmetauscher 13, das heißt stromab des Wärmetauschers 13 in den Innenraum 2 und umgeht dabei den Wärmetauscher 14. Unter dem Umgehen ist zu verstehen, dass die Klimaluft den Wärmetauscher 14 nicht umströmt und demzufolge nicht mittels des Wärmetauschers 14 temperiert wird.
Aus 1 ist erkennbar, dass auf einen Heizkreislauf mit eigener Pumpe, Heizungswärmeübertrager und zugehöriger Leitungsverlegung verzichtet werden kann, sodass die Teileanzahl, der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten der Temperiereinrichtung 1 besonders gering gehalten werden können. Gleichzeitig kann eine hinreichende, dynamische und effiziente Temperierung des Innenraums 2 realisiert werden. Der Wärmetauscher 22 fungiert beispielsweise als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Umgebungsluft. Der Wärmetauscher 22 dient somit als üblicher Kühler, der typischerweise in der Front des Fahrzeugs verbaut ist. Dem Wärmetauscher ist beispielsweise ein in 1 nicht dargestellter elektrischer Lüfter zugeordnet, mittels welchem Umgebungsluft zu dem Wärmetauscher 22 gefördert werden kann.
Der Wärmetauscher 17 wird beispielsweise genutzt, um im Wärmepumpenbetrieb beziehungsweise im Heizbetrieb eine Wärmeaufnahme in den Kältemittelkreislauf 7 zu realisieren, indem ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel an das Kältemittel über den Wärmetauscher 17 erfolgt. Somit arbeitet der Wärmetauscher 17, zumindest im Heizbetrieb, als Verdampfer und wird beispielsweise auch als Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfer bezeichnet. Die Temperiereinrichtung 1 ist ein System, welches eine Vielzahl von ansteuerbaren Steuer- und/oder Regelventilen zum Betrieb in unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist. Diese Ventile sowie ergänzend auch unterschiedliche im System angeordnete Kältemittel- oder Kühlmittelpumpen und/oder weitere Komponenten sind beispielsweise über eine in 1 nicht dargestellte Steuereinheit in geeigneter Weise zum Betrieb in den unterschiedlichen Betriebsmodi ansteuerbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist wenigstens ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager wie beispielsweise der Wärmetauscher 22 über eine Bypass-Leitung abschaltbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager jeweils individuell und unabhängig voneinander über eine jeweilige Bypass-Leitung abschaltbar sind. Insbesondere bei einem hohen Heizenergiebedarf und bei geringen Außentemperaturen kann damit sichergestellt werden, dass keine Wärme unerwünschterweise an die Umgebung abgegeben wird.
Um eine Vereisung eines Verdampfers der Temperiereinrichtung 1 zu vermeiden, werden in zweckdienlicher Weiterbildung in dem Kältemittelkreislauf 7 ausschließlich innere Verdampfer eingesetzt, welche Wärme aus dem Fahrzeug selbst aufnehmen können. Es sind daher vorzugsweise keine Umgebungs-Wärmeübertrager vorgesehen, welche ausschließlich Wärme aus der Umgebung aufnehmen können. Als Verdampfer werden daher bei dieser bevorzugten Ausführungsform lediglich der in der Heiz-/Kühleinheit 15 vorhandene Wärmetauscher 13 sowie Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfer und/oder ein Hochvoltspeicher-Verdampfer eingesetzt. Unter Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfer beziehungsweise Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher sind Wärmetauscher zu verstehen, welche beispielsweise als Verdampfer arbeiten können, und welche der Wärmeübertragung beziehungsweise dem Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel, jedoch nicht zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft dienen.
Der Wärmetauscher 13 ist beispielsweise wie der Verdampfer eine herkömmliche Heiz-/Klimaeinheit, welche zur Klimatisierung des Innenraums 2 in einem Luftkanal zur Belüftung des Innenraums 2 angeordnet ist. Da dem Wärmetauscher 13 im Betrieb typischerweise zumindest anteilsmäßig Luft auch aus dem Innenraum 2, das heißt Umluft zugeführt wird, bildet der Wärmetauscher 13 einen inneren Wärmetauscher beziehungsweise einen inneren Verdampfer und keinen Umgebungs-Wärmeübertrager. Neben beziehungsweise zusätzlich zu dem Wärmetauscher 13 werden vorzugsweise lediglich Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher beziehungsweise Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfer eingesetzt, bei denen keine Gefahr einer Vereisung durch eine Umströmung mit Außenluft, das heißt Umgebungsluft besteht.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Verwendung von Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern wie beispielsweise dem Wärmetauscher 22 zusätzlich als Wärmequelle vorgesehen sein. Hierzu wird dem Kühlmittel mithilfe wenigstens eines Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfers Wärme entzogen und auf das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 7 übertragen, wobei diese Wärme aus der Umgebungsluft über wenigstens einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager wie beispielsweise dem Wärmetauscher 22 aufgenommen wird. Über eine entsprechende Steuerung beziehungsweise Regelung wird dabei in Abhängigkeit von aktuellen Betriebszuständen, wie beispielsweise der Temperatur der Luft, insbesondere an den Wärmeübertragerflächen, entfeuchtete Luft, Temperatur des Kältemittels, Temperatur des Kühlmittels sowie gegebenenfalls Luftdruck, der als Umgebungs-Wärmetauscher fungierende Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (Wärmetauscher 22) nur dann als Wärmequelle zugeschaltet, wenn eine Vereisungsgefahr sicher vermieden ist.
Über die Steuerung lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi zum Erwärmen des Innenraums 2 einstellen. Dabei wird vorzugsweise zwischen einem reinen Heizbetrieb und einem sogenannten Mischbetrieb unterschieden. Bei Letzterem wird die Innenraumluft entfeuchtet und erwärmt, wohingegen beim reinen Heizbetrieb lediglich eine Erwärmung erfolgt. Im Kühlbetrieb wird lediglich die Klimaluft entfeuchtet und weitere zu kühlende Aggregate abgekühlt.
Für einen besonders vorteilhaften Wärmepumpenbetrieb beziehungsweise Heizbetrieb kann in einer weiteren Ausführungsvariante ein innerer Wärmetauscher eingesetzt werden. Unter einem solchen inneren Wärmetauscher oder Wärmeübertrager ist ein interner Wärmeübertrager, insbesondere im Kältemittelkreislauf 7, zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dienen. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation im Wärmetauscher 19 weiter abgekühlt und andererseits gasförmiges Kältemittel in Form von Sauggas vor dem Verdichter 10 überhitzt. Ein innerer Wärmeübertrager bringt Vorteile in Effizienz und Leistung. Es können je nach Bauraumsituation maximal so viele innere Wärmetauscher eingesetzt werden, wie parallel angeordnete Verdampfer in einem Kreislauf angeordnet sind. Befinden sich alle relevanten Komponenten in unmittelbarer Nähe zueinander, ist es ideal, lediglich einen gemeinsamen inneren Wärmetauscher zu verwenden, der die gemeinsame flüssige Hochdruckleitung nach Kondensation mit der gemeinsamen gasförmigen Saugdruckleitung vor dem Verdichter 10 verbindet.
Als das Kältemittel können unterschiedliche, geeignete Kältemittel eingesetzt werden, wie beispielsweise Kältemittel mit der Bezeichnung R134a, R1234yf etc. Ferner besteht die Möglichkeit, ein Kältemittel mit zum Teil überkritischer Betriebsphase, insbesondere Kohlendioxid (CO₂), einzusetzen. In diesem Fall erfolgt in der überkritischen Betriebsphase im Kondensator keine Kondensation. Die Wärmeabgabe erfolgt im gasförmigen Zustand im überkritischen Bereich. Hierbei wird die bisher als Kondensator bezeichnete Komponente, insbesondere der Wärmetauscher 14, als Gaskühler bezeichnet beziehungsweise verwendet. Der Einfachheit wegen wird nachfolgend jedoch allgemein von Kondensator gesprochen, ohne dass damit ein Ausschluss derartiger Kältemittel mit überkritischer Betriebsphase verbunden wäre.
Soweit im Folgenden oder in den vorigen Ausführungen von Zuschalten oder Aktivieren einer Komponente gesprochen wird, so wird hierunter allgemein verstanden, dass die jeweilige Komponente jeweils von dem Kühlmittel beziehungsweise dem Kältemittel durchströmt wird. Wird die jeweilige Komponente abgeschaltet beziehungsweise deaktiviert, so wird die Komponente nicht mehr von dem Kühlmittel beziehungsweise dem Kältemittel durchströmt. Das Zuschalten beziehungsweise Abschalten erfolgt wahlweise oder in Kombination durch eine entsprechende Steuerung von Regel- oder Steuerventilen oder durch Zu- beziehungsweise Abschalten von entsprechenden Umwälzpumpen.
Mögliche Betriebsarten der Temperiereinrichtung 1 werden im Folgenden näher erläutert. 2 zeigt den zuvor genannten Heizbetrieb, welcher als reiner Heizbetrieb ausgebildet ist, da in diesem reinen Heizbetrieb ein durch den Wärmetauscher 13 bewirktes Kühlen der Klimaluft unterbleibt. In den Figuren veranschaulichen durchgezogene Linien Leitungen beziehungsweise Abschnitte, welche von dem Kühlmittel beziehungsweise Kältemittel durchströmt werden. Gestrichelte Linien veranschaulichen Leitungen beziehungsweise Abschnitte, welche nicht von dem Kühlmittel beziehungsweise Kältemittel durchströmt werden.
In dem reinen Heizbetrieb ist der Wärmetauscher 13 (Verdampfer) über das Expansionselement 12 abgeschaltet, sodass der Teilstrang 8 nicht von dem Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelkreislauf 7 bleibt mit dem Teilstrang 9 aktiv. Liegt Abwärme aus der elektrischen Antriebskomponente 3 vor, so wird im Wärmetauscher 17 Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 4 in den Kältemittelkreislauf 7 aufgenommen. Darunter ist eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittel an das Kältemittel über den Wärmetauscher 17 zu verstehen. Die in den Kältemittelkreislauf 7 aufgenommene Wärme wird auf höherem Druck- und Temperaturniveau, das durch den Verdichter 10 erzeugt wird, direkt in der Heiz-/Kühleinheit 15 an die zu konditionierende Klimaluft über den als Kondensator beziehungsweise Kühler zum Kühlen des Kältemittels arbeitenden Wärmetauscher 14 abgegeben. Dabei ist die Mischluftklappe 18 geöffnet.
Im Kühlmittelkreislauf 4 ist es vorgesehen, den Kühlmittelvolumenstrom am Wärmetauscher 19 durch Schließen des als Absperrventil fungierenden Ventils 21 im Teilstrang 6 zu verhindern, sodass also in dem reinen Heizbetrieb das Kühlmittel nicht durch den Wärmetauscher 19 beziehungsweise durch den Teilstrang 6 strömt.
Darüber hinaus besteht die Option eines weiteren Betriebsmodus, bei dem als weitere Wärmequelle weiterhin insbesondere der als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager fungierende Wärmetauscher 22 genutzt wird, sodass also Wärme aus der Umgebungsluft über den Wärmetauscher 22 und insbesondere über das Kühlmittel an den Kältemittelkreislauf übertragen wird. Das Kühlmittel wird somit als von der Umgebungsluft und von dem Kältemittel unterschiedliches Fluid verwendet, welches zwischen die Umgebungsluft und das Kältemittel geschaltet wird, sodass nicht etwa ein direkter Wärmeübergang von der Umgebungsluft über den Wärmetauscher 22 an das Kältemittel stattfindet, sondern es findet ein Wärmeübergang von der Umgebungsluft über den Wärmetauscher 22 an das Kühlmittel und dann von dem Kühlmittel, insbesondere über den Wärmetauscher 17, an das Kältemittel statt. Hierdurch wird auch die Umgebung beziehungsweise die Umgebungsluft als Wärmequelle erschlossen, ohne dass jedoch ein Kältemittel-Luft-Wärmetauscher beziehungsweise ein Kältemittel-Luft-Verdampfer zum Einsatz kommt. Insgesamt ist es daher vorgesehen, dass in dem Heizbetrieb, insbesondere in jeder Betriebssituation, der Temperiereinrichtung 1 keine zuvor beschriebene direkte Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft in den Kältemittelkreislauf über einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Kältemittel-Luft-Verdampfer erfolgt.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei 3 den Heizbetrieb veranschaulicht. Bei der zweiten Ausführungsform umfasst der Kühlmittelkreislauf 4 eine Umgehungseinrichtung 23 mit wenigstens einer Umgehungsleitung 24, über welche der Wärmetauscher 22 von zumindest einem Teil des Kühlmittels zu umgehen ist. Unter dieser Umgehung ist zu verstehen, dass das die Umgehungsleitung 24 durchströmende Kühlmittel den Wärmetauscher 22 umgeht und somit nicht durch den Wärmetauscher 22 strömt und somit nicht mittels des Wärmetauschers 22 temperiert wird. Dabei ist in der Umgehungsleitung 24 ein Ventil 25 der Umgehungseinrichtung 23 angeordnet, wobei mittels des Ventils 25 eine die Umgehungsleitung 24 durchströmende Menge des Kühlmittels einstellbar ist. Der als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager fungierende Wärmetauscher 22 kann beispielsweise im Falle eines möglichen Wärmeverlusts oder bei einer möglichen Vereisung über die als Bypass fungierende Umgehungsleitung 24 und das zugehörige, als Kühlmittel-Absperrventil fungierende Ventil 25 umgangen und somit abgesperrt beziehungsweise deaktiviert werden. Zugeschaltet wird der Wärmetauscher 22 beispielsweise für den Fall, dass die Kühlleistung des Wärmetauschers 17 hinsichtlich der Kühlung des Kühlmittels zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 4 nicht ausreicht. Insbesondere wird der Wärmetauscher 22 abgeschaltet, wenn Vereisungsgefahr herrscht, beziehungsweise wenn die Temperatur des Kühlmittels größer als die Temperatur der Umgebungsluft ist.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist, insbesondere für den Mischbetrieb, eine Ventileinrichtung vorgesehen, welche beispielsweise alternativ oder zusätzlich zum Ventil 25 zum Einsatz kommen kann. Mittels der Ventileinrichtung ist beispielsweise eine die Umgehungsleitung 24 durchströmende erste Menge des Kühlmittels und/oder eine den Wärmetauscher 22 durchströmende zweite Menge des Kühlmittels einstellbar. Dabei kann die Ventileinrichtung insbesondere als 3-Wege-Ventil ausgebildet sein. Insbesondere ist es so möglich, eine Strömung des Kühlmittels durch den Wärmetauscher 22 vollständig zu unterbinden.
4 zeigt die Temperiereinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei in 4 der Kühlbetrieb veranschaulicht ist. In dem Kühlbetrieb wird in dem Kältemittelkreislauf 7 der Teilstrang 8 durch entsprechendes Ansteuern des Expansionselements 12 geöffnet. Das Kältemittel verdampft, wodurch die Klimaluft gekühlt wird. Gleichzeitig wird zur Rückführung der Teilstrang 6 geöffnet, um eine Wärmeabgabe am Wärmetauscher 19 zu ermöglichen. Der Wärmetauscher 17 ist abgeschaltet beziehungsweise deaktiviert, da das Expansionselement 11 kältemittelseitig geschlossen ist. Der Teilstrang 5 wird dennoch durchströmt, um eine Kühlung der elektrischen Antriebskomponente 3 zu ermöglichen. Ferner ist der Teilstrang 9 abgeschaltet beziehungsweise deaktiviert, da das als Ventilelement fungierende Expansionselement 11 beispielsweise geschlossen ist.
5 zeigt die Temperiereinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei in 5 der zuvor erwähnte Mischbetrieb gezeigt ist. Im Unterschied zum reinen Heizbetrieb ist im Mischbetrieb jedoch grundsätzlich der Wärmetauscher 13 des Kältemittelkreislaufs 7 zugeschaltet beziehungsweise aktiviert. Zusätzlich zum Wärmetauscher 13 ist zumindest noch der Wärmetauscher 17 als Wärmequelle zugeschaltet, da über den Wärmetauscher 17 beispielsweise ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel an das Kältemittel erfolgt. Beim Mischbetrieb mit zugeschaltetem Wärmetauscher 13 wird zusätzliche Wärme in den Kältemittelkreislauf 7 eingebracht, die über den Wärmetauscher 19 abzuführen ist, indem beispielsweise ein Wärmeübergang von dem Kältemittel über den Wärmetauscher 19 an das Kühlmittel erfolgt. Im Mischbetrieb ist die ist die Mischluftklappe 18 geöffnet.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist für den Mischbetrieb ein 3-Wege-Ventil 26 vorgesehen, welches beispielsweise auch als Kühlmittel-3-Wege-Ventil bezeichnet wird und in dem Kühlmittelkreislauf 4 angeordnet ist. Mittels des 3-Wege-Ventils 26 kann genau eingestellt, insbesondere gesteuert, werden, wie groß der Teilstrom ist, welcher über den Wärmetauscher 19 zur Abfuhr von Wärme ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, das in 5 nicht dargestellte Ventil 21 alternativ oder zusätzlich zyklisch zu takten, um eine bedarfsgerechte Wärmeabgabe im Mischbetrieb zu ermöglichen. Mit anderen Worten ist es beispielsweise vorgesehen, dass das 3-Wege-Ventil 26 dazu ausgebildet ist, eine den Wärmetauscher 19 durchströmende Menge des Kühlmittels und/oder eine die elektrische Antriebskomponente 3 durchströmende Menge des Kühlmittels einzustellen.
6 zeigt die Temperiereinrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Bei der dritten Ausführungsform ist wenigstens ein elektrisches Heizelement 27 vorgesehen, welches beispielsweise Bestandteil der Heiz-/Kühleinheit 15 ist. Dabei ist das Heizelement 27 beispielsweise in dem Gehäuse 16 angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das elektrische Heizelement 27 wenigstens ein PTC-Element umfasst. Durch Versorgen des Heizelements 27 mit elektrischem Strom kann mittels des Heizelements 27 die Klimaluft elektrisch erwärmt werden, sodass eine besonders dynamische und effiziente Beheizung des Innenraums 2 darstellbar ist.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung die Temperiereinrichtung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform ist ein elektrisches Heizelement 28 vorgesehen, welches in dem Kühlmittelkreislauf 4, insbesondere in dem Teilstrang 5 und dabei beispielsweise stromab der elektrischen Antriebskomponente 3 und stromauf des Wärmetauschers 17, angeordnet ist. Das Heizelement 28 ist ein elektrisches Heizelement, mittels welchem das den Kühlmittelkreislauf 4, insbesondere den Teilstrang 5, durchströmende Kühlmittel erwärmt werden kann. Hierzu wird das Heizelement 28 beispielsweise mit elektrischem Strom versorgt.
Sofern die zur Verfügung stehenden Wärmequellen nicht ausreichen, kann wenigstens ein Zusatzheizer, welcher beispielsweise als elektrischer Zusatzheizer ausgebildet ist, vorgesehen sein. Bei der dritten Ausführungsform ist der Zusatzheizer als das Heizelement 27 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Zusatzheizer als das Heizelement 28 ausgebildet sein. Je nach benötigter Zusatzheizleistung kann der Zusatzheizer als Niedervoltheizer mit einer elektrischen Betriebsspannung von weniger als 60 Volt oder als Hochvoltheizer mit einer elektrischen Spannung von mehr als 250 Volt ausgebildet sein. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung 1 gemäß einer fünften Ausführungsform. 1 bis 7 beziehen sich beispielsweise auf das als Elektrofahrzeug ausgebildete Fahrzeug, welches keine Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise keine von einer elektrischen Maschine unterschiedliche Antriebskomponente zum Antreiben des Fahrzeugs umfasst.
Die fünfte Ausführungsform kommt beispielsweise bei einem Fahrzeug zum Einsatz, welches als Hybridfahrzeug ausgebildet ist und somit nicht nur die elektrische Antriebskomponente 3 zum Antreiben des Fahrzeugs, sondern auch wenigstens eine weitere, von der elektrischen Antriebskomponente 3 unterschiedliche, weitere Antriebskomponente, insbesondere zum Antreiben des Fahrzeugs, umfasst. Bei der weiteren Antriebskomponente handelt es sich insbesondere um eine von einer elektrischen Maschine unterschiedliche Vorrichtung. Insbesondere kann die weitere Antriebskomponente als Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs oder als Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Dabei ist ein Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 29 vorgesehen, welcher von einem beispielsweise als Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlmittel durchströmbar ist, mittels welchem die weitere Antriebskomponente infolge eines Wärmeübergangs von der weiteren Antriebskomponente an das den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 29 durchströmende Kühlmittel zu kühlen ist. Bei der fünften Ausführungsform ist ferner ein sechster Wärmetauscher 30 vorgesehen, welcher sowohl in dem Kältemittelkreislauf 7, insbesondere in einem weiteren Teilstrang 31 des Kältemittelkreislaufs 7, und in dem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 29 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 30 arbeitet beispielsweise als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels infolge eines Wärmeübergangs von dem den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 29 durchströmenden Kühlmittel über den Wärmetauscher 30 an das Kältemittel. Somit wird Abwärme der weiteren Antriebskomponente zur Heizung des Innenraums 2 genutzt.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Temperiereinrichtung 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Bei der sechsten Ausführungsform kommt ein siebter Wärmetauscher 32 zum Einsatz, welcher beispielsweise als Verdampfer, insbesondere als Hochvoltspeicher-Verdampfer, arbeitet. Mittels des Wärmetauschers 32 kann beispielsweise das Kältemittel verdampft werden, da der Wärmetauscher 32 in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnet ist. Insbesondere dient der Wärmetauscher 32 der Erwärmung des Kältemittels infolge eines Wärmeübergangs von dem zuvor genannten elektrischen Energiespeicher über den Wärmetauscher 32 an das Kältemittel, wodurch der Energiespeicher gekühlt wird.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um einen Hochvolt-Energiespeicher (HV-Energiespeicher), welcher als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet sein kann. Bei der sechsten Ausführungsform kann somit der Energiespeicher als weitere Wärmequelle zum Beheizen des Innenraums 2 genutzt werden. Insbesondere wird Abwärme des Energiespeichers zum Beheizen des Innenraums 2 genutzt. Insbesondere kann der Hochvolt-Energiespeicher, welcher auch als Hochvoltspeicher bezeichnet wird, einen eigenen Kältemittelkreislauf oder einen eigenen Teilstrang 33 im Kältemittelkreislauf 7 aufweisen.
Der Teilstrang 33 beziehungsweise der Wärmetauscher 32 wird somit zur Kühlung des Energiespeichers genutzt, indem ein Wärmeübergang von dem Energiespeicher über den Wärmetauscher 32 an das den Kältemittelkreislauf 7, insbesondere den Teilstrang 33, durchströmende Kältemittel erfolgt. Die Erweiterung der in 1 gezeigten Basistopologie um eine solche Hochvoltspeicherkühlung ist möglich insbesondere durch parallele Anordnung des beispielsweise als Verdampfer arbeitenden Wärmetauschers 32 zu dem Wärmetauscher 13 und dem Wärmetauscher 17 im Kältemittelkreislauf 7. Dadurch ist beispielsweise eine 3-Verdampferanlage geschaffen, welche die Wärmetauscher 13, 17 und 32 als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels umfasst. Insbesondere wird eine solche 3-Verdampferanlage durch Parallelschaltung der Teilstränge 8, 9 und 33 realisiert.
Hierbei ist dem Wärmetauscher 32 eine beispielsweise als Expansionsventil ausgebildete Expansionseinrichtung 34 zugeordnet, welche bezogen auf eine Strömungsrichtung, entlang welcher das Kältemittel durch den Teilstrang 33 strömt, stromauf des Wärmetauschers 32 angeordnet ist. Die Expansionseinrichtung 34 stromauf des Wärmetauschers 32 ist beispielsweise absperrbar und/oder elektrisch regelbar auszuführen, um den Energiespeicher bedarfsgerecht kühlen zu können. Beispielsweise ist mittels der Expansionseinrichtung 34 eine den Teilstrang 33 durchströmende Menge des Kältemittels einstellbar, was auch auf die anderen Expansionseinrichtungen übertragbar ist. Die Expansionseinrichtung 34 ist zum Expandieren des Kältemittels ausgebildet ist.
10 zeigt in einer schematischen Darstellung die Temperiereinrichtung 1 gemäß einer siebten Ausführungsform. Bei dieser siebten Ausführungsform umfasst der Kältemittelkreislauf 7 einen vierten Teilstrang 35, in dem ein beispielsweise als Absperrventil ausgebildetes Ventil 36 angeordnet ist. Hierdurch ist beispielsweise eine Heizung zum Beheizen des Energiespeichers, das heißt insbesondere eine Kältemittel-Hochvoltspeicherheizung, insbesondere eine direkte Kältemittel-Hochvoltspeicherheizung, gebildet. Diese Kältemittel-Hochvoltspeicherheizung ist ferner gebildet durch ein weiteres, beispielsweise als Absperrventil fungierendes Ventil 37, welches in einer Verbindungsleitung 38 angeordnet ist. Die Verbindungsleitung 38 ist an einer ersten Verbindungsstelle 39 mit dem Teilstrang 33 und an einer zweiten Verbindungsstelle 40 fluidisch mit dem Teilstrang 8 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 39 stromauf der Expansionseinrichtung 34 und die Verbindungsstelle 40 stromauf des Wärmetauschers 19 angeordnet ist. Dabei sind die Wärmetauscher 14 und der Wärmetauscher 32 parallel zueinander in umgekehrter Durchströmrichtung in dem Teilstrang 35 geschaltet. In dem Wärmetauscher 32 wird durch Kondensation Wärme abgegeben, wodurch der Energiespeicher geheizt wird. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Wärmetauscher 32 als Verdampfer arbeiten kann, um dadurch den Energiespeicher zu kühlen. Ferner kann der Wärmetauscher 32 beispielsweise als Kondensator, insbesondere zum Kondensieren des Kältemittels, arbeiten, um dadurch den Energiespeicher zu erwärmen. Beim Erwärmen des Energiespeichers ist die Expansionseinrichtung 34 bis zum kompletten Querschnitt der angrenzenden Verbindungsleitung 38 geöffnet, um eine Expansion zu verhindern. Hier ist der Einsatz eines regelbaren, elektrischen Expansionsventils als die Expansionseinrichtung 34 vorteilhaft.
11 zeigt die Temperiereinrichtung 1 gemäß einer achten Ausführungsform. Der zuvor beschriebene Energiespeicher ist in 11 gezeigt und mit 41 bezeichnet. Dabei weist der Kühlmittelkreislauf 4 einen dritten Teilstrang 42 auf, in welchem der Energiespeicher 41 angeordnet ist. Somit ist der Energiespeicher als kühlmittelgekühlter Energiespeicher ausgebildet, da der Energiespeicher 41 mittels des Kühlmittels gekühlt wird. Der Teilstrang 42 ist somit ein Teilkreislauf für den Energiespeicher 41, welcher in den Teilstrang 42 und somit in den Kühlmittelkreislauf 4 integriert ist.
Dabei ist in dem Teilstrang 42 eine separate, zusätzlich zur Pumpe 20 vorgesehene Pumpe 43 angeordnet, mittels welcher das Kühlmittel durch den Teilstrang 42 gefördert wird beziehungsweise gefördert werden kann. Dabei ist vorzugsweise die Pumpe 43 als elektrische Kühlmittelpumpe ausgebildet. Durch die separate, zusätzliche Pumpe 43 für den Teilstrang 42 wird bei Anforderung einer Kühlung des Energiespeichers das abgekühlte Kühlmittel von dem Wärmetauscher 17 zum Energiespeicher 41, der von dem Kühlmittel durchströmt wird, gefördert beziehungsweise geleitet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn kein warmes Kühlmittel, das sich im Rücklauf der elektrischen Antriebskomponente 3 befindet, in den Vorlauf des Wärmetauschers 17 gelangt. Durch eine Umgehungsleitung 44, welche auch als Bypassleitung bezeichnet wird, kann der Teilstrang 42 von dem übrigen Kühlmittelkreislauf 4 zumindest temporär abgekoppelt werden. Hierzu ist beispielsweise ein 3-Wege-Ventil 45 vorgesehen, mittels welchem beispielsweise eine die Umgehungsleitung 44 durchströmende Menge des Kühlmittels eingestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, die elektrische Antriebskomponente 3 und den Energiespeicher 41 zumindest im Wesentlichen ohne gegenseitige Beeinflussung vorteilhaft kühlen zu können.
Schließlich zeigt 12 die Temperiereinrichtung 1 gemäß einer neunten Ausführungsform. Bei der neunten Ausführungsform ist ein siebter Wärmetauscher 46 vorgesehen, welcher beispielsweise als Kondensator arbeitet und insbesondere als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher beziehungsweise Kältemittel-Kühlmittel-Kondensator ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Wärmetauscher 46 in dem Teilstrang 42 und in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnet ist. Arbeitet der Wärmetauscher 46 als Kondensator, insbesondere zum Kondensieren des Kältemittels, so wird das Kältemittel gekühlt und das den Teilstrang 42 durchströmende Kühlmittel erwärmt infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den Wärmetauscher 46 an das Kühlmittel. Im Falle der Verwendung von CO₂ als Kältemittel ist der Wärmetauscher 46 beispielsweise – wie zuvor beschrieben – als Gaskühler ausgebildet. Insbesondere durch Parallelschaltung des Wärmetauschers 14 und des Wärmetauschers 46 im Kältemittelkreislauf 7 kann über den Wärmetauscher 46 auf die beschriebene Weise eine Beheizung des Energiespeichers 41 bewirkt werden, sodass der Energiespeicher 41 insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen beheizt werden kann. Zur Aktivierung dieser Beheizung des Energiespeichers 41 ist beispielsweise ein als Absperrventil ausgebildetes Ventil 47 in dem Kältemittelkreislauf 7 angeordnet, sodass beispielsweise mittels des Ventils 47 eine den Wärmetauscher 46 durchströmende Menge des Kältemittels einstellbar ist. Dabei umfasst beispielsweise der Kältemittelkreislauf 7 einen weiteren Teilstrang 48, welcher zur Beheizung des Energiespeichers 41 genutzt wird. In diesem Teilstrang 48 sind der Wärmetauscher 46 und das Ventil 47 angeordnet.
Insgesamt können mittels der Temperiereinrichtung 1 folgende Vorteile realisiert werden: Für ein rein elektromotorisch betriebenes Fahrzeug (BEV) ist die Temperiereinrichtung 1 ideal für Effizienz und Leistung, da kein Heizkreislauf zur Nutzung von verbrennungsmotorischer Abwärme benötigt wird. Der Heizkreislauf entfällt, eine direkte Kältemittel-Luft-Heizung durch den Wärmetauscher 14 ersetzt einen herkömmlicherweise zum Einsatz kommenden Heizungswärmetauscher in der Heiz-/Kühleinheit 15 und wirkt sich positiv auf das Aufheizverhalten insbesondere hinsichtlich der maximalen Heizleistung und die Effizienz insbesondere hinsichtlich höherer Wirkungsgrade aus.
Eine Einsetzbarkeit für Hybridfahrzeuge ist durch Erweiterung um den beispielsweise als Hochtemperatur-Kältemittel-Kühlmittel-Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 30 auf einfache Weise möglich. Der Energiespeicher 41 kann in einer Ausführungsvariante gekühlt und/oder beheizt werden. Das Kosten-/Nutzen-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Temperiereinrichtungen ist stark verbessert. Eine Vereisung kann durch den ausschließlichen Einsatz von inneren Verdampfern, zumindest im Heizbetrieb, zumindest nahezu ausgeschlossen werden. Eine etwaige Vereisung am als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmetauscher 22 kann gut kontrolliert werden. Ferner kann die serielle Schaltung von Verdampfern im Kältemittelkreislauf 7 vermieden werden, sodass eine aufwändige Zwischendruckregelung und der Einsatz von Kältemittel-Akkumulatoren vermieden werden können.
Bezugszeichenliste

1: Temperiereinrichtung
2: Innenraum
3: elektrische Antriebskomponente
4: Kühlmittelkreislauf
5: Teilstrang
6: Teilstrang
7: Kältemittelkreislauf
8: Teilstrang
9: Teilstrang
10: Verdichter
11: Expansionseinrichtung
12: Expansionseinrichtung
13: Wärmetauscher
14: Wärmetauscher
15: Heiz-/Kühleinheit
16: Gehäuse
17: Wärmetauscher
18: Mischluftklappe
19: Wärmetauscher
20: Pumpe
21: Ventil
22: Wärmetauscher
23: Umgehungseinrichtung
24: Umgehungsleitung
25: Ventil
26: 3-Wege-Ventil
27: Heizelement
28: Heizelement
29: Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf
30: Wärmetauscher
31: Teilstrang
32: Wärmetauscher
33: Teilstrang
34: Expansionseinrichtung
35: Teilstrang
36: Ventil
37: Ventil
38: Leitung
39: Verbindungsstelle
40: Verbindungsstelle
41: Energiespeicher
42: Teilstrang
43: Pumpe
44: Umgehungsleitung
45: 3-Wege-Ventil
46: Wärmetauscher
47: Ventil
48: Teilstrang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/029538 A1 [0002]
DE 102012205200 A1 [0005]
DE 10123830 A1 [0006]
DE 102013206630 A1 [0006]
DE 102013105747 A1 [0007]

Claims

Temperiereinrichtung (1) zum Temperieren eines Innenraums (2) eines Fahrzeugs, mit wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (3), mittels welcher das Fahrzeug elektrisch antreibbar ist, mit wenigstens einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmittelkreislauf (4), in welchem die elektrische Antriebskomponente (3) angeordnet ist, mit wenigstens einem von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (7), in welchem wenigstens ein Verdichter (10) zum Verdichten des Kältemittels, wenigstens ein Expansionselement (11) zum Expandieren des Kältemittels, wenigstens ein erster Wärmetauscher (13) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft und wenigstens ein zweiter Wärmetauscher (14) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft angeordnet sind, und mit wenigstens einem in dem Kühlmittelkreislauf (4) und in dem Kältemittelkreislauf (7) angeordneten dritten Wärmetauscher (17) zum Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel, wobei die Temperiereinrichtung (1) in wenigstens einem Heizbetrieb zum Erwärmen des Innenraums (2) und in wenigstens einem Kühlbetrieb zum Kühlen des Innenraums (2) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Heizbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (17) in dem Heizbetrieb als Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels arbeitet und infolge eines Wärmeübergangs von dem Kühlmittel über den dritten Wärmetauscher an das Kältemittel das Kältemittel erwärmt und das Kühlmittel kühlt.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein vierter Wärmetauscher (19) vorgesehen ist, welcher in dem Kältemittelkreislauf (7) stromab des zweiten Wärmetauschers (14) und in dem Kühlkreislauf (4) angeordnet ist, wobei das Kältemittel sowohl in dem Heizbetrieb als auch in dem Kühlbetrieb durch den vierten Wärmetauscher (19) strömt.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizbetrieb eine Strömung des Kühlmittels durch den vierten Wärmetauscher (19) unterbleibt.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlbetrieb der vierte Wärmetauscher (19) als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, arbeitet und infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den vierten Wärmetauscher (19) an das Kühlmittel das Kältemittel kühlt und das Kühlmittel erwärmt.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlbetrieb eine Strömung des Kältemittels durch den dritten Wärmetauscher (17) unterbleibt.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizbetrieb der zweite Wärmetauscher (14) als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, arbeitet und die dem Innenraum (2) zuzuführende Luft infolge eines Wärmeübergangs von dem Kältemittel über den zweiten Wärmetauscher (14) an die Luft erwärmt, wobei ein durch den ersten Wärmetauscher (13) bewirktes Kühlen der Luft unterbleibt.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf (4) ein fünfter Wärmetauscher (22) zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und den fünften Wärmetauscher (22) umströmender Umgebungsluft angeordnet ist.
Temperiereinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizbetrieb der fünfte Wärmetauscher (22) als Heizelement arbeitet und das Kühlmittel infolge eines Wärmeübergangs von der Umgebungsluft über den fünften Wärmetauscher (22) an das Kühlmittel erwärmt.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch in dem Kühlbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt.
Temperiereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie und wenigstens ein dem Energiespeicher zugeordneter sechster Wärmetauscher (32, 46) vorgesehen sind, welcher in dem Kältemittelkreislauf (7) angeordnet und parallel zu dem zweiten Wärmetauscher (14) geschaltet ist, wobei der sechste Wärmetauscher (32, 46) zumindest in einem Speicher-Heizbetrieb als Kühler zum Kühlen des Kältemittels, insbesondere als Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, arbeitet und Wärme zum Beheizen des Energiespeichers von dem Kältemittel abführt.
Verfahren zum Betreiben einer Temperiereinrichtung (1) zum Temperieren eines Innenraums (2) eines Fahrzeugs, mit wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (3), mittels welcher das Fahrzeug elektrisch antreibbar ist, mit wenigstens einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmittelkreislauf (4), in welchem die elektrische Antriebskomponente (3) angeordnet ist, mit wenigstens einem von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (7), in welchem wenigstens ein Verdichter (10) zum Verdichten des Kältemittels, wenigstens ein Expansionselement (11) zum Expandieren des Kältemittels, wenigstens ein erster Wärmetauscher (13) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft und wenigstens ein zweiter Wärmetauscher (14) zum Temperieren von dem Innenraum (2) zuzuführender Luft angeordnet sind, und mit wenigstens einem in dem Kühlmittelkreislauf (4) und in dem Kältemittelkreislauf (7) angeordneten dritten Wärmetauscher (17) zum Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel, wobei in wenigstens einem Heizbetrieb der Temperiereinrichtung (1) der Innenraum (2) mittels der Temperiereinrichtung (1) erwärmt wird, und wobei in wenigstens einem Kühlbetrieb der Temperiereinrichtung (1) der Innenraum (2) mittels der die Temperiereinrichtung gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Heizbetrieb ein mittels eines Wärmetauschers gezielt bewirkter Wärmeübergang von ausschließlich Umgebungsluft an das Kältemittel unterbleibt.