DE102017100591B3

DE102017100591B3 - Kältemittelkreislauf, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb und Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes

Info

Publication number: DE102017100591B3
Application number: DE102017100591.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl; Felix Girmscheid
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-01-14
Also published as: CN108332455A; KR20180083791A; KR102020930B1; CN108332455B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb, wobei in Kältemittelströmungsrichtung ein Kondensator (3), ein Expansionsorgan (5), ein Abscheider (6) als Mitteldruckflasche und ein Expansionsorgan (7) in Reihe geschaltet angeordnet sind und dass nachfolgend ein Batteriekühler (11) und ein Luftkühler (12) parallel geschaltet angeordnet sind, wonach ein Hauptverdichter (1) und ein Nebenverdichter (2) in parallelen Leitungssträngen angeordnet sind, wobei die Hochdruckseite des Hauptverdichters (1) mit der Saugseite des Nebenverdichters (2) verbunden ist, so dass mittels eines Absperrorgans (18) im Hochdruckstrang des Hauptverdichters (1) und eines Mehrwegeventils (16) der Hauptverdichter (1) und der Nebenverdichter (2) in Reihe oder parallel schaltbar sind und dass der Abscheider (6) auf der Gasseite mit der Saugseite des Nebenverdichters (2) verbunden ist.Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer im Vergleich zu derartigen üblichen Kältekreisläufen besonders hohen Kälteleistung. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb einsetzbar. Eine Besonderheit bei gattungsgemäßen Kältemittelkreisläufen besteht darin, dass insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen für das Erreichen optimaler Bedingungen im Fahrtbetrieb und im Ladebetrieb der Batterien eine Kühlung der Batterie, beziehungsweise des Akkumulators, und der elektronischen Komponenten sowie zusätzlich die Kühlung des Fahrzeuginnenraumes zur Klimatisierung erforderlich ist. Besonders das Bedürfnis nach einer schnellen Ladung der Batterien führt zu besonderen Anforderungen an die Kälteanlage des Kraftfahrzeuges, da die optimale Beladung der Batterien abhängig ist von der Kühlung der Batterien während des Ladevorgangs.
Kältemittelkreisläufe für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb sind im Stand der Technik in verschiedensten Ausgestaltungen bekannt.
Im Stand der Technik ist beispielsweise aus der US 2009/0317697 A1 eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Bypass bekannt, welche geeignet ist, eine Batteriekühlung mittels eines Batteriekühlers zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin geht aus der DE 103 13 850 A1 ein Kältemittelkreislauf mit zweistufiger Verdichtung für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, hervor. Bei diesem Kältemittelkreislauf sind zwei in Reihe geschaltete Verdichter vorgesehen, die eine zweistufige Verdichtung realisieren, wobei der Kreislauf weiterhin dafür optimiert ist, auch einen Wärmepumpenbetrieb der Gesamtanlage realisieren zu können.
Auch aus der DE 10 2011 120 176 A1 geht ein zweistufiger Kältemittelkreislauf hervor, wobei der Kreislauf auch als Wärmepumpe betrieben werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Kältemittelkreislauf für insbesondere Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb zur Verfügung zu stellen, welcher neben den Aufgaben der Kälteerzeugung für die Klimatisierung der Fahrzeugkabine auch geeignet ist, die Batterien sowie elektronische Komponenten im Fahrbetrieb als auch im Ladebetrieb der Batterien optimal mit Kälte zu versorgen.
Dabei ist es Ziel der Erfindung, möglichst viele Betriebszustände, wie Fahrbetrieb, Ladebetrieb und Wärmepumpenbetrieb, durch eine Verschaltung der im Kreislauf zur Verfügung stehenden Komponenten zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch einen Kältemittelkreislauf und durch Verfahren mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen Kältemittelkreislauf gelöst, welcher speziell für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieben optimiert ist. Dabei ist der Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung durch die Anordnung folgender Komponenten gekennzeichnet. Das Kältemittel durchströmt zuerst einen Kondensator, nachfolgend ein Expansionsorgan, dann einen Abscheider, der im zweistufigen Betrieb auch als Mitteldruckflasche und im einstufigen Betrieb als Sammler, Kältemittelabscheider oder Receiver bezeichnet wird sowie ein weiteres Expansionsorgan. Die genannten Komponenten sind in Reihe geschaltet angeordnet. Nachfolgend durchströmt das Kältemittel als Verdampfer wirkende Wäremeübertrager, so einen Batteriekühler und einen Luftkühler, welche parallel angeordnet sind. Das Kältemittel wird nach Durchströmung von Batteriekühler und Luftkühler als Kältemitteldampf vom Hauptverdichter angesaugt. Zusätzlich zum Hauptverdichter ist ein Nebenverdichter im Kältemittelkreislauf vorgesehen. Der Hauptverdichter und der Nebenverdichter sind parallel zueinander in den Kreislauf eingebunden, wobei hinter dem Hauptverdichter eine absperrbare Verbindung zur Saugseite des Nebenverdichters angeordnet ist, so dass Haupt- und Nebenverdichter sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet werden können. Dazu ist weiterhin ein Absperrorgan im Hochdruckstrang des Hauptverdichters und ein Mehrwegeventil in der Verbindung von Hauptverdichterstrang und Nebenverdichterstrang vorgesehen.
Der Abscheider weist dabei üblicher Weise einen Eingang für das Flüssigkeits-Gas-Kältemittelgemisch und einen Ausgang für das Gas sowie einen Ausgang für die Flüssigkeit auf. Der Ausgang des Abscheiders für das Gas wird auch als Gasseite bezeichnet und diese ist mit der Saugseite des Nebenverdichters verbunden.
In besonders vorteilhafter Weise ist ein Kältemittelkreislauf mit den angegebenen Komponenten und der beschriebenen Möglichkeit der Parallel- und Reihenschaltung von Haupt- und Nebenverdichter geeignet, diverse Betriebszustände gerade für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zu realisieren, da mit dem angegebenen Kältemittelkreislauf verschiedene Betriebszustände realisiert werden können.
Bevorzugt ist ein Absperrorgan in der Verbindung der Gasseite des Abscheiders mit der Saugseite des Nebenverdichters angeordnet.
Vorteilhaft ist dem Batteriekühler und dem Luftkühler jeweils ein Expansionsorgan separat zugeordnet. Jeder Wärmeübertrager kann dann separat und in regelungstechnischer Abstimmung mit der Gesamtanlage und unter Berücksichtigung des spezifischen Druckverlustes des Wärmeübertragers gesteuert werden.
Vorteilhaft ist ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf ausgebildet, der eine Pumpe, einen Wärmepumpenwärmeübertrager und einen Kühlmittel-Luft-Kühler aufweist, wobei der Wärmepumpenwärmeübertrager mit zugeordnetem Expansionsorgan parallel zu dem Batteriekühler und dem Luftkühler im Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Als Kühlmittel wird bevorzugt Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt, so dass der Kühlmittel-Luft-Kühler auch als Wasser-Luft-Kühler bezeichnet wird. Der Kühlmittel-Luft-Kühler wird hinsichtlich seines Einsatz-Temperaturbereiches auch als Niedertemperaturwärmeübertrager oder als Hochtemperaturwärmeübertrager bezeichnet.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Zusatzkondensator über ein Mehrwegeventil alternativ oder kumulativ schaltbar im Kühlmittelkreislauf und im Kältemittelkreislauf angeordnet. Der Zusatzkondensator ist im Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung nach dem Kondensator angeordnet.
Eine besonders bevorzugte bauliche Ausgestaltung des Kreislaufs ergibt sich dadurch, wenn der Nebenverdichter in den Hauptverdichter integriert ausgebildet ist und der Hauptverdichter somit als zweistufiger Verdichter ausgeführt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes gelöst, wobei das Kältemittel im Fahrbetrieb im Klimaanlagenmodus zunächst im Hauptverdichter einstufig verdichtet wird, nachfolgend unter Wärmeabgabe den Kondensator durchströmt und anschließend im Expansionsorgan auf Mitteldruck entspannt wird. Im Abscheider wird dann die gasförmige Phase des Kältemittels vom Hauptverdichter angesaugt, beziehungsweise je nach Druckniveau in die Saugleitung des Verdichters gedrosselt oder entsprechend dem Druckniveau dem Verdichter zugeführt und die flüssige Phase des Kältemittels schließlich im Luftkühler und im Batteriekühler parallel verdampft und nachfolgend vom Hauptverdichter angesaugt. In diesem Modus arbeitet der Kältemittelkreislauf einstufig und der Nebenverdichter ist nicht aktiv. Die Kälteleistung des derart geschalteten Kältekreislaufes entspricht der üblichen Kälteleistung von Kraftfahrzeugklimaanlagen.
Beim einstufigen Prozess wird alternativ vor dem Abscheider nicht entspannt, so dass das vorgeschaltete Expansionsorgan mit vollem Durchströmungsquerschnitt ohne Drosselung des Kältemittels eingebunden ist.
Vorteilhaft wird das Kältemittel vor dem Luftkühler und dem Batteriekühler jeweils separat mittels Expansionsorganen, die den einzelnen Wärmeübertragern zugeordnet sind, entspannt.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes gelöst, wobei das Kältemittel im Ladebetrieb der Batterien zunächst von den in Reihe geschalteten Hauptverdichter und Nebenverdichter und somit zweistufig verdichtet wird. Nachfolgend durchströmt das Kältemittel unter Wärmeabgabe den Kondensator und wird im Anschluss daran im Expansionsorgan auf Mitteldruck entspannt. Die gasförmige Phase des Kältemittels wird in dieser Schaltung vom Nebenverdichter angesaugt und die flüssige Phase des Kältemittels im Batteriekühler verdampft und vom Hauptverdichter angesaugt. Der Luftkühler ist in diesem Betriebsmodus des ausschließlichen Ladebetriebes nicht aktiv, um die gesamte Kühlkapazität und Kälteleistung für den Ladebetrieb und insbesondere den Schnellladebetrieb nutzen zu können. Selbstverständlich kann unter Verringerung der Ladekühlleistung alternativ Kälteleistung für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die Wärmeabgabe des Kältemittels zusätzlich zum Kondensator mit einem in Reihe nachgeschalteten Zusatzkondensator eines Kältemittelkreislaufes zu unterstützen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes gelöst, wobei das Kältemittel im einstufigen Wärmepumpenbetrieb im Hauptverdichter einstufig verdichtet wird, nachfolgend unter Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum den Kondensator durchströmt und im Expansionsorgan auf Mitteldruck entspannt wird. Die gasfömige Phase des Kältemittels wird schließlich vom Hauptverdichter angesaugt und die flüssige Phase des Kältemittels im Wärmepumpenwärmeübertrager verdampft und vom Hauptverdichter angesaugt, womit sich der Kreislauf schließt. Dieser Betriebsmodus ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Wärmebedarf relativ gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes gelöst, wobei das Kältemittel im zweistufigen Wärmepumpenbetrieb sowohl im Hauptverdichter und im Nebenverdichter und somit zweistufig verdichtet wird. Nachfolgend durchströmt das Kältemittel unter Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum den Kondensator. Im Expansionsorgan wird das Kältemittel auf Mitteldruck entspannt und die gasförmige Phase des Kältemittels wird vom Nebenverdichter angesaugt. Die flüssige Phase des Kältemittels wird im Wärmepumpenwärmeübertrager, im Luftkühler und im Batteriekühler parallel verdampft und vom Hauptverdichter angesaugt. In dieser Betriebsart wird ein besonders hoher Anteil an Wärme über die Wärmepumpenfunktion dem Fahrzeuginnenraum zur Verfügung gestellt.
Besonders bevorzugt wird das Wärmepumpensystem nach den vorgenannten Varianten dadurch weitergebildet, dass eine Wärmeaufnahme des Kältemittels im Wärmepumpenwärmeübertrager zusätzlich aus dem Kühlmittelkreislauf erfolgt, wobei der Kühlmittelkreislauf im Wärmepumpenwärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Im Kälteanlagenbetrieb ist der Wasserkondensator im Kühlmittelkreislauf verschaltet.
Die vorangehend beschriebenen Verfahren werden dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass für die Wärmeabgabe im Batteriekühler zusätzliche Wärmeübertragungsflächen speziell im Ladebetrieb des Akkumulators freigeschaltet werden.
Eine ebenso vorteilhafte Erweiterung erfahren die Verfahren dadurch, dass für die Wärmeabgabe im Kühlmittel-Luftkühler zusätzliche Wärmeübertragungsflächen speziell im Ladebetrieb freigeschaltet werden beziehungsweise die Gesamtfläche auf Grund der Nichtbenutzung durch andere Komponenten genutzt werden kann.
Bevorzugt werden die Verfahren dadurch ergänzt, dass für die Wärmeabgabe im Kondensator zusätzliche Wärmeübertragungsflächen speziell im Ladebetrieb freigeschaltet werden beziehungsweise die Leistung an einem unveränderten Kondensator über einen höheren Hochdruck als treibende Temperaturdifferenz realisiert wird.
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:

1: Kältemittelkreislauf mit zwei Verdichtern,
2: Kältemittelkreislauf mit zwei Verdichtern und absperrbarer Mitteldruckgasleitung,
3: Kältemittelkreislauf in Kombination mit einem Kühlmittelkreislauf,
4: Funktionsdarstellung Kältemittelkreislauf in zweistufiger Ausgestaltung im Wärmepumpenbetrieb,
5: Kältemittelkreislauf mit Batteriekühler bei Mitteldruckniveau und
6: Kältemittelkreislauf mit Batteriekühler bei Niederdruckniveau und optionaler Gaseinspeisung auf Nieder- oder Mitteldruckniveau.

In 1 ist eine Ausgestaltung eines Kältemittelkreislaufes dargestellt, welche das Grundprinzip mit den enthaltenen Komponenten darstellt. Der Hauptverdichter 1 und der Nebenverdichter 2 sind mittels der Absperrorgane 16 und 18 sowohl für den Betrieb in Reihenschaltung als auch für den Betrieb in Parallelschaltung in den Kältemittelkreislauf eingebunden. Der Kältemittelkreislauf weist auf Hochdruckniveau den Kondensator 3 und in Strömungsrichtung in Reihe geschaltet nachfolgend das Expansionsorgan 5 sowie den Abscheider 6 auf. Der Abscheider 6 wird auch als Mitteldruckflasche bezeichnet, sofern ein zweistufiger Betrieb mit Mitteldruckniveau des Kältemittels gefahren wird. Wird einstufig verdichtet, so wird der Abscheider 6 in seiner Funktion auf einen Sammler für flüssiges Kältemittel nach der ersten Expansionsstufe durch das Expansionsorgan 5 reduziert oder das Expansionsorgan 5 wird mit vollständig geöffnetem Querschnitt gefahren und die Expansion über das Expansionsorgan 7 realisiert. Die Kältemitteldampfphase bei Mittel- oder Hochdruck aus dem Abscheider 6 gelangt über eine Leitung zur Saugseite des Nebenverdichters 2. Das flüssige Kältemittel aus dem Abscheider 6 wird im Expansionsorgan 7 auf den Niederdruck entspannt und dann parallel an die Verbraucher, den Batteriekühler 11 und den Luftkühler 12, verteilt. Das verdampfte Kältemittel aus den Wärmeübertragern wird dann zusammen der Saugseite des Hauptverdichters 1 zugeführt. Sofern der Kreislauf, wie später noch näher beschrieben, einstufig betrieben wird, wird das Absperrorgan 18 für das Hochdruckgas des Hauptverdichters 1 geöffnet und das verdichtete Kältemittel gelangt unmittelbar in den Kondensator 3. Wird die Anlage mit den Verdichtern 1, 2 in Reihenschaltung betrieben, so ist das Absperrorgan 18 für das Hochdruckgas des Hauptverdichters 1 geschlossen und der Kältemitteldampf aus dem Abscheider 6 gelangt über eine Verbindungsleitung und das Mehrwegeventil 16 zur Saugseite des Nebenverdichters 2, wird auf Hochdruck von diesem verdichtet und gelangt dann in den Kondensator 3.
In einer alternativen Betriebsweise kann der Kältemittelkreislauf auch mit den Verdichtern 1, 2 parallel betrieben werden. Dabei ist sowohl das Absperrorgan 18 für das Hochdruckgas des Hauptverdichters 1 geöffnet als auch der parallele Strang für den Nebenverdichter 2 derart geschaltet, dass das Mehrwegeventil 16 im Kältemittelkreislauf einen Parallelstrom an Kältemittel zur Saugseite des Nebenverdichters 2 ermöglicht.
In 2 sind die Komponenten in Übereinstimmung zu 1 nochmals dargestellt mit der Besonderheit, dass die Gasphase aus dem Abscheider 6 über eine Verbindungsleitung zur Saugseite des Nebenverdichters 2 gelangt, wobei in dieser Verbindungsleitung ein Absperrorgan 17 für das Mitteldruckgas implementiert ist.
Durch den dargestellten Kältemittelkreislauf können die Verdichter von einem Parallel- in einen Reihenmodus umgeschalten werden.
Bevorzugt jedoch werden die Verdichter in Reihe geschalten. Ein besonderer Vorteil beider Ausgestaltungen von Parallel- und der Reihenschaltung ist die Separation der flüssigen Phase des Kältemittels und der Transport der Gasphase des Kältemittels aus dem Abscheider 6 direkt zum entsprechenden Verdichter, wodurch eine Verringerung des Druckverlustes innerhalb der Verdampfer erzielt wird. Dadurch kann die Verteilung von flüssiger und Gasphase innerhalb der Verdampfer verbessert werden, wenn keine oder wenig Gasphase mit in den Verdampfer gelangt. Wenn der Verdichter in Reihe geschalten ist, dann ist das erste Expansionsorgan 5 für die Hauptentspannung zuständig. Zusätzlich kann über das Absperrorgan 17 die Strömung der Gasphase kontrolliert beziehungsweise gesteuert werden.
In 3 ist eine Kombination aus einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlmittelkreislauf dargestellt, wobei der Kältemittelkreislauf aus den 1 und 2 erweitert ist um einen Wärmepumpenwärmeübertrager 10 mit zugehörigem Expansionsorgan 9. Weiterhin ist ein Zusatzkondensator 4 zur thermischen Verbindung von Kühlmittelkreislauf und Kältemittelkreislauf vorgesehen, der als Wasser-Kondensator ausgeführt ist. Der Zusatzkondensator 4 ist in den Kühlmittelkreislauf eingebunden, welcher durch die Pumpe 13 des Kühlmittelkreislaufes angetrieben wird. Durch ein Mehrwegeventil 15 des Kühlmittelkreislaufes werden die Strömungspfade der parallelen Stränge des Kühlmittelkreislaufes gesteuert. Der erste Strömungspfad verläuft von der Pumpe 13 über das Mehrwegeventil 15 zum Wärmepumpenwärmeübertrager 10 und anschließend über den Niedertemperaturwärmeübertrager, der auch als Kühlmittel-Luft-Kühler 14 bezeichnet ist, zur Pumpe 13. Ein paralleler Strang ist dargestellt von dem Mehrwegeventil 15 des Kühlmittelkreislaufes zum Zusatzkondensator 4 und anschließend zum Kühlmittel-Luft-Kühler 14.
Der Kühlmittelkreislauf ist insbesondere für die Schaltung des Kältemittelkreislaufes für den Wärmepumpenbetrieb erforderlich und die beiden Kreisläufe sind über den Zusatzkondensator 4 und den Wärmepumpenwärmeübertrager 10 thermisch gekoppelt.
Die Konzeption der Erfindung wird besonders deutlich anhand des in 3 dargestellten Kreislaufes, wobei innerhalb des Kältemittelkreislaufes zwei Verdichtungsstufen und somit ein Mitteldruckniveau ausgebildet ist. Die beiden Verdichtungsstufen werden dabei bevorzugt mit zwei getrennten Verdichtern 1 und 2 realisiert, wobei die Besonderheit darin besteht, dass die beiden Verdichter sowohl in Reihe geschaltet als auch parallel geschaltet betrieben werden können.
Das System beinhaltet bevorzugt die Verwendung eines Wasser-Kondensators 4, welcher mindestens die gleiche oder eine erhöhte Leistung gegenüber herkömmlichen Luft-Kondensatoren aufweist. Für die erhöhte Leistung sind vor allem die Komponenten 4, 8, 11 und 14 relevant. Diese Komponenten sind auf unterschiedliche Leistungen im Normalbetrieb der Anlage, den Kühlbetrieb oder den Wärmepumpenbetrieb oder Ladebetrieb bei erhöhtem Kältemittelmassenstrom ausgelegt. Besonders schwierig ist, dass bei geringen Leistungen eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels vorhanden ist, um das Öl wieder zum Verdichter zurück transportieren zu können. Im Ladebetrieb ist der Massenstrom und damit auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels größer und dementsprechend muss der freie Strömungsquerschnitt größer sein, um die Druckverluste in einem sinnvollen Bereich halten zu können. Auch die Wärmeübertrager benötigen eine größere Fläche, um die entsprechenden Leistungen übertragen zu können. Im Fokus stehen hier insbesondere der Wasserkondensator 4, der Batteriekühler 11 und der Kühlmittel-Luft-Kühler 14, wobei der Wärmeübertrager 4 mit gering größerer Wärmeübertragerfläche auf Grund des hohen Wärmedurchgangskoeffizienten der in Wärmeübertragung befindlichen Medien und des Materials des Wärmeübertragers 4, die entsprechenden Leistungsanforderungen erfüllt und auch hinsichtlich des Öltransports keine nennenswerten Probleme bereitet. Wesentlich wichtiger sind der Batteriekühler 11 und der Kühlmittel-Luft-Kühler 14. Beim Batteriekühler 11 sind optional im Wärmeübertager bereits Wärmeübertragerrohre vorgesehen, die bei entsprechendem Leistungsbedarf durch schaltbare Ventile, selbstregelnde Ventile mit Federkraft, die bei entsprechender Druckdifferenz öffnen, freigeschaltet werden. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 14 ist derart dimensioniert, dass dieser Wärmeübertrager für weitere Wärmequellen verantwortlich ist und die entsprechenden Leistungen an die Umgebung abgeben kann. Im Ladebetrieb werden diese Leistungen nicht benötigt und können dem Ladevorgang vollständig zur Verfügung gestellt werden. Beim Laden im Winter, wird der Fahrzeuginnenraum geheizt.
Dabei wird die Wärmeübertragungsfläche insgesamt reduziert, da nur unter besonderen Betriebsbedingungen die zusätzliche Fläche zugeschaltet wird. Die Fließgeschwindigkeiten im Kältemittelkreislauf werden dadurch in Abhängigkeit der Parameter vorteilhaft erhöht.
Der Wasser-Kondensator 4 arbeitet mit einer höheren Temperaturdifferenz bei gleichen äußeren Dimensionen, wodurch eine höhere Wärmeleistung bezogen auf das Bauvolumen des Wärmeübertragers 4 übertragen werden kann.
Beide Verdichter 1, 2 können einen Ölseparator/Muffler auf der Saugseite vorgeschaltet haben. Normalerweise ist der Ölseperator auf der Hochdruckseite angeordnet. Aus Verteilungsgründen sollten beide Verdichter 1, 2 an einen Ölseperator angeschlossen sein. Muffler werden aus Gründen der Geräuschemmission auf der Hochdruckseite ausgebildet.
Es ist generell in zwei Betriebszyklen zu unterscheiden. Im Kühl- und Heizbetrieb kann der Kältemittelkreislauf einstufig mit einem Verdichter betrieben werden. Natürlich ergeben sich aus der Möglichkeit einer zweistufigen Verdichtung und der Kältemittelabscheidung in der Mitteldruckflasche für diese Anwendung energetische als auch technische (gleichmäßigere Verteilung des Kältemittels im Batteriekühler) Vorteile. Deshalb wird dieser optional auch vorgesehen. Im Ladebetrieb sind auf jeden Fall beide Verdichter in einem zwei- oder einstufigen Prozess in Betrieb.
In 4 ist eine Wärmepumpenschaltung des Kältemittelkreislaufes dargestellt, welche zweistufig in Reihenschaltung von Hauptverdichter 1 und Nebenverdichter 2 ausgeführt ist. Das Kältemittel wird im Kondensator 3 kondensiert, im Expansionsorgan 5 enstpannt und im nachfolgenden Abscheider 6 werden die gasförmige von der flüssigen Phase des Kältemittels getrennt. Die gasförmige Phase wird bei Mitteldruck der Saugseite des Nebenverdichters 2 zugeführt, wohingegen die flüssige Phase parallel an den Wärmepumpenwärmeübertrager 10, den Batteriekühler 11 und den Luftkühler 12 verteilt wird, wobei die Expansionorgane 7, 8 und 9 den Wärmeübertragern jeweils zugeordnet sind. Das in den Wärmeübertragern 10, 11, 12 verdampfte Kältemittel wird schließlich zusammengeführt und der Saugseite des Hauptverdichters 1 zugeleitet.
Eine nicht dargestellte Modifikation der Wärmepumpenschaltung besteht darin, dass zwei Kondensatoren angeordnet sind. Der erste Kondensator, der Heizer für den Fahrzeuginnenraum, ist innerhalb der Klimaanlage des Fahrzeuges installiert. Der zweite Kondensator ist ein normaler Luft-Kondensator, der nach einer bevorzugten Ausgestaltung als Wasser-Kondensator ausgeführt sein kann.
Die dargestellte Ausführung mit drei Wärmeübertragern 10, 11, 12 innerhalb des Kältemittelsystems zur Verdampfung des Kältemittels kann durch Mehrverdampferanordnungen, je nach Anwendungsgebiet, selbstverständlich erweitert werden. Dies ist lediglich abhängig von der Position des thermostatischen Expansionsventils, welches jeweils mit einer Abschaltfunktion ausgestattet ist.
Alternativ zur Darstellung in 4 kann eine Wärmepumpenschaltung auch einstufig ausgeführt sein, wobei der Hauptverdichter 1 direkt zum Kondensator 3 fördert und die Gasphase aus dem Abscheider der Saugseite des Hauptverdichters 1 zugeführt wird. Die Wärme wird dabei über den Wärmepumpenwärmeübertrager 10 aus dem Kühlmittelkreislauf zugeführt.
In der Wärmepumpenschaltung gibt der Kondensator 3 die Wärme an den Innenraum des Kraftfahrzeuges ab. Ein Vorteil der dargestellten Kreislaufführung besteht darin, dass eine niedrige Vereisung bei den entsprechenden Wärmeübertragern stattfindet und eine gute Speicherfähigkeit des Systems gegeben ist. Zusätzlich wird die Wärme des Batteriekühlers 11, des Luftkühlers 12 und des Wärmepumpenwärmeübertragers 10 für die Wärmepumpe nutzbar gemacht. In der Alternative der Wärmepumpenschaltung mit einstufiger Ausführung wird das Expansionsorgan 5 mit vollständig geöffnetem Querschnitt gefahren, sodass dann nur mit dem Hauptverdichter 1 verdichtet wird und der Nebenverdichter 2 in dieser Betriebsstellung nicht arbeitet. Besonders vorteilhaft ist, dass die Batteriekühlerwärme in dieser Schaltung zur Beheizung des Innenraumes des Kraftfahrzeuges genutzt wird.
In 5 ist ein modifizierter Kältemittelkreislauf dargestellt, wobei die Besonderheit darin besteht, dass der Batteriekühler 11 mittels einer Pumpe 19 mit flüssigem Kältemittel aus dem Abscheider 6 direkt versorgt wird und das verdampfende Kältemittel auf diesem Druckniveau dem Abscheider 6 in den Raum mit der Gasphase wieder zugeführt wird. Die Luftkühler 12 werden parallel zum Batteriekühler 11 mit Kältemittel versorgt, jedoch wird das verdampfte Kältemittel dann der Saugseite des Hauptverdichters 1 zugeleitet. Den Luftkühlern 12 zugeordnet sind jeweils Expansionsorgane 7. Die zweite Verdichtungsstufe wird durch den Nebenverdichter 2 realisiert, wonach das Kältemittel dem Kondensator 3 zugeführt wird. Bei dieser Modifikation, speziell für die Batteriekühlung, ist das Druckniveau niedrig und mittel.
Ein Vorteil besteht darin, dass der Batteriekühler 11 auch als vollständig gefluteter Verdampfer arbeiten kann, ohne dass der Verdichter durch Flüssigkeitsschläge belastet werden könnte. Vorteilhaft ist das exakt gleichbleibende Verdampfungstemperaturniveau über die gesamte Wärmeübertragungsfläche.
In 6 ist eine Alternative zur Ausgestaltung nach 5 gezeigt, wobei der Batteriekühler 11 wiederum parallel zu den Luftkühlern 12 mit flüssigem Kältemittel aus dem Abscheider 6 versorgt wird. Die Kältemittelflüssigkeit aus dem Abscheider wird jedoch im Expansionsorgan 8 entspannt und auf ein entsprechendes Druckniveau eingestellt. In analoger Weise sind die Expansionsorgane 7 den Luftkühlern 12 zugeordnet. Der Kältemitteldampf aus dem Batteriekühler 11 gelangt über ein Mehrwegeventil 20 entweder zur Saugseite des Hauptverdichters 1 oder zur Saugseite des Nebenverdichters 2, je nach Druckniveau.
Der Batteriekühler 11 mit dem Expansionsorgan 8 wird über das Mehrwegeventil 20 in den Kältemittelkreislauf eingebunden, wobei durch das Mehrwegeventil 20 die Möglichkeit der Einbindung des Kältemittelmassenstroms aus dem Batteriekühler 11 entweder in den Mitteldruck- oder in den Niederdruckmassenstrom des Kältemittels besteht.
Die dargestellten Kältemittelkreisläufe können mit innerem Wärmeübetrager zwischen Nieder- und Hochdruckseite bzw. Mittel- und Hochdruckseite zusätzlich ausgestattet sein. Weiterhin können die irreversiblen Expansionseinrichtungen durch arbeitsleistende Expansionseinrichtungen ersetzt werden. Beide Modifikationen dient zur Effizienzverbesserung der Kreisläufe.
Bezugszeichenliste

1: Hauptverdichter
2: Nebenverdichter
3: Kondensator
4: Zusatzkondensator, Wasserkondensator, Wärmeübertrager
5: Expansionsorgan Mitteldruck
6: Abscheider
7: Expansionsorgan Niederdruck
8: Expansionsorgan Niederdruck
9: Expansionsorgan Niederdruck
10: Wärmepumpenwärmeübertrager, Wärmeübertrager
11: Batteriekühler, Elektronikkühler, Wärmeübertrager
12: Luftkühler, Fahrzeuginnenraumverdampfer, Wärmeübertrager
13: Pumpe Kühlmittelkreislauf
14: Kühlmittel-Luft-Kühler
15: Mehrwegeventil Kühlmittelkreislauf
16: Mehrwegeventil Kältemittelkreislauf, Absperrorgan
17: Absperrorgan Mitteldruckgas
18: Absperrorgan Hochdruckgas Hauptverdichter
19: Kältemittelpumpe
20: Mehrwegeventil Batteriekühlerkreislaufzweig

Claims

Kältemittelkreislauf, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb, wobei in Kältemittelströmungsrichtung ein Kondensator (3), ein Expansionsorgan (5), ein Abscheider (6) als Mitteldruckflasche und ein Expansionsorgan (7) in Reihe geschaltet angeordnet sind und dass nachfolgend ein Batteriekühler (11) und ein Luftkühler (12) parallel geschaltet angeordnet sind, wonach ein Hauptverdichter (1) und ein Nebenverdichter (2) in parallelen Leitungssträngen angeordnet sind, wobei die Hochdruckseite des Hauptverdichters (1) mit der Saugseite des Nebenverdichters (2) verbunden ist, so dass mittels eines Absperrorgans (18) im Hochdruckstrang des Hauptverdichters (1) und eines Mehrwegeventils (16) der Hauptverdichter (1) und der Nebenverdichter (2) in Reihe oder parallel schaltbar sind und dass der Abscheider (6) auf der Gasseite mit der Saugseite des Hauptverdichters (1) und der Saugseite des Nebenverdichters (2) verbunden ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrorgan (17) in der Verbindung der Gasseite des Abscheiders (6) mit der Saugseite des Nebenverdichters (2) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Batteriekühler (11) und dem Luftkühler (12) jeweils ein Expansionsorgan (7, 8) separat zugeordnet sind.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist, der eine Pumpe (13), einen Wärmepumpenwärmeübertrager (10) und einen Kühlmittel-Luft-Kühler (14) aufweist, wobei der Wärmepumpenwärmeübertrager (10) mit zugeordnetem Expansionsorgang (9) parallel zu dem Batteriekühler (11) und dem Luftkühler (12) im Kältemittelkreislauf angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Mehrwegeventil (15) alternativ oder kumulativ schaltbar ein Zusatzkondensator (4) im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, wobei der Zusatzkondensator (4) im Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung nach dem Kondensator (3) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenverdichter (2) in den Hauptverdichter (1) integriert ausgebildet ist und der Hauptverdichter (1) als zweistufiger Verdichter ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im Fahrbetrieb im Klimaanlagenmodus - im Hauptverdichter (1) einstufig verdichtet wird, - nachfolgend unter Wärmeabgabe den Kondensator (3) durchströmt, - Im Expansionsorgan (5) auf Mitteldruck entspannt wird, - Die flüssige Phase des Kältemittels im Luftkühler (12) und im Batteriekühler (11) parallel verdampft und gemeinsam mit der gasförmigen Phase aus dem Abscheider (6) vom Hauptverdichter (1) angesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel vor dem Luftkühler (12) und dem Batteriekühler (11) jeweils separat mittels Expansionsorganen (7, 8) entspannt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im Ladebetrieb der Batterien - im Hauptverdichter (1) und im Nebenverdicher (2) zweistufig verdichtet wird, - nachfolgend unter Wärmeabgabe den Kondensator (3) durchströmt, - Im Expansionsorgan (5) auf Mitteldruck entspannt wird, - Die gasförmige Phase des Kältemittels vom Nebenverdichter (2) angesaugt wird und - Die flüssige Phase des Kältemittels im Batteriekühler (11) verdampft und vom Hauptverdichter (1) angesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Kältemittels zusätzlich zum Kondensator (3) in einem in Reihe nachgeschalteten Zusatzkondensator (4) eines Kältemittelkreislaufes erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im einstufigen Wärmepumpenbetrieb - im Hauptverdichter (1) einstufig verdichtet wird, - nachfolgend unter Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum den Kondensator (3) durchströmt, - Im Expansionsorgan (5) auf Mitteldruck entspannt wird, - Die gasförmige Phase des Kältemittels vom Hauptverdichter (1) angesaugt wird und - Die flüssige Phase des Kältemittels im Wärmepumpenwärmeübertrager (10) verdampft und vom Hauptverdichter (1) angesaugt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im zweistufigen Wärmepumpenbetrieb - im Hauptverdichter (1) und im Nebenverdicher (2) zweistufig verdichtet wird, - nachfolgend unter Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum den Kondensator (3) durchströmt, - Im Expansionsorgan (5) auf Mitteldruck entspannt wird, - Die gasförmige Phase des Kältemittels vom Nebenverdichter (2) angesaugt wird und - Die flüssige Phase des Kältemittels im Wärmepumpenwärmeübertrager (10), im Luftkühler (12) und im Batteriekühler (11) parallel verdampft und vom Hauptverdichter (1) angesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeaufnahme des Kältemittels im Wärmepumpenwärmeübertrager (10) zusätzlich aus dem Kühlmittelkreislauf im Wärmepumpenwärmeübertrager (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmeabgabe im Batteriekühler (11) zusätzliche Wärmeübertragungsflächen im Ladebetrieb des Akkumulators freigeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmeabgabe im Kühlmittel-Luftkühler (14) zusätzliche Wärmeübertragungsflächen im Ladebetrieb freigeschaltet werden beziehungsweise die Gesamtfläche auf Grund der Nichtbenutzung durch andere Komponenten genutzt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmeabgabe im Kondensator (3) zusätzliche Wärmeübertragungsflächen im Ladebetrieb freigeschaltet werden beziehungsweise die Leistung an einem unveränderten Kondensator (3) über einen höheren Hochdruck als treibende Temperaturdifferenz realisiert wird.