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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpeneinrichtung mit Enteisungsfunktion, insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Wechseln zwischen einem Wärmepumpenbetrieb und einem Enteisungsbetrieb einer solchen Wärmepumpeneinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von Wärmepumpen bekannt, die zum Beispiel als Heizungsanlagen für Gebäude und Fahrzeuge eingesetzt werden. Das physikalische Prinzip besteht dabei darin, unter Aufwendung von Antriebsenergie thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur aufzunehmen und zusammen mit der Antriebsenergie auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur zu übertragen. Systembedingt umfasst damit eine Wärmepumpe eine Wärmequelle, welche thermische Energie als Nutzwärme abgibt, und einer Wärmesenke, welche aus dem Reservoir mit niedriger Temperatur wiederum thermische Energie aufnimmt.
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Da eine Wärmepumpe im umgekehrten Betrieb auch als Kälteanlage oder Klimaanlage betreibbar ist, sei ein solcher Betrieb implizit mit umfasst, wenngleich er für die nachfolgende Offenbarung allenfalls eine untergeordnete Bedeutung hat.
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Während bei direkten Wärmepumpen die Wärmequelle über einen Wärmetauscher direkt mit dem zu beheizenden Raum (typischerweise durch einen Luftwärmetauscher) in Kontakt steht, sind auch sogenannte indirekte System mit einer fluidbasierten Kühlmittelsekundäreinrichtung bekannt. In diesem Fall steht die Wärmepumpenprimäreinrichtung nicht in direktem Kontakt mit der Umgebung, sondern steht mit seiner Wärmequelle über einen ersten Wärmetauscher mit einem Warmkreislauf der Kühlmittelsekundäreinrichtung wärmetauschend in Kontakt. In diesem Warmkreislauf ist ein zweiter Wärmetauscher zuschaltbar angeordnet, welcher dann mit dem zu heizenden Raum wärmetauschend in Kontakt steht. Analog steht die Wärmesenke über einen dritten Wärmetauscher mit einem Kaltkreislauf der Kühlmittelsekundäreinrichtung wärmetauschend in Kontakt. In diesem Kaltkreislauf ist ein vierter Wärmetauscher zuschaltbar angeordnet, welcher dann mit dem Außenbereich als Reservoir mit niedriger Temperatur wärmetauschend in Kontakt steht. Der zweite und vierte Wärmetauscher können dann wiederum als Luftwärmetauscher ausgestaltet sein.
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Unter Kühlmitteln wird in diesem Zusammenhang ein wärmespeicherndes Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, verstanden, welche im Betrieb selber keinen Phasenübergängen unterworfen wird. Als Kühlmittel eignet sich insbesondere eine gefrierpunkterniedrigte wässrige Lösung, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Prinzipiell können aber auch nicht wässrige Kühlmittel, z.B. Öle, Verwendung finden.
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Zu den Vorzügen solcher oft auch als Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmepumpen oder einfach Wasser-Wasser-Wärmepumpen bekannter Systeme zählt unter anderem, dass einerseits der zu klimatisierende Bereich gar nicht mehr direkt mit dem von dem Kältemittel durchströmten Wärmetauscher in Kontakt steht. Die Wärmepumpenprimäreinrichtung kann damit als abgetrennte und kompakt gebaute Einheit ausgebildet werden. Andererseits kann über den wasserbasierten Sekundärkeislauf leicht Abwärme als zusätzliche Wärmequelle eingespeist werden, wodurch sich die Effizienz der gesamten Wärmepumpeneinrichtung erhöht. Dies ist vorteilhaft für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, insbesondere für Elektrofahrzeuge, wodurch die Abwärme elektrischer Komponenten, z.B. von Batterien, Konvertern oder Invertern, verwertet werden kann.
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Im Wärmepumpenbetrieb ist es zuweilen problematisch, dass bei niedrigen Außentemperaturen sich der Kaltkreislauf der Kühlmittelsekundäreinrichtung selber unter 0°C abkühlt. Dabei kommt es regelmäßig vor, dass Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft am zuschaltbaren, vierten Wärmetauscher kondensiert, ausfriert und damit eine Eisschicht erzeugt, welche die Wärmetauscheigenschaften des vierten Wärmetauschers drastisch herabsetzen kann. Eine solche Eisschicht muss periodisch entfernt werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt. Diese sind aber apparativ mit zusätzlichem Aufwand verbunden. Aus der
W02014/143621A1 ist beispielsweise eine Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmepumpe bekannt, bei welcher der Kaltkreislauf der Kühlmittelsekundäreinrichtung kurzzeitig dadurch aufgeheizt wird, dass Heißgas des Kältemittelprimärkreislaufs mittels eines Bypasses vom Kompressor direkt zum Verdampfer durchgeleitet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Wärmepumpeneinrichtung mit Enteisungsfunktion anzugeben, welche kostengünstig, konstruktiv wenig aufwändig und einfach zu betreiben ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpeneinrichtung ist gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung, mittels welcher der Warmkreislauf und der Kaltkreislauf miteinander verbindbar sind. Die erfindungsgemäße Wärmepumpeneinrichtung ist ferner gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung, insbesondere eine Steuereinrichtung, mittels welcher in Abhängigkeit des Vereisungszustands des vierten Wärmetauschers in einen Enteisungsbetrieb umschaltbar ist. Dabei ermöglicht die Ventileinrichtung wenigstens teilweise das Einmischen von Kühlfluid aus jenem Abschnitt des Warmkreislaufs, mit welchem die Wärmequelle in wärmetauschendem Kontakt steht, in den Kaltkreislauf. Mit anderen Worten ist die Stelleinrichtung angepasst, die Ventileinrichtung so umzuschalten, dass sich warmes und kaltes Kühlmittel vorübergehend mischen und in dem Kaltkreis zirkulieren können. Eine solche Ventilvorrichtung in der fluidbasierten Kühlmittelsekundäreinrichtung ist apparativ wenig aufwändig. Falls die Wärmepumpeneinrichtung ohnehin auch für einen Kühlbetrieb vorgesehen ist, können hierbei ggf. sogar bereits vorgesehene Ventile verwendet werden. In diesem Fall bedarf es nur einer Anpassung der Stelleinrichtung bzw. der Steuereinrichtung für den Enteisungsbetrieb.
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Die Ventilvorrichtung kann aus einem Ventil oder mehreren Ventilen bestehen. Der Öffnungsgrad zum Mischen von warmem Kühlmittel in den Kaltkreis muss dabei nicht fest vorgegeben sein. Es können je nach Situation unterschiedliche Öffnungsgrade vorgesehen sein. Beispielsweise erlaubt ein volles Öffnen ein besonders schnelles und vollständiges Mischen und damit auch schnelleres Enteisen. Ein teilweises Öffnen erlaubt es, den Warmkreis weiterhin - aber mit reduzierter Leistung - für die Heizzwecke zu betreiben. Der Leitungsabschnitt, in welchem das Mischen erfolgt, liegt dabei typischerweise gleich stromabwärts von der Wärmequelle und der Wärmesenke und er liegt stromaufwärts von dem zweiten und vierten Wärmetauscher.
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Durch das Mischen von Kühlmittel aus dem Warmkreislauf und dem Kaltkreislauf wird in der Regel bereits sofort ein Gemisch mit einer ausreichend hohen Temperatur >>0°C erreicht, sodass unmittelbar danach das Enteisen des vierten Wärmetauschers beginnen kann. Für den ungünstigen Fall, dass die Mischtemperatur zunächst noch <0°C sein sollte, wird der Kühlmittelsekundärkreis durch die zugeführte Antriebsleistung langsam aufgeheizt. Falls der Wärmepumpenprimärkreis durch einen Kältemittelkreislauf bereitgestellt wird, entspricht letztlich die zugeführte Wärmeleistung der Kompressorleistung.
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Das Umschalten in den Enteisungsbetrieb erfolgt typischerweise automatisch von der Steuereinrichtung initiiert. Dies kann beispielsweise aufgrund eines Timers, einer Bedingung oder aufgrund eines an sich beliebigen Auslösers erfolgen. Alternativ kann das Umschalten in den Enteisungsbetrieb auch manuell erfolgen. Seitens der Steuereinrichtung wird beispielsweise ein Hinweis zum Umschalten in den Enteisungsbetrieb ausgegeben. Durch eine der Steuereinrichtung zugeordnete Stelleinrichtung, z.B. ein Bedienmittel, kann dann der Enteisungsbetrieb manuell ausgelöst werden.
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Die Wärmepumpenprimäreinrichtung kann nach an sich beliebig bekannter Art ausgestaltet sein. Es kann sich insbesondere um Kompressions-, Sorptions- oder magnetische Wärmepumpensysteme handeln. Im Fahrzeugbau ist zumindest nach gegenwärtigem Stand eine Kompressionswärmepumpe mit einem Kältemittel-Primärkreislauf aufgrund seiner baulichen Eigenschaften und Leistungsdichte als vorteilhafte Ausgestaltung zu sehen. In diesem Fall weist die Wärmepumpenprimäreinrichtung einen Kompressor und ein Expansionsorgan auf. Die Wärmequelle wird durch einen durch den ersten Wärmetauscher geleiteten HochdruckAbschnitt gebildet, welcher stromabwärts von dem Kompressor und stromaufwärts vom Expansionsorgan gebildet wird. Die Wärmesenke wird durch einen durch den dritten Wärmetauscher geleiteten Niederdruck-Abschnitt gebildet, welcher stromabwärts vom Expansionsorgan und stromaufwärts von dem Kompressor gebildet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stelleinrichtung bzw. die Steuereinrichtung mit Pumpen im Warmkreislauf und/oder im Kaltkreislauf gekoppelt und derart angepasst, dass während des Enteisungsbetriebs wenigstens zeitweise die Durchflussrate des Kühlmittels in jenen Abschnitten des Warmkreislaufs und/oder des Kaltkreislaufs, mit welchen die Wärmequelle und/oder entsprechend die Wärmesenke in wärmetauschendem Kontakt stehen, reduzierbar ist. Der Wärmeübergang an der Wärmequelle und Wärmesenke wird damit reduziert. Dies hat insbesondere bei Verwendung eines Kältemittelprimärkreislaufs den Vorteil, dass sich dadurch höhere Druckunterschiede zwischen Hochdruck- und Niederdruckabschnitt einstellen. Dies bewirkt ein Hochregeln der Kompressorleistung, dessen zusätzliche Wärmeleistung dann einem noch rascheren Abtauen zugutekommt.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Kaltkreislauf stromaufwärts vom dritten Wärmetauscher in wärmeleitenden Kontakt mit elektrischen Komponenten bringbar ist. Im Wärmepumpenbetrieb erfolgt dieser Kontakt dann vorteilhafterweise stromabwärts vom vierten Wärmetauscher. Die Steuereinrichtung ist dann vorteilhafterweise derart angepasst, dass der Kaltkreislauf während des Enteisungsbetriebs in wärmeleitenden Kontakt mit den elektrischen Komponenten bringbar ist. Hierdurch kann ggf. eine zusätzliche Wärmemenge in den Kaltkreislauf eingespeist werden, welches ein schnelleres und energetisch günstigeres Enteisen unterstützt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Wärmepumpeneinrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Vereisungszustands des vierten Wärmetauschers. Eine solche Erfassungseinrichtung umfasst optional einen Temperatursensor, einen Staudrucksensor, eine Kamera, eine Berechnungseinheit und/oder eine Speichereinheit historisch gesammelter Messwerte. Mittels der Erfassungseinrichtung können beispielsweise auch Messwerte aus einem Sensornetzwerk, z.B. eine Temperaturdifferenz im Bereich des vierten Wärmetauschers, berücksichtigt werden, aus der auf den Vereisungsgrad Rückschlüsse gezogen werden können. Insbesondere kann auf ggf. bereits vorhandene Sensoren zurückgegriffen werden, sodass keine zusätzlichen Kosten entstehen. Der Vorteil einer direkten Überwachung des Vereisungszustands liegt darin, dass einerseits genauer auf eine beginnende Vereisung reagiert werden kann. Andererseits kann durch Aufzeichnung früherer Vereisungsereignisse eine beginnende Vereisung ggf. schon sehr früh vorhersagbar und die Gegenmaßnahmen zeitlich planbar sein.
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Weiterhin können in der Kühlmittelsekundäreinrichtung Mittel zum Schätzen der hypothetischen Kühlmittelmischtemperatur vorgesehen sein. Die hypothetische Kühlmittelmischtemperatur ist die Temperatur, die zum Zeitpunkt des noch separierten Warmkreislaufs und Kaltkreislaufs zu erwarten ist, falls beim Umschalten in den Enteisungsbetrieb sich das Kühlmittel aus dem Warmkreislaufs in den Kaltkreislauf einmischen würde. Die Steuereinrichtung ist dann derart angepasst, dass die hypothetische Kühlmittelmischtemperatur für den Zeitpunkt des Umschaltens in den Enteisungsbetrieb berücksichtigt wird. Insbesondere wird bereits bei einer geringeren Vereisung in den Enteisungsbetrieb umgeschaltet, wenn die hypothetische Kühlmittelmischtemperatur <0°C beträgt, weil dann eine verzögerte Enteisung zu erwarten ist.
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Das Schätzen der hypothetischen Kühlmittelmischtemperatur ist somit eine präventive Maßnahme.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmepumpeneinrichtung ist vorgesehen, dass dem zweiten Wärmetauscher und dem vierten Wärmetauscher jeweils ein Lüfter zum Durchleiten von Luft durch den jeweiligen Wärmetauscher zugeordnet ist und dass die Steuereinrichtung derart angepasst ist, dass beim Umschalten in den Enteisungsbetrieb oder während des Enteisungsbetriebs die Lüfterdrehzahl wenigstens einer der Lüfter reduziert wird. Beispielsweise kann der dem zweiten Wärmetauscher zugeordnete Lüfter mit geringerer Lüfterdrehzahl betrieben werden, um die Verteilung der Restwärme über den Zeitraum des Enteisens zu strecken. Auch kann durch das Ausschalten des dem vierten Wärmetauscher zugeordneten Lüfters das anfängliche Enteisen ggf. beschleunigt werden. Ferner kann hierdurch ggf. Energie eingespart werden, falls für den Zeitraum der Enteisung die Heizfunktion entbehrlich ist und die Lüfter komplett abgeschaltet werden können.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass vorm Beenden des Enteisungsbetriebs die Lüfterdrehzahl des dem vierten Wärmetauscher zugeordneten Lüfters wieder erhöht wird. Dadurch wird das durch das Enteisen gebildete Tauwasser vom vierten Wärmetauscher weggeblasen. Ein sofortiges Wiederanfrieren wird somit verringert.
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Vorteilhafterweise ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einer zuvor genannten Wärmepumpeneinrichtung ausgestattet, wobei der vierte Wärmetauscher als Außenwärmetauscher angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer zuvor genannten Wärmepumpeneinrichtung angegeben, bei dem die Wärmepumpeneinrichtung in einem Wärmepumpenbetrieb betrieben wird und ein Umschalten in einen Enteisungsbetrieb in Abhängigkeit des Vereisungszustands des vierten Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei der Warmkreislaufs mit dem Kaltkreislauf verbunden wird, indem wenigstens teilweise das Einmischen von Kühlmittel aus jenem Abschnitt des Warmkreislaufs, mit welchem die Wärmequelle in wärmetauschendem Kontakt steht, in den Kaltkreislauf ermöglicht.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.
- Die 1 zeigt schematisch eine Wärmepumpeneinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- die 2 zeigt schematisch dieselbe Wärmepumpeneinrichtung aus der 1 mit Fokus auf die verschiedenen Kühlmittelleitungsabschnitte.
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Das folgende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Wärmepumpeneinrichtung 1 für ein Elektrofahrzeug, ohne hierauf beschränkt zu sein. So ergeben sich weitere Einsatzmöglichkeiten für andere Kraftfahrzeugtypen, insbesondere Fahrzeuge, welche nicht dauerhaft von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, beispielsweise Fahrzeuge mit Hybridantrieb. Ferner sind Anwendungen außerhalb des Automobilbaus denkbar, insbesondere für Gebäude und temporäre Wohn- und Arbeitsumgebungen, z.B. Container.
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In den 1 und 2 ist jeweils dieselbe Wärmepumpeneinrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Während in der 1 der Fokus auf die einzelnen Komponenten gerichtet ist, liegt der Fokus in der 2 auf den einzelnen Kühlmittelleitungsabschnitten 14A - 14S und der typischen Flussrichtung des Kühlmittels. Im Folgenden wird sich auf beide Figuren parallel bezogen.
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Die Wärmepumpeneinrichtung 1 umfasst eine Kältemittelkompakteinheit 2, welche die Funktion einer Wärmepumpenprimäreinrichtung hat. Die Kältemittelkompakteinheit 2 ist über Fluidverbindungen mit einer Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 wärmetauschend in Kontakt. Die Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 weist Wärmetauscher 11, 12, 13 auf, welche in die Fahrzeugklimaanlage integriert sind. Während der Heizwärmeübertrager 11 und der Kühlwärmeübertrager 12 in dem HVAC-Gehäuse (HVAC= Heating, Ventilation and Air Conditioning) angeordnet sind, ist der Außenwärmetauscher 13 typischerweise in der Frontpartie des Elektrofahrzeugs verbaut. Die Wärmepumpeneinrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Steuereinheit 23 sowie eine Vereisungserfassungseinrichtung 26.
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Die Kältemittelkompakteinheit 2 ist als geschlossene Baueinheit abgedichtet und nur über die Kühlmittelanschlüsse 7A - 7D sowie die elektrische Anbindung (nicht dargestellt) an die anderen Teile der Wärmepumpeneinrichtung 1 anschließbar. Sie weist im Innern einen Kältemittelkreis auf mit nachfolgend kreislaufmäßig verbundenem Kompressor 3, Kondensator 4, Expansionsventil 5 und Chiller 6. Auf die an sich bekannte Arbeitsweise des Kältemittelkreislaufs wird hier nicht näher eingegangen, Es kann sich um an sich beliebig dafür geeignete Komponenten handeln. Auch kann es sich um ein beliebiges Kältemittel handeln, beispielsweise R1234yf oder R744, ohne hierauf beschränkt zu sein. Im Kondensator 4 steht komprimiertes, erhitztes Kältemittel mit dem Kühlfluid der Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 in wärmetauschendem Kontakt. Dies stellt also die Wärmequelle des Systems dar. Im Chiller 6 steht entspanntes, abgekühltes Kältemittel mit dem Kühlfluid der Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 in wärmetauschendem Kontakt. Dies stellt also die Wärmesenke des Systems dar. Die Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 ist über die Kühlmittelanschlüsse 7A - 7D mit der Kältemittelkompakteinheit 2 verbunden.
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Die Kühlmittelsekundäreinrichtung 10 ist mit einer wasserbasierten Lösung, beispielsweise einer 50:50 Mischung aus Wasser und Glykol, befüllt. Sie weist einen Warmkreislauf (14L - 14S) und einen Kaltkreislauf (14A - 14H) auf. Ferner ist ein Reservoir 18 vorgesehen, um ggf. Schwankungen der Kühlflüssigkeit, insbesondere beim Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi, auszugleichen.
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Der Kaltkreislauf und der Warmkreislauf werden nun anhand des Wärmepumpenbetriebs zur Bereitstellung einer Heizfunktion exemplarisch erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass insbesondere bei einem Kühlbetrieb (oder Air Conditioning) der Verlauf des Warmkreises und des Kaltkreises anders verläuft, was aber im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung nebensächlich ist.
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Der Kaltkreislauf ist mit dem Leitungsabschnitt 14A am Kühlmittelanschluss 7A (Einlass zur Wärmesenke) und mit dem Leitungsabschnitt 14B am Kühlmittelanschluss 7B (Auslass aus der Wärmesenke) verbunden. Beim Durchströmen der Wärmesenke im Chiller 6 überträgt das Kühlmittel Wärme auf das Kältemittel und kühlt sich dabei ab. Über den Leitungsabschnitt 14C passiert das Kühlmittel das Ventil 15D, welches im Wärmepumpenbetrieb ganz geöffnet ist, zum Leitungsabschnitt 14D. Von dort gelangt das Kühlmittel in den Außenwärmetauscher 13, wo das Kühlmittel (unter Aufnahme von Wärme) wieder aufgewärmt wird. Über die Leitungsabschnitte 14E - 14G gelangt das Kühlmittel an einen Abzweigpunkt, von wo aus es über den Leitungsabschnitt 14H wieder zum Ausgangspunkt 14A gelangt (Dass das Kühlmittel nicht in den Leitungsabschnitt 14S abzweigt, ergibt sich aus dem Gegenfluss des Warmkreises). Angetrieben wird dieser Kühlmittelfluss durch die Kaltkreispumpe 17, welche vorzugsweise im Leitungsabschnitt 14A angeordnet ist. Die Lage der Kaltkreispumpe 17 kann je nach genauer Leitungsführung auch unterschiedlich sein. Ferner können auch mehrere Pumpen im Kaltkreislauf zum Einsatz kommen.
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Im Bereich des Leitungsabschnitts14B kann ein Teil des Kühlmittels weiter in Richtung Leitungsabschnitt 14J und dort durch den Kühlwärmeübertrager 12 fließen. Dies wird ermöglicht, wenn das Ventil 15B wenigstens teilweise geöffnet wird. Typischerweise wird ein kleiner Teilstrom durch den Kühlwärmeübertrager 12 geführt, um selbst bei einem reinen Heizbetrieb eine Entfeuchtungsfunktion bereitstellen zu können, wie dies aus dem üblichen Design von Klimaanlagen hinlänglich bekannt ist. Dieser Teilstrom fließt dann vom Leitungsabschnitt 14I wieder mit dem Teilstrom aus dem Leitungsabschnitt 14H in den Leitungsabschnitt 14A zusammen.
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Beim Verlassen des Außenwärmetauschers 13 kann das Kühlmittel anstelle durch den Leitungsabschnitt 14E alternativ oder teilweise über den Leitungsabschnitt 14F umgeleitet werden. Im Leitungsabschnitt 14F sind in wärmetauschendem Kontakt verschiedene elektrische Komponenten angeordnet. Es sind beispielhaft ein Elektromotor 19A, ein Konverter 19B und ein Inverter 19C dargestellt. Für den Normalfall liefern diese elektrischen Komponenten im Betrieb Abwärme, welche für eine Heizfunktion zurückgewonnen werden kann. Zum Umleiten des Kühlmittels in den Leitungsabschnitt 14F wird das Ventil 15E ganz oder wenigstens teilweise geschlossen und das Ventil 15F ganz oder wenigstens teilweise geöffnet.
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Der Warmkreislauf ist mit dem Leitungsabschnitt 14L am Kühlmittelanschluss 7C (Einlass zur Wärmequelle) und mit dem Leitungsabschnitt 14M am Kühlmittelanschluss 7D (Auslass aus der Wärmequelle) verbunden. Beim Durchströmen der Wärmequelle im Kondensator 4 überträgt das Kältemittel Wärme auf das Kühlmittel und kühlt sich dabei ab. Über den Leitungsabschnitt 14N passiert das Kühlmittel das Ventil 15A, welches im Wärmepumpenbetrieb ganz geöffnet ist, zum Leitungsabschnitt 14P, in welchem das Kühlmittel im Heizwärmeübertrager 11 (unter Abgabe von Wärme) abgekühlt wird. Weiter gelangt das Kühlmittel an einen Abzweigpunkt vor dem Leitungsabschnitt 14S. Angetrieben wird dieser Kühlmittelfluss durch die Warmkreispumpe 16, welche vorzugsweise im Leitungsabschnitt 14L angeordnet ist. Die Lage der Warmkreispumpe 16 kann je nach genauer Leitungsführung auch unterschiedlich sein. Ferner können ebenso auch mehrere Pumpen im Warmkreislauf zum Einsatz kommen. Es sei noch angemerkt, dass bei entsprechender Dimensionierung der Leitungsabschnitte 14S und 14H an diesem Punkt kaum eine Mischung des Fluids stattfindet.
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Die Steuereinheit 23 ist an sich beliebig ausgestaltet und an beliebiger Stelle angeordnet. Sie ist beispielsweise in der Steuereinheit der Klimaanlage des Elektrofahrzeugs integriert und mittelbar mit allen zu steuernden Teilen der Wärmepumpeneinrichtung 1 verbunden (nicht dargestellt). Dies sind insbesondere die Ventile 15A - 15F, die Pumpen 16, 17, die Lüfter 20, 21 sowie die Vereisungserfassungsvorrichtung 26. Die Steuereinheit 23 ist wenigstens mit einer Speichereinheit 24 und eine Recheneinheit 25 assoziiert und kann auf diese zugreifen. In der Speichereinheit 24 können verschiedene Kennfelder für mögliche Vereisungsszenarien hinterlegt und/oder historische Daten zu Vereisungsereignissen abgelegt sein oder werden. Mit der Recheneinheit 25 können aus verschiedenen Sensordaten ggf. vorhandener Sensoren oder anderen Informationen weitere relevante Parameter berechnet werden. Ferner kann dort berechnet oder geschätzt werden, wie zu einem beliebigen Zeitpunkt die hypothetische Kühlmittelmischtemperatur ist, falls beim Umschalten in den Enteisungsbetrieb sich das Kühlmittel aus dem Warmkreislauf in den Kaltkreislauf einmischen würde. Diese Berechnung erlaubt es, bei einer hypothetischen Mischtemperatur unter 0°C ggf. schon zu einem früheren Zeitpunkt mit dem Enteisen zu beginnen, bzw. den Enteisungsvorgang vorausschauend zu planen.
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Die Vereisungserfassungseinrichtung 26 umfasst Mittel zum Erfassen der Vereisung des Außenwärmetauschers 13. Gemäß einer Ausführungsvariante ist ein Drucksensor vorgesehen. Zusammen mit der Berechnungseinheit 25 kann aus einem charakteristischen luftseitigen Druckabfall am Außenwärmetauscher 13 auf einen Vereisungsgrad geschlossenen werden. Optional sind weitere Mittel zum Erfassen des Vereisungszustands vorgesehen, wie z.B. ein oder mehrere Temperatursensoren oder eine Kamera. Die Erfassung eines Vereisungszustands im Automobilbau ist an sich bekannt und wird hier nicht weiter vertieft.
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Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass ein Umschalten in einen Kühlbetrieb dadurch erreicht werden kann, dass, ausgehend vom Wärmepumpenbetrieb, die Ventile 15A und 15D geschlossen werden sowie die Ventile 15B und 15C ganz geöffnet werden.
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Im Folgenden werden nun - ausgehend wiederum vom Wärmepumpenbetrieb - Varianten des Enteisungsbetriebs näher erläutert. Neben der Basismaßnahme werden einige optionale Zusatzmaßnahmen erläutert, welche zusammen oder auch für sich genommen je nach Anwendungsfall eingeleitet werden können.
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Zum Enteisen des Außenwärmetauschers 13 wird als Basismaßnahme das Ventil 15A ganz oder zumindest teilweise geschlossen und zugleich das Ventil 15C ganz oder zumindest teilweise geöffnet (Die Ventile 15A, 15C liegen dabei etwas stromabwärts von der Wärmequelle/Kühlmittelanschluss 7D bzw. von Wärmesenke/Kühlmittelanschluss 7B, aber stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher 11 bzw. vierten Wärmetauscher 13). Durch diese Maßnahme fließt das Kühlmittel im Warmkreislauf im Bereich des Leitungsabschnitts 14M nicht mehr ausschließlich in den Leitungsabschnitt 14N. Je nach Öffnungsgrad der Ventile 15A, 15C fließt nun ein Teilstrom des Kühlmittels oder sogar alles Kühlmittel aus dem Warmkreislauf in den bis dahin deaktivierten Leitungsabschnitt 14R, von wo aus es sich in den Kühlmittelstrom des Kaltkreises im Leitungsabschnitt 14D einmischt.
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Die Heizfunktion über den Heizwärmeübertrager 11 wird somit zumindest für die Dauer des Enteisungsbetriebs unterbunden oder zumindest eingeschränkt. Falls im Elektrofahrzeug Zusatzheizer, wie z.B. PTC-Elemente vorgesehen sind, können diese ggf. vorübergehend hinzugeschaltet werden.
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Tests haben gezeigt, dass bei typischen Konfigurationen und unter gewöhnlichen Bedingungen, d.h. Außentemperaturen um 0°C und Umgebungsluft mit relativ hoher Feuchte bereits nach wenigen Sekunden das am Außenwärmetauscher 13 im Leitungsabschnitt 14D ankommende Kühlmittel eine Temperatur von >>0°C, typischerweise 5°C - 10°C aufweist. Das Enteisen kann damit fast unverzüglich beginnen. Es wird abgeschätzt, dass das Enteisen in solchen Fällen typischerweise weniger als einige 10 Sekunden, im Höchstfall unter zwei Minuten liegt.
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Um das Enteisen noch etwas zu beschleunigen, wird ferner vorgeschlagen während des Enteisungsbetriebs ganz oder zeitweise die Durchflussrate des Kühlmittels in Leitungsabschnitten 14A, 14B und/oder 14L, 14M zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die Pumpgeschwindigkeit der Kaltwasserpumpe 17 und/oder der Warmwasserpumpe 16 reduziert wird. Hierdurch baut sich ein höherer Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke auf, wobei der Durchschnittswert leicht ansteigt.
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Eine weitere Zusatzmaßnahme besteht darin, während des Enteisungsbetriebs den Leitungsabschnitt 14F (falls nicht ohnehin schon geschehen) freizuschalten, um die Abwärme der elektrischen Komponenten 19A - 19C zurückzugewinnen.
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Eine weitere Zusatzmaßnahme besteht darin, beim Umschalten in den Enteisungsbetrieb die Lüfterdrehzahl des dem Außenwärmetauscher 13 zugeordneten Lüfters 21 zu reduzieren oder diesen ganz auszuschalten. Je nachdem, ob weiterhin ein Heizbetrieb aufrechterhalten werden soll, kann ggf. auch der dem Heizwärmeübertrager 11 zugeordnete Lüfter 20 gedrosselt oder ganz ausgeschaltet werden.
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Kurz vor Beendigung des Enteisungsbetriebs ist es ratsam, falls der dem Außenwärmetauscher 13 zugeordnete Lüfter 21 abgeschaltet wurde, diesen wieder einzuschalten bzw. die Lüfterdrehzahl wieder zu erhöhen. Dadurch wird das restliche Tauwasser vom Enteisungsbetrieb von der Oberfläche des Außenwärmetauschers 13 entfernt und stellt kein Risiko dar, dort erneut festzufrieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmepumpeneinrichtung
- 2
- Kältemittelkompakteinheit (Wärmepumpenprimäreinrichtung)
- 3
- Kompressor
- 4
- Kondensator
- 5
- Expansionsventil
- 6
- Chiller (Verdampfer)
- 7A - 7D
- Kühlmittelanschlüsse
- 10
- Kühlmittelsekundäreinrichtung
- 11
- Heizwärmeübertrager
- 12
- Kühlwärmeübertrager
- 13
- Außenwärmetauscher
- 14A - 14S
- Leitungsabschnitte
- 15A - 15F
- Ventile
- 16
- Warmkreispumpe
- 17
- Kaltkreispumpe
- 18
- Reservoir
- 19A - 19C
- elektrische Komponenten
- 20, 21
- Lüfter
- 22
- HVAC-Gehäuse
- 23
- Steuereinheit
- 24
- Speichereinheit
- 25
- Recheneinheit
- 26
- Vereisungserfassungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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