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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem ersten und einem zweiten Kältemittelkreislauf. Die Kältemittelkreisläufe weisen jeweils einen Verdichter, einen als Kondensator beziehungsweise als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, mindestens ein Expansionsorgan und mindestens einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf. Das Klimatisierungssystem ist zudem mit Kühlmittelkreisläufen ausgebildet.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum beispielsweise die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.
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Zudem weisen herkömmliche Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb und Kraftfahrzeuge mit rein elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, insbesondere des elektrischen Antriebsstrangs, meist einen höheren Wärmebedarf beziehungsweise Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sind somit auch herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme oder zum Vorwärmen der Antriebskomponenten Kühlmittel zirkuliert.
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Wenn beispielsweise der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums und der Antriebskomponenten mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Gleiches gilt für Anlagen in Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Eine effizientere Möglichkeit zur Wärmeaufnahme, insbesondere zum Beheizen der Luft für den Fahrgastraum oder zum Vorwärmen der Antriebskomponenten ist eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient.
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Dabei macht die verteilte Anordnung der unterschiedlichen Wärmequellen und Wärmesenken beziehungsweise Verbraucher des Systems im Kraftfahrzeug die Ausbildung von Wärmeträgerkreisläufen, auch als Kühlmittelkreisläufe bezeichnet, notwendig. Die Wärmeträgerkreisläufe können zum einen zur Zirkulation von Kühlmittel ausgebildet sein, um die an den Verbrauchern anfallenden Wärmeleistungen abzuführen. Die vom Wärmeträgerkreislauf aufgenommene Wärme kann beispielsweise an die Umgebungsluft oder einen Kältemittelkreislauf übertragen werden. Zum anderen kann der Kältemittelkreislauf auch als Wärmepumpe betrieben werden, wobei die aus dem Kältemittelkreislauf abgeführte Wärme zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum beziehungsweise zum Beheizen verschiedener Komponenten des Antriebsstrangs verwendet werden kann. Auch dabei kann die Wärme indirekt über einen Wärmeträgerkreislauf übertragen werden.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Heiz-Kühl-Module weisen einen Kältemittelkreislauf und mindestens einen Kühlmittelkreislauf auf. Der Kältemittelkreislauf ist dabei mit einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, einem Kondensator/Gaskühler zum Verflüssigen des verdichteten heißen Kältemittels unter Wärmeabgabe, einem Expansionsorgan zum Entspannen des Kältemittels auf ein niederes Druckniveau und Temperaturniveau sowie einem Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Kältemittels unter Wärmeaufnahme ausgebildet.
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Der Kondensator/Gaskühler und der Verdampfer sind jeweils als von einem Wärmeträger beziehungsweise einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet. Damit kann sowohl im Kondensator/Gaskühler als auch im Verdampfer Wärme zwischen dem Kältemittel und einem Kühlmittel übertragen werden. Die im Kondensator/Gaskühler an das Kühlmittel eines ersten Kühlmittelkreislaufs als Wärmesenke für das Kältemittel abgeführte Wärme wird zu mindestens einer Wärmesenke des Kühlmittels, wie der Zuluft für den Fahrgastraum oder der Umgebungsluft, transportiert. In einem zweiten Kühlmittelkreislauf kann beispielsweise der Zuluft für den Fahrgastraum, der Umgebungsluft oder einer Komponente des Antriebsstrangs als Wärmequelle für das Kühlmittel an das Kühlmittel übertragene Wärme vom Kühlmittel zum Verdampfer des Kältemittels transportiert und im Verdampfer an das Kältemittel übertragen werden.
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Im Kraftfahrzeug kann ein herkömmliches Heiz-Kühl-Modul mit zwei unabhängig voneinander ausgebildeten Kühlmittelkreisläufen, auch als Wasser-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet, somit je Bedarf und Betriebsmodus zum Heizen oder Kühlen oder zum kombinierten Heizen und Kühlen ausgebildet sein. Dabei können beispielsweise die Zuluft des Fahrgastraums erwärmt und gleichzeitig eine Batterie beziehungsweise Leistungselektronik des Antriebsstrangs abgekühlt werden.
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Die Heiz-Kühl-Module ermöglichen vorteilhaft eine sehr dichte Anordnung der Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit minimalem Bauraum, beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses. Das abgeschlossene Gehäuse kann in jedem beliebig verfügbaren Raum innerhalb des Kraftfahrzeugs untergebracht werden.
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Aus der
WO 2013/023630 A2 geht ein solches kompaktes Heiz-Kühl-Modul mit einem Kältemittelkreislauf hervor. Dabei sind einerseits der Verdichter und der als erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildete Kondensator/Gaskühler einerseits sowie das Expansionsorgan und der als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildete Verdampfer andererseits zusammen in thermischem Kontakt miteinander angeordnet. Der Verdichter mit dem Kondensator/Gaskühler und das Expansionsorgan mit dem Verdampfer sind durch einen thermischen Isolationsbereich voneinander getrennt ausgebildet.
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In der
EP 2 629 040 A2 wird ein als Wärmepumpe betreibbares System mit einem Kältemittelkreislauf mit einem warmseitig angeordneten Plattenwärmeübertrager, einem kaltseitig angeordneten Wärmeübertrager und einem elektrisch angetriebenen Verdichter sowie mit Kühlmittelkreisläufen beschrieben. Der als Kondensator betriebene warmseitig angeordnete Plattenwärmeübertrager wird mit Kühlmittel eines ersten Kühlmittelkreislaufs und der als Verdampfer betriebene kaltseitig angeordnete Wärmeübertrager wird mit Kühlmittel eines zweiten Kühlmittelkreislaufs beaufschlagt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Heiz-Kühl-Module lassen sich sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb lediglich mit einer sehr begrenzten Leistung und Effizienz betreiben. Für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug zum Beispiel mit einem elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb ist ein solches System für einen großen Arbeitsbereich, insbesondere Temperaturbereich von -20°C bis +40°C, auszulegen. Dabei ist das System aufgrund einer einfachen Bauweise speziell für den Einsatz bei hohen Heizlasten und Kühllasten, beispielsweise im Bereich von 5 kW bis 7 kW, nicht geeignet.
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Bei System mit einem Verdichter im Kältemittelkreislauf, das heißt beim Betrieb mit einem einstufigen Verdichtungsprozess, kann das Verdichtungsverhältnis des Verdichters, insbesondere bei großen Lasten, sehr groß sein. Dabei wird der Verdichter zum einen mechanisch sehr stark beansprucht und zum anderen auch in einem sehr ineffizienten Kennfeldbereich mit schlechtem isentropen Wirkungsgrad beziehungsweise Gesamtwirkungsgrad betrieben.
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Zudem kann der Betrieb des Verdichters mit hohem Verdichtungsverhältnis bei großen Lasten aufgrund der ineffizienten Verdichtung unter Umständen zu einer sogenannten Heißgasabregelung führen. Dabei wird die Drehzahl des Verdichters reduziert, um den Verdichter vor mechanischen Defekten zu schützen und das Überschreiten einer zulässigen Temperatur des Kältemittels am Austritt des Verdichters, das heißt einer zulässigen Verdichtungsendtemperatur, zu verhindern. Das Reduzieren beziehungsweise Limitieren der Drehzahl des Verdichters führt allerdings ebenso zu einer Verringerung der Kälteleistung beziehungsweise der Heizleistung des Systems. Des Weiteren ergeben sich für die unterschiedlichen Betriebsmodi des Systems zum Teil widersprüchliche Auslegungskriterien der Wärmeübertrager, sodass das System in keinem der Hochlastfälle optimal betreibbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung mit ausreichenden Wärmeleistungen für Kraftfahrzeuge mit einem großen Kältebedarf und möglicherweise gleichzeitig hohem Wärmebedarf, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Die Herstellungskosten, Wartungskosten und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum sollen minimal sein. Das System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
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Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem bereitzustellen, in die mehrere Wärmequellen beziehungsweise Wärmesenken auf unterschiedlichen oder gleichen Temperaturniveaus integrierbar sind.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände beziehungsweise Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs gelöst. Die Vorrichtung weist mindestens einen ersten Kältemittelkreislauf und einen zweiten Kältemittelkreislauf auf.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist der erste Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter, einem für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs als Kondensator betriebenen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager, mindestens einem Expansionsorgan sowie einem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet.
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Der zweite Kältemittelkreislauf weist erfindungsgemäß in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter, einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs, mindestens ein erstes Expansionsorgan sowie den für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager auf.
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Der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf sind bevorzugt in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
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Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf einen zweiten, die Kältemittelkreisläufe thermisch miteinander verbindenden Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager auf. Dabei ist der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager innerhalb des ersten Kältemittelkreislaufs zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem Verdichter sowie innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs zwischen dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem ersten Expansionsorgan ausgebildet.
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Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager verbindet damit eine Saugleitung des ersten Kältemittelkreislaufs mit einer Hochdruck-Flüssigkeitsleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs.
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Der erste Kältemittelkreislauf weist vorteilhaft einen Sammler auf, welcher zwischen dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan und damit hochdruckseitig angeordnet ist.
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Der zweite Kältemittelkreislauf ist bevorzugt mit einem Akkumulator ausgebildet, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels vor einem Einlass des Verdichters und damit niederdruckseitig angeordnet ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Kältemittelkreislauf einen als Verdampfer betriebenen dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs auf. Dem dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist in Strömungsrichtung des Kältemittels ein zweites Expansionsorgan vorgelagert angeordnet.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager und das dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagert angeordnete erste Expansionsorgan innerhalb eines ersten Strömungspfades ausgebildet sind. Der erste Strömungspfad erstreckt sich dabei von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle.
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Der dritte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und das zweite Expansionsorgan sind vorteilhaft innerhalb eines zweiten Strömungspfades des zweiten Kältemittelkreislaufs ausgebildet. Der zweite Strömungspfad erstreckt sich dabei ebenfalls von der Abzweigstelle bis zur Mündungsstelle, sodass die Strömungspfade parallel zueinander angeordnet und mit Kältemittel beaufschlagbar sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kältemittelkreisläufe mit den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern vollständig innerhalb eines Gehäuses integriert angeordnet. Dabei sind Anschlüsse der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Anschließen der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an die Kühlmittelkreisläufe aus dem Gehäuse herausragend ausgebildet.
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Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist bevorzugt zum Abkühlen eines innerhalb eines ersten Kühlmittelkreislaufs zirkulierenden Kühlmittels ausgebildet.
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Der dritte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist vorteilhaft zum Abkühlen eines innerhalb eines zweiten Kühlmittelkreislaufs zirkulierenden Kühlmittels vorgesehen.
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Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist bevorzugt zum Erwärmen eines innerhalb eines dritten Kühlmittelkreislaufs zirkulierenden Kühlmittels ausgebildet.
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Von besonderem Vorteil ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf als ein Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf, der zweite Kühlmittelkreislauf als ein Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf und der dritte Kühlmittelkreislauf als ein Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf ausgebildet sind, sodass die Vorrichtung Kühlmittel auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitstellen kann.
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Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Klimatisierungssystem kann dabei, insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft zum Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs, sowohl in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus als auch in einem Nachheizmodus betrieben werden.
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Nach der Konzeption der Erfindung werden das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs auf einem niedrigen Temperaturniveau und das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs auf einem mittleren Temperaturniveau bereitgestellt. Dabei werden Wärme vom im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs und Wärme vom im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel im dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs aufgenommene Wärme vollständig an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen.
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Damit können elektrische Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb, wie eine Hochvolt-Batterie und ein Inverter, mit Kühlmittel auf einem mittleren Temperaturniveau, anstatt mit Kühlmittel auf einem niedrigen Temperaturniveau beaufschlagt werden. Das Kühlmittel auf dem niedrigen Temperaturniveau steht dann bevorzugt zum Kühlen der Zuluft des Fahrgastraums zur Verfügung. Damit können der Verbrauch elektrischer Energie, wie der Verbrauch der Verdichter der Kältemittelkreisläufe, minimiert und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs aufgenommene Wärme im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an das Kühlmittel des dritten Kühlmittelkreislaufs übertragen wird.
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Bei einem Betrieb des Klimatisierungssystems im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft für den Fahrgastraum wird die von der Zuluft abzuführende Wärme bevorzugt von der Zuluft an das im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen.
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Zudem kann die von einer elektrischen Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs abzuführende Wärme von der Komponente an das im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen werden.
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Bei einem Betrieb des Klimatisierungssystems im Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum wird die an die Zuluft zu übertragende Wärme vorteilhaft vom im dritten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an die Zuluft abgegeben.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden jeweils im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager und im zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen. Dabei werden das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager enthitzt und kondensiert sowie das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs verdampft. Im zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager werden das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs verdampft und/oder überhitzt sowie das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs kondensiert und/oder unterkühlt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - Bereitstellen hoher Wärmeleistungen, insbesondere Kühlleistungen beziehungsweise Heizleistungen, durch ein Wasser-Wasser-Wärmepumpensystem, zudem auf unterschiedlichen, speziell auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus durch Einsatz eines mehrstufigen Verdichtungsprozesses,
- - erhöhte Leistungsfähigkeit des Systems mit der Vorrichtung bei höherer Lebensdauer, insbesondere da der Betrieb der Verdichter an unterschiedliche Druckniveaus angepasst ist und die Verdichter mechanisch weniger beansprucht werden, damit zudem günstige Verdichtungsverhältnisse pro Verdichtungsstufe auch bei hohen Leistungen,
- - Aufteilen der System last auf die Verdichter derart, dass jeder Verdichter in einem optimalen Betriebsbereich des jeweiligen Verdichterkennfeldes, das heißt in einem effizienten Kennfeldbereich mit hohem isentropen beziehungsweise Gesamtwirkungsgrad, betrieben wird,
- - erhöhte Effizienz des Systems mit der Vorrichtung, auch den Einsatz eines indirekten inneren Wärmeübertragers beziehungsweise durch das Bereitstellen eines mittleren Temperaturniveaus für die Kühlung, beispielsweise einer Hochvolt-Batterie und/oder elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs,
- - keine Heißgasabregelung der Kältemittelkreisläufe und damit keine Reduktion der Wärmeleistungen,
- - unabhängiges Befüllen der Kältemittelkreisläufe mit beliebigen Kältemitteln, da zwischen den Kältemittelkreisläufen kein Austausch der Kältemittel erfolgt, dabei können jeweils sowohl ein im unterkritischen Bereich betreibbares Kältemittel, wie R134a, R1234yf, als auch ein im überkritischen Bereich betreibbares Kältemittel, wie R744, verwendet werden,
- - geringe Füllmengen der Kältemittel,
- - komplette Vorrichtung innerhalb eines abgeschlossenen Gehäuses integriert,
- - Verwenden von Kühlmittel als Wärmeträger macht Speicherfunktion des Kühlmittels nutzbar, dabei auftreten lediglich kleinerer Schwankungen und Schichtungen der Temperatur der konditionierten Zuluft für den Fahrgastraum gegenüber direkt mit Kältemittel gekühlter oder beheizter Zuluft sowie vermeiden kalter Stellen an Wärmeübertrageroberflächen, welche Eisbildung begünstigen würden,
- - keine Ölfallen in den Kältemittelkreisläufen im Vergleich zu Doppelverdampferanlagen-Direktsystemen,
- - weniger Geräuschemission, da Verdichtergeräusche nicht übertragen werden, sowie
- - minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten.
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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:
- 1a: eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten und einem zweiten Kältemittelkreislauf mit Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern mit Anschlüssen für unterschiedliche Kühlmittelkreisläufe,
- 1b: die Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs innerhalb eines Gehäuses mit aus dem Gehäuse herausragenden Anschlüssen der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager für Kühlmittelkreisläufe,
- 2: Druck-Enthalpie-Diagramm für den Betrieb der Kältemittelkreisläufe im unterkritischen Bereich sowie
- 3: Druck-Enthalpie-Diagramm für den Betrieb des ersten Kältemittelkreislaufs im unterkritischen Bereich bei gleichzeitigem Betrieb des zweiten Kältemittelkreislaufs im überkritischen Bereich.
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In 1a ist eine Vorrichtung 1 für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2 und einem zweiten Kältemittelkreislauf 3 mit Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern 11, 14, 20 mit Anschlüssen für unterschiedliche Kühlmittelkreisläufe 4, 5, 6 dargestellt. Die Kältemittelkreisläufe 2, 3 sind in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
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Der erste Kältemittelkreislauf 2, auch als untere Stufe oder unterer Kältemittelkreislauf der Kaskadenschaltung bezeichnet, weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 7, einen für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2 als Kondensator betriebenen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8, einen Sammler 9, ein Expansionsorgan 10, einen als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 eines Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs 4 sowie einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12 auf. Der Verdichter 7 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12 an. Der erste Kältemittelkreislauf 2 ist geschlossen.
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Der nach dem Austritt aus dem als Kondensator betriebenen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 und vor dem Expansionsorgan 10 ausgebildete Sammler 9 ist folglich hochdruckseitig angeordnet. Das Expansionsorgan 10 ist bevorzugt als Expansionsventil ausgebildet.
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Der zweite Kältemittelkreislauf 3, auch als obere Stufe oder oberer Kältemittelkreislauf der Kaskadenschaltung bezeichnet, weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 13, einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 eines Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6, den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12, ein Expansionsorgan 19 mit dem nachfolgenden für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 sowie einen Akkumulator 22 auf.
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Der in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 13 und damit niederdruckseitig angeordnete Akkumulator 22 dient der Abscheidung und dem Sammeln von Kältemittelflüssigkeit. Der Verdichter 13 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem Akkumulator 22 an. Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
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Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist zudem mit einem weiteren als Verdampfer betriebenen dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 eines Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislaufs 5 ausgebildet, welchem ein zweites Expansionsorgan 21 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 vorgelagert ist. Der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 und das dazugehörige erste Expansionsorgan 19 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 sind innerhalb eines ersten Strömungspfades 17 ausgebildet, während der dritte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 und das dazugehörige zweite Expansionsorgan 21 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 innerhalb eines zweiten Strömungspfades 18 ausgebildet sind. Die Strömungspfade 17, 18 erstrecken sich jeweils von einer Abzweigstelle 15 bis zu einer Mündungsstelle 16 und verlaufen somit parallel, sodass auch der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 und der dritte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 parallel zueinander angeordnet und parallel mit Kältemittel beaufschlagbar sind. Die Expansionsorgane 19, 21 sind bevorzugt jeweils als Expansionsventil ausgebildet.
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Die Vorrichtung 1 weist mit dem ersten Kältemittelkreislauf 2 und dem zweiten Kältemittelkreislauf 3 zwei stofflich voneinander getrennt ausgebildete Kältemittelkreisläufe 2, 3 auf, welche zudem auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben werden können. Der erste Kältemittelkreislauf 2, auch als Kältemittelkreislauf der ersten Stufe der Kaskadenschaltung bezeichnet, wird im Wesentlichen auf einem Niveau geringeren Drucks als der zweite Kältemittelkreislauf 3, auch als Kältemittelkreislauf der zweiten Stufe der Kaskadenschaltung bezeichnet, betrieben. Aufgrund der stofflichen Trennung der Kältemittelkreisläufe 2, 3 wird zwischen den Kältemittelkreisläufen 2, 3 kein Kältemittel ausgetauscht.
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Die Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8, 12 dienen dem thermischen Verbinden der Kältemittelkreisläufe 2, 3. Dabei wird jeweils die Wärme zwischen den Kältemitteln der Kältemittelkreisläufe 2, 3 übertragen.
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Der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 ist innerhalb des ersten Kältemittelkreislaufs 2 hochdruckseitig zwischen dem Verdichter 7 und dem Sammler 9 sowie innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 niederdruckseitig innerhalb des ersten Strömungspfades 17 nach dem Expansionsorgan 19 ausgebildet und verbindet damit die die Hochdruckseite des ersten Kältemittelkreislaufs 2 mit der Niederdruckseite des zweiten Kältemittelkreislaufs. Im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 8 werden die gesamte Enthitzungswärme und Kondensationswärme des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs 2 vollständig an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen, wobei das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2 verflüssigt wird und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verdampft.
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Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12 ist zudem ähnlich einem inneren Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs ausgebildet, welcher innerhalb des ersten Kältemittelkreislaufs 2 niederdruckseitig zwischen dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 und dem Verdichter 7 sowie innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 hochdruckseitig zwischen dem zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 und der Abzweigstelle 15 beziehungsweise den Expansionsorganen 19, 20 ausgebildet ist.
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Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12, welcher folglich die Saugleitung des ersten Kältemittelkreislaufs 2 mit der Hochdruck-Flüssigkeitsleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verbindet, dient ähnlich einem kreislaufinternen inneren Wärmeübertrager der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 bei Hochdruck und dem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2 bei Niederdruck und wird auch als indirekter innerer Wärmeübertrager bezeichnet. Dabei werden einerseits das aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 ausströmende zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1 weiter verflüssigt beziehungsweise abgekühlt oder unterkühlt und andererseits das aus dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 austretende Kältemittel als Sauggas vor dem Verdichter 7 überhitzt.
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Neben dem Schutz des Verdichters 7 vor Flüssigkeitsschlägen können mit dem Betrieb des zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 12 als innerem Wärmeübertrager die spezifische Verdichterleistung des Verdichters 7 des ersten Kältemittelkreislaufs 2 reduziert sowie gleichzeitig die spezifische Kälteleistung des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 und damit die Effizienz des Betriebs der Vorrichtung 1 und damit des Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
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Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 des ersten Kältemittelkreislaufs 2 dient dem Abkühlen des innerhalb des Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs 4 zirkulierenden Kühlmittels, wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 4 verdampft, während der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 dem Erwärmen des innerhalb des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6 zirkulierenden Kühlmittels dient, wobei das Kältemittel Wärme abgibt.
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Zudem dient der dritte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 dem Abkühlen des innerhalb des Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislaufs 5 zirkulierenden Kühlmittels und stellt somit durch Aufnahme von Wärme aus dem Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf 5 ein Kühlmittel auf mittlerem Temperaturniveau bereit, wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf 5 verdampft.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 1 beziehungsweise des Klimatisierungssystems im Kälteanlagenmodus, auch als Kühlbetrieb bezeichnet, werden zum Abkühlen der Zuluft für den Fahrgastraum und zum Abkühlen der elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs vorwiegend Kühlmittel des Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs 4 auf niedrigem Temperaturniveau und Kühlmittel des Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislaufs 5 auf mittlerem Temperaturniveau benötigt. Dabei werden die Wärme vom im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittels im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2 und die Wärme vom im Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf 5 zirkulierenden Kühlmittels im dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen. Die vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2 aufgenommene Wärme wird vollständig an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen.
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Die vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 aufgenommene Wärme wird anschließend als Enthitzungswärme und Kondensationswärme im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 an das Kühlmittel des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6 abgegeben und anschließend an die Umgebung, insbesondere Umgebungsluft, übertragen.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 1 beziehungsweise des Klimatisierungssystems im Wärmepumpenmodus, auch als Heizbetrieb bezeichnet, wird zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum Kühlmittel des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6 auf hohem Temperaturniveau benötigt. Dabei wird im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 unter Verdampfung des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs 2 Wärme vom im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittels sowie im dritten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 unter Verdampfung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 Wärme vom im Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf 5 zirkulierenden Kühlmittels aufgenommen. Die im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 4 sowie im Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf 5 zirkulierenden Kühlmittel werden durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft beziehungsweise von den elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs erwärmt.
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Die vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 aufgenommene Wärme wird anschließend als Enthitzungswärme und Kondensationswärme im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 14 an das Kühlmittel des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6 abgegeben und anschließend an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen.
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Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist beim Betrieb der Vorrichtung 1 in unterschiedlichen Betriebsmodi stets eingeschaltet, während der erste Kältemittelkreislauf 2 je nach Bedarf auch außer Betrieb gestellt sein kann.
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Infolge der stofflichen Trennung der Kältemittelkreisläufe 2, 3 können beide Kältemittelkreisläufe 2, 3 unabhängig voneinander mit jedem beliebigen Kältemittel befüllt werden. Die Kältemittelkreisläufe 2, 3 und die Betriebsmodi sind dabei für jedes Kältemittel denkbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Gaskühlung/Kondensation und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als Kältemittel sind natürliche Stoffe, wie R744, R717 und ähnliche, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, R1234yf, sowie diverse Kältemittelgemische verwendbar. Um jedoch die Vorteile unterschiedlicher Kältemittel beim Betrieb in jeweiligen Drucklagen nutzen zu können, ist der erste Kältemittelkreislauf 2 bevorzugt mit dem Kältemittel R744 und der zweite Kältemittelkreislauf bevorzugt mit dem Kältemittel R134a oder R1234yf zu befüllen.
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Aus 1b geht die von einem Gehäuses 23 umschlossene Vorrichtung 1 mit aus dem Gehäuse 23 herausragenden Anschlüssen der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11, 14, 20 für die unterschiedlichen Kühlmittelkreisläufe 4, 5, 6 hervor.
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Die Vorrichtung 1 ist mit den Kältemittelkreisläufen 2, 3 vollständig innerhalb des Gehäuses 23 integriert. Die aus dem Gehäuse 23 herausragenden Anschlüsse der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11, 14, 20 werden mit den Kühlmittelkreisläufen 4, 5, 6 und damit Wärmeübertragern eines Klimageräts zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums sowie eines Kühlmoduls zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft des Kraftfahrzeugs beziehungsweise zum Temperieren von Komponenten des Antriebsstrangs verbunden.
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Die innerhalb des Gehäuses 23 ausgebildete Vorrichtung 1 macht ein einfaches und schnelles Installieren sowie Auswechseln der Vorrichtung 1 möglich, da lediglich die Leitungen der Kühlmittelkreisläufe 4, 5, 6 anzuschließen sind und die Kältemittelkreisläufe 2, 3 weder verändert noch geöffnet werden. Zudem weist die steckerfertige Vorrichtung 1 ein geringes Leckagepotenzial auf.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils ein Druck-Enthalpie-Diagramm für den Betrieb der Kältemittelkreisläufe 2, 3.
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In 2 wird der Betrieb beider Kältemittelkreisläufe 2, 3 im unterkritischen Bereich verdeutlicht. Als Kältemittel werden beispielsweise R134a beziehungsweise R1234yf eingesetzt.
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Aus 3 geht der Betrieb des ersten Kältemittelkreislaufs 2 im unterkritischen Bereich bei gleichzeitigem Betrieb des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 im überkritischen Bereich hervor. Als Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 wird beispielsweise R744 verwendet. Der zweite Kältemittelkreislauf 3 wird transkritisch betrieben.
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Mit dem als indirekten inneren Wärmeübertrager betriebenen Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 12, welcher die Saugleitung des ersten Kältemittelkreislaufs 2 mit der Flüssigkeitsleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verbindet, wird das Kältemittel auf der Hochdruckseite HD des zweiten Kältemittelkreislaufs gemäß 2 kondensiert und unterkühlt sowie gemäß 3 enthitzt, während das Kältemittel auf der Niederdruckseite ND des ersten Kältemittelkreislaufs 2 jeweils überhitzt wird. Die übertragene spezifische Leistung wird anhand der Enthalpiedifferenzen Δh dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- erster Kältemittelkreislauf
- 3
- zweiter Kältemittelkreislauf
- 4
- erster Kühlmittelkreislauf, Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf
- 5
- zweiter Kühlmittelkreislauf, Mitteltemperatur-Kühlmittelkreislauf
- 6
- dritter Kühlmittelkreislauf, Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf
- 7
- Verdichter erster Kältemittelkreislauf 2
- 8
- erster Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager
- 9
- Sammler erster Kältemittelkreislauf 2
- 10
- Expansionsorgan erster Kältemittelkreislauf 2
- 11
- erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 12
- zweiter Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager
- 13
- Verdichter zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 14
- zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 15
- Abzweigstelle
- 16
- Mündungsstelle
- 17
- erster Strömungspfad zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 18
- zweiter Strömungspfad zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 19
- erstes Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 20
- dritter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 21
- zweites Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 22
- Akkumulator zweiter Kältemittelkreislauf 3
- 23
- Gehäuse
- HD
- Hochdruckseite
- ND
- Niederdruckseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/023630 A2 [0011]
- EP 2629040 A2 [0012]
