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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb und als Wärmepumpenkreislauf für einen Heizbetrieb betreibaren Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2010 042 127 A1 ist ein gattungsbildendes Verfahren bekannt, bei welchem eine Kälteanlage eines Fahrzeugs sowohl im AC-Betrieb als auch im Heizbetrieb betrieben werden kann. Im Heizbetrieb wird die Kälteanlage zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums als Wärmepumpe benutzt, wobei als Wärmequellen eine Batterie sowie weitere Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie Leistungselektronik oder Elektromotor verwendet werden. Diese elektrischen Komponenten sind in einen Kühlmittelkreislauf gemeinsam mit einem auch als Chiller bezeichneten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers eingekoppelt.
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Um eine elektrische Komponente, die mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs thermisch gekoppelt ist, einfacher und effektiver zu betreiben, wird in der
DE 10 2011 115 823 A 1 ein Verfahren vorgeschlagen, wonach die elektrische Komponente in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird, falls eine Temperatur der elektrischen Komponente einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, falls die Temperatur der elektrischen Komponente einen weiteren vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Hierbei wird die elektrische Komponente in dem zweiten Betriebsmodus so betrieben, dass sie im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine höhere Verlustleistung erzeugt. Damit soll die elektrische Komponente schnell, also ohne zusätzliche Heizelemente auf ihre Betriebstemperatur gebracht und somit effektiv betrieben werden. Die Abwärme der elektrischen Komponente kann genutzt werden, um andere Komponenten, die über den Kühlmittelkreislauf mit der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt sind, zu erwärmen. Die von der elektrischen Komponente erzeugte Abwärme kann auch an andere Kühlmittelkreisläufe übertragen werden, wie bspw. einem Heizkreislauf für eine Innenraumheizung des Fahrzeugs.
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Die
DE 10 2009 023 175 A 1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines mit einem Elektromotor ausgestatteten Fahrzeugs, dessen Fahrzeuginnenraum unter Verwendung der Abwärme des Elektromotors beheizt wird. Hierbei soll die Abwärme des Elektromotors in Abhängigkeit eines Wärmebedarfs so verändert werden, dass mehr Abwärme entsteht.
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Um eine möglichst zufriedenstellende Fahrgastraumbeheizung eines Elektrofahrzeugs bei möglichst geringem Aufwand sicherzustellen, wird gemäß der
DE 196 49 710 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, wonach die Antriebskomponenten, insbesondere der elektrische Antriebsmotor und die Antriebssteuereinheit in Abhängigkeit einer benötigten Heizleistung im Fahrbetrieb so verlustreich betrieben werden, dass ihre als Abwärme abgegebene Verlustleistung den Fahrgastraum ausreichend beheizen können.
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Bei diesen bekannten Verfahren, bei welchen eine elektrische Komponente zeitweise so betrieben wird, dass mit einer dadurch erzeugten höheren Abwärme der Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs beheizt werden soll, kann als Nachteil angesehen werden, dass die Abwärme einer elektrischen Komponente, selbst wenn deren Verlustwärme durch entsprechende Ansteuerung zeitweise erhöht wird, nicht in allen Betriebszuständen des Fahrzeugs für eine Erwärmung des Fahrzeuginnenraums ausreicht. Die erzeugten Wärmemengen, selbst in einem Betriebszustand der elektrischen Komponente mit erhöhter Abwärme, liegen auf derart niedrigem Niveau, dass diese zum alleinigen Beheizen der Kabinenzuluft des Fahrzeugs nicht in allen Betriebszuständen des Fahrzeugs ausreichend sind.
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Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass mit der Abwärme von elektrischen Komponenten eines Fahrzeugs eine ausreichende Beheizung des Fahrzeuginnenraums in allen Betriebszuständen des Fahrzeugs ermöglicht wird, ohne dass es zu einer langandauernden und insbesondere unnötig hohen Ansteuerung und damit Überlastung der elektrischen Komponente kommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Dieses Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb und als Wärmepumpenkreislauf für einen Heizbetrieb betreibaren Kältemittelkreislauf, bei welchem der Kältemittelkreislauf
- - einen Verdampfer,
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen Wärmeübertrager als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für den Kältekreislauf oder als Wärmepumpenverdampfer für den Wärmepumpenkreislauf,
- - ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan,
- - ein dem Wärmeübertrager in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer zugeordnetes zweites Expansionsorgan,
- - wenigstens einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit einem Kühlmittelkreislauf, welcher wenigstens eine als Wärmequelle betriebene elektrische Komponente aufweist, und
- - ein dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zugeordnetes drittes Expansionsorgan umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - die elektrische Komponente in einem ersten Betriebsmodus betreibbar ist, in welchem der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als Wärmequelle im Heizbetrieb eingesetzt wird,
- - die elektrische Komponente zur Erhöhung der Wärmepumpenleistung im Heizbetrieb des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, in welchem eine höhere Abwärme als im ersten Betriebsmodus erzeugt wird, und
- - die elektrische Komponente im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die bei einem Heizbetrieb im ersten Betriebsmodus erzeugbare Heizleistung kleiner als eine zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums des Fahrzeugs angeforderte Heizleistung ist.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird entgegen dem Stand der Technik die erhöhte Abwärme im zweiten Betriebsmodus nicht direkt zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums eingesetzt, sondern mittels der Wärmepumpenfunktion erst auf ein höheres Temperaturniveau angehoben, wodurch eine ausreichende Beheizung des Fahrzeuginnenraums bzw. dessen Zuluftstrom sichergestellt ist.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Komponente jedoch nur so lange in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, bis auch andere Wärmequellen des Kältemittelkreislaufs ausreichend Abwärme bereitstellen, um die Innenraumklimatisierung aufrecht zu erhalten. Weiter kann dieser zweite Betriebsmodus reduziert und schrittweise zurückgefahren werden, sobald die Heizleistungsanforderungen als erfüllt anzusehen sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Unterstützung der Wärmepumpe, insbesondere während deren Anlaufzeitraum durch niederdruckseitigen Wärmeeintrag in den Kältekreis über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als Chiller, ohne dass ein kühlmittelseitig dieses Chillers eingesetzter Hochvolt-Zuheizer erforderlich ist.
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Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als elektrische Komponente(n) mindestens eine elektrische Maschine und/oder eine Leistungselektronik eingesetzt, die im zweiten Betriebsmodus mit einem gegenüber dem Wirkungsgrad im ersten Betriebsmodus mit einem niedrigeren Wirkungsgrad betrieben werden. Durch den gezielten Betrieb bspw. der elektrischen Maschine auf einem weniger effizienten Betriebspunkt steigen die Verluste, nimmt die Abwärmemenge zu und zudem werden auch der Hochvoltenergiespeicher und die Leistungselektronik belastet, wodurch zusätzlich Abwärme entsteht und die im Kühlmittel gebundene Wärmemenge und damit die Kühlmitteltemperatur ansteigt.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die elektrische Komponente als Hochvoltenergiespeicher ausgebildet, welcher im zweiten Betriebsmodus mit einem Laststrom belastet wird, welcher größer ist als der entnommene Laststrom im ersten Betriebsmodus.
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Ferner ist es nach einer vorteilhaften Ausgestaltung Erfindung vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf mit einem ein Heizregister aufweisenden Wärmepumpenleitungsabschnitt ausgebildet wird, welcher mittels eines Ventilorgans zur Bildung des Wärmepumpenkreislaufs mit dem Kältekreislauf verbunden wird.
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Dieses Heizregister überträgt die im Kältemittel gebundene Wärme direkt an den ihn durchströmenden Luftstrom für den Fahrzeuginnenraum.
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Alternativ oder zusätzlich ist nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung als indirekter Kondensator bzw. Gaskühler ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager anstelle des Heizregisters bzw. zusätzlich zu einem solchen Heizregister vorgesehen. Dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird dem Kältemittelverdichter stromabwärts nachgeschaltet und mit einem Heizungswärmeübertrager thermisch gekoppelt. Der im zweiten Betriebsmodus erzeugte Wärmestrom wird in das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen und über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, also den Chiller an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs zum Betrieb einer Wärmepumpe unter Einbindung des Verdichters sowie mindestens des als Wärmesenke dienenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers und/oder des Heizungswärmeübertrager abgegeben.
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Um möglichst Verluste der zusätzlich generierten Abwärme an die Umgebung zu vermeiden sind neben den bekannten Isolationen von Leitungen der Kälteanlage auch wärmedämmende Maßnahmen im Kältemittelkreislauf, insbesondere stromabwärts der Abwärme erzeugenden Komponenten vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Schaltbild einer Kälteanlage eines Fahrzeugs zu Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 2 ein detailliertes Schaltbild des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 13 nach 1.
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Die in 1 dargestellte Fahrzeugkälteanlage 1 weist einen Kältemittelkreislauf 2 auf, der sowohl als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb als auch als Wärmepumpenkreislauf für eine Heizfunktion betrieben werden kann.
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Der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 1 besteht aus einem Verdampfer 3 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschalteten Rückschlagventil R3, einem Kältemittelsammler 9, einem inneren Wärmeübertrager 8, einem Kältemittelverdichter 4, einem Wärmeübertrager 5, der im AC-Betrieb der Fahrzeugkälteanlage 1 als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler arbeitet und im Wärmepumpenbetrieb die Funktion eines Wärmepumpenverdampfers übernimmt, einem Heizregister 5.1 als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler, einem als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildeten ersten Expansionsorgan 6.1, welches dem Verdampfer 3 vorgeschaltet ist, einem als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildeten zweiten Expansionsorgan 6.2, welches im Wärmepumpenmodus dem als Wärmepumpenverdampfer arbeitenden Wärmeübertrager 5 in Strömungsrichtung S des Kältemittels vorgeschaltet ist.
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Das Heizregister 5.1 ist in einem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 angeordnet, welches zur Bildung eines Wärmepumpenkreislaufs 2.2 stromaufwärtsseitig des Heizregisters 5.1 über ein als Absperrventil ausgebildetes Ventilorgan A1 mit dem Kältekreislauf 2.1 der Fahrzeugkälteanlage 1 fluidverbunden wird, während stromabwärtsseitig das Heizregister 5.1 über ein Rückschlagventil R1 mit der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 fluidverbunden ist. Im Folgenden wird das Ventilorgan A1 als Absperrventil bezeichnet.
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Ferner weist der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 1 einen auf Niederdruckniveau arbeitenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 auf, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels diesem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 ein als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildetes drittes Expansionsorgan 6.3 vorgeschaltet und ein Rückschlagventil R2 nachgeschaltet ist. Dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 ist mit einem wenigstens eine Wärmequelle 13 aufweisenden Kühlmittelkreislauf 14 thermisch gekoppelt, um diese Wärmequelle 13 als sogenannter Chiller mittels Wasser als Kühlmittel zu kühlen. Als Wärmequelle 13 dienen gemäß 2 primär eine elektrische Antriebsmaschine 13.1, eine Leistungselektronik (bspw. eine Ladeelektronik oder Steuerelektronik der Antriebsmaschine 13.1 und ein Hochvoltenergiespeicher 13.3 des als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs. Diese Aufzählung ist nur beispielhaft, bspw. können auch mehrere elektrische Antriebsmaschinen vorhanden sein.
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Die Reihenschaltung aus dem dritten Expansionsorgan 6.3, dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 und dem Rückschlagventil R2 ist parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten Expansionsorgan 6.1, dem Verdampfer 3 und dem Rückschlagventil R3 in den Kältemittelkreislauf 2 geschaltet.
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In Strömungsrichtung S des Kältemittelkreislaufs 2 ist dem Kältemittelverdichter 4 ein auf Hochdruckniveau arbeitender Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 nachgeschaltet, der über einen Heizungskreislauf 11 thermisch mit einem als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Heizungswärmeübertrager 7.1 mit Wasser als Kühlmittel thermisch gekoppelt ist. Mit einer Wasserpumpe 12 wird das Kühlmittel im Heizungskreislauf 11 umgewälzt. In Strömungsrichtung S gesehen ist der indirekte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 direkt nach dem Verdichter 4 und stromaufwärts vom Absperrventil A1 positioniert und ist damit dauerhaft durchströmt. Es ist auch möglich, den indirekten Wärmeübertrager 7 stromabwärts vom Absperrventil A1 in den Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.2 anzuordnen, so dass mittels des Absperrventils A1 der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.2 eine temporäre Fluidverbindung mit der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4 herstellen kann.
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Der Verdampfer 3, der Heizungswärmeübertrager 7.1 und das Heizregister 5.1 sind gemäß 1 gemeinsam in einem Klimagerät 1.1 der Fahrzeugkälteanlage 1 untergebracht.
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Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird das Kältemittel des auf Hochdruck-Niveau arbeitenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 abgekühlt und die damit auf das Wasser als Kühlmittel übertragene Wärme dem Heizungswärmeübertrager 7.1 zugeführt, mit welchem die dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Luft erwärmt wird.
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Eine weitere Kältemittelkühlung erfolgt mittels des dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschalteten Heizregisters 5.1 innerhalb des Klimagerätes 1.1. Damit erfolgt die Abkühlung des Kältemittelstroms 2-stufig, wobei die zu konditionierende Luft in den Fahrzeuginnenraum zum einen, bezogen auf die Wärmequelle „Kältemittel“, mittels des Heizungskreislaufes 11 indirekt und mittels des Heizregisters 5.1 direkt erwärmt wird.
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Die Fahrzeugkälteanlage 1 gemäß 1 weist ein weiteres Absperrventil A2 auf, welches eine Fluidverbindung des indirekten Wärmeübertragers 7 stromaufwärtsseitig mit dem Wärmeübertrager 5 herstellt.
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Ferner ist ein weiterer Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 vorgesehen, welcher in Strömungsrichtung S des Kältemittels ein Absperrventil A4 und ein Rückschlagventil R4 aufweist und den den Wärmeübertrager 5 mit dem weiteren Absperrventil A2 verbindenden Kältemittelleitungsabschnitt mit dem das Rückschlagventil R3 mit dem Kältemittelsammler 9 verbindenden Kältemittelleitungsabschnitt verbindet. In einer zusätzlichen Funktion kann der Abschnitt 2.22 auch als Absaugleitungsabschnitt funktionieren.
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Schließlich weist der Kältemittelkreislauf 2 einen Absaugleitungsabschnitt 2.3 auf, der den Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 mit dem weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 mittels eines Absperrventils A3 fluidverbinden kann. An den weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.3 ist das Absperrventil A3 stromaufwärtsseitig an den das Absperrventil A4 mit dem Rückschlagventil R4 verbindenden Leitungsabschnitt des weiteren Wärmepumpenleitungsabschnittes 2.22 angebunden, während stromabwärtsseitig eine Anbindung an den das Absperrventil A1 mit dem Heizregister 5.1 verbindenden Leitungsabschnitt des Wärmepumpenleitungsabschnittes 2.21 angebunden ist.
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Im Folgenden wird der AC-Betrieb der Fahrzeugkälteanlage 1 gemäß 1 beschrieben, bei welcher die Fahrzeugkälteanlage 1 als Kältekreislauf 2.1 verschaltet ist.
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Gemäß dem Kältekreislauf 2.1 nach 1 durchströmt das mittels des Kältemittelverdichters 4 auf Hochdruck verdichtete Kältemittel in Strömungsrichtung S den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7, anschließend bei geschlossenem Absperrventil A1 das geöffnete Absperrventil A2, den Wärmeübertrager 5 als Gaskühler, das vollständig auf maximalen Querschnitt geöffnete zweite Expansionsorgan 6.2 und den inneren Wärmeübertrager 8 und wird anschließend mittels des ersten Expansionsorgans 6.1 in den Verdampfer 3 entspannt, wo es Wärme des dem Fahrzeuginnenraum zuführenden Zuluftstromes L aufnimmt, bevor das dampfförmige Kältemittel anschließend über das Rückschlagventil R3, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt wird.
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Mittels dieses Kältekreislaufs 2.1 wird die von dem in das Fahrzeuginnere geleiteten Zuluftstrom L aufgenommene Wärme als Kondensationswärme im ersten Schritt mittels indirektem Wärmeübertrager 7 an den Heizungskreislauf 11 übertragen, der seinerseits durch geschicktes Verschalten mit einem Umgebungswärmeübertrager verbunden werden kann, um über diesen überschüssige Wärme an die Umgebung abgeben zu können, bevor in einem nächsten Schritt mittels des Wärmeübertragers 5 in seiner Funktion als Kondensator/Gaskühler Restwärme an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben wird. In diesem Fall kann von einer zweistufigen Gaskühlung bzw. Kondensation über den indirekten Wärmeübertrager 7 und den Wärmeübertrager 5 gesprochen werden. Ist der indirekte Wärmeübertrager 7 entsprechend von 1 von Kältemittel dauerhaft durchströmt, so ist auf eine wasserseitige Zwangsdurchströmung zu achten, da es aufgrund der auftretenden Kältemitteltemperaturen bei stehendem Wasser in dem indirekten Wärmeübertrager 7 zu einem lokalen Aufkochen des Kühlmediums mit Blasenbildung kommen kann.
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Bei dieser Verschaltung als Kältekreislauf 2.1 gemäß 1 sind die Absperrventile A1, und A4 geschlossen. Das Absperrventil A3 bleibt geöffnet, um umverlagertes Kältemittel aus dem Wärmepumpenabschnitt 2.21 in den aktiven Kreis 2.1. zu überführen.
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Ist auch das dritte Expansionsorgan 6.3 offen und wird dadurch Kältemittel in den Chiller 10 entspannt, nimmt das Kältemittel die Abwärme der wenigstens einen Wärmequelle 13 als Verdampfungswärme auf und wird ebenso über das Rückschlagventil R2, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt. Damit wird auch die Abwärme der Wärmequelle 13 als Kondensations-/Abkühlungswärme mittels des Wärmeübertragers 5 in seiner Funktion als Gaskühler an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben.
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Bei dem Kältemittelkreislauf 1 wird von einem AC-Betrieb mittels des Kältekreislaufes 2.1 auf den Wärmepumpenkreislauf 2.2 unter Nutzung der Umgebungswärme als Wärmequelle umgeschaltet, indem die Absperrventile A1 und A4 geöffnet und das Absperrventil A2 geschlossen werden, d.h. der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 als auch der weitere Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 wird mit dem Kältekreislauf 2.1 fluidverbunden.
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So strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 und das geöffnete Absperrventil A1 in den Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21. Das Kältemittel durchströmt das Heizregister 5.1, das Rückschlagventil R1 und wird über das zweite Expansionsorgan 6.2 in den Wärmeübertrager 5 in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer entspannt und nimmt als Verdampfungswärme die Umgebungswärme auf. Anschließend durchströmt das dampf- bzw. gasförmige Kältemittel bei geöffnetem Absperrventil A4 den weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 und wird anschließend über den Kältemittelsammler 9, den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt. Damit wird die Wärme der Umgebungsluft des Fahrzeugs gemeinsam mit der über den Verdichter 4 eingetragenen Wärme in einer ersten Stufe mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 und des Kühlmittelkreislaufs 11 auf den Heizungswärmeübertrager 7.1 und damit auf die in das Fahrzeuginnere des Fahrzeugs geleitete Zuluft L übertragen, nachdem die Zuluft L in einer ersten Stufe mittels des Heizregisters 5.1 vorerwärmt bzw. das Kältemittel weiter abgekühlt wird. Das erste und dritte Expansionsorgan 6.1 und 6.3 sind bei dieser Verschaltung als Wärmepumpenkreislauf 2.2 gesperrt. Soll parallel Wärme über den Chiller 10 mit eingesammelt werden wird neben dem Expansionsorgan 6.2. auch das Expansionsorgan 6.3 geöffnet.
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Beim Umschalten von dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 als Wärmepumpenkreislauf 2.2 auf den AC-Betrieb werden die Absperrventile A1 und A4 wieder geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Anschließend wird das Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 in den Kältekreislauf 2.1 abgesaugt, indem das Absperrventil A3 geöffnet wird, so dass das Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 einschließlich des Heizregisters 5.1 über das Rückschlagventil R4, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmetauscher 8 in den Kältemittelverdichter 4 gesaugt wird.
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Dieses Absaugen von Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 wird speziell beim Anfahren der Fahrzeugkälteanlage 1 durchgeführt, wenn die Komponenten als Kältekreislauf 2.1 für den AC-Betrieb verschaltet sind. Zur Durchführung des AC-Betriebs wird der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 von dem Kältekreislauf 2.1 getrennt, indem wie beschrieben das Absperrventil A1 geschlossen wird.
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Als Wärmequelle für den Wärmepumpenkreislauf 2.1 werden auch die Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 des Chillers 10 eingesetzt. In diesem Fall wird der Wärmepumpenkreislauf 2.1 von den Komponenten Kältemittelverdichter 4, Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7, Heizregister 5.1, innerer Wärmeübertrager 8, drittes Expansionsorgan 6.3, Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10, Kältemittelsammler 9 und innerer Wärmeübertrager 8 gebildet, wobei diese Komponenten in der aufgeführten Reihenfolge von dem Kältemittel in Strömungsrichtung S durchströmt werden. Hierbei ist das Absperrventil A1 geöffnet, während das Absperrventil A2 sowie das erste und zweite Expansionsorgan 6.1 und 6.2 geschlossen sind. Werden ausschließlich die Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 für den Heizbetrieb des über den Kältemittelkreislauf 1 verwendet, kann das zweite Expansionsorgan 6.2 durch ein Rückschlagventil ersetzt und auf das dem Chiller 10 nachgeschaltete Rückschlagventil R2 verzichtet werden.
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Die Steuerung der Fahrzeugkälteanlage 1 erfolgt mittels einer als Klimasteuergerät 15 ausgebildeten Steuereinheit. Hierzu werden dem Klimasteuergerät 15 Eingangsgrößen E zugeführt, wie bspw. die von den Fahrzeuginsassen eingestellten Sollwerte und insbesondere Druck- und Temperaturwerte von Druck- und Temperatursensoren pT1, pT2 und pT3 sowie der Umgebungstemperatur.
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Die Fahrzeugkälteanlage 1 weist entsprechende Temperatursensoren T_Um, Tverd, Tausblas und Druck-Temperatursensoren pT1, pT2 und pT3 auf, wobei die Temperatursensoren Tverd und Tausblas in dem Klimagerät 1.1 angeordnet sind. Mit dem Temperatursensor T_Um wird die Umgebungstemperatur der Fahrzeugkälteanlage 1, mit dem Druck-Temperatursensor pT1 wird der maximale Druck und die Temperatur des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4, mit dem Druck-Temperatursensor pT2 der optimale Druck und die Temperatur am Ausgang des als Gaskühler arbeitenden Wärmeübertragers 5 und mit dem Druck-Temperatursensor pT3 wird der Druck und die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kältemittelsammlers 9 gemessen. Der Sensor Tverd erfasst speziell für den AC-Betrieb die Lufttemperatur des Zuluftstromes L am Austritt des Verdampfers 3, mittels des mindestens einen Sensors Tausblas wird die Ausblastemperatur bzw. die Temperatur des in die Fahrzeugkabine geleiteten Luftstroms stromabwärts bilanziert.
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Alternativ kann auch der zum Heizen vorgesehene Heizungskreislauf 11 mit einem Vorlaufsensor Twasser am Eingang des Heizungswärmeübertragers 7.1 versehen sein, welcher seinerseits eine bestimmte Sollwertvorgabe als Äquivalenz zu einer bestimmten Heizleistung überwacht.
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Auf der Basis dieser Eingangsgrößen E, insbesondere der Sollwerte und der Sensorwerte dieser Sensoren werden die Komponenten der Fahrzeugkälteanlage 1, wie bspw. der Absperrventile A 1 bis A4 angesteuert, um die Fahrzeugkälteanlage 1 in den AC-Betrieb oder den Heizbetrieb zu steuern. Im Heizbetrieb werden die Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 in einem ersten Betriebsmodus gesteuert, welcher dem Normalbetrieb entspricht. In diesem ersten Betriebsmodus werden diese Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 entsprechend den dem Klimasteuergerät 15 zugeführten Eingangsgrößen E mit maximalem Wirkungsgrad betrieben.
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Wenn der auf der Basis der Wärmepumpenfunktion durchgeführte Heizbetrieb aufgrund der vorgegebenen Sollwerte, bspw. der von den Fahrzeuginsassen eingestellte Temperaturwert wegen der von den Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 erzeugten Abwärme sowie der zu geringen Umgebungstemperatur nicht erreichbar ist, d.h. Sollwerttemperaturen Tausblas und/oder Twasser werden unterschritten, wird von dem Klimasteuergerät 15 bspw. die elektrische Antriebsmaschine 13.1 über ein Steuersignal ST derart angesteuert, dass diese mindestens eine elektrische Antriebsmaschine 13.1 in einen Betriebspunkt mit einem gegenüber dem ersten Betriebsmodus geringeren Wirkungsgrad betrieben wird. Damit steigen die Verluste dieser elektrischen Antriebsmaschine 13.1 und damit auch die Abwärme. Wird dabei auch die Leistungselektronik 13.2 und gegebenenfalls auch der Hochvoltenergiespeicher 13.3 zusätzlich belastet, wird die Abwärmemenge weiter erhöht.
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Damit wird der zusätzlich über eine Wirkungsgradverschlechterung im zweiten Betriebsmodus generierte Wärmestrom in das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 14 übertragen und über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, also den Chiller 10 an das Kältemittel der Kältemittelkreislaufs 2 zum Betrieb einer Wärmepumpe unter Einbindung des Verdichters 4 sowie des als Wärmesenke dienenden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 7 und/ oder des Heizregisters 7.1 gemeinsam mit der über den Verdichter 4 eingebrachten Leistung abgegeben.
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Es ist auch möglich, die Leistungselektronik 13.2 aus dem ersten Betriebsmodus mittels eines Steuersignals ST in den zweiten Betriebsmodus zu steuern, so dass hierdurch gegenüber dem ersten Betriebsmodus eine erhöhte Abwärmemenge erzeugt wird. Auch diese Maßnahme kann mit einem gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöhten Ladestrom aus dem Hochvoltenergiespeicher 13.3 verbunden sein, wodurch die Abwärmemenge weiter erhöht wird.
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Auch der Hochvoltenergiespeicher 13.3 kann in einem ersten Betriebsmodus mit einem Ladestrom zur Sicherstellung einer betriebsgemäßen Funktion der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs betrieben werden. Durch entsprechende Ansteuerung solcher elektrischen Komponenten kann der Hochvoltenergiespeicher 13.3 in einem zweiten Betriebsmodus mit einem gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöhten Ladestrom belastet werden, um somit eine gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöhte Abwärme zu erzeugen.
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Um Wärmeverluste zur reduzieren, werden die Kühlmittel führenden Leitungen des Kühlmittelkreislaufs 14, analog zu der Vorgehensweise im Kältemittelkreislauf, mit einem geeigneten Isolationsmaterial gegenüber der Umgebung wärmegedämmt.
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Die Anordnung der elektrischen Komponenten 13.1, 13.2 und 13.3 ist in 2 der Einfachheit halber in einer Reihenschaltung dargestellt, was jedoch nicht zwingend ist. Als sensibelstes Bauteil in der Kette wird jedoch der Hochvoltenergiespeicher 13.3 als erstes Bauteil mit Kühlmittel beaufschlagt, da dieser mit die niedrigste Optimaltemperatur aufweist.
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Neben einer aktiven Kühlung dieser Wärmequellen 13.1, 13.2 und 13.3 im AC-Betrieb der Kälteanlage 1 ist auch eine passive Kühlmöglichkeit realisierbar, wie dies in 2 dargestellt ist. Zur aktiven Kühlung oder für den Heizbetrieb ist ein Absperrventil A5 geöffnet und ein weiteres Absperrventil A6, welches den Kühlmittelkreislauf 14 mit einem Umgebungswärmeübertrager (in 2 nicht dargestellt) verbindet, geschlossen. Besteht diese Fluidverbindung über das Absperrventil A6 mit diesem Umgebungswärmeübertrager ist das Absperrventil A5 natürlich gesperrt. Das Bezugszeichen SO zeigt die Strömungsrichtung des Kühlmittels, bspw. Wassers im Kühlmittelkreislauf 14.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage eines Fahrzeugs
- 1.1
- Klimagerät der Kälteanlage 1
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 2.1
- Kältekreislauf
- 2.2
- Wärmepumpenkreislauf
- 2.21
- Wärmepumpenleitungsabschnitt
- 2.22
- weiterer Wärmepumpenleitungsabschnitt
- 2.3
- Absaugleitungsabschnitt
- 3
- Verdampfer
- 4
- Kältemittelverdichter
- 5
- Wärmeübertrager
- 5.1
- Heizregister
- 6.1
- erstes Expansionsorgan
- 6.2
- zweites Expansionsorgan
- 6.3
- drittes Expansionsorgan
- 7
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 7.1
- Heizungswärmeübertrager
- 8
- innerer Wärmeübertrager
- 9
- Kältemittelsammler
- 10
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 11
- Heizungskreislauf
- 12
- Wasserpumpe
- 13
- Wärmequelle des Kühlmittelkreislaufs 14
- 13.1
- elektrische Maschine
- 13.2
- Leistungselektronik
- 13.3
- Hochvoltenergiespeicher
- 14
- Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 10
- 15
- Klimasteuergerät
- R1
- Rückschlagventil des ersten Wärmepumpenzweiges WPZ1
- R2
- Rückschlagventil des zweiten Wärmepumpenzweiges WPZ2
- R3
- Rückschlagventil des dritten Wärmepumpenzweiges WPZ3
- S
- Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs 2
- SO
- Strömungsrichtung des Kühlmittelkreislaufs 14
- ST
- Steuersignale
- A1
- Ventilorgan, Absperrventil
- A2
- Absperrventil
- A3
- Absperrventil
- A4
- Absperrventil
- A5
- Absperrventil
- A6
- Absperrventil
- L
- Zuluftstrom
...
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042127 A1 [0002]
- DE 102011115823 A [0003]
- DE 102009023175 A [0004]
- DE 19649710 A1 [0005]
