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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Der Einsatz von Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten für die Innenraumklimatisierung eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckverdampfer, die in der Regel parallel fluidverbunden sind.
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Eine gattungsbildende Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb ist aus der
DE 38 20 811 A1 bekannt.
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Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Innenraumverdampfer in einem Kältemittelkreislauf einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist. Nach der
DE 10 2012 224 484 A1 wird ein solcher Verdampfer bzw. Chiller einer Parallelschaltung aus einem Hauptverdampfer zur Kühlung der Fahrzeugkabine und einem Verdampfer zur Kühlung des Fondbereichs der Fahrzeugkabine parallel geschaltet.
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Auch die
DE 10 2012 217 980 A1 oder die
DE 11 2013 001 410 T5 beschreibt einen Kältemittelkreislauf, bei welchem ein Verdampfer zur Klimatisierung eines Fahrgastraums mit einem Verdampfer für einen Hochvoltspeicher dem Chiller parallel geschaltet sind.
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Die
DE 100 36 038 A1 zeigt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebs mit Heizfunktion. Bei diesem Kältemittelkreislauf ist ein Zusatzwärmetauscher einem Verdampfer luftseitig nachgeschaltet. Dieser kann als Heizer oder als Verdampfer geschaltet werden. Bei kleinen Lasten wird er nicht mit Kältemittel durchströmt. Bei kleinem Kühlbedarf wird nur der äußere Kondensator und der Verdampfer über ein Expansionsorgan durchströmt. Bei erhöhtem Kühlbedarf ist der Zusatzwärmetauscher dem Verdampfer zusätzlich nachgeschaltet. Im Heizbetrieb werden der Verdampfer und der äußere Kondensator nicht durchströmt. Der Zusatzwärmetauscher heizt mit der Wärme des Kältemittelverdichters oder es wird über einen zusätzlichen äußeren Verdampfer mit Expansionsventil der Umgebung Wärme entzogen. Ansonsten wird dieser äußere Verdampfer zusammen mit dem Expansionsventil mittels einer Bypassleitung umströmt.
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Die
DE 10 2012 100 525 A1 beschreibt einen Kraftfahrzeugkältemittelkreislauf mit einer Kälteanlagen- und einer Wärmepumpenschaltung, wobei in der Wärmepumpenschaltung ein Wärmepumpenkondensator, ein Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer und ein Chiller eines Kälteträgerkreislaufes als zusätzlicher Wärmepumpenverdampfer in Reihe geschaltet angeordnet sind. Dem Chiller ist auf der Kältemittelseite ein Expansionsorgan zugeordnet und im Kälteträgerkreislauf sind Mittel zur Erwärmung des Kälteträgers vorgesehen. Dieser bekannte Kältemittelkreislauf weist auch einen inneren Wärmeübertrager auf.
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Ein mit einem Sekundärkühlkreislauf gekoppelter Primärkühlkreislauf umfasst gemäß der
DE 10 2016 100 464 A1 einen Kältemittelverdichter, einen äußeren Kondensator und einen Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan. Der Reihenschaltung aus dem Verdampfer und dem zugehörigen Expansionsorgan ist eine Reihenschaltung aus einem Primärwärmetauscher und einem zugeordneten Expansionsorgan parallel angeordnet, wobei der Primärwärmetauscher mit dem Sekundärkreislauf wärmegekoppelt ist. Die beiden Wärmetauscher können auch mittels einer Bypassleitung umströmt werden.
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Die
DE 11 2014 000 625 T5 zeigt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebs mit Heizfunktion. Im Heizbetrieb wird ein äußerer Kondensator zusammen mit einem Expansionsorgan als Wärmepumpenverdampfer eingesetzt, wobei über ein Heizregister die aus der Umgebung aufgenommene Wärme auf einen in das Innere des Fahrzeugs geführten Zuluftstrom übertragen wird. Um ein Vereisen des Wärmepumpenverdampfers zu verhindern, ist zwischen dem Expansionsorgan und dem Wärmepumpenverdampfer ein elektrisches Heizelement angeordnet, mit welchem das Kältemittel vor dem Eintritt in den Wärmepumpenverdampfer erwärmt wird.
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Aus der
DE 10 2011 015 427 A1 ist ein Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug bekannt, welcher zwei parallel verschaltete Kreislaufzweige aufweist. In einem ersten Kreislaufzweig ist ein Verdampfer zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums mit einem Expansionsorgan angeordnet, während in einem zweiten Kreislaufzweig ein weiteres Expansionsorgan geschaltet ist, dem in Reihe ein Verdampfer zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers und ein weiterer Verdampfer zur Klimatisierung einer Leistungselektronik stromabwärts nachgeschaltet sind.
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Bei einer parallelen Verschaltung von mehreren Verdampfern besteht die Gefahr von Kältemittelverlagerungen und Ölversackungen. Außerdem ist ein erhöhter Abstimmungsbedarf hinsichtlich der Funktion und des Betriebes erforderlich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeug-Kälteanlage mit drei Verdampfern in einer gegenüber der Standardtechnik verbesserten Konfiguration anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage für Fahrzeuge mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Gemäß der Erfindung umfasst eine solche Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb:
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler,
- - einen ersten Kreislaufzweig mit einem ersten Verdampfer zum Kühlen und Entfeuchten eines dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführten Luftstroms und einem dem ersten Verdampfer vorgeschalteten ersten Expansionsorgan,
- - einen zweiten Verdampfer zum Kühlen eines Fondbereichs des Fahrgastraums des Fahrzeugs,
- - einen dritten Verdampfer zur Klimatisierung einer Elektronikkomponente des Fahrzeugs, welcher mit dem zweiten Verdampfer in Reihe fluidverbunden ist,
- - ein zweites Expansionsorgan, welches der Reihenschaltung aus dem zweiten und dritten Verdampfer vorgeschaltet ist, und
- - einen zweiten Kreislaufzweig mit dem zweiten Expansionsorgan und der Reihenschaltung aus dem zweiten und dritten Verdampfer, wobei der zweite Kreislaufzweig dem ersten Kreislaufzweig parallel geschaltet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- - eine erste Bypassleitung mit einem Absperrventil vorgesehen ist, welche den Eingang des zweiten Verdampfers mit dessen Ausgang verbindet, und
- - eine zweite Bypassleitung mit einem Absperrventil vorgesehen ist, welche den Eingang des dritten Verdampfers mit dessen Ausgang verbindet.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf mit drei Verdampfern sind zwei Verdampfer hintereinander in Reihe fluidverbunden, während der dritte Verdampfer parallel zu dieser Reihenschaltung aus zwei Verdampfer geschaltet ist. Hierbei wird der erste Verdampfer als Innenraum-Frontverdampfer zur Kühlung und Entfeuchtung des Zuluftstroms des Fahrgastraums eingesetzt, während der zweite Verdampfer zur Klimatisierung des Fondbereichs des Fahrgastraums verwendet wird. Der dritte in Reihe mit dem zweiten Verdampfer verbundene Verdampfer dient der Konditionierung bzw. Kühlung einer Elektronikkomponente, bspw. eines elektrischen Energiespeichers.
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Mit solchen Bypassleitungen kann die Systemeffizienz verbessert werden, wenn die jeweils inaktiven Verdampfer in dem zweiten Kreislaufzweig inaktiv sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in der Reihenschaltung aus dem zweiten und dritten Verdampfer entweder der zweite Verdampfer dem dritten Verdampfer vorgeschaltet oder umgekehrt der dritte Verdampfer dem zweiten Verdampfer vorgeschaltet. Ein Vertauschen der Positionen kann sich vorteilhaft auf das Kältemittelmanagement des Gesamtsystems auswirken.
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Weiterbildungsgemäß können der zweite und dritte Verdampfer als direkte Verdampfer realisiert werden.
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Alternativ ist es in bevorzugter Weise auch möglich, den dritten Verdampfer als indirekter Verdampfer mit einem Kühlmittelkreislauf als sogenannter Chiller zur Kühlung eines elektrischen Speichers auszubilden.
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In einer weiteren Variante ist es auch möglich beide Verdampfer des Parallelstrangs, d.h. den zweiten und auch den dritten Verdampfer als indirekte Wärmeübertrager auszuführen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn weiterbildungsgemäß das erste und zweite Expansionsorgan jeweils mit einer Absperrfunktion ausgebildet sind. Damit ist es möglich, den ersten oder zweiten Kreislaufzweig abzusperren um die entsprechende Verdampfer zu aktivieren oder zu deaktivieren.
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Schließlich weist nach einer letzten Ausführungsform der Erfindung der Kältemittelkreislauf einen inneren Wärmeübertrager auf, dem hochdruckseitig die Parallelschaltung aus dem ersten und zweiten Kreislaufzweig stromabwärts nachgeschaltet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf beigefügten Figuren ausführlich beschrieben.
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Ein Kältemittelkreislauf 1.1 der Kälteanlagen 1 gemäß den 1 bis 4 ist mit einer identischen Struktur aufgebaut.
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Neben einem Kältemittelverdichter 2, einem Gaskühler 3 oder Kältemittelkondensator 3, einem inneren Wärmeübertrager 6 sowie einem Sammler 7 umfasst jeder Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß den 1 bis 4 einen ersten Kreislaufzweig 1.10 mit einem ersten Verdampfer 4.1 als Innenraum-Frontverdampfer des Fahrzeugs sowie einem ersten Expansionsorgan 5.1, das als absperrbares Expansionsventil dem ersten Verdampfer 4.1 stromaufwärts vorgeschaltet ist.
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Des Weiteren umfasst jeder Kältemittelkreislauf 1.1 einen zweiten Kreislaufzweig 1.11 mit einer Reihenschaltung 4.0 aus einem zweiten Verdampfer 4.2 und einem dritten Verdampfer 4.3 sowie einem dieser Reihenschaltung 4.0 stromaufwärts vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan 5.2, welches ebenso als absperrbares Expansionsventil ausgeführt ist. Die beiden Kreislaufzweige 1.10 und 1.11 sind über Abzweigungen 8.1 und 8.2 parallel geschaltet.
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Das Kältemittel, bspw. R744, wird von dem Kältemittelverdichter 2 auf Hochdruck verdichtet und in Strömungsrichtung R dem Gaskühler bzw. Kondensator 3 zur Kühlung mittels der Umgebungsluft des Fahrzeugs zugeführt. Anschließend wird das Kältemittel stromabwärts des Hochdruckabschnitts des inneren Wärmeübertragers 6 einerseits in den ersten Kreislaufzweig 1.10 und damit über das erste Expansionsorgan 5.1 in den ersten Verdampfer 4.1 entspannt und andererseits in den zweiten Kreislaufzweig 1.11 über das zweite Expansionsorgan 5.2 in die beiden Verdampfer 4.2 und 4.3 der Reihenschaltung 4.0 entspannt. Anschließend wird das Kältemittel über den Sammler 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 dem Kältemittelverdichters 2 zugeführt.
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Ferner sind in jedem Kältemittelkreislauf 1.1 der 1 bis 4 Druck-Temperatur-Sensoren PT1 bis PT4 angeordnet. Der Druck-Temperatur-Sensor PT1 befindet sich in der Reihenschaltung 4.0 zwischen dem zweiten und dritten Verdampfer 4.2 bzw. 4.3, der Druck-Temperatur-Sensor PT2 am Ende der Reihenschaltung 4.0 der beiden Verdampfer 4.2 und 4.3, der Druck-Temperatur-Sensor PT3 zwischen dem Sammler 7 und dem Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 und der Druck-Temperatur-Sensor PT4 zwischen dem Kältemittelverdichter 2 und dem Gaskühler bzw. Kondensator 3. Diese Druck-Temperatur-Sensoren PT1 bis PT4 dienen der Steuerung der Kälteanlage 1.
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Da es sich bei den dargestellten Systemskizzen um eine Anlage mit Niederdrucksammler handelt, ist ein weiterer Druck-Temperatur-Sensor PT5 am Austritt des Kondensators bzw. Gaskühlers 3 vorgesehen.
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Im Folgenden werden die Kälteanlagen 1 gemäß den 1 bis 4 im Detail erläutert.
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Bei der Reihenschaltung 4.0 des Kältemittelkreislaufs 1.1 nach 1 ist der zweite Verdampfer 4.2 dem zweiten Expansionsorgan 5.2 stromabwärts nachgeschaltet und der dritte Verdampfer 4.3 dem zweiten Verdampfer 4.2 stromabwärts nachgeschaltet. Der zweite Verdampfer 4.2 stellt als Heckverdampfer einen direkten Verdampfer dar, dient also zur Kühlung des Fondbereichs des Fahrgastraums. Der diesem stromabwärts nachgeschaltete dritte Verdampfer 4.3 ist ein indirekter Verdampfer und als Chiller mit einem Kühlmittelkreislauf 4.32 zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichers ausgeführt.
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Sind beide Expansionsorgane 5.1 und 5.2 nicht gesperrt, sind die beiden Kreislaufzweige 1.10 und 1.11 aktiv. Das zweite Expansionsorgan 5.2 regelt die Kühlleistung im als Chiller ausgebildeten dritten Verdampfer 4.3 und damit die Temperaturdifferenz im Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 4.32 zwischen einem kühlmittelseitigen Ein- und Austritt. Das erste Expansionsorgan 5.1 regelt den optimalen Hochdruck hinsichtlich Überhitzung und Unterkühlung usw. Das Verdampfungstemperaturniveau wird über den ersten Verdampfer 4.1 vorgegeben. Die Ausblastemperatur des zweiten Verdampfers 4.2 stellt sich automatisch über die mit dem resultierenden Niederdruck sich einstellende Verdampfungstemperatur ein.
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Wird nur das zweite Expansionsorgan 5.2 gesperrt, ist nur der erste Kreislaufzweig 1.10 aktiv, so dass das erste Expansionsorgan 5.1 den optimalen Hochdruck, die optimale Unterkühlung am Austritt des Gaskühlers bzw. Kondensators 3 bzw. andere Betriebsgrößen regelt.
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Wird nur das erste Expansionsorgan 5.1 gesperrt, ist nur der zweite Kreislaufzweig 1.11 aktiv, wodurch der optimale Hochdruck oder die optimale Unterkühlung am Austritt des Gaskühlers bzw. Kondensators 3 mittels des zweiten Expansionsorgans 5.2 eingeregelt wird. Üblicherweise ist in diesem Fall der als Heckverdampfer eingesetzte zweite Verdampfer 4.2 nicht aktiv, d. h. ein zugehöriges Gebläse ist abgeschaltet und somit wird über das eingestellte Niederdruckniveau die Kühlleistung im als Chiller betriebenen dritten Verdampfer 4.3 festgelegt.
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Dieser Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 1 stellt sicher, dass der als Heckverdampfer betriebene zweite Verdampfer 4.2 stets mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt wird. Gegebenenfalls kann dieser Betriebsfall über den Druck-Temperatur-Sensor PT1, der zwischen dem zweiten und dritten Verdampfer 4.2 bzw. 4.3 angeordnet ist, oder über den nach dem dritten Verdampfer 4.3 angeordneten Druck-Temperatur-Sensor PT2 überwacht werden.
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Insbesondere zur Überwachung des Austrittszustands des Kältemittels am zweiten Verdampfer 4.2 für den Fall, dass der dritte Verdampfer 4.3 inaktiv ist, ist mindestens ein PT-Sensor empfehlenswert bzw. kann sich die Einbringung eines solchen Sensors als vorteilhaft erweisen. Jedoch sind weder PT1 noch PT2 bei dieser Verschaltungsvariante der beiden Verdampfer zwingend erforderlich.
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Hinsichtlich Einstellbarkeit und Regelbarkeit der luftseitigen und kühlmittelseitigen Zustände der Wärmesenken stellt diese Verschaltungsvariante gemäß 1 die bevorzugte Lösung dar. Insbesondere für den Fall, dass beide Verdampfer 4.2 und 4.3. aktiv sind, ist es für den zweiten Verdampfer 4.2 sichergestellt, dass das Kältemittel diesen in 2-phasigem Zustand verlässt und mit diesem den dritten Verdampfer 4.3 eintrittsseitig beaufschlägt. Eine kältemittelseitige Überhitzung im zweiten Verdampfer 4.2 ist damit ausgeschlossen. Das zweite Expansionsorgan 5.2 dosiert die Kältemittelmenge im zweiten Kreislaufzweig 1.11. in der Weise, dass sich kühlmittelseitig die gewünschte Abkühlung einstellt. Dabei kann das austretende Kältemittel auch einen überhitzten Zustand einnehmen, insbesondere dann, wenn auch der erste Verdampfer 4.1 aktiv ist.
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Der Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 1 dadurch, dass die Reihenfolge der Anordnung der beiden Verdampfer 4.2 und 4.3 in der Reihenschaltung 4.0 umgekehrt ist. So ist der als Chiller ausgebildete dritte Verdampfer 4.3 stromaufwärts vor dem zweiten Verdampfer 4.2 angeordnet, d. h., dass das Kältemittel aus dem zweiten Expansionsorgan 5.2 zuerst in den dritten Verdampfer 4.3 und anschließend in den zweiten Verdampfer 4.2 strömt.
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Bei diesem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 2 kann mittels des Druck-Temperatur-Sensors PT2, welcher dem zweiten Verdampfer 4.2 stromabwärts nachgeschaltet ist, über die Steuerung des zweiten Expansionsorgans 5.2 die Kältemittelgüte über den gesamten zweiten Kreislaufzweig 1.11 eingestellt und überwacht werden. Bei geringen Überhitzungswerten (< 10 K) am Ausgang A des zweiten Verdampfers 4.2 kann luftseitig eine homogene Temperaturverteilung erzielt werden. Entsprechendes gilt bei geringen Überhitzungen am Ausgang A des dritten Verdampfers 4.3, sollte dieser direkt verdampfend arbeiten - zumindest wird die Zweiphasigkeit bzw. ein zweiphasigkeitsnaher Austrittszustands des Kältemittels so gesichert. Eine Temperaturschichtung bzw. luftseitig inhomogene Temperaturverteilung wird somit vermieden. Das Niederdruckniveau wird hierbei mittels des ersten Verdampfers 4.1, sollte dieser aktiv sein, vorgegeben und über den Verdichter 2 eingestellt.
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Bei diesem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 2 werden der zweite und dritte Verdampfer 4.2 bzw. 4.3 jeweils mit einer Bypassleitung 4.21 bzw. 4.31 (in 2 gestrichelt dargestellt) umströmt, die den Eingang E des zweiten Verdampfers 4.2 bzw. den Eingang E des dritten Verdampfers 4.3 mit dem Ausgang A des zweiten Verdampfers 4.2 bzw. dem Ausgang A des dritten Verdampfers 4.3 verbindet. Die Bypassleitung 4.21 des zweiten Verdampfers 4.2 enthält ein Absperrventil 4.20, die Bypassleitung des dritten Verdampfers 4.3 ein Absperrventil 4.30. Damit können zur Maximierung der Systemeffizienz die jeweiligen inaktiven Verdampfer 4.2 oder 4.3 in dem zweiten Kreislaufzweig 1.11 gebypasst werden. Bei einem offenen Absperrventil 4.20 und/oder 4.30 stellt sich die durch den Verdampfer 4.2 und/oder 4.3 minimal strömende Kältemittelmenge entsprechend den resultierenden Druckverlusten an den beteiligten Komponenten ein. Soll eine Minimaldurchströmung des zweiten und/oder dritten Verdampfers 4.2 bzw. 4.3 vollständig vermieden werden, sind am Eingang E des zweiten Verdampfers 4.2 und/oder am Eingang E des dritten Verdampfers 4.3 separate Absperrventile oder Mehrwegeabsperrorgane anzuordnen.
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Auch der Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 1 ist mit solchen Bypassleitungen 4.21 und 4.31 mit zugehörigen Absperrventilen 4.20 und 4.30 für den zweiten Verdampfer 4.2 und den dritten Verdampfer 4.3 ausgeführt (in der 1 nicht dargestellt).
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Der Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 3 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 1 dadurch, dass der dritte Verdampfer 4.3 nicht als indirekter Verdampfer, sondern als direkter Verdampfer zur Kühlung eines elektrischen Speichers ausgebildet ist. In der Reihenschaltung 4.0 ist der zweite Verdampfer 4.2 dem zweiten Expansionsorgan 5.2 stromabwärts nachgeschaltet, während der dritte Verdampfer 4.3 dem zweiten Verdampfer 4.2 stromabwärts nachgeschaltet ist.
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Bei diesem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 3 kann mittels des Druck-Temperatur-Sensors PT2, welcher dem dritten Verdampfer 4.3 stromabwärts nachgeschaltet ist, über die Steuerung des zweiten Expansionsorgans 5.2 die Kältemittelgüte über den gesamten zweiten Kreislaufzweig 1.11 eingestellt und überwacht werden. Sind beide Verdampfer 4.2 und 4.3 aktiv kann bei geringen kältemittelseitigen Überhitzungswerten (< 10 K) am Ausgang A des dritten Verdampfers 4.3 eine homogene Lufttemperaturverteilung sowohl am dritten Verdampfer 4.3 als auch am zweiten Verdampfer 4.2 gewährleistet werden. Eine Temperaturschichtung bzw. inhomogene Lufttemperaturverteilung wird somit vermieden. Das Niederdruckniveau wird hierbei mittels des ersten Verdampfers 4.1 vorgegeben und über den Verdichter 2 eingestellt.
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Ist jeweils nur einer der beiden Verdampfer aktiv gilt ebenso bei Überhitzungen des Kältemittels von unter 10 K an dem jeweiligen Ausgang A, wird das Kältemittel mittels der Druck-Temperatur-Sensor(en) PT1 und/oder PT2 überwacht, damit luftseitig eine homogene Temperaturverteilung eingestellt werden kann.
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Da es sich bei den Verdampfern der Reihenschaltung 4.0 um direkte Verdampfer handelt, können deren Positionen vertauscht werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Wesentlich hierbei ist, dass am Ausgang des jeweils letzten in der Reihenschaltung aktiven Verdampfers die Überhitzung mit einem Betrag von unter 10K einzustellen ist, um die luftseitige Homogenität hinsichtlich der Temperaturverteilung zu gewährleisten.
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Diese Anordnung der beiden Verdampfer 4.2 und 4.3 nach 4, bei welcher der zur Kühlung eines elektrischen Speichers eingesetzte dritte Verdampfer 4.3 dem zweiten Expansionsorgan 5.2 und der zweite Verdampfer 4.2 dem dritten Verdampfer 4.3 stromabwärts nachgeschaltet ist, ist besonders vorteilhaft, da bei einer Verwendung des dritten Verdampfers 4.3 zur direkten Kühlung eines elektrischen Speichers dieser äußerst empfindlich auf kältemittelseitige Überhitzungen bzw. inhomogene Lufttemperaturverteilungen reagiert. Ferner ist aufgrund der Druckverluste ein höherer Niederdruck am dritten Verdampfer 4.3 eher zu akzeptieren, als gegebenenfalls am zweiten Verdampfer 4.2, der direkt die Ausblastemperatur im Fondbereich der Fahrzeugkabine bestimmt.
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Auch bei diesem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 4 werden der zweite und dritte Verdampfer 4.2 bzw. 4.3 jeweils mit einer Bypassleitung 4.21 bzw. 4.31 umströmt werden (in 4 gestrichelt dargestellt), die den Eingang E des zweiten Verdampfers 4.2 bzw. den Eingang E des dritten Verdampfers 4.3 mit dem Ausgang A des zweiten Verdampfers 4.2 bzw. dem Ausgang A des dritten Verdampfers 4.3 verbinden. Die Bypassleitung 4.21 des zweiten Verdampfers 4.2 enthält ein Absperrventil 4.20, die Bypassleitung 4.31 des dritten Verdampfers 4.3 ein Absperrventil 4.30. Damit können zur Maximierung der Systemeffizienz die jeweiligen inaktiven Verdampfer 4.2 oder 4.3 in dem zweiten Kreislaufzweig 1.11 gebypasst werden. Bei einem offenen Absperrventil 4.20 und/oder 4.30 stellt sich die durch den Verdampfer 4.2 und/oder 4.3 minimal strömende Kältemittelmenge entsprechend den resultierenden Druckverlusten in den beteiligten Komponenten ein. Soll eine Minimaldurchströmung des zweiten und/oder dritten Verdampfers 4.2 bzw. 4.3 vollständig vermieden werden, sind am Eingang E des zweiten Verdampfers 4.2 und/oder am Eingang E des dritten Verdampfers 4.3 separate Absperrventile oder Mehrwegeabsperrorgane anzuordnen.
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Schließlich ist auch der Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 3 mit solchen Bypassleitungen 4.21 und 4.31 mit zugehörigen Absperrventilen 4.20 und 4.30 für den zweiten Verdampfer 4.2 und den dritten Verdampfer 4.3 ausgeführt (in 3 nicht dargestellt).
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Unabhängig von der Reihenfolge der Anordnung der Verdampfer 4.2 und 4.3 bzw. deren Ausführung als direkte oder indirekte Wärmeübertrager kühlend, können die Absperrventile 4.20 und 4.30 mit den Bypassleitungen 4.21 und 4.31 vorgesehen oder auf diese verzichtet werden.
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Bei den Kältemittelkreisläufen 1.1 gemäß den 1 bis 4 kann der zweite Kreislaufzweig 1.11 für eine Wärmepumpe genutzt werden. Bei einem Betrieb unter der Vereisungsgrenze, d. h. einer Verdampfungstemperatur von kleiner als 3 °C wird nur der dritte Verdampfer 4.3 aktiv durchströmt, während der zweite Verdampfer mittels des Absperrventils 4.20 der Bypassleitung 4.21 umströmt wird. Bei einer Verdampfungstemperatur von größer als 0 °C können beide Verdampfer 4.2 und 4.3 des zweiten Kreislaufzweiges 1.11 durchströmt und zur Wärmeaufnahme genutzt werden.
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Wird bei Temperaturen unter 0°C auf eine luftseitige Beaufschlagung des zweiten Verdampfers 4.2 verzichtet, so ist ein Umgehen des zweitens Verdampfers nicht zwingend erforderlich, da aufgrund der stehenden Luft im Zustromluftkanal keine kontinuierliche Entfeuchtung und damit Vereisung des Verdampfers erfolgen kann. Ist es nicht möglich den Luftstrom über den zweiten Verdampfer 4.2 abzustellen, so müsste dieser luftseitig im Klimagerät oder über beschriebenes Absperrventil 4.20 kältemittelseitig gebypasst werden.
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Sollte bei den Kältemittelkreisläufen 1.1 gemäß den 1 bis 4 der zweite Kreislaufzweig 1.11 nicht aktiv durchströmt werden, kann an dessen stromabwärts gelegenen Ende, also am stromabwärtsseitigen Ende der Reihenschaltung 4.0 ein Rückschlagventil angeordnet werden, um auf diese Weise eine Kältemittelverlagerung in die Anlagenabschnitte des zweiten Kreislaufzweigs 1.11 zu vermeiden. Um in diesem Fall eine hohe Drucklage im Gesamtsystem dieser Kälteanlage 1 unter den kritischen Wert von 93 bar einzustellen, sollte das zweite Expansionsorgan 5.2 des zweiten Kreislaufzweig 1.11 mit dem Abschalten der Kälteanlage 1 geöffnet werden, um das segmentierte Volumen im zweiten Kreislaufzweig 1.11 zur Ruhedruckreduktion im Bedarfsfall freizugeben.
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Der Druck-Temperatur-Sensor PT3 wird neben der Überwachung des Niederdrucks auch für die Unterfüllungserkennung des Systems eingesetzt. Ist keine Unterfüllungserkennung durch Überwachung des Austrittszustands des Kältemittels am Niederdrucksammler umgesetzt, so kann der Sensor PT3 auch direkt an den Eintritt des Kältemittelverdichters 2 versetzt werden. Ist des Weiteren auch eine Überwachung des Niederdruckniveaus nicht erforderlich, so kann der Sensor PT3 entfallen.
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Eine erfindungsgemäße Kälteanlage 1 gemäß den 1 bis 4 weist ein einfaches Systemdesign auf und führt zu folgenden Vorteilen:
- - Einsparung von Verzweigungsstellen und gegebenenfalls Leitungsmaterial sowie von Aktoren,
- - Vereinfachung des Kältemittelmanagements, insbesondere wenn darauf geachtet wird, dass der örtlich betrachtet im Parallelzweig am weitesten abseits gelegene Verdampfer stets als erstes mit Kältemittel beaufschlagt wird.
- - Reduktion der Gefahr einer Ölversackung,
- - vereinfachter Systembetrieb hinsichtlich Regelbarkeit und Funktion, und
- - Kältemittelverlagerung und Ruhedrucklagen können aktiv beeinflusst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage eines Fahrzeugs
- 1.1
- Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 1
- 1.10
- erster Kreislaufzweig des Kältemittelkreislaufs 1.1
- 1.11
- zweiter Kreislaufzweig des Kältemittelkreislaufs 1.1
- 2
- Kältemittelverdichter
- 3
- Kältemittelkondensator oder Gaskühler
- 4.0
- Reihenschaltung aus zweitem und dritten Verdampfer 4.2, 4.3
- 4.1
- erster Verdampfer
- 4.2
- zweiter Verdampfer
- 4.20
- Absperrventil
- 4.21
- Bypassleitung
- 4.3
- dritter Verdampfer
- 4.30
- Absperrventil
- 4.31
- Bypassleitung
- 4.32
- Kühlmittelkreislauf
- 5.1
- erstes Expansionsorgan
- 5.2
- zweites Expansionsorgan
- 6
- innerer Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs 1.1
- 7
- Sammler
- 8.1
- Abzweigung des Kältemittelkreislaufs 1.1
- 8.2
- Abzweigung des Kältemittelkreislaufs 1.1
- E
- Eingang des Verdampfers 4.2, 4.3
- A
- Ausgang des Verdampfers 4.2, 4.3
- PT1
- Druck-Temperatur-Sensor
- PT2
- Druck-Temperatur-Sensor
- PT3
- Druck-Temperatur-Sensor
- PT4
- Druck-Temperatur-Sensor
- PT5
- Druck-Temperatur-Sensor
- R
- Strömungsrichtung
