DE102017216778B4 - Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf - Google Patents

Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf Download PDF

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Abstract

Kälteanlage (1) für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf (1.1), umfassend- einen Kältemittelverdichter (2),- wenigstens einen Verdampfer (3) mit einem dem Verdampfer (3) zugeordneten ersten Expansionsorgan (AE1),- einen äußeren Kondensator oder Gaskühler (4),- einen inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler (5),- einen ersten AC-Hauptzweig (AC1), mit welchem der Kältemittelverdichter (2) stromabwärts über den inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler (5) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) mit dem äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) verbindbar ist,- einen zweiten AC-Hauptzweig (AC2), mit welchem der äußere Kondensator oder Gaskühler (4) stromabwärts über das erste Expansionsorgan (AE1) und den Verdampfer (3) mit dem Kältemittelverdichter (2) verbindbar ist, und- einen ersten Wärmepumpenzweig (WP1), mit welchem das zweite Expansionsorgan (AE2) über ein erstes Abschaltventil (A1) mit dem Kältemittelverdichter (2) verbindbar ist, wobei- zur Durchführung eines Reheat-Betriebs der erste AC-Hauptzweig (AC1) über den äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) mit dem zweiten AC-Hauptzweig (AC2) verbindbar ist, und- dem äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) stromaufwärtsseitig ein zweites Abschaltventil (A2) vorgeschaltet ist, welches zur Durchführung einer ersten Wärmepumpenfunktion mittels des ersten Wärmepumpenzweiges (WP1) absperrbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf.
  • Die Kälteanlage gemäß der DE 101 26 257 A1 kann neben einem Kältebetrieb auch in einem Wärmepumpenbetrieb sowie in einem Reheat-Betrieb betrieben werden. Der Kältemittelkreislauf dieser bekannten Kälteanlage besteht aus einem Kältemittelverdichter, einem Verdampfer mit einem demselben stromaufwärts vorgeschalteten Expansionsorgan, einem äußeren Kondensator und einem Heizungswärmetauscher als innerer Heizkondensator. Zur Durchführung des Reheat-Betriebs wird das Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter dem inneren Heizkondensator zur Abgabe von Wärme an den dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Zuluftstrom zugeführt und anschließend zu einem Expansionsventil, welches das Kältemittel ungedrosselt oder auf einen vorteilhaften Druck gedrosselt durchströmt, um schließlich über den äußeren Kondensator und dem dem Verdampfer zugeordneten Expansionsorgan in den Verdampfer entspannt zu werden. Vom Verdampfer wird das Kältemittel wieder zum Kältemittelverdichter zurückgeführt. Die beiden Expansionsorgane, also das dem äußeren Kondensator zugeordnete Expansionsorgan sowie das dem Verdampfer zugeordnete Expansionsorgan werden nicht unabhängig voneinander eingestellt. So kann durch Variation der Einstellung dieser Expansionsorgane der Druck im äußeren Kondensator zwischen dem Druck am Verdampfer und dem Hochdruck am inneren Heizkondensator variiert werden. Damit lässt sich der Wärmeumsatz im äußeren Kondensator je nach eingestelltem Druck von Wärmeabgabe bis Wärmeaufnahme variieren. Dadurch kann im Reheat-Betrieb gleichzeitig die Heiz- und Kühlleistung an den momentanen Bedarf der Kälteanlage angepasst werden.
  • Aus der DE 10 2012 100 525 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf bekannt. Zur Realisierung der Wärmepumpenfunktion wird ein Wärmepumpenkondensator als innerer Kondensator bzw. Heizkondensator, ein Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer und ein Chiller mit zugeordnetem Expansionsorgan als zusätzlicher Wärmepumpenverdampfer in Reihe geschaltet. Kühlmittelseitig ist dieser Chiller im Kühlwasserkreislauf zur Kühlung eines Antriebsmotors, einer Leistungselektronik und/oder einer Batterie ausgebildet. Außerdem ist für diesen Kühlwasserkreislauf ein PTC-Heizelement zur Erwärmung des Kühlwassers vorgesehen. Der Kälteanlagen- und Wärmepumpenverdampfer wird sowohl zur Kühlung eines in die Fahrzeugkabine geleiteten Zuluftstromes als auch zu dessen Erwärmung eingesetzt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf anzugeben, welcher zur Realisierung verschiedener Heizbetriebsweisen möglichst wenig Komponenten erfordert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Eine solche Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf umfasst
    • - einen Kältemittelverdichter,
    • - wenigstens einen Verdampfer mit einem dem Verdampfer zugeordneten ersten Expansionsorgan,
    • - einen äußeren Kondensator oder Gaskühler,
    • - einen inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler,
    • - einen ersten AC-Hauptzweig, mit welchem der Kältemittelverdichter stromabwärts über den inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler und ein zweites Expansionsorgan mit dem äußeren Kondensator oder Gaskühler verbindbar ist,
    • - einen zweiten AC-Hauptzweig, mit welchem der äußere Kondensator oder Gaskühler stromabwärts über das erste Expansionsorgan und den Verdampfer mit dem Kältemittelverdichter verbindbar ist, und
    • - einen ersten Wärmepumpenzweig, mit welchem das zweite Expansionsorgan über ein erstes Abschaltventil mit dem Kältemittelverdichter verbindbar ist, wobei
    • - zur Durchführung eines Reheat-Betriebs der erste AC-Hauptzweig über den äußeren Kondensator oder Gaskühler mit dem zweiten AC-Hauptzweig verbindbar ist, und
    • - dem äußeren Kondensator oder Gaskühler stromaufwärtsseitig ein zweites Abschaltventil vorgeschaltet ist, welches zur Durchführung einer ersten Wärmepumpenfunktion mittels des ersten Wärmepumpenzweiges absperrbar ist.
  • Mit einer solchen erfindungsgemäßen Kälteanlage ist ein vollumfänglicher Reheat-Betrieb, d. h. hinsichtlich unterschiedlicher Heizleistungsbedarfe für die Konditionierung eines der Fahrzeugkabine zuzuführenden Zuluftstroms mit nur einer geringen Anzahl von Komponenten durchführbar. Insbesondere ist diese Systemverschaltung in der Lage im Reheatbetrieb auch ein Heizleistungsdefizit und einen Heizleistungsüberschuss zu kompensieren.
  • So wird bei ausreichender Heizleistung für den Zuluftstrom nur der Verdampfer durchströmt, wobei die aufgenommene Wärme über den als Heizregister ausgeführten inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler wieder direkt an den Zuluftstrom abgegeben wird. Bei einem Wärmeüberschuss in dem Kältemittelkreislauf, d.h. wenn am Heizregister nicht die komplette im System gebundene Wärme abgeführt werden kann, wird stromabwärts vom Heizregister zunächst über den ersten AC-Hauptzweig das Kältemittel mittels des zweiten Expansionsorgans in den äußeren Kondensator oder Gaskühler auf ein Zwischendruckniveau entspannt und anschließend weiter über das dem Verdampfer zugeordnete erste Expansionsorgan in den Verdampfer auf Niederdruckniveau expandiert. Bei einem Wärmemangel kann beispielsweise über den als Wärmepumpenverdampfer eingesetzten äußeren Kondensator oder Gaskühler Wärme aus der Umgebungsluft des Fahrzeugs zur zusätzlichen Heizung des Zuluftstroms verwendet werden. Alternativ kann hierzu auch über einen Chiller ein entsprechender Wärmestrom in den Kältekreis übertragen werden.
  • Bei der Wärmepumpenfunktion mittels des ersten Wärmepumpenzweiges wird bei fehlender Abwärme der als Wärmequellen im Fahrzeug verwendeten Komponenten und im Falle einer Vereisung des als Wärmepumpenverdampfers verwendeten äußeren Kondensators bzw. Gaskühlers dennoch Wärme über den als Heizregister ausgebildeten inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler an den Zuluftstrom übertragen. Hierbei wird unter Auslassung der Verdampfung mittels des Verdampfers das Kältemittel lediglich verdichtet und die Wärme am als Heizregister ausgebildeten inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler abgegeben. Ein solcher Heizprozess unter Ausschluss eines aktiven Verdampfers wird auch als Dreiecksprozess bezeichnet.
  • Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Bypass-Zweig mit einem dritten Abschaltventil vorgesehen, mit welchem der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler überbrückbar ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn sich bei maximaler Kälteleistungsanforderung ein Heat-Pick-Up einstellen sollte. Unter Heat-Pickup versteht man das Maß an Temperaturänderung der Lufttemperatur nach Verdampfer bis zu den Auslässen, d. h. über die Klimatisierungseinrichtung luftstromabwärts des Verdampfers und über die nachgeschalteten Luftkanäle. Der Heat-Pickup ergibt sich u. a. aus der Aufheizung aufgrund äußerer Bedingungen. Auch ist es vorteilhaft, wenn sich ein zu hoher Druckverlust über den als Heizregister ausgebildeten inneren Kondensator einstellt, der sich nachteilig auf die Systemleistung auswirken könnte.
  • Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn weiterbildungsgemäß die Kälteanlage einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit einem zugeordneten dritten Expansionsorgan und einen zweiten Wärmepumpenzweig mit einem vierten Abschaltventil umfasst, mit welchem stromabwärtsseitig der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager verbindbar ist.
  • Dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager dient als Chiller mit drittem abschaltbaren Expansionsorgan zur Aufnahme der Abwärme von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs und ist bevorzugt parallel zum Verdampfer verschaltet.
  • Mit einem vorzugsweise vorgesehenen dritten Wärmepumpenzweig wird mittels eines vierten Expansionsorgans die Umgebungswärme genutzt, indem dieser dritte Wärmepumpenzweig im Wärmepumpenbetrieb dem äußeren Kondensator oder Gaskühler stromabwärtsseitig vorgeschaltet ist.
  • Somit kann neben der von den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs erzeugten Abwärme gleichzeitig auch die Umgebungswärme genutzt werden, indem das Kältemittel zunächst über den dritten Wärmepumpenzweig und den zweiten AC-Hauptzweig über den äußeren Kondensator oder Gaskühler zurück zum Kältemittelverdichter geführt wird, wobei der äußere Kondensator oder Gaskühler im Vergleich zum AC-Betrieb in umgekehrter Richtung von dem Kältemittel durchströmt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verdampfer als Frontverdampfer des Fahrzeugs ausgeführt ist und die Kälteanlage einen Heckverdampfer mit einem fünften Expansionsorgan aufweist. Dies führt zu einer weiteren Steigerung der Kälteleistung im AC-Betrieb und dadurch zu einer verbesserten Innenraumklimatisierung. Der Heckverdampfer kann parallel oder seriell zum Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet werden, wobei bei einer seriellen Verschaltung des Heckverdampfers mit dem Frontverdampfer das fünfte Expansionsorgan entfallen kann.
  • Eine Steigerung von Leistung und Effizienz der Kälteanlage im Wärmepumpenmodus ist durch Nutzung des Verdampfers als Luftvorwärmer möglich, wenn weiterbildungsgemäß die Kälteanlage einen Vorwärmzweig mit einem sechsten Expansionsorgan umfasst, wobei der Vorwärmzweig mittels des Bypasszweiges derart mit dem Verdampfer verbindbar ist, dass der Verdampfer im Vergleich zum AC-Betrieb in umgekehrter Richtung von dem Kältemittel durchströmbar ist. Hierzu ist vorzugsweise zur Durchführung eines Vorwärmbetriebes zum Vermeiden einer Kältemittelströmung in Richtung des Kältemittelverdichters dem Verdampfer ein Abschaltventil stromabwärtsseitig vorgeschaltet.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 einen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage mit einer Wärmepumpenfunktion mit einem als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    • 2 einen Kältemittelkreislauf nach 1 mit einem parallel zum Chiller verschalteten Heckverdampfer
    • 3 einen Kältemittelkreislauf nach 2 mit einem in Reihe zum Chiller verschalteten Heckverdampfer, und
    • 4 einen Kältemittelkreislauf nach 2 mit einem Vorwärmzweig.
  • Die in den 1 bis 4 jeweils dargestellten Kältemittelkreisläufe 1.1 einer Kälteanlage 1 weisen die gleiche Grundstruktur auf, die zunächst beschrieben wird, um anschließend die Unterschiede zwischen den Kältemittelkreisläufen 1.1 zu erläutern.
  • Ein solcher Kältemittelkreislauf 1.1 besteht aus einem Kältemittelverdichter 2, einem Verdampfer 3 mit einem zugeordneten ersten Expansionsorgan AE1, einem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, einem als Heizregister ausgebildeten inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler 5, einem inneren Wärmeübertrager 8 und einem niederdruckseitigen Kältemittelsammler 9. Der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 dient auch als Wärmepumpenverdampfer.
  • Der Kältemittelverdichter 2 ist mittels eines ersten AC1 mit dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 über einen Abzweigpunkt P1 fluidverbunden, wobei dieser Abzweigpunkt P1 mittels eines ersten Abschaltventils A1 mit einem ersten Wärmepumpenzweig WP1 und über ein zweites Abschaltventil A2 mit dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 fluidverbindbar ist. Mit diesem ersten AC-Hauptzweig AC1 wird ausgehend von dem Kältemittelverdichter 2 stromabwärts zunächst der als Heizregister ausgebildete innere Heizkondensator oder Heizgaskühler 5, das zweite Expansionsorgan AE2 und anschließend über das geöffnete zweite Abschaltventil A2 auch der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 von Kältemittel durchströmt.
  • Ein zweiter AC-Hauptzweig AC2 mit dem Verdampfer 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 verbindet den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 mit dem Niederdruckeingang des Kältemittelverdichters 2. Mit diesem zweiten AC-Hauptzweig AC2 wird im AC-Betrieb bei geöffnetem zweiten Abschaltventil A2 ausgehend von dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 stromabwärts zunächst die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8, ein vollständig geöffnetes viertes Expansionsorgan AE4, das erste Expansionsorgan AE1, der Verdampfer 3, ein Rückschlagventil R1, der Kältemittelsammler 9 und schließlich die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 durchströmt und anschließend der Niederdruckseite des Kältemittelverdichters 2 zugeführt. Das vierte Expansionsorgan AE4 ist bidirektional durchströmbar und absperrbar ausgeführt.
  • Der Kältemittelkreislauf 1.1 weist ferner einen den inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 umgehenden Bypasszweig BP1 mit einem dritten Abschaltventil A3 auf.
  • Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1.1 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 2 durch den ersten AC-Hauptzweig AC1 bei vollständig geöffnetem zweiten Expansionsorgan AE2 und geöffnetem zweiten Abschaltventil A2 in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 und wird anschließend über den zweiten AC-Hauptzweig AC2 zurück zum Kältemittelverdichter 2 geführt, wobei das Kältemittel mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den Verdampfer 3 auf Niederdruckniveau entspannt wird.
  • In diesem AC-Betrieb kann der als Heizregister ausgebildete innere Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 kältemittelseitig ohne Wärmeabgabe ständig von Kältemittel durchströmt und gleichzeitig luftseitig im Klimagerät umgangen werden oder unter Nutzung des Bypasszweiges BP1 bei geöffnetem dritten Abschaltventil A3 umgangen bzw. geringfügig durchströmt werden. Dieser Bypass BP1 ist für den Fall vorgesehen, dass sich bei maximaler Kälteleistungsanforderung ein Heat-Pick-Up im Luftstrom einstellen sollte oder ein zu hoher Druckverlust über dieses Heizregister resultiert, der sich nachteilig auf die Systemleistung auswirken könnte.
  • Zur Aufnahme der Abwärme von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs wird auf der Saugseite der Kälteanlage 1 ein als Chiller ausgebildeter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 mit einem dritten Expansionsorgan AE3 mit Abschaltfunktion parallel zum Verdampfer 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 in den Kältemittelkreislauf 1.1 integriert. Im AC-Betrieb (Kühlbetrieb) wird dieser Chiller mit dem dritten Expansionsorgan AE3 parallel zum Verdampfer 3 durchströmt und zusammen mit dem Kältemittel aus dem Verdampfer 3 über den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zurück zum Kältemittelverdichter 2 geführt.
  • Dieser Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 dient auch als Wärmequelle für eine Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1.1, indem der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 stromabwärtsseitig mittels eines ein viertes Abschaltventil A4 aufweisenden zweiten Wärmepumpenzweigs WP2 über das dritte Expansionsorgan AE3 mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 verbunden wird. Hierbei kann der Durchfluss des Verdampfers 3 mit Kältemittel mittels des ersten Expansionsorgans AE1 gesperrt werden. Das Kältemittel aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 strömt über den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zurück zum Kältemittelverdichter 2.
  • Als weitere Wärmequelle für die Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1.1 wird neben dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 als Chiller auch die Umgebungswärme des Fahrzeugs mittels des äußeren Kondensator 4 oder Gaskühlers 4 eingesetzt. Hierzu ist der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 mit dem Kältemittelverdichter 2 saugseitig verschaltet, indem mittels eines ein viertes Expansionsorgan AE4 aufweisenden dritten Wärmepumpenzweiges WP3 ein den zweiten Wärmepumpenzweig WP2, das erste Expansionsorgan AE1 und das dritte Expansionsorgan AE3 zusammenführender Abzweigpunkt P2 über die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 mit dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 fluidverbunden wird, wobei der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 im Vergleich zum AC-Betrieb in umgekehrter Richtung durchströmt wird. Anschließend wird das Kältemittel über das geöffnete Abschaltventil A2, den ersten Wärmepumpenzweig WP1 mit geöffnetem ersten Abschaltventil A1 über ein Rückschlagventil R2, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 2 zurückgeführt. Das zweite Expansionsorgan AE2 ist in dieser Betriebsart gesperrt.
  • Sind keine Wärmequellen verfügbar, weil bspw. das Kühlmittel des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 zu kalt ist und der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 für die Nutzung der Umgebungswärme vereist ist, wird der Kältemittelkreislauf 1.1 mit der sogenannten Dreiecksschaltung betrieben. In dieser Dreiecksschaltung wird das Kältemittel ohne Verdampfung lediglich verdichtet und die Wärme am inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 als Heizregister an den dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstrom abgegeben.
  • Eine direkte Dreiecksschaltung wird realisiert, indem über den ersten AC-Hauptzweig AC1 das Kältemittel in den ersten Wärmepumpenzweig WP1 bei geschlossenem zweiten Abschaltventil A2 entspannt wird. Das Kältemittel wird aus diesem ersten Wärmepumpenzweig WP1 bei geöffnetem ersten Abschaltventil A1 über das Rückschlagventil R2, den Kältemittelsammler 9 und die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 wieder zum Kältemittelverdichter 2 zurückgeführt. Damit wird lediglich die Abwärme des elektrisch betriebenen Kältemittelverdichters 2 genutzt. Das zweite Abschaltventil A2 verhindert bei über dem Umgebungsniveau liegenden Saugdrücken des Kältemittelverdichters 2 eine Versackung von Kältemittel in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4.
  • Eine indirekte Dreiecksschaltung wird dadurch realisiert, dass bei geöffnetem vierten Abschaltventil A4 des zweiten Wärmepumpenzweiges, WP2 das von dem Kältemittelverdichter 2 verdichtete Kältemittel mittels des dritten Expansionsorgans AE3 in den als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig kein Massenstrom in diesem Chiller erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser auf der Kühlmittelseite des Chillers stehen bleibt bzw. der Chiller nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird.
  • Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom mittels des Verdampfers 3 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom entzogenen Wärme mittels des als Heizregister ausgeführten inneren Heizkondensators oder Heizgaskühlers 5 diesen Zuluftstrom wieder zu erwärmen. Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1.1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
  • So wird bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 1.1 nur der Verdampfer 3 mit Kältemittel durchströmt, indem der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten vierten Abschaltventils A4 des zweiten Wärmepumpenzweiges WP2 über das erste Expansionsorgan AE1 mit dem Verdampfer 3 fluidverbunden wird, wobei das dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 als Chiller zugeordnete dritte Expansionsorgan AE3 gesperrt ist. Aus dem Verdampfer 3 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 2, wobei die im Verdampfer 3 aufgenommene Wärme gemeinsam mit dem über den Verdichter 3 eingetragenen Wärmestrom über den inneren Kondensator 5 wieder an einen in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom abgegeben wird.
  • Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 1.1 wird zur Wärmeaufnahme zusätzlich zum Verdampfer 3 auch der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 durch Öffnen des dritten Expansionsorgans AE3 und/oder der äußere Kondensator 4 oder Gaskühler 4 parallel geschaltet.
  • Mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 als Chiller wird zusätzlich die Abwärme von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten genutzt. Mit dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 wird in einer Wärmepumpenfunktion mittels des dritten Wärmepumpenzweiges WP3 die Umgebungswärme genutzt. Bei einer parallelen Nutzung der Abwärme aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 als auch der Umgebungswärme mittels des äußeren Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 wird das von dem Kältemittelverdichter 2 verdichtete Kältemittel über den inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 bei geöffnetem vierten Abschaltventil A4 des zweiten Wärmepumpenzweiges WP2 bei geschlossenem zweiten Expansionsorgan AE2 an dem Abzweigpunkt P2 in drei Teilströme aufgeteilt, nämlich in einen über den dritten Wärmepumpenzweig WP3 in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 entspannten Teilstrom, einen über das dritte Expansionsorgan AE3 in den Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 als Chiller entspannten Teilstrom und einen durch den Verdampfer 3 über das erste Expansionsorgan AE1 strömenden Teilstrom. Die Führungsgröße für den sich einstellenden Saugdruck stellt der Verdampfer 3 dar.
  • Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb wird neben dem inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler 5 zusätzlich über den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Verdampfer 3 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 2 strömt. Hierzu wird mittels des zweiten Expansionsorgans AE2 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den Verdampfer 3 auf Niederdruck expandiert.
  • Bei dem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß den 1 bis 4 ist bedarfsweise auch ein elektrisches Heizelement 10 als Zuheizer für den in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom vorgesehen, welches als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt werden kann.
  • Weitere gemeinsame Komponenten in diesen Kälteanlagen 1 gemäß den 1 bis 4 betreffen Druck-Temperatur-Sensoren pT1 bis pT4. Der Druck-Temperatursensor pT1 ist hochdruckseitig am Ausgang des Kältemittelverdichters 2 angeordnet, der Druck-Temperatursensor pT2 befindet sich zwischen dem Kältemittelsammler 9 und der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 und der Drucktemperatursensor pT3 ist in dem zweiten AC-Hauptzweig AC2 zwischen der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 und dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 angeordnet. Der Druck-Temperatursensor pT4 befindet sich in dem ersten AC-Hauptzweig AC1 am stromabwärtsseitigen Ende des inneren Heizkondensators oder Heizgaskühlers 5.
  • Der Kältemittelkreislauf 1.1 der Kälteanlage 1 gemäß 2 enthält zusätzlich zu demjenigen gemäß 1 einen Heckverdampfer 7 mit zugeordnetem fünften Expansionsorgan AE5. Die Reihenschaltung dieses fünften Expansionsorgans AE5 mit dem Heckverdampfer 7 ist parallel zu der Reihenschaltung aus dem Verdampfer 3 mit zugeordnetem ersten Expansionsorgan AE1 und damit auch parallel zu der Reihenschaltung aus dem dritten Expansionsorgan AE3 und dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 geschaltet. Bei einem Einsatz eines Heckverdampfers 7 dient der Verdampfer 3 als Frontverdampfer für den Fahrzeuginnenraum.
  • Mit einem solchen Heckverdampfer 7 lässt sich die Kälteleistung im AC-Betrieb hinsichtlich der Innenraumklimatisierung des Fahrzeugs steigern. Ein solcher Heckverdampfer 7 wird in einem entsprechenden Heck-Klimagerät integriert.
  • Entgegen der parallelen Anordnung des Heckverdampfers 7 zum als Frontverdampfer ausgeführten Verdampfer 3 und zum als Chiller ausgeführten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 ist auch eine serielle Anordnung des Heckverdampfers 7 zum Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 entsprechend von 3 möglich. Hierbei wird entweder der Heckverdampfer 7 dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 stromabwärts nachgeschaltet oder demselben stromaufwärtsseitig vorgeschaltet.
  • Nach 3 ist dieser Heckverdampfer 7 dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 stromabwärts nachgeschaltet, wobei ein Bypasszweig BP2 mit einem fünften Abschaltventil A5 und ein weiterer Bypasszweig BP3 mit einem sechsten Abschaltventil A6 vorgesehen sind, um einen Betrieb des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 ohne den Heckverdampfer 7, einen ausschließlichen Betrieb des Heckverdampfers 7, d. h. ohne den Betrieb des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 und einen gemeinsamen Betrieb sowohl des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 als auch des Heckverdampfers 7 durchzuführen.
  • Für den ausschließlichen Betrieb des Heckverdampfers 7 ist der den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 überbrückende Bypasszweig BP2 mit dem fünften Abschaltventil A5 freigeschaltet, während das sechste Abschaltventil A6 des Bypasszweiges BP3 geschlossen ist. Ist dagegen umgekehrt das fünfte Abschaltventil A5 geschlossen und das sechste Abschaltventil A6 geöffnet, ist lediglich der als Chiller betriebene Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager 6 in Betrieb.
  • Bei einem gemeinsamen Betrieb des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 und des Heckverdampfers 7 sind die beiden Abschaltventile A5 und A6 geschlossen. Soll nur der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 betrieben werden, ist das Abschaltventil A6 geöffnet.
  • Bei einer seriellen Verschaltung des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 mit dem Heckverdampfer 7 kann sich zur Regelung der Betriebszustände als vorteilhaft erweisen, mindestens einen weiteren Druck-Temperatursensor vorzusehen.
  • Der Kältemittelkreis 1.1 der Kälteanlage 1 nach 4 unterscheidet sich von demjenigen nach 1 dadurch, dass zur Steigerung von Leistung und Effizienz der Verdampfer 3 als Luftvorwärmer eingesetzt wird. Hierzu ist ein Vorwärmzweig VW mit einem sechsten Expansionsorgan AE6 vorgesehen, welcher das dritte Abschaltventil A3 des Bypasszweiges BP1 stromabwärtsseitig mit dem Austritt A des Verdampfers 3 für das Kältemittel im AC-Betrieb verbindet. Ferner ist ein weiterer Druck-Temperatursensor pT5 erforderlich, welcher zwischen dem ersten Expansionsorgan AE1 und dem Verdampfer 3 angeordnet ist.
  • Das von dem Kältemittelverdichter 2 auf Hochdruck verdichtete Kältemittel strömt durch den als Heizregister ausgeführten inneren Heizkondensator 5 oder Heizgaskühler 5 direkt in diesen Vorwärmzweig VW und wird mittels des sechsten Expansionsorgans AE6 in den Verdampfer 3 unter Abgabe von Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstrom zwischenexpandiert. Ein ebenso mit dem Austritt A des Verdampfers 3 verbundenes siebtes Abschaltventil A7 ist so angeordnet, dass ein Rückfluss des Kältemittels direkt zum Kältemittelverdichter 2 verhindert wird. Das in dem Verdampfer 3 entspannte Kältemittel strömt anschließend über das vollständig geöffnete erste Expansionsorgan AE1 und wird anschließend über das dritte Expansionsorgan AE3 in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 entspannt, ohne dass kühlmittelseitig ein Volumenstrom erzeugt wird. Auf diese Weise ist erneut der indirekte Dreiecksprozess realisierbar. Anschließend wird das Kältemittel über den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zurück zum Kältemittelverdichter 2 geführt. Dass bei diesem Vorwärmprozess direkt mit dem Austritt A des Verdampfers 3 verbundene achte Abschaltventil A8 ist hierbei geöffnet.
  • Dieser Vorwärmzweig VW kann auch für eine direkte Dreiecksschaltung verwendet werden, indem das Kältemittel mittels des sechsten Expansionsorgans AE6 nicht in den Verdampfer 3 entspannt wird, sondern bei geöffnetem siebten Abschaltventil A7 über das Rückschlagventil R1, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zurück zum Kältemittelverdichter 2 strömt. Um in diesem Fall eine Kältemittel-Auslagerung in den Verdampfer 3 zu verhindern, wird mittels des achten Abschaltventils A8 ein Kältemittelzufluss in den Verdampfer 3 verhindert. In diesem Fall kann darüber hinaus auf die Prozessführung des ersten Dreiecksprozesses über das Expansionsorgan AE2 verzichtet werden. Das Absperrventil A2 kann entfallen. Der Dreiecksprozess wird auf vorteilhafte Weise mit der kürzesten Verbindung zurück zum Verdichter dargestellt. Die Wärmeverluste an die Umgebung können folglich reduziert und eingedämmt werden.
  • Mit diesem Kältemittelkreislauf 1.1 gemäß 4 können weitere Entfeuchtungsprozesse mittels des Verdampfers 3 durchgeführt werden, insbesondere wenn zur Durchführung eines Reheat-Betriebes eine Umgebungstemperatur von weniger als 0 °C vorliegt und der Umluftanteil in einem Zuluftstrom für den Fahrzeuginnenraum erhöht ist und damit ein Trocknungsbedarf bestehen könnte.
  • Für einen ersten Entfeuchtungsprozess im Rahmen eines Reheat-Betriebs ist das siebte Abschaltventil A7 als Expansionsorgan ausgeführt, so dass das Kältemittel über den inneren Heizkondensator 5 oder Heizgaskühler 5 bei geöffnetem vierten Abschaltventil A4 mittels des ersten Expansionsorgans AE1 auf ein Zwischendruckniveau in den Verdampfer 3 mit einer Verdampfungstemperatur von größer als 0 °C entspannt wird. Anschließend wird das Kältemittel mittels des als Expansionsorgan ausgeführten siebten Abschaltventils A7 auf Niederdruckniveau entspannt und über das Rückschlagventil R1, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 6 zum Kältemittelverdichter 2 zurückgeführt.
  • Für einen zweiten Entfeuchtungsprozess im Rahmen eines Reheat-Betriebs wird das Kältemittel über den Vorwärmzweig VW mittels des sechsten Expansionsorgans AE6 auf Zwischendruckniveau in den Verdampfer 3 in umgekehrter Richtung im Vergleich zum AC-Betrieb expandiert, wobei auch mittels des ersten Expansionsorgans AE 1 zusätzlich das Zwischendruckniveau eingestellt wird. Anschließend strömt das Kältemittel unter Expansion mittels des dritten Expansionsorgans AE3 und/oder mittels des vierten Expansionsorgans AE4 in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 bzw. in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, um diese Komponenten als weitere Wärmequellen zu nutzen.
  • Anstelle des äußeren Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 mit direktem Wärmeübergang an die Umgebung kann auch ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als Kondensator oder Gaskühler Verwendung finden, der in indirekter Weise die im Kältemittel gebundenen Wärme über ein Zwischenmedium, in der Regel Kühlmittel, an die Umgebung übertragen kann. Vorteilhaft ist der Einsatz dieser Komponente insbesondere im Reheat-Modus mit Wärmeüberschuss-Handling, da aufgrund einer leicht über der Umgebungstemperatur zu liegen kommenden Kühlmitteltemperatur sich grundsätzlich ein höheres Kondensationstemperaturniveau einstellt und damit die Androsselung des Kältemittels auf Zwischendrucklage moderater ausfallen kann. Gleichzeitig stellt sich ein geringerer grundsätzlicher Kältemittelbedarf in einem solchen Kondensator bzw. Gaskühler ein.
  • Zusammenfassend werden mit den Kälteanlagen 1 gemäß den 1 bis 4 folgende Vorteile erzielt:
    • - Die Kälteanlagen 1 weisen einen einfachen Aufbau mit einem bereits in der Grundverschaltung gemäß 1 geringen Komponentenbedarf auf, um alle Heizoptionen zu realisieren.
    • - Es werden alle verfügbaren Wärmequellen außerhalb (Umgebungswärme) und innerhalb (Abwärme von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten) des Fahrzeugs verwendet.
    • - Eine Effizienzsteigerung und eine Minimierung eines zusätzlichen elektrischen Heizbedarfs aufgrund
      • - einer Leistungssteigerung des Wärmepumpenbetriebs mithilfe einer Dreiecksschaltung entweder ohne Nutzung von Wärmequellen oder gleichzeitiger Nutzung mehrerer Wärmequellen, gegebenenfalls auf unterschiedlichen Druckniveaus oder mithilfe eines vollumfänglichen Reheat-Betriebs, insbesondere auch bei einem Wärmeüberschuss, und
      • - einer direkten Nutzung der Heizwärme über den als Heizgerät ausgebildeten inneren Kondensator.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kälteanlage
    1.1
    Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 1
    2
    Kältemittelverdichter
    3
    Verdampfer
    4
    äußere Kondensator, Gaskühler
    5
    innerer Heizkondensator, Heizgaskühler, Heizregister
    6
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, Chiller
    7
    Heckverdampfer
    8
    innerer Wärmeübertrager
    9
    Kältemittelsammler
    10
    elektrisches Heizelement
    A1
    erstes Abschaltventil
    A2
    zweites Abschaltventil
    A3
    drittes Abschaltventil
    A4
    viertes Abschaltventil
    A5
    fünftes Abschaltventil
    A6
    sechstes Abschaltventil
    A7
    siebtes Abschaltventil
    A8
    achtes Abschaltventil
    AC1
    erster AC-Hauptzweig
    AC2
    zweiter AC-Hauptzweig
    AE1
    erstes Expansionsorgan
    AE2
    zweites Expansionsorgan
    AE3
    drittes Expansionsorgan
    AE4
    viertes Expansionsorgan
    AE5
    fünftes Expansionsorgan
    AE6
    sechstes Expansionsorgan
    BP1
    Bypasszweig
    BP2
    Bypasszweig
    BP3
    Bypasszweig
    P1
    Abzweigpunkt
    P2
    Abzweigpunkt
    pT1
    Druck-Temperatursensor
    pT2
    Druck-Temperatursensor
    pT3
    Druck-Temperatursensor
    pT4
    Druck-Temperatursensor
    pT5
    Druck Temperatursensor
    R1
    Rückschlagventil
    R2
    Rückschlagventil
    VW
    Vorwärmzweig
    WP1
    erster Wärmepumpenzweig
    WP2
    zweiter Wärmepumpenzweig
    WP3
    dritter Wärmepumpenzweig

Claims (7)

  1. Kälteanlage (1) für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf (1.1), umfassend - einen Kältemittelverdichter (2), - wenigstens einen Verdampfer (3) mit einem dem Verdampfer (3) zugeordneten ersten Expansionsorgan (AE1), - einen äußeren Kondensator oder Gaskühler (4), - einen inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler (5), - einen ersten AC-Hauptzweig (AC1), mit welchem der Kältemittelverdichter (2) stromabwärts über den inneren Heizkondensator oder Heizgaskühler (5) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) mit dem äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) verbindbar ist, - einen zweiten AC-Hauptzweig (AC2), mit welchem der äußere Kondensator oder Gaskühler (4) stromabwärts über das erste Expansionsorgan (AE1) und den Verdampfer (3) mit dem Kältemittelverdichter (2) verbindbar ist, und - einen ersten Wärmepumpenzweig (WP1), mit welchem das zweite Expansionsorgan (AE2) über ein erstes Abschaltventil (A1) mit dem Kältemittelverdichter (2) verbindbar ist, wobei - zur Durchführung eines Reheat-Betriebs der erste AC-Hauptzweig (AC1) über den äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) mit dem zweiten AC-Hauptzweig (AC2) verbindbar ist, und - dem äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) stromaufwärtsseitig ein zweites Abschaltventil (A2) vorgeschaltet ist, welches zur Durchführung einer ersten Wärmepumpenfunktion mittels des ersten Wärmepumpenzweiges (WP1) absperrbar ist.
  2. Kälteanlage (1) nach Anspruch 1, umfassend einen Bypass-Zweig (BP) mit einem dritten Abschaltventil (A3), mit welchem der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler (5) überbrückbar ist.
  3. Kälteanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend - einen Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager (6) mit einem zugeordneten dritten Expansionsorgan (AE3), und - einen zweiten Wärmepumpenzweig (WP2) mit einem vierten Abschaltventil (A4), mit welchem stromabwärtsseitig der innere Heizkondensator oder Heizgaskühler (5) mit dem Kältemittel-Kühlmittelwärmeübertrager (6) verbindbar ist.
  4. Kälteanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen dritten Wärmepumpenzweig (WP3) mit einem vierten Expansionsorgan (AE4), welcher im Wärmepumpenbetrieb zur Nutzung der Umgebungswärme des Fahrzeugs dem äußeren Kondensator oder Gaskühler (4) stromabwärtsseitig vorgeschaltet ist.
  5. Kälteanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Verdampfer (3) als Frontverdampfer des Fahrzeugs ausgeführt ist und die Kälteanlage (1) einen Heckverdampfer (7) mit zugeordnetem fünften Expansionsorgan (AE5) aufweist.
  6. Kälteanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, umfassend - einen Vorwärmzweig (VW) mit einem sechsten Expansionsorgan (AE6), wobei - der Vorwärmzweig (VW) mittels des Bypasszweiges (BP) derart mit dem Verdampfer (3) verbindbar ist, dass der Verdampfer (3) im Vergleich zum AC-Betrieb in umgekehrter Richtung von dem Kältemittel durchströmbar ist.
  7. Kälteanlage (1) nach Anspruch 6, bei welchem zur Durchführung eines Vorwärmbetriebes zum Vermeiden einer Kältemittelströmung in Richtung des Kältemittelverdichters (2) dem Verdampfer (3) ein fünftes Abschaltventil (A5) stromabwärtsseitig vorgeschaltet ist.
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