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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Dual-Expansionsventil für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs, auf eine Anordnung eines ersten Wärmetauschers und des Dual-Expansionsventils für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs und auf einen Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug, umfassend die Anordnung des ersten Wärmetauschers und des Dual-Expansionsventils.
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Kältemittelkreisläufe im Rahmen von Kühl-/Heizsystemen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb (z.B. mit einer Brennstoffzelle) oder Hybridantrieb eingesetzt, um eine als Energiespeicher fungierende Batterie vor übermäßiger Erwärmung zu schützen. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, die Batterie über einen Kühlkreislauf zu kühlen, der gleichzeitig als Teil einer Klimaanlage zur Kühlung der Zuluft für einen Fahrzeuginnenraum fungiert.
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Die
DE 10 2015 205 933 A1 offenbart beinen Wärmetauscherblock mit einem ersten Fluidkanal für ein Kühlmittel und einem zweiten Fluidkanal für ein Kältemittel, einem Expansionsventil zum Steuern eines Massenstroms bzw. einer Massendurchflussrate des Kältemittels, einem Verbindungsflansch mit einem Einlasskanal und einem Auslasskanal für das Kältemittel, wobei der Einlasskanal mit dem zweiten Fluidkanal in einem Übergangsbereich verbunden ist. Ein elektrisches Expansionsventil (EXV) dient zur Steuerung des Massenstroms des Kältemittels.
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Die
US 2017 358 833 offenbart ein Klimasteuerungssystem für ein Fahrzeug, das ein Kältemittel-Subsystem mit einem Kühler bzw. einer Kältemaschine und ein EXV beinhaltet, das so angeordnet ist, dass es selektiv Kältemittel zu dem Kühler leitet. Das Fahrzeug beinhaltet ferner ein Kühlmittel-Subsystem mit einer Leitung, die so angeordnet ist, dass sie das Kühlmittel durch eine Traktionsbatterie und den Kühler bzw. die Kältemaschine zirkuliert. Das Kühlmittel-Subsystem beinhaltet ferner einen ersten Temperatursensor, der konfiguriert ist, um das in eine Einlassseite des Kühlers zirkulierende Kühlmittel zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der konfiguriert ist, um das aus einer Auslassseite des Kühlers zirkulierende Kühlmittel zu messen. Eine Fahrzeugsteuerung ist konfiguriert, um in Reaktion auf das Überschreiten einer Schwellentemperatur durch die Batterie und auf die angeforderte Kabinenklimatisierung das Öffnen des EXV in eine vorbestimmte Position zu steuern und die Position basierend auf einer gemessenen Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor einzustellen.
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JP 2002 352 866 A offenbart ein Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf, die über einen Kältemittel/Kühlmittelwärmetauscher miteinander gekoppelt sind. Im Kühlmittelkreislauf befinden sich eine zu kühlende Batterie und ein Luft-/Kühlmittelwärmetauscher zur Kühlung des Kühlmittels mit Umgebungsluft. Der Luft-/Kühlmittelwärmetauscher kann vom Kühlmittel über eine Bypassleitung steuerbar umgangen werden. Ein Verdampfer zur Kühlung der Zuluft im Fahrzeuginnenraum befindet sich in einem Kühlkreislaufzweig parallel zum Zweig des Kältemittel/Kühlmittelwärmetauschers. In diesem Kühlsystem kann die Kühlung der Batterie zum einen über den Luft-/Kühlmittelwärmetauscher mittels Umgebungsluft und zum anderen über den Kühlmittel-/Kältemittelwärmetauscher mittels Kältekreislauf erfolgen. Im Kältekreislauf ist ein Umschaltventil vorgesehen, das steuert, ob das Kältemittel über den Kältemittel/Kühlmittelwärmetauscher oder über den Verdampfer zur Kühlung der Zuluft fließt.
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Probleme der oben genannten Dokumente zum Stand der Technik sind die hohe Komplexität und damit die hohen Kosten der Kältemittelkreisläufe. Darüber hinaus muss die Effizienz der Kühlung der Wärmequelle verbessert werden, da die Leistung der Kühlung nicht optimal ist. Ein Problem der oben genannten Dokumente zum Stand der Technik ist zudem die mangelnde Flexibilität bei der Steuerung der Performance/ der Wärmeübertragung eines Wärmetauschers.
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Gegenstand der Erfindung ist es, eine optimierte Anordnung zur Steuerung des Kältemittelflusses im Kältemittelkreislauf bereitzustellen, mit der eine effektive Kühlung einer Wärmequelle, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, bei gleichzeitig geringer Komplexität des Kältemittelkreislaufs möglich ist.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs vorgesehen, das das Folgende umfasst: einen ersten Einlass und einen ersten Auslass; einen ersten Strömungsbegrenzungsmechanismus mit einem beweglichen ersten Ventilelement, durch das ein erster Kältemittelstrom, der durch einen ersten Durchgang vom ersten Einlass zum ersten Auslass fließt, gesteuert werden kann; einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass; einen zweiten Strömungsbegrenzungsmechanismus mit einem beweglichen zweiten Ventilelement, durch das ein zweiter Kältemittelstrom, der durch einen zweiten Durchgang vom zweiten Einlass zum zweiten Auslass fließt, gesteuert werden kann; ein Steuerelement zum gemeinsamen Bewegen des ersten Ventilelements und des zweiten Ventilelements; ein Sensierelement zum Erfassen einer Temperatur: und ein Ventilantriebselement; das konfiguriert ist, das Steuerelement gemäß der erfassten Temperatur zu steuern.
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Dieses Dual-Expansionsventil für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs ermöglicht es, einen Verdampfungsdruck/Temperatur eines ersten Zweiges des Kältemittelkreislaufs bereitzustellen, der unabhängig vom Verdampfungsdruck/Temperaturverdampfer und einem zweiten Zweig des Kältemittelkreislaufs ist. Somit ist es möglich, die Leistung / Wärmeübertragung in einem bestimmten Wärmetauscher unabhängig voneinander zu steuern. Im Detail kann das erfinderische Dual-Expansionsventil die Kältemittelströme am Ein- und Auslass eines Wärmetauschers gleichzeitig steuern. Dieser Wärmetauscher kann unabhängig vom Rest des Kältemittelkreislaufs gesteuert werden, da das Dual-Expansionsventil den Wärmetauscher (d.h. den Fluidstrom vom und zum Wärmetauscher) funktionell vom Rest des Kältemittelkreislaufs trennt. Somit kann der Wärmetauscher, der mit dem ersten Auslass und dem zweiten Einlass des Dual-Expansionsventils verbunden ist, auf seine optimalen physikalischen Bedingungen (z.B. Verdampfungstemperatur, Solltemperatur, Druckabfall, etc.) gesteuert werden.
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Darüber hinaus macht die Integration von zwei Strömungsbegrenzungsmechanismen, d.h. zwei Expansionsventilen, in einem Gerät das Gerät kompakter, fertigungsfreundlicher und kostengünstiger.
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Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der thermischen Regelung des Dual-Expansionsventils eine schnelle Einstellung der Strömungseigenschaften des Dual-Expansionsventils und erspart ein zusätzliches Steuergerät, das für ein elektrisches Ausdehnungsgerät bei konventioneller Verwendung erforderlich wäre.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil vorgesehen, wobei der erste und der zweite Strömungsbegrenzungsmechanismus so konfiguriert sind, dass die jeweiligen Änderungsraten der Querschnitte des ersten und zweiten Begrenzungsmechanismus durch die Bewegung des Steuerelements unterschiedlich sind.
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Folglich unterscheiden sich die Strömungseigenschaften, z.B. die Durchflusskoeffizienten, der beiden (Expansions-)Ventile, die vom Dual-Expansionsventil bereitgestellt werden, voneinander. Daher ist es möglich, ein Dual-Expansionsventil vorzusehen, das den Kältemittelfluss in den Einlass eines Wärmetauschers und gleichzeitig den Durchfluss des Auslasses desselben Wärmetauschers entsprechend steuern kann. Der Durchflusskoeffizient ist ein relatives Maß für die Effizienz des Ventils / der Ventile beim Zulassen des Kältemittelstroms. Sie beschreibt den Zusammenhang bzw. die Beziehung zwischen dem Druckabfall über dem Ventil und dem entsprechenden Durchfluss.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil bzw. ein duales Expansionsventil vorgesehen, wobei das duale Expansionsventil so konfiguriert ist, dass eine monotone Abhängigkeit, insbesondere eine lineare oder eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit, vom ersten Kältemittelstrom von der erfassten Temperatur besteht; und das Doppelverdampfungsventil so konfiguriert ist, dass eine monotone Abhängigkeit, insbesondere eine lineare oder eine im Wesentliche lineare Abhängigkeit, des zweiten Kältemittelstroms von der erfassten Temperatur vorliegt; und/oder der Gradient der im Wesentlichen linearen Abhängigkeit des ersten Kältemittelstroms von der erfassten Temperatur größer ist als der Gradient der im Wesentlichen linearen Abhängigkeit des zweiten Kältemittelstroms von der erfassten Temperatur. Eine monotone Abhängigkeit des ersten Kältemittelstroms (z.B. seines Massenstroms oder seines Volumenstroms) von der erfassten Temperatur kann als Abhängigkeit des ersten Kältemittelstroms (y) von der erfassten Temperatur (x) im Sinne einer monotonen Funktion y = f (x) verstanden werden, wobei diese Funktion entweder vollständig nicht steigend oder vollständig nicht fallend ist. Beispiele für eine solche monotone Funktion sind lineare (steigende oder abnehmende) Funktionen, quasi lineare (steigende oder abnehmende) Funktionen, logarithmische (steigende oder abnehmende) Funktionen oder parabolische (steigende oder abnehmende) Funktionen.
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Der Erfinder erkannte, dass die optimalen Durchflusskoeffizienten der beiden (Expansions-)Ventile, die eine genaue und effiziente Steuerung der Wärmetauscherperformance (und damit der Menge der ausgetauschten Wärme) ermöglichen, beide grundsätzlich monoton, insbesondere nahezu linear sind. Zusätzlich weisen diese beiden optimalen und linearen Durchflusskoeffizienten unterschiedliche Gradienten auf, die z.B. durch Berechnungen genau bestimmt werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil vorgesehen, wobei das Steuerelement zum gemeinsamen Bewegen des ersten Ventilelements und des zweiten Ventilelements eine einzelne Stange bzw. ein einzelner Stab ist; und das bewegliche erste Ventilelement und das bewegliche zweite Ventilelement angeordnet sind, um einen variablen Querschnitt des ersten Durchgangs bzw. des zweiten Durchgangs bereitzustellen.
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Die duale Expansionsvorrichtung nach der Erfindung ist vorzugsweise eine duale thermische (mechanische) Expansionsvorrichtung (TXV) und hat daher keine elektrische Betätigung. Dies macht die Konstruktion im Vergleich zu einer elektrischen Expansionsvorrichtung kostengünstiger. Außerdem werden beide Ventilelemente durch die gleiche Stange betätigt. Daher ist nur ein Betätigungsmechanismus erforderlich. Dadurch ist die Dual-Expansionsvorrichtung kompakt, einfach herzustellen und nicht teuer.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil vorgesehen, wobei das Ventil ferner ein Vorspannelement, vorzugsweise eine im Wesentlichen lineare Feder, umfasst, die das Steuerelement in eine erste Richtung vorspannt; wobei das Ventilantriebselement, vorzugsweise ein Bulbus, das Steuerelement in eine zweite Richtung antreibt, und zwar entgegen der ersten Richtung. Wie vorstehend erläutert, sind die optimalen Durchflusskoeffizienten der Schleppventile im Wesentlichen linear. Somit ist eine lineare mechanische Feder eine einfache und unkomplizierte Lösung, um die Strömungsbegrenzungsmechanismen zu beeinflussen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Dual-Expansionsventil vorgesehen, wobei das Dual-Expansionsventil ein mechanisches Expansionsventil ist, das die thermische Steuerung des ersten und zweiten Kältemittelstroms verwendet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung eines ersten Wärmetauschers und eines Dual-Expansionsventils vorgesehen, wobei der erste Wärmetauscher den Wärmetausch für einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf bereitstellt; wobei das Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs den ersten und zweiten Kältemittelstrom umfasst, wobei der erste Kältemittelstrom stromaufwärts in den ersten Wärmetauscher eintritt und der zweite Kältemittelstrom stromabwärts des ersten Wärmetauschers austritt und das Dual-Expansionsventil für das Wärmemanagement der Wärmequelle innerhalb des Kühlmittelkreislaufs konfiguriert ist, der Wärme mit dem Kältemittelkreislauf austauscht.
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Gemäß einem weiteren Hauptaspekt der Erfindung ist ein Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei der Kältemittelkreislauf einen Verdichter zum Verdichten des Kältemittels umfasst; und einen zweiten Wärmetauscher, vorzugsweise einen Radiator, der die Wärme des verdichteten Kältemittels ableitet, wobei der zweite Wärmetauscher fluidisch mit dem Verdichter verbunden ist, und; eine Expansionsvorrichtung, die das verdichtete Kältemittel expandiert, wobei die Expansionsvorrichtung mit dem zweiten Wärmetauscher und einem dritten Wärmetauscher zum Austausch von Wärme mit dem expandierten Kältemittel fluidisch verbunden ist, wobei der dritte Wärmetauscher mit der Expansionsvorrichtung und mit dem Verdichter fluidisch verbunden ist; eine Verbindung, die den Kältemittelstrom stromaufwärts der Expansionsvorrichtung und des dritten Wärmetauschers trennt, wobei der erste Zweig die Expansionsvorrichtung und der dritte Wärmetauscher beinhaltet und der zweite Zweig die Anordnung des ersten Wärmetauschers und des Dual-Expansionsventils gemäß dem vorhergehenden Aspekt beinhaltet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug gemäß vorgesehen, wobei die erfasste Temperatur entweder die Temperatur am Einlass oder am Auslass des ersten Wärmetauschers im Kühlkreislauf oder im Kältemittelkreislauf ist; und das Dual-Expansionsventil steuert die erste Durchflussmenge des ersten Kühlmittelstroms und die zweite Durchflussmenge des zweiten Kühlmittelstroms in Abhängigkeit von einer Solltemperatur zum Kühlen der Wärmequelle/- senke.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei das Vorspannelement und die Querschnitte des Dual-Expansionsventils so angepasst sind, dass das Druckniveau des ersten Wärmetauschers unterschiedlich, insbesondere höher, ist als das Druckniveau des dritten Wärmetauschers.
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Die Vorteile der oben genannten Aspekte sind wie folgt: Keine Steuerung erforderlich, billiger, platzsparend, weniger Komponenten und weniger Rohr-/Komponentenverbindungen.
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Für den Einsatz der Dual-Expansionsvorrichtung zur Batteriekühlung mit Wasser ist in der Regel ein Temperaturbereich akzeptabel (z.B. ist nur <35 Grad Celsius Batteriezellentemperatur gewünscht). Eine hochgenaue Regelung (z.B. +/- 0,5K) des Kühlwassers hat daher keine Priorität. Daher ist ein mechanisches Dual-Expansionsventil ausreichend, um die Leistung / Wärmeübertragung eines Wärmetauschers zu steuern.
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Die oben genannten Aspekte können vom Fachmann leicht kombiniert werden, da er dies für technisch möglich hält.
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Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung der vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Die gleichen Bezugszeichen beziehen sich im Allgemeinen auf gleiche oder ähnliche Teile oder auf Teile, die die gleiche oder ähnliche Funktionalität bieten.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer Darstellung in Form eines Blockdiagramms einen aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreislauf;
- 2 zeigt in einer Darstellung in Form eines Blockdiagramms einen Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen / Heizen, unter anderem eine Batterie gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
- 3 zeigt einen Querschnitt durch das Dual-Expansionsventil von 2 im Detail;
- 4 zeigt in einer Darstellung in Form eines Blockdiagramms einen Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen / Heizen, unter Anderem eine Batterie gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN UND DES STANDES DER TECHNIK
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Ein bekannter Kältemittelkreislauf 10a, in dem ein herkömmliches Kältemittel zirkuliert, ist in 1 dargestellt. Der Kältemittelkreislauf 10a umfasst einen Verdichter 1a zum Verdichten des Kältemittels im Kreislauf, wobei ein Kältemittelstrom im Kreislauf vorgesehen ist. Das komprimierte und erwärmte Kältemittel aus dem Auslass des Verdichters 1a wird dann durch einen Hochdruckwärmetauscher 2a gekühlt, der wiederum einen Modulator-Sammler 3a am Auslass aufweist. Anschließend wird der Kältemittelkreislauf 10a in zwei parallele Zweige 20a, 24a an einer ersten Verbindung 21a unterteilt. Daher wird der Kältemittelstrom in jedem (Ab-) Zweig 20a, 24a in zwei Kältemittelströme getrennt. Der erste Abzweig 24a umfasst eine erste Expansionsvorrichtung 4a, die eine elektrische Expansionsvorrichtung sein könnte, und anschließend einen ersten Niederdruckwärmetauscher 5a, beispielsweise einen Luftverdampfer zum Kühlen der Luft in einer Kabine des Kraftfahrzeugs. Der zweite Abzweig 20a umfasst eine zweite Expansionsvorrichtung 11a, die eine elektrische Expansionsvorrichtung sein könnte, und einen zweiten Niederdruckwärmetauscher 6a. Der zweite Niederdruckwärmetauscher 6a, z.B. ein Kühler oder eine Kältemaschine, kann Wärme mit einer Wärmequelle 8a, z.B. einer Batterie des Fahrzeugs, z.B. durch Luftkühlung austauschen. Der erste Abzweig 24a und der zweite Abzweig 20a sind an einer zweiten Verbindung 22a verbunden. Daher werden die beiden getrennten Kältemittelströme des ersten und zweiten Abzweigs 24a, 20a zu einem Hauptkältemittelstrom zusammengefasst, der über einen gemeinsamen Verdampferdruckregler 12a zum Einlass des Verdichters 1a fließt.
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Bei diesem Kältemittelkreislauf 10a sind jedoch die Ausgänge des Verdampfers 5a und der Kühler 6a direkt miteinander verbunden, um das Kältemittel an der Verbindung 22a zu mischen. Theoretisch, wenn es einen minimalen Druckabfall in den Rohren gibt, die die Ausgänge des Verdampfers 5a und des Kühlers 6a verbinden, liefern die Ausgänge des Verdampfers 5a und des Kühlers 6a den gleichen Druck. In der Praxis sind die Drücke an den Ausgängen des Verdampfers 5a bzw. des Kühlers 6a stark voneinander abhängig und nahezu identisch.
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Der Mischdruck an der Verbindungsstelle 22a ist abhängig davon, welcher der Wärmetauscher 5a, 6a mit einem niedrigeren Druck arbeitet (verdampft). In den meisten Fällen wird der resultierende Druck oder die äquivalente Sättigungstemperatur durch den Kabinenverdampfer definiert, da die Verdampfung in einem Kühlmodus des Kältemittelkreislaufs 10a in der Regel unter 10 Grad Celsius erfolgt, während der Kühler 6a bei einer höheren Temperatur arbeiten sollte, da eine Fahrzeugbatterie üblicherweise etwa 25 Grad Celsius Wassertemperatur benötigt.
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In diesem häufigen Fall ist eine effiziente Leistungsverteilung auf Verdampfer 5a und Kühler 6a nicht möglich, da sie beide voneinander betroffen sind. Mit anderen Worten, es besteht eine inhärente gegenseitige Abhängigkeit der Druckverluste der beiden Wärmetauscher 5a, 6a. Daher ist es nicht möglich, dass beide Wärmetauscher 5a und 6a gleichzeitig mit ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeiten können. Darüber hinaus wirken sich Änderungen der Last des ersten Wärmetauschers 5 und des Kühlmitteldurchsatzes im ersten Wärmetauscher naturgemäß auch auf den Durchfluss im zweiten Wärmetauscher aus, was die Leistung des zweiten Wärmetauschers 6a negativ beeinflusst.
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Darüber hinaus führt der Einsatz von zwei elektrischen Expansionsvorrichtungen in diesem konventionellen Kältemittelkreislauf 10a zu einem komplexen und teuren Aufbau.
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2 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen / Heizen, unter Anderem eine Batterie gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung. Ähnlich wie 1 verdichtet ein Verdichter 1 das Kältemittel, wobei ein Hochdruckwärmetauscher 2, beispielsweise ein Luftkondensator, dem verdichteten Kältemittel Wärme entzieht. Alternativ kann anstelle des Luftkondensators auch ein indirekter Kreislauf aus einem Wasserkondensator und einem Radiator verwendet werden.
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Der Auslass des Hochdruckwärmetauschers 2 ist mit einem Modulatorempfänger 3 verbunden. Alternativ kann auch ein Akkumulator am Einlass des Verdichters 1 verwendet werden.
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Der Kältemittelkreislauf 10 teilt sich in zwei parallele Zweige bzw. Abzweige 24, 20 an der Verbindungsstelle bzw. Verbindung 21. Der erste Abzweig 24 umfasst eine erste elektrische Expansionsvorrichtung 4 und anschließend einen ersten Niederdruckwärmetauscher 5, beispielsweise einen Luftverdampfer zum Kühlen der Luft in einer Kabine des Kraftfahrzeugs. Alternativ kann eine indirekte Luftkühlung durch den Einsatz einer Kältemaschine und eines Kühlerkerns realisiert werden. Darüber hinaus umfasst der erste Abzweig 21 einen eigenen Verdampferdruckregler 12 zum Regeln des Drucks (Drop) des ersten Niederdruckwärmetauschers 5.
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Der zweite Abzweig 20 umfasst eine Dual-Expansionsvorrichtung 7 und einen zweiten Niederdruckwärmetauscher 6, zum Beispiel einen Kühler oder eine Kältemaschine, die Wärme mit einer Wärmequelle 8, zum Beispiel einer Batterie, einem Motorgenerator oder einem Wechselrichter des Fahrzeugs, austauschen kann. Im Einzelnen weist die Dual-Expansionsvorrichtung 7 einen ersten Einlass 71, einen ersten Auslass 72, einen zweiten Einlass 73 und einen zweiten Auslass 74 auf. Der erste Einlass 71 ist fluidisch mit der ersten Verbindung 21 verbunden. Der erste Auslass 72 ist fluidisch mit einem Einlass des zweiten Niederdruckwärmetauschers 6a verbunden. Der Auslass des zweiten Niederdruckwärmetauschers 6a ist fluidisch mit dem zweiten Einlass 73 der Dual-Expansionsvorrichtung 7 verbunden. Der zweite Auslass 74 der Dual-Expansionsvorrichtung ist mit der zweiten Verbindung 22 fluidisch verbunden.
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Der Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Wärmetauscher 6 und der Wärmequelle 8 kann durch Luftkühlung oder mit einem separaten Fluidkühlkreislauf (nicht dargestellt) erfolgen, der beide verbindet. Innerhalb dieses Kühlkreislaufs zirkuliert ein herkömmliches Kühlmittel, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch, von der Wärmequelle 8 zum zweiten Wärmetauscher 6 und umgekehrt. Dieser Kühlkreis beinhaltet als zu kühlende Wärmequelle 8 die Batterie, die beispielsweise eine Traktionsbatterie eines als Kraftfahrzeugantrieb dienenden Hybridantriebs sein kann. Die Batterie wird somit durch das Kühlmittel gekühlt oder erwärmt, wobei im Kühlkreislauf stromabwärts der Wärmequelle 8 zusätzlich ein Temperatursensor zur Messung der Kühlmitteltemperatur vorgesehen werden kann. Außerdem können in diesem Kühlkreislauf eine Kühlmittelpumpe und ein Steuerventil vorgesehen werden. Mit diesem optionalen Regelventil kann das Kühlmittel in steuerbaren Anteilen dem Kältemittel/Kühlmittelwärmetauscher 6 zugeführt werden.
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Die duale Expansionsvorrichtung 7 gemäß der Erfindung wird in Bezug auf 3 näher erläutert. Der erste Einlass 71 und der erste Auslass 72 sind fluidisch miteinander verbunden, so dass ein erster Durchgang für das Kältemittel vorgesehen ist. Der erste Durchgang ist ebenfalls fluidisch vom zweiten Einlass 73 und dem zweiten Auslass 74 getrennt. Das Kältemittel kann vom ersten Einlass 71 zum ersten Auslass 72 fließen, so dass ein steuerbarer erster Kältemitteldampf 77 (d.h. der Volumenstrom [l/min] und/oder der Massenstrom [kg/min] des Kältemittels) bereitgestellt werden kann. Zwischen dem ersten Einlass 71 und dem ersten Auslass 72 ist ein erster Strömungsbegrenzungsmechanismus 772 angeordnet, der den ersten Kältemitteldampf 77 steuerbar begrenzen kann. Im Einzelnen wird der erste Strömungsbegrenzungsmechanismus 772 durch ein bewegliches erstes Ventilelement 770 bereitgestellt, das innerhalb einer ersten Öffnung 771 angeordnet ist. Das bewegliche erste Ventilelement 770 ist an einer beweglichen Stange 76 befestigt. Die Stange 76 kann entlang einer Achse bewegt werden, z.B. auf und ab, wie durch den Doppelpfeil in 3 dargestellt, um den verfügbaren Querschnitt (z.B. in[mm2]) für den Durchfluss des ersten Kältemitteldampfes 77 zu ändern. Folglich ist ein erstes Expansionsventil vorgesehen.
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Der erste und zweite Kältemittelstrom können im stationären Zustand den gleichen Massenstrom aufweisen. Vorübergehend kann der Massenstrom abweichen, z.B. wenn der Kühler als Kältemittelabscheider/-löser arbeitet. Die Volumenströme sind aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen vor und nach dem Kühler typischerweise unterschiedlich.
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Darüber hinaus sind, wie in 3 dargestellt, der zweite Einlass 73 und der zweite Auslass 74 miteinander fluidisch verbunden, so dass ein zweiter Durchgang für das Kältemittel vorgesehen ist. Der zweite Durchgang ist ebenfalls fluidisch vom ersten Einlass 71 und dem ersten Auslass 72 und dem entsprechenden Durchgang für das Kältemittel getrennt. Das Kältemittel kann vom zweiten Einlass 73 zum zweiten Auslass 74 strömen, so dass ein steuerbarer zweiter Kältemitteldampf 78 (d.h. der Volumenstrom [l/min] und/oder der Massenstrom [kg/min] des Kältemittels) bereitgestellt werden kann. Zwischen dem zweiten Einlass 73 und dem zweiten Auslass 74 ist ein zweiter Strömungsbegrenzungsmechanismus 782 angeordnet, der den zweiten Kältemitteldampf 78 steuerbar begrenzen kann. Im Einzelnen wird der zweite Strömungsbegrenzungsmechanismus 782 durch ein bewegliches zweites Ventilelement 780 bereitgestellt, das innerhalb einer zweiten Öffnung 781 angeordnet ist. Das bewegliche zweite Ventilelement 780 ist ebenfalls an der beweglichen Stange 76 befestigt. Durch Bewegen der Stange 76 kann der verfügbare Querschnitt (z.B. in [mm2]) für den Durchfluss des zweiten Kältemitteldampfes 78 verändert werden. Somit ist auch ein zweites Expansionsventil im Dual-Expansionsventil vorgesehen.
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Somit werden das erste Ventilelement 770 und das zweite Ventilelement 780 gemeinsam bewegt und somit können der erste Kältemittelstrom 77 und der zweite Kältemittelstrom durch die Bewegung einer einzigen Stange 76 vorteilhaft gesteuert werden. Das Dual-Expansionsventil nach der Erfindung ist daher einfach aufgebaut, benötigt keine elektrischen Stellglieder und kann daher kostengünstig hergestellt werden.
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Die bewegliche Stange 76 ist vorzugsweise auf einer Seite mit einer Feder 79 versehen und an einem Stellglied 75 oder einem Ventilantriebselement 75 befestigt. Das Stellglied ist vorzugsweise ein Bulbus 75, die mit einem Sensierelement 751 verbunden ist. Das Sensierelement 751 kann zum Erfassen einer Temperatur an einer ausgewählten Stelle des Kältemittelkreislaufs verwendet werden. Der Bulbus 75 wird vorzugsweise mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt und kann sich entsprechend der gemessenen Temperatur ausdehnen und zusammenziehen. Das Sensierelement 751 kann auch mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt und mit dem Bulbus 75 fluidisch verbunden werden. Wenn sich der Bulbus ausdehnt, bewegt sich die Stange gegen den Druck der Feder 79 (in 3 wäre die Bewegungsrichtung nach unten) und das erste und zweite Expansionsventil öffnen sich durch Vergrößerung der verfügbaren Querschnitte für den ersten Kältemittelstrom 77 und den zweiten Kältemittelstrom 78. Mit anderen Worten gibt der Gas- oder Flüssigkeitsdruck im Bulbus 75 die Kraft zum Öffnen des Doppelverdichtungsventils bzw. des doppelten Expansionsventils an, wodurch der Kältemittelfluss und damit die Leistung / Wärmeübertragung, insbesondere die Überhitzung, geregelt werden.
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Vorzugsweise kann die Bewegung der Stange 76 (im Wesentlichen) linear von der erfassten Temperatur abhängig sein, so dass die Strömungskoeffizienten beider Expansionsventile (im Wesentlichen) linear von der erfassten Temperatur abhängig sind.
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Darüber hinaus können der erste Strömungsbegrenzungsmechanismus 772 und der zweite Strömungsbegrenzungsmechanismus 782 so dimensioniert werden, dass die Änderungsraten der Querschnitte des ersten und zweiten Begrenzungsmechanismus durch die Bewegung des Steuerelements unterschiedlich sind. So können beispielsweise die Größen der ersten und zweiten Öffnungen 771 und 772 unterschiedlich sein, oder die Größen des ersten Ventilelements 770 und des zweiten Ventilelements 780 können unterschiedlich sein. Daher kann das Dual-Expansionsventil 7 für beide Expansionsventile unterschiedliche lineare Durchflusscharakteristiken aufweisen.
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Darüber hinaus können sowohl der Strömungsbegrenzungsmechanismus 772 als auch der Strömungsbegrenzungsmechanismus 782 so dimensioniert werden, dass das Dual-Expansionsventil so konfiguriert ist, dass eine monotone Abhängigkeit, insbesondere eine lineare oder eine wesentliche lineare Abhängigkeit, des ersten Kältemittelstroms von der erfassten Temperatur besteht, dass eine monotone Abhängigkeit, insbesondere eine lineare oder eine wesentliche lineare Abhängigkeit, vorliegt, ein zweiter Kältemittelstrom von der erfassten Temperatur und vorzugsweise der Gradient der monotonen oder im Wesentlichen linearen Abhängigkeit des ersten Kältemittelstroms von der erfassten Temperatur größer ist als der Gradient des monotonen oder im Wesentlichen linearen Kältemittelstroms.
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Die Form des beweglichen ersten Ventilelements 770 kann kegelförmig sein oder in seinem Querschnitt eine trapezförmige, kegelstumpfförmige Form aufweisen, wie in 3 dargestellt. Alternativ kann er sphärisch oder kugelförmig in seiner Querschnittsform sein. Gleiches gilt für das zweite Ventilelement 780.
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Die Dual-Expansionsvorrichtung 7 ermöglicht eine Steuerung des Durchflusses im zweiten Niederdruckwärmetauscher 6 und erzeugt ein anderes Druckniveau gegenüber dem ersten Niederdruckwärmetauscher 5 durch Kältemittelausdehnung sowohl am Einlass als auch am Auslass des zweiten Niederdruckwärmetauschers 6. Somit ermöglicht die Dual-Expansionsvorrichtung 7 eine Steuerung der Leistung / Wärmeübertragung (oder Überhitzung) im Wärmetauscher 6 im Wesentlichen unabhängig vom Rest des Kältemittelkreislaufs 10 mit einer einfachen und kostengünstigen Konstruktion.
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Mit dem Kältemittelkreislauf 10 und dem Dual-Expansionsventil 7 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist es möglich, eine geringere Überhitzung für den zweiten Wärmetauscher 6 im Vergleich zum Stand der Technik Kältemittelkreislauf 10a bereitzustellen. Dadurch ist der Kältemittelkreislauf 10 effizienter.
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Die TXV-Einstellung ist abhängig von der Soll-Wassertemperatur für die Batteriekühlung (z.B. Kühlwasser ein- oder ausschalten). Sie ist vergleichbar mit der Überhitzungseinstellung im häufig verwendeten TXV für Kabinenverdampfer.
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4 zeigt einen zweiten Aspekt der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen der 4 beziehen sich auf dieselben Teile oder Funktionen, die bereits im Zusammenhang mit den 2 und 3 erläutert wurden, so dass eine detaillierte Erläuterung dieser Teile oder Funktionen weggelassen werden kann.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein kombinierter Kühl- und Wärmekreislauf vorgesehen, der als Wärmepumpe arbeiten kann. So kann es beispielsweise notwendig sein, eine Batterie 8 eines Fahrzeugs, z.B. im Winter, auf eine optimale Betriebstemperatur der Batterie 8 zu erwärmen. Eine Wärmequelle 8 nach der Erfindung ist somit eine Vorrichtung, die entweder abgekühlt oder auf eine bestimmte Solltemperatur erwärmt werden muss. Mit anderen Worten, die Wärmequelle 8 kann auch ein Kühlkörper 8 sein.
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4 enthält eine dritte Verbindung 23, in der der Strom des Kältemittelstroms getrennt ist. Eine weitere Expansionsvorrichtung 13 expandiert das Kältemittel in einen vierten Wärmetauscher 14 und einen zweiten Modulatorempfänger 15. Um die Funktion des Kältemittelkreislaufs 10 auf Kühlen oder Heizen umzustellen, sind zwei Absperrventile 43 und 41 vorgesehen. Weiterhin ist ein Rückschlagventil 42 vorgesehen, um den Durchfluss des Auslass des Modulators 15 zur Verbindung 42 zu steuern.
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Damit ist die Dual-Expansionsvorrichtung 7 auch für einen Wärmepumpenbetrieb mit Abwärmenutzung über eine Kältemaschine und Umgebungswärmeaufnahme über einen Außenwärmetauscher 14 (als Verdampfer) einsetzbar.
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Wie aus den vorstehend beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen, einschließlich der dargestellten Varianten, ersichtlich ist, ermöglicht die Erfindung eine optimale Kühlung oder Erwärmung einer Wärmequelle, wie beispielsweise einer Batterie, einerseits durch einen Kältekreislauf, der vorzugsweise nur dann durchgeführt wird, wenn und soweit dies unvermeidlich ist. Andererseits erfolgt die Kühlung, soweit möglich, allein oder anteilig über den zweiten Wärmetauscher 6.
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Die Mittel zur Steuerung des Kältemittelstroms im Kältemittelkreislauf 10 nach der Erfindung können eine Vielzahl weiterer Komponenten enthalten, wie z.B. weitere und andere Regel- und Absperrventile sowie Pumpen. Das Vorhandensein und die Anordnung der Komponenten im Kältemittelkreislauf kann im Konzept der Erfindung in weiten Grenzen verändert werden, insbesondere in Bezug auf die Position des Verdichters, der Wärmetauscher und des Temperatursensors.
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Aspekte beschränkt. Die vorliegende Offenbarung beinhaltet verschiedene Änderungen und Ergänzungen im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist zu verstehen, dass die Elemente, aus denen sich die Ausführungsformen zusammensetzen, nicht erforderlich sind, es sei denn, es handelt sich um einen Fall, der ausdrücklich als notwendig und einen Fall, in dem er grundsätzlich als absolut notwendig erachtet wird. Selbst wenn ein Merkmal wie ein Material, das ein Element bildet, eine Form eines Elements, eine Positionsbeziehung von Elementen, ist es zu verstehen, dass dieses Merkmal nicht auf ein bestimmtes Material, eine bestimmte Form, eine bestimmte Positionsbeziehung oder dergleichen beschränkt ist, mit Ausnahme eines Falles, in dem es ausdrücklich als notwendig bezeichnet wird, und eines Falles, in dem es grundsätzlich als absolut notwendig angesehen wird.
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Bezugszeichenliste
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| Verdichter |
1, 1a |
| Hochdruck-Wärmetauscher |
2, 2a |
| Modulatorempfänger |
3, 3a |
| erste Expansionsvorrichtung |
4, 4a |
| erster Niederdruckwärmetauscher |
5, 5a |
| zweiter Niederdruckwärmetauscher |
6, 6a |
| Dual-Expansionsventil, Vorrichtung |
7 |
| Wärmequelle |
8, 8a |
| Kältemittelkreislauf |
10, 10a |
| zweite (z.B. elektrische) Expansionsvorrichtung |
11a |
| Verdampferdruckregler |
12, 12a |
| weitere Expansionsvorrichtung |
13 |
| vierter Wärmetauscher |
14 |
| Modulator |
15 |
| Absperrventile |
41 und 43 |
| Rückschlagventil |
42 |
| zweiter Zweig |
20, 20a |
| erste Verbindung |
21, 21a |
| zweite Verbindung |
22, 22a |
| dritte Verbindung |
23 |
| erster Zweig |
24, 24a |
| erster Einlass |
71 |
| erster Auslauf |
72 |
| zweiter Einlass |
73 |
| zweiter Auslass |
74 |
| Ventilantriebselement, z.B. Bulbus |
75 |
| Stange |
76 |
| erster Kältemittelstrom |
77 |
| zweiter Kältemittelstrom |
78 |
| Feder |
79 |
| Temperaturfühler |
751 |
| bewegliches erstes Ventilelement |
770 |
| erste Öffnung |
771 |
| erster Strömungsbegrenzungsmechanismus |
772 |
| bewegliches zweites Ventilelement |
780 |
| zweite Öffnung |
781 |
| zweiter Strömungsbegrenzungsmechanismus |
782 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205933 A1 [0003]
- US 2017358833 [0004]
- JP 2002352866 A [0005]
