DE102019133488A1

DE102019133488A1 - Nachheizverfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug, Kälteanlage und Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage

Info

Publication number: DE102019133488A1
Application number: DE102019133488.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeder; Christian Rebinger; Helmut Rottenkolber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Beschrieben wird ein Nachheizverfahren (500) zum Betreiben einer Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst:einen Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist;einen äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist;einen Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist;ein Heizregister (26), das im Sekundärstrang (16) angeordnet ist;wenigstens eine bewegliche Temperaturklappe (34L, 34R), die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung (L) vor oder nach dem Heizregister (26) angeordnet ist;wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil (AE4), das zwischen dem Heizregister (26) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) im Sekundärstrang (16) angeordnet ist;wobei das Nachheizverfahren folgende Schritte umfasst:Einstellen der Temperaturklappe (34L, 34R) in einer Soll-Öffnungsstellung (TKso);Beibehalten der Soll-Öffnungsstellung der Temperaturklappe (34L, 34R); Schrittweises Drosseln (S515) oder schrittweises Öffnen (S507) des Nachheiz-Expansionsventils (AE4) in Abhängigkeit von einem Heizbedarf, der anhand eines Kälteanlagenparameters (TKan) ermittelt wird, bis sich hochdruckseitig an dem Heizregister (26) ein vorbestimmtes Druckniveau (pHD) einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nachheizverfahren (RH III) zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.
Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion umfasst üblicherweise einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist; einen äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist; einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist; ein Heizregister, das im Sekundärstrang angeordnet ist; wenigstens eine bewegliche Temperaturklappe, die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung vor oder nach dem Heizregister angeordnet ist; und wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem Heizregister und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist.
Eine derartige Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion ist beispielsweise in der DE 10 2018 213 232.1 beschrieben, die zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht war.
Weitere Hintergrundinformationen zu Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen finden sich beispielsweise in den Druckschriften EP 0 989 003 A2 , DE 10 2006 002 233 A1 und DE 10 2016 005 782 B4 .
Bei einem Nachheizverfahren, das im Fachjargon auch als Reheat, Reheat-Betrieb, Reheat-Verfahren bezeichnet wird, wird bei der Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums die durch den Verdampfer gekühlte und entfeuchtete Luft durch wenigstens teilweise Erwärmung mittels des Heizregisters auf eine gewünschte Ausblastemperatur gebracht.
Das Heizregister ist dabei eine Wärmequelle, bei der im Kältemittel gespeicherte Wärme an ein anderes Medium, wie Luft, Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch und dergleichen abgegeben wird. Das Heizregister kann als Heizkondensator bzw. Heizgaskühler ausgeführt sein, wenn es direkt von (Umgebungs-) Luft als Kabinenzuluft umströmt wird, welche die abgegebene Wärme aufnimmt. Das Heizregister kann als Fluid-Wärmeübertrager ausgeführt sein, wenn es von einem anderen Fluid als (Umgebungs-)Luft, wie beispielsweise Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch oder dergleichen durch- bzw. umströmt wird, wobei die im Kältemittel gespeicherte Wärme an das Fluid abgegeben wird. Bei der Ausgestaltung als Fluid-Wärmeübertrager erfolgt dann ein weiterer Wärmeübergang vom erwärmten Fluid auf die (Umgebungs-) Luft. Insoweit erfolgt durch einen Fluid-Wärmeübertrager eine indirekte Erwärmung von (Umgebungs-) Luft als Kabinenzuluftstrom.
Dabei kann im Luftströmungsweg zwischen dem Verdampfer und dem Heizregister (also stromaufwärts des Heizregisters) wenigstens eine Temperaturklappe zum Einsatz kommen, die ganz geschlossen (0% Öffnungsstellung bzw. Schließstellung) ist, wenn die Luft gekühlt und nicht erwärmt in den Fahrzeuginnenraum geleitet werden soll. Wenn die Temperaturklappe vollständig geöffnet ist (100% Öffnungsstellung) wird im Wesentlichen der gesamte vom Verdampfer kommende, entfeuchtete Luftstrom über das Heizregister geleitet und erwärmt. Bei einer teilweisen Öffnung der Temperaturklappe wird ein Teil der Luft über das Heizregister geleitet und der andere Teil der Luft wird um das Heizregister herum geleitet und nicht erwärmt, so dass sich stromabwärts des Heizregisters eine Mischung aus erwärmter und gekühlter Luft bildet, die dann dem Fahrzeuginnenraum zugeleitet wird. Die verstellbare Temperaturklappe kann alternativ auch stromabwärts des Heizregisters angeordnet sein.
Bislang erfolgt die Anpassung einer gewünschten Ausblastemperatur darüber, dass die Temperaturklappe schrittweise verstellt wird, wobei nachgelagert zu dieser schrittweisen Einstellung der Temperaturklappe das Nachheiz-Expansionsventil eingestellt wird, um eine optimale Drucklage in der Kälteanlage zu erreichen. Erfolgt aber beispielsweise das Schließen der Temperaturklappe sehr rasch, kann dies aufgrund der damit verbundenen rasch sinkenden Wärmeabfuhr am Heizregister zu unerwünschten Druckänderungen im Kältemittelkreislauf führen. Dabei steigt der Druck in der Kälteanlage, höchstens jedoch bis zu einer Abregelgrenze des Systems bei einem maximal zulässigen Druck. Damit verbunden steigt die Temperatur im Kältemittel und folglich im Heizregister an, obwohl beim Schließen der Temperaturklappe eigentlich von einem geringeren Nachheizbedarf auszugehen ist. Somit ergibt sich ein ineffizienter Betrieb der Kälteanlage, weil bei schlechter Belüftung des Heizregisters und damit bei steigender Temperatur des Kältemittels die Wärmeabfuhr aufgrund der wenig geöffneten oder geschlossenen Temperaturklappe erschwert bzw. unmöglich ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Nachheizverfahren anzugeben, bei dem die obigen Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nachheizverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird also ein Nachheizverfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:

einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
einen äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
ein Heizregister, das im Sekundärstrang angeordnet ist;
wenigstens eine bewegliche Temperaturklappe, die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung vor oder nach (stromaufwärts oder stromabwärts) dem Heizregister angeordnet ist;
wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem Heizregister und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist.

Dabei ist vorgesehen, dass das das Nachheizverfahren folgende Schritte umfasst:

Einstellen der Temperaturklappe in einer Soll-Öffnungsstellung;
Beibehalten der Soll-Öffnungsstellung der Temperaturklappe;
Schrittweises Drosseln oder schrittweises Öffnen des Nachheiz-Expansionsventils in Abhängigkeit von einem Heizbedarf, der anhand eines Kälteanlagenparameters ermittelt wird, bis sich hochdruckseitig an dem Heizregister ein vorbestimmtes Druckniveau einstellt.

Durch das hier vorgeschlagene Verfahren wird die Heizbedarfssteuerung über die Temperaturklappe zumindest zeitweise unterbrochen, wobei die Temperaturklappe in einer Soll-Öffnungsstellung gehalten wird. In einer solchen Soll-Öffnungsstellung kann zunächst der Druck im Kältemittelkreislauf abgesenkt werden, um ein Abkühlen des Kältemittels im Heizregister zu erreichen, oder der Druck im Kältemittelkreislauf kann erhöht werden, um ein Erwärmen des Kältemittels im Heizregister zu erreichen. Dabei kann die auf einen Ausblasstrom von Luft übertragene Wärmemenge durch effizientes Betreiben der Kältemittelanlage beeinflusst werden. Geht man beispielsweise von einer vollständig geöffneten Temperaturklappe und einem gedrosselten Nachheiz-Expansionsventil aus, was bei einem hohen Nachheizbedarf der Fall ist, kann bei sinkendem Heizbedarf die Temperaturklappe zunächst auf eine Soll-Öffnungsstellung bzw. ein Soll-Öffnungsintervall eingestellt werden, beispielsweise bei 80% bzw. 78% bis 82%. Bevor nun ein weiteres Schließen der Temperaturklappe erfolgt, was die Wärmeabfuhr beim Heizregister verschlechtern würde, wird zunächst das Nachheiz-Expansionsventil schrittweise geöffnet, so dass der Druck im Heizregister und somit die Temperatur sinkt. Entsprechend kann vor einem weiteren Schließen der Temperaturklappe das Druckverhältnis reduziert werden. Dies führt zu einer geringeren Leistungsaufnahme am Kältemittelverdichter, was insgesamt zu einem effizienteren Systembetrieb führt. Hierdurch kann auch das Ansteigen des Hochdrucks bis zu der Abregelgrenze eingebremst werden.
Bezüglich der Temperaturklappe wird darauf hingewiesen, dass die Kälteanlage auch zwei oder mehr Temperaturklappen aufweisen kann. Dabei kann als Soll-Öffnungsstellung beispielsweise ein gemittelter Wert der Öffnungsstellungen der einzelnen Temperaturklappen verwendet werden. Alternativ kann auch eine Maximalwert- oder Minimalwertabfrage der in diesem Fall mindestens zwei Temperaturklappen erfolgen.
Nach dem Erreichen des vorbestimmten Druckniveaus kann die Temperaturklappe in Abhängigkeit des ermittelten Heizbedarfs ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung weiter geöffnet oder weiter geschlossen werden. Das weitere Schließen oder Öffnen der Temperaturklappe erfolgt somit erst nachdem die Möglichkeiten der Beeinflussung der Ausblastemperatur durch Anpassen des Druckverhältnisses in der Kälteanlage im Wesentlichen ausgeschöpft sind.
Die Soll-Öffnungsstellung kann einem Öffnungsbereich entsprechen mit einem unteren Öffnungsgrenzwert und einem oberen Öffnungsgrenzwert, wobei das Verhältnis unterer Öffnungsgrenzwert zu oberem Öffnungsgrenzwert größer oder gleich 0,8 ist, insbesondere größer oder gleich 0,9 ist. Beispielsweise kann angenommen werden, dass die Soll-Öffnungsstellung erreicht ist, wenn die Temperaturklappe in einem Bereich von 70% bis 85% geöffnet ist. Das sich beispielhaft aus diesen Öffnungsgrenzwerten ergebende Verhältnis (Quotient) beträgt 70/85 = 0,82.
Bei dem Nachheizverfahren kann bei einem sinkenden Heizbedarf das Nachheiz-Expansionsventil schrittweise geöffnet werden bis sich in der Kälteanlage zwei Drucklagen ausgebildet haben, wobei zwischen dem Heizregister und dem Nachheiz-Expansionsventil und zwischen dem Nachheiz-Expansionsventil und dem äußeren Wärmeübertrager im Wesentlichen der gleiche Druck vorliegt.
Dabei kann nach dem Ausbilden von zwei Drucklagen in der Kälteanlage das schrittweise Öffnen des Nachheiz-Expansionsventils unterbleiben und die Temperaturklappe ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung weiter geschlossen werden, insbesondere in eine Schließstellung bewegt werden.
Bei dem Nachheizverfahren kann bei einem steigenden Heizbedarf das Nachheiz-Expansionsventil schrittweise gedrosselt werden bis sich in der Kälteanlage drei Drucklagen ausgebildet haben, wobei zwischen dem Heizregister und dem Nachheiz-Expansionsventil eine Hochdrucklage ausgebildet wird und zwischen dem Nachheiz-Expansionsventil und dem äußeren Wärmeübertrager eine Mitteldrucklage ausgebildet wird.
Dabei kann nach Erreichen eines Maximaldrucks oder/und einer Maximaltemperatur des Kältemittels, das schrittweise Drosseln des Nachheiz-Expansionsventils unterbleiben und die Temperaturklappe kann ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung weiter geöffnet werden, insbesondere bis in eine maximale Öffnungsstellung. Alternativ oder ergänzend zu einem weiteren Öffnen der Temperaturklappen kann ein elektrisches Heizelement zugeschaltet werden, das beispielsweise dem Heizregister nachgeordnet vorgesehen ist.
Die Soll-Öffnungsposition der Temperaturklappe kann auf einen Wert zwischen 60% bis 90% eingestellt werden, insbesondere auf einen Wert zwischen 70% und 85%, bezogen auf eine maximale Öffnungsstellung von 100%.
Vorgeschlagen wird auch eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, mit

einem Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
einem äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
einem Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
einem Heizregister, das im Sekundärstrang angeordnet ist;
wenigstens einer beweglichen Temperaturklappe, die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung vor oder nach (stromaufwärts oder stromabwärts) dem Heizregister angeordnet ist;
wenigstens einem Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem Heizregister und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist;
wobei die Kälteanlage dazu eingerichtet ist, in einem Nachheizbetrieb, wie er oben beschrieben worden ist, betrieben zu werden, und
wobei in einem solchen Nachheizbetrieb das Kältemittel ausgehend vom Kältemittelverdichter nacheinander die folgenden Komponenten der Kälteanlage durchströmt: Heizregister und Nachheiz-Expansionsventil im Sekundärstrang, äußerer Wärmeübertrager und Verdampfer im Primärstrang.

Je nach Systemtopologie kann der äußere Wärmeübertrager monodirektional oder bidirektional durchströmbar sein, je nach Ausführungsform der Kälteanlage. Bei einer monodirektionalen Variante wird im Kälteanlagenbetrieb und im Luftwärmepumpenmodus der äußere Wärmeübertrager vom Kältemittel stets in derselben Richtung bzw. in derselben Weise durchströmt. Bei einer bidirektionalen Variante wird der äußere Wärmeübertrager im Kälteanlagenbetrieb vom Kältemittel in anderer bzw. unterschiedlicher Richtung (entgegengesetzt) durchströmt als im Luftwärmepumpenmodus. Bezüglich des äußeren Wärmeübertragers ist noch anzumerken, dass er - ähnlich zum Heizregister - sowohl direkt (als Kondensator bzw. Gaskühler) als auch indirekt (als Fluid-Wärmeübertrager) Wärme an die (Umgebungs-)Luft abgeben oder aus dieser aufnehmen kann.
Ein Kraftfahrzeug kann mit einer solchen Kälteanlage ausgestattet sein. Dabei kann es sich bei dem Kraftfahrzeug insbesondere um ein Elektrofahrzeug handeln. Bei einem Elektrofahrzeug kann der effiziente Betrieb der Kälteanlage zu Stromeinsparungen führen, so dass hierdurch eine größere Reichweite des Elektrofahrzeugs erzielt werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug;
2 ein Flussdiagram einer beispielhaften Umsetzung des Nachheizverfahrens, insbesondere mittels der in 1 beschriebenen Kälteanlage.

In 1 ist eine Ausführungsform einer Kälteanlage 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Kälteanlage 10 umfasst einen Kältemittelkreislauf 11, der sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz auch AC-Betrieb genannt), als auch in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden kann. Die Kälteanlage 10 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Kältemittelverdichter 12, einen äußeren Wärmeübertrager 18, einen inneren Wärmeübertrager 20, einen Verdampfer 22 und einen Akkumulator bzw. Kältemittelsammler 24. Der äußere Wärmeübertrager 18 kann als Kondensator oder Gaskühler ausgebildet sein. Insbesondere ist der äußere Wärmeübertrager 18 in der dargestellten Ausführungsform bidirektional durchström bar.
Der Verdampfer 22 ist hier beispielhaft als Frontverdampfer für ein Fahrzeug gezeigt. Der Verdampfer 22 steht stellvertretend auch für weitere in einem Fahrzeug mögliche Verdampfer, wie beispielsweise Fondverdampfer, die strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sein können. Mit anderen Worten umfasst die Kälteanlage 10 also wenigstens einen Verdampfer 22.
Stromabwärts des Verdichters 12 ist ein Absperrventil A4 angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 22 ist ein Expansionsventil AE2 vorgesehen.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf 11 der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum äußeren Wärmeübertrager 18, zum inneren Wärmeübertrager 20 und zum Verdampfer 22 als Primärstrang 14 bezeichnet.
Die Kälteanlage 10 umfasst weiter ein Heizregister 26 (auch als Heizkondensator oder Heizgaskühler bezeichnet). Stromaufwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A3 angeordnet. Stromabwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A1 angeordnet. Ferner ist stromabwärts des Heizregisters 26 ein Expansionsventil AE4 angeordnet.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum Heizregister 26, zum Expansionsventil AE4 und zu einem Abzweig Ab2 als Sekundärstrang 16 bezeichnet. Der Sekundärstrang 16 umfasst einen Heizzweig 16.1, der sich von dem Absperrventil A3 über das Heizregister26 zum Absperrventil A1 erstreckt. Weiter umfasst der Sekundärstrang 16 einen Nachheizzweig bzw. Reheat-Zweig 16.2, der stromaufwärts mit dem Heizregister 26 und stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 fluidverbindbar ist. Dabei mündet der Sekundärstrang 16 bzw. der Reheat-Zweig 16.2 bei einem Abzweigpunkt Ab2 in den Primärstrang 14.
Die Kälteanlage 10 umfasst einen weiteren Verdampfer bzw. Chiller 28. Der Chiller 28 ist strömungstechnisch parallel zum Verdampfer 22 vorgesehen. Der Chiller 28 kann beispielsweise zur Kühlung einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs dienen, aber auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme von wenigstens einer elektrischen Komponente. Dem Chiller 28 ist stromaufwärts ein Expansionsventil AE1 vorgeschaltet.
Die Kälteanlage 10 kann auch ein elektrisches Heizelement 30 aufweisen, das beispielsweise als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt ist. Das elektrische Heizelement 30 dient als Zusatzheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 zusammen mit dem Heizregister 26 und dem Verdampfer 22 in einem Klimagerät 32 untergebracht sein. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 dem Heizregister 26 nachgeschaltet angeordnet sein.
In der 1 sind ferner noch Rückschlagventile R1 und R2 ersichtlich. Ferner sind auch einige Sensoren pT1 bis pT5 zur Erfassung von Druck oder/und Temperatur des Kältemittels dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Sensoren bzw. deren Anordnung hier nur beispielhaft gezeigt ist. Eine Kälteanlage 10 kann auch weniger oder mehr Sensoren aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind als Sensoren kombinierte Druck-/Temperatursensoren pT1 bis pT5 gezeigt. Es ist aber genauso denkbar, dass voneinander getrennte Sensoren für die Messung von Druck bzw. Temperatur eingesetzt werden und ggf. auch räumlich voneinander getrennt entlang den Kältemittelleitungen angeordnet sind.
Die Kälteanlage 10 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 12 bei offenem Absperrventil A4 in den äußeren Wärmeübertrager 18. Von dort strömt es zu dem Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 und dem vollständig geöffneten Expansionsventil AE3. Über einen Abzweigpunkt Ab1 kann das Kältemittel zum Expansionsventil AE2 und in den Innenraum-Verdampfer 22 strömen (Verdampferabschnitt 22.1). Parallel oder alternativ kann das Kältemittel über einen Abzweigpunkt Ab4 und das Expansionsventil AE1 in den Chiller 28 strömen (Chillerabschnitt 28.1). Aus dem Verdampfer 22 oder/und dem Chiller 28 strömt das Kältemittel niederdruckseitig in den Sammler 24 und durch den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 zurück zum Verdichter 12.
In dem AC-Betrieb ist der Heizzweig 16.1 bzw. der Sekundärstrang 16 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel nicht durch das Heizregister 26 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 16.1 kann das als Absperrventil ausgebildete Absperrorgan A5 geöffnet werden, so dass das Kältemittel über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2, in Richtung des Sammlers 24 strömen kann.
Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 wird das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel in den Heizzweig 16.1 strömen kann.
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 28 zur Realisierung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 in das Heizregister 26 . Am Heizregister 26 wird Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L abgegeben. Das Kältemittel strömt anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 und den Abzweigpunkt Ab1. Es wird mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 zur Aufnahme von Abwärme der in einem Kühlmittelkreislauf 28.2 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsventile AE3 und AE4 geschlossen, das Absperrventil A5 geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Dabei kann über das Absperrventil A2 im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus einem Bidirektionalzweig 14.1 bzw. dem Primärstrang 14 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Sammler 24 zugeführt werden.
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Wärmeübertragers 18 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 zur Abgabe von Wärme an einen Zuluftstrom L in das Heizregister 26. Anschließend wird es über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Expansionsventils AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 18 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt. Danach strömt das Kältemittel über einen Wärmepumpenrückführzweig 15 zum Sammler 24 und zurück zum Kältemittelverdichter 12. Die Expansionsventile AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei, ebenso wie das Absperrventil A5, geschlossen.
Eine indirekte Dreiecksschaltung kann dadurch realisiert werden, dass bei geöffnetem Absperrventil A1 das von dem Kältemittelverdichter 12 verdichtete Kältemittel mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 28.2 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Fluid, wie etwa Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, auf der Kühlmittelseite des Chillers 28 stehen bleibt bzw. der Chiller 28 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsventile AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.
Bei einem Nachheiz- bzw.- Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 22 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet. Mit der auf das Kältemittel durch Verdampfung und Entfeuchtung übertragenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Verdichter 12 zugeführten Wärme kann der Zuluftstrom L mittels des Heizregisters 26 vollständig oder zumindest teilweise wieder erwärmt werden.
Hierzu weist die Kälteanlage 10, insbesondere das Klimagerät 32, zwischen dem Verdampfer 22 und dem Heizregister 26 einstellbare, insbesondere steuerbare und schwenkbare, Temperaturklappen 34 auf. Im dargestellten Beispiel sind eine linke und eine rechte Temperaturklappe 34L und 34R (in 1 schematisch dargestellt) angeordnet. Die Temperaturklappen 34L, 34R können zwischen einer Offenposition, die als 100%-Position bezeichnet wird, und einer Schließposition, die als 0%-Position bezeichnet wird, eingestellt bzw. verschwenkt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Temperaturklappen 34R, 34L dem Heizregister 26 nachzuschalten.
In der 100%-Position wird der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L über das Heizregister 26 geführt und erwärmt, bevor dieser in den Fahrgastraum des Fahrzeugs strömen kann. In der 0%-Position strömt der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L im Bypass um das Heizregister 26 ohne Erwärmung und damit ohne Wärmeaufnahme in den Fahrgastraum.
In einer x-Position der Temperaturklappen 34L und 34R mit 0 % < x < 100 % sind diese Temperaturklappen nur teilweise geöffnet, so dass jeweils nur ein Teilluftstrom des den Verdampfer 22 durchströmenden Zuluftstroms L über das Heizregister 26 geführt wird. Dieser erwärmte Teilluftstrom kann anschließend dem verbleibenden, gekühlten und entfeuchteten Teilluftstrom beigemischt werden. Der in dieser Weise erwärmte Zuluftstrom L wird dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt. Beispielhaft zeigt eine 50 %-Position an, dass die Temperaturklappen 34R und 34L nur halb, also 50 % geöffnet sind.
Ein Nachheiz- bzw. Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 bzw. der Kälteanlage 10 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
Nachfolgend wird ein für den Nachheiz- bzw. Reheatbetrieb mögliches Betriebsverfahren 500 anhand des Ablaufschemas der 2 und unter Bezugnahme auf die in 1 dargestellte Kälteanlage 10 und ihrer Komponenten beispielhaft erläutert. Ein solches Betriebsverfahren ist üblicherweise in einem Steuergerät für die Kälteanlage bzw. für die Klimatisierung in einem Fahrzeug als Steuerprogramm umgesetzt.
Betrachtet wird ein Nachheizbetrieb, bei dem das Kältemittel ausgehend von dem Verdichter 12 über das geöffnete Absperrventil A3 zum Heizregister 26 (Heizkondensator bzw. Heizgaskühler) strömt Das Absperrventil A1 ist geschlossen und das Kältemittel strömt über das Expansionsventil AE4 zum äußeren Wärmeübertrager 18. Danach passiert das Kältemittel hochdruckseitig den inneren Wärmeübertrager 20 und gelangt über das geöffnete Expansionsventil AE3 und das Expansionsventil AE2 zum Verdampfer 22. Von dort gelangt das Kältemittel über den Kältemittelsammler 24 und den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 wieder zum Verdichter 12. Bei diesem Nachheizverfahren werden die Temperaturklappen 34L, 34R in geeignete Stellungen bewegt, die nachfolgend mit „TK“ kenntlich gemacht sind, wobei TK einen Wert von 0% (Temperaturklappen 34L, 34R geschlossen) bis 100% (Temperaturklappen 34L, 34R vollständig geöffnet) annehmen kann.
Das Nachheizverfahren kann beispielsweise ausgehend von einem maximalen Heizbedarf betrachtet werden. Bei maximalem Heizbedarf sind die Temperaturklappen 34L, 34R vollständig geöffnet, der Ist-Zustand kann also mit TKis = 100% bezeichnet werden. Üblicherweise ist dabei über ein Androssein des Expansionsventils AE4 eine dritte Drucklage (Hochdruck) ausgebildet, wobei durch einen steigenden Hochdruck im Heizregister 26 eine maximale Wärmeabgabe erfolgen kann.
Sinkt der Heizbedarf, werden die Temperaturklappen 34L, 34R üblicherweise in Richtung einer geschlossenen Stellung bewegt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden nun bei dem Nachheizverfahren die Temperaturklappen 34L, 34R in einer Soll-Öffnungsstellung gehalten. In dieser Soll-Öffnungsstellung wird ein weiteres Schließen oder Öffnen der Temperaturklappen 34L, 34R solange außer Acht gelassen bzw. nicht durchgeführt, bis sich gewünschte bzw. vorbestimmte Druckverhältnisse im Kältemittelkreislauf eingestellt haben, insbesondere bis die Möglichkeiten von Temperatur- bzw. Druckanpassungen mittels des Kältemittelkreises ausgeschöpft sind. Es sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass die Temperarturklappen 34L, 34R laufend in eine neue Ist-Öffnungsstellung verfahren werden, die über die Soll-Öffnungsstellung vorgegeben wird.
Gemäß dem in 2 gezeigten Nachheizverfahren 500 erfolgt im Betrieb nach dem Start (S501) der Kälteanlage 10 zu einem hier nicht näher bezeichneten Zeitpunkt ein Übergang in einen Nachheizbetrieb, der hier mit Reheat III (S502) bezeichnet ist. Eine mögliche Bedingung, die erfüllt sein muss, um den Nachheizbetrieb (S502) zu starten, kann beispielsweise die gemessene Umgebungstemperatur sein. Das hier vorgestellte Nachheizverfahren kann insbesondere aktiviert werden, wenn die Umgebungstemperatur bis zu 25°C. beträgt, insbesondere von etwa 10°C bis 25°C beträgt.
Bei dem Nachheizverfahren 500 werden die in diesem Anwendungsfall zwei Temperaturklappen 34L, 34R in eine Soll-Öffnungsstellung TKso eingestellt. TKso kann ein bestimmter Öffnungswert sein oder kann, wie dies in der 2 bei 502a gezeigt ist, ein Bereich sein von einem oberen Öffnungsgrenzwert TKo zu einem unteren Öffnungsgrenzwert TKu. Beim Betrieb der Kälteanlage 10 wird über wenigstens einen Kälteanlagenparameter bestimmt, ob der Heizbedarf gleichbleibend, steigend oder sinkend ist. Eine hier beispielhaft verwendete Größe bzw. Kälteanlagenparameter ist die seitens einer Steuereinheit angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan. Wird eine größere Temperaturklappenöffnung TKan gefordert, ist der Heizbedarf steigend. Wird eine kleinere Temperaturklappenöffnung TKan gefordert, ist der Heizbedarf sinkend. Für die nachfolgende Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass eine systemseitig angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan in dem hier betrachteten Nachheizverfahren nicht zwingend zu einer entsprechenden Anpassung der tatsächlichen Öffnungsstellung bzw. Ist-Öffnungsstellung TKis der Temperaturklappen 34L, 34R führt.
Wie bereits erwähnt, wird davon ausgegangen, dass sich die Temperaturklappen in einer tatsächlichen Öffnungsstellung TKis befinden, die im Bereich von TKo bis TKu liegt. Gemäß Schritt S503 wird überprüft, ob eine angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan kleiner als der obere Öffnungsgrenzwert TKo und größer als der untere Öffnungsgrenzwert TKu ist. Ist dies der Fall, können gemäß Schritt S504 die Temperaturklappen 34L, 34R in ihrer tatsächlichen Öffnungsstellung TKis angepasst bzw. verfahren werden, was durch die beiden Pfeile in Schritt S504 angedeutet ist. Der Kältekreis und/oder die für die Veränderung der die klimatischen Bedingungen beeinflussenden Peripherie bleiben unverändert. Wird die Bedingung des Schritts S503 nicht erfüllt, wird in S505 geprüft, ob die angeforderte Temperaturklappenöffnung größer als der obere Öffnungsgrenzwert TKo ist. Außerhalb dieser Grenzen erfolgt seitens des Kältekreises und/oder der für die Veränderung der die klimatischen Bedingungen beeinflussenden Peripherie eine Veränderung und damit Reaktion auf die veränderten Anforderungen und Randbedingungen.
Ist dies nicht der Fall, ist die angeforderte Öffnungsstellung TKan kleiner als der untere Öffnungsgrenzwert TKu. Das bedeutet, dass der Heizbedarf sinkend ist und dass die Temperaturklappen 34L, 34R eigentlich weiter geschlossen werden müssten. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt aber (noch) kein weiteres Schließen der Temperaturklappen. Vielmehr wird in Schritt S507 das Expansionsventil AE4 geöffnet. Das Öffnen des Expansionsventils AE4 kann dabei inkrementell erfolgen. Hierdurch sinken gemäß S508 der Hochdruck pHD im Heizregister 26. Entsprechend sinkt auch die Temperatur des Kältemittels im Heizregister 26 bzw. die Heißgastemperatur tHG. In S509 wird überprüft, ob der Druck pHD im Heizregister größer ist als der Druck stromabwärts des Expansionsventils AE4 bzw. als der am äußeren Wärmeübertrager 18 (Gaskühler) anliegende Druck pGK. Solange der Druck pHD größer ist - die dritte Drucklage ist folglich weiter ausgebildet -, wird zu S510 verzweigt, wo überprüft wird, ob die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan größer als der obere Öffnungsgrenzwert TKo ist. Bei sinkendem Heizbedarf ist dies üblicherweise nicht der Fall, so dass in S511 geprüft, ob die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan im Sollbereich (von TKo bis TKu) liegt. Ist auch diese Bedingung nicht erfüllt, wird das Verfahren erneut bei S506 fortgefahren, bei S507 das Expansionsventil AE4 noch etwas weiter geöffnet, Druck und Temperatur im Kältemittel gesenkt (S508) und die Überprüfung gemäß S509 durchgeführt.
Solange der Heizbedarf sinkend ist, werden die Schritte S506, S507, S508, S509, S510, S511 mehrfach durchlaufen. Dabei wird das Expansionsventil AE4 schrittweise geöffnet bis in S509 festgestellt wird, dass pHD und pGK im Wesentlichen gleich sind, also pHD nicht mehr größer als pGK ist. In diesem Zustand haben sich in dem Kältemittelkreis 11 also im Wesentlichen zwei Drucklagen ausgebildet. In diesem Fall wird das Expansionsventil AE4 in einer konstanten Stellung (AE4=const) gehalten (S512). In dem nachfolgenden S513 wird überprüft, ob die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan kleiner als der untere Öffnungsgrenzwert TKu ist. Ist TKan kleiner als TKu wird nun die Ist-Öffnungsstellung der TKis der Temperaturklappen 34L, 34R tatsächlich verringert (S514). Das heißt die Temperaturklappen 34L, 34R werden weiter geschlossen, insbesondere auch über den unteren Öffnungsgrenzwert TKu hinaus, weil der die Temperatur im Kältemittelkreislauf beeinflussende Druck pHD nicht weiter abgesenkt werden kann. Mit anderen Worten sind in diesem Zustand die Möglichkeiten der Druck- bzw. Temperaturreduzierung im Heizregister 26 mittels schrittweisem Öffnen des Expansionsventils AE4 ausgeschöpft.
Solange die Bedingung pHD > pGK gemäß S509 nicht erfüllt ist, kann auch bei einem steigenden Heizbedarf die Schleife S509, S512, S513, S514, durchlaufen werden, wobei die Ist-Öffnungsstellung der Temperaturklappen 34L, 34R vergrößert wird, solange die angeforderte Öffnungsstellung TKan nicht den unteren Öffnungsgrenzwert TKu erreicht hat. In einem solchen Zustand haben die Temperaturklappen 34L, 34R eine tatsächliche Öffnungsstellung TKis erreicht, die den unteren Öffnungsgrenzwert TKu erreicht hat bzw. die innerhalb des Soll-Öffnungsbereichs TKso liegt.
Bei einem steigenden Heizbedarf wird das Verfahren ausgehend von dem bereits oben erwähnten Schritten S503 und S505 wie folgt durchgeführt. Wird in S505 festgestellt, dass die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan größer ist als der obere Öffnungsgrenzwert TKo, bedeutet dies, dass der Heizbedarf steigend ist und dass die Temperaturklappen 34L, 34R eigentlich weiter geöffnet werden müssten. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt aber (noch) kein weiteres Öffnen der Temperaturklappen. Vielmehr wird in Schritt S515 das Expansionsventil AE4 geschlossen. Das Schließen des Expansionsventils AE4 kann dabei inkrementell erfolgen. Hierdurch steigt gemäß S516 der Hochdruck pHD im Heizregister 26. Entsprechend steigt auch die Temperatur T des Kältemittels im Heizregister 26.
In S517 wird überprüft, ob der in der Kälteanlage 10 anliegende Hochdruck pHD und/oder die Kältemitteltemperatur tHG einen zulässigen Maximalwert erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, erfolgt in S518 die Überprüfung, ob die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan größer ist als der obere Öffnungsgrenzwert TKo. Ist dies der Fall, wird in S519 geprüft, ob das Expansionsventil AE4 bereits in seiner minimalen Öffnungsstellung bzw. maximal gedrosselt ist. Ist das Expansionsventil AE4 noch nicht in seiner minimalen Öffnungsstellung bzw. noch nicht maximal gedrosselt, wird erneut zu S515 verzweigt und das Expansionsventil AE4 weiter geschlossen. Durch das Drosseln des Expansionsventils AE4 bilden sich im Kältemittelkreislauf 11 drei Drucklagen aus, wobei der Hochdruck im Heizregister 26 steigt.
Solange der Heizbedarf steigend ist, werden die Schritte S515, S516, S517, S518, S519 mehrfach durchlaufen. Dabei wird das Expansionsventil AE4 schrittweise geschlossen bzw. gedrosselt bis entweder in S519 festgestellt wird, dass ein weiteres Drosseln nicht mehr möglich ist, weil das Expansionsventil AE4 seine minimale Öffnungsstellung erreicht hat, oder in S517 festgestellt wird, dass pHD oder/und tHG einen maximalen Wert erreicht hat bzw. haben, der für den Betrieb der Kälteanlage 10 nicht überschritten werden darf. Wenn aufgrund der Bedingungen der S517 und S519 keine weitere Druckerhöhung mit einhergehender Temperaturerhöhung im Kältemittelkreis 11 mehr möglich ist, kann das elektrische Heizelement 30 zugeschaltet werden, was durch S520 illustriert ist. Liegt gemäß S521 die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan weiterhin oberhalb des oberen Öffnungsgrenzwerts TKo wird die Heizleistung bzw. Wärmeabgabe des elektrischen Heizelements 30 weiter vergrößert. Sollte die Bedingung in S520 aufgrund von sinkendem Heizbedarf nicht mehr erfüllt sein, wird die Heizleistung bzw. Wärmeabgabe des elektrischen Heizelements 30 gemäß S522 wieder reduziert. Ist das elektrische Heizelement 30 nicht mehr aktiv, was in S523 überprüft wird, erfolgt eine Verzweigung auf die Schritte S510 und S511, so dass bei sinkendem bzw. gesunkenem Heizbedarf eine Anpassung des Drucks pHD durch Öffnen des Expansionsventils AE4 erreicht werden kann.
Mit gestrichelten Linien sind noch mögliche Schritte S524 und S525 illustriert. S524 folgt dabei beispielhaft auf S519, sofern das Expansionsventil AE4 bereits maximal gedrosselt ist. In S524 wird die Ist-Öffnungsstellung der Temperaturklappen 34L, 34R tatsächlich erhöht, um den steigenden Heizbedarf zu decken. Dies kann solange wiederholt werden, bis die Temperaturklappen 34L, 34R vollständig geöffnet sind, was durch die Bedingung in S525 illustriert ist. Nachdem die Temperaturklappen 34L, 34R vollständig geöffnet sind, kann das elektrische Heizelement gemäß S520 zugeschaltet werden.
Das Einbinden der Schritte S524 und S525 ist optional. Ferner wird darauf hingewiesen, dass auch von S517 zu S524 eine gestrichelte Linie gezogen werden könnte, was aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 nicht aufgenommen worden ist.
Sind die Bedingungen gemäß S517 oder/und S519 erfüllt, sind die Möglichkeiten der Druck- bzw. Temperaturerhöhung im Heizregister 26 mittels schrittweisem Schließen bzw. Drosseln des Expansionsventils AE4 ausgeschöpft, so dass bei weiteren Heizbedarf, das elektrische Heizelement 30 zugeschaltet werden kann oder/und die Temperaturklappen 34L, 34R weiter geöffnet werden können.
Sollte jedoch die Bedingung S519 folgend auf S518 greifen, kann statt der Einbindung eines elektrischen Heizers über S520 alternativ auf den Chiller 28, falls noch nicht aktiv eingebunden, als weitere Wärmesenke und somit als Wasserwärmepumpenverdampfer zurückgegriffen werden. Dabei wird schrittweise AE1 in seinem Querschnitt geöffnet und damit zusätzliche Wärme in den Kältekreislauf 10 eingetragen, die wiederum einen Anstieg von Druck und Temperatur im Kältemittel bewirkt. Voraussetzung der Nutzung der Chillerabwärme ist ein geeignetes Temperaturniveau im Gebermedium oder die Möglichkeit auch im Verdampfer 22 ein vom Niederdruck unabhängiges Verdampfungstemperaturniveau einstellen zu können, das eine Vereisung des Verdampfers 22, insbesondere jedoch ein Gefrieren des in ihm ausfallenden Kondensats, ausschließt.
Folglich können auch in dem hier beschriebenen Nachheizverfahren Reheat°III (RH III) die in parallelen Anmeldungen zu Nachheizverfahren Reheat I (RH I) und Reheat II (RH II) beschriebenen Maßnahmen zur Lastvariation im Kältekreis 10, wie Zusatzverdampfereinbindung oder Solltemperaturvariation aufgegriffen werden.
In einem Zustand, in dem die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan innerhalb des Sollbereichs TKso bzw. von TKo bis TKu liegt (S511) kann in S526 auch die Einstellung des Expansionsventils AE4 so angepasst werden, dass der Druck pHD im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. In einem solchen Zustand liegt die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan im Bereich der tatsächlichen Temperaturklappenöffnung TKis, so dass davon ausgegangen werden kann, dass der aktuelle Heizbedarf im Wesentlichen passt bzw. sich nicht verändert. Entsprechend kann durch die Einstellung der Drucklage mittels des Expansionsventils AE4 ein im Wesentlichen konstantes Temperaturniveau durch den im Wesentlichen konstanten Druck pHD erreicht werden.
Zusammenfassend kann das hier vorgestellte Nachheizverfahren wie folgt dargestellt werden. Befinden sich die Temperaturklappen 34L, 34R in einem Soll-Öffnungsbereich TKso, werden sie rein über Veränderung der Betriebspunkte des Kältekreises 10 in diesem Bereich tatsächlich gehalten, auch wenn die angeforderte Temperaturklappenöffnung TKan außerhalb dieses Sollbereichs TKso liegen sollte.
Bei sinkendem Heizbedarf wird zunächst durch schrittweises Öffnen des Expansionsventiles AE4 der Hochdruck im Kältemittelkreis abgesenkt. Somit nähert sich der Hochdruck, der vor dem Expansionsventil AE4 herrscht, dem Mitteldruck an, der nach dem Expansionsventil AE4 herrscht. Stellt sich gesamtheitlich betrachtet in der Kälteanlage 10 ein zweifaches Druckniveau ein, wird das AE4 nicht weiter geöffnet, sondern konstant gehalten und bei weiter sinkendem Heizbedarf werden die Temperaturklappen 34L, 34R weiter geschlossen, ggf. bis auf einen Minimalwert (0%).
Bei steigendem Heizbedarf und einem im Kältemittelkreis bereits vorliegenden dreifachen Druckniveau, wird das Expansionsventil AE4 weiter gedrosselt, so dass der Hochdruck pHD steigt. Hat das Kältekreis-System sein maximales Potential ausgeschöpft, können auch die Temperaturklappen 34L, 34R maximal geöffnet werden (100%) oder/und weiterer Heizbedarf kann u.a. über das elektrische Heizelement 30 gedeckt werden.
Bei steigenden Heizbedarf ausgehend von einem im Kältemittelkreis vorliegenden zweifachen Druckniveau, werden die Temperaturklappen 34L. 34R zunächst so weit geöffnet, dass sie eine Öffnungsstellung innerhalb des Sollbereichs TKso annehmen. Sobald die Temperaturklappen 34L, 34R tatsächlich im Sollbereich geöffnet sind, erfolgt bei weiterem Heizbedarf ein Androsseln von AE4 bis das dreifache Druckniveau wieder ausgebildet wird. Ein weiterer Heizbedarf bei dreifachem Druckniveau wird wie oben beschrieben abgedeckt.
Bei einem im Kältemittelkreis vorliegenden zweifachen Druckniveau herrscht vereinfacht beschrieben vom Ausgang des Verdichters 12 bis zum Expansionsventil AE2 vor dem Verdampfer 22 im Wesentlichen der gleiche Hochdruck und im bzw. nach dem Verdampfer 22 bis hin zum Eintritt in den Verdichter 12 Niederdruck. Bei zweifachem Druckniveau sind also im Wesentlichen zwei Drucklagen im Kältemittelkreis ausgebildet. Bei einem im Kältemittelkreis vorliegenden dreifachen Druckniveau herrscht vereinfacht beschrieben vom Ausgang des Verdichters 12 bis zum Expansionsventil AE4 vor dem äußeren Wärmeübertrager 18 im Wesentlichen der gleiche Hochdruck, von dem äußeren Wärmeübertrager 18 bis zum Expansionsventil AE2 vor dem Verdampfer 22 im Wesentlichen der gleiche Mittel- bzw. Zwischendruck und im bzw. nach dem Verdampfer 22 bis hin zum Eintritt in den Verdichter 12 Niederdruck. Bei dreifachem Druckniveau sind also im Wesentlichen drei Drucklagen im Kältemittelkreis ausgebildet.
Bei dem hier vorgestellten Nachheizverfahren werden also die Temperaturklappen zunächst in einer Sollstellung eingestellt und solange beibehalten, bis Anpassungen der Druckverhältnisse im Kältemittelkreislauf mittels AE4 nicht mehr möglich sind, d.h. die Systemgrenzen ausgereizt sind. Erst dann erfolgt ggf. eine Anpassung der Öffnungsstellung der Temperaturklappen oder/und ein Zuschalten von einem elektrischen Heizelement oder, wie angemerkt, aber nicht im Flussdiagramm skizziert, eines weiteren Verdampfers, wie den Chiller.
Das oben unter Bezugnahme auf die 2 beschriebene Nachheizverfahren kann beispielsweise mit folgenden Werten durchgeführt werden. TKso kann von 60% bis 90% eingestellt sein, insbesondere auf einen Wert zwischen 70% und 85%, bezogen auf die maximale Öffnungsstellung von 100%. Beispielsweise kann TKu 78% sein und TKo kann 82%, so dass TKso einen Bereich von 78% bis 82% abdeckt. Die Auswahl von passenden Öffnungsgrenzwerten TKu und TKo kann insbesondere in Abhängigkeit von Eigenschaften der eingesetzten Kälteanlage gewählt werden, wobei der Bereich von TKu bis TKo eher eng gewählt werden sollte, insbesondere so, dass der Quotient TKu/TKo größer oder gleich 0,8 beträgt. Für das obige Beispiel mit TKu = 78% und TKo =82% berechnet sich der Quotient auf 0,95.
Das hier unter Bezugnahme auf die 2 beschriebene Nachheizverfahren kann mittels einer Kälteanlage 10, wie sie in 1 beispielhaft beschrieben worden ist, umgesetzt werden. Eine Kälteanlage 10 kann in einem Kraftfahrzeug, das hier nicht näher dargestellt ist, zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018213232 [0003]
EP 0989003 A2 [0004]
DE 102006002233 A1 [0004]
DE 102016005782 B4 [0004]

Claims

Nachheizverfahren (500) zum Betreiben einer Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst: einen Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist; einen äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einen Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; ein Heizregister (26), das im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; wenigstens eine bewegliche Temperaturklappe (34L, 34R), die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung (L) vor oder nach dem Heizregister (26) angeordnet ist; wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil (AE4), das zwischen dem Heizregister (26) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; wobei das Nachheizverfahren folgende Schritte umfasst: Einstellen der Temperaturklappe (34L, 34R) in einer Soll-Öffnungsstellung (TKso); Beibehalten der Soll-Öffnungsstellung der Temperaturklappe (34L, 34R); Schrittweises Drosseln (S515) oder schrittweises Öffnen (S507) des Nachheiz-Expansionsventils (AE4) in Abhängigkeit von einem Heizbedarf, der anhand eines Kälteanlagenparameters (TKan) ermittelt wird, bis sich hochdruckseitig an dem Heizregister (26) ein vorbestimmtes Druckniveau (pHD) einstellt.
Nachheizverfahren (500) nach Anspruch 1, wobei nach dem Erreichen des vorbestimmten Druckniveaus (pHD) die Temperaturklappe (34L, 34R) in Abhängigkeit von dem ermittelten Heizbedarf ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung (TKso) weiter geöffnet oder weiter geschlossen wird (S514, S524).
Nachheizverfahren (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Soll-Öffnungsstellung (TKso) einem Öffnungsbereich entspricht mit einem unteren Öffnungsgrenzwert (TKu) und einem oberen Öffnungsgrenzwert (TKo), wobei das Verhältnis unterer Öffnungsgrenzwert (TKu) zu oberem Öffnungsgrenzwert (TKo) größer oder gleich 0,8 ist, insbesondere größer oder gleich 0,9 ist.
Nachheizverfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem sinkenden Heizbedarf das Nachheiz-Expansionsventil (AE4) schrittweise geöffnet wird (S507) bis sich in der Kälteanlage (10) zwei Drucklagen ausgebildet haben, wobei zwischen dem Heizregister (26) und dem Nachheiz-Expansionsventil (AE4) und zwischen dem Nachheiz-Expansionsventil (AE4) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) im Wesentlichen der gleiche Druck vorliegt.
Nachheizverfahren (500) nach Anspruch 4, wobei nach dem Ausbilden von zwei Drucklagen in der Kälteanlage (10) das schrittweise Öffnen des Nachheiz-Expansionsventils (AE4) unterbleibt und die Temperaturklappe (34L, 34R) ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung weiter geschlossen wird (S514), insbesondere in eine Schließstellung bewegt wird.
Nachheizverfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem steigenden Heizbedarf das Nachheiz-Expansionsventil (AE4) schrittweise gedrosselt wird (S515) bis sich in der Kälteanlage (10) drei Drucklagen ausgebildet haben, wobei zwischen dem Heizregister (26) und dem Nachheiz-Expansionsventil (AE4) eine Hochdrucklage ausgebildet wird und zwischen dem Nachheiz-Expansionsventil (AE4) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) eine Mitteldrucklage ausgebildet wird.
Nachheizverfahen (500) nach Anspruch 6, wobei nach Erreichen eines Maximaldrucks (S517) oder/und einer Maximaltemperatur des Kältemittels, das schrittweise Drosseln (S515) des Nachheiz-Expansionsventils (AE4) unterbleibt und die Temperaturklappe (34L, 34R) ausgehend von der Soll-Öffnungsstellung weiter geöffnet wird (S524), insbesondere bis in eine maximale Öffnungsstellung.
Nachheizverfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Soll-Öffnungsposition (TKso) der Temperaturklappe (34L, 34R) auf einen Wert zwischen 60% bis 90% eingestellt wird, insbesondere auf einen Wert zwischen 70% und 85%, bezogen auf eine maximale Öffnungsstellung von 100%.
Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist; einem äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einem Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einem Heizregister (26), das im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; wenigstens einer beweglichen Temperaturklappe (34L, 34R), die bezogen auf eine Zuluftströmungsrichtung (L) vor oder nach dem Heizregister (26) angeordnet ist; wenigstens einem Nachheiz-Expansionsventil (AE4), das zwischen dem Heizregister (26) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; wobei die Kälteanlage (10) dazu eingerichtet ist in einem Nachheizbetrieb (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben zu werden, und wobei in einem solchen Nachheizbetrieb (500) das Kältemittel ausgehend vom Kältemittelverdichter (12) nacheinander die folgenden Komponenten der Kälteanlage (10) durchströmt: Heizregister (26) und Nachheiz-Expansionsventil (AE4) im Sekundärstrang, äußerer Wärmeübertrager (18) und Verdampfer (22) im Primärstrang (14).
Kraftfahrzeug mit einer Kälteanlage (10) nach Anspruch 9.