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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperierungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreis und einen Kältemittelkreis, die mittels eines als Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten ersten Koppel-Wärmeübertragers thermisch gekoppelt sind, wobei
- - der Kühlmittelkreis eine Kühlmittelpumpe, eine Temperiereinheit in thermischem Kontakt zu einem zu temperierenden Element des Kraftfahrzeugs und einen als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kühlmittelkühler sowie den kühlmittelseitigen Teil besagten ersten Koppel-Wärmeübertragers umfasst und
- - der Kältemittelkreis einen Verdichter und einen Verdampfer sowie den kältemittelseitigen Teil besagten, in Kältemittel-Strömungsrichtung dem Verdichter nach- und dem Verdampfer vorgeschalteten, ersten Koppel-Wärmeübertragers umfasst.
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Stand der Technik
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Der Bauraum in Kraftfahrzeugen ist notorisch beschränkt. Dies ist auch bei der Auslegung von Temperierungsanordnungen zu berücksichtigen. Der Begriff der Temperierungsanordnung ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung weit zu verstehen und umfasst - teils sehr komplexe Anordnungen aus Kühl- und Kältemittelkreisen, die in Wechselwirkung miteinander einerseits für die technisch erforderliche Temperierung (Heizung oder Kühlung) von Funktionskomponenten, wie beispielsweise Antriebsaggregat, Traktionsbatterie etc., und andererseits für die aus Komfortgründen erwünschte Temperierung der Fahrgastzelle sorgen. Dabei ist es insbesondere bekannt, Kühl- und Kältemittelkreis durch einen Koppel-Wärmeübertrager thermisch miteinander zu koppeln, um etwa Wärme aus dem auf hohem Temperaturniveau arbeitenden Kältemittelkreis zur Effizienzsteigerung der Klimatisierung der Fahrgastzelle an den auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitenden Kühlmittelkreis abzugeben, der seinerseits über den Kühlmittelkühler mit der Außenluft thermisch verbunden ist. Der kältemittelseitige Teil des Koppel-Wärmeübertragers ist dabei im „heißen“ Teil des Kältemittelkreises, d.h. in Kältemittelströmungsrichtung zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer angeordnet, um dort als Kondensator bzw. Gaskühler zu wirken. Der kühlmittelseitige Teil des Koppel-Wärmeübertragers ist üblicherweise im Rücklauf des Kühlmittelkühlers, d.h. in Kühlmittel-Strömungsrichtung hinter dem Kühlmittelkühler und vor der Temperiereinheit, die thermisch beispielsweise mit einem Antriebsaggregat oder einer Traktionsbatterie verbunden ist, angeordnet. Der Koppel-Wärmeübertrager ist damit an der Position größter Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittelkreis und dem Kühlmittelkreis angeordnet, was insbesondere zu einer Effizienzmaximierung der Fahrgastzellen-Kühlung führt.
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Nachteilig ist allerdings, dass durch den Wärmeeintrag der Klimaanlage der Kühlmittelkreis belastet wird. Hierdurch steht weniger Kühlleistung für die technisch erforderliche Kühlung von Fahrzeugkomponenten zur Verfügung. Entsprechend größer müssen die Komponenten des Kühlmittelkreises ausgebildet werden, was, wie eingangs erwähnt, zu Bauraumproblemen führen kann.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Temperierungsanordnung für ein Kraftfahrzeug insgesamt effizienter zu gestalten.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass im Kühlmittelkreis der kühlmittelseitige Teil des ersten Koppel-Wärmeübertragers in Kühlmittel-Strömungsrichtung der Temperiereinheit nach- und dem Kühlmittelkühler vorgeschaltet ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Koppel-Wärmeübertrager im Vorlauf des Kühlmittelkühlers, d.h. in Kühlmittel-Strömungsrichtung hinter der Temperierungseinheit und vor dem Kühlmittelkühler, anzuordnen. Das Kühlmittel strömt an dieser Stelle auf einem höheren Temperaturniveau als im Rücklauf des Kühlmittelkühlers. Hierdurch fällt die thermische Belastung des Kühlmittelkreises geringer aus. Andererseits genügt aufgrund des hohen Temperaturniveaus des Kältemittels im heißen Teil des Kältemittelkreises hinter dem Verdichter vollkommen aus, um die für den Betrieb der Klimaanlage erforderliche Kondensation bzw. Gaskühlung des Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdampfer zu erreichen. Trotz der lokalen Effizienzminderung für die Komfort-Kühlung wird dadurch insgesamt, so die Erkenntnis der Erfinder, die Effizienz der Temperierungsanlage gesteigert.
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Das Kältemittel strömt im heißen Teil des Kältemittelkreises mit hohen Temperaturen von beispielsweise 120°C. Bei erfindungsgemäßer Anordnung des Koppel-Wärmeübertragers im Vorlauf des Kühlmittelkühlers ist dies auch die Eintrittstemperatur in den kältemittelseitigen Teil des Koppel-Wärmeübertragers. Das Kühlmittel hat hier eine Temperatur von ca. 60°C bei rein elektrischen Fahrzeugen oder Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Niedertemperaturkreis bzw. von ca. 90°C bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Hochtemperaturkreis. Durch die aus der erfindungsgemäßen Positionierung des Koppel-Wärmeübertragers resultierende Verringerung der Temperaturdifferenz der gekoppelten Kreise an der Kopplungsstelle erhöht sich die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Kühlmittelkühler gegenüber dem Stand der Technik. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Effizienz der dortigen Kühlung, die von der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der den Kühlmittelkühler durchströmenden Außenluft bestimmt wird. Diese erfindungsgemäß realisierte lokale Effizienzerhöhung überkompensiert die, wie oben erläutert, ebenfalls mit der Erfindung verbundene, lokale Effizienzabsenkung der Klimaanlage, sodass bei ganzheitlicher Betrachtung der Temperierungsanordnung eine Effizienzsteigerung zu verzeichnen ist, die bspw. durch eine bauraumsparende Dimensionierung der Temperierungsanordnung und/oder deren Leistungssteigerung ausgenutzt werden kann.
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Wie erläutert, ist die Erfindung mit einer (lokalen) Effizienzminderung der Klimaanlage verbunden. Um auch diesen Nachteil zu überwinden, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein als Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeter zweiter Koppel-Wärmeübertrager umfasst ist, der ebenfalls den Kühlmittelkreis und den Kältemittelkreis thermisch koppelt. Dessen kältemittelseitiger Teil im Kältemittelkreis ist bevorzugt in Kältemittel-Strömungsrichtung dem kältemittelseitigen Teil des ersten Koppel-Wärmeübertragers nach- und dem Verdampfer vorgeschaltet. Im Kühlmittelkreis ist der kühlmittelseitige Teil dieses zweiten Koppel-Wärmeübertragers in Kühlmittel-Strömungsrichtung bevorzugt dem Kühlmittelkühler nach- und der Temperiereinheit vorgeschaltet. Mit anderen Worten befindet sich der zweite Koppel-Wärmeübertrager an derjenigen Position, an der im Stand der Technik (der einzige) Koppel-Wärmeübertrager positioniert ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann zur Effizienzsteigerung der Klimaanlage vorgesehen sein, dass der Kältemittelkreis einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kältemittelkühler umfasst. Dieser ist im Kältemittelkreis in Kältemittel-Strömungsrichtung bevorzugt dem kältemittelseitigen Teil des ersten Koppel-Wärmeübertragers nach- und dem Verdampfer vorgeschaltet. In Fällen, in denen sowohl ein solcher Kältemittelkühler als auch ein zweiter Koppel-Wärmeübertrager vorgesehen sind, ist der thermisch mit der Umgebungsluft verbundene Kältemittelkühler bevorzugt dem zweiten Koppel-Wärmeübertrager nachgeschaltet. Dies entspricht dem grundlegenden, erfindungsgemäßen Gedanken einer Temperatur-Kaskadierung der unterschiedlichen Wärmeübertrager.
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Bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperierungsanordnung mit zusätzlichem Kältemittelkühler ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkühler und besagter Kältemittelkühler einander luftseitig parallel geschaltet sind. Bei dieser Ausführungsform profitieren beide Kühler von einer maximalen Temperaturdifferenz zum wärmeaufnehmenden Medium, d.h. zur Umgebungsluft.
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Aus Bauraumgründen mag dies jedoch nicht in allen Fällen möglich sein. Daher ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Kühlmittelkühler und der Kältemittelkühler luftseitig seriell geschaltet sind. In Umsetzung des Grundgedankens der bereits genannten Temperatur-Kaskadierung ist bei dieser Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass der Kältemittelkühler dem Kühlmittelkühler luftseitig vorgeschaltet ist, d.h. von der wärmeaufnehmenden Umgebungsluft zuerst durchströmt wird. Diese bevorzugte Anordnung ist dem höheren Temperaturniveau im Kältemittelkreis im Vergleich zum Kühlmittelkreis geschuldet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine stark schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen T em perierungsanordn ung,
- 2: eine vorteilhafte Weiterbildung der Temperierungsanordnung von 1,
- 3: eine alternative Weiterbildung der Temperierungsanordnung von 1 sowie
- 4: eine weitere alternative Weiterbildung der Temperierungsanordnung von 1.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in sehr schematisierter Darstellung eine besonders einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperierungsanordnung 10. Diese umfasst einen Kühlmittelkreis 12 und einen Kältemittelkreis 14. Der Kühlmittelkreis 12 dient der Temperierung von Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise eines Antriebsaggregats oder einer Traktionsbatterie, und ist mittels einer Temperierungseinheit 121 an diese Komponenten thermisch angekoppelt. Die an der Temperiereinheit 21 aufgenommene Wärme wird wenigstens teilweise an einem als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kühlmittelkühler 122 durch thermischen Kontakt mit der Außenluft 16 an diese abgegeben. Hierzu wird das Kühlmittel im Kühlmittelkreis 12 mittels einer Kühlmittelpumpe 123 in Kühlmittel-Strömungsrichtung 124 umgewälzt.
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Der Kältemittelkreis 14 dient insbesondere dem Betrieb einer Klimaanlage für die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs. Er umfasst einen Verdichter 141, welcher das Kältemittel komprimiert und in Kältemittel-Strömungsrichtung 142 im Kältemittelkreis 14 umwälzt. Weiter umfasst der Kältemittelkreis 15 in bekannter Weise einen Verdampfer 143 und ein ihm vorgeschaltetes Expansionsorgan 144.
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Der Kühlmittelkreis 12 und der Kältemittelkreis 14 sind über einen als Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten ersten Koppel-Wärmeübertrager 18 thermisch miteinander verbunden. Der kältemittelseitige Teil 181 des Koppel-Wärmeübertrages 18 ist zwischen dem Verdichter 141 und dem Verdampfer 143 angeordnet, nämlich in Kältemittel-Strömungsrichtung 142 dem Verdichter 141 nach- und dem Verdampfer 143, insbesondere dem Expansionsorgan 144, vorgeschaltet. Der kühlmittelseitige Teil 182 des ersten Koppel-Wärmeübertragers 18 ist im Kühlmittelkreis 12 im Vorlauf des Kühlmittelkühlers 122, d.h. in Kühlmittel-Strömungsrichtung 124 der Temperiereinheit 121 nach- und dem Kühlmittelkühler 122 vorgeschaltet.
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Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung ausführlich dargelegt, dient dies der Steigerung der Gesamteffizienz der Temperierungsanordnung 10.
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Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung ebenfalls ausführlich erläutert, ist die in 1 gezeigte Positionierung des ersten Koppel-Wärmeübertragers 18, insbesondere dessen kühlmittelseitigen Teils 182, mit einer lokalen Effizienzabsenkung für die mittels des Kältemittelkreises 14 betriebenen Klimaanlage verbunden. Bei der Ausführungsform von 2 ist daher ein zweiter Koppel-Wärmeübertrager 20 vorgesehen, der ebenfalls als Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist und dessen kältemittelseitiger Teil 201 in Kältemittel-Strömungsrichtung 142 dem kältemittelseitigen Teil 181 des ersten Koppel-Wärmeübertrages 18 nach- und dem Verdampfer 143, insbesondere dem Expansionsorgan 144 vorgeschaltet ist. Sein kühlmittelseitiger Teil 202 ist im Nachlauf des Kühlmittelkühlers 122 angeordnet.
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Bei der Ausführungsform von 3 ist alternativ zu dem zweiten Koppel-Wärmeübertrager 20 ein reiner Kältemittelkühler 22 an gleicher Stelle im Kältemittelkreis 14 vorgesehen. Der Kältemittelkühler 22 ist als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet, wobei er bei der Ausführungsform von 3 luftseitig dem Kühlmittelkühler 122 parallel geschaltet ist.
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Bei der Ausführungsform von 4 sind der Kältemittelkühler 22 und der Kühlmittelkühler 122 hingegen luftseitig in Reihe geschaltet. Insbesondere ist der Kältemittelkühler 22 dem Kühlmittelkühler 122 luftseitig vorgeschaltet.
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Obgleich in den Figuren nicht dargestellt, ist selbstverständlich auch eine Kombination einer der Ausführungsformen der 3 und 4 mit einer Ausführungsform gemäß 2, d.h. die gleichzeitige Anordnung eines zweiten Koppel-Wärmeübertragers und eines Kältemittelkühlers 22, im Rahmen der Erfindung denkbar.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Temperierungsanordnung
- 12
- Kühlmittelkreis
- 121
- Temperierungseinrichtung
- 122
- Kühlmittelkühler
- 123
- Kühlmittelpumpe
- 124
- Kühlmittel-Strömungsrichtung
- 14
- Kältemittelkreis
- 141
- Verdichter
- 142
- Kältemittel-Strömungsrichtung
- 143
- Verdichter
- 144
- Expansionsorgan
- 16
- Außenluft
- 18
- erster Koppel-Wärmeübertrager
- 181
- kältemittelseitiger Teil von 18
- 182
- kühlmitteilseitiger Teil von 18
- 20
- zweiter Koppel-Wärmeübertrager
- 201
- kältemittelseitiger Teil von 20
- 202
- kühlmittelseitiger Teil von 20
- 22
- Kältemittelkühler
