DE102020103376A1 - System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems - Google Patents

System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems Download PDF

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Navid Durrani
Toni Spies
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System (1a, 1b) weist einen Kältemittelkreislauf (2a, 2b) mit einem Verdichter (5), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) und mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7, 8) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (10, 11), einen ersten Kühlmittelkreislauf (3) mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (26) sowie einen zweiten Kühlmittelkreislauf (4) mit einem Kühlmittel-Wärmeübertrager (31) zum Temperieren einer Antriebskomponente auf. Dabei sind der erste Kühlmittelkreislauf (3) und der zweite Kühlmittelkreislauf (4) stofflich voneinander getrennt. Die Kühlmittelkreisläufe (3, 4) weisen einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) zur Wärmeübertragung zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen (3, 4) zirkulierenden Kühlmitteln auf. Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben des Systems (1a, 1b).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System weist einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums, einen ersten Kühlmittelkreislauf mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einen zweiten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Temperieren einer Antriebskomponente des Kraftfahrzeugs auf. Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben des Systems.
  • Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebskonzepten bekannt. Die Konzepte basieren auf Antrieben mittels eines Verbrennungsmotors, eines Elektromotors oder einer Kombination aus beiden Motortypen. Kraftfahrzeuge mit einer Kombination aus verbrennungsmotorischem und elektromotorischem Antrieb weisen folglich einen Hybridantrieb auf, sodass das Kraftfahrzeug je nach Bedarf elektrisch, elektrisch/verbrennungsmotorisch oder auch verbrennungsmotorisch angetrieben werden kann. Dabei sind Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb, dessen Batterie sowohl über den Verbrennungsmotor als auch am Stromnetz geladen werden kann, als Plug-in-Hybrid oder kurz PHEV für „plug-in hybrid electric vehicle“ bezeichnet, zumeist mit einer leistungsstärkeren Batterie als Kraftfahrzeuge mit einer ausschließlich über den Verbrennungsmotor aufladbaren Batterie ausgebildet.
  • Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems sind die hybridangetriebenen Kraftfahrzeuge mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierten Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager geleitet wird.
    Um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie einzuhalten, ist zur Kühlung der Batterie entweder der Kühlmittelkreislauf mit einem zusätzlichen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur thermischen Kopplung mit dem Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems oder ein als Batteriekühler ausgebildeter direkt kältemittelgekühlter Wärmeübertrager vorgesehen. Der zur Batteriekühlung als Verdampfer des Kältemittels betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird auch als Chiller bezeichnet.
  • Ein System zur Wärmeverteilung eines PHEV weist folglich bekanntlich mindestens einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf auf. Innerhalb des Klimageräts des Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs sind mit einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für den Fahrgastraum und einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager jeweils zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum mindestens drei Wärmeübertrager angeordnet.
  • So geht beispielsweise aus der DE 10 2013 105 747 A1 eine Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Hybridfahrzeug mit einem Motorkühlkreislauf und einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum sowie einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufes und dem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes hervor. Dabei ist der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel als Verdampfer zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das verdampfende Kältemittel und als Kondensator zur Wärmeübertragung vom kondensierenden Kältemittel an das Kühlmittel betreibbar.
  • Die Ausbildung der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Wärmeverteilung innerhalb eines PHEV ist hochkomplex und erfordert sowohl kältemittelseitig und kühlmittelseitig als auch luftseitig eine Vielzahl von Komponenten, was hohe Systemkosten verursacht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines modularen Systems zum Klimatisieren der Luft des Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Das System soll neben einem komfortablen Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum zudem ein Konditionieren der Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere sowohl ein Temperieren der Hochvoltbatterie des elektrischen Antriebs als auch ein Vorkonditionieren des Verbrennungsmotors, speziell über den Kältemittelkreislauf, ermöglichen. Das System soll dabei mit maximaler Effizienz betreibbar sein. Die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum des Systems sollen minimal sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das System weist einen Kältemittelkreislauf sowie einen ersten Kühlmittelkreislauf und einen zweiten Kühlmittelkreislauf auf. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan ausgebildet.
    Wenn die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, erfolgt, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf ist mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet. Der zweite Kühlmittelkreislauf weist einen Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Temperieren einer Antriebskomponente, insbesondere eines Verbrennungsmotors, auf.
  • Nach der Konzeption der Erfindung sind der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf stofflich voneinander getrennt ausgebildet. Dabei weisen die Kühlmittelkreisläufe einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen zirkulierenden Kühlmitteln auf. Der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist als eine thermische Verbindung der Kühlmittelkreisläufe ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit mindestens einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten und dem Kältemittel mit einem vorgelagerten Expansionsorgan ausgebildet. Die Antriebskomponente ist bevorzugt eine elektrische Komponente, beispielsweise eine Hochvoltbatterie beziehungsweise ein elektrischer Motor, eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs.
    Der mindestens eine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit dem vorgelagerten Expansionsorgan und der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten und dem Kältemittel mit dem vorgelagerten Expansionsorgan sind vorteilhaft parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kältemittel beaufschlagbar. Dabei weist der Kältemittelkreislauf mindestens zwei Strömungspfade mit jeweils dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und dem dem Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan auf. Der mindestens eine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist innerhalb eines ersten Strömungspfades angeordnet, während der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager innerhalb des zweiten Strömungspfades vorgesehen ist. Die Strömungspfade sind parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen weiteren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an Umgebungsluft auf, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet ist. Der als thermische Verbindung zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem ersten Kühlmittelkreislauf ausgebildete erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an Umgebungsluft sind in Reihe geschaltet. Dabei ist der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager vorgesehen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen zirkulierenden Kühlmitteln und der als Heizwärmeübertrager betriebene Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs, nacheinander angeordnet. Die Wärmeübertrager sind damit in Reihe geschaltet und bevorzugt direkt nacheinander von Kühlmittel durchströmt ausgebildet. Unter der direkten Anordnung der Wärmeübertrager nacheinander ist zu verstehen, dass die Wärmeübertrager über eine Kühlmittelleitung miteinander derart verbunden sind, dass das Kühlmittel auf dem Strömungsweg zwischen den Wärmeübertragern keine weitere Komponente des Kühlmittelkreislaufs, insbesondere zur Wärmeaufnahme oder zur Wärmeabgabe durch das Kühlmittel, ausgenommen die entsprechende Verbindungsleitung oder beispielsweise eine Fördervorrichtung, passiert.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erste Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
    Der erste Kühlmittelkreislauf weist vorzugsweise einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstrecken sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Dabei sind der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des ersten Strömungspfades und der als Heizwärmeübertrager betriebene Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet.
    Die Mündungsstelle oder die Abzweigstelle des ersten Kühlmittelkreislaufs ist bevorzugt als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet.
    Der zweite Kühlmittelkreislauf weist vorteilhaft einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstrecken sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Dabei sind der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des ersten Strömungspfades und der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet.
    Die Abzweigstelle oder die Mündungsstelle des zweiten Kühlmittelkreislaufs ist bevorzugt als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.
  • Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an Umgebungsluft, der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des ersten Kühlmittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des zweiten Kühlmittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft sind vorzugsweise nacheinander oder parallel und damit unabhängig voneinander mit Umgebungsluft beaufschlagbar. Bei einer Anordnung des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager für ein serielles Beaufschlagen mit Umgebungsluft ist der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft bevorzugt vor den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern angeordnet, wobei der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des ersten Kühlmittelkreislaufs zudem vor dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des zweiten Kühlmittelkreislaufs mit Umgebungsluft angeströmt wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des voranstehenden Systems zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Übertragen von Wärme von Zuluft für einen Fahrgastraum an ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und/oder
    • - Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers und Temperieren, insbesondere Kühlen, mindestens einer Antriebskomponente, vorzugsweise eines elektrischen Antriebsstrangs, sowie
    • - Übertragen von Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels an ein in einem ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt und das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren beim Betrieb des Systems in einem Kälteanlagenmodus weitere folgende Schritte auf:
    • - Übertragen der Wärme vom im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel abgekühlt wird, sowie
    • - Übertragen von Wärme von einem Verbrennungsmotor an ein in einem zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird, sowie Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs abgekühlt wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Verfahren beim Betrieb des Systems in einem Aufwärmmodus eines Verbrennungsmotors weitere folgende Schritte auf:
    • - Leiten zumindest eines Teilmassenstroms des im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie Übertragen der Wärme vom im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels an im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel, wobei der Teilmassenstrom des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs abgekühlt und das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird, sowie
    • - Übertragen von Wärme von im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierendem Kühlmittel an den Verbrennungsmotor beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs abgekühlt und der Verbrennungsmotor erwärmt wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren beim Betrieb des Systems in einem Heizmodus oder einem Nachheizmodus weitere folgende Schritte auf:
    • - Übertragen von Wärme von einem Verbrennungsmotor an ein in einem zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird,
    • - Leiten zumindest eines Teilmassenstroms des im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie Übertragen der Wärme vom im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels an zumindest einen im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels, wobei der Teilmassenstrom des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs abgekühlt und der Teilmassenstrom des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird, sowie
    • - Leiten des Teilmassenstroms des im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum.
  • Beim Durchströmen eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers wird vorteilhaft Wärme vom im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen, wobei das Kältemittel verflüssigt und/oder unterkühlt wird.
    Ein Teilmassenstrom des im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels kann durch einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet und Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen werden.
    Ein Teilmassenstrom des im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels wird vorzugsweise durch einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet, um Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft zu übertragen.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des Systems in Kraftfahrzeugen mit einem hybriden Antrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor.
  • Das erfindungsgemäße System mit integrierter Wärmepumpenfunktionalität, insbesondere für hybridangetriebene Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, speziell PHEVs, weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - energieeffizientes Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum durch Nutzen von Abwärme des Kältemittelkreislaufs, insbesondere bei Stillstand des Verbrennungsmotors,
    • - Vorkonditionieren des Verbrennungsmotors und dessen Betriebsmittels für einen geringeren Kraftstoffverbrauch und einen emissionsarmen Start des Verbrennungsmotors,
    • - Rückgewinnung von Wärme von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs,
    • - maximale Effizienz beim Betrieb mit hohem Grad der Abwärmenutzung, modularer Aufbau und minimaler Bauraum durch kompaktes Design sowie
    • - geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
  • Das System, insbesondere der Kältemittelkreislauf, ist unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils ein System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit zwei über einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager thermisch gekoppelten Kühlmittelkreisläufen sowie
    • 1: mit einem über einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit einem der Kühlmittelkreisläufe thermisch gekoppelten Kältemittelmittelkreislauf mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft des Kraftfahrzeugs und
    • 2: mit einem Kältemittelkreislauf der Ausführungsform nach 1 ohne den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft.
  • Die 1 und 2 zeigen jeweils ein System 1a, 1b zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2a, 2b mit als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 7, 8, 9 zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums sowie von Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, wie einer Batterie oder einem Elektromotor, sowie einem ersten Kühlmittelkreislauf 3 ebenfalls zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums. Der erste Kühlmittelkreislauf 3 ist zur Übertragung von Wärme über einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 mit dem Kältemittelkreislauf 2a, 2b sowie über einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf 4 thermisch gekoppelt.
    Der zweite Kühlmittelkreislauf 4 ist zur Wärmeübertragung zwischen dem im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittel und einem Verbrennungsmotor ausgebildet und dient folglich dem bedarfsgerechten Temperieren des Verbrennungsmotors als eine weitere Antriebskomponente des Kraftfahrzeugs. Der zweite Kühlmittelkreislauf 4 weist keine direkte thermische Verbindung zum Kältemittelkreislauf 2a, 2b auf.
    Die fluidisch voneinander getrennten Kühlmittelkreisläufe 3, 4 des Systems 1a, 1b werden jeweils unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Kühlmitteln beaufschlagt. Die Kühlmittel sind jeweils einem der Kühlmittelkreisläufe 3, 4 zugeordnet, sodass keines der Kühlmittel auch je nach Betriebsmodus innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 und des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 zirkuliert. Die Kühlmittelkreisläufe 3, 4 sind strömungstechnisch vollständig voneinander getrennt.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a, 2b weist einen Verdichter 5 zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels auf. Das verdichtete und überhitzte gasförmige Kältemittel wird zu einem als kühlmittelgekühlten Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 geleitet. Beim Durchströmen des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 wird Wärme vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems 1a, 1b enthitzt und verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt. Über den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 ist der Kältemittelkreislauf 2a, 2b mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 3 thermisch gekoppelt.
  • Nach dem Austreten aus dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 kann das flüssige Kältemittel an einer ersten Abzweigstelle 13 und einer in Strömungsrichtung des Kältemittels der ersten Abzweigstelle 13 nachgeordneten zweiten Abzweigstelle 14 je nach Bedarf auf ein bis drei Strömungspfade aufgeteilt werden. Jeder der Strömungspfade weist ein Expansionsorgan 10, 11, 12 sowie einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 7, 8, 9 auf. Die durch die Strömungspfade geleiteten Teilmassenströme des Kältemittels werden an einer ersten Mündungsstelle 15 beziehungsweise an einer zweiten Mündungsstelle 16 wieder zusammengeführt und als gemeinsamer Kältemittelmassenstrom vom Verdichter 5 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a, 2b ist geschlossen. Die jeweils mit einem Verdampfer ausgebildeten Strömungspfade werden dabei je nach Bedarf einzeln oder gemeinsam und parallel mit Kältemittel beaufschlagt. Die Anteile der Teilmassenströme können je nach Bedarf zwischen 0 und 100 % betragen.
  • An der ersten Abzweigstelle 13 kann der Massenstrom des Kältemittels in einen durch einen ersten Strömungspfad geleiteten ersten Teilmassenstrom und einen durch einen zweiten Strömungspfad geleiteten zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades ist ein als Verdampfer betriebener erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan 10 angeordnet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades ein als Verdampfer betriebener zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan 11 angeordnet ist. Der erste Teilmassenstrom und der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels werden an der ersten Mündungsstelle 15 miteinander vermischt.
    Das beim Durchströmen des jeweiligen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 7, 8 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms auf. Dabei wird der Luftmassenstrom entfeuchtet und/oder abgekühlt. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 ist innerhalb eines Klimagerätes zum Konditionieren des in einen vorderen Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms angeordnet, während der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 innerhalb des Klimagerätes zum Konditionieren des in einen hinteren Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms angeordnet ist.
  • An der zweiten Abzweigstelle 14 kann der Massenstrom des Kältemittels in den durch den zweiten Strömungspfad geleiteten zweiten Teilmassenstrom und einen durch einen dritten Strömungspfad geleiteten dritten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des dritten Strömungspfades ist ein ebenfalls als Verdampfer betriebener zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten dritten Expansionsorgan 12 angeordnet. Der dritte Teilmassenstrom des Kältemittels wird dem übrigen Massenstrom an der zweiten Mündungsstelle 16 zugemischt.
  • Das beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme eines in einem weiteren, nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels auf. Dabei wird das Kühlmittel abgekühlt. Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9, welcher auch als Chiller bezeichnet wird, ist über Anschlüsse 19 mit dem Kühlmittelkreislauf beispielsweise zum Temperieren der Batterie, wie einer Hochvoltbatterie, oder des elektrischen Antriebsmotors des PHEV verbunden.
  • Der mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b an den Anschlüssen 19 mit dem System 1a, 1b verbundene, nicht dargestellte Kühlmittelkreislauf dient bei hohen Werten der Temperatur der Umgebung zum Kühlen der Batterie und Halten der Temperatur der Batterie unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts. Der Kühlmittelkreislauf, auch als Kaltwassersatz bezeichnet, kann ebenso zum Rückgewinnen von Abwärme aus Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs genutzt werden. Dabei wird die Wärme als Verdampfungswärme an das im Kältemittelkreislauf 2a, 2b zirkulierende Kältemittel übertragen. Auf diese Weise wird neben der möglichen Heizleistung auch der Wirkungsgrad des Systems 1a, 1b maximiert.
  • Um ein Rückströmen des durch den dritten Strömungspfad geleiteten Teilmassenstroms des Kältemittels in den ersten beziehungsweise zweiten Strömungspfad zu verhindern, ist zwischen der ersten Mündungsstelle 15 und der zweiten Mündungsstelle 16 eine Rückschlagvorrichtung 17, insbesondere ein Rückschlagventil, vorgesehen.
  • Bei der Ausführungsform des Systems 1a nach 1 ist zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6, welcher als thermische Kopplung zwischen dem Kältemittelkreislauf 2a und dem ersten Kühlmittelkreislauf 3 ausgebildet ist, und der ersten Abzweigstelle 13 ein dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft angeordnet.
    Das Kältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 zum insbesondere als Unterkühler/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 18 und der Abgabe von Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft wird das Kältemittel je nach Zustand, Bedarf und Betriebsmodus unterkühlt oder enthitzt, verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt, beispielsweise wenn im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 keine oder lediglich eine sehr geringe Wärme übertragen wird.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf 3 weist neben dem bereits beschriebenen, als Kondensator/Gaskühler im Kältemittelkreislauf 2a, 2b betriebenen, ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 eine als Kühlmittelpumpe ausgebildete erste Fördervorrichtung 20 zum Umwälzen des Kühlmittels, einen ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 21 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und Umgebungsluft, insbesondere vom Kühlmittel an die Umgebungsluft, einen zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum sowie den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 als thermische Kopplung zum zweiten Kühlmittelkreislauf 4 auf.
  • An einer in Strömungsrichtung des Kühlmittels der ersten Fördervorrichtung 20 nachfolgend angeordneten Abzweigstelle 24 kann der Massenstrom des Kühlmittels in einen durch einen ersten Strömungspfad 22 geleiteten ersten Teilmassenstrom und einen durch einen zweiten Strömungspfad 23 geleiteten zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades 22 ist der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 21 angeordnet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades 23 in Strömungsrichtung des Kühlmittels der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 und der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 angeordnet sind. Der erste Teilmassenstrom und der zweite Teilmassenstrom des Kühlmittels werden an einer speziell als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Mündungsstelle 25 miteinander vermischt und anschließend durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 angesaugt.
    Der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 21 ist direkt mit dem kühlmittelgekühlten ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel sowie dem als Heizwärmeübertrager betriebenen zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft des Fahrgastraums verbunden und zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft konfiguriert.
  • Innerhalb des Klimagerätes ist der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 insbesondere zum Konditionieren des in den vorderen Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms vorgesehen. Dabei ist der als Verdampfer betriebene erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b in Strömungsrichtung der Zuluft vor dem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 angeordnet, sodass beispielsweise innerhalb des in einem Heizmodus betriebenen Systems 1a, 1b die Zuluft für den Fahrgastraum erwärmt oder innerhalb des in einem Nachheizmodus betriebenen Systems 1a, 1b die beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 7 entfeuchtete und/oder abgekühlte Zuluft für den Fahrgastraum wieder erwärmt werden kann.
  • Der zweite Kühlmittelkreislauf 4 weist neben dem bereits beschriebenen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 als thermische Kopplung zum ersten Kühlmittelkreislauf 3 eine als Kühlmittelpumpe ausgebildete zweite Fördervorrichtung 30 zum Umwälzen des Kühlmittels, einen Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 zum Temperieren eines Verbrennungsmotors sowie einen dritten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 32 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und Umgebungsluft, insbesondere vom Kühlmittel an die Umgebungsluft, auf.
  • Der Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 zum Temperieren des Verbrennungsmotors ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels der zweiten Fördervorrichtung 30 nachfolgend angeordnet. An einer in Strömungsrichtung des Kühlmittels nachgeschalteten, speziell als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Abzweigstelle 35 kann der Massenstrom des Kühlmittels in einen durch einen ersten Strömungspfad 33 geleiteten ersten Teilmassenstrom und einen durch einen zweiten Strömungspfad 34 geleiteten zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades 33 ist der dritte Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 32 angeordnet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades 34 der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 angeordnet ist. Der erste Teilmassenstrom und der zweite Teilmassenstrom des Kühlmittels werden an einer Mündungsstelle 36 miteinander vermischt und anschließend durch die zweite Fördervorrichtung 30 angesaugt.
    Der dritte Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 32 ist folglich direkt mit dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 zum Temperieren des Verbrennungsmotors, insbesondere zum Übertragen von Wärme vom Verbrennungsmotor an das Kühlmittel, verbunden und zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft konfiguriert. Der zweite Kühlmittelkreislauf 4 weist dabei keine direkte fluidische Verbindung mit dem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 auf, welcher innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 angeordnet ist.
  • Die Ausbildung der Mündungsstelle 25 innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 sowie der Abzweigstelle 35 innerhalb des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 als Drei-Wege-Ventil ermöglicht zum einen das Übertragen von Wärme zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen 3, 4 zirkulierenden Kühlmitteln im Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27. Zum anderen können die Kühlmittelkreisläufe 3, 4 unabhängig und getrennt voneinander betrieben werden.
  • Die zur Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft ausgebildeten dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 des Kältemittelkreislaufs 2a, erster Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 21 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 und dritter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 32 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 sind in angegebener Reihenfolge in Strömungsrichtung 37 der Umgebungsluft angeordnet. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 des Kältemittelkreislaufs 2a wird von der Umgebungsluft als erster Wärmeübertrager angeströmt. Beim Kältemittelkreislauf 2b des Systems 1b nach 2 entfällt der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 des Kältemittelkreislaufs 2a.
  • Beim Betrieb des Systems 1a, 1b zum Klimatisieren der Luft des Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs in einem Kälteanlagenmodus wird die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 beziehungsweise im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a, 2b zirkulierende Kältemittel beziehungsweise die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 von mindestens einer Komponente des elektrischen Antriebsstrangs an das im Kältemittelkreislauf 2a, 2b zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme zumindest anteilig im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Bei der Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 2a mit dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 18 kann ein weiterer Anteil oder die gesamte Wärme vom Kältemittel direkt die an Umgebungsluft übertragen werden.
  • Das beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 erwärmte Kühlmittel wird zum Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft durch den ersten Strömungspfad 22 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 und damit den ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 21 geleitet.
    Zudem wird beim Durchströmen des Kühlmittel-Wärmeübertragers 31 Wärme vom Verbrennungsmotor an das im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Das erwärmte Kühlmittel wird zum Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft durch den ersten Strömungspfad 33 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 und damit den dritten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 32 geleitet. Mit dem System 1a, 1b wird eine große Wärmeleistung beim Betrieb im Kälteanlagenmodus erreicht.
  • Beim Betrieb des Systems 1a, 1b in einem Heizmodus oder einem Nachheizmodus kann sowohl die Abwärme des Klimatisierungssystems, insbesondere die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 beziehungsweise im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a, 2b zirkulierende Kältemittel, als auch die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 von mindestens einer Komponente des elektrischen Antriebsstrangs an das im Kältemittelkreislauf 2a, 2b zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme beziehungsweise die vom Verbrennungsmotor abgeführte Wärme zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt werden.
    Dabei wird zumindest ein Teilmassenstrom des beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 erwärmten Kühlmittels zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum durch den zweiten Strömungspfad 23 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 und damit den als Heizwärmeübertrager betriebenen zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 geleitet.
    Zudem oder anstelle kann zumindest ein Teilmassenstrom des beim Durchströmen des Kühlmittel-Wärmeübertragers 31 im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels zum Übertragen von Wärme an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel durch den zweiten Strömungspfad 34 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 und damit den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 geleitet werden. Das beim Durchströmen des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 27 erwärmte Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 wird zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum durch den als Heizwärmeübertrager betriebenen zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 26 geleitet.
    Folglich kann insbesondere beim Betrieb des Systems 1a, 1b in einem Heizmodus der Zuluft für den Fahrgastraum sowohl die Abwärme des Verbrennungsmotors als auch Abwärme der Klimatisierungssystems zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt werden. Das gemeinsame Nutzen der Abwärmen ermöglicht ein deutlich schnelleres Aufheizen der Zuluft und damit der Luft innerhalb des Fahrgastraums.
  • Zudem ermöglicht der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 sowohl eine Wärmeübertragung vom im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel als auch eine Wärmeübertragung vom im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierenden Kühlmittel an das im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierende Kühlmittel. Da die Wärme zwischen dem im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierenden Kühlmittel des Klimatisierungssystems und dem im zweiten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittel des Verbrennungsmotors in beiden Richtungen übertragen werden kann, kann die Abwärme des Klimatisierungssystems nicht nur zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum, sondern auch zum Erwärmen des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen genutzt werden. Es wird jeweils ein hoher Grad der Abwärmenutzung erzielt.
    Dabei wird zumindest ein Teilmassenstrom des beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 6 erwärmten Kühlmittels zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 an Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 durch den zweiten Strömungspfad 23 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 und damit den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 27 geleitet. Das beim Durchströmen des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 27 erwärmte Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 4 wird zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an den Verbrennungsmotor durch den Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 geführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b
    System
    2a, 2b
    Kältemittelkreislauf
    3
    erster Kühlmittelkreislauf
    4
    zweiter Kühlmittelkreislauf
    5
    Verdichter
    6
    erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    7
    erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    8
    zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    9
    zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    10
    erstes Expansionsorgan
    11
    zweites Expansionsorgan
    12
    drittes Expansionsorgan
    13
    erste Abzweigstelle
    14
    zweite Abzweigstelle
    15
    erste Mündungsstelle
    16
    zweite Mündungsstelle
    17
    Rückschlagvorrichtung
    18
    dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    19
    Anschluss Kühlmittelkreislauf elektrischer Antriebsstrang
    20
    erste Fördervorrichtung erster Kühlmittelkreislauf 3
    21
    erster Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    22
    erster Strömungspfad erster Kühlmittelkreislauf 3
    23
    zweiter Strömungspfad erster Kühlmittelkreislauf 3
    24
    Abzweigstelle erster Kühlmittelkreislauf 3
    25
    Mündungsstelle erster Kühlmittelkreislauf 3
    26
    zweiter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    27
    Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    30
    zweite Fördervorrichtung zweiter Kühlmittelkreislauf 4
    31
    Kühlmittel-Wärmeübertrager Verbrennungsmotor
    32
    dritter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    33
    erster Strömungspfad zweiter Kühlmittelkreislauf 4
    34
    zweiter Strömungspfad zweiter Kühlmittelkreislauf 4
    35
    Abzweigstelle zweiter Kühlmittelkreislauf 4
    36
    Mündungsstelle zweiter Kühlmittelkreislauf 4
    37
    Strömungsrichtung Umgebungsluft
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013105747 A1 [0005]

Claims (19)

  1. System (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs, aufweisend - einen Kältemittelkreislauf (2a, 2b) mit einem Verdichter (5), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) und mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7, 8) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (10, 11), - einen ersten Kühlmittelkreislauf (3) mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (26) sowie - einen zweiten Kühlmittelkreislauf (4) mit einem Kühlmittel-Wärmeübertrager (31) zum Temperieren einer Antriebskomponente, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (3) und der zweite Kühlmittelkreislauf (4) stofflich voneinander getrennt ausgebildet sind und einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) zur Wärmeübertragung zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen (3, 4) zirkulierenden Kühlmitteln aufweisen.
  2. System (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) mindestens einen als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten und dem Kältemittel mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (12) aufweist.
  3. System (1a, 1b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7, 8) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit dem vorgelagerten Expansionsorgan (10, 11) und der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) mit dem vorgelagerten Expansionsorgan (12) parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kältemittel beaufschlagbar angeordnet sind.
  4. System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a) mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (18) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an Umgebungsluft ausgebildet ist, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) angeordnet ist.
  5. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) zur Wärmeübertragung zwischen den in den Kühlmittelkreisläufen (3, 4) zirkulierenden Kühlmitteln und der als Heizwärmeübertrager betriebene Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (26) in Strömungsrichtung des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs (3) nacheinander angeordnet sind.
  6. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf (3) mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (21) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
  7. System (1a, 1b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf (3) einen ersten Strömungspfad (22) und einen zweiten Strömungspfad (23) aufweist, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle (24) bis zu einer Mündungsstelle (25) erstreckend ausgebildet sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar angeordnet sind, wobei der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (21) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des ersten Strömungspfades (22) und der als Heizwärmeübertrager betriebene Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (26) innerhalb des zweiten Strömungspfades (23) angeordnet sind.
  8. System (1a, 1b) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsstelle (25) des ersten Kühlmittelkreislaufs (3) als Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist.
  9. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (4) mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (32) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
  10. System (1a, 1b) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (4) einen ersten Strömungspfad (33) und einen zweiten Strömungspfad (34) aufweist, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle (35) bis zu einer Mündungsstelle (36) erstreckend ausgebildet sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar angeordnet sind, wobei der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (32) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des ersten Strömungspfades (33) und der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) innerhalb des zweiten Strömungspfades (34) angeordnet sind.
  11. System (1a, 1b) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigstelle (35) des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) als Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist.
  12. Verfahren zum Betreiben des Systems (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 2 bis 11, aufweisend folgende Schritte: - Übertragen von Wärme von Zuluft für einen Fahrgastraum an ein in einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (7, 8) und/oder - Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das im Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierende Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (9) und Temperieren mindestens einer Antriebskomponente sowie - Übertragen von Wärme des im Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierenden Kältemittels an ein in einem ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (6), wobei das Kältemittel enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt und das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs (3) erwärmt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12 beim Betrieb des Systems (1a, 1b) in einem Kälteanlagenmodus, aufweisend folgende Schritte: - Übertragen der Wärme vom im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers (21), wobei das Kühlmittel abgekühlt wird, sowie - Übertragen von Wärme von einem Verbrennungsmotor an ein in einem zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers (31), wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) erwärmt wird, sowie Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers (32), wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) abgekühlt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 beim Betrieb des Systems (1a, 1b) in einem Aufwärmmodus eines Verbrennungsmotors, aufweisend folgende Schritte: - Leiten zumindest eines Teilmassenstroms des im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) sowie Übertragen der Wärme vom im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels an im zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierendes Kühlmittel, wobei der Teilmassenstrom des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs (3) abgekühlt und das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) erwärmt wird, sowie - Übertragen von Wärme von im zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierenden Kühlmittel an den Verbrennungsmotor beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers (31), wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) abgekühlt und der Verbrennungsmotor erwärmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 beim Betrieb des Systems (1a, 1b) in einem Heizmodus oder einem Nachheizmodus, aufweisend folgende Sch ritte: - Übertragen von Wärme von einem Verbrennungsmotor an ein in einem zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kühlmittel-Wärmeübertragers (31), wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) erwärmt wird, - Leiten zumindest eines Teilmassenstroms des im zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (27) sowie Übertragen der Wärme vom im zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels an zumindest einen im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden Teilmassenstrom des Kühlmittels, wobei der Teilmassenstrom des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs (4) abgekühlt und der Teilmassenstrom des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs (3) erwärmt wird, sowie - Leiten des Teilmassenstroms des im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (26) und Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchströmen eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (18) Wärme vom im Kältemittelkreislauf (2a) zirkulierenden Kältemittels an die Umgebungsluft übertragen wird, wobei das Kältemittel verflüssigt und/oder unterkühlt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilmassenstrom des im ersten Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (21) geleitet und Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilmassenstrom des im zweiten Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierenden und erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (32) geleitet und Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen wird.
  19. Verwendung des Systems (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Kraftfahrzeug mit einem hybriden Antrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor.
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