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Die Erfindung betrifft einen Kühlbehälter für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Verdampferanordnung für die Kühlung des Kühlbehälters, und mit einem Kühlbehälter-Kältemittelkreislausf, der mit der Verdampferanordnung verbunden ist und der einen Kältemittelverdichter sowie ein der Verdampferanordnung vorgeschaltetes Expansionsventil aufweist.
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Aus der
DE 10 2019 210 084.8 ist eine Kühlboxeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Luftzufuhrkanal aufweist, der dazu dient, Abluft aus dem Fahrzeuginnenraum oder aus Luft aus der Fahrzeugumgebung anzusaugen, so dass mittels der angesaugten Luft, dem Kühlgut entzogene Wärme abgeführt werden kann.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, die Wärmeabfuhr für einen Kühlbehälter in einem Kraftfahrzeug zu verbessern, wobei der Kühlbehälter auf dem Temperaturniveau eines Kühlschranks gehalten werden soll.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Kühlbehälter für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Verdampferanordnung für die Kühlung des Kühlbehälters,
einem Kühlbehälter -Kältemittelkreislauf, der mit der Verdampferanordnung verbunden ist und der einen Kältemittelverdichter sowie ein der Verdampferanordnung vorgeschaltetes Expansionsventil aufweist, und mit
einer Wärmeübertrageranordnung, die wenigstens einen Wärmeübertrager aufweist, der mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer elektrischen Antriebs- oder Speicherkomponente, insbesondere einer Batterie des Kraftfahrzeugs, zu deren Kühlung verbunden ist, und wobei der Kühlmittelkreislauf einen Chiller aufweist, der mit einem Fahrzeug-Kältemittelkreislauf verbunden ist, und/oder einen über Umgebungsluft gekühlten Niedertemperatur-Kühler aufweist.
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Bei einem derartigen Kühlbehälter liegt die Temperatur des Kühlmittels, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, im Kühlmittelkreislauf der elektrischen Komponente in den meisten Fällen auf Umgebungstemperaturniveau oder darunter. Entsprechend kann in der Wärmeübertrageranordnung des Kühlbehälter -Kältemittelkreises das verdichtete Kältemittel zuverlässig auf eine Temperatur bzw. ein Druckniveau abgekühlt (kondensiert) werden, so dass beim späteren Verdampfen das gewünschte Temperaturniveau für den Kühlbehälter, insbesondere ein Kühlschrank-Temperaturniveau von etwa 2°C bis 8°C, eingestellt werden kann.
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Sollte das System weiteres Potenzial hinsichtlich einer Reduktion des Verdampfungstemperaturniveaus aufweisen, so kann der Kühlbehälter in seiner Funktionalität auf einen Gefrierbehälter hinsichtlich des Betriebsbereichs ausgeweitet werden. Die in einem solchen Falle zusätzlich in Betracht zu ziehende behälterinterne Vereisung wird im Rahmen dieser Anmeldung aber nicht weiter im Detail betrachtet.
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Bei dem Kühlbehälter kann die Wärmeübertrageranordnung einen direkt mit Luft, insbesondere (Teil-)Umluft oder/und Frischluft, beaufschlagten Kondensator bzw. Gaskühler als ersten Wärmeübertrager aufweisen, der in dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf angeordnet ist, und einen mit dem Kühlmittelkreislauf verbundenen zweiten Wärmeübertrager aufweisen.
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Durch die Anordnung von mindestens zwei Wärmeübertragern, die für den Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf thermisch wirksam sind, ist es möglich, den Kühlbehälter effizient zu kühlen.
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Dabei kann der zweite Wärmeübertrager mit Luft, insbesondere Umluft oder/und Frischluft, beaufschlagt sein und bezogen auf die Luftströmungsrichtung stromaufwärts von dem ersten, mit Luft beaufschlagten Wärmeübertrager angeordnet sein.
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In einer Alternative kann der zweite Wärmeübertrager ein indirekter Gaskühler oder ein indirekter Kondensator sein, der im Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf angeordnet ist und in Strömungsrichtung des Kühlbehälter-Kältemittelkreislaufs stromabwärts oder stromaufwärts von dem ersten, mit Luft beaufschlagten Wärmeübertrager angeordnet ist.
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Die Anordnung der beiden als Kondensator bzw. Gaskühler arbeitenden Wärmeübertrager des Kühlbehälter-Kältemittelkreislaufs ist so zu wählen, dass bevorzugt der Wärmeübertrager, der in den überwiegenden Betriebsfällen das niedrigere Kühltemperaturniveau ausweist, dem Wärmeübertrager mit dem zumeist höheren Temperaturniveau nachgeschaltet ist.
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Durch die beiden genannten Alternativen der Kombination von erstem und zweitem Wärmeübertrager in der Wärmeübertrageranordnung des Kühlbehälters kann je nach Temperaturlevel am Kühlbehälter, eine jeweilige Wärmesenke, also erster oder/und zweiter Wärmeübertrager, gezielt aktiv ein-/ausgeschaltet werden, insbesondere auch beide gemeinsam hinzugeschaltet werden.
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In dem Kühlmittelkreislauf kann eine Bypassanordnung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, Kühlmittel an der Wärmeübertrageranordnung vorbei zu leiten. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung stehende Wärmeübertrager, insbesondere der zweite Wärmeübertrager, nicht von Kühlmittel durchströmt wird und somit nicht als Wärmesenke zur Verfügung steht.
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Eine solche Bypassanordnung kann beispielsweise in Strömungsrichtung von Kühlmittel stromabwärts von der zu kühlenden elektrischen Komponente (Batterie) einen mittels eines entsprechenden Absperrorgans absperrbaren Bypasszweig aufweisen, der strömungstechnisch parallel zu dem (zweiten) Wärmeübertrager angeordnet ist. Ferner kann in dem Kühlmittelkreislauf ein weiteres Absperrorgan vorgesehen sein, um ein Durchströmen des betreffenden Wärmeübertragers mit Kühlmittel zu sperren bzw. freizugeben. Besagte Absperrorgane können in einem weiteren Schritt als Kombinationsventile, wie bspw. als 3-2-Wege-Ventil oder auch Mischventil, ausgeführt sein.
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Vorgeschlagen wird auch ein Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf für einen oben beschriebenen Kühlbehälter, wobei der Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf umfasst:
- eine Verdampferanordnung für die Kühlung des Kühlbehälters,
- einen Kältemittelverdichter sowie ein der Verdampferanordnung vorgeschaltetes Expansionsventil, und
- eine Wärmeübertrageranordnung, die wenigstens einen Wärmeübertrager aufweist, der mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer elektrischen Antriebs- oder Speicherkomponente, insbesondere einer Batterie des Kraftfahrzeugs, zu deren Kühlung verbunden ist, und wobei der Kühlmittelkreislauf einen Chiller aufweist, der mit einem Fahrzeug-Kältemittelkreislauf verbunden ist, oder einen über Umgebungsluft gekühlten Niedertemperatur-Kühler.
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Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug kann wenigstens einen oben beschriebenen Kühlbehälter aufweisen, wobei das Kraftfahrzeug einen Hochvoltspeicher aufweist, der mittels eines Kühlmittelkreislaufs kühlbar ist, wobei der Kühlbehälter mit seinem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf in einem hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, insbesondere zumindest teilweise in einem heckseitigen Kofferraum angeordnet ist.
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Bei dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug kann der Kühlbehälter eine verschließbare Öffnung aufweisen, die einem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandt ist, derart, dass Kühlgut vom Innenraum her in den Kühlbehälter einfüllbar oder aus diesem entnehmbar ist.
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Je nach Ausführungsweise des einen Kühlbehälter aufweisenden Fahrzeuges ist die Unterbringung eines solchen Kühlbehälters auch in weiteren Fahrzeugpositionen vorstellbar. Insbesondere können Unterbringungspositionen des Kühlbehälters auch in Abhängigkeit davon gewählt werden bzw. sein, ob auch während der Fahrt Kühlgut zuführbar oder entnehmbar ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 einen Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf, der mit einem Kühlmittelkreislauf für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, als erste Ausführungsform der Erfindung;
- 2 einen Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf, der mit einem Kühlmittelkreislauf für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, als zweite Ausführungsform der Erfindung;
- 3 einen Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf, der mit einem Kühlmittelkreislauf für eine elektrische Komponente eines Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist, als dritte Ausführungsform der Erfindung;
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In den 1 bis 3 ist jeweils ein Kühlbehälter 10 ersichtlich mit einem dem Kühlbehälter 10 zugeordneten Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12. Der Kühlbehälter 10 kann beispielsweise im Bereich eines Kofferraums 14 eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Der Kühlbehälter 10 kann ferner eine zu einer Sitzeinrichtung 16 (beispielsweise Rückbank oder nebeneinander angeordnete Einzelsitze bzw. Sitzschalen) verschließbare Öffnung 18 aufweisen. Hierzu kann beispielsweise ein Deckel- bzw. Türelement 20 vorgesehen sein. Die Öffnung 18 kann also dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugewandt sein, derart, dass Kühlgut vom Innenraum her in den Kühlbehälter 10 einfüllbar oder aus diesem entnehmbar ist.
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Der Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 umfasst einen Kältemittelverdichter 22, einen Verdampfer 24 und ein dem Verdampfer 24 vorgeschaltetes Expansionsventil 26. Stromabwärts von dem Kältemittelverdichter 22 ist eine Wärmeübertrageranordnung 28 angeordnet, die mit einem Kühlmittelkreislauf 30 des Kraftfahrzeugs verbunden ist. In dem Kältemittelkreislauf 12 kann ein hochdruckseitiger oder ein niederdruckseitiger Kältemittelsammler vorgesehen sein. Als Kältemittel für den Kühlbehälter-Kältekreislauf 12 kann beispielsweise R744 eingesetzt werden, insbesondere auch im überkritischen Betrieb.
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Der Kühlmittelkreislauf 30 kann mit wenigstens einer elektrischen Antriebs- oder Speicherkomponente 32, hier beispielsweise einer Batterie 32 des Kraftfahrzeugs, zu deren Kühlung verbunden sein. Der Kühlmittelkreislauf 30 kann einen Chiller 34a aufweisen, der mit einem Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (zur Klimatisierung des Kraftfahrzeugs) verbunden ist, oder einen über Umgebungsluft gekühlten Niedertemperatur-Kühler 34b. Der Chiller 34a und der Niedertemperatur-Kühler 34b sind hier stark vereinfacht als gestricheltes Rechteck dargestellt. Über den Chiller 34a bzw. den Niedertemperatur-Kühler 34b kann an der elektrischen Komponente (Batterie) 32 entstehende Wärme abgegeben werden. Der Kühlmittelkreislauf 30 umfasst ferner mindestens eine Pumpe 36, die für eine Zirkulation von Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 30 sorgt.
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Der Kühlmittelkreislauf 30 ist stromabwärts von der elektrischen Komponente 32 mit der Wärmeübertrageranordnung 28 verbunden und somit mit dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich durch die Art, wie die Wärmeübertrageranordnung 28 aufgebaut bzw. umgesetzt ist bzw. deren Einzelkomponenten 28a, 28b und 28c zueinander angeordnet sind bzw. angeordnet und platziert sein können.
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In 1 ist die Wärmeübertrageranordnung 28 als indirekter Gaskühler bzw. indirekter Kondensator 28a ausgeführt. In dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 wird somit das durch den Kältemittelverdichter 22 verdichtete und somit heiße Kältemittel am indirekten Gaskühler bzw. Kondensator 28a abgekühlt, indem Wärme an das Kühlmittel (beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch) im Kühlmittelkreislauf 30 abgegeben wird.
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Das Kühlmittel bzw. Kühlwasser zirkuliert in dem Kühlmittelkreislauf 30, der als Niedertemperaturkreis zur Kühlung von wenigstens einer Hochvolt-Komponente, hier beispielhaft Batterie 32, ausgebildet ist. Der Kühlmittelkreis kann aktiv oder passiv kühlbar ausgelegt sein. Es ist beispielsweise möglich, die Kühlung des Kühlmittels über Umgebungsluft an dem Niedertemperaturkühler 34b zu ermöglichen. Alternativ oder auch ergänzend (kumulativ) kann auch ein Chiller 34a in den Kühlmittelkreislauf 30 eingebunden sein. Das Temperaturniveau von Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 30 liegt üblicherweise auf Umgebungstemperaturniveau oder darunter. Dabei ist eine Zirkulation von Kühlmittel insbesondere wegen des Spülbedarfs der Batterie 32 zu deren thermischen Homogenisierung stets gegeben.
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Da die Batterie 32 üblicherweise im Bereich Fahrgastraum oder auch unterhalb bzw. im Bereich des Kofferraums 14 angeordnet ist, ist keine umständliche kühlmittelseitige Verschaltung im Kühlmittelkreis 30 erforderlich um die thermische Kopplung mit der Wärmeübertrageranordnung 28 und somit dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 zu ermöglichen.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Wärmeübertrageranordnung 28 einen mit Luft, insbesondere (Teil-)Umluft oder/ und Frischluft, beaufschlagten Kondensator 28b als ersten Wärmeübertrager aufweist, der in dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 angeordnet ist. Ferner umfasst die Wärmeübertrageranordnung 28 einen mit dem Kühlmittelkreislauf 30 verbundenen zweiten Wärmeübertrager 28c. In diesem Beispiel ist der zweite Wärmeübertrager 28c mit Luft, insbesondere (Teil-)Umluft oder/und Frischluft, beaufschlagt. Bezogen auf die Luftströmungsrichtung LR ist der zweite Wärmeübertrager 28c stromaufwärts von dem ersten, mit Luft beaufschlagten Wärmeübertrager 28b angeordnet. Eine kältemittelseitig umgekehrte Durchströmung und damit vertauschte Anordnung der beiden Wärmeübertrager 28b und 28c wäre ebenfalls denkbar. Jedoch ist im Fall einer aktiven Batteriekühlung meist das Kühlmittel zumeist niedriger temperiert als der Luftstrom und somit diese Option weniger vorteilhaft, aber nicht ausgeschlossen.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Wärmeübertrageranordnung 28 ebenfalls einen mit Luft, insbesondere (Teil-) Umluft oder/ und Frischluft, beaufschlagten Kondensator 28b als ersten Wärmeübertrager aufweist, der in dem Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 angeordnet ist. Der zweite Wärmeübertrager 28c ist in diesem Beispiel ein indirekter Kondensator, der im Kühlbehälter-Kältemittelkreislauf 12 angeordnet ist und in Strömungsrichtung des Kühlbehälter-Kältemittels stromabwärts von dem ersten, mit Luft beaufschlagten Wärmeübertrager 28b angeordnet ist. Alternativ kann der als indirekter Kondensator ausgeführte zweite Wärmeübertrager 28c bezogen auf die Kältemittelströmungsrichtung auch stromaufwärts von dem ersten Wärmeübertrager 28b angeordnet sein. Eine kältemittelseitig umgekehrte Durchströmung und damit vertauschte Anordnung der beiden Wärmeübertrager 28b und 28c wäre ebenfalls denkbar. Jedoch ist im Fall einer aktiven Batteriekühlung das Kühlmittel zumeist niedriger temperiert als der Luftstrom und somit diese Option weniger vorteilhaft, aber nicht ausgeschlossen.
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In den 2 und 3 ist jeweils mit strichpunktierten Linien ein Luftführungskanal 37 angedeutet, der Luft zu der Wärmeübertrageranordnung 28, insbesondere den konkreten, mit Luft beaufschlagten Wärmeübertragern 28b (2 und 3), 28c (2) zuführen kann. Der Verlauf des Luftführungskanals 37 ist rein schematisch gezeigt. Diesem Luftzuführungskanal 37 kann beispielsweise Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs oder/ und Umluft aus dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt werden. Selbstverständlich kann der im Luftzuführungskanal 37 befindliche Luftstrom auch eine Mischung aus Frischluft und Umluft sein, also ein sogenannter Teil-Umluftstrom.
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Durch die Kombination unterschiedlicher Wärmeübertrager 28b, 28c gemäß den Ausführungsformen der 2 und 3 ist es möglich, je nach Temperaturniveau im Umfeld des Kühlbehälters gezielt die jeweilige Wärmesenke, also den ersten oder/und den zweiten Wärmeübertrager 28b, 28c einzusetzen. Mit anderen Worten können der erste oder/und der zweite Wärmeübertrager insbesondere in Abhängigkeit von im Kühlbehälter-Kältemittelkreis 12, im Kühlmittelkreis 30, in der Umgebung, im Innenraum erfassten Temperaturen aktiv oder passiv geschaltet werden.
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Damit der mit dem Kühlmittelkreislauf 30 verbundene Wärmeübertrager 28a (1) bzw. 28c (2 und 3) als Wärmesenke für den Kältemittelkreis 12 inaktiviert werden kann, kann in dem Kühlmittelkreislauf 30 eine Bypassanordnung 38 vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, Kühlmittel an der Wärmeübertrageranordnung 28 vorbei zu leiten. In den Beispielen der 1 bis 3 ist die Bypassanordnung 38 gestrichelt dargestellt. Sie kann beispielsweise einen Bypassabschnitt 40 aufweisen, der Kühlmittel strömungstechnisch parallel am Wärmeübertrager 28a bzw. 28c vorbei leiten kann. Ferner können absperrbare Ventilorgane 42, 44 vorgesehen sein, die wahlweise geöffnet bzw. geschlossen sind, um den Kühlmittelfluss im Kühlmittelkreislauf 30 zu steuern. Eine Passivschaltung des luftbeaufschlagten Wärmeübertragers 28b kann mittels Deaktivierung eines nicht dargestellten Luftkanalgebläses erfolgen, so dass der Zuluftstrom abgestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018202142 A1 [0002]
- DE 102019210084 [0003]
