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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion im Kühlbetrieb (AC-Betrieb) für ein Kraftfahrzeug, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.
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Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion umfasst üblicherweise einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist; einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist; wenigstens einen weiteren als Wärmequelle wirkenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist; ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil; ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnetes Sekundärstrangventil.
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Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 103 681 A1 bekannt. Diese Kälteanlage weist stromabwärts von dem Kältemittelverdichter und stromaufwärts von dem äußeren Wärmeübertrager einen indirekten Wärmeübertrager auf, dessen Kühlmittel durch das erhitzte und unter Hochdruck stehende Kältemittel erwärmt wird, so dass mittels des Kühlmittels eine Erwärmung von Innenraumluft des Fahrzeugs ermöglicht ist.
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Bei dem hier betrachteten Verfahren liegt das Augenmerk auf dem Kühlbetrieb (AC-Betrieb) der Kälteanlage, d.h. einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung von Innenraumzuluft oder/und elektrischen Komponenten, wie etwa Hochvoltbatterie oder Elektromotor, erfolgt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Verfahren für den Kühlbetrieb anzugeben, bei dem die Kühlleistung optimiert ist und insbesondere auch der Verbrauch von elektrischer Energie verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren im Kühlbetrieb, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion in einem Kühlbetrieb für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
- einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
- wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnetes Sekundärstrangventil. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte: Feststellen des Bedarfs für einen im Wesentlichen vollständigen Kühlbetrieb;
- Öffnen des Primärstrangventils und des Sekundärstrangventils, so dass ein erster Teilmassenstrom von Kältemittel durch den Primärstrang und ein zweiter Teilmassenstrom durch den Sekundärstrang geleitet werden;
- Einleiten des über den Sekundärstrang geleiteten zweiten Teilmassenstroms in den Primärstrang stromaufwärts von dem äußeren Wärmeübertrager und stromabwärts von dem Primärstrangventil, so dass ein Gesamtmassenstrom über den äußeren Wärmeübertrager und den Verdampfer geleitet wird.
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Gemäß dem Verfahren wird in dem Kühlbetrieb (AC-Betrieb) der Sekundärstrang (Heiz- bzw. Wärmepumpenzweig) aktiv durchströmt, obwohl keine Heizleistung angefordert ist. Durch das aktive Durchströmen des Sekundärstrangs ist es möglich, dass im Sekundärstrang strömendes Kältemittel durch anströmende (Umgebungs-)Luft (Luftzirkulation innerhalb einer Fahrzeugkarosserie) Wärme an die (Umgebungs-)Luft abgibt. Mit anderen Worten wird das Kältemittel bzw. der zweite Teilmassenstrom im Sekundärstrang (vor-) abgekühlt, bevor dieser zweite Teilmassenstrom mit dem ersten Teilmassenstrom im Primärstrang stromaufwärts von dem äußeren Wärmeübertrager wieder zu einem Gesamtmassenstrom vereinigt wird. Somit wird am äußeren Wärmeübertrager (Gaskühler, Kondensator) bereits etwas kühleres Kältemittel bereitgestellt, so dass das Kältemittel im äußeren Wärmeübertrager stärker abgekühlt werden kann, insbesondere verglichen mit einer herkömmlichen Anordnung, bei der der Gesamtmassenstrom von Kältemittel nur durch den Primärstrang geleitet wird und der Sekundärstrang inaktiv bzw. gesperrt ist. Entsprechend ist ein früheres Absenken des Hochdruckniveaus erreichbar und es kann am Verdampfer im Primärstrang stärker gekühltes Kältemittel bereitgestellt werden, so dass die Kühlleistung für zu konditionierende Innenraumluft verbessert ist.
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Bei dem Verfahren kann der Bedarf für einen im Wesentlichen vollständigen Kühlbetrieb (AC-Betrieb) in Abhängigkeit von einer erfassten Umgebungstemperatur festgestellt werden, insbesondere wenn die Umgebungstemperatur 25°°C. oder mehr beträgt. Hierzu kann beispielsweise ein am Fahrzeug angeordneter Umgebungstemperatursensor eingesetzt werden.
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Bei dem Verfahren kann darüber hinaus der Bedarf für einen im Wesentlichen vollständigen Kühlbetrieb (AC-Betrieb) in Abhängigkeit von wenigstens einem erfassten Kühlanforderungsparameter für wenigstens eine elektrische Komponente des Fahrzeugs, insbesondere Hochvoltbatterie oder/und Elektromotor, festgestellt werden. Eine solche elektrische Komponente kann insbesondere durch einen strömungstechnisch parallel zum Verdampfer angeordneten indirekt wirkenden Chiller gekühlt werden.
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Bei dem Verfahren kann die Kältemitteltemperatur eingangsseitig an dem wenigstens einen weiteren eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager erfasst werden.
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Dabei kann die Kältemitteltemperatur, insbesondere in einem ersten Schritt, beispielsweise bei Systemen mit direkten, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertragern, mit einem Grenztemperaturwert verglichen werden und das Sekundärstrangventil kann stufenweise geschlossen werden, so dass die Kältemitteltemperatur im Sekundärstrang den Grenztemperaturwert nicht überschreitet. Falls das Sekundärstrangventil ganz geschlossen wird, ist der Sekundärstrang inaktiv geschaltet und das hier beschriebene Verfahren kann beendet werden.
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Bei dem Verfahren kann insbesondere in einem weiteren bzw. zweiten Schritt, die Kältemitteltemperatur mit einer Kühlmitteltemperatur verglichen werden, wobei die Kühlmitteltemperatur in einem Kühlmittelkreis erfasst wird, der mit dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager verbunden ist.
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Dabei kann ein Kühlmittelstrom in dem Kühlmittelkreis gestoppt oder an dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager vorbeigeleitet werden, wenn die Kühlmitteltemperatur größer ist als die Kältemitteltemperatur. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Kältemittel nicht durch das Kühlmittel erwärmt wird, was sich nachteilig auf die gewünschte Optimierung des AC-Betriebs auswirken würde.
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Bei diesem Verfahren kann in einem weiteren bzw. dritten Schritt eine gekoppelte Überwachung aus dem Vergleich der Kältemitteltemperatur mit einer Grenztemperatur und/oder einer Kältemitteltemperatur mit einer Kühlmitteltemperatur durchgeführt werden, insbesondere wenn in dem beschriebenem Sekundärstrang mindestens zwei eine Wärmequelle darstellende Wärmeübertrager vorgesehen sind, welche die im Kältemittel gebundene Wärme an eine jeweilige Wärmesenke übertragen. Hierdurch können die oben beschriebenen ersten und zweiten Schritte kombiniert betrachtet werden.
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Vorgeschlagen wird weiter eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
- einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
- wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnetes Sekundärstrangventil;
- wobei der Sekundärstrang stromaufwärts von dem äußeren Wärmeübertrager und stromabwärts von dem Primärstrangventil in den Primärstrang mündet.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Kälteanlage dazu eingerichtet ist, das Primärstrangventil und das Sekundärstrangventil in einem Kühlbetrieb zu öffnen, so dass jeweils ein Teilmassenstrom von Kältemittel durch den Primärstrang und den Sekundärstrang geleitet wird, und dass im Sekundärstrang stromaufwärts vor der Einmündung in den Primärstrang eine Ventileinrichtung, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist, die ein Rückströmen von Kältemittel in den Sekundärstrang verhindert.
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Durch das Vorsehen einer solchen Ventileinrichtung kann Zusammenführen der beiden Teilmassenströme stromaufwärts vor dem äußeren Wärmeübertrager sichergestellt werden, ohne dass unerwünschte Rückströmungen in den Sekundärstrang auftreten.
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Die Kälteanlage kann zwei weitere Wärmeübertrager aufweisen, insbesondere ein Heizregister und einen indirekt wirkenden Wärmeübertrager (indirekter Gaskühler bzw. Kondensator), wobei die beiden weiteren Wärmeübertrager strömungstechnisch zueinander seriell oder parallel in dem Kältemittelkreislauf der Kälteanlage angeordnet sind.
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Ergänzend sei erwähnt, dass die mindestens zwei weiteren Wärmeübertrager jeweils in rein direkter, in rein indirekter oder in einer Kombination aus direkter und indirekter Wirkweise ausgeführt sein können.
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Die beiden weiteren Wärmeübertrager können im Sekundärstrang angeordnet sein. In einem solchen Fall sind die beiden weiteren Wärmeübertrager seriell zueinander angeordnet.
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Die Kälteanlage kann einen Tertiärstrang aufweisen, der mit dem Kältemittelverdichter verbindbar oder verbunden ist, wobei einer der beiden weiteren Wärmeübertrager, insbesondere der indirekt wirkende Wärmeübertrager (indirekter Gaskühler bzw. Kondensator), in dem Tertiärstrang angeordnet ist, und wobei zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren Wärmeübertrager ein Tertiärstrangventil angeordnet ist. Entsprechend sind bei einer solchen Konfiguration das Heizregister im Sekundärstrang und der weitere Wärmeübertrager im Tertiärstrang strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet.
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Der Tertiärstrang kann stromabwärts von dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, des Sekundärstrangs in den Sekundärstrang münden. Dabei kann stromaufwärts von der Mündung des Tertiärstrangs in den Sekundärstrang in dem Sekundärstrang und in dem Tertiärstrang ein jeweiliges Rückschlagventil angeordnet sein, das eine Rückströmung in Richtung des betreffenden Wärmeübertragers (Heizregister bzw. indirekter Gaskühler/Kondensator) verhindert.
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Alternativ kann der Tertiärstrang, sollte sich dessen Funktion rein auf eine Wärmeabgabe an die Umgebung beschränken und keine weiteren funktionsrelevanten Aufgaben im Zusammenhang mit dem Betrieb der Kälteanlage erfüllen, auch direkt in den Primärstrang münden. Ein Ventilelement, bevorzugt in der Ausführung als Rückschlagventil, verhindert eine Rückströmung in den Tertiärstrang.
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Der indirekt wirkende Wärmeübertrager kann mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sein, der einen Kühlmitteltemperatursensor aufweist, wobei der Kühlmitteltemperatursensor im Kühlmittelkreislauf stromaufwärts von dem indirekten Wärmeübertrager angeordnet ist.
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In der Kälteanlage kann stromaufwärts von dem Heizregister ein Kältemitteltemperatursensor angeordnet sein.
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Die Anordnung von dem Kühlmitteltemperatursensor und dem Kältemitteltemperatursensor ermöglicht das Vergleichen der Temperaturen von Kühlmittel und Kältemittel, wie dies oben für das Verfahren bereits erläutert worden ist.
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Die Kälteanlage kann eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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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.
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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 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug;
- 2 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug
- 3 ein Flussdiagram einer beispielhaften Umsetzung des Verfahrens für einen Kühlbetrieb (AC-Betrieb), insbesondere mittels der in 1 bzw. 2 beschriebenen Kälteanlage.
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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.
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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.
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Stromabwärts des Verdichters 12 ist ein Absperrventil A4 angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 22 ist ein Expansionsventil AE2 vorgesehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Kälteanlage 10 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Kälteanlage 10 weist im Sekundärstrang 16 stromabwärts von dem Sekundärstrangventil A3 und stromaufwärts von dem Heizregister 26 eine Sensoreinrichtung 36 auf, die dazu eingerichtet ist, einen die Temperatur des gasförmigen Kältemittels repräsentierenden Heißgastemperaturwert stromaufwärts von dem Heizregister 26 zu erfassen. Der Heißgastemperaturwert kann dabei direkt gemessen bzw. detektiert werden oder auch indirekt anhand anderer Systemparameter abgeschätzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, mittels der Sensoreinrichtung 36 einen Druck im Sekundärstrang 16 zu bestimmen und hieraus Rückschlüsse auf den Heißgastemperaturwert zu ziehen. Die Sensoreinrichtung 36 kann beispielsweise ein reiner Temperatursensor oder ein kombinierter Temperatur-/Drucksensor sein.
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In 1 ist ferner ein optionaler weiterer Wärmeübertrager 38 gezeigt. Der Wärmeübertrager 38 kann beispielsweise ein indirekt wirkender Gaskühler bzw. Kondensator sein. Der Wärmeübertrager 38 ist in diesem Beispiel im Sekundärstrang 16 angeordnet. Insbesondere sind der Wärmeübertrager 38 und das Heizregister 26 strömungstechnisch seriell zueinander angeordnet.
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Der weitere Wärmeübertrager 38 ist mit einem Kühlmittelkreislauf 40 verbunden. Der Kühlmittelkreislauf 40 kann beispielweise Teil eines Heizkreises des Fahrzeugs sein. Der Kühlmittelkreislauf 40 kann einen Bypass 42 aufweisen mit einem zugeordneten Ventil 44, so dass Kühlmittel bei Bedarf am Wärmeübertrager 38 vorbeigeleitet werden kann. Ferner kann eingangsseitig vor dem Wärmeübertrager 38 ein Ventil 46 vorgesehen sein, um den Durchfluss von Kühlmittel durch den Wärmeübertrager 38 zu stoppen. Durch den Bypass 42 bzw. das Ventil 46 ist die Möglichkeit geschaffen, einen Austausch von Wärme zwischen Kältemittel im Sekundärstrang 16 und Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 40 zu verhindern. Im Kühlmittelkreislauf 40 kann ferner ein Temperatursensor 48 angeordnet sein, um die Temperatur des Kühlmittels, insbesondere am Eintritt des Wärmeübertragers 38, zu erfassen.
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In einer alternativen Ausführungsweise kann der kühlmittelseitige Bypass durch einen kältemittelseitigen Bypass (nicht dargestellt) abgeändert werden. Damit erfolgt am Wärmeübertrager 38 anstelle der Steuerung des Kühlmittels die des Kältemittels. Zu diesem Zweck ist im Sekundärstrang mindestens ein Absperrventilorgan erforderlich, welches den kältemittelseitigen Bypass am Wärmeübertrager 38 schaltet. Ein weiteres Absperrorgan kann den Durchfluss am Wärmeübertrager 38 im Bedarfsfall komplett unterbinden.
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Im Sekundärstrang 16 ist ferner vor seiner Einmündung (Abzweig Ab2) in den Primärstrang 14 eine Ventileinrichtung 50, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet. Das Rückschlagventil dient dabei insbesondere dazu ein Rückströmen von Kältemittel in den Sekundärstrang 16, insbesondere dessen Zweig 16.2, zu verhindern, wenn sowohl der Primärstrang 14, als auch der Sekundärstrang 16 von Kältemittel durchströmt werden bzw. aktiv sind. Es wird darauf hingewiesen, dass das Rückschlagventil 50 und das Nachheizexpansionsventil AE4 auch näher beieinander angeordnet sein können. Denkbar ist auch dass das Rückschlagventil 50 stromaufwärts von dem Nachheizexpansionsventil AE4 angeordnet ist. Bei vorhandenem Nachheizexpansionsventil AE4 kann, je nach Systemverhalten, ein Rückschlagventil 50 gegebenenfalls auch entfallen.
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2 zeigt eine zur 1 ähnliche Kälteanlage 10 mit weitgehend gleichen Komponenten, auf die nachfolgend nicht noch einmal eingehend eingegangen wird. Bei der Kälteanlage 10 der 2 ist der weitere Wärmeübertrager 38 (indirekter Gaskühler bzw. Kondensator) in einem Tertiärstrang 60 angeordnet. Als Tertiärstrang 60 wird der Kältemittleitungsabschnitt verstanden, der sich ausgehend von dem Kältemittelverdichter 12 zu dem weiteren Wärmeübertrager 38 und einer Einmündung Ab5 in den Sekundärstrang 16 erstreckt. Stromabwärts vom Kältemittelverdichter 12 ist im Tertiärstrang 60 ein Absperrventil A6 angeordnet, so dass der Kältemittelfluss durch den Tertiärstrang 60 geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
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In der Konfiguration der 2 sind der weitere Wärmeübertrager 38 und das Heizregister 26 strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet. Im Kühlmittelkreislauf 40, der mit dem weiteren Wärmeübertrager 38 verbunden ist, kann daher auf einen Bypass wie er in der 1 gezeigt ist, verzichtet werden, weil der gesamte Tertiärstrang 60 mittels des Absperrventils A6 aktiv bzw. inaktiv geschalten werden kann.
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Um ein Rückströmen von Kältemittel bei aktiviertem Sekundärstrang 16 bzw. aktiviertem Tertiärstrang 60 in Richtung der betreffenden Wärmeübertrager (Heizregister 26 bzw. indirekter Gaskühler 38) zu verhindern, können jeweilige Ventileinrichtungen, insbesondere Rückschlagventile 56, 58 im betreffenden Strang 16, 60 angeordnet sein. Dabei sind die Rückschlagventile stromaufwärts von der Einmündung Ab5 angeordnet.
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Nachfolgend wird ein Verfahren 500 zum Betreiben der Kälteanlage 10 in einem Kühlbetrieb (AC-Betrieb) unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Das Verfahren 500 kann mit jeder der oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Kälteanlagen 10 durchgeführt werden, insbesondere auch mit einer Kälteanlage 10 ohne den optionalen weiteren Wärmeübertrager 38 im Sekundärstrang 16.
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Gemäß dem in 3 gezeigten Verfahren 500 erfolgt im Betrieb nach dem Start (S501) der Kälteanlage 10 zu einem hier nicht näher bezeichneten Zeitpunkt ein Übergang in einen Kühlbetrieb bzw. AC-Betrieb, der hier mit AC (S502) bezeichnet ist.
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Eine mögliche Bedingung, die erfüllt sein muss, um den AC-Betrieb (S502) zu starten, kann beispielsweise die gemessene Umgebungstemperatur sein. Das hier vorgestellte Verfahren im AC-Betrieb kann insbesondere aktiviert werden, wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise 25°C. oder mehr beträgt. Ferner kann das Verfahren auch aktiviert werden, wenn vor Anlauf der Kälteanlage ein Systemruhedruck gemessen wird, der beispielsweise bei einem Kältemittel R744 über 65bar oder R1234yf oberhalb 7bar zu liegen kommt (S503). Die Druckwerte sind je nach Anwendungsfall oder Bedarf frei wählbar. Eine alternative oder ergänzende Bedingung (S504) kann darin liegen, dass der Bedarf für einen im Wesentlichen vollständigen Kühlbetrieb in Abhängigkeit von wenigstens einem erfassten Kühlanforderungsparameter für wenigstens eine elektrische Komponente des Fahrzeugs, insbesondere Hochvoltbatterie oder/und Elektromotor, festgestellt wird. Beispielsweise kann ein erhöhter Kühlbedarf am Chiller 28 vorliegen, wenn der damit verbundene Kühlmittelkreislauf 28.2 zum Kühlen einer Batterie stark erwärmt ist.
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Ist der Bedarf für den AC-Betrieb festgestellt, erfolgt in einem Schritt S505 ein Öffnen des Primärstrangventils A4 und des Sekundärstrangventils A3, so dass jeweils ein Teilmassenstrom von Kältemittel durch den Primärstrang 14 und den Sekundärstrang 16 geleitet wird. Sofern eine Kälteanlage 10 mit Tertiärstrang 60 eingesetzt wird, umfasst der Schritt S505 auch das Öffnen des Tertiärstrangventils A6, so dass ein weiterer Teilmassenstrom durch den Tertiärstrang 60 geleitet wird.
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Der über den Sekundärstrang 16 geleitete Teilmassenstrom wird stromaufwärts von dem äußeren Wärmeübertrager 18 und stromabwärts von dem Primärstrangventil A4 wieder in den Primärstrang 14 geleitet, so dass ein Gesamtmassenstrom über den äußeren Wärmeübertrager 18 und den Verdampfer 22 geleitet wird. Bei der Kälteanlage 10 mit Tertiärstrang 60 wird der im Tertiärstrang 60 enthaltene Teilmassenstrom bei der Abzweigung Ab5 wieder in den Sekundärstrang 16 geleitet.
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Gemäß einem Schritt S506 wird die Kältemitteltemperatur Tkt eingangsseitig an dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager, insbesondere dem Heizregister 26 erfasst. Hierzu kann beispielsweise der Temperatursensor 36 eingesetzt werden. Gemäß Schritt S507 wird die Kältemitteltemperatur Tkt mit einem Grenztemperaturwert Tgz verglichen. Wenn die Kältemitteltemperatur Tkt größer als der Grenztemperaturwert Tgz ist, wird das Sekundärstrangventil A3 stufenweise geschlossen (S508). Hierdurch wird erreicht, dass die Kältemitteltemperatur Tkt im Sekundärstrang 16 den Grenztemperaturwert Tgz nicht überschreitet. Der Grenztemperaturwert Tgz kann insbesondere so gewählt sein, dass die Kältemitteltemperatur Tkt in einem Bereich liegt, der nicht zu Beschädigungen am Heizregister 26 bzw. weiteren Komponenten der Klimatisierungseinheit 32 führen.
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Wird der weitere Wärmeübertrager 38 (indirekter Gaskühler bzw. Kondensator) im Sekundärstrang 16 oder im Tertiärstrang 60 eingesetzt, kann gemäß einem Schritt S509 die Kältemitteltemperatur Tkt mit einer Kühlmitteltemperatur Tkm verglichen werden, wobei die Kühlmitteltemperatur Tkm in dem Kühlmittelkreis 40 erfasst wird, der mit dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager 38 verbunden ist. Gemäß Schritt S510 kann der Kühlmittelstrom in dem Kühlmittelkreis 40 gestoppt oder an dem wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager 38 vorbeigeleitet werden (Bypass 42), wenn die Kühlmitteltemperatur Tkm größer ist als die Kältemitteltemperatur Tkt. Bei einer Kälteanlage mit Tertiärstrang 60 ist es auch denkbar, dass der Tertiärstrang 60 komplett inaktiv geschaltet wird, wenn die Kühlmitteltemperatur Tkm größer ist als die Kältemitteltemperatur Tkt, insbesondere wenn in dem Kühlmittelkreislauf kein Bypass 42 vorgesehen sein sollte.
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Das Verfahren kann solange durchgeführt werden, bis die Bedingungen für den im Wesentlichen vollständigen AC-Betrieb nicht mehr gegeben sind. Die Kälteanlage 10 wird dann in einen anderen Betriebsmodus umgeschaltet.
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Durch das hier vorgestellte Verfahren 500 unter Einsatz von Kälteanlagen 10 gemäß den beispielhaften Varianten der 1 und 2 ist es möglich, die Kälteleistung und den Stromverbrauch im Kälteanlagenbetrieb (AC-Betrieb) zu optimieren. Dabei wird das Kältemittel, das durch den Sekundärstrang 16 oder/und den Tertiärstrang 60 geleitet wird aufgrund von (Umgebungs-) Luftströmungen, insbesondere im fahrenden Betrieb des Fahrzeugs, gekühlt. Hierdurch wird der vor dem äußeren Wärmeübertrager 18 bereitgestellte Gesamtmassenstrom von Kältemittel insgesamt kühler und kann auf eine tiefere Temperatur im äußeren Wärmeübertrager 18 abgekühlt werden. In der Folge kann am Verdampfer 22 oder/und Chiller 28 dem beaufschlagenen Medium mehr Wärme entzogen werden, so dass Kälteanlagenbetrieb verbessert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015103681 A1 [0003]
- DE 102014104969 A1 [0004]
- DE 102006024796 A1 [0004]