DE102020127303B4

DE102020127303B4 - Kältemittelverdichter, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters

Info

Publication number: DE102020127303B4
Application number: DE102020127303.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Rebinger; Dirk Schroeder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2040-10-17
Also published as: DE102020127303A1

Abstract

Kältemittelverdichter (14) für ein Kraftfahrzeug (10), zum Verdichten eines Kältemittels (56), wobei der Kältemittelverdichter (14) eine integrierte Heizeinrichtung (28) aufweist, wobei der Kältemittelverdichter (14) eine Steuereinheit (48) zum Steuern der Heizeinrichtung (28) aufweist, wobei die Steuereinheit (48) dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb des Kältemittelverdichters (14) in einem von einem Kältemittel (56) durchströmten Kältemittelstrang (16) die Heizeinrichtung (28) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) des Kältemittels (56) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) eine Verdichtungskammer (34) aufweist, in welcher das Kältemittel (56) verdichtbar ist, und die Heizeinrichtung (28) mindestens ein Heizelement (30) aufweist, welches im Bereich der Verdichtungskammer (34) so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement (30) im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) dazu ausgelegt ist, das in der Verdichtungskammer (34) befindliche Kältemittel (56) während eines Verdichtungsvorgangs zu erwärmen, wobei das mindestens eine Heizelement (30) an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer (34) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter für ein Kraftfahrzeug, zum Verdichten eines Kältemittels, wobei der Kältemittelverdichter eine integrierte Heizeinrichtung aufweist. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kältemittelverdichter, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kältem ittelverdichters.
Kältemittelverdichter sind in vielzähligen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise sind sie Teil einer Wärmepumpe, um Wärme von einer Wärmesenke zu einer Wärmequelle zu transportieren. Somit können gerade im Kraftfahrzeugbereich durch die so bereitgestellte Wärmesenke bestimmte Komponenten oder Bereiche des Kraftfahrzeugs gekühlt werden, wie zum Beispiel eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Maschine oder ähnliches, sowie durch die bereitgestellte Wärmequelle Bereiche geheizt werden, wie zum Beispiel der Passagierraum. Das von der Wärmepumpe dabei umfasste Kältemittel des Kältemittelkreislaufs transportiert dabei die Wärmeenergie von der Wärmesenke zur Wärmequelle. Der Verdichter wird dabei als Teil der Wärmepumpe vom Kältemittel durchströmt und übernimmt dabei die Aufgabe, dieses zu verdichten, wodurch sich dessen Druck sowie auch dessen Temperatur erhöht.
Weiterhin können in einer solchen Wärmepumpe auch Heizeinrichtungen beziehungsweise Heizelemente zum Einsatz kommen. Beispielsweise beschreibt die CN 110425131 A einen Scrollverdichter mit einem integrierten Heizelement. Dieses befindet sich dabei im Bereich einer Unterseite des Verdichters, während eine Verdichtungskammer sich an der gegenüberliegenden Oberseite des Verdichters befindet. Zwischen dieser Verdichtungskammer und der unterseitigen Heizeinrichtung ist weiterhin ein Elektromotor zum Antreiben des Verdichtungsprozesses angeordnet.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2013 004 064 A1 eine Wärmepumpe mit einem in einem Kältemittelkreislauf eingebundenen Verdichter, der einen Ölsumpf aufweist. Um zu verhindern, dass kaltes Öl auf dem Kältemittel schwimmt, wodurch die Schmierung beeinträchtigt wird, wird außen auf der Verdichteroberfläche im Bereich des Ölsumpfes ein Heizband angebracht. Die Leistung des Heizbandes wird dabei abhängig von der Temperatur des Verdichteröls geregelt. Dabei wird das Heizband insbesondere dann betrieben, wenn der Verdichter nicht aktiv ist, das heißt insbesondere im Stillstand der Wärmepumpe, da es typischerweise nur bei längerem Stillstand der Wärmepumpe dazu kommen kann, dass sich über einen längeren Zeitraum flüssiges Kältemittel im Ölsumpf ansammelt und zum Teil mit dem Öl entmischt und dadurch, aufgrund der stattfindenden Dichteänderung, aufgetrieben wird.
Die JP 2009 - 264 206 A beschreibt einen Verdichter mit einem Inverter, der einen wärmegenerierenden Teil aufweist, der nahe der Ansaugkammern angeordnet ist, um Wärme, die vom Inverter erzeugt wird, an das Kältemittel zu übertragen.
Die EP 3 425 307 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems, bei welchem Wärmeverluste, die durch einen Elektromotor zum Antreiben eines Kompressors erzeugt werden, zum Heizen genutzt werden.
Die DE 11 2014 001 071 T5 beschreibt ein System mit einem Kompressor und einen Abwärmerückgewinnungskreis, um Abwärme vom Inverter zu einer Last zu transferieren.
Die JP 6 391 907 B2 beschreibt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Kompressor, der ein Kältemittel komprimiert, einem Kabinenverdampfer und einen Kabinenkondensator, die in einer HVAC-Einheit in der Kabine vorgesehen sind, und einer Kältemittelheizvorrichtung, die das Kältemittel erwärmt, bevor es in den elektrischen Kompressor gesaugt wird, und die in der Nähe des Ansaugbereichs des elektrischen Kompressors installiert ist.
Die JP 2012-127 328 A beschreibt einen Kompressor, der ein Kompressionsmechanismusteil umfasst, das in einem Gehäuse untergebracht ist und das in das Gehäuse angesaugte Kältemittel komprimiert, einen Elektromotorteil, der das Kompressionsmechanismusteil mit Energie versorgt, und ein Heizteil, das in einem Raum angeordnet ist, durch den das Kältemittel zwischen dem Elektromotorteil und dem Kompressionsmechanismusteil in dem Gehäuse durchläuft und das Kältemittel erwärmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie eine Ausbildung oder ein Betrieb eines Kältemittelverdichters weiter verbessert werden kann, wobei dieser Verdichter seinerseits ein elektrisches oder mechanisches Antriebskonzept aufweisen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelverdichter, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Kältemittelverdichter für ein Kraftfahrzeug, zum Verdichten eines Kältemittels, weist eine integrierte Heizeinrichtung auf. Darüber hinaus weist der Kältemittelverdichter eine Steuereinheit, insbesondere mit der von extern kommuniziert werden kann, zum Steuern der Heizeinrichtung auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb des Kältemittelverdichters in einem von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelstrang die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Kältemittels, insbesondere automatisch oder auf Anforderung, zu steuern. Dabei weist der Kältemittelverdichter eine Verdichtungskammer auf, in welcher das Kältemittel verdichtbar ist, und die Heizeinrichtung weist mindestens ein Heizelement auf, welches im Bereich der Verdichtungskammer so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement im Betrieb des Kältemittelverdichters dazu ausgelegt ist, das in der Verdichtungskammer befindliche Kältemittel während eines Verdichtungsvorgangs zu erwärmen, wobei das mindestens eine Heizelement an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer angeordnet ist.
Die Erfindung beruht dabei gleich auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen kann eine zusätzliche Heizeinrichtung nicht nur zur Erwärmung von Öl vorteilhaft sein, sondern auch zum direkten Erwärmen des Kältemittels selbst. Denn es vorkommen, dass eine geforderte Heizleistung, zum Beispiel zum Beheizen eines Passagierraums des Kraftfahrzeugs, nicht alleine über den Kältekreis bereitgestellt werden kann. Durch das Vorsehen einer zusätzlichen Heizeinrichtung, wie dies erfindungsgemäß der Fall ist, kann nun zusätzlich das Kältemittel durch diese Heizeinrichtung geheizt werden. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise die durch den Kältemittelverdichter bereitgestellte Heizleistung insgesamt erhöhen. Gerade im Winter bei kalten Temperaturen, wenn eine möglichst schnelle Aufheizung des Passagierraums des Kraftfahrzeugs gewünscht ist, stellt diese zusätzliche durch die Heizeinrichtung bereitstellbare Heizleistung einen enormen Vorteil dar. Gerade aber, wenn die Heizeinrichtung zum Beheizen des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs verwendet werden soll, ist die Integration in den Kältemittelverdichter selbst enorm von Vorteil. Denn hier lässt sich eine solche Heizeinrichtung auf besonders effiziente und einfache Weise integrieren. Dies hat ebenfalls mehrere Gründe: Da die durch den Verdichter ausgeführte Kältemittelverdichtung auch eine Temperaturerhöhung des Kältemittels zur Folge hat, gleichzeitig aber auch sichergestellt werden muss, dass kritische Systemgrenzen nicht überschritten werden, ist es von Vorteil, eine entsprechende Überwachungssensorik, wie beispielsweise zumindest einen Temperatursensor, gegebenenfalls auch einen Drucksensor, im Kältemittelverdichter oder zumindest in dessen Nähe in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet nach dem Kältemittelverdichter vorzusehen. Eine solche Sensorik, insbesondere ein solcher Temperatursensor, kann damit gleichzeitig auch genutzt werden, um die Heizeinrichtung entsprechend anzusteuern. Mit anderen Worten, wenn die Heizeinrichtung in den Kältemittelverdichter integriert ist, so können die Heizeinrichtung und der Verdichtungsprozess, welcher vom Kältemittelverdichter ausgeführt wird, die gleiche Sensorik verwenden, wodurch Bauteile, entsprechende Bauteilkosten und Bauraum eingespart werden können. Vorteilhafterweise entfällt zusätzlich auch die Anbindung eines separaten Bauteils im System, wodurch wiederum Aufwand und Bauraum gespart werden kann. Vor allem aber lässt sich die Versorgung der Heizeinrichtung und anderer elektrischer Komponenten des Kältemittelverdichters über bereits vorhandene, im Idealfall mindestens eine gemeinsame Energieversorgungsleitung realisieren. Auch dies vereinfacht den Verkabelungsaufwand im System enorm, reduziert mögliche EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Störungen, und spart wiederum Bauraum ein. Insgesamt lassen sich so durch die Erfindung die Ausbildung und der Betrieb eines solchen Kältemittelverdichters hinsichtlich deren Effizienz enorm steigern.
Der Kältemittelverdichter kann im Allgemeinen als mechanischer Kältemittelverdichter oder als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt sein. Insbesondere lässt sich ein solcher durch die Heizeinrichtung bereitgestellter Zuheizer grundsätzlich in jede Art von Kältemittelverdichter integrieren. Wenn der Kältemittelverdichter als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt ist, hat dies zusätzlich den Vorteil, dass zur Energieversorgung des elektrischen Kältemittelverdichters bereits eine HV(Hochvolt)-Leitung zu diesem führt, die dann auch den Heizer versorgen kann. Dagegen weist ein mechanischer Kältemittelverdichter üblicherweise nur eine NV(Niedervolt)-Leitung auf. Diese kann jedoch dann so ausgebildet werden, dass diese auch hohe Ströme leiten kann, um den Heizer zu versorgen.
Dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb des Kältemittelverdichters in einem von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelstrang die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Kältemittels zu steuern, ist dabei so zu verstehen, dass die Steuereinheit zu einer derartigen Steuerung ausgelegt ist, für den Fall, dass der Kältemittelverdichter bestimmungsgemäß betrieben wird und damit Teil eines von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelstrangs beziehungsweise Kältemittelkreislaufs ist. Die tatsächliche Aktivierung der Heizfunktion erfolgt vorzugsweise über eine separate, in der Regel von extern gesendete Bedarfsanforderung. Der bestimmungsgemäße Betrieb des Kältemittelverdichters ist also dadurch definiert, dass dieser von einem Kältemittel durchströmt wird. Zur Steuerung der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur kann weiterhin ein Temperatursensor vorgesehen sein, wie dies oben bereits erwähnt wurde. Dieser ist dann entsprechend vorzugsweise in Strömungsrichtung nach der Heizeinrichtung, und vorzugsweise auch nach einer Verdichtungskammer des Kältemittelverdichters, angeordnet. Dabei kann auch dieser Temperatursensor Teil des Kältemittelverdichters sein, das heißt in diesen integriert sein, aber auch außerhalb des Kältemittelverdichters angeordnet sein, dann vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Kältemittelverdichters stromabwärts in Bezug auf die bestimmungsgemäße Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelstrang beziehungsweise Kältemittelkreislauf im bestimmungsgemäßen Betrieb des Kältemittelverdichters.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Heizeinrichtung derart anzusteuern, dass diese im Betrieb des Kältemittelverdichters so lange heizt, bis ein gemäß einem ersten Kriterium vorbestimmtes Heizziel erreicht ist, und/oder bis eine gemäß einem zweiten vorbestimmten Kriterium vorgegebene Systemgrenze erreicht ist. So kann vorteilhafterweise durch die Heizeinrichtung eine Zusatzheizleistung im System eingebracht werden, die es ermöglicht, das vorgegebene Heizziel schneller zu erreichen. Ein solches Heizziel kann in Form eines Temperaturwerts vorgegeben werden. Dieser Temperaturwert kann sich dabei auf eine gewünschte Temperatur an einem zu beheizenden beziehungsweise zu erwärmenden Zielort beziehen, wie beispielsweise eine Kraftfahrzeugkomponente oder der Passagierraum des Kraftfahrzeugs. Ist die gewünschte Temperatur an diesem Zielort erreicht, so kann die Heizeinrichtung vorteilhafterweise wieder deaktiviert werden oder in ihrer Heizleistung zumindest heruntergefahren werden, insbesondere so, dass die gewünschte durch das Heizziel definierte Zieltemperatur weiterhin aufrecht erhalten wird. Ähnliches gilt für die oben genannte Systemgrenze. Auch diese kann in Form einer Grenztemperatur vorgegeben sein, die nicht überschritten werden darf oder sollte. Diese Temperatur bezieht sich insbesondere auf die Kältemitteltemperatur und wird daher vorzugsweise durch einen Temperatursensor im oder in unmittelbarer Nähe des Kältemittelverdichters, wie bereits beschrieben, erfasst. Ist eine solche die Systemgrenze definierende Grenztemperatur erreicht, so kann auch hier wieder die Heizeinrichtung deaktiviert werden oder zumindest in ihrer Heizleitung kontinuierlich oder stufenweise heruntergefahren werden. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein sicherer Betrieb der Heizeinrichtung gewährleistet werden. Die Regelung der Heizleistung der Heizeinrichtung durch die Steuereinheit kann dabei insbesondere in Abhängigkeit von den beiden genannten Temperaturwerten erfolgen. Auch der Verdichtungsprozess des Kältemittelverdichters kann in Abhängigkeit von der Kältemitteltemperatur, sowie auch in Abhängigkeit des Drucks des Kältemittels ausgangsseitig am Kältemittelverdichter, d.h. auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters, erfolgen. Um sicherzustellen, dass die vorgegebenen Systemgrenzen, die neben einem Temperaturgrenzwert auch einen Druckgrenzwert definieren können, einzuhalten, kann beispielsweise auch die Antriebsdrehzahl des Kältemittelverdichters reduziert werden oder das Hubvolumen bzw. der geförderte Volumenstrom reduziert und heruntergefahren werden, insbesondere im Falle eines Hubkolbenkompressors, falls ein kritischer Punkt erreicht ist oder falls eine kritische Temperatur erreicht ist, obwohl die Heizeinrichtung bereits inaktiv ist. Ein korrespondierender Drucksensor kann sich beispielsweise ebenfalls im Kältemittelverdichter, insbesondere austrittsseitig, befinden oder in unmittelbarer Nähe des Kältemittelverdichters stromabwärts angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelverdichter mindestens eine elektrische Komponente und einen ersten Versorgungsanschluss zum externen Anschließen einer Energieversorgung zur Versorgung der mindestens einen elektrischen Komponente auf, wobei die mindestens eine elektrische Komponente und die Heizeinrichtung mit dem ersten Versorgungsanschluss elektrisch gekoppelt sind. Mit anderen Worten können die Heizeinrichtung und eine andere elektrische Komponente des elektrischen Kältemittelverdichters über eine gemeinsame Versorgungsleitung versorgt werden, was, wie eingangs bereits beschrieben, den Verkabelungsaufwand enorm reduziert und die elektrische Anbindung ins Gesamtsystem deutlich vereinfacht. Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar, einen separaten Versorgungsanschluss zur Versorgung der Heizeinrichtung im Kältemittelverdichter vorzusehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform mit nur einem Versorgungsanschluss zur Versorgung der Heizeinrichtung und zumindest einer weiteren elektrischen Komponente des Kältemittelverdichters kann dann entsprechend eine interne Leitungsaufsplittung erfolgen, insbesondere sodass die elektrische Heizeinrichtung und die mindestens eine weitere elektrische Komponente zueinander parallel geschaltet sind. Zudem können in den betreffenden internen, gesplitteten Leitungen des Kältemittelverdichters für die Heizeinrichtung und für die mindestens eine weitere elektrische Komponente jeweilige Schalteinrichtungen vorgesehen sein, die einen unabhängigen Betrieb der Heizeinrichtung von der weiteren elektrischen Komponente ermöglichen. Mit anderen Worten kann die Heizeinrichtung an- und ausgeschaltet werden, unabhängig vom aktuellen Betriebszustand der weiteren elektrischen Komponente und umgekehrt. Dies ist vorteilhaft, da bei Notwendigkeit einer Abschaltung der Heizeinrichtung, zum Beispiel bei Erreichen des Heizziels oder Erreichen der Systemgrenze, wie oben beschrieben, der Verdichtungsprozess weiterlaufen kann. Über ein solches Schaltelement lässt sich beispielsweise auch eine Stromsteuerung der Heizeinrichtung realisieren. Durch eine solche Stromsteuerung oder Stromregelung lässt sich letztendlich die gewünschte von der Heizeinrichtung zu erbringende Heizleistung einstellen. Dies ermöglicht neben einem angeschalteten und abgeschalteten Zustand der Heizeinrichtung noch weitere vorteilhafte Zwischenzustände. Das Beheizen des Kältemittels kann dadurch noch situationsangepasster erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn der erste Versorgungsanschluss einen Hochvoltanschluss darstellt und die mindestens eine elektrische Komponente eine elektrische Maschine zum Bereitstellen eines Antriebs des Kältemittelverdichters darstellt. Zum Antreiben des Verdichtungsprozesses arbeitet die elektrische Maschine dabei insbesondere als Elektromotor. Die für die elektrische Maschine üblicherweise ohnehin vorgesehene Hochvoltversorgungsleitung kann damit gleichzeitig auch für die Heizeinrichtung verwendet werden. Dies ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da dann auch zusätzliche Wandlereinrichtungen für die Heizeinrichtung, um die gewünschten Heizleistungen zur Verfügung zu stellen, die insbesondere vorzugsweise im Bereich zwischen 1 Kilowatt und 1,5 Kilowatt liegen, eingespart werden können. Theoretisch wäre es jedoch auch möglich, dass die Heizeinrichtung über einen Niedervoltanschluss gespeist wird. Mit anderen Worten kann der erste Versorgungsanschluss auch einen Niedervoltanschluss darstellen, welcher zur Bauteilansteuerung des Verdichters sowie zur Versorgung der Heizeinrichtung genutzt werden kann. Insbesondere kann eine solche Niedervoltspannung an den entsprechenden Steuereinheiten für die Steuerung des Verdichtungsprozesses beziehungsweise der elektrischen Maschine und der Heizeinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt ist es jedoch, dass ein solcher Niedervoltanschluss über einen vom ersten Versorgungsanschluss separaten zweiten Versorgungsanschluss zum externen Anschließen einer weiteren Energieversorgung, nämlich einer Niedervoltenergieversorgung, bereitgestellt wird. Dieser Niedervoltanschluss kann dann entsprechend mit den jeweiligen Steuereinheiten oder auch anderen Bauteilen Verdichter-intern gekoppelt sein, während die Heizeinrichtung sowie die elektrische Maschine über den gemeinsamen Hochvoltanschluss versorgt werden. Stellt der Verdichter einen mechanischen Verdichter dar, ist in der Regel nur ein Niedervoltanschluss bzw. eine Niedervoltversorgungsleitung für diesen vorgesehen. Diese wird dann vorzugsweise entsprechend dimensioniert, so dass neben den bisherigen Versorgungsströmen für den Verdichter auch die Leistungsbedarfe für den elektrischen (Niedervoltzusatz-) Heizer bereitgestellt und verfügbar gemacht werden. Basierend auf einem 12V Bordnetz sind Leistungen in der Größenordnung 1.0kW bis 1.5kW realisierbar, bei Hochvoltnetzen kann von Größenordnungen von 3kW und höher gesprochen werden.
Erfindungsgemäß weist der Kältemittelverdichter eine Verdichtungskammer auf, in welcher das Kältemittel verdichtbar ist. Das Verdichtungsprinzip hängt dabei von der Ausgestaltung des Kältemittelverdichters ab. Dieser kann beispielsweise als Hubkolbenverdichter oder als Scrollverdichter ausgebildet sein. Es kommen darüber hinaus aber auch andere Ausbildungsmöglichkeiten infrage. Im Falle eines Hubkolbenverdichters weist der Verdichter eine oder mehrere zylinderförmige Verdichtungskammern auf, in welchen das Kältemittel mittels eines Kolbens, welcher von der elektrischen Maschine oder alternativ mechanisch über eine Welle angetrieben wird, verdichtet wird. Bei einem Scrollverdichter wird die Verdichtungskammer aus zwei ineinander verkämmten Spiralen gebildet, deren gegenläufige Bewegung das Kältemittel verdichtet. Hierbei ist typischerweise eine Spirale statisch, und die andere wird bewegt bzw. ist rotierend/orbitierend ausgeführt.
Unabhängig von der konkreten Ausbildung des Kältemittelverdichters ist es jedoch sehr vorteilhaft, dass die Heizeinrichtung mindestens ein Heizelement aufweist, welches im Bereich der Verdichtungskammer so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement im Betrieb des Kältemittelverdichters dazu ausgelegt ist, das in der Verdichtungskammer befindliche Kältemittel während eines Verdichtungsvorgangs zu erwärmen. Insbesondere wird das Kältemittel während des Verdichtungsvorgangs dann durch dieses mindestens eine Heizelement zusätzlich zu der ohnehin bedingt durch den Verdichtungsvorgang stattfindenden Erwärmung erwärmt.
Die Ausbildung des mindestens einen Heizelements kann dabei im Allgemeinen alle möglichen Formen haben. Beispielsweise kann das Heizelement als Heizstab, Heizspirale, beliebig geformter oder gewundener Heizdraht, Heizmatte oder ähnliches ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Heizelement eine elektrische Isolation aufweisen, um die Sicherheit bei dem Heizbetrieb zu gewährleisten, vor allem, wenn das Heizelement in direktem Kontakt mit dem Kältemittel ist. Dies muss aber nicht notwendigerweise der Fall sein.
Wenn das mindestens eine Heizelement im Bereich der Verdichtungskammer angeordnet ist, kann eine besonders effiziente Erwärmung des Kältemittels bereitgestellt werden, da gerade im Bereich der Verdichtungskammer eine große Oberfläche, die zur Wärmeübertragung genutzt werden kann, durch die Kammerwände zur Verfügung steht. Mit anderen Worten ist gerade dann, wenn sich das Kältemittel in der Verdichtungskammer befindet, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Kältemittels besonders groß, was eine besonders schnelle und effiziente Erwärmung des Kältemittels durch das mindestens eine Heizelement ermöglicht. Beispielsweise kann das mindestens eine Heizelement so angeordnet sein, dass eine oder mehrere Kammerwände der Verdichtungskammer teilweise oder vollständig durch das mindestens eine Heizelement beheizt werden. Dadurch lässt sich die Heizleistung besonders effizient auf das Kältemittel übertragen.
Erfindungsgemäß ist dabei das mindestens eine Heizelement an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer angeordnet. Im Beispiel des Scrollverdichters ist es also bevorzugt, dass das Heizelement an der feststehenden Spiralwand angeordnet ist. Im Falle eines Hubkolbenverdichters ist es bevorzugt, dass das Heizelement an einem oder mehreren statischen Zylindern angeordnet ist. Dies vereinfacht die Verdrahtung des Heizelements zum Zwecke der Stromzufuhr, die dann besonders einfach ausgebildet werden kann, da sie keinen hohen Anforderungen standhalten muss, wie dies der Fall wäre, wenn das Heizelement bei Anordnung an einem bewegten Bauteil der Verdichtungskammer ebenfalls einer ständigen Bewegung ausgesetzt wäre. Nichtsdestoweniger wäre eine solche Ausgestaltung ebenso denkbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kältemittelverdichter einen Eintrittsanschluss aufweist, über welchen Kältemittel dem Kältemittelverdichter zuführbar ist, eine mit dem Eintrittsanschluss fluidisch verbundene Verdichtungskammer, insbesondere die oben beschriebene Verdichtungskammer, in welcher das Kältemittel verdichtbar ist, und einen mit der Verdichtungskammer fluidisch verbundenen Austrittsanschluss, über welchen das verdichtete Kältemittel aus dem Kältemittelverdichter abführbar ist. Zudem ist gemäß dieser Ausführungsform wiederum vorgesehen, dass die Heizeinrichtung mindestens ein weiteres Heizelement aufweist, welches insbesondere wiederum wie oben beschrieben ausgebildet sein kann. Dieses mindestens eine weitere Heizelement kann darüber hinaus nun zwischen dem Eintrittsanschluss und der Verdichtungskammer derart angeordnet sein, dass das mindestens eine weitere Heizelement im Betrieb des Kältemittelverdichters dazu ausgelegt ist, das Kältemittel nach Eintritt in den Kältemittelverdichter durch den Eintrittsanschluss und vor Eintritt in die Verdichtungskammer zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich kann das mindestens eine weitere Heizelement auch zwischen der Verdichtungskammer und dem Austrittsanschluss derart angeordnet sein, dass das mindestens eine weitere Heizelement im Betrieb des Kältemittelverdichters dazu ausgelegt ist, das Kältemittel nach Austritt aus der Verdichtungskammer und vor Austritt aus dem Austrittsanschluss des Kältemittelverdichters zu erwärmen.
Mit anderen Worten kann das mindestens eine weitere Heizelement der Heizeinrichtung eintrittsseitig oder austrittsseitig angeordnet sein und entsprechend das Kältemittel unmittelbar nach Eintritt in den Kältemittelverdichter oder unmittelbar vor Austritt aus dem Kältemittelverdichter erwärmen. Auch dies erlaubt eine besonders einfache und effiziente Anordnung der Heizeinrichtung und Erwärmung des Kältemittels. Gerade wenn das mindestens eine Heizelement eintrittsseitig angeordnet ist, kann hierdurch auch ein weiterer großer Vorteil erzielt werden. Grundsätzlich kann es nämlich vorkommen, dass das Kältemittel eintrittsseitig zu nass angesaugt wird. Dies kann nachteiligerweise zu Ölauswaschungen im Kältemittelverdichter, insbesondere jedoch an dessen internen Lagern, führen, was wiederum zu einer erhöhten Reibung und dies wiederum zu einer verminderten Bauteillebensdauer führt. Durch eine eintrittsseitige Anordnung des mindestens einen weiteren Heizelements können der flüssige Anteil des Kältemittels reduziert und damit auch Ölauswaschungen verhindert oder zumindest in ihrem Ausmaß vermindert werden. So kann durch dieses mindestens eine weitere Heizelement gleichzeitig auch eine Bauteilschutzfunktion bereitgestellt werden.
Der Eintrittsanschluss des Kältemittelverdichters kann zum Beispiel in Form einer Eintrittsöffnung ausgeführt sein oder eine solche aufweisen. Entsprechend kann auch der Austrittsanschluss in Form einer Austrittsöffnung ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Der Eintrittsanschluss und der Austrittsanschluss können jeweils mit Kältemittelleitungen gekoppelt bzw. an solche angeschlossen werden. Solche Leitungen können z.B. als Rohre oder Schläuche oder als eine Kombination beider ausgeführt sein.
Des Weiteren ist es auch möglich, dass das mindestens eine weitere Heizelement speziell bei einem elektrischen Verdichter im Bereich der elektrischen Maschine angeordnet ist. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Kältemittelverdichter eine elektrische Maschine, insbesondere die oben bereits beschriebene elektrische Maschine, zum Bereitstellen eines Antriebs aufweist, wobei die Heizeinrichtung mindestens ein weiteres Heizelement aufweist, welches im Bereich der elektrischen Maschine, insbesondere an einem Bauteil der elektrischen Maschine, angeordnet ist. Damit befindet sich das mindestens eine Heizelement im Bereich des elektrischen Antriebs des elektrischen Kältemittelverdichters, wodurch effektiv eine gesteigerte E-Maschinenabwärme und eine zentrale Erwärmung des Kältemittels und damit im Bereich beziehungsweise des Umfelds der E-Maschine erfolgen kann. Denkbar wäre es auch, die elektrische Maschine zusätzlich zu verstimmen, um dadurch eine gesteigerte Abwärme beziehungsweise Verlustleistung, die in Abwärme umgesetzt wird, zu erreichen, wodurch die Gesamtheizleistung des Kältemittelverdichters weiter gesteigert werden kann.
Darüber hinaus kann die Heizeinrichtung auch mehrere Heizelemente aufweisen, die an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Kältemittelverdichters angeordnet sein können. Entsprechend sind die zuvor beschriebenen Ausgestaltungsvarianten bezüglich der Positionierung des mindestens einen Heizelements auch in beliebiger Weise miteinander kombinierbar.
Zudem kann das Heizelement beziehungsweise die Heizeinrichtung auf verschiedenen Spannungsleveln fahren. Mit anderen Worten kann die Heizeinrichtung mit unterschiedlichen Eingangsspannungen betrieben werden. Dies ermöglicht es, die Heizeinrichtung elektrisch an die aktuellen Gegebenheiten in einem Kraftfahrzeugbordnetz anzupassen. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung dazu ausgelegt sein, mit einer Eingangsspannung von 12 Volt oder 48 Volt bzw. 400 Volt oder 800 Volt oder auch mehr betrieben zu werden. Dies ermöglicht besonders flexible Einsatzmöglichkeiten.
Wie eingangs beschrieben, ist der Kältemittelverdichter, speziell der elektrische Kältemittelverdichter, vorzugsweise Teil einer Wärmepumpe in einem Kraftfahrzeug. Entsprechend soll eine Wärmepumpe mit einem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter oder einer seiner Ausführungsformen ebenfalls als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter oder einer seiner Ausführungsformen. Die für den Kältemittelverdichter und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist vorzugsweise einen Elektromotor als Antriebseinheit auf, gegebenenfalls zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor. Mit anderen Worten ist das Kraftfahrzeug vorzugsweise als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb ausgebildet. Entsprechend umfasst das Kraftfahrzeug vorzugsweise eine Batterie, insbesondere eine Mittelvoltbatterie und/oder Hochvoltbatterie. Die durch die Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellte Mittelvolt- oder Hochvoltspannung kann dann auf vorteilhafte Weise zum Betrieb des Kältemittelverdichters und insbesondere des integrierten Heizelements verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters zum Verdichten eines Kältemittels, wobei der Kältemittelverdichter eine integrierte Heizeinrichtung aufweist. Dabei weist der Kältemittelverdichter weiterhin eine Steuereinheit auf, die die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Kältemittels steuert. Dabei weist der Kältemittelverdichter eine Verdichtungskammer auf, in welcher das Kältemittel verdichtet wird, und die Heizeinrichtung weist mindestens ein Heizelement auf, welches im Bereich der Verdichtungskammer so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement im Betrieb des Kältemittelverdichters das in der Verdichtungskammer befindliche Kältemittel während eines Verdichtungsvorgangs erwärmt, wobei das mindestens eine Heizelement an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer angeordnet ist.
Auch hier gelten die für den erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter oder seinen Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere korrespondierende Verfahrensschritte.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind stark vereinfacht dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmepumpe mit einem Kältemittelverdichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters mit einer integrierten Heizeinrichtung, welche austrittsseitig angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Veranschaulichung des Verdichtungs- und Heizprozesses in einem Druck-Enthalpie-Diagramm bei einem Kältemittelverdichter gemäß 2;
4 eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters mit einer eintrittsseitig angeordneten und integrierten Heizeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Veranschaulichung des Verdichtungs- und Heizprozesses in einem Druck-Enthalpie-Diagramm für einen Kältemittelverdichter gemäß 4;
6 eine schematische Darstellung eines elektrischen Kältemittelverdichters mit einer im Bereich der elektrischen Maschine integrierten Heizeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung des Verdichtungs- und Heizprozesses in einem Druck-Enthalpie-Diagramm für einen Kältemittelverdichter gemäß 6;
8 eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters mit einer in einer Verdichtungskammer des Kältemittelverdichters integrierten Heizeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 eine schematische Veranschaulichung des Verdichtungs- und Heizprozesses in einem Druck-Enthalpie-Diagramm bei einem Kältemittelverdichter gemäß 8.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einem Kältemittelkreislauf 16 der eine Wärmepumpenfunktion abbildet, der wiederum einen Kältemittelverdichter 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Insbesondere ist eine Wärmepumpe durch den Kältemittelkreislauf 16 bereitgestellt, der in diesem Beispiel stark vereinfacht ist und nur grundlegende Komponenten veranschaulicht. Der Kältemittelkreislauf 16 stellt in diesem Beispiel mindestens eine Wärmequelle 18 bzw. einen eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager 18 und mindestens eine Wärmesenke 20 bzw. einen eine Wärmesenke darstellenden Wärmeübertrager 20 bereit. Des Weiteren umfasst der Kältemittelkreislauf einen Kältemittelspeicher 22, der durch einen Niederdruck-Akkumulator bereitgestellt sein kann. Weiterhin weist der Kältemittelkreislauf 16 noch ein Expansionsorgan 24 auf, sowie einen optionalen inneren Wärmeübertrager 26.
Zudem können ein oder mehrere Wärmeübertrager durch die Wärmequelle 18 beziehungsweise durch die Wärmesenke 20 bereitgestellt sein. Die Wärmequelle 18 kann als solchen Wärmeübertrager beispielsweise einen Gaskühler und/oder einen Kondensator und/oder ein Heizregister und/oder einen indirekten Kondensator und/oder einen indirekten Gaskühler aufweisen. Die Wärmesenke 20 kann als Wärmeübertrager zum Beispiel einen Verdampfer und/oder einen Chiller aufweisen.
Im Betrieb der Wärmepumpe 12 verdichtet der Verdichter 14 das Kältemittel von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau. Im Zuge dessen wird das Kältemittel zudem erwärmt. Das den Verdichter 14 in Strömungsrichtung verlassende Kältemittel erreicht dann einen oder mehrere Wärmeübertrager der Wärmequelle 18. Hier gibt das Kältemittel wiederum Wärme ab und strömt weiter in Richtung Expansionsorgan 24. Zuvor kann zusätzlich noch Wärme im hochdruckseitigen Abschnitt des optionalen inneren Wärmeübertragers 26 auf dessen niederdruckseitigen Abschnitt abgegeben werden. Durch das letztendlich erreichte Expansionsorgan 24 wird das Kältemittel expandiert, wodurch sich dessen Druck verringert und dessen Temperatur erniedrigt. Im Expansionsorgan 24 sind dann ein oder mehrere Wärmeübertrager der Wärmesenke 20 nachgeschaltet, wo das Kältemittel wiederum Wärme aufnimmt. Weiter in Stromabwärtsrichtung folgt dann das Kältemittelreservoir 22, der niederdruckseitige Abschnitt des optionalen inneren Wärmeübertragers 26, sodass vom Kältemittelspeicher kommendes Kältemittel wiederum Wärme von dessen hochdruckseitigen Abschnitt aufnehmen kann, und anschließend wird das Kältemittel wieder dem Verdichter 14 zugeführt.
Der Kältemittelverdichter 14 kann im Allgemeinen als elektrisch oder mechanisch angetriebene Komponente funktionieren. In der nachfolgenden Beschreibung findet insbesondere die elektrische Komponente Berücksichtigung. Mit anderen Worten ist der Kältemittelverdichter 14 in den nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen als elektrischer Kältemittelverdichter 14 ausgeführt, die beschriebenen Ausgestaltungen lassen sich jedoch überwiegend ganz analog auch auf einen mechanischen Kältemittelverdichter übertragen.
Der nachfolgend noch detaillierter beschriebene Kältemittelverdichter 14, insbesondere elektrische Kältemittelverdichter 14, kann aber auch einen Teil eines deutlich komplexer aufgebauten Kältemittelkreises darstellen. Beispielsweise kann dieser auch Teil eines Kältemittelkreises sein, wie er beispielsweise in einer deutschen Anmeldung mit der Anmeldenummer 102020120400.0, eingereicht beim DPMA am 3.8.2020, von der gleichen Anmelderin und des gleichen Erfinders mit dem Titel „Kältemittelspeicher für ein Kältemittel mit steuerbarem Auslass; Kältekreis; Kraftfahrzeug sowie Verfahren“ in 6 dargestellt, sowie auf Seite 12, Zeilen 11 bis 18, sowie auf Seite 17, Zeilen 10 bis 19 der ursprünglichen Anmeldung beschrieben ist.
Wie bereits erwähnt, wird das Kältemittel beim Durchströmen des Verdichters 14, insbesondere durch den Verdichtungsvorgang, auch erwärmt. Allerdings kann es bei herkömmlichen Kältemittelkreisen unter Verwendung herkömmlicher Verdichter vorkommen, dass ohne eine zusätzliche Heizeinrichtung gegebenenfalls die geforderte Heizleistung, zum Beispiel zur Erwärmung eines Passagierraums des Kraftfahrzeugs 10, nicht alleine über den Kältekreis bereitgestellt werden kann. In einem solchen Fall dauert es dann sehr lange, bis zum Beispiel eine gewünschte Innenraumtemperatur des Kraftfahrzeugs 10 erreicht ist, falls diese überhaupt erreicht werden kann.
Ein elektrischer Kältemittelverdichter, wie dieser in einer Ausführungsform der Erfindung in 1 dargestellt ist, umfasst in vorteilhafter Weise eine integrierte Heizeinrichtung 28, welche wiederum mindestens ein Heizelement 30 aufweist. Ein solches Heizelement 30 kann zum Beispiel als Heizspirale, Heizdraht, Heizstab, Heizmatte, Heizkörper oder ähnliches bereitgestellt sein. Ein solches Heizelement 30 kann auch eine Kombination der genannten Ausbildungsmöglichkeiten darstellen. Die Heizeinrichtung 28 kann darüber hinaus auch mehrere, insbesondere gleiche oder verschiedene solcher Heizelemente 30 aufweisen. Durch eine solche integrierte Heizeinrichtung 28 kann nun vorteilhafterweise ein Zusatzwärmeeintrag ins Kältemittel zur Heizleistungssteigerung bereitgestellt werden. Der elektrische Kältemittelverdichter 14 weist zudem ein Gehäuse 32 auf, in welchem Komponenten des elektrischen Kältemittelverdichters 14 angeordnet sind. Diese Komponenten können teilweise auch einen Teil dieses Gehäuses 32 selbst bereitstellen. Mit anderen Worten kann das Gehäuse 32 zumindest zum Teil durch Wände und/oder Gehäuseteile der verschiedenen Komponenten des Kältemittelverdichters 14 bereitgestellt sein. Als solche Komponenten umfasst der Kältemittelverdichter 14 insbesondere eine Verdichtungskammer 34, in welcher das Kältemittel verdichtet wird. Der Verdichtungsprozess selbst wird durch eine Antriebseinheit des elektrischen Kältemittelverdichters 14 angetrieben, welche insbesondere als elektrische Maschine 36 ausgeführt ist. Zum Antreiben des Verdichtungsprozesses arbeitet diese elektrische Maschine 36 als Elektromotor. Die Verdichtungskammer 34 kann dabei insbesondere zumindest ein statisches und ein bewegliches Element umfassen, wobei die Bewegung des beweglichen Elements bei der Verdichtung durch die E-Maschine 36 angetrieben werden. Der Kältemittelverdichter 14 kann beispielsweise als Scrollverdichter ausgebildet sein und umfasst als bewegliches Element entsprechend eine bewegliche bzw. orbitierende Schnecke, und als statisches Element eine statische bzw. stationäre Schnecke, die zusammen die Verdichtungskammer 34 bilden. Ist der Kältemittelverdichter 14 zum Beispiel als Hubkolbenverdichter ausgeführt, so kann dieser als statische Elemente beispielsweise Zylinder umfassen, in welche als bewegliche Elemente korrespondierende Kolben greifen, sodass der Zwischenraum zwischen diesen Kolben und den korrespondierenden Zylindern die Verdichtungskammer 34 bildet.
Weiterhin weist der Verdichter einen Eintrittsanschluss 38 auf, durch welchen das Kältemittel dem Kältemittelverdichter 14 zuführbar ist, sowie einen Austrittsanschluss 40, durch welchen das verdichtete Kältemittel den Kältemittelverdichter 14 im Betrieb verlässt.
Weiterhin weist der elektrische Kältemittelverdichter 14 auch einen Versorgungsanschluss 42 auf, an welchen eine externe Versorgungsleitung 44 anschließbar ist und in diesem Beispiel angeschlossen ist. Diese Versorgungsleitung 44 stellt vorzugsweise eine Hochvoltversorgungsleitung dar. Intern ist der Versorgungsanschluss 42 mit der E-Maschine 36 gekoppelt, was durch die hier dargestellte interne Versorgungsleitung 46a veranschaulicht ist. Somit kann die E-Maschine 46 über den Hochvoltanschluss 42 mit Energie versorgt werden. Durch das integrierte Heizelement 30 beziehungsweise im Allgemeinen durch die integrierte Heizeinrichtung 28 ist es nun vorteilhafterweise möglich, die bereits vorhandenen elektrischen Anschlüsse bezogen auf den Verdichter, insbesondere den genannten Hochvoltanschluss 42, auch zur Versorgung der Heizeinrichtung, und insbesondere des mindestens einen Heizelements 30, zu nutzen. Die Hochvoltkomponenten des Kältemittelverdichters 14, insbesondere die Heizeinrichtung 28 und die E-Maschine 36, können damit vorteilhafterweise über eine gemeinsame Versorgungsleitung 44 mit Energie versorgt werden. Die interne Versorgungsleitung, die mit der Heizeinrichtung 28 gekoppelt ist, ist mit 46b bezeichnet.
Mittels der integrierten Heizeinrichtung 28 kann nun vorteilhafterweise ein Wärmeeintrag ins Kältemittel erfolgen. Dabei kann die Heizeinrichtung 28 in Abhängigkeit von einer Temperatur T des Kältemittels gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist auch eine Steuereinheit 48 als Teil des Kältemittelverdichters 14 vorgesehen, die zur Steuerung der Heizeinrichtung 28 ausgelegt ist. Zur Erfassung der Temperatur T des Kältemittels weist der Kältemittelverdichter 14 in diesem Beispiel auch einen Temperatursensor 50 auf. Dieser ist in Bezug auf die Heizeinrichtung 28 stromabwärts angeordnet. Mit anderen Worten erfasst der mindestens eine Temperatursensor 50 die Temperatur T des Kältemittels, welches bereits durch die Heizeinrichtung 28, und insbesondere auch durch den Verdichtungsprozess, erwärmt worden ist. Zu diesem Zweck muss der Temperatursensor 50 aber nicht notwendigerweise in den Kältemittelverdichter 14 integriert sein, sondern kann beispielsweise auch lediglich in dessen Nähe, jedoch mit ständigem Kontakt zum Kältemittel, angeordnet sein, insbesondere austrittsseitig, zum Beispiel in oder an einer Kältemittelleitung 52, die an den Austrittsanschluss 40 des Kältemittelverdichters 14 angeschlossen ist. Aufgrund der Kompaktheit und Effizienz ist es vor allem von Vorteil, wenn zum Beispiel die Elektronik des Kältemittelverdichters 14, das heißt zumindest die Steuereinheit 48, sowie die Sensorik, wie beispielsweise zumindest der Temperatursensor 50 und optionale weitere Sensoren, zum Beispiel ein Drucksensor, in einem Blockanschluss untergebracht sind, welcher zum Beispiel auch die Anschlusseinrichtung 42 umfassen kann und welcher an eine Verdichterwand angeflanscht ist.
Der Temperatursensor 50, der wie beschrieben seinerseits stromabwärts des Heizelements 28 die Mediumstemperatur des verdichteten und nachgeheizten Kältemittels erfasst, ist mit einer beispielhaft am Verdichter 14 positionierten Steuereinheit 48 gekoppelt, zum Beispiel über eine elektrische Leitung, über welche die Steuereinheit 48 ein Temperatursignal vom Temperatursensor 50 empfangen kann. In Abhängigkeit von dem empfangenen Temperatursignal und damit in Abhängigkeit von der Temperatur T des Kältemittels steuert die Steuereinheit 48 entsprechend die Heizeinrichtung 28 an. Die Abhängigkeit der Ansteuerung, die in 1 durch den Steuerpfeil 51 veranschaulicht ist, von der Temperatur T wird durch den Pfeil ausgehend von der Temperatur T zum Steuerpfeil 51 symbolisiert.
Zum Erreichen eines vorgegebenen Heizziels kann die Steuereinheit 48 zunächst die Heizeinrichtung 28 mit voller Leistung betreiben. Hat das Kältemittel eine vorgegebene kritische Temperatur erreicht, welche eine kritische Systemgrenze darstellt oder eine alternative Zieltemperatur, so kann die Steuereinheit 48 die Heizeinrichtung 28 entsprechend ansteuern, um die Heizleistung stufenweise oder kontinuierlich herunterzufahren und/oder die Heizeinrichtung 28 vollständig auszuschalten. Reicht das Abschalten der Heizeinrichtung 28 beispielsweise nicht aus, um die vorgegebene kritische Systemgrenze nicht zu überschreiten, so kann auch die Leistung des Verdichtungsprozesses heruntergefahren werden, wodurch die Menge, das heißt das Volumen des verdichteten Kältemittels pro Zeit reduziert wird. Zur Ansteuerung des Verdichtungsprozesses beziehungsweise der elektrischen Maschine 36 kann ebenfalls die Steuereinheit 48 genutzt werden oder eine separate, zusätzlich vorgesehene Steuereinheit, die in diesem Beispiel nicht explizit dargestellt ist.
Zur Bauteilansteuerung und zur Versorgung der elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel der Steuereinheit 48, weist der Kältemittelverdichter 14 zudem auch noch einen Niedervoltanschluss auf, der in diesem Beispiel aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht explizit dargestellt ist.
Die Integration der Heizeinrichtung 28 in den Kältemittelverdichter 14 kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, das heißt die Heizeinrichtung 28 kann an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Kältemittelverdichters 14 angeordnet sein, was im Folgenden beschrieben wird.
In der in 1 dargestellten Variante ist ein weiteres Heizelement 30 der Heizeinrichtung 28 austrittsseitig angeordnet. In diesem Fall erfolgt also eine vorgelagerte Verdichtung in der Verdichtungskammer 34 mit Nachheizen durch das Heizelement 30. Diese Variante ist im Detail nochmal in 2 dargestellt. 2 zeigt dabei nochmal eine schematische Darstellung des Kältemittelverdichters 14 mit der integrierten Heizeinrichtung 28, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Übrigen kann der Kältemittelverdichter 14 wie zur 1 beschrieben ausgebildet sein. Zudem ist hier auch das Kältemittel 56, wie es in Richtung der Eintrittsöffnung bzw. des Eintrittsanschlusses 38 des Kältemittelverdichters 14 und aus der Austrittsöffnung bzw. aus dem Austrittsanschluss 40 des Kältemittelverdichters 14 strömt, sowie dessen Strömungsrichtung durch Pfeile veranschaulicht. In diesem Beispiel wird also das durch die Eintrittsöffnung 38 eintretende Kältemittel 56 zunächst im Verdichter 14, insbesondere in der Verdichtungskammer 34, verdichtet und durch den Verdichtungsprozess gleichzeitig erwärmt. Anschließend erfolgt vor dem Austreten aus der Austrittsöffnung 40 eine Zusatzerwärmung über die Heizeinrichtung 30. Dieser Prozess ist nochmal in 3 veranschaulicht.
3 zeigt dabei eine schematische Veranschaulichung des beschriebenen Vorgangs in Form eines p-H-Diagramms, das heißt in Form eines Druck-Enthalpie-Diagramms. Vor dem Verdichten befindet sich das Kältemittel 56 im Zustand Z1, welcher sich wiederum im Nassdampfgebiet 58 des Kältemittels 56 befindet. Links dieses veranschaulichten Nassdampfgebiets 58 der dargestellten Kältemittelzustandskurve 60 befindet sich im Übrigen das Flüssigkeits-Gebiet 62 und rechts vom Nassdampfgebiet 58 außerhalb der Kurve 60 das gasförmige Gebiet 64. Oberhalb des sogenannten kritischen Punkts 66 sind im Übrigen die flüssigen und gasförmigen Zustände nicht mehr zu unterscheiden. Ausgehend vom genannten ersten Zustand Z1 wird nun das Kältemittel 56 durch den Verdichtungsprozess in den Zustand Z2 überführt. Der Verdichtungsprozess ist in 3 entsprechend durch die Linie 68 veranschaulicht. Durch den Verdichtungsprozess 68 erhöht sich die Temperatur des Kältemittels 56, sowie entsprechend auch der Druck p. Bei der nachgelagerten Erwärmung des Kältemittels 56 bleibt der Druck p konstant, während sich die Temperatur des Kältemittels 56 weiter erhöht, bis das Kältemittel 56 letztendlich den Zustand Z3 erreicht hat. Der Heizprozess, welcher der Verdichtung nachgelagert ist und durch die Heizeinrichtung 28 bewirkt wird, ist in 3 entsprechend durch die gestrichelte Linie 70 veranschaulicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung des elektrischen Kältemittelverdichters 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist die integrierte Heizeinrichtung 28 im Verdichter 14 angeordnet, sodass zusätzlich eine nachgelagerte Verdichtung mit Vorheizen durch die Heizeinrichtung 28 stattfindet. Bis auf die Anordnung des weiteren Heizelements 30 kann der Verdichter 14 wie zur 1 beschrieben ausgebildet sein. In diesem Beispiel wird das Kältemittel 56 also gleich nach Eintritt in den Kältemittelverdichter 14 durch die Heizeinrichtung 28 beheizt, insbesondere bevor das Kältemittel 56 in die Verdichtungskammer 34 eintritt, in welcher der Verdichtungsprozess stattfindet. Diese Vorgänge sind wiederum im zugehörigen Zustandsdiagramm in 5 veranschaulicht.
5 zeigt dabei eine schematische Darstellung dieser nachgelagerten Verdichtung mit Vorheizen im p-H-Diagramm. Hierbei wird wiederum exemplarisch vom gleichen Ausgangszustand Z1 des Kältemittels 56 beim Eintritt durch den Eintrittsanschluss 38 ausgegangen. Die nachfolgende Erwärmung durch die Heizeinrichtung 28 ist in 5 wiederum durch die gestrichelte Linie 70 veranschaulicht. Bei diesem Heizvorgang 70 ändert sich wiederum der Druck p des Kältemittels 56 nicht, es erfolgt lediglich eine Temperaturerhöhung. Nach diesem Heizprozess befindet sich das Kältemittel 56 entsprechend im Zustand Z4. Hier schließt sich nun der in der Verdichtungskammer 34 ausgeführte Verdichtungsprozess 68 an, durch welchen die Temperatur des Kältemittels 56 weiter steigt, sowie auch dessen Druck p. Hierdurch gelangt das Kältemittel 56 wiederum zum Endzustand Z3, in welchem es den Kältemittelverdichter 14 verlässt.
Eine solche vorgelagerte Erhitzung des Kältemittels 56 durch die Heizeinrichtung 28 hat dabei noch den großen Zusatzvorteil, dass zu nass angesaugtes Kältemittel 56 durch den Heizvorgang 70 zudem auch noch „getrocknet“ werden kann, das heißt zumindest ein Teil des angesaugten flüssigen Kältemittels wird verdampft und dadurch der flüssige Anteil reduziert, wodurch Ölauswaschungen innerhalb des Verdichters 14 reduziert werden können, wodurch wiederum der Verschleiß des Verdichters 14 reduziert werden kann und entsprechend dessen Lebensdauer erhöht werden kann.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verdichters 14, welches exemplarisch in 6 dargestellt ist, ist zumindest ein weiteres Heizelement 30 nunmehr im Bereich der elektrischen Maschine 36 angeordnet, zum Beispiel an einem Bauteil der elektrischen Maschine 36. Im Übrigen kann auch hier wiederum der Kältemittelverdichter 14 wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein. Hier findet also wiederum eine nachgelagerte Verdichtung des Kältemittels 56 mit E-Maschinen-Heizen statt, das heißt eine Erhitzung des Kältemittels 56 in der unmittelbaren Umgebung der E-Maschine 36. Die Beheizung erfolgt auch in diesem Fall vor dem Verdichtungsvorgang, was wiederum in 7 veranschaulicht ist.
Das zugehörige p-H-Diagramm entspricht dabei im Wesentlichen dem aus 5. Ausgehend von dem Ausgangszustand Z1 wird das Kältemittel 56 durch den Heizprozess 70, ausgeführt durch die Heizeinrichtung 28, zunächst in den Zwischenzustand Z4 überführt, und anschließend durch den Verdichtungsprozess 68 in den Endzustand Z3.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kältemittelverdichters 14, gemäß welchem nun auf besonders vorteilhafte Weise die integrierte Heizeinrichtung 28 in die Verdichtungskammer 34 selbst integriert ist. Zumindest ist ein Heizelement 30 der Heizeinrichtung 28 in die Verdichtungskammer 34 integriert. Beispielsweise kann das Heizelement 30 so ausgeführt sein, dass durch dieses eine Kammerwand, insbesondere eines statischen Kammerelements, beheizt wird. Dadurch ist eine sehr großflächige Beheizung des Kältemittels 56 möglich, was den Heizvorgang sehr effizient gestaltet. Im Übrigen kann auch hier der Kältemittelverdichter 14 wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein.
Der zugehörige Prozess ist in Form des p-H-Diagramms wiederum exemplarisch in 9 veranschaulicht. Hier findet nun der Heizprozess 70 parallel zum Verdichtungsprozess 68 statt. Ausgehend vom Anfangszustand Z1 wird also durch die parallel verlaufenden Heiz- und Verdichtungsprozesse 68, 70 nun direkt zum Endzustand Z3 übergegangen.
In all diesen Beispielen erfolgt ein Heizen durch die Heizeinrichtung 28 nur im Betrieb des Kältemittelverdichters 14, das heißt nur dann, wenn auch ein Verdichtungsprozess 68 stattfindet. Es ist durchaus möglich, dass ein Verdichtungsprozess 68 ausgeführt wird, ohne dass zusätzlich durch die Heizeinrichtung 28 geheizt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Heizziel bereits erreicht ist oder ohne Weiteres ohne den Zusatzheizer, das heißt durch den Betrieb der Heizeinrichtung 28, erreicht werden kann, oder wenn eine kritische Systemgrenze in Bezug auf die Temperatur T erreicht ist. Entsprechend würde dann im zugehörigen Druck-Enthalpie-Diagramm lediglich ein Übergang vom Ausgangszustand Z1 durch den Verdichtungsprozess 68 zum Zustand Z2 wie in 3 dargestellt stattfinden, ohne einen Heizprozess 70. Entsprechend würde dann der Endzustand durch den Zustand Z2 definiert sein.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kältemittelerwärmung im Kältemittelverdichter für die Deckung des Heizbedarfs bereitgestellt werden kann, gemäß welcher durch die Integration eines Heizelements zum Wärmeeintrag ins Kältemittel eine besonders einfache, effiziente und kompakte Lösung zur Bereitstellung einer solchen Zusatzerwärmung ermöglicht wird. Durch die Integration des Heizelements beziehungsweise im Allgemeinen der Heizeinrichtung direkt in den Kältemittelverdichter entfällt die Anbindung eines separaten Bauteils im System und vor allem können die Versorgungsleitungen im System zur Versorgung des Kältemittelverdichters gleichzeitig zur Versorgung des Heizelements beziehungsweise der Heizeinrichtung genutzt werden. Damit sind keine separaten Versorgungsleitungen im System zu verlegen. Stattdessen kann intern, das heißt im Kältemittelverdichter, ein Leistungsabzweig im Hochvolt-Versorgungsstrang umgesetzt werden und dadurch der Heizer, das heißt die Heizeinrichtung, direkt bedient werden. Ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand entfällt damit vorteilhafterweise.

Claims

Kältemittelverdichter (14) für ein Kraftfahrzeug (10), zum Verdichten eines Kältemittels (56), wobei der Kältemittelverdichter (14) eine integrierte Heizeinrichtung (28) aufweist, wobei der Kältemittelverdichter (14) eine Steuereinheit (48) zum Steuern der Heizeinrichtung (28) aufweist, wobei die Steuereinheit (48) dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb des Kältemittelverdichters (14) in einem von einem Kältemittel (56) durchströmten Kältemittelstrang (16) die Heizeinrichtung (28) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) des Kältemittels (56) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) eine Verdichtungskammer (34) aufweist, in welcher das Kältemittel (56) verdichtbar ist, und die Heizeinrichtung (28) mindestens ein Heizelement (30) aufweist, welches im Bereich der Verdichtungskammer (34) so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement (30) im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) dazu ausgelegt ist, das in der Verdichtungskammer (34) befindliche Kältemittel (56) während eines Verdichtungsvorgangs zu erwärmen, wobei das mindestens eine Heizelement (30) an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer (34) angeordnet ist.
Kältemittelverdichter (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (48) dazu ausgelegt ist, die Heizeinrichtung (28) derart anzusteuern, dass diese im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) so lange heizt, bis ein gemäß einem ersten Kriterium vorbestimmtes Heizziel erreicht ist, und/oder bis eine gemäß einem zweiten vorbestimmten Kriterium vorgegebene Systemgrenze erreicht ist.
Kältemittelverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) mindestens eine elektrische Komponente (36) und einen ersten Versorgungsanschluss (42) zum externen Anschließen einer Energieversorgung (44) zur Versorgung der mindestens einen elektrischen Komponente (36) aufweist, wobei die mindestens eine elektrische Komponente (36) und die Heizeinrichtung (28) mit dem ersten Versorgungsanschluss (42) elektrisch gekoppelt sind.
Kältemittelverdichter (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Versorgungsanschluss (42) einen Hochvoltanschluss (42) darstellt und die mindestens eine elektrische Komponente (36) eine elektrische Maschine (36) zum Bereitstellen eines Antriebs des Kältemittelverdichters (14) darstellt.
Kältemittelverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) einen Eintrittsanschluss (38) aufweist, über welchen Kältemittel (56) dem Kältemittelverdichter (14) zuführbar ist, die mit dem Eintrittsanschluss (38) fluidisch verbundene Verdichtungskammer (34), in welcher das Kältemittel (56) verdichtbar ist, und einen mit der Verdichtungskammer (34) fluidisch verbundenen Austrittsanschluss (40), über welchen das verdichtete Kältemittel (56) aus dem Kältemittelverdichter (14) abführbar ist, wobei die Heizeinrichtung (28) mindestens ein weiteres Heizelement (30) aufweist, wobei das mindestens eine weitere Heizelement (30) - zwischen dem Eintrittsanschluss (38) und der Verdichtungskammer (34) derart angeordnet ist, dass das mindestens eine weitere Heizelement (30) im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) dazu ausgelegt ist, das Kältemittel (56) nach Eintritt in den Kältemittelverdichter (14) durch den Eintrittsanschluss (38) und vor Eintritt in die Verdichtungskammer (34) zu erwärmen; und/oder - zwischen der Verdichtungskammer (34) und dem Austrittsanschluss (40) derart angeordnet ist, dass das mindestens eine weitere Heizelement (30) im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) dazu ausgelegt ist, das Kältemittel (56) nach Austritt aus der Verdichtungskammer (34) und vor Austritt aus dem Austrittsanschluss (40) des Kältemittelverdichters (14) zu erwärmen.
Kältemittelverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) eine elektrische Maschine (36) zum Bereitstellen eines Antriebs aufweist, wobei die Heizeinrichtung (28) mindestens ein weiteres Heizelement (30) aufweist, welches im Bereich der elektrischen Maschine (36), insbesondere an einem Bauteil der elektrischen Maschine (36), angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) mit einem Kältemittelverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters (14) zum Verdichten eines Kältemittels (56), wobei der Kältemittelverdichter (14) eine integrierte Heizeinrichtung (28) aufweist, wobei der Kältemittelverdichter (14) eine Steuereinheit (48) aufweist, die die Heizeinrichtung (28) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) des Kältemittels (56) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter (14) eine Verdichtungskammer (34) aufweist, in welcher das Kältemittel (56) verdichtet wird, und die Heizeinrichtung (28) mindestens ein Heizelement (30) aufweist, welches im Bereich der Verdichtungskammer (34) so angeordnet ist, dass das mindestens eine Heizelement (30) im Betrieb des Kältemittelverdichters (14) das in der Verdichtungskammer (34) befindliche Kältemittel (56) während eines Verdichtungsvorgangs erwärmt, wobei das mindestens eine Heizelement (30) an einer Wandung eines statischen Teils der Verdichtungskammer (34) angeordnet ist.