DE102020133101A1 - Thermisches System eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems - Google Patents

Thermisches System eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisches System (1, 1a) zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Thermomanagementsystem. Das System (1, 1a) weist einen Kältemittelkreislauf (2, 2a) mit einem Verdichter (3), einem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft, welcher als Kondensator/Gaskühler und Verdampfer betreibbar ausgebildet ist, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) mit einer vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung (6) sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (12) mit einer vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung (13) auf. Der Kältemittelkreislauf (2, 2a) ist zudem mit einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einer dritten Durchflussregelvorrichtung (16), welche zwischen dem Verdichter (3) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) angeordnet sind, ausgebildet. Die dritte Durchflussregelvorrichtung (16) ist dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems (1, 1a).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein thermisches System zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere ein Thermomanagementsystem, eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf.
  • Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben sowie eine Verwendung des thermischen Systems.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des in einem Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erzeugen nicht genug Abwärme, um insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Luft des Fahrgastraums den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen beziehungsweise das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau zu erreichen und den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb, kurz als HEV bezeichnet.
  • Zudem besteht der Trend zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebs, wie zum Beispiel bei rein elektromotorisch mit Batterien oder Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen, das heißt Elektrofahrzeugen, kurz als EV bezeichnet. Dabei entfällt die Abwärme des Verbrennungsmotors als mögliche Wärmequelle für die Erwärmung der Luft.
  • Die in der Batterie des Fahrzeugs speicherbare Energiemenge ist zudem geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraums eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs benötigte Leistung auch einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs. Das Klimatisierungssystem eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs übt einen sehr großen Einfluss auf die Effizienz des Betriebs des Kraftfahrzeugs und dessen Energieverbrauch aus.
  • Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Aus dem Stand der Technik bekannte Klimatisierungssysteme mit nachgeschalteter elektrischer Widerstandsheizung sind zwar kostengünstig herzustellen und in beliebigen Kraftfahrzeugen zu verwenden, weisen jedoch einen sehr großen Bedarf an elektrischer Energie auf, da die Zuluft für den Fahrgastraum beim Überströmen eines Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zunächst abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels der elektrischen Widerstandsheizung, welche die Wärme direkt an die Zuluft oder einen Kühlmittelkreislauf überträgt, erwärmt wird. Herkömmliche Systeme mit einem ausschließlich zum Abkühlen der Luft ausgebildeten Kältemittelkreislauf in Kombination mit einer elektrischen Widerstandsheizung weisen neben dem hohen Energieverbrauch auch zu geringe Ausblastemperaturen der Zuluft für den Fahrgastraum, insbesondere in Regionen mit geringen Temperaturen der Umgebungsluft, auf.
  • Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum stellt ein Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion, auch als eine Wärmepumpe bezeichnet, mit Luft als Wärmequelle dar, bei welchem der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient. Der Betrieb eines als Wärmepumpe zu betreibenden herkömmlichen Kältemittelkreislaufs ist zwar effizient, benötigt jedoch deutlich mehr Bauraum, als ein zum reinen Abkühlen der Luft ausgebildeter Kältemittelkreislauf in Kombination mit einer elektrischen Widerstandsheizung, auch an Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs, welche keine Bauraumvorhaltung für die Klimatisierung aufweisen. Im Wärmepumpenmodus betreibbare Kältemittelkreisläufe sind zum einen auch aufgrund der Vielzahl der Komponenten, wie Wärmeübertrager und dafür nötige Ventile beziehungsweise Expansionsorgane, sehr komplex. Zum anderen weisen die Kältemittelkreisläufe sogenannte Außenwärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft und zum Verdampfen des Kältemittels auf, bei welchen im Vergleich zum Betrieb im Kälteanlagenmodus eine Umkehr der Strömungsrichtung des Kältemittels für den Betrieb im Wärmepumpenmodus notwendig ist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels kann jedoch ausschließlich bei deaktiviertem Verdichter des Kältemittels umgekehrt werden, was zu einem ungewollten Verringern oder Vergrößern der Ausblastemperatur der Zuluft für den Fahrgastraum führen kann.
  • Allen Klimatisierungssystemen von Kraftfahrzeugen mit einem als Wärmepumpe zu betreibenden Kältemittelkreislauf ist zu eigen, dass bei einem Betrieb im Kälteanlagenmodus die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum oder einem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs, wie der Traktionsbatterie, aufgenommen wird. In einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager wird die bei der Verdampfung aufgenommene Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Bei einem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus wird die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus einer Abwärmequelle, wie der Umgebungsluft oder dem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs, aufgenommen. In einem als sogenannten Innenraum- oder Fahrgastraum-Kondensator/Gaskühler angeordneten Wärmeübertrager wird die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau an die Zuluft des Fahrgastraums abgegeben.
  • Zum Stand der Technik gehörende Luft-Luft-Wärmepumpen, welche für den kombinierten Kälteanlagenmodus und Wärmepumpenmodus, das heißt für einen Heizmodus, sowie für einen Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, ausgebildet sind und die Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen, wird das Kältemittel durch die Aufnahme der Wärme aus der Umgebungsluft verdampft, welche in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager entweder direkt oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und damit indirekt an das Kältemittel übertragen wird. Die Umgebungsluft dient folglich als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels. Die Leistung und Effizienz des Systems ist insbesondere davon abhängig, wie viel Wärme auf welchem Temperaturniveau zur Verdampfung des Kältemittels zur Verfügung steht.
    Die herkömmlichen Luft-Luft-Wärmepumpen weisen neben dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft, einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf. Die Leistungen werden jeweils zwischen dem Kältemittel und Luft übertragen.
    Im sogenannten „Reheat“- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.
  • Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft der Luft-Luft-Wärmepumpe, auch als Umgebungswärmeübertrager bezeichnet, ist dabei außerhalb des Gehäuses des Klimatisierungssystems, speziell außerhalb des Klimagerätes, an der Frontseite des Kraftfahrzeugs angeordnet und wird insbesondere durch den Fahrtwind mit Luft beaufschlagt. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus wird der Umgebungswärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft und beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme vom Kältemittel aus der Umgebungsluft betrieben.
    Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus und Umgebungsluft als Wärmequelle besteht bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0 °C und unterhalb von 0 °C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, was die Leistung des Wärmeübertragers begrenzt. Als Folge der Aufnahme der Wärme aus der Luft steigt die relative Luftfeuchtigkeit der abgekühlten Luft an. Beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur wird der in der Luft vorhandene Wasserdampf auskondensiert und als Wasser an der Wärmeübertragungsfläche abgeschieden. Das an der Wärmeübertragungsfläche aus der Luft auskondensierte Wasser wird bei Oberflächentemperaturen im Bereich von 0 °C und unterhalb von 0 °C zu Eis erstarren. Die zunehmende Eisschicht verringert die luftseitige Wärmeübertragungsfläche sowie den luftseitigen Wärmeübergang und damit die übertragbare Leistung zwischen der Luft und dem verdampfenden Kältemittel, was zu einer Verringerung der Effizienz des gesamten Klimatisierungssystems führt. Üblicherweise ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der in den Umgebungswärmeübertrager eintretenden Luft und der Temperatur des Kältemittels begrenzt, was wiederum die maximal aus der Umgebungsluft aufnehmbare Wärme einschränkt.
    Infolge der notwendigen Vermeidung einer Vereisung der Wärmeübertragungsfläche des Umgebungswärmeübertragers ist es bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0 °C und unterhalb von 0 °C auch bei als Luft-Luft-Wärmepumpen ausgebildeten Klimatisierungssystemen nicht möglich, den Fahrgastraum ausreichend zu beheizen, wenn ausschließlich die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt wird, sodass Zuheizmaßnahmen erforderlich sind. Die in Betracht kommenden elektrischen Widerstandsheizungen sind bekanntlich nicht energieeffizient.
  • Um den Energieverbrauch und die Effizienz des Betriebs des Kraftfahrzeugs zu erhöhen, werden herkömmliche Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche verschiedene Wärmequellen nutzen können. Dabei weisen insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb beziehungsweise einen zusätzlichen Kühlbedarf auf. Auch um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie, welche üblicherweise im Bereich von 0 °C bis 35 °C, insbesondere zwischen 20 °C und 35 °C, liegen, einzuhalten, werden bevorzugt Systeme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche zum Umsetzen aktiver Kühlkonzepte und Heizkonzepte dienen. Die zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs sind beispielsweise als Wärmequellen nutzbar. Dabei ist der Kältemittelkreislauf der aus dem Stand der Technik bekannten Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion niederdruckseitig zumeist mit einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, auch als Chiller bezeichnet, ausgebildet, welcher einen Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs mit dem Kältemittelkreislauf thermisch verbindet. Das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel kann als Wärmequelle für das Kältemittel genutzt werden. Mit dem sogenannten Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf kann über einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager die vom Kühlmittel aufgenommene Abwärme auch direkt an die Umgebung übertragen werden, ohne den Kältemittelkreislauf zu betreiben. Aufgrund der Vielzahl der für so ein solches Klimatisierungssystem vorzusehenden Komponenten erhöhen sich mit der Komplexizität auch die Systemkosten des Kraftfahrzeugs.
  • In der DE 10 2017 114 136 A1 wird ein Kraftfahrzeug mit einem thermischen System, aufweisend einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf, beschrieben. Der Kältemittelkreislauf und der Kühlmittelkreislauf sind über einen Wärmeübertrager thermisch miteinander verbunden. Der Kältemittelkreislauf dient dem Temperieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zur Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf, welcher insbesondere dem Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Batterie, des Kraftfahrzeugs dient.
  • Aus der DE 10 2018 122 675 A1 geht ein thermisches System zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion mit verschiedenen Wärmequellen und Wärmesenken hervor. Der Kältemittelkreislauf weist einen je nach Betriebsmodus als Kondensator/Gaskühler oder Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft, einen als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus der Zuluft des Fahrgastraums sowie einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus einem Kühlmittelkreislauf und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum auf.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines thermischen Systems oder Klimatisierungssystems mit ausreichender Kälteleistung und ausreichender Wärmeleistung für die Zuluft des Fahrgastraums, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem hocheffizienten verbrennungsmotorischen Antrieb, einem elektrischen Antrieb oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Das System soll im Vergleich zu bekannten Systemen ein vielfältiges Potential an möglichen Betriebsmodi mit einer minimalen Anzahl an Komponenten des Kältemittelkreislaufs, wie Wärmeübertrager und Expansionsorgane, aufweisen. Damit soll unter minimalem monetären Aufwand beispielsweise die potentielle Reichweite von insbesondere elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen maximiert werden. Dabei soll das System, insbesondere der Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktionalität, sehr gut regelbar und in allen möglichen Betriebsmodi sowie unter allen möglichen Außenbedingungen und Bedarfsfällen optimal und effizient betreibbar sein. Der Verbrauch an elektrischer Energie während des Betriebs soll minimal sein. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum des Systems minimal sein.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes thermisches System zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Thermomanagementsystem, gelöst. Dabei können die Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems als Wärmequelle dienen.
  • Das thermische System weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem ersten, als Kondensator/Gaskühler und Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit einer in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit einer in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung auf.
  • Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager kann je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, entweder als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betrieben werden. Dabei wird der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager vorteilhaft unabhängig vom Betriebsmodus des Systems unidirektional beziehungsweise monodirektional vom Kältemittel durchströmt. Wenn die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb erfolgt, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum sowie eine dritte Durchflussregelvorrichtung auf, welche zwischen dem Verdichter und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet sind. Dabei ist die dritte Durchflussregelvorrichtung dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet.
  • Nach der Konzeption der Erfindung sind der als erster Verdampfer betriebene zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit der vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung innerhalb eines ersten Strömungspfades und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit der vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung innerhalb eines zweiten Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Die Strömungspfade sind sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle des Kältemittelkreislaufs erstreckend, parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet. Die erste Durchflussregelvorrichtung ist erfindungsgemäß als eine Abzweigstelle ausgebildet, von welcher sich jeweils ein Hauptströmungspfad und ein Nebenströmungspfad des ersten Strömungspfades bis zur Mündungsstelle erstrecken. Konzeptionsgemäß sind zudem die zweite Durchflussregelvorrichtung als eine Mündungsstelle und sich ein dritter Strömungspfad von einer Abzweigstelle bis zur zweiten Durchflussregelvorrichtung erstreckend ausgebildet. Dabei ist die Abzweigstelle zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der in Strömungsrichtung des Kältemittels dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager vorgelagerten dritten Durchflussregelvorrichtung angeordnet.
  • Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist vorteilhaft innerhalb des Hauptströmungspfades des ersten Strömungspfades angeordnet, während der Nebenströmungspfad des ersten Strömungspfades als ein Bypass zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Durchflussregelvorrichtung als ein 3/2-Wege-Ventil mit drei Anschlüssen A, B, C und einseitiger Expansionsfunktion ausgebildet. Dabei ist die erste Durchflussregelvorrichtung zwischen einem als Einlass ausgebildeten Anschluss C und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss B als ein Expansionsventil und zwischen dem als Einlass ausgebildeten Anschluss C und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss A als ein Absperrventil konfiguriert. Der Hauptströmungspfad des ersten Strömungspfades ist mit dem Anschluss B und der Nebenströmungspfad des ersten Strömungspfades ist mit dem Anschluss A verbunden.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Durchflussregelvorrichtung als ein 3/2-Wege-Ventil mit drei Anschlüssen A, B, C und zweiseitiger Expansionsfunktion ausgebildet. Dabei ist die zweite Durchflussregelvorrichtung zwischen jeweils als Einlass ausgebildeten Anschlüssen A, B und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss C als ein Expansionsventil konfiguriert. Der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager ist innerhalb des zweiten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Anschluss C angeordnet.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft vorgelagerte dritte Durchflussregelvorrichtung als ein Expansionsventil ausgebildet ist.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet und innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs angeordnet. Der Kühlmittelkreislauf weist mindestens einen Wärmeübertrager zum Aufnehmen von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere zum Kühlen der Komponenten des Antriebsstrangs, auf.
  • Zudem kann der Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager ausgebildet sein. Unter dem inneren Wärmeübertrager ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation oder Verflüssigung weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt. Der innere Wärmeübertrager ist niederdruckseitig innerhalb des ersten Strömungsfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft und der Abzweigstelle des ersten Strömungspfades und des zweiten Strömungspfades angeordnet.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig innerhalb des ersten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der ersten Durchflussregelvorrichtung angeordnet.
  • Des Weiteren kann der Kältemittelkreislauf mit einem niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammler, auch als Akkumulator bezeichnet, ausgebildet sein.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das thermische System ein Klimagerät mit einem Gebläse zum Fördern der Zuluft für den Fahrgastraum durch ein Gehäuse auf. Dabei ist der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise den gesamten Strömungsquerschnitt des Gehäuses einnehmend ausgebildet. Das Gehäuse weist bevorzugt einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit der Zuluft beaufschlagbar ausgebildet sind. Innerhalb des ersten Strömungspfades sind vorteilhaft in Strömungsrichtung der Zuluft der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und ein Zusatzheizwärmeübertrager angeordnet. Der zweite Strömungspfad ist dabei als ein Bypass zum ersten Strömungspfad vorgesehen.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines konzeptionsgemäßen thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus und in einem Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft eines Fahrgastraums gelöst.
  • Nach der Konzeption der Erfindung wird das Kältemittel beim Betrieb des Systems in einem Wärmepumpenmodus oder einem Nachheizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen der zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordneten dritten Durchflussregelvorrichtung von einem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau oder auf ein Mitteldruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft verdampft. Beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers wird Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Kältemittel beim Durchströmen eines Strömungsdurchgangs der zweiten Durchflussregelvorrichtung vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen, der zweiten Durchflussregelvorrichtung in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgelagerten Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme verdampft. Dabei wird der Massenstrom des Kältemittels an der zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der dritten Durchflussregelvorrichtung ausgebildeten Abzweigstelle des dritten Strömungspfades in einen ersten Teilmassenstrom durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie den ersten Strömungspfad und einen zweiten Teilmassenstrom durch den dritten Strömungspfad sowie den zweiten Strömungspfad mit dem der zweiten Durchflussregelvorrichtung in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgelagerten Wärmeübertrager aufgeteilt.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird das Kältemittel beim Betrieb des Systems in einem Nachheizmodus durch einen vollständig geöffneten ersten Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung und den Hauptströmungspfad des ersten Strömungspfades mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Verdichter geleitet. Dabei sind ein zweiter Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung und damit der Nebenströmungspfad des ersten Strömungspfades geschlossen. Das Kältemittel wird beim Durchströmen der ersten Durchflussregelvorrichtung vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme verdampft. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird beim Betrieb des Systems in einem Wärmepumpenmodus ein Massenstrom des Kältemittels durch einen vollständig geöffneten zweiten Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung und den Nebenströmungspfad des ersten Strömungspfades um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager herum zum Verdichter geleitet. Dabei sind der erste Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung und der Hauptströmungspfad des ersten Strömungspfades geschlossen.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des thermischen Systems als ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Konditionieren von Komponenten des Antriebsstrangs und elektronischen Komponenten.
  • Das erfindungsgemäße thermische System und das Verfahren zum Betreiben des Systems weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - das in unterschiedlichen Betriebspunkten, insbesondere bei einem Betrieb im Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus oder Nachheizmodus, effizient betreibbare Wärmemanagementsystem führt zu einem geringeren Energieverbrauch und damit zu einer höheren Reichweite des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit einem elektrischen Antrieb,
    • - stufenloser Wechsel zwischen den Betrieben im Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus und Kälteanlagenmodus ohne Abschalten des Verdichters,
    • - hoher Grad der Abwärmenutzung, insbesondere der Komponenten des Antriebsstrangs als Wärmequelle, mit großer möglicher Heizleistung, dabei sind zudem die Werte des Drucks des Kältemittels bei der Verdampfung beziehungsweise des Saugdrucks und damit der Saugdichte hoch, sodass auch der Massenstrom des Kältemittels groß ist,
    • - einfach konzipiertes System mit minimaler Systemkomplexität und Anzahl an Komponenten sowie minimalem Bauraum bei maximaler Leistung und Effizienz des Betriebs, unter anderem ohne Umkehr der Strömungsrichtung des Kältemittels, speziell im als Kondensator/Gaskühler oder Verdampfer betreibbaren Umgebungswärmeübertrager, sowie der bevorzugten Ausbildung der Durchflussregelvorrichtung als 3/2-Wege-Ventile mit unterschiedlichen Expansionsfunktionen und mit minimaler erforderlicher elektrischer Leistung zum Erreichen des Komforts im Fahrgastraum,
    • - damit einfaches Ölmanagementsystem durch Vermeiden von Ölfallen und
    • - geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
  • Das thermische System beziehungsweise das Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf, ist unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils ein thermisches System eines Kraftfahrzeugs mit einem Klimagerät und einem Kältemittelkreislauf zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs:
    • 1: mit einem als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie den Wärmeübertragern jeweils zugeordneten Durchflussregelvorrichtungen und einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, bei einem Betrieb
    • 2: in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums,
    • 3: in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 4: in einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 5a: in einem Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft,
    • 5b: in einem Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft sowie von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 5c: in einem Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums unter Aufnahme von Wärme von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 6a: in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Übertragung von Wärme an die Umgebungsluft,
    • 6b: in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft,
    • 6c: in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Übertragung von Wärme an die Umgebungsluft sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 6d: in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs und
    • 7: in einem Abtaumodus des als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers. Zudem zeigen:
    • 8: einen Kältemittelkreislauf zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs ähnlich 1 mit einem inneren Wärmeübertrager,
    • 9: ein Kühlmittelkreislaufsystem des thermischen Systems mit einer Durchflussregelvorrichtung zum Verbinden zwei getrennt betreibarer Kühlmittelkreisläufe sowie
    • 10a: die Durchflussregelvorrichtung des Kühlmittelkreislaufsystems in einer perspektivischen Darstellung und
    • 10b: Schaltungsmodi der Durchflussregelvorrichtung des Kühlmittelkreislaufsystems.
  • Aus 1 geht ein thermisches System 1 mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum und Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs hervor. Der Kältemittelkreislauf 2 ist mit einem Verdichter 3, einem als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 sowie den Wärmeübertragern 4, 5, 12 jeweils zugeordneten Durchflussregelvorrichtungen 6, 13, 16 und einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 ausgebildet.
  • Der erste Verdampfer 5 ist mit der vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung 6 innerhalb eines ersten Strömungspfades 7 angeordnet, welcher sich von einer Abzweigstelle 8 bis zu einer Mündungsstelle 9 erstreckt. An der als Abzweigstelle ausgebildeten Durchflussregelvorrichtung 6 wird der erste Strömungspfad 7 in einen Hauptströmungspfad 7a und einen Nebenströmungspfad 7b unterteilt, welche sich jeweils bis zur Mündungsstelle 9 erstrecken. Der Verdampfer 5 ist innerhalb des Hauptströmungspfades 7a vorgesehen. Der Nebenströmungspfad 7b des ersten Strömungspfades 7 ist als ein Bypass zum Verdampfer 5 ausgebildet. Der als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildete erste Verdampfer 5 ist zum Konditionieren, insbesondere zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für den Fahrgastraum konfiguriert. Innerhalb des Hauptströmungspfades 7a des ersten Strömungspfades 7, insbesondere zwischen dem Verdampfer 5 und der Mündungsstelle 9 ist zudem ein Rückschlagventil 10 ausgebildet, um je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs 2 ein Rückströmen von Kältemittel in den Hauptströmungspfad 7a des ersten Strömungspfades 7 zu verhindern.
  • Die erste Durchflussregelvorrichtung 6 ist als ein 3/2-Wege-Ventil mit einseitiger Expansionsfunktion ausgebildet. Dabei werden stets ein Anschluss C als Einlass und zwei Anschlüsse A und B jeweils als Auslass vom Kältemittel durchströmt. Beim Durchströmen der ersten Durchflussregelvorrichtung 6 vom Anschluss C zu Anschluss B kann die Durchflussregelvorrichtung 6 als Expansionsventil oder mit vollem Strömungsquerschnitt und damit nahezu druckverlustfrei betrieben werden. Zwischen den Anschlüssen C und B ist die Durchflussregelvorrichtung 6 als ein Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildet, während die Durchflussregelvorrichtung 6 zwischen den Anschlüssen C und A als ein Absperrventil mit den Funktionen geschlossen oder vollständig geöffnet mit nahezu druckverlustfreiem Durchströmen ausgebildet ist.
  • Der zweite Verdampfer 12 ist mit der vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 innerhalb eines zweiten Strömungspfades 11 angeordnet, welcher sich von der Abzweigstelle 8 bis zu einer innerhalb des Nebenströmungspfades 7b des ersten Strömungspfades 7 ausgebildeten Mündungsstelle 14 erstreckt und damit im Wesentlichen parallel zum ersten Strömungspfad 7 verläuft. Nach alternativen Ausführungsformen können die Mündungsstelle 14 des zweiten Strömungspfades 11 und die Mündungsstelle 9 des ersten Strömungspfades 7 auch als eine gemeinsame Mündungsstelle ausgebildet sein oder die Mündungsstellen 9, 14 sind als getrennte Elemente zwischen dem Rückschlagventil 10 des Hauptströmungspfades 7a des ersten Strömungspfades 7 und dem Verdichter 3 angeordnet. Der zweite als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs 2 ausgebildete zweite Verdampfer 12 ist zum Übertragen von Wärme von Komponenten des Antriebsstrangs an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 2 konfiguriert.
  • Mit den Durchflussregelvorrichtungen 6, 13 kann der Massenstrom des Kältemittels in Teilmassenströme durch die Strömungspfade 7, 11 aufgeteilt werden. Dabei kann der Massenstrom durch die Verdampfer 5, 12 stufenlos zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 9 zusammengeführt. Der Verdichter 3 saugt das Kältemittel je nach Betriebsmodus des Systems 1 und des Kältemittelkreislaufs 2 aus den Strömungspfaden 7, 11 an und fördert das Kältemittel zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15.
  • Zwischen dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 zum Übertragen von Wärme an die Zuluft für den Fahrgastraum und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, auch als Umgebungswärmeübertrager bezeichnet, ist eine dritte Durchflussregelvorrichtung 16 angeordnet. Mittels der dritten Durchflussregelvorrichtung 16 kann der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 je nach Bedarf mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau, auf einem Mitteldruckniveau oder auf einem Niederdruckniveau beaufschlagt werden. Dabei kann einerseits die Wärme eines auf Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittels mit dem jeweils als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 und dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 entweder an die Zuluft für den Fahrgastraum und/oder an die Umgebungsluft übertragen werden. Die zwischen den Wärmeübertragern 4, 15 angeordnete und als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildete dritte Durchflussregelvorrichtung 16 kann entweder vollständig geöffnet sein, um das Kältemittel nahezu druckverlustfrei hindurchzulassen, oder kann derart eingestellt werden, das Kältemittel auf ein zwischen dem Hochdruckniveau und dem Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs 2 vorliegendes mittleres Druckniveau stufenlos einzustellen. Damit können die an die Zuluft für den Fahrgastraum und an die Umgebungsluft zu übertragenen Wärmemengen gezielt eingestellt werden. Andererseits kann der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 mittels der Einstellung der dritten Durchflussregelvorrichtung 16 auf einem Mitteldruckniveau oder auf Niederdruckniveau beaufschlagt und dabei als Verdampfer betrieben werden. Folglich kann mittels der Einstellung der dritten Durchflussregelvorrichtung 16 im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 je nach Bedarf Wärme vom Kältemittel aufgenommen oder abgegeben werden, was sehr feinfühlig regelbar ist, ohne dass sich beispielsweise die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum merklich verringert.
  • Der Kältemittelkreislauf 2 weist zudem einen dritten Strömungspfad 17 auf, welcher sich von einer Abzweigstelle 18 bis zur als Mündungsstelle ausgebildeten zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 erstreckt. Die Abzweigstelle 18 ist dabei zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und der in Strömungsrichtung des Kältemittels dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 vorgelagerten dritten Durchflussregelvorrichtung 16 angeordnet, während die als Mündungsstelle ausgebildete zweite Durchflussregelvorrichtung 13 innerhalb des zweiten Strömungspfades 11 in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 vorgelagert angeordnet ist.
  • Die zweite Durchflussregelvorrichtung 13 ist als ein 3/2-Wege-Ventil mit zweiseitiger Expansionsfunktion ausgebildet. Dabei werden stets zwei Anschlüsse A und B jeweils als Einlass und ein Anschluss C als Auslass vom Kältemittel durchströmt. Beim Durchströmen der zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 von einem der Anschlüsse A oder B zu Anschluss C kann die Durchflussregelvorrichtung 13 jeweils als ein Expansionsventil oder mit vollem Strömungsquerschnitt und damit nahezu druckverlustfrei betrieben werden. Zwischen den Anschlüssen A und C sowie B und C ist die Durchflussregelvorrichtung 13 jeweils als ein Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildet.
  • Des Weiteren kann zwischen dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 und der Abzweigstelle 8 ein Rückschlagventil 19 ausgebildet sein, um je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs 2 ein Rückströmen von durch den dritten Strömungspfad 17 geleiteten Kältemittels in den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zu verhindern.
  • Der Kältemittelkreislauf 2 weist zudem einen Akkumulator 20 zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel sowie verschiedene Sensoren 21a, 21b, 21c, 22a, 22b auf. Der Akkumulator 20 ist auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2 vor dem Einlass des Verdichters 3 vorgesehen. Die Sensoren 21a, 21b, 21c sind als Druck-Temperatur-Sensoren und die Sensoren 22a, 22b sind als Temperatur-Sensoren ausgebildet.
    Dabei ist ein erster Druck-Temperatur-Sensor 21a zum Bestimmen von Druck und Temperatur des Heißgases sowie zum Abregeln des Hochdrucks des Kältemittels am Auslass des Verdichters 3 angeordnet.
    Ein zweiter, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 vorgesehener Druck-Temperatur-Sensor 21b dient beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem Wärmepumpenmodus zum Regeln der Temperatur beziehungsweise des Drucks des Kältemittels im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 sowie beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem Nachheizmodus zum Regeln des Mitteldruckniveaus. Das Kältemittel kann im Zweiphasengebiet liegende Zustände aufweisen und damit Dampf und Flüssigkeitstropfen aufweisen. Die Leistungsbegrenzung wird insbesondere genutzt, um eine Vereisung der Wärmeübertragungsfläche des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 zu vermeiden.
    Ein dritter, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 angeordneter Druck-Temperatur-Sensor 21c ist derart konfiguriert, die Überhitzung des Kältemittels am Austritt des Verdampfers 12 zu regeln. Speziell beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem Wärmepumpenmodus oder Nachheizmodus und der Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 kann der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 unter Umständen mit Kältemittel auf geringfügig niedrigerem Druckniveau als der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 betrieben werden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmebertrager 12 keine Wärme an das Kältemittel übertragen wird.
  • Dabei ist stets zu verhindern, dass der Verdichter 3 flüssiges Kältemittel ansaugt.
  • Ein erster, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 angeordneter Temperatur-Sensor 22a ist zum Regeln der Überhitzung des Kältemittels am Austritt des Verdampfers 5 vorgesehen. Des Weiteren kann ein zweiter, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 angeordneter Temperatur-Sensor 22b beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem Wärmepumpenmodus zum Regeln der Unterkühlung des Kältemittels dienen.
  • Die Komponenten des Antriebsstrangs werden mittels mindestens eines Wärmeübertragers 23 temperiert, insbesondere gekühlt. Der Wärmeübertrager 23 kann dabei als ein Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet sein. Innerhalb des Kühlmittelkreislaufs ist zudem der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 des Kältemittelkreislaufs 2 integriert. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 verbindet den Kältemittelkreislauf 2 mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch. Die von den Komponenten des Antriebsstrangs an das Kühlmittel übertragene Wärme wird im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 an das Kältemittel abgegeben. Damit können die Komponenten des Antriebsstrangs als Wärmequellen für den Kältemittelkreislauf 2 genutzt werden. Das Kühlmittel wird mittels einer nicht dargestellten Fördervorrichtung, speziell einer Kühlmittelpumpe, durch den Kühlmittelkreislauf gefördert. Das thermische System 1 ermöglicht derart beispielsweise einen Betrieb in einem Heizmodus beziehungsweise in einem Wärmepumpenmodus, bei welchem die vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs von den Komponenten des Antriebsstrangs aufgenommene Abwärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 als Verdampfungswärme für das Kältemittel bereitgestellt wird. Die Funktionalität der Wärmerückgewinnung trägt zur Verbesserung der Gesamtenergieeffizienz und Wärmeeffizienz des Kraftfahrzeugs bei.
  • In 1 ist des Weiteren eine Anordnung des dritten, als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 15 des Kältemittelkreislaufs 2 und eines Zusatzheizwärmeübertragers 35 zum Übertragen von Wärme an die Zuluft für den Fahrgastraum innerhalb eines Klimageräts 30 gezeigt.
    Das Klimagerät 30 weist ein Gehäuse 31 mit einem nicht dargestellten Einlass für Umluft aus dem Fahrgastraum und einem nicht dargestellten Einlass für Frischluft aus der Umgebung auf. Die Einlässe werden mittels einer Luftleiteinrichtung je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen, wobei die Strömungsquerschnitte der Einlässe stufenlos zwischen 0 % und 100 % verschlossen oder freigegeben werden können.
    Ein von einem Gebläse 32 durch mindestens einen der Einlässe angesaugter Luftmassenstrom wird zunächst durch den zweiten, als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 des Kältemittelkreislaufs 2 geleitet. Je nach Bedarf und Stellung einer Luftleiteinrichtung 33, insbesondere einer Temperaturklappe, kann die beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 konditionierte Luft einerseits in einen ersten Strömungskanal 34 und dabei durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 des Kältemittelkreislaufs 2 sowie den Zusatzheizwärmeübertrager 35 strömen und erwärmt werden. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 des Kältemittelkreislaufs 2 und der Zusatzheizwärmeübertrager 35 sind nacheinander mit der Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagbar angeordnet und bedecken den kompletten Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanals 34. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 wird aufgrund der Anordnung innerhalb des Klimageräts 30 auch als interner Kondensator/Gaskühler bezeichnet. Andererseits kann die beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 konditionierte Luft in einen zweiten Strömungskanal 36, welcher als Bypass zum ersten Strömungskanal 34 ausgebildet ist, eingeleitet und damit an den Wärmeübertragern 15, 35 vorbei geleitet werden. Die Strömungsquerschnitte der Strömungskanäle 34, 36 können stufenlos zwischen 0 % und 100 % verschlossen oder geöffnet werden.
  • Die durch die Strömungskanäle 34, 36 geleiteten Massenströme der Zuluft werden anschließend je nach Betriebsmodus vermischt oder unvermischt in Strömungsrichtung in den Fahrgastraum geführt.
  • Mit dem Zusatzheizwärmeübertrager 35, vorzugsweise einem elektrischen Zusatzheizer, wie einer Widerstandsheizung, oder einem Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs kann bei Bedarf und unzureichender Wärme des Kältemittels zusätzlich Wärme bereitgestellt und ein Minderbetrag an Wärme ausgeglichen werden.
  • In den 2 bis 5d sind verschiedene Betriebsmodi des thermischen Systems 1 aus 1 dargestellt. Die jeweils mit Kältemittel beaufschlagten Komponenten des Kältemittelkreislaufs 2, insbesondere die entsprechenden Kältemittelleitungen, sind als durchgezogene Linien markiert. Dabei verdeutlichen die Einzellinien mit Kältemittel auf Hochdruckniveau beaufschlagte Bereiche des Kältemittelkreislaufs 2, während die Doppellinien mit Kältemittel auf einem Mitteldruckniveau oder dem Niederdruckniveau beaufschlagte Bereiche des Kältemittelkreislaufs 2 zeigen. Die unbeaufschlagten Komponenten und Abschnitte des Kältemittelkreislaufs 2 sind mit gestrichelten Linien gekennzeichnet.
  • 2 zeigt das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums. Die durch das Klimagerät 30 in Strömungsrichtung 37a geleitete Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 abgekühlt und/oder entfeuchtet. Die Luftleiteinrichtung 33 ist den ersten Strömungskanal 34 verschließend angeordnet. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 wird nicht mit der Zuluft beaufschlagt, welche durch den zweiten Strömungskanal 36 um die Wärmeübertrager 15, 35 herumgeleitet wird. Damit wird weder im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 noch im Zusatzheizwärmeübertrager 35 Wärme übertragen.
  • Die zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnete dritte Durchflussregelvorrichtung 16 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel die Durchflussregelvorrichtung 16 ohne Druckverlust passiert. Die vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführende Wärme wird im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 vollständig an die in Strömungsrichtung 37b geleitete Umgebungsluft übertragen. Der dritte Strömungspfad 17 ist geschlossen und wird nicht von Kältemittel durchströmt. In der dem ersten Verdampfer 5 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung 6 wird das Kältemittel beim Durchströmen von Anschluss C nach Anschluss B auf Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des ersten Verdampfers 5 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Die zwischen den Anschlüssen C und B als Expansionsorgan betriebene erste Durchflussregelvorrichtung 6 dient zudem der notwendigen Begrenzung des Massenstroms des Kältemittels, um eine gewünschte Überhitzung des Kältemittels am Auslass des Verdampfers 5 einzustellen. Zwischen den Anschlüssen C und A ist die erste Durchflussregelvorrichtung 6 geschlossen, sodass der Nebenströmungspfad 7b des ersten Strömungspfades 7 nicht von Kältemittel durchströmt wird. Zudem ist die dem zweiten Verdampfer 12 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerte zweite Durchflussregelvorrichtung 13 geschlossen, sodass der zweite Verdampfer 12 nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist.
  • In 3 ist das thermische System 1 bei einem Betrieb im Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums, ähnlich dem in 2 dargestellten Betriebsmodus, sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs gezeigt. Im Unterschied zum Betriebsmodus nach 2 sind sowohl die erste Durchflussregelvorrichtung 6 des ersten Verdampfers 5 zwischen den Anschlüssen C und B als auch die zweite Durchflussregelvorrichtung 13 des zweiten Verdampfers 12 zwischen den Anschlüssen A und C geöffnet und werden jeweils als Expansionsorgan betrieben, sodass der Massenstrom des Kältemittels in einen Teilmassenstrom durch den ersten Strömungspfad 7 und einen Teilmassenstrom durch den zweiten Strömungspfad 11 aufgeteilt und jeweils auf Niederdruckniveau entspannt wird. Auch die zwischen den Anschlüssen A und C als Expansionsorgan betriebene zweite Durchflussregelvorrichtung 13 dient dabei der notwendigen Begrenzung des Massenstroms des Kältemittels, um eine gewünschte Überhitzung des Kältemittels am Auslass des Verdampfers 12 einzustellen. Das Kältemittel wird jeweils beim Durchströmen der Verdampfer 5, 12 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Die Teilmassenströme durch die Strömungspfade 7, 11 werden an der Mündungsstelle 9 vermischt. Die Strömungspfade 7, 11 und damit die Verdampfer 5, 12 werden parallel mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs wird zwischen dem Wärmeübertrager 23 der Komponenten des Antriebsstrangs und dem als Verdampfer 12 des Kältemittelkreislaufs 2 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 umgewälzt, sodass die im Wärmeübertrager 23 von den Komponenten des Antriebsstrangs abgeführte und vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 vollständig an das Kältemittel übertragen wird.
  • In 4 ist das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, ähnlich dem in 3 dargestellten Betriebsmodus, gezeigt.
    Im Unterschied zum Betriebsmodus nach 3 wird das Kältemittel lediglich in der zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 des zweiten Verdampfers 12 auf Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des zweiten Verdampfers 12 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Die erste Durchflussregelvorrichtung 6 des ersten Verdampfers 5 ist hingegen vollständig geschlossen. Der erste Verdampfer 5 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Zudem wird kein Luftmassenstrom durch das Klimagerät 30 gefördert.
    Damit wird auch im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 keine Wärme vom Kältemittel abgeführt. Die zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnete dritte Durchflussregelvorrichtung 16 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel die Durchflussregelvorrichtung 16 ohne Druckverlust passiert. Die vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführende Wärme wird im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 vollständig an die in Strömungsrichtung 37b geleitete Umgebungsluft übertragen. Der dritte Strömungspfad 17 ist geschlossen und wird nicht von Kältemittel durchströmt.
    Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs wird zwischen dem Wärmeübertrager 23 der Komponenten des Antriebsstrangs und dem als Verdampfer 12 des Kältemittelkreislaufs 2 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 umgewälzt, sodass die im Wärmeübertrager 23 von den Komponenten des Antriebsstrangs abgeführte und vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 vollständig an das Kältemittel übertragen wird.
  • Das thermische System 1 wird vorrangig während eines Ladebetriebs der Batterie an einer Ladesäule im Kühlmodus der Komponenten des Antriebsstrangs betrieben.
  • Aus 5a geht das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft hervor. Der Zustand der durch das Klimagerät 30 in Strömungsrichtung 37a geleiteten Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 nicht verändert. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 wird mit der Zuluft beaufschlagt, welche durch den ersten Strömungskanal 34 und damit über die Wärmeübertragungsflächen der Wärmeübertrager 15, 35 geleitet wird. Im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 wird Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen. Die Zuluft wird erwärmt. Mit einer Inbetriebnahme des Zusatzheizwärmeübertragers 35 kann die Zuluft weiter erwärmt werden. Die Luftleiteinrichtung 33 ist den zweiten Strömungskanal 36 verschließend angeordnet.
  • Beim Durchströmen der zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordneten, als Expansionsorgan betriebenen dritten Durchflussregelvorrichtung 16 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 unter Aufnahme von Wärme aus der in Strömungsrichtung 37b geleiteten Umgebungsluft verdampft. Der dritte Strömungspfad 17 ist geschlossen und wird nicht von Kältemittel durchströmt. Das Kältemittel strömt unabhängig vom jeweiligen Betriebsmodus in unveränderter Richtung durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4.
    Die dem ersten Verdampfer 5 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerte erste Durchflussregelvorrichtung 6 ist zwischen den Anschlüssen C und B geschlossen, sodass der Hauptströmungspfad 7a des ersten Strömungspfades 7 mit dem ersten Verdampfer 5 nicht von Kältemittel durchströmt wird. Zwischen den Anschlüssen C und A ist die erste Durchflussregelvorrichtung 6 geöffnet, sodass der Nebenströmungspfad 7b des ersten Strömungspfades 7 als Bypass um den ersten Verdampfer 5 von Kältemittel durchströmt wird.
    Zudem ist die dem zweiten Verdampfer 12 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerte zweite Durchflussregelvorrichtung 13 sowohl zwischen den Anschlüssen A und C als auch zwischen den Anschlüssen B und C vollständig geschlossen, sodass der zweite Verdampfer 12 nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist.
  • Damit werden weder der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 noch der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 vom Kältemittel durchströmt, was den Druckverlust des Kältemittels minimiert. Die Rückschlagventile 10, 19 verhindern eine ungewollte Kältemittelverlagerung in nicht mit Kältemittel beaufschlagte Bereiche des Kältemittelkreislaufs.
  • Je nach vorherrschenden Bedingungen, insbesondere den Werten der Lufttemperaturen der Umgebung sowie im Fahrgastraum beziehungsweise dem Kühlbedarf der Komponenten des Antriebsstrangs, kann der Massenstrom des Kältemittels mit Hilfe der Stellungen der insbesondere als Expansionsorgane betriebenen Durchflussregelvorrichtungen 6, 13, 16 der als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 5, 12 aufgeteilt werden.
  • 5b zeigt das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, das heißt unter Aufnahme von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs. Im Unterschied zum Betriebsmodus nach 5a dienen neben der Umgebungsluft auch die Komponenten des Antriebsstrangs als Wärmequelle für das Kältemittel. Der Betrieb innerhalb des Klimageräts 30 bleibt unverändert. Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach 5a und 5b liegt in der Schaltung der zweiten Durchflussregelvorrichtung 13. Die Durchflussregelvorrichtung 13 ist derart geschaltet, dass der Strömungsdurchgang vom Anschluss B zum Anschluss C geöffnet ist, während der Strömungsdurchgang vom Anschluss A zum Anschluss C geschlossen ist. Beim Durchströmen der Durchflussregelvorrichtung 13 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 unter Aufnahme von Wärme von den Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere der Batterie, verdampft.
  • Mit den Durchflussregelvorrichtungen 13, 16 wird der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 18 in Teilmassenströme einerseits durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 sowie den ersten Strömungspfad 7 und andererseits durch den dritten Strömungspfad 17 sowie den zweiten Strömungspfad 11 mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 aufgeteilt. Dabei kann der Massenstrom durch die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 12 stufenlos zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 14 des Nebenströmungspfades 7b des ersten Strömungspfades 7 zusammengeführt. Der Verdichter 3 saugt das Kältemittel aus dem Nebenströmungspfad 7b an und fördert das Kältemittel zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15.
  • 5c zeigt das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, das heißt unter Aufnahme von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs. Im Unterschied zum Betriebsmodus nach 5b dient die Umgebungsluft nicht als Wärmequelle für das Kältemittel. Der Betrieb innerhalb des Klimageräts 30 bleibt unverändert.
    Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach 5b und 5c liegt in der Schaltung der dritten Durchflussregelvorrichtung 16. Die dritte Durchflussregelvorrichtung 16 ist geschlossen, sodass der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird. Der gesamte Massenstrom des auf Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittels wird durch den dritten Strömungspfad 17 zur zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 geleitet.
    Beim Durchströmen der zweiten Durchflussregelvorrichtung 13 vom Anschluss B zum Anschluss C wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 unter Aufnahme von Wärme von den Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere der Batterie, verdampft.
    Da von den Komponenten des Antriebsstrangs ausreichend Wärme zur Verfügung steht, um die Zuluft des Fahrgastraums zu erwärmen, wird keine Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen. Eine unter Umständen hohe Temperatur der Wärmequelle, insbesondere eines Kühlmittels eines Kühlmittelkreises, bewirkt einen besonders effizienten Betrieb des Systems 1 im Wärmepumpenmodus bei gleichzeitig minimaler Drehzahl des Verdichters 3 und folglich minimaler Geräuschemission.
  • Der Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Komponenten des Antriebsstrangs kann sowohl beim Betriebsmodus nach 5b als auch beim Betriebsmodus nach 5c beispielsweise einerseits zum aktiven Kühlen der Batterie geschaltet sein. Andererseits, insbesondere beim in 5c dargestellten Betriebsmodus, kann der Kühlmittelkreislauf derart geschaltet sein, die Abwärme anderer elektronischer Komponenten, wie dem Elektromotor, der Leistungselektronik oder dem Ladegerät, als Wärmequelle zu nutzen.
  • Der Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem der in den 5a bis 5c dargestellten Wärmepumpenmodi ist sehr effizient und erhöht die rein elektrische Reichweite des entsprechenden Kraftfahrzeugs mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb. Mit dem Zusatzheizwärmeübertrager 35 im Klimagerät 30, insbesondere einer elektrischen Widerstandsheizung beziehungsweise einem Hochvolt-PTC, kann die Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum unterstützt werden.
  • In 6a ist das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums gezeigt. Dabei wird der Kältemittelkreislauf 2 wie beim Betrieb im Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums nach 2 vom Kältemittel durchströmt. Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach 2 und 6a liegt in der Einstellung der Luftleiteinrichtung 33 innerhalb des Klimageräts 30. Die durch das Klimagerät 30 in Strömungsrichtung 37a geleitete Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 abgekühlt und entfeuchtet. Die Luftleiteinrichtung 33 ist den ersten Strömungskanal 34 zumindest teilweise öffnend angeordnet, sodass der abgekühlte und entfeuchtete Massenstrom der Luft in einen ersten Teilmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 34 mit dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und einen zweiten Teilmassenstrom durch den zweiten Strömungskanal 36 aufgeteilt wird. Damit wird im dritten, als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 Wärme vom Kältemittel an die Zuluft übertragen. Die zuvor abgekühlte und entfeuchtete Zuluft wird wieder erwärmt.
    Die zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und dem ebenfalls als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnete dritte Durchflussregelvorrichtung 16 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel die Durchflussregelvorrichtung 16 ohne Druckverlust passiert. Ein erster Teil der vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführenden Wärme wird folglich beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 15 an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen, während ein zweiter Teil der vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführenden Wärme beim Durchströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 an die in Strömungsrichtung 37b geleitete Umgebungsluft abgegeben wird, ohne die Zieltemperatur der Zuluft für den Fahrgastraum zu beeinflussen. Der dritte Strömungspfad 17 ist geschlossen und wird nicht von Kältemittel durchströmt.
    Ein Teil der beim Durchströmen des ersten Verdampfers 5 während der Verdampfung des Kältemittels vom Kältemittel auf Niederdruckniveau aufgenommenen Wärme kann anschließend zum Wiedererwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt werden.
  • Alternativ kann das Druckniveau des Kältemittels innerhalb des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 je nach Temperatur der Umgebungsluft mittels der dritten Durchflussregelvorrichtung 16 geregelt werden. Dabei kann beispielsweise nach dem in 6b dargestellten Betriebsmodus ein unterhalb des zur Temperatur der Umgebungsluft korrespondierender Druck des Kältemittels eingestellt werden, um den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 als Verdampfer zu betreiben und Wärme aus der Umgebungsluft aufzunehmen. Ebenso kann ein zur Temperatur der Umgebungsluft korrespondierender Druck des Kältemittels eingestellt werden, sodass keine Wärme übertragen wird. Das entsprechende Druckniveau wird mittels Verstellung der Durchflussregelvorrichtungen 6, 16 eingestellt.
  • Aus 6c geht das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Übertragung von Wärme an die Umgebungsluft, ähnlich dem in 6a dargestellten Betriebsmodus, sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, das heißt unter Aufnahme von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs, hervor. Der Betrieb innerhalb des Klimageräts 30 bleibt wiederum unverändert.
    Im Unterschied zum in 6a dargestellten Betriebsmodus sind sowohl die erste Durchflussregelvorrichtung 6 des ersten Verdampfers 5 als auch die zweite erste Durchflussregelvorrichtung 13 des zweiten Verdampfers 12 derart geöffnet, dass der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 8 in einen Teilmassenstrom durch den ersten Strömungspfad 7, insbesondere den Hauptströmungspfad 7a mit dem ersten Verdampfer 5, und einen Teilmassenstrom durch den zweiten Strömungspfad 11 mit dem zweiten Verdampfer 12 aufgeteilt und dabei jeweils auf Niederdruckniveau entspannt wird. Die erste Durchflussregelvorrichtung 6 wird vom Anschluss C zum Anschluss B durchströmt, während die zweite Durchflussregelvorrichtung 13 vom Anschluss A zum Anschluss C durchströmt wird.
    Das Kältemittel wird jeweils beim Durchströmen der Verdampfer 5, 12 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Die Teilmassenströme durch die Strömungspfade 7, 11 werden an der Mündungsstelle 9 vermischt. Die Strömungspfade 7, 11 und damit die Verdampfer 5, 12 werden parallel mit Kältemittel beaufschlagt.
    Die Komponenten des Antriebsstrangs und die Zuluft für den Fahrgastraum dienen als Wärmequellen für den Kältemittelkreislauf. Dabei werden die jeweils aufzunehmenden Wärmemengen bedarfsabhängig beziehungsweise prioritätsgesteuert eingestellt.
    Je nach Verstellung der Durchflussregelvorrichtungen 6, 13, 16 kann, unabhängig von der Zieltemperatur der dem Fahrgastraum zuzuführenden Zuluft, zudem der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 als Wärmesenke oder Wärmequelle für das Kältemittel betrieben werden. So kann bei vollständig geöffneter dritter Durchflussregelvorrichtung 16, gemäß dem in 6c dargestellten Betriebsmodus, ein Teil der vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführenden Wärme beim Durchströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4 an die in Strömungsrichtung 37b geleitete Umgebungsluft abgegeben werden.
    Alternativ kann ein zur Temperatur der Umgebungsluft korrespondierender Druck des Kältemittels eingestellt werden, sodass keine Wärme übertragen wird oder das Druckniveau des Kältemittels wird, gemäß dem in 6d dargestellten Betriebsmodus, auf einen unterhalb des zur Temperatur der Umgebungsluft korrespondierenden Wert eingestellt, um den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 als Verdampfer zu betreiben und Wärme aus der Umgebungsluft aufzunehmen.
  • 6d zeigt das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums mit zusätzlicher Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, ähnlich dem in 6b dargestellten Betriebsmodus, sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, das heißt unter Aufnahme von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs. Der Betrieb innerhalb des Klimageräts 30 bleibt unverändert. Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach 6b und 6d liegt in der Schaltung der zweiten Durchflussregelvorrichtung 13. Die Durchflussregelvorrichtung 13 ist derart geschaltet, dass der Strömungsdurchgang vom Anschluss B zum Anschluss C geöffnet ist, während der Strömungsdurchgang vom Anschluss A zum Anschluss C geschlossen ist. Beim Durchströmen der Durchflussregelvorrichtung 13 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 unter Aufnahme von Wärme von den Komponenten des Antriebsstrangs verdampft.
  • Mit den Durchflussregelvorrichtungen 13, 16 wird der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 18 in Teilmassenströme einerseits durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 sowie den ersten Strömungspfad 7 und andererseits durch den dritten Strömungspfad 17 sowie den zweiten Strömungspfad 11 mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 aufgeteilt. Dabei kann der Massenstrom durch die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 4, 12 stufenlos zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 9 zusammengeführt. Mit der Aufteilung der Massenströme werden die jeweils auftretenden Druckverluste reduziert, da lediglich Teilmassenströme durch die Komponenten geleitet werden, womit das System 1 insbesondere bei Außentemperaturen im einstelligen Bereich mit hoher Effizienz und Leistung betreibbar ist.
  • Der Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 in einem der in den 6a bis 6d dargestellten Nachheizmodi ist sehr effizient und erhöht die rein elektrische Reichweite des entsprechenden Kraftfahrzeugs mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb.
  • 7 zeigt das thermische System 1 bei einem Betrieb in einem Abtaumodus des in diesem Modus als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4, welcher angewandt wird, wenn beim Betrieb des Systems 1 beispielsweise in einem der vorangegangen beschriebenen Modi aufgrund einer Fehlfunktion beziehungsweise aufgrund einer Überlastung des Wärmepumpenmodus oder des Nachheizmodus, in welchen der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 als Verdampfer zur Aufnahme von Wärme in den Kältemittelkreislauf 2 betrieben wird und dabei die die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4 vereist. Mit der an der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4 gebildeten Eisschicht verringert sich die Heizleistung des Systems 1. Das System 1 wird ineffizient betrieben. Um die an der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4 gebildete Eisschicht zu beseitigen, wird der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 trotz Heizbedarf für die Zuluft des Fahrgastraums als Kondensator/Gaskühler betrieben und mit Kältemittel auf ein Hochdruckniveau beaufschlagt. Unter Abgabe von Wärme durch das Kältemittel wird die an der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4 gebildete Eisschicht abgetaut.
    Die zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und dem als Kondensator/Gaskühler betrieben ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 angeordnete dritte Durchflussregelvorrichtung 16 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel die Durchflussregelvorrichtung 16 ohne Druckverlust passiert. Zumindest ein erster Teil der vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführenden Wärme wird im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zum Abtauen der Eisschicht genutzt. Ein zweiter Teil der vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführenden Wärme kann beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 15 an die in Strömungsrichtung 37a durch das Klimagerät 30 geförderte Zuluft für den Fahrgastraum übertragen werden. Dabei ist die Luftleiteinrichtung 33 den zweiten Strömungskanal 36 verschließend angeordnet. Um den Prozess des Abtauens zu beschleunigen, kann auch die gesamte vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführende Wärme im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 zum Abtauen der Eisschicht eingesetzt werden. Dabei wird kein Luftmassenstrom durch das Klimagerät 30 geleitet. Der dritte Strömungspfad 17 ist geschlossen und wird nicht von Kältemittel durchströmt. Die erste Durchflussregelvorrichtung 6 des ersten Verdampfers 5 ist vollständig geschlossen. Der erste Verdampfer 5 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Der Zustand einer betriebsmodusabhängig durch das Klimagerät 30 in Strömungsrichtung 37a geleiteten Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 nicht verändert. Beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme von den Komponenten des Antriebsstrangs verdampft. Die Komponenten des Antriebsstrangs dienen folglich als Wärmequelle zum Abtauen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 4.
  • Je nach Bedarf und Betriebsmodus kann mit einer Inbetriebnahme des Zusatzheizwärmeübertragers 35 die Zuluft erwärmt oder weiter erwärmt werden.
  • Die in den 2 bis 7 am an der Ausführungsform des Systems 1 nach 1 beschriebenen Betriebsmodi können ebenso mit dem in 8 gezeigten thermischen System 1a dargestellt werden, welches sich durch die Ausbildung eines inneren Wärmeübertragers 24a im Kältemittelkreislauf 2a unterscheidet.
  • 8 zeigt ein thermisches System 1a mit einem Kältemittelkreislauf 2a zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
    Der innere Wärmeübertrager 24a, auch als kreislaufinterner Wärmeübertrager bezeichnet, ist hochdruckseitig innerhalb des ersten Strömungspfades 7 zwischen der Abzweigstelle 8 und der ersten Durchflussregelvorrichtung 6, in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der ersten Durchflussregelvorrichtung 6 des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 angeordnet. Niederdruckseitig ist der innere Wärmeübertrager 24a innerhalb des Hauptströmungspfades 7a des ersten Strömungsfades 7 nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 ausgebildet.
    Der innere Wärmeübertrager 24a dient unter anderem der Reduktion der Leistung des Verdichters 3, insbesondere beim Betrieb des Systems 1a in einem Kälteanlagenmodus oder einem Nachheizmodus. Zudem wird die spezifische Kälteleistung des als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 im Vergleich zur spezifischen Kälteleistung des als zweiter Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 zugunsten des Komforts des Fahrgastraums ohne bauliche Veränderung des Klimagerätes 30 erhöht.
    Mit der Ausbildung des inneren Wärmeübertragers 24a werden die Effizienz des Betriebs des Systems 1a im Vergleich zum System 1 und durch Reduktion des Leistungsbedarfes des elektrisch angetriebenen Verdichters 3 die rein elektrische Reichweite des entsprechenden Kraftfahrzeugs mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb erhöht.
  • In 9 ist ein Kühlmittelkreislaufsystem des thermischen Systems 1, insbesondere zum Temperieren, speziell zum Kühlen, von Komponenten des Antriebsstrangs, vorzugsweise des elektrischen Antriebsstrangs, mit einer Durchflussregelvorrichtung 45 zum Verbinden zwei voneinander getrennt betreibbarer Kühlmittelkreisläufe 40, 50 gezeigt. Das Kühlmittelkreislaufsystem ist über den als Verdampfer für das Kältemittel betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 mit dem Kältemittelkreislauf 2 thermisch gekoppelt. Im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 wird Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen.
  • Ein erster Kühlmittelkreislauf 40 weist neben einer Fördervorrichtung 41, insbesondere einer Kühlmittelpumpe, in Reihe zueinander mit Kühlmittel beaufschlagte Wärmeübertrager 23 der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere der Hochvolt-Batterie und des Inverters, sowie einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42 zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft auf. Dabei sind der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42 parallel oder getrennt voneinander mit Kühlmittel durchströmbar angeordnet. In Strömungsrichtung des Kühlmittels vor den Wärmeübertragern 23 der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs ist ein Temperatur-Sensor 43 vorgesehen. Der erste Kühlmittelkreislauf 40 ist zudem mit einem Bypass 44 zu den Wärmeübertragern 23 der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs ausgebildet. Insbesondere zur Vergleichmäßigung der einzelnen Zelltemperaturen der Hochvolt-Batterie kann der entsprechende Wärmeübertrager 23 permanent mit Kühlmittel durchströmt werden, welches ausgehend von der Fördervorrichtung 41 durch den Bypass 44 zurück zu den Wärmeübertragern 23 geleitet werden kann, ohne andere Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 40 mit Kühlmittel zu beaufschlagen. Dabei wird die Fördervorrichtung 41 mit geringer Leistung betrieben.
  • Ein zweiter Kühlmittelkreislauf 50 weist neben einer Fördervorrichtung 51, insbesondere einer Kühlmittelpumpe, in Reihe beziehungsweise parallel zueinander mit Kühlmittel beaufschlagbare weitere Wärmeübertrager 23 der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere des internen Ladegerätes, der Leistungselektronik oder dem Elektromotor, sowie einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 52 zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft auf. In Strömungsrichtung des Kühlmittels vor den Wärmeübertragern 23 ist ein Temperatur-Sensor 53 vorgesehen. Die Kühlmittelkreisläufe 40, 50 sind im Bereich der Temperatur-Sensoren 43, 53 zudem über einen Entgasungsbehälter 46 miteinander verbunden.
  • Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42 des ersten Kühlmittelkreislaufs 40, der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 52 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 und der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4 des Kältemittelkreislaufs 2 sind im Frontbereich des Kraftfahrzeugs in Strömungsrichtung 37b der Umgebungsluft nacheinander angeordnet.
  • Die als Mehr-Wege-Ventil ausgebildete Durchflussregelvorrichtung 45 weist fünf Anschlüsse 45-1, 45-2, 45-3, 45-4, 45-5 zum Verbinden mit Fluidleitungen der Kältemittelkreisläufe 40, 50 auf. Dabei sind die Anschlüsse 45-1, 45-3, 45-5 mit Fluidleitungen des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 und die Anschlüsse 45-2, 45-4 mit Fluidleitungen des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 gekoppelt.
  • Aus 10a geht die Durchflussregelvorrichtung 45 des Kühlmittelkreislaufsystems in einer perspektivischen Darstellung hervor.
  • In 10b sind verschiedene Schaltungsmodi der die Kühlmittelkreisläufe 40, 50 miteinander verbindenden Durchflussregelvorrichtung 45 des Kühlmittelkreislaufsystems dargestellt.
  • In einem ersten Betriebsmodus, auch als aktive Batteriekühlung bezeichnet, ist zwischen dem ersten Anschluss 45-1 und dem dritten Anschluss 45-3 sowie zwischen dem zweiten Anschluss 45-2 und dem vierten Anschluss 45-4 jeweils ein Durchströmpfad geöffnet. Beide Fördervorrichtungen 41, 51 sind in Betrieb. Dabei wird die von der Batterie beziehungsweise dem Inverter an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 übertragene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 an das Kältemittel abgeführt. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42 des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 wird nicht mit Kühlmittel beaufschlagt. Die vom internen Ladegerät, der Leistungselektronik beziehungsweise dem Elektromotor an das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 übertragene Wärme wird im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 52 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 an die Umgebungsluft abgeführt.
  • In einem zweiten Betriebsmodus ist zwischen dem ersten Anschluss 45-1 und dem dritten Anschluss 45-3 sowie zwischen dem zweiten Anschluss 45-2 und dem dritten Anschluss 45-3 jeweils ein Durchströmpfad geöffnet. Beide Fördervorrichtungen 41, 51 sind in Betrieb. Dabei wird sowohl die von der Batterie beziehungsweise dem Inverter aktiv an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 übertragene Wärme als auch die vom internen Ladegerät, der Leistungselektronik beziehungsweise dem Elektromotor an das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 übertragene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 an das Kältemittel abgeführt. Die Abwärme der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs werden als Wärmequellen zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums genutzt. Die Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42, 52 der Kühlmittelkreisläufe 40, 50 werden nicht mit Kühlmittel beaufschlagt. Die in der Durchflussregelvorrichtung 45 vermischten Teilmassenströme des Kühlmittels werden an einer in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Entgasungsbehälter 46 angeordneten Abzweigstelle in einen ersten Teilmassenstrom zum Kühlen der Batterie zur Fördervorrichtung 41 des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 und einen zweiten Teilmassenstrom zum Kühlen des Elektromotors zur Fördervorrichtung 51 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 aufgeteilt.
  • In einem dritten Betriebsmodus ist zwischen dem ersten Anschluss 45-1 und dem vierten Anschluss 45-4 sowie zwischen dem zweiten Anschluss 45-2 und dem vierten Anschluss 45-4 jeweils ein Durchströmpfad geöffnet. Beide Fördervorrichtungen 41, 51 sind in Betrieb.
  • In einem vierten Betriebsmodus, auch als passive Batteriekühlung bezeichnet, ist zwischen dem ersten Anschluss 45-1 und dem fünften Anschluss 45-5 sowie zwischen dem zweiten Anschluss 45-2 und dem vierten Anschluss 45-4 jeweils ein Durchströmpfad geöffnet. Beide Fördervorrichtungen 41, 51 sind in Betrieb. Dabei wird die von der Batterie beziehungsweise dem Inverter an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 übertragene Wärme im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 42 des ersten Kühlmittelkreislaufs 40 an die Umgebungsluft abgeführt. Die vom internen Ladegerät, der Leistungselektronik beziehungsweise dem Elektromotor an das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 übertragene Wärme wird im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 52 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 an die Umgebungsluft abgegeben. Die Kühlmittelkreisläufe 40, 50 werden voneinander getrennt betrieben, das Kühlmittel der Kühlmittelkreisläufe 40, 50 ist separiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a
    System
    2, 2a
    Kältemittelkreislauf
    3
    Verdichter
    4
    erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    5
    zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, erster Verdampfer
    6
    erste Durchflussregelvorrichtung
    7
    erster Strömungspfad
    7a
    Hauptströmungspfad
    7b
    Nebenströmungspfad
    8
    Abzweigstelle
    9
    Mündungsstelle
    10
    Rückschlagventil
    11
    zweiter Strömungspfad
    12
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, zweiter Verdampfer
    13
    zweite Durchflussregelvorrichtung
    14
    Mündungsstelle
    15
    dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
    16
    dritte Durchflussregelvorrichtung
    17
    dritter Strömungspfad
    18
    Abzweigstelle
    19
    Rückschlagventil
    20
    Akkumulator
    21a, 21b, 21c
    Druck-Temperatur-Sensor
    22a, 22b
    Temperatur-Sensor
    23
    Wärmeübertrager Komponenten Antriebsstrang
    24a
    innerer Wärmeübertrager
    30
    Klimagerät
    31
    Gehäuse
    32
    Gebläse
    33
    Luftleiteinrichtung
    34
    erster Strömungskanal
    35
    Zusatzheizwärmeübertrager
    36
    zweiter Strömungskanal
    37a
    Strömungsrichtung Zuluft
    37b
    Strömungsrichtung Umgebungsluft
    40
    erster Kühlmittelkreislauf
    41
    Fördervorrichtung erster Kühlmittelkreislauf 40
    42
    Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager erster Kühlmittelkreislauf 40
    43
    Temperatur-Sensor erster Kühlmittelkreislauf 40
    44
    Bypass
    45
    Durchflussregelvorrichtung
    45-1 - 45-5
    Anschluss Durchflussregelvorrichtung 45
    46
    Entgasungsbehälter
    50
    zweiter Kühlmittelkreislauf
    51
    Fördervorrichtung zweiter Kühlmittelkreislauf 50
    52
    Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zweiter Kühlmittelkreislauf 50
    53
    Temperatur-Sensor zweiter Kühlmittelkreislauf 50
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017114136 A1 [0012]
    • DE 102018122675 A1 [0013]

Claims (14)

  1. Thermisches System (1, 1 a) zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Kältemittelkreislauf (2, 2a) mit - einem Verdichter (3), einem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft, welcher als Kondensator/Gaskühler und Verdampfer betreibbar ausgebildet ist, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) mit einer vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung (6) sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (12) mit einer vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung (13), - einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einer dritten Durchflussregelvorrichtung (16), welche zwischen dem Verdichter (3) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) angeordnet sind, wobei die dritte Durchflussregelvorrichtung (16) dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet ausgebildet ist, wobei - der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) mit der vorgelagerten ersten Durchflussregelvorrichtung (6) innerhalb eines ersten Strömungspfades (7) und der Wärmeübertrager (12) mit der vorgelagerten zweiten Durchflussregelvorrichtung (13) innerhalb eines zweiten Strömungspfades (11) angeordnet sind, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle (8) bis zu einer Mündungsstelle (9) erstreckend ausgebildet sind, wobei die erste Durchflussregelvorrichtung (6) als eine Abzweigstelle ausgebildet ist, von welcher sich jeweils ein Hauptströmungspfad (7a) und ein Nebenströmungspfad (7b) des ersten Strömungspfades (7) bis zur Mündungsstelle (9) erstreckend ausgebildet sind, - die zweite Durchflussregelvorrichtung (13) als eine Mündungsstelle und sich ein dritter Strömungspfad (17) von einer Abzweigstelle (18) bis zur zweiten Durchflussregelvorrichtung (13) erstreckend ausgebildet sind, wobei die Abzweigstelle (18) zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) und der dritten Durchflussregelvorrichtung (16) angeordnet ist.
  2. Thermisches System (1, 1 a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) innerhalb des Hauptströmungspfades (7a) des ersten Strömungspfades (7) angeordnet ist und der Nebenströmungspfad (7b) des ersten Strömungspfades (7) als ein Bypass zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) ausgebildet ist.
  3. Thermisches System (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchflussregelvorrichtung (6) als ein 3/2-Wege-Ventil mit drei Anschlüssen A, B, C und einseitiger Expansionsfunktion ausgebildet ist, wobei die erste Durchflussregelvorrichtung (6) zwischen einem als Einlass ausgebildeten Anschluss C und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss B als ein Expansionsventil und zwischen dem als Einlass ausgebildeten Anschluss C und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss A als ein Absperrventil ausgebildet ist, wobei der Hauptströmungspfad (7a) mit dem Anschluss B und der Nebenströmungspfad (7b) mit dem Anschluss A verbunden sind.
  4. Thermisches System (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Durchflussregelvorrichtung (13) als ein 3/2-Wege-Ventil mit drei Anschlüssen A, B, C und zweiseitiger Expansionsfunktion ausgebildet ist, wobei die zweite Durchflussregelvorrichtung (13) zwischen jeweils als Einlass ausgebildeten Anschlüssen A, B und einem als Auslass ausgebildeten Anschluss C als ein Expansionsventil ausgebildet ist, wobei der Wärmeübertrager (12) innerhalb des zweiten Strömungspfades (11) in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Anschluss C angeordnet ist.
  5. Thermisches System (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Durchflussregelvorrichtung (16) als ein Expansionsventil ausgebildet ist.
  6. Thermisches System (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (12) als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (12) ausgebildet und innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist, welcher mindestens einen Wärmeübertrager (23) zum Kühlen der Komponenten des Antriebsstrangs aufweist.
  7. Thermisches System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a) mit einem inneren Wärmeübertrager (24a) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck ausgebildet ist, wobei der innere Wärmeübertrager (24a) niederdruckseitig innerhalb des ersten Strömungspfades (7) in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
  8. Thermisches System (1a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (24a) hochdruckseitig zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) und der Abzweigstelle (8) des ersten Strömungspfades (7) und des zweiten Strömungspfades (11) angeordnet ist.
  9. Thermisches System (1a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (24a) hochdruckseitig innerhalb des ersten Strömungspfades (7) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betreiben eines thermischen Systems (1, 1a) eines Kraftfahrzeugs für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus und in einem Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft eines Fahrgastraums nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel beim Betrieb in einem Wärmepumpenmodus oder Nachheizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen der zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (15) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) angeordneten dritten Durchflussregelvorrichtung (16) von einem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau oder auf ein Mitteldruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (4) unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft verdampft wird, wobei beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (15) Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel beim Durchströmen eines Strömungsdurchgangs der zweiten Durchflussregelvorrichtung (13) vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers (12) unter Aufnahme von Wärme verdampft wird, wobei der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle (18) des dritten Strömungspfades (17) in einen ersten Teilmassenstrom durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) sowie den ersten Strömungspfad (7) und einen zweiten Teilmassenstrom durch den dritten Strömungspfad (17) sowie den zweiten Strömungspfad (11) mit dem Wärmeübertrager (12) aufgeteilt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel beim Betrieb des Systems (1) in einem Nachheizmodus durch einen vollständig geöffneten ersten Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) und den Hauptströmungspfad (7a) des ersten Strömungspfades (7) mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) zum Verdichter (3) geleitet wird, wobei ein zweiter Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) und der Nebenströmungspfad (7b) des ersten Strömungspfades (7) geschlossen sind und das Kältemittel beim Durchströmen der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers (5) unter Aufnahme von Wärme verdampft wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Systems (1) in einem Wärmepumpenmodus ein Massenstrom des Kältemittels durch einen vollständig geöffneten zweiten Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) und den Nebenströmungspfad (7b) des ersten Strömungspfades (7) um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) herum zum Verdichter (3) geleitet wird, wobei ein erster Strömungsdurchgang der ersten Durchflussregelvorrichtung (6) und der Hauptströmungspfad (7a) des ersten Strömungspfades (7) geschlossen sind.
  14. Verwendung eines thermischen Systems (1, 1 a) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von Zuluft für einen Fahrgastraum sowie zum Konditionieren von Komponenten des Antriebsstrangs und elektronischen Komponenten.
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