DE102021101127A1 - System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems - Google Patents

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Martin Hötzel
Tobias Haas
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System (1a, 1b) weist einen Kältemittelkreislauf (2a, 2b) und mindestens einen Kühlmittelkreislauf (3) auf. Der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) ist mit einem Verdichter (4), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5), mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6, 7) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (9, 10) und mindestens einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs und dem Kältemittel mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (13) sowie niederdruckseitig mit einem Bypass-Strömungspfad (18) um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (6, 7, 8) ausgebildet. Der Kühlmittelkreislauf (3) weist neben dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) einen als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (31) zum Erwärmen von Zuluft des Fahrgastraums auf. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems (1a, 1b).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System weist einen Kältemittelkreislauf mit einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums und einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs und dem Kältemittel sowie einen Kühlmittelkreislauf mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems.
  • Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebskonzepten bekannt. Die Konzepte basieren auf Antrieben mittels eines Verbrennungsmotors, eines Elektromotors oder einer Kombination aus beiden Motortypen. Kraftfahrzeuge mit einer Kombination aus verbrennungsmotorischem und elektromotorischem Antrieb weisen folglich einen Hybridantrieb auf, sodass das Kraftfahrzeug je nach Bedarf elektrisch, elektrisch/verbrennungsmotorisch oder auch verbrennungsmotorisch angetrieben werden kann. Dabei sind Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb, dessen Batterie sowohl über den Verbrennungsmotor als auch am Stromnetz geladen werden kann, als Plug-in-Hybrid oder kurz PHEV für „plug-in hybrid electric vehicle“ bezeichnet, zumeist mit einer leistungsstärkeren Batterie als Kraftfahrzeuge mit einer ausschließlich über den Verbrennungsmotor aufladbaren Batterie ausgebildet.
  • Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen oder einem hybriden Antrieb weisen einerseits aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems sind die hybridangetriebenen Kraftfahrzeuge mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierten Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager geleitet wird.
    Um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie einzuhalten, ist zur Kühlung der Batterie entweder der Kühlmittelkreislauf mit einem zusätzlichen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur thermischen Kopplung mit dem Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems oder ein als Batteriekühler ausgebildeter direkt kältemittelgekühlter Wärmeübertrager vorgesehen. Der zur Batteriekühlung als Verdampfer des Kältemittels betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird auch als Chiller bezeichnet.
    Ein System zur Wärmeverteilung eines PHEV weist folglich bekanntlich mindestens einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf auf.
  • Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Hybridantrieb sowie Brennstoffzellenfahrzeuge und hocheffizient verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge erzeugen andererseits bekanntlich nicht genug Abwärme, um den Fahrgastraum bei geringen Umgebungstemperaturen den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen.
    Eine erste, kostengünstige und bauraumsparende Lösung stellt ein elektrischer Heizer dar, welcher beispielsweise als PTC-Heizer zum Erwärmen der in den Fahrgastraum einströmenden Zuluft ausgebildet ist. Mit einem PTC-Heizer versehene Systeme weisen jedoch bei geringen Ausblastemperaturen der Zuluft zum Beheizen des Fahrgastraums einen hohen Energieverbrauch auf. Der nicht energieeffizient betreibare elektrische Zuheizer verkürzt zudem die Reichweite von batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen.
    Eine zweite, energiesparendere Lösung ist ein Klimatisierungssystem mit Wärmepumpenfunktion, welches verschiedene Wärmequellen und Wärmesenken nutzt, allerdings einen wesentlich größeren Bauraum als die erste Lösung mit elektrischem Heizer beansprucht.
  • Die Ausbildung der aus dem Stand der Technik bekannten Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion zur Wärmeverteilung innerhalb batterieelektrisch betriebener Kraftfahrzeuge ist hochkomplex und erfordert sowohl kältemittelseitig und kühlmittelseitig als auch luftseitig eine Vielzahl von Komponenten, was hohe Systemkosten verursacht.
  • Dabei sind beispielsweise innerhalb des Klimageräts herkömmlicher Klimatisierungssysteme eines Kraftfahrzeugs mit einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für den Fahrgastraum und einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager jeweils zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum mindestens drei Wärmeübertrager angeordnet.
  • So geht aus der DE 10 2013 105 747 A1 eine Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Hybridfahrzeug mit einem Motorkühlkreislauf und einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum sowie einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und dem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs hervor. Dabei ist der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel als Verdampfer zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das verdampfende Kältemittel und als Kondensator zur Wärmeübertragung vom kondensierenden Kältemittel an das Kühlmittel betreibbar.
  • Die DE 10 2019 109 796 A1 zeigt eine Wärmestrommanagementvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Kältemittelkreislauf, einem Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und einen Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen indirekten Kondensator, ein Expansionsorgan, einen Umgebungswärmeübertrager sowie einen Verdampfer und einen Chiller jeweils mit zugeordnetem Expansionsorgan auf. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist mit einer Kühlmittelpumpe, dem Chiller, einem Elektormotor-Wärmeübertrager und einem Antriebsstrang-Kühlmittelradiator ausgebildet, während der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und einem Heizungswärmeübertrager ausgebildet ist. Der Kältemittelkreislauf ist einerseits über den Chiller mit dem Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und andererseits über den indirekten Kondensator mit dem Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf thermisch gekoppelt, während der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf nur indirekt über den Kältemittelkreislauf thermisch miteinander gekoppelt sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines modularen Systems zum Klimatisieren der Luft des Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Das System soll neben einem komfortablen Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum zudem ein Konditionieren der Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere auch ein Temperieren der Hochvoltbatterie des elektrischen Antriebs, ermöglichen. Das System soll dabei sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Heizmodus mit maximaler Effizienz betreibbar sein. Die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum des Systems sollen minimal sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs, auch aufgrund des Verbindens verschiedener Wärmequellen und Wärmesenken als Wärmestrommanagementsystem bezeichnet, gelöst.
  • Das System weist einen Kältemittelkreislauf und mindestens einen Kühlmittelkreislauf auf. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan und mindestens einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs und dem Kältemittel mit einem vorgelagerten Expansionsorgan ausgebildet.
  • Die Antriebskomponente ist bevorzugt eine elektrische Komponente, beispielsweise eine Hochvoltbatterie beziehungsweise ein elektrischer Motor, eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs.
  • Wenn die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, erfolgt, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Der mindestens eine Kühlmittelkreislauf ist mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen von Zuluft des Fahrgastraums ausgebildet.
  • Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf niederdruckseitig einen Bypass-Strömungspfad um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf.
    Der Kältemittelkreislauf ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass der mindestens eine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit dem vorgelagerten Expansionsorgan, der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten und dem Kältemittel mit dem vorgelagerten Expansionsorgan sowie der Bypass-Strömungspfad jeweils parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kältemittel beaufschlagbar sind. Der Kältemittelkreislauf weist dabei mindestens zwei Strömungspfade mit jeweils dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und dem dem Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan sowie den Bypass-Strömungspfad auf. Die Strömungspfade sind parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit einem weiteren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft versehen, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet ist. Der als thermische Verbindung zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem mindestens einen Kühlmittelkreislauf ausgebildete erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft sind in Reihe zueinander geschaltet angeordnet.
  • Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft ist vorzugsweise innerhalb eines Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft angeordnet. Der insbesondere mit einer Stirnseite in einem Frontbereich des Kraftfahrzeugs positionierte Luftkanal ist mittels einer Strömungsleiteinrichtung, speziell stirnseitig, verschließbar. Die Strömungsleiteinrichtung ist vorteilhaft aktiv steuerbar und bevorzugt elektrisch angetrieben verstellbar. Mit der Strömungsleiteinrichtung kann der Luftkanal vollständig oder teilweise geöffnet beziehungsweise verschlossen werden. Innerhalb des Luftkanals kann zudem ein Gebläse zum Ansaugen der Umgebungsluft durch die Stirnseite angeordnet sein.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf hochdruckseitig einen Bypass-Strömungspfad um den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf, welcher sich von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckt.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Mündungsstelle als ein Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen ausgebildet. Dabei ist das Drei-Wege-Ventil vorzugsweise an einem ersten Anschluss mit dem Bypass-Strömungspfad um den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, an einem zweiten Anschluss mit dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und an einem dritten Anschluss mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft verbunden.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit einem Bypass-Strömungspfad um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft ausgebildet, welcher sich von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckt. Die Abzweigstelle ist bevorzugt zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft angeordnet sowie als ein Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen ausgebildet.
    Dabei ist das Drei-Wege-Ventil vorzugsweise an einem ersten Anschluss mit dem Bypass-Strömungspfad um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, an einem zweiten Anschluss mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft und an einem dritten Anschluss mit dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager verbunden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich der niederdruckseitig um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager ausgebildete Bypass-Strömungspfad und ein mit dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Strömungspfad jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle. Die Abzweigstelle ist vorzugsweise als ein Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen ausgebildet.
    Dabei ist das Drei-Wege-Ventil vorteilhaft an einem ersten Anschluss mit dem Bypass-Strömungspfad um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager, an einem zweiten Anschluss mit einem Strömungspfad mit dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und an einem dritten Anschluss mit einer Abzweigstelle zu einem Strömungspfad mit einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums verbunden.
  • Die Drei-Wege-Ventile können je nach Schaltstellung als Absperrventil und/oder Expansionsventil in unterschiedlichen Funktionen betrieben werden. Bei den Drei-Wege-Ventilen sind vorzugsweise jeweils ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss als ein Auslass und ein dritter Anschluss als ein Einlass für das Kältemittel ausgebildet.
  • Das Drei-Wege-Ventil ist jeweils vorteilhaft derart konfiguriert, dass in einer ersten Betriebsstellung alle Anschlüsse verschlossen sind, in einer zweiten Betriebsstellung der erste Anschluss geschlossen und der zweite Anschluss sowie der dritte Anschluss geöffnet sind oder in einer dritten Betriebsstellung der zweite Anschluss geschlossen und der erste Anschluss sowie der dritte Anschluss, insbesondere vollständig geöffnet sind.
  • Dabei ist das Drei-Wege-Ventil jeweils derart ausgebildet, dass in der zweiten Betriebsstellung mit geschlossenem ersten Anschluss und geöffnetem zweiten Anschluss sowie geöffnetem dritten Anschluss ein Durchgang zwischen den geöffneten Anschlüssen teilweise oder vollständig geöffnet ist, sodass das Kältemittel beim Durchströmen des Drei-Wege-Ventils expandiert oder druckverlustfrei durch das Drei-Wege-Ventil hindurchgeleitet wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlmittelkreislauf mit dem als Heizwärmeübertrager betriebenen ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen von Zuluft des Fahrgastraums und einem zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet. Der Kühlmittelkreislauf weist vorzugsweise einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstrecken sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Dabei sind der als Heizwärmeübertrager betriebene erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager innerhalb des ersten Strömungspfades und der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet.
    Die Mündungsstelle oder die Abzweigstelle des Kühlmittelkreislaufs ist bevorzugt als ein Drei-Wege-Ventil oder ein Wärmeübertrager ausgebildet.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs und dem Kältemittel als Komponente eines weiteren, zweiten Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist. Der zweite Kühlmittelkreislauf weist bevorzugt einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft auf.
  • Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel eines ersten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft und/oder der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft sind vorzugsweise mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und Umgebungsluft innerhalb des mittels der Strömungsleiteinrichtung verschließbaren Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft angeordnet. Die Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sind vorteilhaft nacheinander oder parallel und damit unabhängig voneinander mit Umgebungsluft beaufschlagbar.
  • Bei einer Anordnung des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager für ein serielles Beaufschlagen mit Umgebungsluft ist der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft bevorzugt zwischen den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragern angeordnet, wobei der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des ersten Kühlmittelkreislaufs zuerst mit Umgebungsluft angeströmt wird. Alternativ kann der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft auch derart angeordnet sein, zuerst oder abschließend mit Umgebungsluft angeströmt zu werden.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des voranstehenden Systems zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Übertragen von Wärme von Zuluft für einen Fahrgastraum an ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und/oder
    • - Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers und Temperieren, insbesondere Kühlen, mindestens einer Antriebskomponente, vorzugsweise eines elektrischen Antriebsstrangs, sowie
    • - Übertragen von Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels an ein in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kältemittel enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt und das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs erwärmt wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Betrieb des Systems in einem Nachheizmodus oder einem Heizmodus die Strömungsleiteinrichtung des Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft, in welchem der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und Umgebungsluft und/oder der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft und/oder der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft angeordnet sind, geschlossen, sodass der Luftkanal nicht mit Umgebungsluft beaufschlagt wird und keine Wärme zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und Umgebungsluft und/oder keine Wärme von einem Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen wird.
    Die Strömungsleiteinrichtung wird dabei vorteilhaft je nach Betriebsmodus des Systems und Bedarf aktiv, insbesondere elektrisch angetrieben gesteuert.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird beim Betrieb des Systems in einem Heizmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle ein als eine Abzweigstelle ausgebildetes Drei-Wege-Ventil in einem Bypass-Modus derart betrieben, dass das Kältemittel durch den Bypass-Strömungspfad um die beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager geleitet und keiner der Wärmeübertrager mit Kältemittel beaufschlagt. Dabei wird das Drei-Wege-Ventil zwischen einem dritten Anschluss, welcher mit einer Abzweigstelle zu einem Strömungspfad mit mindestens einem der beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager verbunden ist, und einem ersten Anschluss, welcher mit dem Bypass-Strömungspfad verbunden ist, vollständig geöffnet und ein zweiter Anschluss, welcher mit einem Strömungspfad mit dem beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager verbunden ist, geschlossen.
    Ein als eine Mündungsstelle oder eine Abzweigstelle ausgebildetes Drei-Wege-Ventil kann zum Nutzen der Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel derart betrieben werden, dass das Kältemittel beim Durchströmen des Drei-Wege-Ventils von einem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau expandiert wird. Das Drei-Wege-Ventil wird zwischen einem dritten Anschluss und einem ersten Anschluss, zum expandierenden Durchleiten des Kältemittels zum Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, insbesondere von der Umgebungsluft an das Kältemittel, geöffnet und ein erster Anschluss wird geschlossen.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des Systems in Kraftfahrzeugen mit einem elektromotorischen Antrieb oder einem hybriden Antrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor.
  • Das erfindungsgemäße System mit integrierter Wärmepumpenfunktionalität, insbesondere für rein elektrisch angetriebene oder hybridangetriebene Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - Erfüllen sämtlicher Anforderungen an ein Wärmemanagement eines Elektrofahrzeugs in einem sehr weiten Bereich der Umgebungstemperatur mit dem Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums durch Kühlen, Entfeuchten und Heizen sowie Temperieren, insbesondere Kühlen der Batterie und Komponenten des Antriebsstrangs,
    • - hoher Grad an Abwärmerückgewinnung, dabei energieeffizientes Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum durch Nutzen von Abwärme des Kältemittelkreislaufs und Rückgewinnen von Wärme von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, dabei
    • - maximale Effizienz beim Betrieb, insbesondere im Nachheizmodus, mit hohem Grad der Abwärmenutzung,
    • - modularer Aufbau und minimaler Bauraum durch kompaktes Design mit geringer Komplexität sowohl kältemittelseitig als auch luftseitig,
    • - geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
  • Das System, insbesondere der Kältemittelkreislauf, ist unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen
    • 1: ein erstes System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf mit einem niederdruckseitigen Bypass-Strömungspfad und zwei jeweils mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelten Kühlmittelkreisläufen sowie einer aktiv steuerbaren Strömungsleiteinrichtung zum Leiten von Umgebungsluft zu U mgebu ngsluftwärmeü bertragern,
    • 2a: das System nach 1 während des Betriebs im Kälteanlagenmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs,
    • 2b: das System nach 1 während des Betriebs im Kälteanlagenmodus,
    • 2c: das System nach 1 während des Betriebs mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs,
    • 3a: das System nach 1 während des Betriebs im Nachheizmodus mit passiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmesenke oder Wärmequelle für das Kältemittel,
    • 3b: das System nach 1 während des Betriebs im Nachheizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs,
    • 3c: das System nach 1 während des Betriebs im Nachheizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältem ittel,
    • 4a: das System nach 1 während des Betriebs im Heizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel,
    • 4b: das System nach 1 während des Betriebs im Heizmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel,
    • 4c: das System nach 1 während des Betriebs im Heizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und
    • 5: ein zweites System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf mit einem niederdruckseitigen ersten Bypass-Strömungspfad, einem hochdruckseitigen zweiten Bypass-Strömungspfad sowie einem dritten Bypass-Strömungspfad zum Umströmen eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft sowie mit zwei jeweils mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelten Kühlmittelkreisläufen.
  • In 1 ist ein erstes System 1a zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2a mit als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 6, 7, 8 zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums sowie von Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, wie einer Batterie oder einem Elektromotor, sowie einem ersten Kühlmittelkreislauf 3 ebenfalls zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums gezeigt. Der erste Kühlmittelkreislauf 3 ist zur Übertragung von Wärme, insbesondere vom Kältemittel an das Kühlmittel, über einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 mit dem Kältemittelkreislauf 2a thermisch gekoppelt. Ein zweiter Kühlmittelkreislauf, welcher zur Wärmeübertragung zwischen dem im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel und den Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs und damit zum bedarfsgerechten Temperieren der Antriebskomponenten ausgebildet ist, ist lediglich anhand zweier Wärmeübertrager 8, 41 angedeutet. Beide Kühlmittelkreisläufe 3 sind jeweils direkt mit dem Kältemittelkreislauf 2a thermisch gekoppelt.
  • Die vorzugsweise fluidisch voneinander getrennten Kühlmittelkreisläufe 3 des Systems 1a werden jeweils unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Kühlmitteln beaufschlagt. Die Kühlmittel sind jeweils einem der Kühlmittelkreisläufe 3 zugeordnet, sodass keines der Kühlmittel auch je nach Betriebsmodus innerhalb eines der Kühlmittelkreisläufe 3 zirkuliert. Die Kühlmittelkreisläufe 3 sind strömungstechnisch vollständig voneinander getrennt.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a weist einen Verdichter 4 zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels auf. Das verdichtete und überhitzte gasförmige Kältemittel kann zu einem als kühlmittelgekühlten Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 geleitet werden. Beim Durchströmen des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5 wird Wärme vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems 1a enthitzt und verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt. Über den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ist der Kältemittelkreislauf 2a hochdruckseitig mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 3 thermisch verbunden.
  • In Strömungsrichtung des Kältemittels dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 nachfolgend kann das Kältemittel an einer ersten Abzweigstelle 11, einer in Strömungsrichtung des Kältemittels der ersten Abzweigstelle 11 nachgeordneten zweiten Abzweigstelle 12 sowie einer in Strömungsrichtung des Kältemittels der zweiten Abzweigstelle 12 nachgeordneten dritten Abzweigstelle 13 je nach Bedarf auf ein bis drei von vier Strömungspfade aufgeteilt werden. Drei der vier Strömungspfade weisen jeweils ein Expansionsorgan 9, 10, 13 sowie einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 6, 7, 8 auf. Ein vierter Strömungspfad ist als ein erster Bypass-Strömungspfad 18 um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 6, 7, 8 ausgebildet.
  • Die durch die Strömungspfade geleiteten Teilmassenströme des Kältemittels werden an einer ersten Mündungsstelle 14 beziehungsweise an einer zweiten Mündungsstelle 15 wieder zusammengeführt und als gemeinsamer Kältemittelmassenstrom vom Verdichter 4 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen.
  • Die jeweils mit einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 6, 7, 8 ausgebildeten Strömungspfade beziehungsweise der erste Bypass-Strömungspfad 18 werden je nach Bedarf einzeln oder gemeinsam und parallel mit Kältemittel beaufschlagt. Die Anteile der Teilmassenströme können je nach Bedarf zwischen 0 und 100 % betragen.
  • An der ersten Abzweigstelle 11 kann der Massenstrom des Kältemittels in einen durch einen ersten Strömungspfad geleiteten ersten Teilmassenstrom und einen durch einen zweiten Strömungspfad geleiteten zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades ist ein als Verdampfer betriebener erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan 9 angeordnet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades ein als Verdampfer betriebener zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten zweiten Expansionsorgan 10 angeordnet ist. Der erste Teilmassenstrom und der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels werden an der ersten Mündungsstelle 14 miteinander vermischt.
  • Das beim Durchströmen des jeweiligen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6, 7 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms auf. Dabei wird der Luftmassenstrom entfeuchtet und/oder abgekühlt. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 ist innerhalb eines ersten Gehäuses 60 eines Klimagerätes zum Konditionieren des in einen vorderen Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms angeordnet, während der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 innerhalb eines zweiten Gehäuses 61 des Klimagerätes zum Konditionieren des in einen hinteren Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms angeordnet ist.
  • An der zweiten Abzweigstelle 12 kann der Massenstrom des Kältemittels in den durch den zweiten Strömungspfad geleiteten zweiten Teilmassenstrom und einen durch einen dritten Strömungspfad geleiteten dritten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des dritten Strömungspfades ist ein ebenfalls als Verdampfer betriebener zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten dritten Expansionsorgan 13 angeordnet. Der dritte Teilmassenstrom des Kältemittels wird dem übrigen Massenstrom an der zweiten Mündungsstelle 15 zugemischt.
  • Das beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 8 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme des im nicht dargestellten zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels auf. Dabei wird das Kühlmittel abgekühlt. Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, welcher auch als Chiller bezeichnet wird, ist über Anschlüsse 40 mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Konditionieren von Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Temperieren der Batterie, wie einer Hochvoltbatterie, eines elektrischen Antriebsmotors, einem internen Ladegerät, einem Transformer oder einem Inverter, verbunden.
  • Der mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2a an den Anschlüssen 40 mit dem System 1a verbundene, nicht dargestellte zweite Kühlmittelkreislauf dient insbesondere bei hohen Werten der Temperatur der Umgebung zum Kühlen der Batterie und Halten der Temperatur der Batterie unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts. Der zweite Kühlmittelkreislauf, auch als Kaltwassersatz bezeichnet, kann ebenso zum Rückgewinnen von Abwärme aus Komponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs genutzt werden. Dabei wird die Wärme als Verdampfungswärme an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragen. Auf diese Weise wird neben der möglichen Heizleistung auch der Wirkungsgrad des Systems 1a maximiert. Speziell für einen Betrieb im Heizmodus ermöglicht die Ausbildung des Systems 1a mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf die von den insbesondere elektrischen Antriebskomponenten erzeugte Abwärme zu sammeln und dem Kältemittel im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 als Verdampfungswärme bereitzustellen. Die derartige Abwärmerückgewinnung trägt zum Verbessern der gesamten Energieeffizienz und Wärmeeffizienz des Kraftfahrzeugs bei. Die ansonsten als Verlustwärmeleistung zu bilanzierende Wärme wird vom System 1a als Verdampfungswärme aufgenommen, was die Leistung und Effizienz des Systems 1a beim Betrieb im Heizmodus erhöht.
  • An der dritten Abzweigstelle 13 kann das Kältemittel entweder durch den dritten Strömungspfad oder durch den Bypass-Strömungspfad 18 geleitet werden. Der Bypass-Strömungspfad 18 weist neben einer Kältemittelverbindungsleitung keine weiteren Komponenten auf und dient dem Vorbeileiten des Kältemittels an den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 6, 7, 8. Der durch den dritten Strömungspfad strömende Massenstrom des Kältemittels wird dem übrigen Massenstrom an der zweiten Mündungsstelle 15 zugemischt.
  • Um ein Rückströmen des durch den dritten Strömungspfad oder den Bypass-Strömungspfad 18 geleiteten Massenstroms des Kältemittels in den ersten beziehungsweise zweiten Strömungspfad zu verhindern, ist zwischen der ersten Mündungsstelle 14 und der zweiten Mündungsstelle 15 eine Rückschlagvorrichtung 16, insbesondere ein Rückschlagventil, vorgesehen.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a weist zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5, welcher als thermische Kopplung zwischen dem Kältemittelkreislauf 2a und dem ersten Kühlmittelkreislauf 3 ausgebildet ist, und der ersten Abzweigstelle 12 einen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft auf. Das System 1a ist kältemittelseitig damit derart ausgebildet, dass je nach Bedarf und Betriebsmodus im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 und/oder im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 Wärme vom Kältemittel abgeführt werden kann.
  • Das Kältemittel kann nach dem Ausströmen aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 zum insbesondere als Unterkühler/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 geleitet werden. Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 als Umgebungsluftwärmeübertrager und der Abgabe von Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft wird das Kältemittel je nach Zustand, Bedarf und Betriebsmodus unterkühlt oder enthitzt, verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt, beispielsweise wenn im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 keine oder lediglich eine sehr geringe Wärme übertragen wird.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a weist neben dem bereits beschriebenen, ersten, niederdruckseitig angeordneten Bypass-Strömungspfad 18 einen zweiten, hochdruckseitig angeordneten Bypass-Strömungspfad 19a auf, welcher sich von einer vierten Abzweigstelle 20 bis zu einer dritten Mündungsstelle 21 erstreckt. Dabei ist die vierte Abzweigstelle 20 zwischen dem Verdichter 4 und dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ausgebildet, während die dritte Mündungsstelle 21 zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 und dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 vorgesehen ist.
    An der vierten Abzweigstelle 20 kann das Kältemittel entweder durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 oder durch den zweiten Bypass-Strömungspfad 19a geleitet werden. Der zweite Bypass-Strömungspfad 19a weist neben einer Kältemittelverbindungsleitung keine weiteren Komponenten auf und dient dem Vorbeileiten von Kältemittel am ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5.
  • Sowohl die dritte Abzweigstelle 13 als auch die dritte Mündungsstelle 21 sind als ein Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktion ausgebildet. Beide Drei-Wege-Ventile 13, 21 weisen drei Anschlüsse a, b, c auf. Die Anschlüsse a, b sind jeweils als Auslässe und der Anschluss c als Einlass konfiguriert. Dabei ist das erste Drei-Wege-Ventil 13 über den ersten Anschluss a mit dem ersten Bypass-Strömungspfad 18 verbunden. Das erste Drei-Wege-Ventil 13 ist zudem über den zweiten Anschluss b ist mit dem zweiten, als Verdampfer beziehungsweise als Chiller betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 gekoppelt, während über den dritten Anschluss c eine Verbindung zur zweiten Abzweigstelle 12 hergestellt ist. Das zweite Drei-Wege-Ventil 21 ist über den ersten Anschluss a mit dem zweiten Bypass-Strömungspfad 19a und über den zweiten Anschluss b mit dem ersten, als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 gekoppelt, während über den dritten Anschluss c eine Verbindung zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 hergestellt ist.
  • Beide Drei-Wege-Ventile 13, 21 können in unterschiedlichen Funktionsweisen, insbesondere als Absperrventile und Expansionsventile, betrieben werden. In den Drei-Wege-Ventilen 13, 21 sind die Funktionen eines Absperrventils und eines Expansionsventil innerhalb einer Komponente vereint.
  • In einer ersten Funktion sind alle drei Anschlüsse a, b, c geschlossen, was insbesondere für den Betrieb des ersten Drei-Wege-Ventils 13 von Bedeutung ist, um je nach Betriebsmodus des Systems 1a weder den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 noch den ersten Bypass-Strömungspfad 18 mit Kältemittel zu beaufschlagen.
  • Bei einer zweiten Funktionsweise ist jeweils der erste Anschluss a geschlossen, während der zweite Anschluss b und der dritte Anschluss c geöffnet sind. Das Drei-Wege-Ventil 13, 21 kann dabei einerseits derart eingestellt sein, dass das Kältemittel beim Durchströmen expandiert wird, oder das Drei-Wege-Ventil 13, 21 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel nahezu druckverlustfrei hindurchgeleitet wird. Bei einem derartigen Betrieb des ersten Drei-Wege-Ventils 13 strömt das Kältemittel durch den dritten Anschluss c ein und strömt expandiert oder ohne Druckverlust durch den zweiten Anschluss b in Richtung des zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 8 aus.
  • Bei einem derartigen Betrieb des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 strömt das Kältemittel durch den zweiten Anschluss b ein und strömt expandiert oder ohne Druckverlust durch den dritten Anschluss c in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 aus. Mit dem insbesondere als elektronische Komponente ausgebildeten zweiten Drei-Wege-Ventil 21 kann jeder Druck zwischen dem Hochdruckniveau und dem Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs 2a eingestellt werden. Mit dem Einstellen des sogenannten Mitteldruckniveaus kann der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 als Umgebungsluftwärmeübertrager entweder als Kondensator/Gaskühler zur Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft oder als Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft betrieben werden.
  • Eine dritte Funktionsweise ermöglicht jeweils das Leiten des Kältemittels durch einen Bypass-Strömungspfad 18, 19a ohne Druckverlust des Kältemittels. Dabei ist jeweils der zweite Anschluss b geschlossen, während sowohl der erste Anschluss a als auch der dritte Anschluss c vollständig geöffnet sind. Das Drei-Wege-Ventil 13, 21 wird in einem sogenannten Bypass-Modus betrieben.
  • Die vorzugsweise als Expansionsventile konfigurierten Expansionsorgane 9, 10 sind derart ausgebildet, nach Bedarf vollständig zu schließen, sodass ein Wechsel der Betriebsmodi, insbesondere zwischen einem Heizmodus und einem Kälteanlagenmodus, stufenlos sowie ohne Abschalten des Verdichters 4 erfolgen kann. Auf eine Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 2a mit einer Umkehr der Strömungrichtung des Kältemittels durch den dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 kann verzichtet werden, was unter anderem zu einem vereinfachten Ölmanagement führt, da Ölfallen und Kältemittelfallen im Kältemittelkreislauf 2a vermieden werden.
  • Der Kältemittelkreislauf 2a ist im Niederdruckbereich zwischen der zweiten Mündungsstelle 15 und dem Verdichter 4 mit einem Akkumulator 22 ausgebildet. Der Akkumulator 22 ist folglich in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 4 angeordnet.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf 3 weist neben dem bereits beschriebenen, als Kondensator/Gaskühler im Kältemittelkreislauf 2a betriebenen, ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 eine als Kühlmittelpumpe ausgebildete erste Fördervorrichtung 30 zum Umwälzen des Kühlmittels, einen ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum sowie einen Zusatz-Heizwärmeübertrager 32 auf. Der Zusatz-Heizwärmeübertrager 32 kann als elektrischer Heizer, beispielsweise als PTC-Heizer, zum zusätzlichen Erwärmen des Kühlmittels ausgebildet sein, von welchem die aufgenommene Wärme an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Der optional betreibbare Zusatz-Heizwärmeübertrager 32 sorgt, insbesondere als Hochvolt-PTC-Heizer, luftseitig für einer höhere und angepasste Heizleistung und Dynamik.
  • Zudem kann der erste Kühlmittelkreislauf 3 mit einem zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und Umgebungsluft, insbesondere vom Kühlmittel an die Umgebungsluft, und damit als Umgebungsluftwärmeübertrager ausgebildet sein. Die in 1 nicht dargestellte Anbindung des zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 33 innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 kann wie folgt ausgestaltet sein:
    • An einer in Strömungsrichtung des Kühlmittels der ersten Fördervorrichtung 30 nachfolgend vorgesehenen Abzweigstelle kann der Massenstrom des Kühlmittels in einen durch einen ersten Strömungspfad geleiteten ersten Teilmassenstrom und einen durch einen zweiten Strömungspfad geleiteten zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades ist der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 angeordnet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 angeordnet ist. Der erste Teilmassenstrom und der zweite Teilmassenstrom des Kühlmittels werden an einer speziell als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Mündungsstelle miteinander vermischt und anschließend durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 angesaugt. Derart können die Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31, 33 unabhängig voneinander betrieben oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagt werden.
  • Innerhalb des ersten Gehäuses 60 des Klimagerätes ist der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 insbesondere zum Konditionieren des in den vorderen Bereich des Fahrgastraums zugeführten Zuluftmassenstroms vorgesehen. Dabei ist der als Verdampfer betriebene erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 des Kältemittelkreislaufs 2a in Strömungsrichtung der Zuluft vor dem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 angeordnet, sodass beispielsweise innerhalb des in einem Heizmodus betriebenen Systems 1a die Zuluft für den Fahrgastraum erwärmt oder innerhalb des in einem Nachheizmodus betriebenen Systems 1a die beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 entfeuchtete und/oder abgekühlte Zuluft für den Fahrgastraum wieder erwärmt werden kann.
  • Der nicht vollständig dargestellte zweite Kühlmittelkreislauf weist neben dem bereits beschriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 als thermische Kopplung zum Kältemittelkreislauf 2a ebenfalls mindestens eine als Kühlmittelpumpe ausgebildete Fördervorrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels, mindestens einen Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Temperieren, speziell zum Kühlen der Komponenten des Antriebsstrangs sowie einen dritten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und Umgebungsluft, insbesondere vom Kühlmittel an die Umgebungsluft, auf. Der zweite Kühlmittelkreislauf kann dabei aus mehreren untergeordneten Kühlmittelkreisläufen ausgebildet sein, welche beispielsweise mittels 3/2-Wege-Ventilen miteinander verbunden oder getrennt werden können, und zum aktiven Kühlen in Verbindung mit dem Kältemittelkreislauf 2a oder zum passiven Kühlen in Verbindung mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 betrieben werden.
  • Die zur Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft ausgebildeten zweiter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3, dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 des Kältemittelkreislaufs 2a und dritter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 41 des zweiten Kühlmittelkreislaufs sind in angegebener Reihenfolge in Strömungsrichtung 62 der Umgebungsluft im Frontbereich einer Karosserie des Kraftfahrzeugs angeordnet. Der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 wird von der Umgebungsluft als erster Wärmeübertrager angeströmt. Alternativ können die Wärmeübertrager 17, 33, 41 parallel zueinander von Umgebungsluft beaufschlagt werden.
  • Die mit Umgebungsluft beaufschlagbaren und damit als Umgebungsluftwärmeübertrager betriebenen zweiter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 33 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3, dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 des Kältemittelkreislaufs 2a und dritter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 41 des zweiten Kühlmittelkreislaufs sind innerhalb eines Luftkanals angeordnet ist, welcher mittels einer Strömungsleiteinrichtung 63, auch als Kühlluftjalousie bezeichnet, verschließbar ist. Die frontseitig am Kraftfahrzeug vorgesehene Kühlluftjalousie 63 ist vorteilhaft elektrisch verstellbar und kann je nach Bedarf, insbesondere vollständig oder teilweise geöffnet beziehungsweise geschlossen werden. Innerhalb des Luftkanals ist zudem ein Gebläse vorgesehen, welches während des Betriebs die Umgebungsluft durch die geöffnete Kühlluftjalousie 63 ansaugt und über die Wärmeübertragungsflächen der Wärmeübertrager 33, 17, 41 fördert. Das Gebläse wird insbesondere während des Stillstands oder bei sehr geringer Fahrtgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs betrieben.
  • Zum bedarfsgerechten Regeln des Systems 1a weist der Kältemittelkreislauf 2a Sensoren 51, 52, 53, 54, 55 auf. Dabei sind ein erster Sensor 51 und ein zweiter Sensor 52 als Temperatur-Sensoren ausgebildet. Der erste Temperatur-Sensor 51 ist innerhalb des ersten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet, während der zweite Temperatur-Sensor 52 innerhalb des zweiten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 angeordnet ist. Zudem sind ein dritter Sensor 53, ein vierter Sensor 54 und ein fünfter Sensor 55 jeweils als Druck-Temperatur-Sensor ausgebildet. Dabei ist der erste Druck-Temperatur-Sensor 53 innerhalb des dritten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 angeordnet, während der zweite Druck-Temperatur-Sensor 54 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter und der dritte Druck-Temperatur-Sensor 55 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 angeordnet sind.
    Zudem sind weitere Sensoren 56, 57, 58 vorgesehen. Dabei sind ein sechster Sensor 56, ein siebenter Sensor 57 und ein achter Sensor 58 jeweils als ein Temperatur-Sensor ausgebildet. Der dritte Temperatur-Sensor 56 ist innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem als Heizwärmeübertrager ausgebildeten ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 angeordnet, während der vierte Temperatur-Sensor 57 innerhalb des ersten Gehäuses 60 des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und vor dem als Heizwärmeübertrager ausgebildeten ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 sowie der fünfte Temperatur-Sensor 58 innerhalb des zweiten Gehäuses 61 des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 angeordnet sind.
  • Beim Betrieb des Systems 1a nach 1 in einem Kälteanlagenmodus mit aktiver Kühlung von Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs gemäß 2a wird die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beziehungsweise im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel beziehungsweise die im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 von mindestens einer Komponente des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen.
  • Die Zuluft für den vorderen Bereich des Fahrgastraums wird in Strömungsrichtung 64 durch das erste Gehäuse 60 des Klimagerätes, in welchem der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 angeordnet ist, geleitet, während die Zuluft für den hinteren Bereich des Fahrgastraums in Strömungsrichtung 65 durch das zweite Gehäuse 61 des Klimagerätes, in welchem der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 angeordnet ist, geleitet wird.
  • Das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs wird in Strömungsrichtung 66 durch den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, welcher vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmeübertrager betrieben wird, gefördert.
  • Das Hochdruckkältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 an den Abzweigstellen 11, 12 in drei Teilmassenströme aufgeteilt. Das Kältemittel jedes der drei Teilmassenströme wird expandiert und einem der als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6, 7 beziehungsweise dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 zugeführt. Dabei wird das als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildete erste Drei-Wege-Ventil 13 als Expansionsorgan im Expansions-Modus betrieben. Der niederdruckseitige erste Bypass-Strömungspfad 18 ist geschlossen und wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Zudem wird das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 im Bypass-Modus betrieben. Das zweite Drei-Wege-Ventil 21 ist zwischen dem ersten Anschluss a und dem dritten Anschluss c vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 21 nahezu druckverlustfrei passiert. Der hochdruckseitige zweite Bypass-Strömungspfad 19a ist geöffnet. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 ist abhängig von den erforderlichen Leistungen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17, des dritten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 41 beziehungsweise gegebenenfalls des zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 33 und der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs bei nicht aktivierten Gebläse geschlossen oder geöffnet und bei aktiviertem Gebläse stets geöffnet, sodass die Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch und über die Wärmeübertragungsfläche des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 strömt.
  • Aus 2b geht das System 1a nach 1 während des Betriebs ausschließlich im Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums hervor, während 2c das System 1a nach 1 während des Betriebs ausschließlich mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs zeigt.
  • Im Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 2a wird das Hochdruckkältemittel beim Betrieb nach 2b nach dem Ausströmen aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 lediglich an der ersten Abzweigstelle 11 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt. Das Kältemittel der zwei Teilmassenströme wird jeweils beim Durchströmen der Expansionsorgane 9, 10 expandiert und einem der als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6, 7 zugeführt. Beim als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildeten ersten Drei-Wege-Ventil 13 sind alle drei Anschlüsse a, b, c geschlossen, um derart weder den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 des zweiten Kühlmittelkreislaufs noch den ersten Bypass-Strömungspfad 18 mit Kältemittel zu beaufschlagen.
  • Im Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 2a wird das Hochdruckkältemittel beim Betrieb nach 2c nach dem Ausströmen aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 vollständig zur dritten Abzweigstelle 13, welche als erstes Drei-Wege-Ventil 13 als Expansionsorgan im Expansions-Modus betrieben wird, geleitet. Beim Durchströmen des ersten Drei-Wege-Ventils 13 wird das Kältemittel expandiert und dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 des zweiten Kühlmittelkreislaufs zugeführt. Das erste Expansionsorgan 9 und das zweite Expansionsorgan 10 sind geschlossen, sodass neben dem niederdruckseitigen ersten Bypass-Strömungspfad 18 zudem sowohl der erste Strömungspfad mit dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 als auch der zweite Strömungspfad mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 geschlossen sind und nicht mit Kältemittel beaufschlagt werden.
  • Zudem wird das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 im Bypass-Modus betrieben. Das zweite Drei-Wege-Ventil 21 ist zwischen dem ersten Anschluss a und dem dritten Anschluss c vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 21 nahezu druckverlustfrei passiert. Der hochdruckseitige zweite Bypass-Strömungspfad 19a ist geöffnet. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Die 3a bis 3c zeigen jeweils das System 1a nach 1 während des Betriebs in einem Nachheizmodus, während aus den 4a bis 4c jeweils das System 1a nach 1 während des Betriebs in einem Heizmodus hervorgeht.
  • Beim Betrieb des Systems 1a in einem Heizmodus oder einem Nachheizmodus kann sowohl die Abwärme des Klimatisierungssystems, insbesondere die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beziehungsweise im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel, als auch die im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 von mindestens einer Komponente des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt werden.
    Dabei wird das beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler für das Kältemittel betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 erwärmte, im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum durch den als Heizwärmeübertrager betriebenen ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 geleitet.
  • Beim Betrieb des Systems 1a nach 1 in einem Nachheizmodus mit passiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmesenke oder Wärmequelle für das Kältemittel gemäß 3a wird entweder die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme je nach Bedarf anteilig im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel sowie im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen oder im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 wird zusätzliche Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen, welche zusammen mit der im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 von der Zuluft für den Fahrgastraum an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragenen Wärme im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen wird.
  • Die Zuluft für den vorderen Bereich des Fahrgastraums wird in Strömungsrichtung 64 durch das erste Gehäuse 60 des Klimagerätes, in welchem der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 in Strömungsrichtung 64 der Zuluft nacheinander angeordnet sind, geleitet und beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 entfeuchtet sowie möglicherweise abgekühlt und anschließend beim Überströmen des ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 31 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 erwärmt.
  • Das aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 ausströmende Kältemittel wird je nach Druckniveau beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 9 expandiert oder druckverlustfrei durch das erste Expansionsorgan 9 hindurchgeleitet und dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 zugeführt. Das dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 vorgelagerte zweite Expansionsorgan 10 stets geschlossen. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 wird nicht von Kältemittel durchströmt. Beim als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildeten ersten Drei-Wege-Ventil 13 sind stets alle drei Anschlüsse a, b, c geschlossen, um derart weder den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 des zweiten Kühlmittelkreislaufs noch den ersten Bypass-Strömungspfad 18 mit Kältemittel zu beaufschlagen.
  • Das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 wird je nach Bedarf und damit Nutzen der Umgebungsluft als Wärmesenke oder Wärmequelle für das Kältemittel in verschiedenen Modi betrieben. Der erste Anschluss a des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 ist stets geschlossen, sodass der zweite Bypass-Strömungspfad 19a nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird und das Kältemittel zum Übertragen der Wärme an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 strömt.
  • Einerseits kann das zweite Drei-Wege-Ventil 21 zwischen dem zweiten Anschluss b und dem dritten Anschluss c vollständig geöffnet sein, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 21 nahezu druckverlustfrei passiert. Das Kältemittel strömt durch den dritten Anschluss c in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 auf Hochdruckniveau aus dem zweiten Drei-Wege-Ventil 21 aus. Anschließend wird das Kältemittel durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 geleitet. Dabei wird Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 9 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau expandiert. Andererseits kann das zweite Drei-Wege-Ventil 21 zwischen dem zweiten Anschluss b und dem dritten Anschluss c derart eingestellt sein, dass das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 expandiert wird. Das Kältemittel strömt durch den dritten Anschluss c in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 auf einem Mitteldruckniveau oder auf dem Niederdruckniveau aus dem zweiten Drei-Wege-Ventil 21 aus. Anschließend wird das Kältemittel durch den dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 geleitet, welcher je nach Drucklage des Kältemittels in Verbindung mit der Temperatur der Umgebungsluft entweder als Kondensator/Gaskühler oder als Verdampfer für das Kältemittel betrieben wird. Dabei wird je nach Betriebsweise Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft oder von der Umgebungsluft an das Kältemittel übertragen. Falls das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 auf Niederdruckniveau entspannt wird, ist das erste Expansionsorgan 9 vollständig geöffnet, ansonsten wird das Kältemittel beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 9 auf das Niederdruckniveau expandiert.
  • Die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 ist abhängig von den erforderlichen Leistungen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17, des zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 33 beziehungsweise des dritten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 41 und der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs bei nicht aktivierten Gebläse geschlossen oder geöffnet und bei aktiviertem Gebläse stets geöffnet, sodass die Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch und über die Wärmeübertragungsfläche des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 strömt.
  • Beim Betrieb des Systems 1a nach 1 in einem Nachheizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs gemäß 3b wird sowohl die im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 von der Zuluft für den Fahrgastraum als auch die im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs jeweils an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen.
  • Die Zuluft für den vorderen Bereich des Fahrgastraums wird jeweils in Strömungsrichtung 64 durch das erste Gehäuse 60 des Klimagerätes, in welchem der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 in Strömungsrichtung 64 der Zuluft nacheinander angeordnet sind, geleitet und beim Überströmen des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 entfeuchtet sowie möglicherweise abgekühlt und anschließend beim Überströmen des ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 31 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 erwärmt.
  • Das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs wird in Strömungsrichtung 66 durch den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, welcher vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmeübertrager betrieben wird, gefördert.
  • Das Hochdruckkältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 an der Abzweigstelle 11 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt. Das Kältemittel jedes der zwei Teilmassenströme wird expandiert und dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 beziehungsweise dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 zugeführt. Dabei wird das als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildete erste Drei-Wege-Ventil 13 als Expansionsorgan im Expansions-Modus betrieben. Sowohl der niederdruckseitige erste Bypass-Strömungspfad 18 als auch das dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 vorgelagerte zweite Expansionsorgan 10 sind geschlossen. Weder der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 noch der erste Bypass-Strömungspfad 18 werden mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 wird derart betrieben, dass zum einen der erste Anschluss a geschlossen ist, sodass der zweite Bypass-Strömungspfad 19a nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird und das Kältemittel zum Übertragen der Wärme an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 strömt, und zum anderen der Durchgang zwischen dem zweiten Anschluss b und dem dritten Anschluss c vollständig geöffnet ist, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 21 nahezu druckverlustfrei passiert. Das Kältemittel strömt durch den dritten Anschluss c in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 auf Hochdruckniveau aus dem zweiten Drei-Wege-Ventil 21 aus.
  • Die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 ist geschlossen, sodass keine Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 geleitet wird. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 ist außer Betrieb.
  • Aus 3c geht das System 1a nach 1 während des Betriebs im Nachheizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel hervor.
  • Im Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 3b ist zum einen die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 geöffnet, sodass die Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch und über die Wärmeübertragungsfläche des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 strömt. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 ist in Betrieb, wobei das Kältemittel zusätzliche Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt, welche zusammen mit der im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 von der Zuluft für den Fahrgastraum und der im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs jeweils an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen wird. Zum anderen wird das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 zum Nutzen der Umgebungsluft als zusätzliche Wärmequelle für das Kältemittel betrieben. Während der erste Anschluss a des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 geschlossen ist, sodass der zweite Bypass-Strömungspfad 19a nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird und das Kältemittel zum Übertragen der Wärme an das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 strömt, ist das zweite Drei-Wege-Ventil 21 zwischen dem zweiten Anschluss b und dem dritten Anschluss c derart eingestellt, dass das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 expandiert wird. Das Kältemittel strömt durch den dritten Anschluss c in Richtung des als Verdampfer betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 auf einem Mitteldruckniveau oder auf dem Niederdruckniveau aus dem zweiten Drei-Wege-Ventil 21 aus. Beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 wird Wärme von der Umgebungsluft an das Kältemittel übertragen. Falls das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 auf Niederdruckniveau entspannt wird, sind das erste Expansionsorgan 9 und das als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildete erste Drei-Wege-Ventil 13 zwischen dem dritten Anschluss c und dem zweiten Anschluss b jeweils vollständig geöffnet, ansonsten wird das Kältemittel beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 9 und des als Expansionsorgan im Expansions-Modus betriebenen ersten Drei-Wege-Ventils 13 auf das Niederdruckniveau expandiert.
  • Beim Betrieb des Systems 1a nach 1 in einem Heizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel gemäß 4a wird sowohl die im zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs als auch die im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 von der Umgebungsluft jeweils an das im Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel übertragene Wärme im ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3 zirkulierende Kühlmittel übertragen.
  • Die Zuluft für den vorderen Bereich des Fahrgastraums wird in Strömungsrichtung 64 durch das erste Gehäuse 60 des Klimagerätes, in welchem der erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 31 angeordnet ist, geleitet und beim Überströmen des ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 31 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 erwärmt.
  • Das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs wird in Strömungsrichtung 66 durch den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8, welcher vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmeübertrager betrieben wird, gefördert.
  • Die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 ist geöffnet, sodass die Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch und über die Wärmeübertragungsfläche des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 strömt.
  • Der wesentliche Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 3c besteht darin, dass sowohl das dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 vorgelagerte erste Expansionsorgan 9 als auch das dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 vorgelagerte zweite Expansionsorgan 10 geschlossen sind, sodass weder der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 noch der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 von Kältemittel durchströmt werden. Die Zuluft für den Fahrgastraum wird weder entfeuchtet noch gekühlt, sondern ausschließlich erwärmt.
  • Aus 4b geht das System 1a nach 1 während des Betriebs im Heizmodus ausschließlich mit Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel hervor, während 4c das System 1a nach 1 während des Betriebs im Heizmodus ausschließlich mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs und damit den Antriebskomponenten als Wärmequelle für das Kältemittel zeigt.
  • Im Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 4a wird zum einen das als dritte Abzweigstelle 13 ausgebildete erste Drei-Wege-Ventil 13 beim Betrieb nach 4b im Bypass-Modus betrieben. Das erste Drei-Wege-Ventil 13 ist zwischen dem dem dritten Anschluss c und dem ersten Anschluss a vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel das erste Drei-Wege-Ventil 13 nahezu druckverlustfrei passiert. Der niederdruckseitige erste Bypass-Strömungspfad 18 ist geöffnet. Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 8 des zweiten Kühlmittelkreislaufs wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Mit der Strömung des Kältemittels durch den ersten Bypass-Strömungspfad 18 kann das Kältemittel vom dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 direkt zum Akkumulator 22 geleitet werden, um saugseitige Druckverluste im Kältemittelkreislauf 2a zu minimieren.
  • Zum anderen wird das als dritte Mündungsstelle 21 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 21 zum Nutzen der Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel stets derart betrieben, dass das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 auf das Niederdruckniveau expandiert wird.
  • Im Unterschied zum Betrieb des Systems 1a nach 4a ist zum einen die frontseitig am Kraftfahrzeug angeordnete Kühlluftjalousie 63 beim Betrieb nach 4c geschlossen, sodass keine Umgebungsluft durch die Kühlluftjalousie 63 hindurch zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 geleitet wird. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 ist außer Betrieb.
    Zum anderen wird der Betrieb der Drei-Wege-Ventile 13, 21 derart aufeinander abgestimmt, dass entweder das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Drei-Wege-Ventils 21 vom zweiten Anschluss b zum dritten Anschluss c vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau expandiert und das erste Drei-Wege-Ventil 13 zwischen dem dritten Anschluss c und dem zweiten Anschluss b vollständig geöffnet ist oder das zweite Drei-Wege-Ventil 21 zwischen dem zweiten Anschluss b und dem dritten Anschluss c vollständig geöffnet ist und das Kältemittel beim Durchströmen des ersten Drei-Wege-Ventils 13 vom dritten Anschluss c zum zweiten Anschluss b vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau expandiert wird. Folglich wird jeweils eines der Drei-Wege-Ventile 13, 21 im Expansions-Modus betrieben, um das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau zu expandieren, während das andere Drei-Wege-Ventil 13, 21 vollständig geöffnet ist, um das Kältemittel nahezu druckverlustfrei hindurchzuleiten.
  • In 5 ist ein zweites System 1b zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2b mit dem niederdruckseitigen ersten Bypass-Strömungspfad 18, einem hochdruckseitigen zweiten Bypass-Strömungspfad 19b zum Umströmen des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5 sowie einem dritten Bypass-Strömungspfad 25 zum Umströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft sowie mit zwei jeweils mit dem Kältemittelkreislauf 2b thermisch gekoppelten Kühlmittelkreisläufen 3 gezeigt.
  • Der wesentliche Unterschied zwischen dem ersten System 1a nach 1 und dem zweiten System 1b liegt in der Ausbildung der Kältemittelkreisläufe 2a, 2b mit dem zweiten Bypass-Strömungspfad 19a, 19b um den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 in Verbindung mit der Ausbildung der dritten Mündungsstelle 21, 23 sowie einem dritten Bypass-Strömungspfad 25 um den dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17.
  • Der zweite, hochdruckseitig angeordnete Bypass-Strömungspfad 19b des Kältemittelkreislaufs 2b erstreckt sich von der vierten Abzweigstelle 20 bis zur dritten Mündungsstelle 23. Dabei ist die vierte Abzweigstelle 20, wie beim Kältemittelkreislauf 2a des Systems 1a, zwischen dem Verdichter 4 und dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ausgebildet, während die dritte Mündungsstelle 23 zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 und der zusätzlichen fünften Abzweigstelle 24 vorgesehen ist. Der zweite Bypass-Strömungspfad 19b weist innerhalb der Kältemittelverbindungsleitung ein Absperrorgan, insbesondere ein Absperrventil, auf.
    An der vierten Abzweigstelle 20 kann das Kältemittel wiederum entweder durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 oder durch den zweiten Bypass-Strömungspfad 19b geleitet werden.
  • Die fünfte Abzweigstelle 24 ist, wie die dritte Mündungsstelle 21 des Kältemittelkreislaufs 2a des Systems 1a, als ein zweites Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktion und drei Anschlüssen a, b, c ausgebildet. Dabei ist das zweite Drei-Wege-Ventil 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b über den ersten Anschluss a mit dem dritten Bypass-Strömungspfad 25 verbunden, welcher sich vom Drei-Wege-Ventil 24 bis zu einer vierten Mündungsstelle 26 erstreckt. Die vierte Mündungsstelle 26 ist zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 und der ersten Abzweigstelle 11 vorgesehen. Das zweite Drei-Wege-Ventil 24 ist zudem über den zweiten Anschluss b mit dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 gekoppelt, während über den dritten Anschluss c eine Verbindung zur dritten Mündungsstelle 23 hergestellt ist.
  • Um ein Rückströmen des durch den dritten Bypass-Strömungspfad 25 geleiteten Kältemittels zum dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 zu verhindern, ist zwischen der vierten Mündungsstelle 26 und dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 eine zweite Rückschlagvorrichtung 27, insbesondere ein Rückschlagventil, vorgesehen. Die erste, insbesondere als ein Rückschlagventil ausgebildete Rückschlagvorrichtung 16, ist, wie beim Kältemittelkreislauf 2a des Systems 1a aus 1, zwischen der ersten Mündungsstelle 14 und der zweiten Mündungsstelle 15 angeordnet.
  • Auch das zweite Drei-Wege-Ventil 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b kann in unterschiedlichen Funktionsweisen, insbesondere als Absperrventil und Expansionsventil, betrieben werden. Die Funktionen eines Absperrventils und eines Expansionsventil sind innerhalb einer Komponente vereint.
    Bei einer der Funktionsweisen ist der erste Anschluss a und damit der dritte Bypass-Strömungspfad 25 geschlossen, während der zweite Anschluss b und der dritte Anschluss c geöffnet sind. Das zweite Drei-Wege-Ventil 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b kann dabei einerseits derart eingestellt sein, dass das Kältemittel beim Durchströmen expandiert wird, oder das zweite Drei-Wege-Ventil 24 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel nahezu druckverlustfrei hindurchgeleitet wird. Bei einem derartigen Betrieb des zweiten Drei-Wege-Ventils 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b strömt das Kältemittel durch den dritten Anschluss c ein und strömt expandiert oder ohne Druckverlust durch den zweiten Anschluss b in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 aus. Mit dem insbesondere als elektronische Komponente ausgebildeten zweiten Drei-Wege-Ventil 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b kann jeder Druck zwischen dem Hochdruckniveau und dem Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs 2b eingestellt werden. Mit dem Einstellen des Mitteldruckniveaus kann der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 als Umgebungsluftwärmeübertrager entweder als Kondensator/Gaskühler zur Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft oder als Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft betrieben werden.
  • Eine weitere Funktionsweise ermöglicht das Leiten des Kältemittels durch den dritten Bypass-Strömungspfad 25 ohne Druckverlust des Kältemittels. Dabei ist der zweite Anschluss b geschlossen, während sowohl der erste Anschluss a als auch der dritte Anschluss c vollständig geöffnet sind. Das zweite Drei-Wege-Ventil 24 des Kältemittelkreislaufs 2b des Systems 1b wird im Bypass-Modus betrieben.
  • Zu den einzelnen Betriebsmodi des zweiten Systems 1b, insbesondere des Kältemittelkreislaufs 2b, wird auf die Ausführungen zu den 2a bis 2c, 3a bis 3c und 4a bis 4c bezüglich des ersten Systems 1a verwiesen.
  • Beim Betrieb des zweiten Systems 1b nach 5 in einem Kälteanlagenmodus mit oder ohne oder ausschließlich mit aktiver Kühlung von Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs wird das als fünfte Abzweigstelle 24 ausgebildete zweite Drei-Wege-Ventil 24 jeweils derart betrieben, dass der Durchgang zwischen dem dritten Anschluss c und dem zweiten Anschluss b vollständig geöffnet ist, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 24 nahezu druckverlustfrei in Richtung des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 passiert. Der hochdruckseitige zweite Bypass-Strömungspfad 19b ist geöffnet. Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 wird jeweils nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
  • Beim Betrieb des zweiten Systems 1b nach 5 in einem Nachheizmodus oder einem Heizmodus ist der hochdruckseitige zweite Bypass-Strömungspfad 19b stets geschlossen, sodass das Kältemittel durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 geleitet wird. Beim Betrieb des zweiten Systems 1b nach 5 im Nachheizmodus mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs sowie im Heizmodus ausschließlich mit aktiver Kühlung der Antriebskomponenten des insbesondere elektrischen Antriebsstrangs wird das zweite Drei-Wege-Ventil 24 im Bypass-Modus betrieben. Das zweite Drei-Wege-Ventil 24 ist zwischen dem dritten Anschluss c und dem ersten Anschluss a vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel das zweite Drei-Wege-Ventil 24 nahezu druckverlustfrei passiert. Der dritte Bypass-Strömungspfad 25 ist stets geöffnet, sodass das Kältemittel durch den dritten Bypass-Strömungspfad 25 und damit um den dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 17 herum geleitet wird. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 17 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Mit der Strömung des Kältemittels durch den dritten Bypass-Strömungspfad 25 kann das Kältemittel vom ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 direkt zur ersten Abzweigstelle 11 geleitet werden, um Druckverluste im Kältemittelkreislauf 2b zu minimieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b
    System
    2a, 2b
    Kältemittelkreislauf
    3
    erster Kühlmittelkreislauf
    4
    Verdichter
    5
    erster Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    6
    erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    7
    zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    8
    zweiter Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    9
    erstes Expansionsorgan
    10
    zweites Expansionsorgan
    11
    erste Abzweigstelle
    12
    zweite Abzweigstelle
    13
    dritte Abzweigstelle, drittes Expansionsorgan, erstes Drei-Wege-Ventil
    14
    erste Mündungsstelle
    15
    zweite Mündungsstelle
    16
    (erste) Rückschlagvorrichtung
    17
    dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    18
    erster Bypass-Strömungspfad
    19a,19b
    zweiter Bypass-Strömungspfad
    20
    vierte Abzweigstelle
    21
    dritte Mündungsstelle, zweites Drei-Wege-Ventil
    22
    Akkumulator
    23
    dritte Mündungsstelle
    24
    fünfte Abzweigstelle, zweites Drei-Wege-Ventil
    25
    dritter Bypass-Strömungspfad
    26
    vierte Mündungsstelle
    27
    zweite Rückschlagvorrichtung
    30
    Fördervorrichtung erster Kühlmittelkreislauf 3
    31
    erster Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    32
    Zusatz-Heizwärmeübertrager
    33
    zweiter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    40
    Anschluss zweiter Kühlmittelkreislauf
    41
    dritter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    51
    erster Sensor, erster Temperatur-Sensor Kältemittel
    52
    zweiter Sensor, zweite Temperatur-Sensor Kältemittel
    53
    dritter Sensor, erster Druck-Temperatur-Sensor Kältemittel
    54
    vierter Sensor, zweiter Druck-Temperatur-Sensor Kältemittel
    55
    fünfter Sensor, dritter Druck-Temperatur-Sensor Kältemittel
    56
    sechster Sensor, dritter Temperatur-Sensor Kühlmittel
    57
    siebenter Sensor, vierter Temperatur-Sensor Zuluft
    58
    achter Sensor, fünfter Temperatur-Sensor Zuluft
    60
    erstes Gehäuse Klimagerät
    61
    zweites Gehäuse Klimagerät
    62
    Strömungsrichtung Umgebungsluft
    63
    Strömungsleiteinrichtung Umgebungsluft, Kühlluftjalousie
    64
    Strömungsrichtung Zuluft erstes Gehäuse 60
    65
    Strömungsrichtung Zuluft zweites Gehäuse 61
    66
    Strömungsrichtung Kühlmittel
    a, b , c
    Anschluss Drei-Wege-Ventil 13, 21, 24
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013105747 A1 [0007]
    • DE 102019109796 A1 [0008]

Claims (27)

  1. System (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs, aufweisend - einen Kältemittelkreislauf (2a, 2b) mit einem Verdichter (4), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5), mindestens einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6, 7) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (9, 10) und mindestens einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel zum Temperieren von Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs und dem Kältemittel mit einem vorgelagerten Expansionsorgan (13) sowie - mindestens einen Kühlmittelkreislauf (3) mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) und einem als Heizwärmeübertrager betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (31) zum Erwärmen von Zuluft des Fahrgastraums, wobei der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) niederdruckseitig mit einem Bypass-Strömungspfad (18) um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (6, 7, 8) ausgebildet ist.
  2. System (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6, 7) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums mit dem vorgelagerten Expansionsorgan (9, 10) und der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) mit dem vorgelagerten Expansionsorgan (13) sowie der Bypass-Strömungspfad (18) jeweils parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kältemittel beaufschlagbar sind.
  3. System (1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft ausgebildet ist, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
  4. System (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft innerhalb eines Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft angeordnet ist, welcher mittels einer Strömungsleiteinrichtung (63) verschließbar ist.
  5. System (1a) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (63) aktiv steuerbar und verstellbar ausgebildet ist.
  6. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) hochdruckseitig mit einem Bypass-Strömungspfad (19a, 19b) um den als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) ausgebildet ist, welcher sich von einer Abzweigstelle (20) bis zu einer Mündungsstelle (21, 23) erstreckt.
  7. System (1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsstelle (21) als ein Drei-Wege-Ventil (21) mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen (a, b, c) ausgebildet ist.
  8. System (1a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (21) an einem ersten Anschluss (a) mit dem Bypass-Strömungspfad (19a) um den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5), an einem zweiten Anschluss (b) mit dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) und an einem dritten Anschluss (c) mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft verbunden ist.
  9. System (1b) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2b) mit einem Bypass-Strömungspfad (25) um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft ausgebildet ist, welcher sich von einer Abzweigstelle (24) bis zu einer Mündungsstelle (26) erstreckt, wobei die Abzweigstelle (24) zwischen dem ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft angeordnet sowie als ein Drei-Wege-Ventil (24) mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen (a, b, c) ausgebildet ist.
  10. System (1b) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (24) an einem ersten Anschluss (a) mit dem Bypass-Strömungspfad (25) um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, an einem zweiten Anschluss (b) mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft und an einem dritten Anschluss (c) mit dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) verbunden ist.
  11. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der niederdruckseitig um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (6, 7, 8) ausgebildete Bypass-Strömungspfad (18) und ein mit dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) ausgebildeter Strömungspfad jeweils von einer Abzweigstelle (13) bis zu einer Mündungsstelle (15) erstreckend ausgebildet sind, wobei die Abzweigstelle (13) als ein Drei-Wege-Ventil (13) mit Expansionsfunktion und mit drei Anschlüssen (a, b, c) ausgebildet ist.
  12. System (1a, 1b) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (13) an einem ersten Anschluss (a) mit dem Bypass-Strömungspfad (18) um die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (6, 7, 8), an einem zweiten Anschluss (b) mit einem Strömungspfad mit dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) und an einem dritten Anschluss (c) mit einer Abzweigstelle zu einem Strömungspfad mit einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6, 7) zum Konditionieren von Zuluft des Fahrgastraums verbunden ist.
  13. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (a) und ein zweiter Anschluss (b) jeweils als ein Auslass und ein dritter Anschluss (c) jeweils als ein Einlass des Drei-Wege-Ventils (13, 21, 24) ausgebildet sind.
  14. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (13) derart konfiguriert ist, dass in einer Betriebsstellung alle Anschlüsse (a, b, c) verschlossen sind.
  15. System (1a, 1b) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (13, 21, 24) derart konfiguriert ist, dass in einer Betriebsstellung der erste Anschluss (a) geschlossen und der zweite Anschluss (b) sowie der dritte Anschluss (c) geöffnet sind oder in einer Betriebsstellung der zweite Anschluss (b) geschlossen und der erste Anschluss (a) sowie der dritte Anschluss (c) geöffnet sind.
  16. System (1a, 1b) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (13, 21, 24) derart konfiguriert ist, dass in der Betriebsstellung mit geschlossenem ersten Anschluss (a) und geöffnetem zweiten Anschluss (b) sowie geöffnetem dritten Anschluss (c) ein Durchgang zwischen den geöffneten Anschlüssen (b, c) teilweise oder vollständig geöffnet ist, sodass das Kältemittel beim Durchströmen des Drei-Wege-Ventils (13, 21, 24) expandiert oder druckverlustfrei durch das Drei-Wege-Ventil (13, 21, 24) hindurchgeleitet wird.
  17. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) mit dem als Heizwärmeübertrager betriebenen ersten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (31) zum Erwärmen von Zuluft des Fahrgastraums und einem zweiten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (33) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
  18. System (1a, 1b) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3) einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad aufweist, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckend ausgebildet sowie parallel zueinander und unabhängig voneinander mit Kühlmittel beaufschlagbar angeordnet sind, wobei der als Heizwärmeübertrager betriebene erste Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (31) innerhalb des ersten Strömungspfades und der zweite Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (33) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet sind.
  19. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) als Komponente eines zweiten Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist.
  20. System (1a, 1b) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (41) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
  21. System (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (33) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel eines ersten Kühlmittelkreislaufs (3) an Umgebungsluft und/oder ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (41) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel eines zweiten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (2a, 2b) und Umgebungsluft innerhalb des mittels der Strömungsleiteinrichtung (63) verschließbaren Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft angeordnet sind.
  22. Verfahren zum Betreiben des Systems (1a, 1b) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 21, aufweisend folgende Schritte: - Übertragen von Wärme von Zuluft für einen Fahrgastraum an ein in einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (6, 7) und/oder - Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das im Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierende Kältemittel beim Durchströmen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (8) und Temperieren mindestens einer Antriebskomponente sowie - Übertragen von Wärme des im Kältemittelkreislauf (2a, 2b) zirkulierenden Kältemittels an ein in einem Kühlmittelkreislauf (3) zirkulierendes Kühlmittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (5), wobei das Kältemittel enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt und das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3) erwärmt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22 beim Betrieb des Systems (1a, 1b) in einem Nachheizmodus oder einem Heizmodus, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsleiteinrichtung (63) eines Luftkanals zum gezielten Leiten von Umgebungsluft, in welchem ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (17) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (2a, 2b) und Umgebungsluft und/oder ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (33) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel eines ersten Kühlmittelkreislaufs (3) an Umgebungsluft und/oder ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (41) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel eines zweiten Kühlmittelkreislaufs an Umgebungsluft angeordnet sind, geschlossen wird, sodass der Luftkanal nicht mit Umgebungsluft beaufschlagt wird und keine Wärme zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (2a, 2b) und Umgebungsluft und/oder keine Wärme von einem Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (63) je nach Betriebsmodus des Systems (1a, 1 b) und Bedarf aktiv gesteuert wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 22 beim Betrieb des Systems (1a, 1b) in einem Heizmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein als eine Abzweigstelle (13) ausgebildetes Drei-Wege-Ventil (13) in einem Bypass-Modus derart betrieben wird, dass das Kältemittel durch einen Bypass-Strömungspfad (18) um die beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (6, 7, 8) geleitet wird und keiner der Wärmeübertrager (6, 7, 8) mit Kältemittel beaufschlagt wird, wobei das Drei-Wege-Ventil (13) zwischen einem dritten Anschluss (c), welcher mit einer Abzweigstelle zu einem Strömungspfad mit mindestens einem der beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6, 7) verbunden ist, und einem ersten Anschluss (a), welcher mit dem Bypass-Strömungspfad (18) verbunden ist, vollständig geöffnet wird und ein zweiter Anschluss (b), welcher mit einem Strömungspfad mit dem beim Betrieb in anderen Betriebsmodi als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (8) verbunden ist, geschlossen wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das ein als eine Mündungsstelle (21) oder eine Abzweigstelle (24) ausgebildetes Drei-Wege-Ventil (21, 24) zum Nutzen der Umgebungsluft als Wärmequelle für das Kältemittel derart betrieben wird, dass das Kältemittel beim Durchströmen des Drei-Wege-Ventils (21, 24) von einem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau expandiert wird, wobei das Drei-Wege-Ventil (21) zwischen einem dritten Anschluss (c) und einem ersten Anschluss (a), zum expandierenden Durchleiten des Kältemittels geöffnet ist und ein erster Anschluss (a) geschlossen ist.
  27. Verwendung des Systems (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 in einem Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb oder einem hybriden Antrieb aus einem Elektromotor und einem Verbren n u ngsmotor.
DE102021101127.2A 2020-03-19 2021-01-20 System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems Pending DE102021101127A1 (de)

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