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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpeneinrichtung mit und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen zum Bereitstellen einer Schnellheizfunktion.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von Wärmepumpen bekannt, die zum Beispiel als Heizungsanlagen für Gebäude und Fahrzeuge eingesetzt werden. Das physikalische Prinzip besteht dabei darin, in einem Kältemittelkreis unter Aufwendung von Antriebsenergie, typischerweise mittels eines mechanisch oder elektrisch angetriebenen Kompressors, thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur an einem Verdampfer aufzunehmen und zusammen mit der Antriebsenergie auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur über einen Kondensator zu übertragen. Die Wärmepumpe ist im umgekehrten Betrieb auch als Kälteanlage oder Klimaanlage betreibbar.
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Während bei direkten Wärmepumpen der Verdampfer und/oder der Kondensator direkt mit dem zu beheizenden Raum als Luftwärmetauscher in Kontakt stehen, sind auch sogenannte indirekte Systeme mit einer fluidbasierten Kühlmittelsekundäreinrichtung bekannt. In diesem Fall steht der Kältemittelkreis nicht in direktem Kontakt mit der Umgebung, sondern der Verdampfer und/oder der Kondensator stehen über eine Kühlmittelsekundäreinrichtung wärmetauschend in Kontakt. Möglich sind auch hybride Systeme, in denen ein Teil der Wärmetauscher des Kältemittelkreises direkt und ein anderer Teil indirekt betrieben werden.
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Unter Kühlmitteln wird in diesem Zusammenhang ein wärmespeicherndes Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, verstanden, welche im Betrieb selbst keinen Phasenübergängen unterworfen wird. Als Kühlmittel eignet sich insbesondere eine gefrierpunkterniedrigte wässrige Lösung, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Prinzipiell können aber auch nicht wässrige Kühlmittel, z.B. Öle, Verwendung finden.
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Zu den Vorzügen solcher oft auch als Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmepumpen oder einfach Wasser-Wasser-Wärmepumpen bekannter Systeme zählt unter anderem, dass - falls der Kondensator wasserseitig betrieben wird - der zu klimatisierende Bereich gar nicht mehr direkt mit dem von dem Kältemittelkreis in Kontakt steht. Andererseits kann über den wasserbasierten Sekundärkreislauf leicht Abwärme als zusätzliche Wärmequelle eingespeist werden, wodurch sich die Effizienz der gesamten Wärmepumpeneinrichtung erhöht. Dies ist vorteilhaft für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, insbesondere für Elektrofahrzeuge, wodurch die Abwärme elektrischer Komponenten, z.B. von Batterien, Konvertern oder Invertern, verwertet werden kann. Gattungsgemäße Wärmepumpensystemen sind aus der
DE 10 2017 100 653 A1 und der
US 2016 0101 666 A1 bekannt.
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Bei einem Kaltstart kommt es systembedingt zu einer verzögerten Bereitstellung einer Heizfunktion, weil bei geringen Temperaturen gängige Kältemittelkreise eine vergleichsweise geringe Leistung haben, im Wärmepumpenbetrieb keine ausreichende Wärmequelle haben oder ggf. der Außenwärmetauscher vereist. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen kann auf keine unterstützende Abwärme eines Verbrennungsmotors zurückgegriffen werden. Aus diesen Gründen sind dann zusätzliche elektrische Zuheizer (sogenannte PTC Elemente) vorzusehen, welche allerdings Bauraum benötigen und die Systemkosten in die Höhe treiben.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kältemittelkreis mit einer fluidbasierten Kühlmittelsekundäreinrichtung bereitzustellen, wobei eine Schnellheizfunktion ohne zusätzliche elektrische Zuheizer ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmepumpeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpeneinrichtung, umfasst einen fluidbasierten Kühlmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Der Kältemittelkreis umfasst dabei einen ersten Kondensator, welcher mit einem zu heizenden Medium wärmetauschend in Kontakt steht, einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Kondensator und ein zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator angeordnetes erstes Expansionsorgan. Der Kältemittelkreis umfasst des Weiteren einen Verdampfer, welcher mit einem ersten Abschnitt des Kühlmittelkreises wärmetauschend in Kontakt steht, ein zwischen dem zweiten Kondensator und dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsorgan und einen zwischen dem Verdampfer und dem ersten Kondensator angeordneten Kompressor. Die erfindungsgemäße Wärmepumpeneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator wärmetauschend mit einem zweiten Abschnitt des Kühlmittelkreises in Kontakt steht, welcher mit dem ersten Abschnitt in eine Kurzschlussschaltung schaltbar ist. Der Vorteil besteht darin, dass die Einbindung des zweiten Kondensators in den Kühlmittelkreis und die dann erzeugbare Kurzschlussschaltung es ermöglicht, die Temperatur des Kühlmittels am Verdampfer zu erhöhen und damit den Saugdruck/ die Dichte des Kältemittels zu erhöhen. Der Kompressor fördert dann bei gleichem Volumenstrom mehr Massenstrom, was zu einer Erhöhung der Leistung und somit auch der nutzbaren Abwärme, d.h. Heizleistung führt. Ferner macht die hohe Druckdifferenz zwischen Hochdruck und Saugdruck am Kompressor (und bei entsprechender Drosselung am ersten Expansionsorgan) den Kältemittelkreis „ineffizient“ und wandelt somit schneller elektrische Energie des Kompressors in Heizleistung um.
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Unter einer Kurzschlussschaltung wird im Sinne der Erfindung eine Ringschaltung des ersten und zweiten Abschnitts des Kühlmittelkreises mit möglichst geringer thermischer Masse und damit geringer Trägheit verstanden, sodass ein direkter Wärmetransport vom zweiten Kondensator zum Verdampfer ermöglicht wird. Die Kurzschlussschaltung umfasst dabei wenigstens eine Pumpe. Je nach Ausgestaltung kann eine möglichst kurze Verbindung zwischen dem zweitem Kondensator und Verdampfer gewählt werden, wobei auf ggf. vorhandene Leitungen aus einem bestehenden Layout zurückgegriffen werden kann. Als Kompromisslösung können somit auch weitere Komponenten und Abschnitte des Kühlmittelkreises eingebunden sein.
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Das zu heizendes Medium in wärmetauschendem Kontakt mit dem ersten Kondensator kann an sich beliebig sein. Insbesondere kann der Kondensator ein Luftwärmetauscher oder ein Wasserwärmetauscher sein. Das zu heizende Objekt kann insbesondere ein Innenraum, eine Kabine oder auch eine zu temperierende Komponente, z.B. eine Batterie sein.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmepumpeneinrichtung ist gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, welche eingerichtet ist, Stellmittel anzusteuern, welche den Kühlmittelkreis und/oder den Kältemittelkreis, d.h. deren Komponenten oder Leitungsverschaltungen, verändern. Dies betrifft insbesondere die Ansteuerung von Pumpen, Ventilen, Kompressor, und Öffnungsquerschnitte der Expansionsorgane. Die Steuereinrichtung kann ferner ebenfalls eingerichtet sein, Stellmittel anzusteuern, welche am ersten Kondensator den Kontakt zu dem zu heizenden Medium verändern. Die betrifft insbesondere Klappen oder Blenden, welche den Wärmetausch beeinflussen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das am ersten Kondensator zu heizende Medium Luft ist und die Stellmittel eine Luftklappenanordnung umfassen, mittels derer der Luftdurchfluss durch den Kondensator veränderbar ist. Auf den Vorteil dieser vorrichtungstechnischen Anpassung wird noch mit Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren näher eingegangen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer zuvor genannten Wärmepumpeneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf Erfassen eines Signals zum Auslösen einer Schnellheizfunktion der zweite Kühlmittelzweig mit dem ersten Kühlmittelzweig in eine Kurzschlussschaltung geschaltet wird. Dies nutzt zweckgerichtet den oben genannten Effekt aus, dass der „ineffizient“ geschaltete Kältemittelkreis schnell elektrische Energie des Kompressors in Heizleistung umwandelt.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäß Verfahrens ist vorgesehen, dass auf Erfassen eines Signals zum Auslösen einer Schnellheizfunktion der erste Kondensator mit reduzierter Wärmeabgabe betrieben wird. Paradoxerweise wird also vorgeschlagen, bei der Anforderung der Schnellheizfunktion eben nicht sofort das zu heizende Objekt zu heizen, sondern zunächst eine Wärmezufuhr dorthin zu drosseln oder weitgehend ganz zu unterbinden, um den Kältemittelkreis möglichst ungestört in eine höhere Leistungsstufe zu bringen und damit mittelfristig schneller dem Heizziel zu dienen. Zu diesem Zeitpunkt ist der erste Kondensator im Idealfall ohne Funktion, d.h. er wird ohne nennenswerte Wärmeabgabe vom Kältemittel durchströmt. Nach der Verdichtung auf hohen Druck erfolgt somit eine Drosselung über das erste Expansionsorgan auf den Kondensationsdruck des zweiten Kondensator. Durch den hohen Druck ggf. nahe dem Maximaldruck im Hochdruckabschnitt stromabwärts von dem Kompressor wird der Betrieb ineffizient, was in diesem Fall gewollt ist, um eine hohe elektrische Leistungsaufnahme herbeizuführen.
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Je nach Ausgestaltung der Erfindung kann eine reduzierte Wärmeabgabe auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Der Kondensator kann z.B. im Kältemittelkreis über einen Bypass umgangen werden oder der Kontakt des Kondensators mit dem zu heizenden Medium kann reduziert oder ganz unterbunden werden. Je nach Wärmetauschertyp kann dies eine Abschirmung durch Luftklappen (bei einem Luftwärmetauscher) oder die reduzierte Durchflussrate einer Kühlflüssigkeit (bei einem Wasserwärmetauscher) umfassen. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist nun vorgesehen, dass auf Erfassen eines Signals zum Auslösen einer Schnellheizfunktion das erste Expansionsorgan so gesteuert wird, dass kältemittelseitig der erste Kondensator auf einem höheren Druckniveau als der zweite Kondensator betrieben wird. Dies kann insbesondere auf einer Regelung erfolgen, dass das erste Expansionsorgan den Druck gemäß einem Solldruck am ersten Kondensator regelt. Für den Fall, dass der erste Kondensator mit reduzierter, aber existierender Wärmeabgabe betrieben wird (also eine Teilwärmeentnahme für das zu heizende Objekt/ den zu heizenden Bereich) kann alternativ oder auch zusätzlich eine Regelung nach der Temperatur erfolgen. Dies kann auf Druck- oder Temperatursignalen im Kältemittelkreis oder vom wärmetauschenden Medium basieren. Hierdurch kann eine Steuerung des Kältemittelkreises bei hohem oder maximalem Druck ein schnelles Hochfahren des Kältemittelkreises unterstützen. Der Druck kann vorteilhafterweise so hoch wie möglich geregelt werden. Im Idealfall wäre dies für eine maximale Heizleistung (also eine schnelle Vorkonditionierung) der größtmögliche Betriebsdruck, wobei aber aus anderen Überlegungen (Betriebssicherheit, Lebensdauer der Komponenten) typischerweise ein Druckniveau etwas unterhalb dieses Maximaldrucks gewählt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Kondensator mittels dem zweiten Expansionsorgan auf einem höheren Druckniveau als der Verdampfer betrieben wird. Insbesondere regelt das zweite Expansionsorgan einen Überhitzungsgrad (beispielsweise in einem festgelegten Bereich, z.B. 2 - 20K) am Ausgang des Verdampfers, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Überhitzung beeinflusst auch die Austrittstemperatur des Kältemittels am Kompressor, womit auch die Einhaltung des Grenzwertes für diese maximale Austrittstemperatur geregelt werden kann.
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Wenn die Vorkonditionierungsphase abgeschlossen ist, kann die Heizfunktion zur Verfügung gestellt werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird nach Ablauf einer Zeitspanne der erste Kondensator dann wieder ohne reduzierte Wärmeabgabe betrieben. Je nachdem, wie die reduzierte Wärmeabgabe realisiert wurde, wird dies also wieder (in einem Schritt oder stufenweise) rückgängig gemacht. Der Kondensator wird z.B. im Kältemittelkreis wieder durchströmt, die Luftklappen werden wieder geöffnet oder die Durchflussrate der Kühlflüssigkeit wird wieder erhöht.
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Das Ende der ersten Zeitspanne kann an sich beliebig identifiziert werden. Es kann auf Schätzwerten beruhen, welche die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Außentemperatur und die Leistungsmerkmale der speziellen Ausführungsform der Wärmepumpeneinrichtung, berücksichtigen. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Ablauf der ersten Zeitspanne aus einem Druck- oder Temperatursignal im Kältemittelkreis und/ oder dem Kühlmittelkreis ermittelt. Es wird beispielsweise sensorisch erfasst, ob der Saugdruck am Kompressor oder die Temperatur im Kühlmittelkreis über einem definierten Grenzwert liegen.
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Auch die Regelung des ersten Expansionsorgans kann nach Beendigung der Konditionierungsphase angepasst werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das erste Expansionsorgan die Wärmepumpeneinrichtung derart steuert, dass die Kühltemperatur im Kühlmittelkreis oder der Saugdruck des Kompressors in einem Sollwertebereich liegen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.
- Die 1 zeigt schematisch eine Wärmepumpeneinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- die 2 bis 4 zeigen schematisch Ausführungsvarianten zum Reduzieren der Wärmeabgabe am ersten Kondensator,
- die 5 zeigt ein log p-H Diagramm einer Wärmepumpeneinrichtung gemäß 1 während einer Vorkonditionierungsphase der Schnellheizfunktion,
- die 6 zeigt das log-p-H Diagramm der Wärmepumpeneinrichtung gemäß 1 in einer Schaltstellung zum Abrufen der Schnellheizfunktion und
- die 7 und 8 zeigen schematisch Schaltbilder weiterer Ausführungsvarianten der Wärmepumpeneinrichtung nach 1.
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Die folgenden Ausführungsbeispiele bezieht sich auf eine Wärmepumpeneinrichtung 10 für ein Elektrofahrzeug, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es ergeben sich weitere Einsatzmöglichkeiten für andere Kraftfahrzeugtypen, insbesondere Fahrzeuge, welche nicht dauerhaft von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, beispielsweise Fahrzeuge mit Hybridantrieb. Ferner sind Anwendungen außerhalb des Automobilbaus denkbar, insbesondere für Gebäude und temporäre Wohn- und Arbeitsumgebungen, z.B. Container.
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In der 1 ist schematisch eine Wärmepumpeneinrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Wärmepumpeneinrichtung 10 umfasst einen fluidbasierten Kühlmittelkreis 30 und einen Kältemittelkreis 20. Sie umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 40 oder ein vernetztes System von mehreren Steuereinheiten, mittels welcher verschiedene Betriebsmodi der Wärmepumpeneinrichtung gesteuert werden können. Die Betriebsmodi, können insbesondere einen oder mehrere Heiz- und Kühlmodi umfassen, wobei weiter unten nur speziell auf die Bereitstellung einer Schnellheizfunktion näher eingegangen wird.
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Der Kältemittelkreis 20 umfasst einen ersten Kondensator 21, welcher im Wärmepumpenbetrieb als Heizwärmetauscher für die Fahrzeugkabine (nicht dargestellt) verwendet wird. Gemäß 1 ist der Kondensator 21 als Luftwärmetauscher ausgestaltet und steht somit in direktem Kontakt mit einem Luftkanal, über welchen die erwärmte Luft in die Fahrzeugkabine ausgeblasen werden kann.
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Im Kältemittelkreis 20 ist ferner stromabwärts und in Reihe dazu ein zweiter Kondensator 22 angeordnet. Zwischen dem ersten Kondensator 21 und dem zweiten Kondensator 22 ist ein erstes Expansionsorgan 24 angeordnet. Stromabwärts zum zweiten Kondensator 22 sind ein zweites Expansionsorgan 25 und ein Verdampfer 23 angeordnet, welcher mit einem ersten Abschnitt 31 des Kühlmittelkreises 30 wärmetauschend in Kontakt steht. Weiter stromabwärts ist ein Kompressor 26 angeordnet, über welchen dann zum ersten Kondensator 21 der Kältemittelkreis 20 geschlossen wird.
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Der Kältemittelkreis 20 kann für ein an sich beliebiges bekanntes Kältemittel, z.B. R1234yf, ausgelegt sein. Der Kühlmittelkreis 30 ist typischerweise mit einer wasserbasierten Lösung, beispielsweise einer 50:50 Mischung aus Wasser und Glykol, befüllt.
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Die Wärmepumpeneinrichtung 10 mit dem Kältemittelkreis 20 und dem ersten Kühlmittelkreis 30 kann optional noch weitere Komponenten (wie z.B. Pumpen, Ventile, Druck- und Temperatursensoren und Wärmetauscher) und weite Abschnitte umfassen, auf die teilweise mit Bezug zu den 7 und 8 eingegangen wird. Insbesondere ist typischerweise ein Außenwärmetauscher vorgesehen, welcher wahlweise über den Kältemittelkreis 10 oder den ersten Kühlmittelkreislauf 20 über einen Leitungsabschnitt zuschaltbar angeordnet ist. Einzelne Druck- und Temperatursensoren im Kältemittelkreis 20, Kühlmittelkreis 30 oder außerhalb davon (nicht dargestellt) sind für verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hilfreich, wie dies weiter unten noch erläutert wird.
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Erfindungsgemäß steht der zweite Kondensator 22 wärmetauschend mit einem zweiten Abschnitt 32 des Kühlmittelkreises 30 in Kontakt. Dieser lässt sich mittels der Steuereinrichtung 40 mit dem ersten Abschnitt 31 in eine Kurzschlussschaltung schalten. Der Kühlmittelkreis 30 kann weitere Abschnitte umfassen (siehe 7 und 8) und ist hier nur in der Kurzschlussschaltung dargestellt.
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Am Kondensator 21 ist eine Luftklappe 41 oder eine Anordnung von Luftklappen vorgesehen. Die Steuereinrichtung 40 ist dazu eingerichtet, diese Luftklappe(n) 41 zu steuern. Insbesondere kann der Luftdurchfluss durch den Kondensator 21 mittels der Luftklappe(n) 41 verändert, beispielsweise freigegeben oder unterbunden werden, wie dies in Zusammenhang mit der Bereitstellung der Schnellheizfunktion weiter unten noch näher erläutert wird.
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In den 2 und 3 sind schematisch Abwandlungen der Wärmepumpeneinrichtung 10 im Bereich um den ersten Kondensator dargestellt. Gemäß der Ausführungsvariante in der 2 ist ein Bypass 27 um den ersten Kondensator 21 mit einem Ventil 28 zum Steuern der Durchflussrate vorgesehen. Gemäß der Ausführungsvariante in der 3 steht der Kondensator 21' alternativ hier als Wasserwärmetauscher mit einem dritten Abschnitt 50 des Kühlmittelkreises 30 wärmetauschend in Kontakt. Der dritte Abschnitt 50 umfasst eine Kühlmittelpumpe 51, welche sich über die Steuervorrichtung 40 steuern lässt. Der dritte Abschnitt 50 kann unabhängig von dem ersten und/oder zweiten Abschnitt 31, 32 betrieben werden. Optional ist er von dem ersten Kühlmittelkreis 30 ganz getrennt ausgebildet.
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Diese Ausführungsvarianten lassen sich an sich beliebig miteinander kombinieren. So ist es unerheblich, ob der erste Kondensator 21, 21' als Luftwärmetauscher oder als Wasserwärmetauscher ausgestaltet ist und ob dementsprechend eine Luftklappe 41 oder der Anschluss an einen Kühlmittelkreislauf vorhanden ist. Unabhängig davon kann der Bypass 27 und ggf. ein Ventil 28 im Kältemittelkreis 20 optional vorhanden sein oder auch nicht.
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In der 4 ist schematisch der Bereich der Wärmepumpeneinrichtung aus 1 im Bereich um den ersten Kondensator 21 dargestellt. Der Unterschied zu der 1 besteht im Wesentlichen darin, dass die Luftklappe 41 hier komplett geschlossen ist, um den Luftstrom L und damit den optimalen Wärmetausch mit dem Kondensator 21 zu unterbinden. Das Unterbinden des Wärmetauschs mit dem Kondensator 21 kann gemäß den Varianten in den 2 und 3 analog dadurch erreicht werden, dass das Ventil 28 das Kältemittel anstatt durch den Kondensator 21 durch den Bypass 27 führt, bzw. dass der Kühlmittelstrom wasserseitig durch den Kondensator 21' durch das Ausschalten der Pumpe 51 unterbunden wird.
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In den 5 und 6 ist schematisch die Wärmepumpeneinrichtung aus 1 in je einem log-p-H Diagramm für zwei bestimmte Phasen beim Bereitstellen der Schnellheizfunktion dargestellt. Auf Erfassen eines Signals zum Auslösen einer Schnellheizfunktion wird der zweite Kühlmittelzweig 32 mit dem ersten Kühlmittelzweig 31 in eine Kurzschlussschaltung geschaltet, wie dies mit Bezug zu der 1 dargestellt ist. Es beginnt dann eine Vorkonditionierung. Das Signal zum Auslösen der Schnellheizfunktion kann beispielsweise durch ein Temperatursignal, durch ein über die zur Wärmepumpeneinrichtung 10 gehörende Klimaanlage erfasster Klimatisierungswunsch und/oder durch ein Auslösen bei einem Kaltstart der Wärmepumpeneinrichtung 10 erfolgen.
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Bei der Vorkonditionierung wird dann zusätzlich der erste Kondensator 21 mit reduzierter Wärmeabgabe, vorzugsweise ganz ohne Wärmeabgabe, betrieben. Je nach vorrichtungstechnischer Ausführung werden der Bypass 27 geöffnet, die Luftklappen 41 geschlossen und/oder die Pumpe 51 angehalten, um eine Wärmeabgabe des ersten Kondensators 21 zu verhindern und somit ein schnelles Hochheizen zu unterstützen. Das erste Expansionsorgan 24 wird über die Steuereinheit 40 so gesteuert, dass das erste Expansionsorgan 24 den Druck gemäß einem Solldruck am ersten Kondensator 21 betrieben wird. Dieser Solldruck wird typischerweise nahe dem maximal zulässigen Druck festgelegt, wodurch dann eine starke Drosselung durch das erste Expansionsorgan 24 erfolgt, wodurch der erste Kondensator 21 auf einem deutlich höheren Druckniveau als der zweite Kondensator 22 betrieben wird. Weil der erste Kondensator hier wärmetauschend nicht in Erscheinung tritt, ist er am oberen Druckpunkt im Diagramm (rechts oben in der 5) nicht dargestellt.
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Das zweite Expansionsorgan 25 regelt dann einen vorab festgelegten Überhitzungsgrad am Ausgang des Verdampfers 23, typischerweise einige Kelvin, wodurch der zweite Kondensator 22 auf einem mittleren Druckniveau, aber auf einem höheren Druckniveau als der Verdampfer 23 betrieben wird.
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In dieser Vorkonditionierungsphase wird die Temperatur des Kühlmittels um den Verdampfer 23 durch den Wärmeeintrag über das aufgeheizte Kühlmittel aus dem Abschnitt 32 stetig aufgewärmt, sodass das Kältemittel im Verdampfer 23 ebenfalls stetig aufgeheizt wird. Dies bewirkt ein schnelles Hochschaukeln der Temperaturniveaus, sodass der Kompressor 26 zwar thermodynamisch ineffizient, aber schnell (durch die aus dem Kompressor 26 umgewandelte elektrische Energie in thermische Energie im Kältemittelkreis) in eine hohe Leistungsstufe gelangt.
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Über eine festgelegte Dauer (welche beispielweise über eine Referenztabelle in Abhängigkeit der Umgebungs- und Systembedingungen vorab der Steuereinrichtung 40 zur Verfügung steht) oder über vorab festgelegte Sollwerte der Temperatur im Kühlmittelkreis 30, eines Temperatursignals im Kältemittelkreis 20 oder dem Saugdruckwert am Eingang des Kompressors 26 kann die Vorkonditionierung beendet werden. Die eigentliche Heizphase kann nun beginnen. Zu diesem Zweck wird die reduzierte Wärmeabgabe am Kondensator 21 rückgängig gemacht und je nach vorrichtungstechnischer Ausführung der Bypass 27 geschlossen, die Luftklappen 41 geöffnet und/oder die Pumpe 51 wieder angetrieben. In dieser Phase (6) wird das erste Expansionsorgan 24 nach einer anderen Regelstrategie betrieben, nämlich so, dass die Kühltemperatur im Kühlmittelkreis 30 oder der Saugdruck des Kompressors 26 in einem vorab festgelegten Sollwertebereich liegen. Hierbei wird der Kältemittelkreis 20 weiterhin „ineffizient“, d.h. bei niedrigem Wirkungsgrad und hohem Druckunterschied betrieben, um weiterhin eine hohe Heizleistung bereitzustellen.
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In den 7 und 8 sind schematisch Schaltbilder weiterer Ausführungsvarianten der Wärmepumpeneinrichtung nach 1 dargestellt. Sie betreffen im Wesentlichen die Einbettung des für die Erfindung relevanten Teils der Wärmepumpeneinrichtung 10 in ein übergeordnetes System.
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Mit Bezug zu der 7 sind weitere optionale Merkmale des Kältemittelkreises 20 dargestellt, wie diese vorteilhafterweise bei einer Kraftfahrzeugklimatisierung zur Anwendung kommen. Parallel zum Verdampfer 23 ist ein zweiter Verdampfer 61 angeordnet, welcher beispielsweise kein Wasserwärmetauscher, sondern ein Luftwärmetauscher ist. Dieser kann an einer an sich beliebigen Stelle in der zu klimatisierenden Umgebung angeordnet sein. Um den zweiten Verdampfer 61 unabhängig vom ersten Verdampfer 23 regeln zu können, ist in diesem parallelen Zweig ein drittes Expansionsorgan 62 vorgesehen.
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Mit Bezug zu der 8 ist eine weitere mögliche Verschaltung des Kühlmittelkreises 30 dargestellt. Hierbei wird die Kurzschlussschaltung über ein bestehendes Ventilensemble 74 aus verschiedenen Ventilen, einer dritten Kühlmittelpumpe 75 und über die Kühlmittelleitungsabschnitte 76A - 76D realisiert werden. Startend bei der dritten Pumpe 75 besteht die Kurzschlussschaltung aus den Abschnitten 31, 76D, 76C, 33, 76B und 76A der Kühlmittelleitungen. Auf eine gesonderte Kurzschlussschaltung gemäß 7 kann dann ggf. verzichtet werden. Ferner sind weitere Komponenten im Kühlkreislauf dargestellt. Diese umfassen beispielsweise eine Batterie 71, eine weitere elektrische Komponente 72, beispielsweise ein Inverter eines Elektroantriebs, sowie ein wasserseitig angeschlossener Außenwärmetauscher 73.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmepumpeneinrichtung
- 20
- Kältemittelkreis
- 21
- erster Kondensator
- 21'
- erster Kondensator, alternative Ausführungsform
- 22
- zweiter Kondensator
- 23
- Verdampfer
- 24
- erstes Expansionsorgan
- 25
- zweites Expansionsorgan
- 26
- Kompressor
- 27
- Bypass
- 28
- Ventil
- 30
- erster Kühlmittelkreis
- 31, 32
- erster, zweiter Abschnitt
- 33
- erste Kühlmittelpumpe
- 40
- Steuereinrichtung
- 41
- Luftklappe
- 50
- dritter Abschnitt des Kühlmittelkreises
- 51
- zweite Kühlmittelpumpe
- 61
- zweiter Verdampfer
- 62
- drittes Expansionsorgan
- 71
- Batterie
- 72
- elektrische Komponente
- 73
- Außenwärmetauscher
- 74
- Ventilensemble
- 75
- dritte Kühlmittelpumpe
- 76 A - 76 D
- Kühlmittelleitungsabschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017100653 A1 [0005]
- US 20160101666 A1 [0005]
