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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, eine Kälteanlage und ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Kälteanlage.
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Beim Starten bzw. Anlaufen eines Kältemittelverdichters im Wärmepumpenbetrieb mit einem Chiller als drittem Wärmeübertrager in einer Kälteanlage sinkt der Saugdruck stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen von 0°C oder weniger kurzzeitig unter den sogenannten Ruhedruck. Erst nach einer gewissen Betriebszeit des Kältemittelverdichters bzw. der Kälteanlage im Wärmepumpenbetrieb stellt sich ein höherer Saugdruck ein, der sich in Abhängigkeit von dem Wärmeübertrag im Chiller ergibt, insbesondere aufgrund der VorlaufTemperatur von einem Kühlmittel, das im Chiller Wärme abgibt an das Kältemittel.
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Es hat sich bei derartigen Kälteanlagen gezeigt, dass der Saugdruck bei niedrigen Temperaturen unter ein kritisches Saugdruckniveau fallen kann. Ein kritisches Saugdruckniveau kann dabei beispielsweise durch den Umgebungsdruck definiert sein, was insbesondere bezüglich der Dichtungstechnik in der Kälteanlage kritisch sein kann. Das kritische Saugdruckniveau kann sich beispielsweise auch aus Anforderungen an die Robustheit des Kältemittelverdichters ergeben. Wird das kritische Saugdruckniveau unterschritten, ist es allgemein bekannt, den Kältemittelverdichter auszuschalten. Somit ist ein Starten bzw. Anlaufen des Kältemittelverdichters bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhindert.
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Zum allgemeinen Stand der Technik wird beispielsweise auf folgende Druckschriften hingewiesen:
CN 108 592 453 A ,
KR 2012 00 92 974 A und
JP 2017 146 061 A .
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Verfahren zum Betrieben einer Kälteanlage im Wärmepumpenbetrieb anzugeben, bei dem ein Starten bzw. Anlaufen des Kältemittelverdichters auch bei geringen Umgebungstemperaturen ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst: einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist; eine zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnete Primärstrangventileinrichtung;
eine zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnete Sekundärstrangventileinrichtung;
einen als Wasserwärmepumpe arbeitenden, direkt oder indirekt wirkenden dritten Wärmeübertrager, insbesondere Chiller;
ein dem dritten Wärmeübertrager zugeordnetes Expansionsventil
wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst:
- Einstellen der Kälteanlage in einen Wärmepumpenbetrieb, in dem Kältemittel vom Kältemittelverdichter über den Sekundärstrang zum weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister,
- und zum dritten Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, geleitet wird;
- Erfassen der Umgebungstemperatur und wenn die Umgebungstemperatur kleiner als ein Temperaturschwellwert, insbesondere kleiner als minus 10°C., ist:
- Erfassen des Saugdrucks und Vergleichen des erfassten Saugdrucks mit einem kritischen Saugdruckschwellwert; und
- Umleiten von zumindest einem Teilmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels durch Entnehmen von zumindest einem Teilmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels stromabwärts von dem Kältemittelverdichter und durch Einleiten des Teilmassenstroms niederdruckseitig, stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter unter zumindest teilweiser Umgehung des Sekundärstrangs, insbesondere unter Umgehung des weiteren Wärmeübertragers und des dritten Wärmeübertragers.
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Durch einen derartigen Betrieb kann verdichtetes Kältemittel (Heißgas) mittels einer entsprechenden Verschaltung der Kälteanlage bzw. des Kältemittelkreislaufs ganz oder teilweise möglichst unmittelbar zur Niederdruckseite, insbesondere unmittelbar zum Eintritt des Kältemittelverdichters oder zum Eintritt des niederdruckseitigen Kältemittelsammlers geführt werden, so dass das Druckniveau rasch erhöht werden kann, um den Saugdruck auf einem Niveau oberhalb des kritischen Saugdruckschwellwerts halten zu können.
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Bei dem Verfahren kann beim Starten oder Anlaufen des Kältemittelverdichters ein Gesamtmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels umgeleitet werden. Dabei kann der Gesamtmassenstrom von Kältemittel während einer ersten Zeitdauer umgeleitet werden.
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Hierdurch wird ganz zu Beginn des Systemanlaufs der Druck auf der Saugseite des Kältemittelverdichters rasch erhöht. Die erste Zeitdauer kann dabei eher kurz gewählt werden, beispielsweise etwa 5 bis 30 Sekunden, in denen das umgeleitet zirkulierende Kältemittel stark erhitzt wird, aber nur wenig abgekühlt wird.
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Bei dem Verfahren kann nach Ablauf der ersten Zeitdauer der umgeleitete Gesamtmassenstrom auf einen umgeleiteten Teilmassenstrom reduziert werden, wobei ein nicht umgeleiteter Teilmassenstrom den Sekundärstrang durchströmt, insbesondere den weiteren Wärmeübertrager und den dritten Wärmeübertrager. Mit anderen Worten kann im Zuge fortschreitender Erwärmung bzw. Aufheizung der aktiven Kältemittelzweige (Sekundärstrang) und des dritten Wärmeübertragers (Chiller) der umgeleitete Teilmassenstrom reduziert werden. Hierdurch kann der Saugdruck auf einem gewünschten Niveau gehalten werden, ohne dass dieser aber niederdruckseitig zu hoch wird.
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Bei dem Verfahren kann die Umleitung von zumindest dem Teilmassenstrom solange durchgeführt werden, bis der Gesamtmassenstrom durch den Sekundärstrang geleitet werden kann bei einem Saugdruck, der im Wesentlichen konstant größer als der kritische Saugdruckschwellwert ist. Dies ist üblicherweise dann der Fall, wenn die aktiven Kältemittelzweige ein ausreichendes Temperaturniveau erreicht haben.
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Bei dem Verfahren kann der Kältemittelverdichter derart betrieben werden, dass der erfasste Saugdruck größer oder gleich dem kritischen Saugdruckwertschwellwert ist. Unter Verwendung eines umgeleiteten Gesamtmassenstroms oder eines umgeleiteten Teilmassenstroms ist es möglich, dass der Kältemittelverdichter von Anfang an mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl betrieben wird, die auch im Normalbetrieb eingesetzt wird. Alternativ kann die Drehzahl aber zu Beginn auch etwas tiefer sein und während der Umleitung des Kältemittelstroms kontinuierlich oder diskret erhöht werden.
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Bei dem Verfahren kann der zumindest teilweise umgeleitete Teilmassenstrom mittels einer Umleitventileinrichtung eingestellt werden. Dabei kann die Umleitventileinrichtung vollständig oder teilweise geöffnet werden, insbesondere in Abhängigkeit von Systemparametern, wie Saugdruck, Kältemitteltemperatur und dergleichen.
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Vorgeschlagen wird auch eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
- einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
- wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist; eine zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventileinrichtung;
- eine zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnete Sekundärstrangventileinrichtung;
- einen als Wasserwärmepumpe arbeitenden, direkt oder indirekt wirkenden dritten Wärmeübertrager, insbesondere Chiller;
- ein dem dritten Wärmeübertrager zugeordnetes Expansionsventil. Dabei ist vorgesehen, dass die Kälteanlage dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Bei der Kälteanlage kann ein Umleitungsabschnitt stromabwärts von der Sekundärstrangventileinrichtung abzweigen und stromaufwärts von einem niederdruckseitigen Kältemittelsammler enden. Dabei kann dem Umleitungsabschnitt eine Umleitungsventileinrichtung zugeordnet sein. Die Umleitungsventileinrichtung dient insbesondere dazu, den umgeleiteten Massenstrom von Kältemittel einzustellen.
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Bei der Kälteanlage kann der Umleitungsabschnitt in einem Kühlbetrieb der Kälteanlage als Rückholabschnitt dienen, um Kältemittel aus dem inaktiven Sekundärstrang zu entnehmen.
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Alternativ ist es möglich, dass bei der Kälteanlage ein Umleitungsabschnitt stromabwärts von dem Kältemittelverdichter sowie stromaufwärts von der Sekundärstrangventileinrichtung abzweigt und stromaufwärts oder stromabwärts von einem niederdruckseitigen Kältemittelsammler endet.
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Dabei kann der Umleitungsabschnitt stromaufwärts unmittelbar vor dem Kältemittelverdichter enden, insbesondere stromabwärts von einem niederdruckseitigen Kältemittelsammler oder/und stromabwärts von einem inneren Wärmeübertrager.
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Ein Kraftfahrzeug mit einem zumindest teilweise elektrischen Antrieb kann eine oben beschriebene Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion aufweisen, wobei vorgesehen ist, dass das Kraftfahrzeug oder/und die Kälteanlage eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug;
- 2 ein Flussdiagram einer beispielhaften Umsetzung des Verfahrens insbesondere mittels der in 1 beschriebenen Kälteanlage;
- 3 ein Saugdruck-/Zeitdiagramm bei Anwendung von Verfahrensschritten gemäß der 2.
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In 1 ist eine Ausführungsform einer Kälteanlage 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Kälteanlage 10 umfasst einen Kältemittelkreislauf 11, der sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz auch AC-Betrieb genannt), als auch in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden kann. Die Kälteanlage 10 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Kältemittelverdichter 12, einen äußeren Wärmeübertrager 18, einen inneren Wärmeübertrager 20, einen Verdampfer 22 und einen Akkumulator bzw. Kältemittelsammler 24. Der äußere Wärmeübertrager 18 kann als Kondensator oder Gaskühler ausgebildet sein. Insbesondere ist der äußere Wärmeübertrager 18 in der dargestellten Ausführungsform bidirektional durchström bar.
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Der Verdampfer 22 ist hier beispielhaft als Frontverdampfer für ein Fahrzeug gezeigt. Der Verdampfer 22 steht stellvertretend auch für weitere in einem Fahrzeug mögliche Verdampfer, wie beispielsweise Fondverdampfer, die strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sein können. Mit anderen Worten umfasst die Kälteanlage 10 also wenigstens einen Verdampfer 22.
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Stromabwärts des Verdichters 12 ist ein Absperrventil A4 angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 22 ist ein Expansionsventil AE2 vorgesehen.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf 11 der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum äußeren Wärmeübertrager 18, zum inneren Wärmeübertrager 20 und zum Verdampfer 22 als Primärstrang 14 bezeichnet.
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Die Kälteanlage 10 umfasst weiter ein Heizregister 26 (auch als Heizkondensator oder Heizgaskühler bezeichnet). Stromaufwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A3 angeordnet. Stromabwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A1 angeordnet. Ferner ist stromabwärts des Heizregisters 26 ein Expansionsventil AE4 angeordnet.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum Heizregister 26, zum Expansionsventil AE4 und zu einem Abzweig Ab2 als Sekundärstrang 16 bezeichnet. Der Sekundärstrang 16 umfasst einen Heizzweig 16.1, der sich von dem Absperrventil A3 über das Heizregister 26 zum Absperrventil A1 erstreckt. Weiter umfasst der Sekundärstrang 16 einen Nachheizzweig bzw. Reheat-Zweig 16.2, der stromaufwärts mit dem Heizregister 26 und stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 fluidverbindbar ist. Dabei mündet der Sekundärstrang 16 bzw. der Reheat-Zweig 16.2 bei einem Abzweigpunkt Ab2 in den Primärstrang 14.
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Die Kälteanlage 10 umfasst einen weiteren Verdampfer bzw. Chiller 28. Der Chiller 28 ist strömungstechnisch parallel zum Verdampfer 22 vorgesehen. Der Chiller 28 kann beispielsweise zur Kühlung einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs dienen, aber auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme von wenigstens einer elektrischen Komponente. Dem Chiller 28 ist stromaufwärts ein Expansionsventil AE1 vorgeschaltet.
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Die Kälteanlage 10 kann auch ein elektrisches Heizelement 30 aufweisen, das beispielsweise als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt ist. Das elektrische Heizelement 30 dient als Zusatzheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 zusammen mit dem Heizregister 26 und dem Verdampfer 22 in einem Klimagerät 32 untergebracht sein. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 dem Heizregister 26 nachgeschaltet angeordnet sein.
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In der 1 sind ferner noch Rückschlagventile R1 und R2 ersichtlich. Ferner sind auch einige Sensoren pT1 bis pT5 zur Erfassung von Druck oder/und Temperatur des Kältemittels dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Sensoren bzw. deren Anordnung hier nur beispielhaft gezeigt ist. Eine Kälteanlage 10 kann auch weniger oder mehr Sensoren aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind als Sensoren kombinierte Druck-/Temperatursensoren pT1 bis pT5 gezeigt. Es ist aber genauso denkbar, dass voneinander getrennte Sensoren für die Messung von Druck bzw. Temperatur eingesetzt werden und ggf. auch räumlich voneinander getrennt entlang den Kältemittelleitungen angeordnet sind.
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Hinsichtlich des Primästrangventils A4, des Sekundärstrangventils A3 und den Absperrventilen A2 und A5 wird darauf hingewiesen, dass mehrere dieser Ventilfunktionen auch in einem kombinierten Mehrwegeventil umgesetzt werden können, auch wenn dies hier nicht explizit dargestellt ist. Diese Ventile müssen also nicht zwingend als Einzelventile ausgeführt sein, sondern können auch in einer entsprechenden Mehrwegventileinrichtung kombiniert werden.
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Die Kälteanlage 10 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 12 bei offenem Absperrventil A4 in den äußeren Wärmeübertrager 18. Von dort strömt es zu dem Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 und dem vollständig geöffneten Expansionsventil AE3. Über einen Abzweigpunkt Ab1 kann das Kältemittel zum Expansionsventil AE2 und in den Innenraum-Verdampfer 22 strömen (Verdampferabschnitt 22.1). Parallel oder alternativ kann das Kältemittel über einen Abzweigpunkt Ab4 und das Expansionsventil AE1 in den Chiller 28 strömen (Chillerabschnitt 28.1). Aus dem Verdampfer 22 oder/und dem Chiller 28 strömt das Kältemittel niederdruckseitig in den Sammler 24 und durch den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 zurück zum Verdichter 12.
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In dem AC-Betrieb ist der Heizzweig 16.1 bzw. der Sekundärstrang 16 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel nicht durch das Heizregister 26 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 16.1 kann das als Absperrventil ausgebildete Absperrorgan A5 geöffnet werden, so dass das Kältemittel über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2, in Richtung des Sammlers 24 strömen kann.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 wird das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel in den Heizzweig 16.1 strömen kann.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 28 zur Realisierung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 in das Heizregister 26 . Am Heizregister 26 wird Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L abgegeben. Das Kältemittel strömt anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 und den Abzweigpunkt Ab1. Es wird mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 zur Aufnahme von Abwärme der in einem Kühlmittelkreislauf 28.2 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsventile AE3 und AE4 geschlossen, das Absperrventil A5 geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Dabei kann über das Absperrventil A2 im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus einem Bidirektionalzweig 14.1 bzw. dem Primärstrang 14 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Sammler 24 zugeführt werden.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Wärmeübertragers 18 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 zur Abgabe von Wärme an einen Zuluftstrom L in das Heizregister 26. Anschließend wird es über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Expansionsventils AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 18 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt. Danach strömt das Kältemittel über einen Wärmepumpenrückführzweig 15 zum Sammler 24 und zurück zum Kältemittelverdichter 12. Die Expansionsventile AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei, ebenso wie das Absperrventil A5, geschlossen.
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Eine indirekte Dreiecksschaltung kann dadurch realisiert werden, dass bei geöffnetem Absperrventil A1 das von dem Kältemittelverdichter 12 verdichtete Kältemittel mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 28.2 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Fluid, wie etwa Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, auf der Kühlmittelseite des Chillers 28 stehen bleibt bzw. der Chiller 28 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsventile AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.
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Bei einem Nachheiz- bzw.- Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 22 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet. Mit der auf das Kältemittel durch Verdampfung und Entfeuchtung übertragenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Verdichter 12 zugeführten Wärme kann der Zuluftstrom L mittels des Heizregisters 26 vollständig oder zumindest teilweise wieder erwärmt werden.
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Hierzu weist die Kälteanlage 10, insbesondere das Klimagerät 32, zwischen dem Verdampfer 22 und dem Heizregister 26 einstellbare, insbesondere steuerbare und schwenkbare, Temperaturklappen 34 auf. Im dargestellten Beispiel sind eine linke und eine rechte Temperaturklappe 34L und 34R (in 1 schematisch dargestellt) angeordnet. Die Temperaturklappen 34L, 34R können zwischen einer Offenposition, die als 100%-Position bezeichnet wird, und einer Schließposition, die als 0%-Position bezeichnet wird, eingestellt bzw. verschwenkt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Temperaturklappen 34R, 34L dem Heizregister 26 nachzuschalten.
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In der 100%-Position wird der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L über das Heizregister 26 geführt und erwärmt, bevor dieser in den Fahrgastraum des Fahrzeugs strömen kann. In der 0%-Position strömt der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L im Bypass um das Heizregister 26 ohne Erwärmung und damit ohne Wärmeaufnahme in den Fahrgastraum.
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In einer x-Position der Temperaturklappen 34L und 34R mit 0 % < x < 100 % sind diese Temperaturklappen nur teilweise geöffnet, so dass jeweils nur ein Teilluftstrom des den Verdampfer 22 durchströmenden Zuluftstroms L über das Heizregister 26 geführt wird. Dieser erwärmte Teilluftstrom kann anschließend dem verbleibenden, gekühlten und entfeuchteten Teilluftstrom beigemischt werden. Der in dieser Weise erwärmte Zuluftstrom L wird dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt. Beispielhaft zeigt eine 50 %-Position an, dass die Temperaturklappen 34R und 34L nur halb, also 50 % geöffnet sind.
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Die Kälteanlage 10 weist im Sekundärstrang 16 stromabwärts von dem Sekundärstrangventil A3 und stromaufwärts von dem Heizregister 26 eine Sensoreinrichtung 36 auf, die dazu eingerichtet ist, einen die Temperatur des gasförmigen Kältemittels repräsentierenden Heißgastemperaturwert stromaufwärts von dem Heizregister 26 zu erfassen. Der Heißgastemperaturwert kann dabei direkt gemessen bzw. detektiert werden oder auch indirekt anhand anderer Systemparameter abgeschätzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, mittels der Sensoreinrichtung 36 einen Druck im Sekundärstrang 16 zu bestimmen und hieraus Rückschlüsse auf den Heißgastemperaturwert zu ziehen. Die Sensoreinrichtung 36 kann beispielsweise ein reiner Temperatursensor oder ein kombinierter Temperatur-/Drucksensor sein.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren baut auf der oben beschriebenen Verschaltung der Kälteanlage 10 bei der Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 28 zur Realisierung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs auf. Es wird also ein Schaltzustand betrachtet, bei dem Kältemittel vom Kältemittelverdichter 12 über das geöffnete Sekundärstrangventil A3, das Heizregister 26 (weiterer Wärmeübertrager), das geöffnete Absperrventil A1, das Expansionsventil AE1, den Chiller 28 (dritter Wärmeübertrager) und den Sammler 24 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 12 strömt bzw. gefördert wird.
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2 zeigt in einem vereinfachten und schematischen Diagramm ein Verfahren 500 zum Betrieben der Kälteanlage 10 in dem erwähnten Wärmepumpenbetrieb. Es wird davon ausgegangen, dass die Kälteanlage 10 zu Beginn des Verfahrens 500 bereits entsprechend verschaltet ist oder unmittelbar nach Inbetriebnahme der Kälteanlage 10 in den Wärmepumpenbetrieb verschaltet wird.
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In einem Schritt S501 wird die Umgebungstemperatur Tu erfasst. Gemäß Schritt S502 wird die erfasste Umgebungstemperatur Tu verglichen mit einem Temperaturschwellwert Tus. Wenn die Umgebungstemperatur Tu größer ist als der Temperaturschwellwert Tus, wird gemäß Schritt S503 der Kältemittelverdichter weiter betrieben, wobei aufgrund der ausreichend hohen Umgebungstemperatur Tu sichergestellt ist, dass beim Starten bzw. Anlaufen des Kältemittelverdichters 12 der Saugdruck stets oberhalb eines kritischen Saugdruckniveaus bleibt.
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Wenn die Umgebungstemperatur Tu kleiner ist als der Temperaturschwellwert Tus, wird gemäß einem Schritt S504 der Saugdruck ps erfasst. Gemäß einem weiteren Schritt S505 wird der erfasste Saugdruck ps mit einem kritischen Saugdruckschwellwert psk verglichen.
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Gemäß einem Schritt S506 erfolgt ein Umleiten von zumindest einem Teilmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels durch Entnehmen von zumindest einem Teilmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels stromabwärts von dem Kältemittelverdichter 12 und durch Einleiten des Teilmassenstroms niederdruckseitig, stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter 12 unter zumindest teilweiser Umgehung des Sekundärstrangs, insbesondere unter Umgehung des weiteren Wärmeübertragers und des dritten Wärmeübertragers.
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Gemäß einem optionalen Schritt S507 kann beim Starten oder Anlaufen des Kältemittelverdichters 12 ein Gesamtmassenstrom des hochdruckseitigen Kältemittels umgeleitet werden.
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In S508 wird bestimmt, ob Schritt S507 bereits solange durchgeführt wird, dass eine erste Zeitdauer t1 erreicht ist. Mit anderen Worten wird also überprüft, ob der Gesamtmassenstrom von Kältemittel während einer ersten Zeitdauer t1 umgeleitet wird.
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Gemäß Schritt S509 wird nach Ablauf der ersten Zeitdauer t1 der umgeleitete Gesamtmassenstrom auf einen umgeleiteten Teilmassenstrom reduziert, wobei ein nicht umgeleiteter Teilmassenstrom den Sekundärstrang durchströmt, insbesondere den weiteren Wärmeübertrager 26 (Heizregister) und den dritten Wärmeübertrager 28 (Chilller).
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Die Schritte S505 bis S509 können solange durchgeführt werden, bis der Gesamtmassenstrom durch den Sekundärstrang geleitet werden kann bei einem Saugdruck ps, der im Wesentlichen konstant größer als der kritische Saugdruckschwellwert psk ist (Schritt S510).
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Bei dem Verfahren 500 kann der Kältemittelverdichter 12 derart betrieben werden, dass der erfasste Saugdruck ps größer oder gleich dem kritischen Saugdruckwertschwellwert psk ist, wobei die Regelung der Drehzahl des Kältemittelverdichers 12 hier nicht als eigener Schritt bzw. eigene Schrittabfolge illustriert.
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Das Umleiten von Kältemittel gemäß den Schritten S505 bis S510 erfolgt dabei insbesondere durch das Einstellen einer Umleitventileinrichtung A5, A5a, A5b (1) mit einem passenden bzw. gewünschten Öffnungsquerschnitt.
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Das beschriebene Verfahren 500 kann mit einer oben beschriebenen Kälteanlage 10 durchgeführt werden. Um dabei das Kältemittel in der gewünschten Weise umleiten zu können, kann beispielsweise das Absperrventil A5 (Umleitventileinrichtung) zumindest teilweise geöffnet werden, so dass verdichtetes Kältemittel durch den Umleitungsabschnitt 50 zur Niederdruckseite (Abzweig Ab5) gleitet wird. Bei einer derartigen Verschaltung strömt Kältemittel also vom Kältemittelverdichter 12 über die geöffnete Sekundärventileinrichtung A3, das (zumindest teilweise) geöffnete Absperrventil A5 zum niederdruckseitigen Kältemittelsammler und zurück zur Saugseite des Kältemittelverdichters 12. In dieser Konfiguration bzw. Verschaltung wird somit der Umleitungsabschnitt 50 eingesetzt, der im AC-Betrieb der Kälteanlage 10 (bei geschlossener Sekundärventileinrichtung A3) dazu verwendet werden kann, Kältemittel aus dem dann inaktiven Sekundärstrang 16 zu entnehmen (Rückholung von Kältemittel bei Bedarf, wie oben zum AC-Betrieb beschrieben).
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Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, bei der Kälteanlage 10 einen Umleitungsabschnitt 50a oder 50b vorzusehen, der stromabwärts von dem Kältemittelverdichter 12 abzweigt (Ab6) und niederdruckseitig mit dem Kältekreislauf 11 verbunden ist, beispielsweise beim Abzweig Ab5 oder bei einem Abzweig Ab7.
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In einem jeweiligen Umleitungsabschnitt 50a bzw. 50b ist eine jeweilige Umleitungsventileinrichtung A5a bzw. A5b angeordnet, um den gewünschten Kältemittelmassenstrom durch den Umleitungsabschnitt 50a bzw. 50b einstellen zu können.
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In allen beschriebenen Optionen von Umleitungsabschnitten 50, 50a, 50b wird heißes Kältemittel stromabwärts von dem Kältemittelsammler 12 entnommen und niederdruckseitig und stromaufwärts von dem Kältemittelsammler 12 wieder in den Kältemittelkreislauf 11 eingeleitet. Hierdurch wird der saugseitige Niederdruckstrang rasch erwärmt, verbunden mit einer entsprechenden Druckerhöhung, so dass der Saugdruck ps auf einem konstanten Niveau oberhalb eines kritischen Saugdruckschwellwerts gehalten werden kann.
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Ein die Durchführung der Schritte S505 bis S510 illustrierendes Diagramm für den Verlauf der Saugdruckkurve ps und der Hochdruckkurve pv (nach Verdichtung) über die Zeit t ist der 3 zu entnehmen. Es ist ersichtlich, dass die Umleitung von einem Teilmassenstrom oder dem Gesamtmassenstrom von Kältemittel solange durchgeführt wird, bis sich ab einem Zeitpunkt t2 der Saugdruck ps auf einem Niveau einstellt, das im Wesentlichen konstant höher ist als der Saugdruckschwellwert psk. Mitanderen Worten wird das Verfahren 500 insbesondere beim Starten bzw. Anlaufen der Kälteanlage 10 durchgeführt, wenn die Umgebungstemperatur sehr gering ist, insbesondere unter minus 10°C. und weniger. Dabei kann der Saugdruck ps insbesondere durch das Umleiten von zumindest einem Teilmassenstrom von Kältemittel, optional in Kombination mit einer bestimmten Betriebsart des Kältemittelverdichters 12, auf diesem unkritischen Niveau gehalten werden.
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In dem Diagramm der 3 ist rein beispielhaft auch der Zeitpunkt t1 illustriert, bis zu dem die optionalen Schritte S507 und S508 durchgeführt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Zeitpunkt t1 bzw. die Zeitdauer vom Nullpunkt der Zeitachse t bis zum Punkt t1 auch an einer anderen Stelle auf der Zeitachse t liegen kann. Beispielsweise ist es auch denkbar, dass die Zeitpunkte t1 und t2 zusammenfallen oder dass die Zeitdauer bis zum Zeitpunkt t1 kürzer gewählt wird.
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Wenn der S510 erreicht ist, kann der Wärmepumpenbetrieb der Kälteanlage 10 im Rahmen des Verfahrens 500 fortgeführt werden, insbesondere bis an die Kälteanlage 10 eine andere Anforderung im Fahrzeugbetrieb gestellt wird, und der Wärmepumpenmodus verlassen werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 108592453 A [0004]
- KR 20120092974 A [0004]
- JP 2017146061 A [0004]
