DE102022118621A1

DE102022118621A1 - Kälteanlage für überkritisches Kältemittel mit zusätzlichem Kältemittelspeicher für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage

Info

Publication number: DE102022118621A1
Application number: DE102022118621.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Rebinger; Helmut Rottenkolber; Dirk Schroeder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-02-01

Abstract

Beschrieben wird eine Kälteanlage (10) für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, die für einen Betrieb mit einem überkritischen Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter (12), einem ersten Wärmeübertrager (14), insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager (16), insbesondere Verdampfer, und einem Kältemittelsammler (18). Dabei ist vorgesehen, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher (26) aufweist, der mit dem Kältemittelsammler (18) mechanisch gekoppelt ist und der fluidtechnisch direkt oder indirekt mit dem Kältemittelsammler (18) verbunden ist. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, die für einen Betrieb mit einem insbesondere überkritisch arbeitenden Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter, einem ersten Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, und einem Kältemittelsammler.
Derartige Kälteanlagen, die an geeigneter Stelle im Kältemittelkreislauf ein zusätzliches Volumenelement zur Bereitstellung eines hinreichend großen Kältemittelvolumens aufweisen, sind beispielsweise aus der DE 10 2015 110 574 oder der DE 10 2015 006 189 A1 bekannt.
Die DE 10 2016 005 955 A1 zeigt eine Kälteanlage mit einem Kältemittelsammler und einem volumenmäßig kleineren Ausgleichselement. Ferner wird ergänzend auf die DE 695 17 457 T12 und die DE 10 2006 011 060 A1 hingewiesen.
Aktuelle Kälteanlagen bzw. Kälteanlagensysteme für Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge, sind aus Standardbauteilen, wie beispielsweise Wärmeübertrager, Kältemittelsammler etc., aufgebaut, wobei die Füllmenge an insbesondere überkritischem Kältemittel an diese Gegebenheiten angepasst ist. Kälteanlagen mit überkritisch arbeitendem Kältemittel, wie beispielsweise R744, sind mit einer maximal zulässigen spezifischen Füllmenge befüllt, beispielsweise 250g Kältemittel (R744) pro Liter Kälteanalagenvolumen.
Insbesondere bei überkritisch arbeitenden Kältemitteln ist der Unterschied zwischen einer optimalen Füllmenge und einer maximal zulässigen Füllmenge eher gering, beispielsweise 50g beim Kältemittel R744. Allerdings erfordern Kälteanlagen, die insbesondere in rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen für das Thermomanagement eingesetzt werden, unterschiedliche Systemkonfigurationen, in denen unterschiedliche Füllmengen von Kältemittel notwendig sind. Je nach Systemkonfiguration bzw. Systemverschaltung kann der Unterschied zwischen der optimalen Füllmenge für die betreffende Systemkonfiguration und der maximal zulässigen Füllmenge noch geringer sein.
Hierdurch werden potentielle Servicezyklen kürzer, weil bereits bei geringen Füllmengenabweichungen ein Auffüllen von Kältemittel notwendig ist. Ferner sind aktuelle Kältemittelsammler mit einem Innenvolumen ausgeführt, das ausreichend bezüglich derzeit gültiger Regelungen ausgeführt ist, beispielsweise etwa 950ml.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Kälteanlage für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Elektrofahrzeug, anzugeben, wobei die Kälteanlage in Bezug auf das verfügbare Kältemittelvolumen und den benötigten Bauraum optimiert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird also eine Kälteanlage für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, die für einen Betrieb mit einem insbesondere überkritisch arbeitenden Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter, einem ersten Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, und einem Kältemittelsammler. Dabei ist vorgesehen, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher aufweist, der mit dem Kältemittelsammler mechanisch gekoppelt ist und der fluidtechnisch direkt oder indirekt mit dem Kältemittelsammler verbunden ist.
Der zusätzliche Kältemittelspeicher ermöglicht aufgrund der mechanischen Kopplung, die insbesondere eine unmittelbare mechanische Verbindung sein kann, eine Zusammenführung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher. Dabei können die Volumina von Kältemittelsammler und zusätzlichem Kältemittelspeicher dazu eingesetzt werden, eine ausreichende Kältemittelmenge bereitzustellen, so dass unterschiedliche Systemkonfigurationen mit ihrem unterschiedlichen Bedarf an Kältemittel umsetzbar sind. Ferner kann eine kompakte Bauweise ermöglich werden, um Bauraum einsparen zu können. Das Kälteanlagenvolumen kann ferner so ausgebildet werden, dass eine Pufferfüllmenge an Kältemittel angehoben werden kann. Hierdurch kann die Kälteanlage auch bei Kältemittelverlust, der über die Zeit eintreten kann, mit großen zeitlichen Servicezyklen optimal betrieben werden.
Wird auf eine unmittelbare mechanische Koppelung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher verzichtet, so können diese im Fahrzeug so platziert werden , dass eventuell gegebene freie Bauräume optimal genutzt werden können, jedoch sind an dieser Stelle zusätzliche Verbindungsleitungen zu berücksichtigen.
Bei der Kälteanlage kann der Kältemittelsammler eine Abscheidevorrichtung zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr mit einer Ansaugöffnung in einem oberen Bereich des Kältemittelsammlers und mit einer Ölbohrung in einem unteren Bereich, insbesondere einem tiefsten Punkt, umfassen, wobei der zusätzliche Kältemittelspeicher als gleichartiger Kältemittelsammler ausgebildet ist, so dass die Kälteanlage mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen baugleiche Kältemittelsammler aufweist.
Alternativ kann bei der Kälteanlage der Kältemittelsammler eine Abscheidevorrichtung zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr mit einer Ansaugöffnung in einem oberen Bereich des Kältemittelsammlers und mit einer Ölbohrung in einem unteren Bereich, insbesondere einem tiefsten Punkt, umfassen, wobei der Kältemittelspeicher eine von dem Kältemittelsammler unterschiedliche Konfiguration aufweist, die dazu eingerichtet ist, als einfaches Zusatzvolumen für Kältemittel zu dienen.
Mit anderen Worten kann der zusätzliche Kältemittelspeicher im Wesentlichen baugleich wie der, insbesondere standardmäßig eingesetzte, Kältemittelsammler sein, oder er kann einen einfacheren Aufbau als zusätzliches Speichervolumenbauteil aufweisen. Hierdurch kann die Kälteanlage im Hinblick auf unterschiedliche Systemkonfigurationen optimiert aufgebaut werden.
Bei der Kälteanlage können der Kältemittelsammler und der Kältemittelspeicher fluidtechnisch in Reihe zueinander oder fluidtechnisch parallel zueinander angeordnet sein. Bei einer fluidtechnischen Reihenanordnung können der Kältemittelsammler und der Kältemittelspeicher insbesondere unmittelbar zueinander in Reihe angeordnet sein, so dass das Kältemittel sowohl den Kältemittelsammler, als auch den Kältemittelspeicher nacheinander durchströmt. Dabei kann beispielsweise der Kältemittelsammler je nach Bauweise zuerst oder zuletzt durchströmt werden.
Die Kälteanlage kann bei der fluidtechnischen Anordnung in Reihe von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher eine Bypassanordnung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, Kältemittel an dem Kältemittelsammler oder dem Kältemittelspeicher vorbeizuleiten. Hierdurch können auch Systemkonfigurationen bzw. Betriebszustände der Kälteanlage eingestellt werden, in denen beispielsweise weniger Kältemittel zirkulieren muss bzw. der Kältemittelsammler oder der Kältemittelspeicher nicht aktiv durchströmt werden sollen.
Die Kälteanlage kann bei der fluidtechnischen parallelen Anordnung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher wenigstens eine Absperrventileinrichtung aufweisen, die dem Kältemittelsammler oder dem Kältemittelspeicher zugeordnet ist. Hierdurch können auch Systemkonfigurationen bzw. Betriebszustände der Kälteanlage eingestellt werden, in denen beispielsweise weniger Kältemittel zirkulieren muss bzw. der Kältemittelsammler oder der Kältemittelspeicher nicht aktiv durchströmt werden sollen.
Insbesondere bei eine parallelen Anordnung von Kältemittelsammler und Kältemittespeicher kann der Kältemittelspeicher gleichartig wie der Kältemittelsammler ausgestaltet sein. Bei einer Anordnung in Reihe kann ein unterschiedlicher innerer Aufbau von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher in Betracht gezogen werden.
Bei der Kälteanlage können der Kältemittelsammler und der Kältemittelspeicher als zylindrische Behälter ausgebildet sein, die im Wesentlichen gleich dimensioniert sind, insbesondere ein im Wesentlichen gleiches Innenvolumen aufweisen, das vorzugsweise kleiner als ein Liter ist. Hierdurch kann insbesondere ein jeweiliges Innenvolumen gewählt werden, das derzeit gültigen Regelungen für derartige Druckbehälter entspricht, wobei das zur Befüllung mit der entsprechenden Kältemittelfüllmenge verfügbare Kälteanlagenvolumen optimiert bzw. maximiert werden kann.
Bei der Kälteanlage können der Kältemittelsammler und der Kältemittelspeicher mechanisch mittels einer Steganordnung oder direkt miteinander verbunden sein, wobei sie insbesondere miteinander verschraubt oder/und verlötet sind. Denkbar sind auch andere Verbindungsarten, wie beispielsweise miteinander verschweißen, verkleben oder dergleichen.
Dabei kann die Steganordnung wenigstens einen oberen Verbindungssteg und/oder einen unteren Verbindungssteg aufweisen, wobei insbesondere eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Kältemittelsammler und dem Kältemittelspeicher an dem oberen Verbindungssteg oder/und an dem unteren Verbindungssteg vorgesehen ist.
Bei der Kälteanlage kann der Kältemittelspeicher, im Fall einer unmittelbaren mechanischen Verbindung, aber ohne unmittelbare fluidtechnische Verbindung mit dem Kältemittelsammler, ausgangsseitig mit dem Kältemittelverdichter verbunden sein. In einer solchen Konfiguration bilden Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher eine Art Sammlereinheit, wobei der zusätzliche Kältemittelspeicher als eine Art Ausgleichsvolumen dient und im Betrieb der Kälteanlage nicht aktiv von Kältemittel durchströmt wird.
Bei der Kälteanlage können der Kältemittelsammler und der Kältemittelspeicher in einem gemeinsamen Sammlermodulbauteil aufgenommen sein. Das Sammlermodulbauteil kann dabei intern bereits eine gewünschte Anordnung bzw. Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise fluidtechnische serielle oder parallele Anordnung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher. Ferner kann eines solches Sammlermodulbauteil auf einfache Weise in den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage eingebunden werden. Dabei ist es auch denkbar, dass Sammlermodulbauteile mit unterschiedlicher interner Konfiguration bereitgestellt werden, die je nach Fahrzeugtyp einsetzbar sind.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, kann mit einer oben beschriebenen Kälteanlage ausgerüstet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Kälteanlage;
2 in den Teilfiguren A) und B) seitliche Schnittdarstellungen von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher und in den C) bis E) schematische Diagramme hierzu;
3 in der Teilfigur A) eine seitliche Schnittdarstellung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher und in der Teilfigur B) ein schematisches Schaltbild hierzu;
4 in der Teilfigur A) eine seitliche Schnittdarstellung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher und in der Teilfigur B) ein schematisches Schaltbild hierzu;
5 ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Kälteanlage;
6 in den Teilfiguren A) bis C) schematische Schaltbilder einer fluidtechnisch parallelen Anordnung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher;
7 ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Kälteanlage;
8 in der Teilfigur A) eine seitliche Schnittdarstellung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher und in der Teilfigur B) ein schematisches Schaltbild hierzu;
9 ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Kälteanlage;
10 eine seitliche Schnittdarstellung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher;
11 ein schematisches Schaltbild eines Beispiels einer Kälteanlage;
12 eine seitliche Schnittdarstellung von Kältemittelsammler und Kältemittelspeicher.

1 zeigt ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage 10, die mit überkritisch arbeitendem Kältemittel, beispielsweise R744, befüllt ist. Die Kälteanlage 10 umfasst in dieser beispielhaften Konfiguration einen Kältemittelverdichter 12, einen ersten (äußeren bzw. direkten / indirekten) Wärmeübertrager 14, der als Gaskühler bzw. Kondensator wirkt, einen zweiten Wärmeübertrager 16, der als (direkter / indirekter) Verdampfer wirkt, und einen Kältemittelsammler 18.
Ferner weist die Kälteanlage 10 einen inneren Wärmeübertrager 20 auf. Der innere Wärmeübertrager 20 ist im gezeigten Beispiel bezogen auf die Niederdruckseite der Kälteanlage stromabwärts von dem Kältemittelsammler 18 und stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter 12 angeordnet. Die Kälteanlage 10 kann ferner einen dritten Wärmeübertrager 22, beispielsweise einen Chiller, aufweisen. Der dritte Wärmeübertrager 22 ist in der Ausführungsform Chiller als indirekter Wärmeübertrager 22 mit einem nur ansatzweise dargestellten Kühlmittelkreislauf 24 verbunden, der insbesondere zur Kühlung von elektrischen Komponenten eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, wie beispielsweise einer Hochvolt-Batterie, einem elektrischen Antrieb und dergleichen.
In der Kälteanlage 10 sind keine Druck- bzw. Temperatursensoren konkret dargestellt, auch wenn diese in einer tatsächlichen Ausführung der Kälteanlage 10 natürlich an passenden bzw. üblichen Positionen vorhanden sind. Rein der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass dem zweiten Wärmeübertrager 16 (Verdampfer) bzw. dem dritten Wärmeübertrager 22 (Chiller) ein jeweiliges Expansionsventil AE1 bzw. AE2 vorgeschaltet ist.
Der Kältemittelfluss in der Kälteanlage 10 ist durch die Pfeilsymbole entlang der schematisch mittels Linien dargestellten Kältemittelleitungen verdeutlicht. Es wird darauf hingewiesen, dass in der 1 und auch in nachfolgenden Figuren lediglich eine Art Grundkonfiguration der Kälteanlage 10 gezeigt wird, die selbstverständlich um weitere Komponenten ergänzt werden kann. Die Kälteanlage 10 kann insbesondere auch dazu eingerichtet sein, beispielsweise in einem Wärmepumpenmodus betrieben zu werden.
Die Kälteanlage 10 umfasst ferner einen zusätzlichen Kältemittelspeicher 26, der mit dem Kältemittelsammler 18 mechanisch verbunden ist, was in der 1 durch die schraffierte Verbindung 28 illustriert ist. Nachfolgend wird die in 1 dargestellte, fluidtechnische Reihenanordnung von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26 anhand von weiteren Darstellungen erläutert.
Aus der 2A ist der Kältemittelsammler 18 in einer vereinfachten und schematischen Schnittdarstellung ersichtlich. Der Kältemittelsammler 18 umfasst eine Abscheidevorrichtung 30 zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und weist ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr 32 mit einer Ansaugöffnung 34 in einem oberen Bereich des Kältemittelsammlers 18 und mit einer Ölbohrung 36 in einem unteren Bereich auf, insbesondere an einem tiefsten Punkt des Kältemittelansaugrohrs 32. Kältemittel wird aufgrund des arbeitenden Kältemittelverdichters 12 (1) aus dem Kältemittelsammler 18 zu dem inneren Wärmeübertrager 20 gefördert, dessen Bezugszeichen entsprechend in 2A dargestellt ist.
Der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 ist in diesem Beispiel gleichartig bzw. im Wesentlichen baugleich wie der Kältemittelsammler 18 ausgeführt. Der Kältemittelspeicher 26 in seiner Funktion als Kältemittelsammler weist ebenfalls eine Abscheidevorrichtung 30a zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr 32a mit einer Ansaugöffnung 34a in einem oberen Bereich des Kältemittelspeichers 26 und mit einer Ölbohrung 36a in einem unteren Bereich auf, insbesondere an einem tiefsten Punkt des Kältemittelansaugrohrs 32a.
Kältemittel strömt in dieser Konfiguration also zunächst in den als zusätzlichen Kältemittelsammler wirkenden Kältemittelspeicher 26 und danach in den Kältemittelsammler 18. Der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 sind also fluidtechnisch in Reihe angeordnet.
Im gezeigten Beispiel der 2A sind der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 in einem gemeinsamen Sammlermodulbauteil 38 aufgenommen, das die mechanische Verbindung bewirkt. Das Sammlermodulbauteil 38 kann beispielsweise durch ein gemeinsames Gehäuse gebildet sein, das den Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 umgibt. Denkbar ist auch, dass das Sammlermodulbauteil eine Art Vergussmasse ist, mit welcher der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 zumindest teilweise materialschlüssig verbunden sind.
Das Beispiel der 2B zeigt eine alternative mechanische Verbindung 28 zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26. Die mechanische Verbindung 28 ist mittels einer Steganordnung 40 hergestellt. Die Steganordnung 40 kann wenigstens einen oberen Verbindungssteg 40a und/ oder einen unteren Verbindungssteg 40b aufweisen. Es können dabei Schraubverbindungen oder/und Lötverbindungen und dergleichen zum Einsatz kommen. Die Verbindungsstege 40a, 40b sind gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, dass dies nicht die einzige Möglichkeit einer mechanischen Verbindung ist. Es ist auch denkbar, dass der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 direkt, insbesondere mit ihren jeweiligen Behälterwandungen bzw. Gehäusen aneinander anliegen und verbunden sind.
Wie sich aus der Zusammenschau der 1, 2A und 2B ergibt, ist in der 1 die mechanische Verbindung 28 stellvertretend für die Beispiele der 2A (Sammlermodulbauteil 38) und der 2B (Steganordnung 40) dargestellt. Selbstverständlich können als mechanische Verbindung 28 auch andere Arten von Kopplungen zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26 eingesetzt werden.
2C zeigt vereinfacht ein schematisches Diagramm der Reihenanordnung von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26. Der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 sind in einem jeweiligen oberen Bereich mit einer oberen Kältemittelleitung 42 verbunden. Die Kältemittelleitung 42 ist vereinfacht auch in der 1 und den 2A und 2B mit einem Pfeil gekennzeichnet.
Die 2D und 2E zeigen vereinfacht jeweils ein schematisches Schaltbild der Reihenanordnung von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26, wobei zusätzlich eine jeweilige Bypassanordnung 44 dargestellt ist. Die Bypassanordnung 44 dient insbesondere dazu, entweder den Kältemitteilspeicher 26 (2D) oder den Kältemittelsammler 18 (2E) umgehen zu können bzw. ein aktives Durchströmen des betreffenden Behälters mit Kältemittel bedarfsweise zu verhindern.
Die Bypassanordnung 44 umfasst in den gezeigten Beispielen einen jeweiligen Bypassabschnitt 44a, der stromaufwärts von dem betreffenden Behälter 18, 26 beginnt und stromabwärts von demselben Behälter 18, 26 endet. Das Verändern bzw. Anpassen der Strömungsrichtung von Kältemittel wird hier beispielhaft durch zwei Absperrventile 44b, 44c ermöglicht. Selbstverständlich kann dies auch durch ein Mehrwegventil umgesetzt werden. Optional kann stromabwärts von dem betreffenden Behälter 18, 26, der mit der Bypassanordnung 44 umgangen werden soll, ein Rückschlagventil 44d vorgesehen sein, um einen Rückfluss von Kältemittel in diesen Behälter 18, 26 zu vermeiden. Die Anordnung eines Rückschlagventils 44d ermöglicht auch ein Austreten von Kältemittel aus dem Behälter 18, 26 bei entsprechender Drucklage während des Anlagenbetriebs. Wird die Kälteanlage 10 abgeschaltet, so ist das Ventil 44c, das beispielsweise in der Variante „stromlos offen“ ausgebildet sein kann, wieder zu öffnen, so dass für den Ruhezustand der Kälteanlage 10 das maximal mögliche Volumen für die Ausbreitung des Kältemittels verfügbar gemacht werden kann.
3A zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2A bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 3A Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 3A weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. In 3A ist in dem Kältemittelspeicher 26 eine optionale Abscheidevorrichtung 30a enthalten, um eine vorangehende Phasentrennung von Kältemittel zu unterstützen.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 3A das zur 2B Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
3B zeigt das schematische Diagramm von dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26, die fluidtechnisch ebenfalls in Reihe geschaltet sind, aus der 3A. Wie dies aus den Beispielen der 2D und 2E bereits bekannt ist, kann optional eine Bypassanordnung 44 vorgesehen sein, die in diesem Fall den Kältemittelspeicher 26 umgeht.
Zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26 erfolgt ein Übertritt von Kältemittel in Gasphase mittels der oberen Kältemittelleitung 42. Ferner ist eine untere Kältemittelleitung 46 zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26, um einen Übertritt von Kältemittel und Öl bzw. eines Kältemittel-ÖI-Gemisches in der flüssigen Phase zu ermöglichen. Optional kann in der unteren Kältemittelleitung 46 ein weiteres Ventil 46a, beispielsweise ausgeführt als Absperrventil 46a oder auch als Rückschlagventil 46a, angeordnet sein. Die untere Kältemittelleitung 46 ist hier gestrichelt dargestellt, um sie in dieser Ansicht einfacher von der oberen Kältemittelleitung 42 zu unterscheiden und um anzudeuten, dass in der jeweiligen Kältemittelleitung 42 bzw. 46 Kältemittel in einer unterschiedlichen Phase (gasförmig bzw. flüssig) ausgetauscht werden kann.
4A zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2A bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 4A Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 4A ist in Strömungsrichtung von Kältemittel nach dem Kältemittelsammler 18 angeordnet. Mit anderen Worten sind der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 hier anders zueinander in Reihe angeordnet als in den Beispielen der 2 und 3. Der Kältemittelspeicher 26 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. Jedoch kann die Außenhülle des Kältemittelspeichers 26 identisch zu der des Kältemittelsammlers 18 ausgeführt sein, um auf diese Weise eine gewisse Gleichteilstrategie zu erwirken.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 4A das zur 2B Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
Bei der Konfiguration gemäß 4A erfolgt der Austritt von Kältemittel bzw. dessen Entnahme aus dem Kältemittelspeicher 26 möglichst weit unten (Ölfalle), beispielsweise durch eine Entnahmeleitung 48. Der Übertritt von gasförmigem Kältemittel aus dem Kältemittelsammler 18 in den Kältemittelspeicher 26 erfolgt mittels der oberen Kältemittelleitung 42.
4B zeigt das zur 4A zugehörige schematische Diagramm, ohne dass dies noch genauer erläutert wird.
5 zeigt die Kälteanlage 10 mit den gleichen Komponenten wie die Kälteanlage 10 der 1. Es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu der Kälteanlage 10 der 1 sind bei der Kälteanlage 10 der 5 der Kältemittelsammler 18 und der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 fluidtechnisch parallel zueinander angeordnet. Sie sind aber ebenfalls mechanisch mit einander verbunden, was durch die schraffierte Verbindung 28 illustriert ist.
6 zeigt in den Teilfiguren A) bis C) unterschiedliche Beispiele der fluidtechnischen Parallelanordnung von Kältemittelsammler 18 und zusätzlichem Kältemittelspeicher 26.
Für alle Beispiel der 6A bis 6C wird darauf hingewiesen, dass der Kältemittelspeicher 26 in der Art eines Kältemittelsammlers 18 aufgebaut ist. Es wird hierzu insbesondere auf die Ausführungen zur 2A hingewiesen, die auch für die 6A bis 6C gelten, auch wenn der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 hier fluidtechnisch parallel angeordnet sind.
Gemäß dem Beispiel der 6A wird der Kältemittelvolumenstrom ohne weitere Beeinflussung auf den Kältemittelsammler 18 und den als Sammler ausgeführten Kältemittelspeicher 26 aufgeteilt und anschließend wieder zusammengeführt.
Gemäß dem Beispiel der 6B ist stromaufwärts von dem Kältemittelsammler 18 ein Absperrventil 44c angeordnet, so dass der Kältemittelfluss zu dem Kältemittelsammler 18 bedarfsweise geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Ferner ist stromabwärts von dem Kältemittelsammler ein optionales Rückschlagventil 44d angeordnet, um einen Rückfluss von Kältemittel zu vermeiden. Ist das Absperrventil 44c geschlossen, strömt das Kältemittel aktiv nur durch den als Sammler ausgebildeten Kältemittelspeicher 26.
Es wird darauf hingewiesen, dass es aufgrund der im Wesentlichen baugleichen Ausführung von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26 im Beispiel der 6B egal ist, welchem der beiden Behälter das Absperrventil 44c und ggf. das Rückschlagventil 44d zugeordnet sind.
6C zeigt ergänzend zur Konfiguration der 6B noch optionale Kältemittelleitungen 42, 46. Die Kältemittelleitungen 42, 46 sind mit einem jeweiligen Absperrventil 42a, 46a versehen. Mittels der Kältemittelleitungen 42, 46 kann bedarfsweise ein Austausch von Kältemittel in Gasphase oder/und in flüssiger Phase zwischen den beiden Behältern ausgetauscht werden. Insbesondere kann die Kältemitteleitung 42 eine obere Kältemittelleitung und die Kältemittelleitung 46 eine untere Kältemittelleitung sein, wie dies beispielhaft in Bezug auf die 3A bereits beschrieben worden ist. Im Unterschied zur Konfiguration der 3A kann das Kältemittel allerdings in beide Richtungen zwischen den beiden Behältern ausgetauscht werden.
Sollten in einer Kälteanlage 10 weitere Volumina zusätzlich zu dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26 verbaut sein, so können, abgesehen von einem Kältemittelsammler 18, alle weiteren Volumina (in der Art eines Kältemittelspeichers 26) mit entsprechenden Absperr- und oder Bypassvorrichtungen versehen werden, je nach der gewählten Einbindungsweise parallel oder seriell oder als Mischanordnung parallel und seriell.
7 zeigt die Kälteanlage 10 mit den gleichen Komponenten wie die Kälteanlage 10 der 1. Es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu der Kälteanlage 10 der 1 sind bei der Kälteanlage 10 der 7 der Kältemittelsammler 18 und der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 fluidtechnisch so miteinander verbunden, dass der Kältemittelspeicher 26 als Zusatzvolumen für Kältemittel dient, ohne dass er aber im Betrieb aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 sind aber ebenfalls mechanisch mit einander verbunden, was durch die schraffierte Verbindung 28 illustriert ist.
8A zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2A bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 8A Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 8A ist als Zusatzvolumen für Kältemittel ausgebildet und steht fluidtechnisch derart mit dem Kältemittelsammler 18 in Verbindung, dass er nicht aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelspeicher 26 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 8A das zur 2B Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
Der Kältemittelspeicher 26 und der Kältemittelsammler 18 stehen über eine obere Kältemittelleitung 42 und eine untere Kältemittelleitung 46 miteinander in Fluidverbindung. Bei dieser Konfiguration bzw. Anordnung von Kältemittelspeicher 26 und Kältemittelsammler 18 sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar, die insbesondere unter Bezugnahme auf die 8B erläutert werden.
In den beiden Kältemittelleitungen 42, 46 können jeweilige Absperrventile 42a, 46a vorgesehen sein. Hierdurch kann der Austausch von Kältemittel in der jeweiligen Phase (gasförmig bzw. flüssig) bedarfsweise geöffnet oder geschlossen werden.
Die in 8A bzw. 8B gezeigte Anordnung von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26 kann aber auch ohne die Absperrventile 42a, 46a ausgeführt sein.
Ferner ist es möglich, nur das Absperrventil 46a in der unteren Kältemittelleitung 46 vorzusehen, aber kein Absperrventil in der oberen Kältemittelleitung 42.
Alternativ zu einem Absperrventil 46a kann in der unteren Kältemittelleitung 46 auch ein Rückschlagventil (nicht gezeigt) eingesetzt werden.
Ferner ist auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der lediglich die untere Kältemittelleitung 46 mit einem Absperrventil 46a vorhanden ist, aber keine obere Kältemittelleitung 42.
Generell sei für alle Ausführungsbeispiele angemerkt, dass anstelle von Absperrventilen auch Expansionsventile mit entsprechendem maximalem Strömungsquerschnitt analog eines Absperrventiles eingesetzt werden können. Mit einem stufenlos verstellbaren Expansionsorgan ist bei Bedarf ein gezieltes Umsetzen der Kältemittelverlagerung realisierbar.
9 zeigt die Kälteanlage 10 mit den gleichen Komponenten wie die Kälteanlage 10 der 1. Es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu der Kälteanlage 10 der 1 sind bei der Kälteanlage 10 der 9 der Kältemittelsammler 18 und der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 fluidtechnisch so miteinander verbunden, dass der Kältemittelspeicher 26 als Zusatzvolumen für Kältemittel dient, der im Betrieb aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Dabei ist der Kältemittelspeicher 26 stromabwärts von dem inneren Wärmeübertrager 20 angeordnet. Mit anderen Worten liegt der innere Wärmeübertrager 20 in Strömungsrichtung von Kältemittel auf die Niederdruckseite der Kälteanlage 10 zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26. Der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 sind aber ebenfalls mechanisch mit einander verbunden, was durch die schraffierte Verbindung 28 illustriert ist. Auch hier gilt, dass die Austrittsposition des Kältemittels aus dem Kältemittelspeicher 26 an einem möglichst tiefen Punkt des Volumens platziert ist, um bspw. eine Ölfalle zu verhindern.
10 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2A bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 10 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 im Beispiel der 10 ist als Zusatzvolumen für Kältemittel ausgebildet und steht fluidtechnisch derart mit dem Kältemittelsammler 18 in Verbindung, dass er stromabwärts von dem inneren Wärmeübertrager 20 aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelspeicher 26 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 10 das zur 2B Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
Im Gegensatz zu oben gezeigten Beispielen sind der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 zwar mechanisch unmittelbar miteinander verbunden, allerdings sind sie fluidtechnisch nicht unmittelbar miteinander verbunden, weil zwischen ihnen der innere Wärmeübertrager 20 angeordnet ist. Eine unmittelbare fluidtechnische Verbindung läge dann vor, wenn es zwischen den beiden Behältern wenigstens die Kältemittelleitungen 42, 46 gäbe, wie dies bei anderen, oben beschriebenen Beispielen der Fall ist.
11 zeigt die Kälteanlage 10 mit den gleichen Komponenten wie die Kälteanlage 10 der 1. Es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu der Kälteanlage 10 der 1 sind bei der Kälteanlage 10 der 11 der Kältemittelsammler 18 und der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 fluidtechnisch so miteinander verbunden, dass der Kältemittelspeicher 26 als Zusatzvolumen für Kältemittel dient, der im Betrieb nicht aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Dabei ist der Kältemittelspeicher 26 stromabwärts von dem inneren Wärmeübertrager 20 angeordnet an einem Abzweig Ab1. Der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 sind aber ebenfalls mechanisch mit einander verbunden, was durch die schraffierte Verbindung 28 illustriert ist. In dieser Konfiguration wird der Kältemittelspeicher 26 als Ausgleichsbehälter genutzt, in den im Ruhezustand Kältemittel überführt werden kann, um eine Vorgabe (aus einer derzeit gültigen Regelung) zum Einhalt einer spezifischen Anlagenfüllmenge von bspw. 250g pro Liter Analgenvolumen zu erfüllen. Im Betrieb der Kälteanlage 10 wird das dorthin umverlagerte Kältemittel wieder (partiell) abgesaugt.
12 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2A bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 12 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 im Beispiel der 12 ist als Zusatzvolumen für Kältemittel ausgebildet und steht fluidtechnisch mit dem Kältemittelkreislauf über den Abzweig Ab1 in Verbindung, wobei er stromabwärts von dem inneren Wärmeübertrager 20 angeordnet ist, aber nicht aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelspeicher 26 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Auch hier gilt, dass die Austrittsposition des Kältemittels aus dem Kältemittelspeicher 26 an einem möglichst tiefen Punkt des Volumens platziert ist, um bspw. eine Ölfalle zu verhindern.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 12 das zur 2B Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
Für alle unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 beschriebenen Beispiele können der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 als zylindrische Behälter ausgebildet sein, die im Wesentlichen gleich dimensioniert sind, insbesondere ein im Wesentlichen gleiches Innenvolumen aufweisen, das vorzugsweise kleiner als ein Liter ist. Es ist auch möglich, dass der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 bei im Wesentlichen gleichem Innenvolumen eine andere äußere Dimensionierung oder/und Formgebung aufweisen.
Es sei angemerkt, dass ein die Funktion einer Kälteanlage 10 auch unabhängig von einem inneren Wärmeübertrager 20 abgebildet werden kann und folglich der beschriebene Gedanke nicht zwangsläufig an einen inneren Wärmeübertrager 20 gekoppelt ist. Dieser kann eine Steigerung von Leistung und Effizienz einer Kälteanlage 10 erwirken und darüber hinaus auch für die Akustik eines solchen Systems 10 Vorteile verschaffen.
Darüber hinaus kann die Ausführungsform einer Kälteanlage 10 mit einem Kältemittelsammler 18 und einem Kältemittelspeicher 26 auch für unterkritisch arbeitende, beispielsweise chemische Kältemittel wie R1234yf zur Anwendung kommen, sollte in der Auslegung einer Kälteanlage 10 erkennbar sein, dass es speziell im Betrieb eines solchen Systems zu weiteren Volumenbedarfen kommen sollte, die auf die beschriebene Art gelöst bzw. kompensiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015110574 [0002]
DE 102015006189 A1 [0002]
DE 102016005955 A1 [0003]
DE 69517457 [0003]
DE 102006011060 A1 [0003]

Claims

Kälteanlage (10) für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, die für einen Betrieb mit einem insbesondere überkritisch arbeitenden Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter (12), einem ersten Wärmeübertrager (14), insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager (16), insbesondere Verdampfer, und einem Kältemittelsammler (18), dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher (26) aufweist, der mit dem Kältemittelsammler (18) mechanisch gekoppelt ist und der fluidtechnisch direkt oder indirekt mit dem Kältemittelsammler (18) verbunden ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) umfasst: eine Abscheidevorrichtung (30) zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr (32) mit einer Ansaugöffnung (34) in einem oberen Bereich des Kältemittelsammlers (18) und mit einer Ölbohrung (36) in einem unteren Bereich, insbesondere einem tiefsten Punkt des Kältemittelabsaugrohrs (32), wobei der zusätzliche Kältemittelspeicher (26) als gleichartiger Kältemittelsammler (18) ausgebildet ist, so dass die Kälteanlage (10) mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen baugleiche Kältemittelsammler (18) aufweist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) umfasst: eine Abscheidevorrichtung (30) zur Unterstützung der Phasentrennung von eintretendem Kältemittel und ein insbesondere U-förmig ausgebildetes Kältemittelabsaugrohr (32) mit einer Ansaugöffnung (34) in einem oberen Bereich des Kältemittelsammlers (18) und mit einer Ölbohrung (36) in einem unteren Bereich, insbesondere einem tiefsten Punkt des Kältemittelabsaugrohrs (32), wobei der Kältemittelspeicher (26) eine von dem Kältemittelsammler (18) unterschiedliche Konfiguration aufweist, die dazu eingerichtet ist, als einfaches Zusatzvolumen für Kältemittel zu dienen.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) und der Kältemittelspeicher (26) fluidtechnisch in Reihe zueinander oder fluidtechnisch parallel zueinander angeordnet sind.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei der fluidtechnischen Anordnung in Reihe von Kältemittelsammler (18) und Kältemittelspeicher (26) eine Bypassanordnung (44) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, Kältemittel an dem Kältemittelsammler (18) oder dem Kältemittelspeicher (26) vorbeizuleiten.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei der fluidtechnischen parallelen Anordnung von Kältemittelsammler (18) und Kältemittelspeicher (26) wenigstens eine Absperrventileinrichtung (44c) aufweist, die dem Kältemittelsammler (18) oder dem Kältemittelspeicher (26) zugeordnet ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) und der Kältemittelspeicher (26) als zylindrische Behälter ausgebildet sind, die im Wesentlichen gleich dimensioniert sind, insbesondere ein im Wesentlichen gleiches Innenvolumen aufweisen, das vorzugsweise kleiner als ein Liter ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) und der Kältemittelspeicher (26) mechanisch mittels einer Steganordnung (40) oder direkt miteinander verbunden sind, wobei sie insbesondere miteinander verschraubt oder/und verlötet sind.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steganordnung (40) wenigstens einen oberen Verbindungssteg (40a) und/oder einen unteren Verbindungssteg (40b) aufweist, wobei insbesondere eine fluidtechnische Verbindung (42, 46) zwischen dem Kältemittelsammler (18) und dem Kältemittelspeicher (26) an dem oberen Verbindungssteg (40a) oder/und an dem unteren Verbindungssteg (40b) vorgesehen ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kältemittelspeicher (26), im Fall einer unmittelbaren mechanischen Verbindung (28), aber ohne unmittelbare fluidtechnische Verbindung mit dem Kältemittelsammler (18), ausgangsseitig mit dem Kältemittelverdichter (12) verbunden ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (18) und der Kältemittelspeicher (26) in einem gemeinsamen Sammlermodulbauteil (38) aufgenommen sind.
Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einer Kälteanlage (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.