DE102022118622A1

DE102022118622A1 - Kälteanlage für überkritisches Kältemittel mit zusätzlichem Kältemittelspeicher und eingebundenem Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage

Info

Publication number: DE102022118622A1
Application number: DE102022118622.9A
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, einem Kältemittelsammler (18), und einem inneren Wärmeübertrager (20). Dabei ist vorgesehen, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher (26) aufweist, der mit dem Kältemittelsammler (18) mechanisch und fluidtechnisch verbunden ist, und dass der innere Wärmeübertrager (20) an oder in dem Kältemittelsammler (18) oder dem Kältemittelspeicher (26) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, die für einen Betrieb mit einem insbesondere überkritischen arbeitenden Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter, einem ersten Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, einem Kältemittelsammler, und einem inneren Wärmeübertrager.
Eine derartige Kälteanlage, die an geeigneter Stelle im Kältemittelkreislauf ein zusätzliches Volumenelement zur Bereitstellung eines hinreichend großen Kältemittelvolumens aufweist und das innerhalb eines inneren Wärmeübertragers angeordnet sein kann, ist beispielsweise aus der DE 10 2005 033 019 A1 bekannt.
Ferner wird ergänzend auf die DE 11 2018 000 460 T5 und die DE 10 2018 214 178 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 überkritischen Kältemittel eingerichtet ist, mit einem Kältemittelverdichter, einem ersten Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler bzw. Kondensator, einem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, einem Kältemittelsammler, und einem inneren Wärmeübertrager. Dabei ist vorgesehen, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher aufweist, der mit dem Kältemittelsammler mechanisch und fluidtechnisch verbunden ist, und dass der innere Wärmeübertrager an oder in dem Kältemittelsammler oder dem Kältemittelspeicher angeordnet 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 durch die Anordnung des inneren Wärmeübertragers an bzw. in dem Kältemittelsammler oder dem Kältemittelspeicher eine kompakte Bauweise ermöglicht 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 des Kältemittelabsaugrohrs, umfassen, wobei das Kältemittelabsaugrohr mit der niederdruckseitigen Eingangsseite des inneren Wärmeübertragers verbunden ist.
Bei der Kälteanlage kann das Kältemittelabsaugrohr innerhalb des Behälters des Kältemittelsammlers mit dem inneren Wärmeübertrager verbunden sein.
Bei der Kälteanlage können der innere Wärmeübertrager und der Kältemittelsammler oder der Kältemittelspeicher in einem gemeinsamen Behältergehäuse angeordnet sein.
Bei der Kälteanlage kann der innere Wärmeübertrager oberhalb oder unterhalb oder entlang bzw. koaxial über den Umfang des Behältervolumens des Kältemittelsammlers oder des Kältemittelspeichers angeordnet sein.
Bei der Kälteanlage kann mit der niederdruckseitigen Ausgangsseite des inneren Wärmeübertragers eine Ausgangsleitung verbunden sein, die das Kältemittel unmittelbar dem Kältemittelspeicher oder unmittelbar dem Kältemittelverdichter zuführt.
Bei der Kälteanlage kann die Ausgangsleitung zumindest teilweise durch den Kältemittelsammler oder entlang des Kältemittelsammlers verlaufen und danach in einen Leitungsabschnitt außerhalb des Kältemittelsammlers oder des Kältemittelspeichers münden, wobei der (außerhalb befindliche) Leitungsabschnitt mit dem Kältemittelverdichter verbunden ist.
Bei der Kälteanlage kann der Kältemittelspeicher als gleichartiger Kältemittelsammler ausgebildet sein, so dass die Kälteanlage mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen baugleiche Kältemittelsammler aufweist, wobei der innere Wärmeübertrager nur an oder in einem der mehreren Kältemittelsammler angeordnet ist. Alternativ kann der Kältemittelspeicher eine von dem Kältemittelsammler unterschiedliche Konfiguration aufweisen, 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 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.
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 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
3 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
4 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
5 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
6 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
7 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
8 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
9 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
10 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager;
11 eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels von Kältemittelsammler, Kältemittelspeicher und innerem Wärmeübertrager.

1 zeigt eine schematisches und vereinfachtes Diagramm 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 10 stromabwärts von dem zweiten Wärmeübertrager 16 (Verdampfer) angeordnet.
Die Kälteanlage 10 kann ferner einen dritten Wärmeübertrager 22, insbesondere 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.
Der innere Wärmeübertrager 20 ist im gezeigten Beispiel bezogen auf die Niederdruckseite der Kälteanlage auch stromabwärts von dem (optionalen) dritten Wärmeübertrager 22 (Chiller) angeordnet.
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.
In 1 ist der innere Wärmeübertrager 20 rein schematisch direkt benachbart zu dem Kältemittelsammler 18 dargestellt. Dies ist eine vereinfachte Illustration des erfindungsgemäßen Gedankens, dass der innere Wärmeübertrager 20 an oder in dem Kältemittelsammler 18 oder dem Kältemittelspeicher 26 angeordnet ist. Auf ein gesondertes Schaltbild mit einer Anordnung des inneren Wärmeübertragers 20 direkt neben bzw. an oder in dem zusätzlichen Kältemittelspeicher 26 wird verzichtet. Eine derartige Anordnung des inneren Wärmeübertragers 20 ist in 1 lediglich als gestricheltes Rechteck an dem zusätzlichen Kältemittelspeicher 26 illustriert, ohne dass aber die Kältemittelleitungen in ihrem Verlauf angepasst sind.
Die Anordnung des inneren Wärmeübertragers 20 und eine entsprechende Anpassung von Kältemittelleitungen kann anhand der nachfolgenden Beispiele nachvollzogen werden, auch wenn nicht für jedes der nachfolgenden Beispiele ein der 1 ähnliches Schaltbild dargestellt ist.
Nachfolgend werden verschiedene Beispiele einer kompakten Anordnung von innerem Wärmeübertrager 20 in bzw. an dem Kältemittelsammler 18 oder dem zusätzlichen Kältemittelspeicher 26 anhand von vereinfachten Schnittdarstellungen vorgestellt.
Aus der 2 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, der in dem Beispiel der 2 in dem Kältemittelsammler 18 angeordnet bzw. integriert 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 2 sind der Kältemittelsammler 18 und der Kältemittelspeicher 26 beispielhaft mittels einer mechanischen Verbindung 28 (1) zwischen dem Kältemittelsammler 18 und dem Kältemittelspeicher 26 miteinander gekoppelt. 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.
Aus der 2 ist ersichtlich, dass der innere Wärmeübertrager 20 in den Kältemittelsammler 18 integriert ist, so dass eine kompakte Bauweise ermöglicht werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden.
Optional ist in dem Verbindungssteg 40b eine Verbindungsstelle 46 vorsehbar, die einen Übertritt von Kältemittel und/oder Öl und/oder eines Kältemittel-ÖI-Gemisches in den stromabwärts folgenden Behälter 18 ermöglicht. Eine solche Übertrittsstelle ist bevorzugt an der niedrigsten Stelle eines ersten Sammelbehälters 26 vorzusehen, um potenzielle Ölversackungen zu unterbinden.
3 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 3 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 3 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. In 3 ist in dem Kältemittelspeicher 26 eine Abscheidevorrichtung 30a enthalten, um die Phasentrennung von Kältemittel zu unterstützen.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 3 das zur 2 Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
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 in der flüssigen Phase zu ermöglichen. Optional kann in der unteren Kältemittelleitung 46 ein nicht dargestelltes Absperrventil angeordnet sein.
Aus der 3 ist ersichtlich, dass der innere Wärmeübertrager 20 wie im Beispiel der 2 in den Kältemittelsammler 18 integriert ist, so dass eine kompakte Bauweise ermöglicht werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden.
4 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18 und einen Kältemittelspeicher 26, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 3 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 4 Gültigkeit hat. Allerdings ist in diesem Beispiel der innere Wärmeübertrager 20 in dem zusätzlichen Kältemittelspeicher 26 angeordnet bzw. integriert ist, so dass eine kompakte Bauweise ermöglicht werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden.
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 in der flüssigen Phase zu ermöglichen. Optional kann in der unteren Kältemittelleitung 46 ein nicht dargestelltes Absperrventil angeordnet sein.
Bezüglich der mechanischen Verbindung gilt für das Beispiel der 4 das zur 2 Gesagte zur Strebenanordnung 40 mit oberer und unterer Strebe 40a, 40b.
5 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18 und einen Kältemittelspeicher 26, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 3 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 5 Gültigkeit hat. In diesem Beispiel ist die Reihenfolge von Kältemittelsammler 18 und Kältemittelspeicher 26 anders als in den 2 bis 4.
Der innere Wärmeübertrager 20 ist in dem Kältemittelsammler 18 so angeordnet bzw. integriert, dass eine kompakte Bauweise ermöglicht werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden.
Bei der Konfiguration gemäß 5 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.
6 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 6 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 6 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. In 6 ist in dem Kältemittelspeicher 26 eine Abscheidevorrichtung 30a enthalten, um die Phasentrennung von Kältemittel zu unterstützen.
Im Beispiel der 6 ist der innere Wärmeübertrager 20 an dem Kältemittelsammler 18 angeordnet. Insbesondere ist der innere Wärmeübertrager 20 außerhalb des Behältervolumens des Kältemittelsammlers 18 angeordnet. Der innere Wärmeübertrager 20 bildet hier eine Art Verlängerung des Kältemittelsammlers 18 nach unten hin. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden. In diesem Beispiel wird die niederdruckseitige Kältemittelleitung NKL nach dem inneren Wärmeübertrager 20 erneut durch den Kältemittelsammler 18 geführt.
In einer nicht weiter dargestellten, erweiterten Ausführungsform von 6 kann der innere Wärmeübertrager 20 auch so platziert werden, dass er sich unterhalb des Kältemittelsammlers 18 und auch unter dem zusätzlichen Kältemittelsammler 26 erstreckt. Der innere Wärmeübertrager 20 kann dabei als eine Gesamteinheit abgebildet werden oder aus zwei getrennt voneinander ausgeführten inneren Wärmeübertragern 20 gebildet sein, die jeweils unter dem Kältemittelsammler 18 und dem zusätzlichen Kältemittelsammler 26 angeordnet sind. In letzterem Fall wären die beiden inneren Wärmeübertrager jedoch untereinander im Niederdruckabschnitt und im Hochdruckabschnitt miteinander verbunden, so dass sie gemeinsam an das Gesamtsystem angebunden sind. Alternative Ausführungsformen dieser Variante sind die Anordnungen oberhalb, seitlich oder um die beiden Behältnisse des Kältemittelsammlers 18 bzw. des zusätzlichem Kältemittelsammlers 26 herum.
7 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 7 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 7 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. In 7 ist in dem Kältemittelspeicher 26 eine Abscheidevorrichtung 30a enthalten, um die Phasentrennung von Kältemittel zu unterstützen.
Im Beispiel der 7 ist der innere Wärmeübertrager 20 an dem Kältemittelsammler 18 angeordnet. Insbesondere ist der innere Wärmeübertrager 20 außerhalb des Behältervolumens des Kältemittelsammlers 18 angeordnet. Der innere Wärmeübertrager 20 bildet hier eine Art Verlängerung des Kältemittelsammlers 18 nach unten hin. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden. In diesem Beispiel wird die niederdruckseitige Kältemittelleitung NKL in Abweichung von dem Beispiel der 6 nach dem inneren Wärmeübertrager 20 nicht erneut durch den Kältemittelsammler 18 geführt.
8 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 8 Gültigkeit hat. Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 im Beispiel der 8 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Insbesondere kein Kältemittelabsaugrohr. In 8 ist in dem Kältemittelspeicher 26 eine Abscheidevorrichtung 30a enthalten, um die Phasentrennung von Kältemittel zu unterstützen.
Im Beispiel der 8 ist der innere Wärmeübertrager 20 an dem Kältemittelsammler 18 angeordnet. Insbesondere ist der innere Wärmeübertrager 20 außerhalb des Behältervolumens des Kältemittelsammlers 18 angeordnet. Der innere Wärmeübertrager 20 bildet hier eine Art Verbreiterung des Kältemittelsammlers 18 zur Seite hin. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung und Ausgestaltung des inneren Wärmeübertragers 20 hier lediglich vereinfacht und schematisch dargestellt ist, insbesondere als einfaches Rechteck. Die Dimension des gezeigten Rechtecks und der Verlauf der hochdruckseitigen Kältemittelleitungen HKL bzw. niederdruckseitigen Kältemittelleitungen NKL in dem inneren Wärmeübertrager 20 kann auch anders ausgestaltet werden.
Weitere Ausführungsformen eines inneren Wärmeübertrager können durch dessen Verlegung um den Umfang außerhalb oder innerhalb eines jeweiligen Sammlervolumens gebildet werden.
9 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht ein Beispiel mit einem Kältemittelsammler 18, wie er oben unter Bezugnahme auf die 2 bzw. 5 bereits beschrieben worden ist, was auch in Bezug auf die 8 Gültigkeit hat.
Der zusätzliche Kältemittelsammler 26 ist aufgeteilt in ein Speichervolumen 26v für Kältemittel und den integrierten inneren Wärmeübertrager 20. Dabei ist in dem Kältemittelspeicher 26 ein Trennvorrichtung 26t, insbesondere Trennwand oder dergleichen vorgesehen, so dass kein Kältemittelaustausch zwischen dem inneren Wärmeübertrager 20 und dem Speichervolumen 26v erfolgt. Das Speichervolumen 26v ist nicht aktiv von Kältemittel durchströmt, sondern derart mit dem Kältemittelkreislauf verbunden, dass bedarfsweise Kältemittel aus dem Speichervolumen 26v angesaugt oder in dieses zurückströmen kann, was durch den Doppelpfeil 26s angedeutet ist.
10 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der 8. Der zusätzliche Kältemittelspeicher 26 im Beispiel der 10 ist als Zusatzvolumen für Kältemittel ausgebildet und steht fluidtechnisch mit dem Kältemittelkreislauf über einen Abzweig in Verbindung, wobei er aber nicht aktiv von Kältemittel durchströmt wird. Der Kältemittelspeicher 26 weist kein für einen Kältemittelsammler bzw. Kältemittelakkumulator spezifisches Innenleben auf. Die Austrittsposition (Doppelpfeil links unten) des Kältemittels aus dem Kältemittelspeicher 26 ist bevorzugt an einem möglichst tiefen Punkt des Volumens platziert, um bspw. eine Ölfalle zu verhindern. Kältemittel strömt in diesem Beispiel nur aktiv durch den Kältemittelsammler 18, an dem der innere Wärmeübertrager 20 wie im Beispiel der 8 vorgesehen ist.
11 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiels der 9. In diesem Beispiel wird niederdruckseitig das Kältemittel aus dem inneren Wärmeübertrager 20 nicht direkt zu dem Kältemittelverdichter 12 geleitet, so wie in 9 gezeigt. Vielmehr wird niederdruckseitig das Kältemittel aus dem inneren Wärmeübertrager 20 in das abgetrennte Speichervolumen 26v geleitet, was durch den nach unten weisenden weißen Konturpfeil illustriert ist. Von dort wird das Kältemittel dem Kältemittelverdichter 12 zugeführt, was durch die Entnahmeleitung 48 illustriert ist.
Zu 11 sind weitere alternative Ausführungsformen denkbar. Neben der oben beschriebenen Anordnung eines abgetrennten Speichervolumens unterhalb eines inneren Wärmeübertragers 20 kann ein solches Speichervolumen auch oberhalb oder seitlich sich in die Höhe ausbreitend oder innerhalb eines inneren Wärmeübertragers 20 oder um einen solchen herum verlaufend angeordnet sein. Der innere Wärmeübertrager 20 wird dabei von einem solchen Zusatzvolumen 26v umgeben bzw. umschlossen bzw. der innere Wärmeübertrager 20 umgibt bzw. umschließt ein solches Zusatzvolumen 26v.
Für alle unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 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.
Der innere Wärmeübertrager 20 ist in allen Beispielen derart an oder in dem Kältemittelsammler 18 oder dem Kältemittelspeicher 26 angeordnet, dass insgesamt eine kompakte Bauweise ermöglicht wird. Kältemittelsammler 18, Kältemittelspeicher 26 und innerer Wärmeübertrager 20 können auf diese Weise auch als eine Art Speichermodul mit innerem Wärmeübertrager als ein Bauteil bereitgestellt werden. Der innere Wärmeübertrager 20 kann eine Steigerung von Leistung und Effizienz einer Kälteanlage 10 erwirken und darüber hinaus auch für die Akustik eines solchen Systems 10 Vorteile verschaffen.
In den Beispielen der 2 bis 5 und 9 sind der innere Wärmeübertrager 20 und der Kältemittelsammler 18 bzw. der Kältemittelspeicher 26 in einem gemeinsamen Behältergehäuse angeordnet. Die Beispiele der 6 bis 8 illustrieren, dass der innere Wärmeübertrager 20 oberhalb oder unterhalb oder entlang des Behältervolumens des Kältemittelsammlers 18 oder des Kältemittelspeichers 26 angeordnet sein kann.
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 102005033019 A1 [0002]
DE 112018000460 T5 [0003]
DE 102018214178 A1 [0003]

Claims

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, einem Kältemittelsammler (18), und einem inneren Wärmeübertrager (20), dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen zusätzlichen Kältemittelspeicher (26) aufweist, der mit dem Kältemittelsammler (18) mechanisch und fluidtechnisch verbunden ist, und dass der innere Wärmeübertrager (20) an oder in dem Kältemittelsammler (18) oder dem Kältemittelspeicher (26) angeordnet 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 das Kältemittelabsaugrohr (32) mit der niederdruckseitigen Eingangsseite des inneren Wärmeübertragers (20) verbunden ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelabsaugrohr (32) innerhalb des Behälters des Kältemittelsammlers 18 mit dem inneren Wärmeübertrager 20 verbunden ist.
Kälteanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (20) und der Kältemittelsammler (18) oder der Kältemittelspeicher (26) in einem gemeinsamen Behältergehäuse angeordnet sind.
Kälteanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (20) oberhalb oder unterhalb oder entlang des Behältervolumens des Kältemittelsammlers (18) oder des Kältemittelspeichers (26) angeordnet ist.
Kälteanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der niederdruckseitigen Ausgangsseite des inneren Wärmeübertragers (20) eine Ausgangsleitung verbunden ist, die das Kältemittel unmittelbar dem Kältemittelspeicher (26) oder unmittelbar dem Kältemittelverdichter (12) zuführt.
Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleitung zumindest teilweise durch den Kältemittelsammler (18) oder entlang des Kältemittelsammlers (18) verläuft und danach in einen Leitungsabschnitt außerhalb des Kältemittelsammlers (18) oder des Kältemittelspeichers (26) mündet, wobei der Leitungsabschnitt mit dem Kältemittelverdichter (12) verbunden ist.
Kälteanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelspeicher (26) als gleichartiger Kältemittelsammler (18) ausgebildet ist, so dass die Kälteanlage (10) mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen baugleiche Kältemittelsammler (18) aufweist, wobei der innere Wärmeübertrager (20) nur an oder in einem der mehreren Kältemittelsammler angeordnet ist, oder dass 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 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.
Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einer Kälteanlage (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.