DE102022130636A1

DE102022130636A1 - Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102022130636A1
Application number: DE102022130636.4A
Authority: DE
Inventors: Patrick Horn; Shivakumar Banakar; Dennis Wleklik; Ariel Marasigan; Julian Niedermayer
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024106358A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf 10, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen. Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf 10 umfasst einen Kompressor 12, ein erstes Expansionsventil 14, einen ersten Wärmetauscher 16, welcher stromabwärts von dem Kompressor 12 und stromaufwärts von dem ersten Expansionsventil 14 angeordnet ist, sowie einen zweiten Wärmetauscher 18, welcher stromabwärts von dem ersten Expansionsventil 14 und stromaufwärts von dem Kompressor 12 angeordnet ist. Der Kältemittelkreislauf 10 umfasst des Weiteren eine Rückpassleitung 20, welche stromabwärts vom Kompressor 12 und stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher 16 abzweigt und in einem Bereich stromabwärts vom ersten Expansionsventil 14 und stromaufwärts vom Kompressor 12 mündet, sowie eine Steuereinrichtung 50, mittels welcher die Aufteilung des Massenstroms M1, M2 zum ersten Wärmetauscher 16 und in die Rückpassleitung 20 steuerbar ist. Der erfindungsgemäße Kältemittelkreis 10 ist gekennzeichnet durch einen Ejektor 30, dessen Treibgaseinlass 32 mit der Rückpassleitung 20 verbunden ist, wobei der Ausgang 18A des zweiten Wärmetauschers 18 mit dem Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kältemittelkreislaufs.
Wie mit Bezug zu der 5 dargestellt, umfassen gattungsgemäße Kältemittelkreisläufe 100 einen Kompressor 12, ein erstes Expansionsventil 14 und einen ersten Wärmetauscher 16, welcher stromabwärts von dem Kompressor 12 und stromaufwärts von dem ersten Expansionsventil 14 angeordnet ist. Dieser Abschnitt ist der Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs 100. Der Kältemittelkreislauf 100 umfasst des Weiteren einen zweiten Wärmetauscher 18, welcher stromabwärts von dem ersten Expansionsventil 14 und stromaufwärts von dem Kompressor 12 angeordnet ist. Dieser Abschnitt ist der Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs 100.
Hochdruckabschnitt, Niederdruckabschnitt und die entsprechend dazu angepassten Wärmetauscher beziehen sich dabei auf den jeweiligen Betriebsmodus. Wie allgemein bekannt ist, können einzelne Teilabschnitte und Komponenten zwischen Hochdruck und Niederdruck hin- und her geschaltet werden, je nachdem ob der Kältemittelkreislauf 100 in einem Heizbetrieb oder ein Kühlbetrieb betrieben wird.
Für verschiedene Anwendungsfälle haben sich spezielle Erweiterungen von solchen Kältemittelkreisläufen 100 als zweckmäßig erwiesen. Insbesondere für Schnellheizfunktionen zum kurzfristigen Verbessern der Heizleistung ist daher ferner eine Rückpassleitung 20 (Hotgas-Bypass) mit einem schließbaren zweiten Expansionsventil 22 bekannt, welche stromabwärts vom Kompressor 12 und stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher 16 abzweigt und in einem Bereich stromabwärts vom ersten Expansionsventil 14 und stromaufwärts vom Kompressor 12 mündet. Die Aufteilung des Massenstroms zum ersten Wärmetauscher 16 und in diese Rückpassleitung 20 erfolgt dann typischerweise über das zweite Expansionsventil 22 mittels einer Steuereinrichtung.
Durch das Rückführen des komprimierten Kältemittels ohne zuvoriges Abkühlen im Hochdruckabschnitt wird dem Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreises mittels der dem Kompressor zugeführten Antriebsenergie zusätzliche Energie zugeführt und damit in ein höheres Druckniveau verschoben. Die Effizienz des Systems wird damit ungünstig beeinflusst, erlaubt es aber, ein erhöhtes Leistungsniveau zu erreichen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Kältemittelkreislauf für Heizfunktionen energieeffizienter zu machen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kältemittelkreislauf gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Kältemittelkreislaufs gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf ist gekennzeichnet durch einen Ejektor, dessen Treibgaseinlass mit der Rückpassleitung verbunden ist, wobei der Ausgang des zweiten Wärmetauschers mit dem Sauggaseinlass des Ejektors verbunden ist. Der Ejektorauslass kann dann mit dem Eingang des Kompressors verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass im Niederdruckbereich zwei Druckniveaus entstehen, welche für den vorgesehenen Zweck angepasst werden können. Dabei kann insbesondere der zweite Wärmetauscher auf einem Druckniveau betrieben werden, welcher unter dem Saugdruck des Kompressors liegt und entsprechend dem vorgesehenen Zweck angepasst werden kann.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch diese Anordnung eine Wärmeaufnahme durch den zweiten Wärmetauscher 18 als Außenwärmetauscher trotz des höheren Saugdruckniveaus im Niederdruckbereich auch bei tieferen Umgebungstemperaturen weiterhin möglich ist, weil der Sauggaseinlass des Ejektors auf einem niedrigeren Druckniveau liegt. Mit dem erhöhten Saugdruckniveau, welches sich durch die Verwendung der Rückpassleitung ergibt, lassen sich zudem höhere Kältemittelmassenströme mit dem Kompressor fördern.
Die physikalisch-technischen Zusammenhänge werden im Folgenden mit Bezug zu der 6 kurz erläutert. Die untere/ linke Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Kompressors und dem Saugdruck am Einlass des Kompressors ohne Rückpassleitung, die obere/rechte Kurve zeigt denselben Zusammenhang mit Rückpassleitung. Gegenüber einem Betrieb ohne Rückpassleitung erhöht der Betrieb mit einer Rückpassleitung (Hotgas-Bypass) - bei gegebener Drehzahl des Kompressors - das Druckniveau. Die Wärmeaufnahme aus der Umgebung durch den Außenwärmetauscher wird dann unmöglich, wenn der Sättigungsdruck des verwendeten Kältemittels dem Saugdruck am Außenwärmetauscher entspricht. Bei typischen im Automobilbau verwendeten Kältemitteln, z.B. R1234yf, liegt der Sättigungsdruck bei 0°C bei 3,2 bar, bei -15°C sogar bei nur 1,9 bar. Um das Druck- und Temperaturniveau im Niederdruckbereich abzusenken (und dabei im Hochdruckbereich gleichzeitig zu erhöhen), müsste die Leistung vom Kompressor und damit die Drehzahl erhöht werden. Dies ist aber nur bis zu einer maximal zulässigen oder anderweitig als grenzwertig bestimmten Drehzahl (z.B. begrenzt durch Geräuschpegel) möglich. Während Saugdrücke unter etwa 3 bar beim Betrieb ohne Rückpassleitung (im Wärmepumpenbetrieb mit Außenwärmetauscher < 0°C) möglich sind, ist dies bei Verwendung der Rückpassleitung (rechte Kurve) nicht mehr möglich - falls nicht von vorneherein ein größerer Kompressor verwendet würde, welcher für alle anderen Szenarien überdimensioniert und vergleichsweise teuer wäre. Die Verwendung eines Ejektors in der genannten Konfiguration steigert somit die Energieeffizienz, indem auch bei tieferen Temperaturen weiterhin der gleichzeitige Betrieb der Rückpassleitung und des Außenwärmetauschers (zur zusätzlichen Wärmeaufnahme) ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise ist in der Rückpassleitung ein zweites Expansionsventil angeordnet. Hierdurch ist ein genaues Steuern des Massenstroms durch die Rückpassleitung beim Betrieb einer Schnellheizfunktion möglich. Alternativ kann je nach Ausgestaltung des Ejektors, z.B. eines mehrstufigen Ejektors (Multi-Stage-Ejektors) ggf. auf ein zweites Expansionsventil verzichtet werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass an dem Abzweigpunkt der Rückpassleitung zwischen dem Leitungsabschnitt zwischen dem Kompressor und dem ersten Wärmetauscher ein Dreiwegeventil angeordnet ist, mittels welchem die Aufteilung des Massenstroms zum ersten Wärmetauscher und in die Rückpassleitung steuerbar ist (wobei das Dreiwegeventil selber dann über die Steuereinrichtung regelbar sein kann). Das Dreiwegeventil kann dabei an einen bestimmten Betriebspunkt angepasst und optimiert sein. Das Dreiwegeventil und das zweites Expansionsventil können auch beide zusammen vorgesehen sein und gegebenenfalls ineinander integriert sein.
Der zweite Wärmetauscher kann prinzipiell ein beliebiger für einen Niederdruckbetrieb vorgesehener Wärmetauscher sein. Vorteilhafterweise ist der zweite Wärmetauscher ein an die Fahrzeugaußenseite angepasster Außenwärmetauscher. Hierdurch kann mit der angegebenen Konfiguration des Kältemittelkreislaufs wie oben erwähnt bei tiefen Temperaturen weiterhin Wärmeenergie von der Umgebung aufnehmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist parallel zum zweiten Wärmetauscher ein dritter Wärmetauscher vorgesehen, dessen Ausgang mit einem Bereich stromabwärts vom Auslass des Ejektors verbunden ist. Ferner ist stromaufwärts vom dritten Wärmetauscher ein drittes Expansionsventil angeordnet. Solche parallelen Konfigurationen von Niederdruckwärmetauschern sind als solches bekannt. Die Kombination mit der zuvor genannten Rückpassleitung ist aber auch vorteilhaft für einen Entfeuchtungsbetrieb zu nutzen. In diesem Falle ist der dritte Wärmetauscher insbesondere ein Kabinenverdampfer. Das weitere Expansionsventil ermöglicht es, dass der zweite und dritte Wärmetauscher auf unterschiedlichen Druckniveaus reguliert werden können, je nachdem wieviel Energie für die Heizfunktion und unabhängig dazu für die Entfeuchtungsfunktion benötigt wird.
Vorteilhafterweise ist ein Sensor zum Erfassen des Feuchtezustands vorgesehen, mittels welchem ein Feuchtezustandssignal am dritten Wärmetauscher messbar oder ableitbar ist. Die Steuereinrichtung ist dann angepasst, in Abhängigkeit von dem Feuchtezustandssignal über das dritte Expansionsventil die Verdampfungstemperatur bzw. die Verdampferleistung und damit die Entfeuchtung der Luft am dritten Wärmetauscher zu steuern. Alternativ kann ohne Sensor der Feuchtezustand auch auf andere Art geschätzt werden. Das Feuchtezustand kann durch verschiedene und an sich beliebige Weise erfassbar sein, z.B. direkt als ein Luftfeuchtewert am dritten Wärmetauscher oder dessen Umgebung oder beispielsweise über das Beschlagen oder Vereisen der Windschutzscheibe.
Vorteilhafterweise ist ein Temperatursensor vorgesehen, mittels welchem ein Temperatursignal für die Ist-Temperatur am ersten Wärmetauschers messbar oder ableitbar ist. Die Steuereinrichtung ist dann angepasst, in Abhängigkeit von dem Temperatursignal den Massenstrom zum ersten Wärmetauscher und in die Rückpassleitung zu steuern. Alternativ kann ohne Sensor das Temperatursignal auch anderweitig z.B. durch den Betriebspunkt des Kältemittelkreises geschätzt oder abgeleitet werden.
Es ist an sich bekannt, die Drehzahl des Kompressors in Kältemittelkreisläufen im Wärmepumpenbetrieb so zu steuern, dass eine gewünschte Zieltemperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers (Hochdruckwärmetauscher) anliegt. Erfindungsgemäß kann das Verfahren zum Betreiben eines zuvor genannten Kältemittelkreislaufs mit Rückpassleitung und Ejektor für einen effektiven Schnellheizbetrieb angewendet werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zieltemperatur für den Ausgang des ersten Wärmetauschers ermittelt wird und der Massenstrom durch die Rückpassleitung in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers gesteuert bzw. geregelt wird. Falls die Ist-Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers um einen festgelegten Schwellwert kleiner als die Zieltemperatur ist, wird zum Erreichen der Zieltemperatur der Massenstrom durch die Rückpassleitung erhöht, andernfalls (falls die Ist-Temperatur zu hoch ist) erniedrigt. Optional kann die Drehzahl des Kompressors zusätzlich angepasst werden, d.h. dass durch eine Kombination aus der Veränderung der Drehzahl des Kompressors und des Durchflusses durch die Rückpassleitung die Zieltemperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers eingestellt wird.
Vorteilhafterweise ist ein Grenzwert der Drehzahl des Kompressors festgelegt, wobei der Massenstrom durch die Rückpassleitung dann erhöht wird, falls die Zieltemperatur beim Betrieb des Kompressors bis zum Erreichen des Grenzwerts der Drehzahl nicht erreicht wird oder erreicht werden kann. Ein solcher Grenzwert kann z.B. eine bauartbedingte maximal zulässige Drehzahl sein, sie kann aber auch andere Faktoren berücksichtigen, wie beispielsweise einen für den jeweiligen Betriebspunkt günstigen oder optimalen Bereich oder einen durch die Drehzahl zu erwartenden zulässige Geräuschpegel.
Insbesondere bei tieferen Umgebungstemperaturen und wenn der zweite Wärmetauscher als Außenwärmetauscher eingesetzt wird, muss sichergestellt werden, dass das Druckniveau im zweiten Wärmetauscher ausreichend niedrig ist, um noch Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Dann ist vorzusehen, dass der Massenstrom durch die Rückpassleitung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur vom zweiten Wärmetauscher derart gesteuert wird, dass der Sättigungsdruck des verwendeten Kältemittels am zweiten Wärmetauscher größer als der Saugdruck am Sauggaseinlass des Ejektors ist. Bei typischen automobilen Konfigurationen kann sich die Druckdifferenz zwischen dem Saugdruck am Eingang des Kompressors und dem Saugdruck am Sauggaseinlass des Ejektors auf einen Wert zwischen 1 bis 5 bar einstellen, falls die Außentemperatur unter -5°C oder sogar unter -10°C liegt.
In einer Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum gleichzeitigen Entfeuchten und Heizen angewendet werden. Dabei wird ein Grenzwert für das Feuchtezustandssignal festgelegt und es wird das dritte Expansionsventil geöffnet, wenn der Grenzwert für das Feuchtezustandssignal überschritten wird. Dabei wird das dritte Expansionsventil vor dem dritten Wärmetauscher derart gesteuert, dass die Luftauslasstemperatur am dritten Wärmetauscher unterhalb des Taupunktes liegt, sodass eine Entfeuchtung der durchströmenden Luft ermöglicht wird. Der Massenstrom durch die Rückpassleitung wird dann weiterhin in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur am ersten Wärmetauschers gesteuert. In Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des dritten Expansionsventils wird nämlich die Ist-Temperatur am ersten Wärmetauscher (und ebenso die Druckdifferenz zwischen dem Saugdruck am Eingang des Kompressors und dem Saugdruck am Sauggaseinlass des Ejektors) beeinflusst.
Gemäß einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Veränderung des Massenstromes durch die Rückpassleitung und/oder die Steuerung/ Regelung der anderen Komponenten im Kältemittelkreislauf, insbesondere des Öffnungsgrades des dritten Expansionsventils oder der Drehzahl des Kompressors, bereits auf Basis einer vorberechneten Wertetabelle, bevor die maximale Drehzahl des Kompressors erreicht wird. Eine solche Wertetabelle umfasst beispielsweise vorberechnete Zielwerte und dazugehörige Einstellwerte der Komponenten und Aktuatoren. Bei einem solchen „vorausschauenden Regeln“ kann erkannt werden, dass durch die Umgebungsbedingungen oder des vorliegenden Betriebsszenarios ein Betrieb ohne Massenstrom durch die Rückpassleitung von vorneherein unmöglich sein wird. Dies kann insbesondere bei einem Kaltstart verhindern, dass der Kompressor maximal hochgefahren wird, um erst dann den Schnellheizmodus mit Massenstrom durch die Rückpassleitung zu aktivieren.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.

Die 1 zeigt schematisch einen Kältemittelkreislauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
die 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Ejektors in Zusammenhang mit der 1 und
die 3 und 4 zeigen die thermodynamischen Zustandsdiagramme für zwei Betriebsmodi des Kältemittelkreislaufs nach 1.

In der 1 ist schematisch ein Kältemittelkreislauf 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Kältemittelkreislauf 10 umfasst einen Kompressor 12, welcher über einen Leitungsabschnitt 11A mit einem ersten Wärmetauscher 16 verbunden ist, welcher weiterhin stromabwärts mit einem Leitungsabschnitt 11 B verbunden ist. Dieser teilt sich in zwei parallel Leitungsabschnitte 11C und 11 E auf. Der Leitungsabschnitt 11C mündet in einen zweiten Wärmetauscher 18 und umfasst ein dem zweiten Wärmetauscher 18 vorgeschaltetes erstes Expansionsventil 14. Der zweite Wärmetauscher 18 ist über einen Leitungsabschnitt 11D mit der Saugseite des Kompressors 12 verbunden, womit der Kreislauf geschlossen wird. Der erste Wärmetauscher 16 ist im Ausführungsbeispiel als Kondensator im Klimagerät verbaut (Kabinenkondensator). Der zweite Wärmetauscher 18 ist als Verdampfer ein Außenwärmetauscher, welcher im Wärmepumpenbetrieb (Heizbetrieb) Wärmeenergie aus der Umgebungsluft aufnimmt.
Es sei angemerkt, dass je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreises die angegebenen Komponenten auch anders miteinander verschaltet sein können. So kann der im Wärmepumpenbetrieb als Verdampfer funktionierende zweite Wärmetauscher 18 (Außenwärmetauscher) im Kühlbetrieb in den Hochdruckbereich schaltbar sein, um Wärme an die Umgebung abzugeben (nicht dargestellt). Im Folgenden wird sich auf Heizbetriebe beschränkt.
Im Leitungsabschnitt 11A zweigt an dem Abzweigpunkt 24A eine Rückpassleitung 20 ab. An diesem Punkt ist optional ein Dreiwegeventil 24 angeordnet. In der Rückpassleitung 20 ist optional ein zweites Expansionsventil 22 angeordnet. Die Aufteilung des Massenstroms M1, M2 zum ersten Wärmetauscher 16 und in die Rückpassleitung 20 kann je nach Verfügbarkeit über das zweite Expansionsventil 22 und/oder das Dreiwegeventil 24 gesteuert werden. Die Rückpassleitung 20 ist mit dem Leitungsabschnitt 11D des Niederdruckbereichs des Kältemittelkreises 10 verbunden, welcher stromabwärts von dem zweiten Wärmetauscher 18 und stromaufwärts von dem Kompressor 12 liegt, wobei erfindungsgemäß dazwischen ein Ejektor 30 angeordnet ist, wie nun im Detail und mit Bezug zu den 1 und 2 näher erläutert wird.
Der Ejektor 30 umfasst generisch einen Treibgaseingang 32, einen Auslass 34, eine Strahldüse 37 und eine Fangdüse 38. Der Sauggaseingang 36 ist seitlich zu der Strahldüse 37 angeordnet, sodass der Massenstrom des Kältemittels, welcher aus der Strahldüse 37 austritt, durch den dynamischen Unterdruck Kältemittel über den Sauggaseingang 36 ansaugt. Die Rückpassleitung 20 mündet dabei im Treibgaseinlass 32 des Ejektors 30 und der Auslass 34 des Ejektors 30 ist über den Leitungsabschnitt 11D wiederum mit dem Saugseite des Kompressors 12 verbunden. Der Ausgang 18A des zweiten Wärmetauschers 18 ist mit dem Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 verbunden. Dies ermöglicht es, dass der zweite Wärmetauscher 18 auf einem niedrigeren Druckniveau als die Rückpassleitung 20 betrieben wird, sodass auch noch bei tieferen Umgebungstemperaturen Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann, ohne dabei gleichzeitig das Druckniveau an der Saugseite des Kompressors 12 entsprechend erniedrigen zu müssen.
Der vom Leitungsabschnitt 11B abzweigende Leitungsabschnitt 11E umfasst ein drittes Expansionsventil 42 und mündet in einem dritten Wärmetauscher 40, welcher parallel zum zweiten Wärmetauscher 18 betrieben wird. Der Ausgang des dritten Wärmetauschers 40 ist über einen Leitungsabschnitt 11 F mit einem Bereich stromabwärts vom Auslass 34 des Ejektors 30 verbunden und mündet somit in den Leitungsabschnitt 11 D mit dem höheren der beiden Druckniveaus des Niederdruckbereichs. Der dritte Wärmetauscher 40 ist als Kabinenverdampfer zum Entfeuchten der zu klimatisierenden Luft vorgesehen und kann mittels des dritten Expansionsventils 42 und dem Ejektor unabhängig von dem zweiten Wärmetauscher 18 betrieben werden. Die Leitungsabschnitte 11E und 11 F mit dem dritten Wärmetauscher 40 und dem dritten Expansionsventil 42 können optional vorgesehen sein. Sie sind beispielsweise vom übrigen Kreislauf absperrbar, z.B. indem das dritte Expansionsventil 42 eine Schließfunktion hat.
Der Kältemittelkreislauf 10 ist mit einer Steuereinrichtung 50 verbunden und kann über diese gesteuert und/oder geregelt werden. Die Anbindung ist dabei beliebig gemäß aus dem Stand der Technik bekannter Art. Insbesondere lassen sich die Drehzahl des Kompressors 12, das Dreiwegeventil 24, die Öffnungsquerschnitte der Expansionsventile 14, 22, 42 (sofern jeweils vorhanden) so steuern, dass die Aufteilung des Massenstroms M1, M2 zum ersten Wärmetauscher 16 und in die Rückpassleitung 20 veränderbar sind. Ferner sind optional diverse Sensoren vorgesehen, so etwa der Sensor 52 zum Erfassen des Feuchtezustands und Temperatursensoren 54A - 54C, welche ihre Sensordaten an die Steuereinrichtung 50 kommunizieren. Die zum Steuern nötigen Betriebsparameter können teilweise auch ohne Sensoren anderweitig ermittelt oder abgeschätzt werden.
Der Sensor 52 ist zum Erfassen des Feuchtezustands am dritten Wärmetauscher 40 (Kabinenverdampfer) vorgesehen. Hierzu wird insbesondere die Luftfeuchte und der Taupunkt, d.h. die Taupunkttemperatur ermittelt, sodass luftseitig der dritte Wärmetauscher 40 mit einem Temperaturniveau unterhalb der Taupunkttemperatur betrieben wird, sodass die durchströmende Luft entfeuchtet wird.
Der Temperatursensor 54A ist vorgesehen, um die Ist-Temperatur T1 luftseitig am ersten Wärmetauscher 16 zu messen oder abzuleiten. Die Steuereinrichtung 50 ist angepasst, in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur T1 den Massenstrom M1, M2 zum ersten Wärmetauscher 16 und in die Rückpassleitung 20 zu steuern, wie dies weiter unten im Detail noch mit Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert wird. Weitere Temperatursensoren 54B, 54C können helfen, u.a. Rückschlüsse über die Umgebungstemperatur und den Sättigungsdruck im zweiten Wärmetauscher 18 und über die Taupunkttemperatur am dritten Wärmetauscher 40 zu ziehen. Zusätzlich können zu diesem Zwecke auch Drucksensoren vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Es wird nun näher auf das Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs 10 eingegangen. Es ist an sich bekannt, die Drehzahl des Kompressors in Kältemittelkreisläufen im Wärmepumpenbetrieb so zu steuern, dass luftseitig die Ist-Temperatur T1 am ersten Wärmetauscher 16 eine gewünschte Zieltemperatur T2 erreicht. Die Zieltemperatur T2 am ersten Wärmetauscher 16 bestimmt sich im Wesentlichen durch die Einstellung des Klimatisierungswunsches (Zieltemperatur der Fahrgastkabine) und der Umgebungstemperatur. Dies ist in der Regel für einen bestimmten Fahrzeugtyp berechnet und in einer Vorsteuertabelle hinterlegt. Als Nebenbedingung wird ein Grenzwert D der Drehzahl des Kompressors 12 festgelegt.
In einem ersten Heiz-Betriebsmodus wird zunächst auf an sich bekannte Art die Drehzahl des Kompressors 12 so verändert, dass die Ist-Temperatur T1 innerhalb einer vorgegebenen Toleranz der Zieltemperatur T2 entspricht. Dazu ist die Rückpassleitung zunächst geschlossen. Wenn die Zieltemperatur T2 nicht erreicht wird (oder vorab erkannt wird, dass sie unter den gegebenen Bedingungen nicht erreicht werden kann), obwohl der Grenzwert D der Drehzahl des Kompressors 12 erreicht wurde (oder erreicht werden wird), wird in einen anderen Heiz-Betriebsmodus geschaltet, in welchem die Rückpassleitung 20 geöffnet wird.
In einem zweiten Heiz-Betriebsmodus wird der Massenstrom M2 durch die Rückpassleitung 20 in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur T1 am ersten Wärmetauscher 16 gesteuert bzw. geregelt. Falls die Ist-Temperatur T1 am ersten Wärmetauscher 16 um einen festgelegten Schwellwert kleiner als die Zieltemperatur T2 ist, wird zum Erreichen der Zieltemperatur T2 der Massenstrom M2 durch die Rückpassleitung 20 erhöht, andernfalls (falls die Ist-Temperatur T1 zu hoch ist) erniedrigt. Optional kann die Drehzahl des Kompressors 12 zusätzlich angepasst werden, d.h. dass durch eine Kombination aus der Veränderung der Drehzahl des Kompressors 12 und des Massenstromes M2 durch die Rückpassleitung 20 die Zieltemperatur T2 am ersten Wärmetauscher 16 eingestellt wird. Ein höherer Massenstrom M2 bewirkt dabei nicht nur, dass mittelbar mehr Antriebsenergie über den Kompressor 12 in den Kältemittelkreis 10 übertragen wird (was die Heizleistung erhöht), sondern auch, dass der Unterdruck am Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 steigt, sodass der Druckunterschied zwischen dem Ausgang des zweiten Wärmetauschers 18 und der Saugseite des Kompressors 12 steigt.
Mit Bezug zu der 3 wird kurz auf die thermodynamischen Zustandsänderungen im zweiten Heiz-Betriebsmodus mittels eines Mollier-Diagramms eingegangen. Während die obere waagerechte Linie die Abkühlung im ersten Wärmetauscher 16 und die links senkrecht abfallende Line die Entspannung am ersten Expansionsventil 14 zeigt, stellt die kurze, untere waagerechte Linie die Wärmeaufnahme im zweiten Wärmetauscher 20 aus der Umgebung dar. Die daran anschließende, schräg nach rechtsoben verlaufende Linie stellt das Ansaugen im Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 dar, wobei das Druckniveau der dann weiter waagerecht verlaufenden Linie um mehrere bar höher liegt. Die verbleibenden zwei schräg nach oben verlaufenden Linien entsprechen dem Kompressionsvorgang im Kompressor 12 sowie der Dekompression in der Rückpassleitung 20.
Damit in diesem zweiten Heiz-Betriebsmodus sichergestellt ist, dass über den zweiten Wärmetauscher 18 noch Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann, wird der Massenstrom M2 durch die Rückpassleitung 20 in Abhängigkeit von einem Außentemperatursignal T3 vom zweiten Wärmetauscher 18 (über die z.B. die Umgebungstemperatur oder die Temperatur im zweiten Wärmetauscher ableitbar ist) derart gesteuert, dass bei gegebener Umgebungstemperatur der Sättigungsdruck p1 des verwendeten Kältemittels am zweiten Wärmetauscher 18 größer als der Saugdruck p2 am Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 ist. In Simulationen zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat sich gezeigt, dass z.B. bei Verwendung des Kältemittels R1234yf in diesem Betriebsmodus sich ein Betrieb bis minus 15°C oder noch etwas darunter aufrechterhalten lässt. Die Druckdifferenzen p4 zwischen dem Saugdruck p3 am Eingang des Kompressors 12 und dem Saugdruck p2 am Sauggaseinlass 36 des Ejektors 30 hängen von den Umgebungsbedingungen und der konkreten Systemauslegung ab wobei der Saugdruck p2 am Ejektor 30 unter 1 bar möglich ist.
Je nach Umgebungsfeuchte kann in einen dritten oder vierten Heiz-Betriebsmodus umgeschaltet werden, welche ein gleichzeitiges Heizen und Entfeuchten vorsehen. Dazu wird ein Grenzwert F für ein Feuchtezustandssignal festgelegt, bei dessen Erreichen die Notwendigkeit besteht, die durch den dritten Wärmetauscher 40 strömende Luft zu entfeuchten. Das Feuchtezustandssignal ist typischerweise abhängig von der Luftfeuchtigkeit, einem Beschlagen oder einem Vereisungszustand, welche z.B. mittels dem Sensor 52 erfasst worden sind. Allgemein kann aber auch Vereisung oder Beschlagen der Windschutzscheibe anderweitig erkannt werden und der dritte oder vierte Heiz-Betriebsmodus beispielsweise auch manuell eingestellt werden.
In dem dritten Heiz-Betriebsmodus wird auf an sich bekannte Art analog zum ersten Heiz-Betriebsmodus bei geschlossener Rückpassleitung 20 zusätzlich das dritte Expansionsventil 42 geöffnet. Dabei wird der dritte Wärmetauscher 40 derart gesteuert wird, dass die Luftauslasstemperatur T4 am dritten Wärmetauscher 40 unterhalb des Taupunktes T5 liegt, sodass eine Entfeuchtungsfunktion gestartet wird. Wenn die Zieltemperatur T2 nicht erreicht wird (oder vorab erkannt wird, dass sie unter diesen Bedingungen nicht erreicht werden kann), obwohl der Grenzwert D der Drehzahl des Kompressors 12 erreicht wurde (oder erreicht werden wird), wird in den vierten Heiz-Betriebsmodus geschaltet, in welchem die Rückpassleitung 20 geöffnet wird. Der dritte und vierte Heiz-Betriebsmodus wird typischerweise bei einer Außentemperatur zwischen 0°C und +15°C aktiviert.
Die thermodynamischen Zustandsänderungen im vierten Heiz-Betriebsmodus sind in dem in der 4 gezeigten Mollier-Diagramm dargestellt. Qualitativ ist der Verlauf derselbe wie in 3, mit dem Unterschied, dass die untere waagerechte Linie (Wärmeaufnahme im zweiten Wärmetauscher 20 aus der Umgebung) eine geringere Druckdifferenz zur zweiten Druckstufe stromabwärts vom Ejektor 30 aufweist.
Zwischen den vier genannten Heiz-Betriebsmodi kann je nach Umgebungsbedingungen hin - und her geschaltet werden, d.h. prinzipiell sind alle Übergänge möglich. Dabei kann insbesondere ein Wechsel zwischen dem ersten und vierten Heiz-Betriebsmodus sowie zwischen dem zweiten und dritten Heiz-Betriebsmodus zweistufig erfolgen, d.h. dass das Öffnen/ Schließen der Rückpassleitung 20 sequenziell zum Öffnen/Schließen des dritten Expansionsventils stattfindet.
Ferner kann die Veränderung der Drehzahl des Kompressors 12, die Veränderung des Massenstromes M2 durch die Rückpassleitung 20 und/oder die Veränderung der Druckabfälle der Expansionsventile 14, 22, 42 vorausschauend erfolgen. Wird beispielsweise bei einem Kaltstart festgestellt, dass aufgrund der Umgebungsbedingungen eine Entfeuchtung und/oder eine erhöhte Heizleistung nötig sein wird, muss nicht erst auf das Überschreiten des Grenzwertes F für das Feuchtezustandssignal oder des Grenzwertes D für die Drehzahl des Kompressor 12 gewartet werden. Hierzu kann eine vorberechnete Wertetabelle in der Steuereinrichtung 50 hinterlegt sein, auf dessen Basis der günstigste Heinz-Betriebsmodus vorausberechnet wird und direkt in diesen umgeschaltet wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Kältemittelkreislauf
11A - 11F: Leitungsabschnitte
12: Kompressor
14: erstes Expansionsventil
16: erster Wärmetauscher/ Innere Kondensator
18: zweiter Wärmetauscher/ Außenwärmetauscher
18A: Ausgang des zweiten Wärmetauschers
20: Rückpassleitung
22: Zweites Expansionsventil
24: Dreiwegeventil
24A: Abzweigpunkt
30: Ejektor
32: Treibgaseinlass
34: Ejektorauslass
36: Sauggaseinlass
37: Strahldüse
38: Fangdüse
40: dritter Wärmetauscher
42: drittes Expansionsventil
50: Steuereinrichtung
52: Sensor zum Erfassen des Feuchtezustands
54A - 54C: Temperatursensoren
T1 - T5: Temperaturniveaus
p1 - p4: Drücke
M1 - M2: Massenströme durch Rückpassleitung und erstem Wärmetauscher
D: Grenzwert der Drehzahl des Kompressors
F: Grenzwert für das Feuchtezustandssignal

Claims

Kältemittelkreislauf (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - einen Kompressor (12), - ein erstes Expansionsventil (14), - einen ersten Wärmetauscher (16), welcher stromabwärts von dem Kompressor (12) und stromaufwärts von dem ersten Expansionsventil (14) angeordnet ist, - einen zweiten Wärmetauscher (18), welcher stromabwärts von dem ersten Expansionsventil (14) und stromaufwärts von dem Kompressor (12) angeordnet ist, - eine Rückpassleitung (20), welche stromabwärts vom Kompressor (12) und stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher (16) abzweigt und in einem Bereich stromabwärts vom ersten Expansionsventil (14) und stromaufwärts vom Kompressor (12) mündet, und - eine Steuereinrichtung (50), mittels welcher die Aufteilung des Massenstroms (M1, M2) zum ersten Wärmetauscher (16) und in die Rückpassleitung (20) steuerbar ist, gekennzeichnet durch - einen Ejektor (30), dessen Treibgaseinlass (32) mit der Rückpassleitung (20) verbunden ist, - wobei der Ausgang (18A) des zweiten Wärmetauschers (18) mit dem Sauggaseinlass (36) des Ejektors (30) verbunden ist.
Kältemittelkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückpassleitung (20) ein zweites Expansionsventil (22) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abzweigpunkt (24A) der Rückpassleitung (20) zwischen dem Leitungsabschnitt (11A) zwischen dem Kompressor (12) und dem ersten Wärmetauscher (16) ein Dreiwegeventil (24) angeordnet ist, mittels welchem die Aufteilung des Massenstroms (M1, M2) zum ersten Wärmetauscher (16) und in die Rückpassleitung (20) steuerbar ist.
Kältemittelkreislauf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (18) ein an die Fahrzeugaußenseite angepasster Außenwärmetauscher ist.
Kältemittelkreislauf (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - parallel zum zweiten Wärmetauscher (18) ein dritter Wärmetauscher (40) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem Bereich stromabwärts vom Auslass (34) des Ejektors (30) verbunden ist und - stromaufwärts vom dritten Wärmetauscher (40) ein drittes Expansionsventil (42) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Zieltemperatur (T2) am ersten Wärmetauscher (16) ermittelt wird und - der Massenstrom (M2) durch die Rückpassleitung (20) in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur (T1) am ersten Wärmetauscher (16) gesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Grenzwert (D) der Drehzahl des Kompressors (12) festgelegt wird, und - der Massenstrom (M2) durch die Rückpassleitung (20) erhöht wird, falls die Zieltemperatur (T2) am ersten Wärmetauscher (16) beim Betrieb des Kompressors (12) bis zum Erreichen des Grenzwerts (D) der Drehzahl nicht erreicht wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (M2) durch die Rückpassleitung (20) in Abhängigkeit von einem Außentemperatursignal (T3) vom zweiten Wärmetauscher (18) derart gesteuert wird, dass der Sättigungsdruck (p1) des verwendeten Kältemittels am zweiten Wärmetauscher (18) größer als der Saugdruck (p2) am Sauggaseinlass (36) des Ejektors (30) ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz (p4) zwischen dem Saugdruck (p3) am Eingang des Kompressors (12) und dem Saugdruck (p2) am Sauggaseinlass (36) des Ejektors (30) auf einen Wert zwischen 1 bis 5 bar, vorzugsweise auf 2 bis 4 bar, eingestellt wird, falls ein Außentemperatursignal (T3) unter -5°C, vorzugsweise unter - 10°C, erfasst wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Grenzwert (F) für das Feuchtezustandssignal festgelegt wird, und - das dritte Expansionsventil (42) geöffnet wird, wenn der Grenzwert (F) für das Feuchtezustandssignal überschritten wird, wobei der dritte Wärmetauscher (40) derart gesteuert wird, dass die Luftauslasstemperatur (T4) am dritten Wärmetauscher (40) unterhalb der Taupunkttemperatur (T5) liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung - des Massenstrom (M2) durch die Rückpassleitung (20) und/oder - der Druckabfälle wenigstens eines der ersten bis dritten Expansionsventile (14; 22; 42) auf Basis einer vorberechneten Wertetabelle bereits erfolgen, bevor die maximale Drehzahl (D) des Kompressors (12) erreicht wird.