WO2020160817A1 - Verfahren zum betreiben einer einen kältemittelkreislauf aufweisenden kälteanlage eines fahrzeugs - Google Patents

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air
interior evaporator
fresh air
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Dirk Schroeder
Helmut Rottenkolber
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    • F25B41/22—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves between evaporator and compressor

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a refrigeration system of a vehicle having a refrigerant circuit in refrigeration system operation
  • refrigerant circuits in vehicle air conditioning systems is known, with some variants providing a 2 evaporator system, namely a front evaporator and a rear evaporator.
  • the amount of active refrigerant required in the refrigerant circuit varies depending on the interconnection and active operation of the respective heat transfer.
  • electrified vehicles require a separate cooling device for conditioning and temperature control of the energy storage device, which is usually implemented as a high-voltage battery.
  • Such a cooling device can be implemented by means of the refrigerant circuit and is referred to as active battery cooling.
  • Such a cooling device is implemented as a refrigerant-coolant heat exchanger which works as an evaporator (by cooling an air flow) or as a chiller (by cooling a coolant flow).
  • the refrigerant circuit of the vehicle refrigeration system in a heat pump operation to heat the passenger compartment is also known.
  • the refrigerant circuit In its function as a heat pump, the refrigerant circuit is able to heat an air or water flow or coolant flow and emit this heat directly or indirectly to the air in the passenger compartment.
  • the amount of actually required refrigerant in the refrigerant circuit that is required for optimum operation varies in this case as well.
  • a refrigeration system for a vehicle with a refrigerant circuit which, in addition to an air-refrigerant heat exchanger as a condenser, includes two evaporators, namely a chiller with an associated expansion element and an interior evaporator with an associated expansion element.
  • This refrigerant circuit also has two refrigerant compressors, which are brought together on the high-pressure side on the condenser and on the suction side can be fluidly connected to the two evaporators in different ways via a network of ventilators.
  • the refrigerant flows of the two evaporators can be distributed to the refrigerant compressors operated at the same time, or a refrigerant flow from an evaporator can each be fed to a refrigerant compressor. It is also possible that only one of the two refrigerant compressors is operated for the two evaporators.
  • This network of valve organs consists of shut-off valves and several expansion organs.
  • both United evaporators are operated at the same pressure level, which is set by the two expansion organs.
  • the refrigerant is compressed simultaneously by both refrigerant compressors, which are operated with the same suction pressure.
  • the interior evaporator can be connected to the first refrigerant compressor via a shut-off valve and to the second refrigerant compressor via a further expansion element.
  • the chiller is on the one hand verbun directly to the first refrigerant compressor and via a further expansion element to the second refrigerant compressor.
  • the expansion element connected downstream of the interior evaporator is either opened or operated in a regulated manner, so that the chiller can be operated with a low cooling capacity or a high cooling capacity.
  • a heat management system consists of a low-temperature circuit, a high-temperature circuit, a refrigerant circuit and a battery cooling circuit, the refrigerant circuit having a refrigerant compressor, a condenser, an evaporator with an associated expansion element and a chiller with an associated expansion element.
  • a cooling arrangement for a charge air cooler of an internal combustion engine of a motor vehicle is known from DE 10 2015 016 394 A1.
  • This cooling arrangement comprises a low-temperature cooling circuit with a low-temperature cooler and the charge air cooler, a refrigerant circuit with a condenser, an evaporator with an associated expansion valve and another evaporator as a chiller with an associated expansion valve.
  • This additional evaporator is thermally coupled to the low-temperature cooler cooling circuit.
  • a chiller branch which has a chiller and a first Expansionsor gan and is thermally coupled to a coolant circuit
  • At least one interior evaporator branch which has an interior evaporator and a second expansion element and is connected in parallel to the chiller branch
  • the interior evaporator and the chiller are operated simultaneously by regulating the first and second expansion elements
  • the degree of superheating of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller is regulated by controlling the degree of opening of the first expansion element to a minimum setpoint value of a target degree of superheating
  • the chiller is operated with a slight overheating corresponding to the minimum setpoint value of a target overheating degree of between 3 and 7 K, for example.
  • This value for the amount of overheating is given in this order of magnitude because this is the only way to ensure that the permissible minimum overheating is correctly recorded.
  • the decisive factor here is the tolerance of the sensors for recording pressure and temperature at the outlet of the chiller.
  • the required minimum overheating, given a low pressure set in the refrigerant circuit by means of the refrigerant compressor, is the superheating value for which the maximum refrigeration capacity can be provided in a controllable manner by the chiller.
  • the interior evaporator is set to a setpoint of the compressor-side setting of a refrigerant-side evaporation pressure level, which corresponds to an evaporation temperature
  • the blow-out temperature of the supply air flow directed into the vehicle interior is regulated, while in parallel a subcooling regulator is activated via the expansion device upstream of the evaporator.
  • all active interior evaporators and component-cooling evaporators, such as the chiller are regulated to overheating, which in turn can be variably implemented via the expansion element upstream of the respective evaporator.
  • a further increase in the cooling capacity generated by the chiller is achieved, according to the development, in that the target blow-out temperature at the interior evaporator is reduced to a predetermined temperature reduction value down to a minimum permissible temperature reduction value.
  • a tem perature lowering value of the target blow-out temperature can be, for example, 2 ° C, since at this temperature an air-side evaporator freezing can usually still be safely avoided.
  • the minimum permissible temperature reduction value is that temperature value at which it can just be ensured on the interior evaporator that no icing occurs on the air side, i.e.
  • the condensate that does not cause a layer of ice to form in the evaporator network In order to safely rule out such an event, the minimum permissible air-side outlet temperatures are usually set between 1 and 3 ° C; the refrigerant-side evaporation pressures and thus evaporation temperatures that allow these values result accordingly.
  • the supply air flow into the vehicle cabin could become necessary for the supply air flow into the vehicle cabin to be reheated after cooling or dehumidification, for example with an electrical high-voltage heater.
  • the refrigerant circuit is equipped with a heat pump function, the heating requirement can be covered in a reheat mode via the refrigeration system.
  • This predetermined temperature reduction value is preferably determined as a function of a cooling capacity to be provided by the chiller, which is provided by the Cooling medium, for example, is required for a high-voltage storage device and thus the requirement of an air conditioning control unit, which is responsible for the air-side outlet temperature at the interior evaporator, is overruled and changes towards colder temperatures, which ultimately results in a lowering of the low pressure and the corresponding evaporation temperature of the refrigerant is to be equated.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supply air volume of the conditioned supply air flow flowing into the vehicle cabin is reduced to a predetermined (down to a minimum) supply air volume value.
  • the specified supply air quantity value is determined and activated depending on the urgency of the need for component protection, for example in the case of the high-voltage component that the cooling capacity required by the cooling medium cannot be provided under the current operating conditions of the refrigeration system.
  • the amount of air is reduced to a certain extent and, if necessary, the after-heating of the air flow is also reduced so that the passengers can still be provided with an acceptable minimum of comfort for a limited period of time.
  • Another advantageous option for increasing the cooling capacity of the chiller is to replace the supply air flow into the vehicle cabin at least partially with increased circulating air or fresh air, depending on the current supply air flap positions, depending on the enthalpy values of the air flows involved and acting on the interior evaporator of the air conditioner are aligned and the energy content of the respective air flows is represented.
  • a particularly preferred development of the invention proposes that the supply air flow is partially increased by fresh air or completely replaced by fresh air when the enthalpy of the fresh air is less than the enthalpy of the circulating air. If the enthalpy of the fresh air is less than the enthalpy pie of the circulating air, this means that the circulating air in the vehicle cabin is warmer and more humid than the air around the vehicle and thus the cooling power to be applied for conditioning the supply air flow into the cabin is reduced when the supply air flow affecting the interior evaporator is higher Has proportion of fresh air or is completely replaced by fresh air.
  • the enthalpy of the fresh air is greater than the enthalpy of the circulating air, more circulating air is added to the supply air flow. If the enthalpy of the fresh air is greater than the enthalpy of the circulating air, this means that the circulating air of the vehicle cabin is colder and drier than the air around the vehicle and therefore more cooling capacity would have to be provided when fresh air is supplied to cool it down to the level of the vehicle cabin in order to condition the supply air stream flowing into the cabins accordingly. Therefore, in this case, only a small amount of fresh air is added, so that the required C02 concentrations are maintained in accordance with the MAK guidelines. Preferably, only 5 to 10% fresh air is added to the supply air.
  • This admixing of fresh air takes place permanently or can be implemented through short-term admixing phases, the so-called fresh air purging.
  • the vehicle interior also has a CO2 sensor, which in turn signals the times when a given flushing requirement is required. In this way, the fresh air components can be added to the supply air flow in a targeted manner, until the C02 concentration is permanently reduced. Then the return to air circulation takes place.
  • Figure 1 shows a circuit arrangement of a refrigerant circuit for
  • FIG. 2 shows an alternative circuit arrangement to the circuit arrangement according to FIG. 1 for carrying out an exemplary embodiment of the method according to the invention using a refrigerant collector arranged on the high-pressure side
  • FIG. 2 shows an alternative circuit arrangement to the circuit arrangement according to FIG. 1 for carrying out an exemplary embodiment of the method according to the invention using a refrigerant collector arranged on the high-pressure side
  • FIG. 3 shows another alternative to the circuit arrangement according to FIG.
  • Circuit arrangement for performing aforementionedsbei game of the method according to the invention equipped with a third expansion element.
  • FIGS. 1 to 3 each show a refrigerant circuit 10 of a refrigeration system of a vehicle which is provided for pure AC operation (refrigeration system operation).
  • the functional expansion with regard to a heat pump operation was dispensed with, since the basic concept for describing the method can already be fully represented with the simple interconnection concept.
  • These refrigerant circuits 10 are constructed in an identical basic structure and each differ in the arrangement of a refrigerant collector as a low-pressure or high-pressure refrigerant collector.
  • the refrigerant circuit 10 according to FIGS. 1 to 3 consists of the following components:
  • An outer condenser 4 or gas cooler 4 which is fluidly connected to the high pressure output of the refrigerant compressor 3,
  • a chiller branch 1.0 with a chiller 1 provided for cooling an electrical component (for example a high-voltage battery, an electrical drive component, etc.) of the vehicle, a first expansion element AE1 arranged upstream of the chiller 1 and designed as an electrical expansion valve the first downstream of the chiller 1 Pressure-temperature sensor pT 1, the chiller 1 being thermally coupled to a coolant circuit 1.1 for cooling the electrical components,
  • an electrical component for example a high-voltage battery, an electrical drive component, etc.
  • a refrigerant collector 6.1 or 6.2 which according to Figures 1 and 3 as a low-pressure refrigerant ittelsamm ler 6.1 with a downstream second pressure-temperature sensor pT2 is connected downstream of the chiller branch 1.0 and the interior evaporator branch 2.0 and which is shown in Figure 2 is connected downstream of the outer condenser 4 or gas cooler 4 as a floch pressure refrigerant collector 6.2,
  • An internal heat exchanger 5 the high-pressure side of which fluidly connects the condenser 4 or gas cooler 4 to the chiller branch 1.0 and the interior evaporator branch 2.0, while its low-pressure side section according to FIGS. 1 and 3 between the low-pressure refrigerant collector 6.1 and the refrigerant compressor 3 is integrated in the refrigerant circuit 10 and according to Figure 2 between the chiller branch 1.0 and the refrigerant compressor 3,
  • a third pressure-temperature sensor pT3 connected downstream of the condenser 4 or gas cooler 4,
  • a fifth pressure-temperature sensor pT5 connected downstream of the interior evaporator 2 according to FIGS. 2 and 3, and
  • the third pressure-temperature sensor pT3 is to be provided downstream of the condenser 4 or gas cooler 4. Since such systems are usually systems that are exclusively for the subcritical system operation are provided, the third pressure-temperature sensor pT3 can be omitted.
  • a climate control unit is provided as a control unit (not shown in the figures), to which input signals to be processed, such as actual values from pressure-temperature sensors, are fed to generate control signals or setpoint values as output signals to control the individual components th of the refrigerant ittelnikanks 10 to generate.
  • the interior evaporator branch 2.0 has a check valve 7 according to FIGS. 1 and 2.
  • a lockable third expansion element can be arranged at this position.
  • the indoor evaporator 2 becomes the reference variable for the refrigeration process and specifies the level of low pressure and thus the required evaporation temperature.
  • a minimum overheating is set for a maximum cooling capacity at the Käl teffenausgabe of the chiller 1
  • the actual value of the degree of superheating of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller 1 is continuously determined from the measured values of the pressure-temperature sensor pT1 by means of a control device 8 (not shown in FIG. 1) and at least on regulated a minimum setpoint of a target degree of superheating or a minimum permissible degree of superheating.
  • the chiller 1 is controlled by appropriate control of the degree of opening of the associated expansion element AE1 at least with the minimum overheating or minimum overheating according to the minimum setpoint of the target overheating. efficiency. With this setting, the maximum cooling capacity at the chiller 1 can be set and achieved at a low pressure prevailing in the Käl teffenwan 1, which is determined and specified by the interior evaporator 2 as a reference variable.
  • the refrigeration capacity at the chiller 1 is therefore regulated indirectly by regulating the overheating at the refrigerant outlet of the chiller 1 by setting a refrigerant mass flow through the chiller 1 by means of the first expansion element AE1 in order to achieve a defined cooling of the water temperature of the coolant circuit 1.1, whereby the target cooling of the cooling medium flowing through the chiller 1 is primarily set by the first expansion element AE1, superimposed with a monitoring of overheating, which can be reduced to a minimum of, for example, 3K at a given low pressure.
  • the overheating of the refrigerant at their outlets is regulated when the interior evaporator 2 and the chiller 1 are operated together.
  • a maximum cooling capacity at the chiller 1 is achieved by continuously determining the actual value of the degree of superheating of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller 1 from the measured values of the pressure / temperature sensor pH by means of a control device 8 (not shown in FIG. 2) and at least to a minimum setpoint of a target degree of superheating or a permissible degree of overheating is regulated.
  • the chiller 1 by appropriate control of the opening degree of the associated expansion member AE1 at least with the minimum overheating or minimum overheating in accordance with the minima len setpoint of the target overheating degree.
  • the refrigeration capacity at the chiller 1 is regulated primarily via the first expansion element AE1, with which the required cooling of the cooling medium is set at the outlet of the chiller 2, coupled with monitoring of overheating at the refrigerant outlet of the chiller 1, whereby the overheating according to the specification does not fall below a minimum overheating of, for example, 3K and a refrigerant mass flow flowing through the chiller 1 is set by means of the first expansi onsorgans AE1 in order to achieve a defined cooling of the water temperature of the coolant circuit 1.1.
  • Such a drop in temperature for the target blow-out temperature can mean, for example, a jump from 6 ° C to 3 ° C.
  • the supply air flow into the vehicle cabin could be further heated after cooling or dehumidification, for example with an electrical high-voltage heater.
  • the Kältemit telniklauf 10 is equipped with a heat pump function, the heating requirement can be covered in a reheat operation via the refrigeration system.
  • This predetermined temperature reduction value is determined depending on the cooling requirements of the cooling medium. Should the refrigerant circuit 1 still show refrigeration potential, d. H. that, for example, the refrigerant volume flow can still be increased by means of the refrigerant compressor 3, this can be further exploited by implementing the temperature reduction value.
  • Another measure to increase the cooling capacity at chiller 1 provides that the supply air volume of the conditioned supply air flow flowing into the vehicle cabin is reduced to a predetermined (up to a minimum) supply air volume value. With such a reduction in the amount of supply air, the refrigeration requirement and the proportion of dehumidification on the interior evaporator 2 is reduced, whereby an increase in the refrigeration capacity of the chiller 1 is realized at the same time.
  • the specified supply air volume value is dependent on the urgency of the need for component protection, for example in the case of the high-voltage component that is below the current Operating conditions of the refrigeration system that cannot be provided by the cooling medium required refrigeration capacity are determined and activated. The amount of air is reduced to a certain extent and, if necessary, the after-heating of the air flow is also reduced, so that the passengers can still be provided with an acceptable minimum of comfort for a limited period of time.
  • Another measure to increase the cooling capacity of the chiller is to actively influence the air flow into the vehicle cabin by varying the proportions of circulating air or fresh air, depending on the enthalpy values of the air flows involved.
  • the supply air flow is completely switched to fresh air if the enthalpy of the fresh air is less than the enthalpy of the circulating air. If the enthalpy of the fresh air is less than the enthalpy of the circulating air, this means that the circulating air in the vehicle cabin is warmer and possibly more humid than the air around the vehicle and thus the cooling capacity to be applied is reduced if the supply air flow is completely replaced by fresh air .
  • the enthalpy of the fresh air is greater than the enthalpy of the circulating air, only a small or no proportion of fresh air is added to the supply air flow. If the enthalpy of the fresh air is greater than the enthalpy of the circulating air, this means that the circulating air of the vehicle cabin is colder and possibly drier than the air around the vehicle and thus the fresh air and therefore when fresh air is supplied to cool it down to the same level the vehicle cabin would have to be provided with increased cooling capacity. Therefore, in this case, only a small amount of fresh air is added, so that the required C02 concentrations are maintained in accordance with the MAK guidelines. Preferably 5 to 10% fresh air is added to the supply air.
  • the refrigerant circuit 10 according to FIG. 1 can also be operated with a third expansion element AE3, as is shown in FIG. 3.
  • This third expansion element AE3 belongs to the interior Evaporator branch 2.0 and is connected downstream of the interior evaporator 2.
  • the refrigerant state within the interior evaporator branch 2.0 can be detected via a pressure-temperature sensor pT5 provided downstream of the interior evaporator 2; alternatively, an air temperature sensor Tu connected downstream of the interior evaporator 2 on the air outlet side can be used for this.
  • This third expansion element AE3 designed as an electrically or mechanically controllable expansion valve, ensures that the interior evaporator branch 2.0 does not fall below a low pressure leading to air-side icing due to condensate in the evaporator network.
  • a medium pressure level can be set in the interior evaporator branch 2.0, while on the chiller 1 a virtually arbitrary low pressure level below the low pressure level in the evaporator branch 2.0 by means of the refrigerant compressor 3 depending on the required cooling capacity of the chiller 1, in particular the maximum refrigeration capacity as shown above adjusted.
  • the desired cooling of the cooling medium is primarily regulated by means of the first expansion element AE1, which reaches its maximum at a respectively set low pressure with a minimum overheating of 3K, for example.
  • the cooling capacity at the chiller 1 can be varied as a function of the degree of overheating at the refrigerant outlet of the chiller 1 at the respective prevailing low pressure.
  • the maximum cooling performance of the chiller 1 is achieved if the refrigerant is set close to the dew line of the refrigerant at its refrigerant outlet, in particular to the minimum setpoint of the target degree of superheating or the permissible degree of superheating with a value between 3 and 7 K.
  • the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller 1 is close to the sen dew line, ie operated with a slight overheating and the interior evaporator 2 by means of the third expansion organ AE3 on a oil pressure level operated.
  • the low pressure of the chiller 1 is raised to the low pressure of the interior evaporator 2 by regulating the refrigerant compressor 3.
  • the cooling capacity at the chiller 1 can be reduced additionally.
  • a maximum cooling capacity is generated at the chiller 1 when the refrigerant in the refrigerant outlet of the chiller 1 is close to the sen dew line, i.e. with minimal overheating to the minimum setpoint of the target degree of overheating or the permissible degree of overheating is operated.
  • the cooling capacity of the chiller 1 is reduced by increasing the overheating of the refrigerant by means of the first expansion element AE1 at a constant pressure in the interior evaporator 2.
  • the collector bottle can also be integrated into the condenser 4, before the subcool section integrated into the condenser 4 flows through downstream.
  • the third pressure-temperature sensor sensor pT3 can be omitted, since the condenser 4, in which the high-pressure refrigerant collector 6.2 and subcool section are integrated, is already automatically set to subcool the refrigerant .
  • This method of increasing or maximizing the provision of power at the chiller 1 also applies to refrigerant circuits 1 that have more than one interior evaporator 2 or generally to all multi-evaporator systems, with the evaporators installed there as air-refrigerant heat exchangers and / or are designed as an air-cooling medium heat exchanger.
  • the described method can also be implemented in a refrigerant circuit 10 with a heat pump function.
  • the method described can be used for all known refrigerants, such as R744, R134a, R1234yf, etc., with only the low-pressure refrigerant collector 6.1 being taken into account specifically for the R744 system.
  • the ideal control target of a refrigerant-coolant heat exchanger such as, for example, the chiller 1 to achieve maximum cooling capacity at a given low pressure
  • a dew line operation whereby due to the limited evaluability of an operating point on the dew line due to the measurement sensors Substitute rule target "minimum overheating" is pursued.
  • a further increase in the cooling capacity on Chiller 1 is achieved by reducing the low pressure level.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf (10) aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1), ein erstes Expansionsorgan (AE1) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1) thermisch gekoppelt ist, wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist, einem Kältemittelverdichter (3), und einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei der Innenraum-Verdampfer (2) und der Chiller (1) mittels einer Regelung des ersten und zweiten Expansionsorgans (AE1, AE2) gleichzeitig betrieben werden und der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans (AE1) auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird und der Innenraum-Verdampfer (2) derart betrieben wird, dass dieser eine Führungsgröße für den einzustellenden Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (10) ist.

Description

Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Käl teanlage eines Fahrzeugs
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittel kreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kälteanlagenbetrieb
Der Einsatz von Kältemittelkreisläufen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten eine 2 -Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckverdampfer. Je nach Verschaltung und akti vem Betrieb der jeweiligen Wärmeübertragung variiert der Bedarf an benötig tem aktivem Kältemittel im Kältemittelkreislauf. Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben dem Frontverdampfer als mindes tens einen Innenraum-Verdampfer eine separate Kühlvorrichtung zur Kondi tionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisier ten Energiespeichers. Eine solche Kühlvorrichtung kann mittels des Kältemit telkreislaufs realisiert werden und wird als aktive Batteriekühlung bezeichnet. Eine solche Kühlvorrichtung wird als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager realisiert, der als Verdampfer (durch Kühlen eines Luftstromes) bzw. als Chil- ler (durch Kühlen eines Kühlmittelstroms) arbeitet.
Auch der Einsatz des Kältem ittelkreislaufs der Fahrzeugkälteanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In sei ner Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt bzw. indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugkälteanlage, ob also geheizt bzw. gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertrager aktiv betrieben werden, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an tat sächlich benötigtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
Aus der DE 10 2016 201 835 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf bekannt, welcher neben einem Luft-Kältemittel- Wärme-übertrager als Kondensator zwei Verdampfer, nämlich einen Chiller mit zugeordnetem Expansionsorgan und einen Innenraum -Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan umfasst. Ferner weist dieser Kältemittel kreislauf zwei Kältemittelverdichter auf, die hochdruckseitig auf den Konden sator zusammengeführt sind und saugseitig über ein Netzwerk von Ventilor ganen mit beiden Verdampfern auf unterschiedliche Weise fluidverbindbar sind. So können die Kältemittelströme der beiden Verdampfern auf die bei den gleichzeitig betriebenen Kältemittelverdichter verteilt oder ein Kältemit telstrom eines Verdampfers jeweils einem Kältem ittelverdichter zugeführt werden. Auch ist es möglich, dass für die beiden Verdampfer nur einer der beiden Kältemittelverdichter betrieben wird. Dieses Netzwerk von Ventilorga nen besteht aus Absperrventilen und mehreren Expansionsorganen.
In einem Betriebsmodus dieser bekannten Kälteanlage werden beide Ver dampfer auf demselben Druckniveau betrieben, welches durch die beiden Expansionsorgane eingestellt wird. Die Verdichtung des Kältemittels erfolgt gleichzeitig über beide Kältemittelverdichter, die mit gleichem Saugdruck be trieben werden. In diesem Betriebsmodus ist der Innenraum -Verdampfer über ein Absperrventil mit dem ersten Kältemittelverdichter und über ein wei teres Expansionsorgan mit dem zweiten Kältemittelverdichter verbindbar. Der Chiller ist einerseits direkt mit dem ersten Kältemittelverdichter und über ein weiteres Expansionsorgan mit dem zweiten Kältem ittelverdichter verbun den. In diesem Betriebsmodus wird das dem Innenraum-Verdampfer nach geschaltete Expansionsorgan entweder geöffnet oder geregelt betrieben, so dass der Chiller mit einer geringen Kühlleistung oder mit einer hohen Kühl leistung betrieben werden kann. Ein Wärmemanagementsystem gemäß der DE 10 2011 016 613 A1 besteht aus einem Niedertemperaturkreislauf, einem Hochtemperaturkreislauf, einem Kältemittelkreislauf und einem Batteriekühlkreislauf, wobei der Kältemittel kreislauf einen Kältem ittelverdichter, einen Kondensator einen Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan und einen Chiller mit zugehörigem Ex pansionsorgan aufweist. Mit einem solchen Wärmemanagement soll eine komfortabel Heizfunktion mit möglichst geringem Energieaufwand und Kraft stoffverbrauch ermöglicht werden.
Eine Kühlanordnung für einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftma schine eines Kraftfahrzeugs ist aus der DE 10 2015 016 394 A1 bekannt. Diese Kühlanordnung umfasst einen Niedertemperatur-Kühlkreis mit einem Niedertemperatur-Kühler und dem Ladeluftkühler, einen Kältemittelkreislauf mit einem Kondensator, einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansions ventil sowie einem weiteren Verdampfer als Chiller mit zugeordnetem Ex pansionsventil. Dieser weitere Verdampfer ist mit dem Niedertemperaturküh- ler-Kühlkreis thermisch gekoppelt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Käl temittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb anzugeben, so dass bei gleichzeitigem Betrieb eines Innenraum- Verdampfers und eines Chillers eine maximale Chillerkälteleistung ermög licht wird, d. h. am Chiller eine maximal mögliche Leistung für das Kühlmedi um bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufwei senden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit
- einem Chiller-Zweig, welcher einen Chiller und eine erstes Expansionsor gan aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig, welcher einen Innenraum- Verdampfer und ein zweites Expansionsorgan aufweist und dem Chiller- Zweig parallel geschaltet ist,
- einem Kältemittelverdichter, und
- einem Kondensator oder Gaskühler,
zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Innenraum-Verdampfer und der Chiller mittels einer Regelung des ers ten und zweiten Expansionsorgans gleichzeitig betrieben werden,
- der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird, und
- mittels des Innenraum-Verdampfers das Niveau des Niederdrucks des Käl temittelkreislaufs vorgegeben wird.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Chiller mit einer geringen Überhitzung entsprechend des minimalen Sollwertes eines Zielüberhitzungs grades, von bspw. zwischen 3 und 7 K betrieben. Dieser Wert für den Betrag der Überhitzung wird in dieser Größenordnung angegeben, weil nur auf die se Weise sichergestellt ist, dass die zulässige Minimalüberhitzung korrekt erfasst wird. Ausschlaggebend hierfür ist die Toleranz der Sensorik zur Er fassung von Druck und Temperatur am Austritt der Chillers. Die geforderte Minimalüberhitzung ist bei einem jeweils im Kältemittelkreislauf mittels des Kältemittelverdichters eingestellten Niederdruck der Wert der Überhitzung, für den die maximale Kälteleistung von dem Chiller kontrollierbar bereitge stellt werden kann.
In der erfindungsgemäßen Betriebsart des Kältem ittelkreislaufs, bei welchem das Kältemittel im Chiller auf wenigstens einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird, wird der Innenraum-Verdampfer mit tels der verdichterseitigen Einstellung eines kältemittelseitigen Verdamp fungsdruckniveaus, welches mit einer Verdampfungstemperatur korrespon diert, auf einen Sollwert der Ausblastemperatur des in den Fahrzeuginnen raum geführten Zuluftstromes eingeregelt, während parallel dazu über das dem Verdampfer vorgeschaltete Expansionsorgan eine Unterkühlungsrege- lung oder eine Regelung auf einen optimalen Hochdruck im Kältemittelkreis lauf bei einem gleichzeitig vorhandenen niederdruckseitigen Kältemittelspei cher die Systemeffizienz maximiert wird. Bei einem Kältemittelkreislauf mit einem hochdruckseitigen Kältemittelspeicher werden alle aktiven Innenraum- Verdampfer und komponentenkühlenden Verdampfer, wie bspw. der Chiller auf Überhitzung geregelt, die ihrerseits über das dem jeweiligen Verdampfer vorgeschaltete Expansionsorgan variabel umsetzbar ist.
Eine weitere Erhöhung der von dem Chiller erzeugten Kälteleistung wird wei terbildungsgemäß dadurch erreicht, dass die Soll-Ausblastemperatur am In- nenraum-Verdampfer auf einen vorgegebenen Temperaturabsenkwert bis hin auf einen minimal zulässigen Temperaturabsenkwert abgesenkt wird. Ein solcher Tem peraturabsenkwert der Soll-Ausblastemperatur kann bspw. 2 ° C betragen, da bei dieser Temperatur eine luftseitige Verdampfervereisung in der Regel noch sicher vermeidbar ist. Damit wird gleichzeitig am Chiller das Verdampfungsdruckniveau gesenkt und das treibende Temperaturgefälle zwischen Kältemittel und Kühlmittel erhöht, so dass sich dessen Kälteleis tung erhöht. Der minimal zulässige Temperaturabsenkwert ist derjenige Temperaturwert, bei welchem am Innenraum-Verdampfer gerade noch si chergestellt werden kann, dass luftseitig keine Vereisung auftritt, also das auftretende Kondensat nicht im Netz des Verdampfers eine Eisschicht ent stehen lässt. Um ein solches Ereignis sicher auszuschließen, werden in der Regel die minimal zulässigen luftseitigen Austrittstemperaturen zwischen 1 bis 3°C eingestellt, entsprechend resultieren die diese Werte erlaubenden kältemittelseitigen Verdampfungsdrücke und damit Verdampfungstemperatu ren.
In diesem Fall könnte es erforderlich werden, dass der Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine nach einer Abkühlung bzw. Entfeuchtung nachzuheizen ist, bspw. mit einer elektrischen Hochvoltheizung. Falls der Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpenfunktion ausgestattet ist, kann der Heizbedarf in ei nem Reheat-Betrieb über die Kälteanlage gedeckt werden. Vorzugsweise wird dieser vorgegebene Temperaturabsenkwert in Abhängigkeit von einer von dem Chiller bereitzustellenden Kühlleistung bestimmt, die seitens des Kühlmediums bspw. für einen Hochvoltspeicher erforderlich ist und damit die Anforderung eines Klimasteuergerätes, das für die luftseitige Austrittstempe ratur am Innenraum-Verdampfer verantwortlich ist, überstimmt und hin zu kälteren Temperaturen verändert, was letztlich mit einer Absenkung des Nie derdruckes und der mit diesem korrespondieren Verdampfungstemperatur des Kältemittels gleichzusetzen ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und konditionierten Zu luftstromes auf einen vorgegebenen (bis hin zu einem minimalen) Zuluft mengenwert abgesenkt wird. Mit einer solchen Reduzierung der Zuluftmenge wird der Kältebedarf am Innenraum-Verdampfer reduziert, wodurch gleich zeitig eine Erhöhung der Kälteleistung des Chillers realisiert wird. Vorzugs weise wird der vorgegebene Zuluftmengenwert in Abhängigkeit von der Dringlichkeit des Bedarfs des Bauteilschutzes, beispielsweise im Falle der Hochvoltkomponente, dass unter den aktuellen Betriebsbedingungen der Kälteanlage die seitens des Kühlmediums erforderliche Kälteleistung nicht bereitgestellt werden kann, bestimmt und aktiviert. Dabei wird die Luftmenge in einem Maß reduziert und ggf. auch die Nachheizung des Luftstroms her abgesetzt, so dass den Passagieren für eine zeitlich begrenzte Zeitdauer noch ein verträgliches Minimum an Komfort bereitgestellt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erhöhung der Kälteleistung des Chil lers besteht darin, in Abhängigkeit der Enthalpiewerte der beteiligten und den Innenraum-Verdampfer beaufschlagenden Luftströme den Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine zumindest teilweise durch erhöhte Umluft- oder Frischluftan teile zu ersetzen, je nachdem wie die aktuellen Zuluftklappenstellungen des Klimagerätes ausgerichtet sind und sich der Energieinhalt der jeweiligen Luftströme darstellt.
So schlägt eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Zuluftstrom anteilig verstärkt durch Frischluft oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Ent halpie der Umluft ist. Wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthal- pie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft in der Fahrzeugkabine wärmer und feuchter als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und somit die aufzubringende Kälteleistung zur Konditionierung des in die Kabine strömen den Zuluftstroms reduziert wird, wenn der den Innenraum-Verdampfer be aufschlagende Zuluftstromeinen höheren Anteil an Frischluft aufweist oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird.
Umgekehrt, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, werden dem Zuluftstrom verstärkt Anteile von Umluft beigemischt. Wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, be deutet dies, dass die Umluft der Fahrzeugkabine kälter und trockener als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und daher bei Zuführung von Frischluft zu deren Abkühlung auf das Niveau der Fahrzeugkabine mehr Kälteleistung bereitgestellt werden müsste, um den in die Kabinen strömenden Zuluftstrom entsprechend zu konditionieren. Daher wird in diesem Fall lediglich ein ge ringer Anteil von Frischluft beigefügt, so dass entsprechend den MAK- Richtlinien die erforderlichen C02-Konzentrationen eingehalten werden. Vor zugsweise wird der Zuluft nur 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt.
Dieses Beimischen von Frischluft erfolgt permanent oder kann durch kurzfris tige Beimischphasen, den sogenannten Frischluftspülungen, realisiert wer den. Idealerweise weist der Fahrzeuginnenraum darüber hinaus einen CO2- Sensor auf, der seinerseits die Zeitpunkte eines gegeben Spülbedarfs signa lisiert. So können die Frischluftanteile gezielt dem Zuluftstrom beigemischt werden und das solange, bis die C02-Konzentration dauerhaft abgesenkt ist. Im Anschluss erfolgt die Rückkehr zum Umluftbetrieb.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie an hand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung eines Kältemittelkreislaufs zur
Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungs- gemäßen Verfahrens unter Verwendung eines niederdruckseitig angeordneten Kältem ittelsammlers,
Figur 2 eine zur Schaltungsanordnung nach Figur 1 alternative Schal- tungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines hochdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers, und
Figur 3 eine weitere zur Schaltungsanordnung nach Figur 1 alternative
Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet mit ei nem dritten Expansionsorgan.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen der Einfachheit halber jeweils einen für den reinen AC-Betrieb (Kälteanlagenbetrieb) vorgesehenen Kältemittelkreislauf 10 einer Kälteanlage eines Fahrzeugs. Auf die funktionale Erweiterung hinsichtlich eines Wärmepumpenbetriebs wurde verzichtet, da der Grundgedanke zur Beschreibung des Verfahrens bereits mit dem einfachen Verschaltungskon zept vollumfänglich darstellbar ist. Diese Kältemittelkreisläufe 10 sind in einer identischen Grundstruktur aufgebaut und unterscheiden sich jeweils in der Anordnung eines Kältem ittelsam m lers als Niederdruck- oder Hochdruck- Kältemittelsammler.
Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß den Figuren 1 bis 3 besteht aus folgen- den Komponenten:
- einem Kältemittelverdichter 3,
- einem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, welcher mit dem Hoch druckausgang des Kältemittelverdichters 3 fluidverbunden ist,
- einem Chiller-Zweig 1.0 mit einem zur Kühlung einer elektrischen Kompo- nente (bspw. eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Antriebskomponente usw.) des Fahrzeugs vorgesehenen Chiller 1 , einem dem Chiller 1 vorge schalteten und als elektrisches Expansionsventil ausgebildeten ersten Ex pansionsorgan AE1 und einem dem Chiller 1 nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor pT 1 , wobei der Chiller 1 mit einem Kühlmittelkreis lauf 1.1 zur Kühlung der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt ist,
- einem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 mit einem Innenraum-Verdampfer 2 und einem demselben vorgeschalteten und mit einer Absperrfunktion aus geführten zweiten Expansionsorgan AE2 wobei der Innenraum-Verdampfer zweig 2.0 dem Chiller-Zweig 1.0 parallel geschaltet ist,
- einem Kältemittelsammler 6.1 bzw. 6.2, der gemäß den Figuren 1 und 3 als N iederdruck-Kältem ittelsamm ler 6.1 mit einem nachgeschalteten zweiten Druck-Temperatursensor pT2 dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum- Verdampferzweig 2.0 stromabwärts nachgeschaltet ist und der gemäß Figur 2 als Flochdruck-Kältem ittelsamm ler 6.2 dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 stromabwärts nachgeschaltet ist,
- einem inneren Wärmeübertrager 5, dessen Hochdruckseite den Kondensa tor 4 oder Gaskühler 4 mit dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum- Verdampferzweig 2.0 fluidverbindet, während dessen niederdruckseitiger Abschnitt gemäß den Figuren 1 und 3 zwischen dem Niederdruck- Kältemittelsammler 6.1 und dem Kältem ittelverdichter 3 in den Kältemittel kreislauf 10 und gemäß Figur 2 zwischen dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Kältemittelverdichter 3 eingebunden ist,
- einem dem Kondensator 4 oder Gaskühler 4 nachgeschalteten dritten Druck-Temperatursensor pT3,
- einem dem Kältemittelverdichter 3 nachgeschalteten vierten Druck- Temperatursensor pT4,
- einem gemäß den Figuren 2 und 3 dem Innenraum-Verdampfer 2 strom abwärts nachgeschalteten fünften Druck-Temperatursensor pT5, und
- einem gemäß Figur 2 der Parallelschaltung des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraumverdampfers 2.0 stromabwärts optional in Abhängigkeit der Betriebsstrategie nachgeschalteten sechsten Druck-Temperatursensor pT6.
Ist der Hochdruck-Kältesammler 6.2 in den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 integriert ist, so ist der dritte Druck-Temperatursensor pT3 stromabwärts des Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 vorzusehen. Da es sich bei solchen An lagen jedoch in der Regel um Systeme handelt, die ausschließlich für den unterkritischen Anlagenbetrieb vorgesehen sind, kann der dritte Druck- Temperatursensor pT3 entfallen.
Schließlich ist für den Kältemittelkreislauf 10 gemäß den Figuren 1 bis 3 ein Klimasteuergerät als Steuereinheit vorgesehen (in den Figuren nicht darge stellt), welchem zu verarbeitende Eingangssignale, wie bspw. Istwerte von Druck-Temperatursensoren zugeführt werden, um hieraus Steuersignale bzw. Sollwerte als Ausgangssignale zur Steuerung der einzelnen Komponen ten des Kältem ittelkreislaufs 10 zu erzeugen.
Der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 weist gemäß den Figuren 1 und 2 ein Rückschlagventil 7 auf. An dieser Position kann alternativ ein absperrbares drittes Expansionsorgan angeordnet werden.
Bei einem parallelen Betrieb sowohl des I nnenraum -Verdam pfers 2 als auch des Chillers 1 , also in einem Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum- Verdampfer 2 zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niveau des Niederdrucks und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß Figur 1 bedeutet dies, dass mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein bestimmter konstanter Dampfgehalt am Ausgang des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 und damit auch am Kältemittelaustritt des Innenraum-Verdam pfers 2 eingestellt wird. Mittels des ersten Expansionsorgans AE1 wird für eine maximale Kälteleistung am Käl temittelausgang des Chillers 1 eine Mindestüberhitzung eingestellt
Hierzu wird im Betrieb des Kältem ittelkreislaufs 1 nach Figur 1 und Figur 3 laufend der Istwert des Überhitzungsgrades des Kältemittels am Kältemittel austritt des Chillers 1 aus den Messwerten des Druck-Temperatursensors pT1 mittels einer Regelvorrichtung 8 (in Figur 1 nicht dargestellt) bestimmt und wenigstens auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades oder einen minimal zulässigen Überhitzungsgrades geregelt. Hierzu wird der Chiller 1 durch entsprechende Steuerung des Öffnungsgrades des zugehöri gen Expansionsorgans AE1 mindestens mit der minimalen Überhitzung bzw. Mindestüberhitzung entsprechend des minimalen Sollwertes des Zielüberhit- zungsgrades betrieben. Mit dieser Einstellung kann bei einem jeweils im Käl temittelkreislauf 1 herrschenden Niederdruck, welcher durch den Innenraum- Verdampfer 2 als Führungsgröße bestimmt und vorgegeben wird, die jeweils maximale Kälteleistung am Chiller 1 eingestellt und erzielt werden.
Bei einer Regelung des Kältemittels und damit des Innenraum-Verdampfers 2 bis hin auf dessen minimalen zulässigen Sollwert einer Lufttemperatur und damit korrespondierend eines zulässigen minimalen Verdampfungsdruckes, unter Berücksichtigung einer luftseitigen Vereisungsgefahr am Verdampfer 2, wird gleichzeitig durch den Betrieb des Chiller 1 bei parallel eingestellter Mindestüberhitzung, eine maximale Kälteleistung am Chiller 2 erzeugt.
Eine Regelung der Kälteleistung am Chiller 1 erfolgt damit indirekt durch eine Regelung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1 , indem mit tels des ersten Expansionsorgans AE1 ein den Chiller 1 durchströmender Kältemittelmassenstrom eingestellt wird, um damit eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 zu erzielen, wobei durch das erste Expansionsorgan AE1 primär die Sollabkühlung des den Chiller 1 durchströmenden Kühlmediums eingestellt wird, überlagert mit einer Über wachung einer Überhitzung, die bei einem vorgegebenem Niederdruck bis auf ein Minimum von bspw. 3K reduziert werden kann.
Bei dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß Figur 2 mit dem Hochdruck- Kältemittelsammler 6.2 wird im gemeinsamen Betrieb des Innenraum- Verdampfers 2 und des Chillers 1 die Überhitzung des Kältemittels an deren Ausgängen geregelt. Eine maximale Kälteleistung am Chiller 1 erfolgt dadurch, dass laufend der Istwert des Überhitzungsgrades des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 aus den Messwerten des Druck- Temperatursensors pH mittels einer Regelvorrichtung 8 (in Figur 2 nicht dargestellt) bestimmt und wenigstens auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades bzw. eines zulässigen Überhitzungsgrades geregelt wird. Hierzu wird der Chiller 1 durch entsprechende Steuerung des Öff nungsgrades des zugehörigen Expansionsorgans AE1 mindestens mit der minimalen Überhitzung bzw. Mindestüberhitzung entsprechend des minima len Sollwertes des Zielüberhitzungsgrades betrieben.
Idealerweise erfolgt auch hier für die Erzielung der maximalen Chillerleistung bei einem jeweils eingestellten Niederdruck bei einem Kältemittelaustritt am Chiller 1 auf der Taulinie, die jedoch unzureichend einstellbar ist. Aufgrund der angesprochenen Sensormessungenauigkeiten wird eine Mindestüberhit zung von beispielsweise 3K ausgegeben.
Auch bei diesem Kältemittelkreislauf gemäß Figur 2 mit einem Hochdruck- Kältemittelsammler 6.2 erfolgt eine Regelung der Kälteleistung am Chiller 1 primär über das erste Expansionsorgan AE1 , mit welchem die geforderte Abkühlung des Kühlmediums am Austritt des Chillers 2 eingestellt wird, ge koppelt mit einer Überwachung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1 , wobei die Überhitzung gemäß Vorgabe eine Mindestüberhitzung von beispielsweise 3K nicht unterschreitet und mittels des ersten Expansi onsorgans AE1 ein den Chiller 1 durchströmende Kältemittelmassenstrom eingestellt wird, um damit eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 zu erzielen.
Die Regelung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Innenraum- Verdampfers 2 erfolgt in gleicher Weise auf der Basis der Werte des fünften Druck-Temperatursensors pT5.
Im Folgenden werden weitere Maßnahmen beschrieben, mit welchen die verfügbare Kälteleistung am Chiller 1 des Kältem ittelkreislaufs 10 der Figu ren 1 bis 3 stets maximal gehalten werden können, wobei gleichzeitig - wie oben beschrieben - die Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelausgang des Chillers 1 auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades geregelt wird, um auf diese Weise, bei einem jeweils eingestellten Niederdruck, erhöhte Abwärmemengen aus dem Kühlmittelkreislauf 1.1 abführen zu können. So wird eine weitere Erhöhung der von dem Chiller erzeugten Kälteleistung dadurch erreicht, dass die Soll-Ausblastemperatur am Innenraum- Verdampfer auf einen vorgegebenen Temperaturabsenkwert abgesenkt wird. Dies entspricht einer Absenkung der Verdampfungstemperatur im Innen- raum-Verdampfer 1 . Ein solcher Temperaturabsenkwert der Soll-Ausblas- temperatur kann bspw. ein Sprung von 6°C auf 3° C bedeuten. Damit kann durch den am Innenraum-Verdampfer 2 abgesenkten Niederdruck gleichzei tig das Niederdruckniveau am Chiller 1 reduziert und damit das treibende Temperaturgefälle zwischen Kältemittel und Kühlmittel angehoben und somit die Kühlleistung am Chiller 1 gesteigert werden, sodass sich dessen Kälte leistung, bei gleichzeitig erhöhter Kälteleistung am Innenraum-Verdampfer 2 für den Fall bei gleichbleibender Luftmenge weiter steigern lässt.
In diesem Fall könnte es erforderlich werden, dass der Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine nach einer Abkühlung bzw. Entfeuchtung verstärkt nachzu heizen ist, bspw. mit einer elektrischen Hochvoltheizung. Falls der Kältemit telkreislauf 10 mit einer Wärmepumpenfunktion ausgestattet ist, kann der Heizbedarf in einem Reheat-Betrieb über die Kälteanlage gedeckt werden. Dieser vorgegebene Temperaturabsenkwert wird in Abhängigkeit vom Kühl bedarf des Kühlmediums bestimmt. Sollte der Kältemittelkreislauf 1 noch Käl teleistungspotenzial ausweisen können, d. h. dass bspw. der Kältemittel- Volumenstrom mittels des Kältemittelverdichters 3 noch erhöht werden kann, so kann dieses durch Umsetzen des Temperaturabsenkwerts weiter ausge schöpft werden.
Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Kälteleistung an Chiller 1 sieht vor, dass die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und kondi tionierten Zuluftstromes auf einen vorgegebenen (bis hin zu einem minima len) Zuluftmengenwert abgesenkt wird. Mit einer solchen Reduzierung der Zuluftmenge wird der Kältebedarf und der Entfeuchtungsanteil am Innen raum-Verdampfer 2 reduziert, wodurch gleichzeitig eine Erhöhung der Kälte leistung des Chillers 1 realisiert wird. Der vorgegebene Zuluftmengenwert wird in Abhängigkeit von der Dringlichkeit des Bedarfs des Bauteilschutzes, beispielsweise im Falle der Hochvoltkomponente, dass unter den aktuellen Betriebsbedingungen der Kälteanlage die seitens des Kühlmediums erforder liche Kälteleistung nicht bereitgestellt werden kann, bestimmt und aktiviert. Dabei wird die Luftmenge in einem Maß reduziert und ggf. auch die Nach heizung des Luftstroms herabgesetzt, so dass den Passagieren für eine be grenzte Zeitdauer noch ein verträgliches Minimum an Komfort bereitgestellt werden kann.
Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Kälteleistung des Chillers besteht darin, in Abhängigkeit der Enthalpiewerte der beteiligten Luftströme den Zu luftstrom in die Fahrzeugkabine durch Variation der Umluft- bzw. Frischluft anteile aktiv zu beeinflussen.
So wird der Zuluftstrom vollständig auf Frischluft umgestellt, wenn die Ent halpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist. Wenn die Enthal pie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft in der Fahrzeugkabine wärmer und ggf. feuchter als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und somit die aufzubringende Kälteleistung reduziert wird, wenn der Zuluftstrom vollständig durch Frischluft ersetzt wird.
Umgekehrt, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, wird dem Zuluftstrom nur ein geringer bis gar kein Anteil von Frischluft beigemischt. Wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Ent halpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft der Fahrzeugkabine käl ter und ggf. trockener als die Luft der Fahrzeugumgebung und damit der Frischluft ist und daher bei Zuführung von Frischluft zu deren Abkühlung auf das Niveau der Fahrzeugkabine erhöhte Kälteleistung bereitgestellt werden müsste. Daher wird in diesem Fall lediglich ein geringer Anteil von Frischluft beigefügt, so dass entsprechend den MAK-Richtlinien die erforderlichen C02-Konzentrationen eingehalten werden. Vorzugsweise wird der Zuluft 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt.
Alternativ kann der Kältemittelkreislauf 10 gemäß Figur 1 auch mit einem dritten Expansionsorgan AE3 betrieben werden, wie dies in Figur 3 darge stellt ist. Dieses dritte Expansionsorgan AE3 gehört zum Innenraum- Verdampferzweig 2.0 und ist dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschaltet. Der Kältemittelzustand innerhalb des Innenraum- Verdampferzweiges 2.0 kann über einen stromabwärts des Innenraum- Verdampfers 2 vorgesehenen Druck-Temperatursensor pT5 detektiert wer den, alternativ kann auch ein dem Innenraum-Verdampfer 2 luftaustrittsseitig nachgeschaltete Lufttemperaturfühler Tu hierfür herangezogen werden.
Dieses als elektrisch oder mechanisch regelbares Expansionsventil ausge führte dritte Expansionsorgan AE3 sorgt dafür, dass im Innenraum- Verdampferzweig 2.0 keine Unterschreitung eines zur luftseitigen Vereisung führenden Niederdrucks, aufgrund anfallendes Kondensat im Verdampfer netz, erfolgt.
Damit kann im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 ein Mitteldruckniveau einge stellt werden, während am Chiller 1 ein quasi beliebiges Niederdruckniveau unterhalb des Niederdruckniveaus im Verdampferzweig 2.0 mittels des Käl temittelverdichters 3 in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chil- lers 1 , insbesondere wie oben dargestellt die maximale Kälteleistung einge stellt werden. Hierzu wird mittels des ersten Expansionsorgans AE1 primär die Sollabkühlung des Kühlmediums reguliert, die bei einem jeweils einge stellten Niederdruck bei einer Mindestüberhitzung von beispielsweise 3K ihr Maximum erreicht. Letztlich ist die Kälteleistung am Chiller 1 in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades am Kältemittelaustritt des Chillers 1 beim jeweiligen herrschenden Niederdruck variierbar. Hierbei wird die maximale Kälteleis tung des Chillers 1 erzielt, wenn an dessen Kältemittelaustritt das Kältemittel nahe der Taulinie des Kältemittels insbesondere auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades mit einem Wert zwischen 3 und 7 K eingestellt wird.
Bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 klei neren Niederdruck des Chillers 1 wird zur Erhöhung der Kälteleistung des Chillers 1 das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an des sen Taulinie, d. h. mit einer geringen Überhitzung betrieben und der Innen raum-Verdampfer 2 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 auf einem Mit- teldruck-Niveau betrieben. Zur Reduzierung der Kälteleistung des Chillers 1 wird durch Regelung des Kältemittelverdichters 3 der Niederdruck des Chil lers 1 bis an den Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 angehoben. Durch weiteres Androsseln des ersten Expansionsorgans AE1 kann zusätz lich die Kälteleistung am Chiller 1 reduziert werden.
Bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 entsprechenden Niederdruck des Chillers 1 wird eine maximale Kühlleistung am Chiller 1 er zeugt, wenn das Kältemittel im Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an des sen Taulinie, also mit minimaler Überhitzung auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades betrieben wird. Die Kühlleistung des Chillers 1 wird durch eine Erhöhung der Überhit zung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans AE1 bei konstan tem Druck im Innenraum-Verdampfer 2 reduziert.
Im Zusammenhang mit dem Hochdruck Kältemittelsammler 6.2 sei vermerkt, dass die Sammlerflasche auch in den Kondensator 4 integriert werden kann, bevor stromabwärts die in den Kondensator 4 integrierte Subcoolstrecke durchströmt wird. In dieser Konstellation, die in dieser Aufbauweise nicht einsetzbar ist für die Ausführung als Luftwärmepumpe, kann der dritte Druck- Temperatursensorsensor pT3 entfallen, da mittels des Kondensators 4, in welchem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 und Subcoolstrecke integriert sind bereits selbständig eine Unterkühlung des Kältemittels eingestellt wird.
Diese Methode zur Erhöhung oder Maximierung der Leistungsbereitstellung am Chiller 1 gilt auch für Kältem ittelkreisläufe 1 , die mehr als einen Innen raum-Verdampfer 2 aufweisen bzw. generell für alle Mehrverdampfersyste me, wobei die dort installierten Verdampfer als Luft-Kältemittel- Wärmeübertrager und/oder als Luft-Kühlm ittel-Wärmeübertrager ausgeführt sind.
Ferner können die beschriebenen Verfahren auch bei einem Kältemittelkreis lauf 10 mit Wärmepumpenfunktion realisiert werden. Schließlich können die beschriebenen Verfahren für alle bekannten Kältemit tel, wie R744, R134a, R1234yf usw. eingesetzt werden, wobei speziell für R744-System ausschließlich der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 Be rücksichtigung findet.
Zusammengefasst kann das ideale Regelziel eines Kältemittel-Kühlmittel- Wärmeübertragers, wie bspw. des Chillers 1 zum Erzielen einer maximalen Kälteleistung bei einem vorgegebenem Niederdruck als Taulinienbetreib be schrieben werden, wobei wegen der auf die Messsensorik zurückzuführen- den eingeschränkten Auswertbarkeit eines Betriebspunktes auf der Taulinie das Ersatzregelziel„Mindestüberhitzung“ verfolgt wird. Eine weitere Kälte leistungssteigerung am Chiller 1 wird über die Reduktion des Niederdruckni veaus erzielt.
BEZUGSZEICHEN
1 Chiller des Kältem ittelkreislaufs 10
1.0 Chiller-Zweig
1.1 Kühlmittelkreislauf des Chillers 1
2 Innenraum-Verdampfer
2.0 Innenraum-Verdampferzweig
3 Kältem ittelverdichter
4 Kondensator oder Gaskühler
5 innerer Wärmeübertrager
6.1 Niederdruck-Kältemittelsammler
6.2 Hochdruck-Kältem ittelsamm ler
7 Rückschlagventil
10 Kältemittelkreislauf AE1 erstes Expansionsorgan
AE2 zweites Expansionsorgan
AE3 drittes Expansionsorgan pH Druck-Temperatursensor pT2 Druck-Temperatursensor pT3 Druck-Temperatursensor pT4 Druck-Temperatursensor pT5 Druck-Temperatursensor pT6 Druck-Temperatursensor
T Luft Lufttemperaturfühler

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf (10) aufweisen den Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit
- einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1 ) und ein erstes Ex pansionsorgan (AE1 ) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1 ) thermisch gekoppelt ist,
- wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) auf weist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist,
- einem Kältemittelverdichter (3), und
- einem Kondensator oder Gaskühler (4),
wobei
- der Innenraum-Verdampfer (2) und der Chiller (1 ) mittels einer Rege lung des ersten und zweiten Expansionsorgans (AE1 , AE2) gleichzeitig betrieben werden,
- der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chil- lers (1 ) durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans (AE1 ) auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades gere gelt wird, und
- mittels des Innenraum -Verdampfers (2) das Niveau des Niederdrucks des Kältem ittelkreislaufs (10) vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem die Soll-Ausblastemperatur am Innenraum-Verdampfer (2) auf einen vorgegebenen Temperaturabsenk- wert abgesenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der vorgegebene Temperatur- absenkwert in Abhängigkeit von einer von dem Chiller (1 ) bereitzustel lenden Kühlleistung bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und konditionierten Zuluftstromes auf einen vorgegebenen Zuluftmengenwert abgesenkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 bei welchem der vorgegebene Zuluftmen- genwert derart bestimmt wird, dass für die Fahrzeuginsassen für eine begrenzte Zeitdauer ein Minimum an Komfort bereitgestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Zuluftstrom anteilig verstärkt durch Frischluft oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem dem Zuluft strom ein geringer Anteil von Frischluft oder keine Frischluft beigemischt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Um luft ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Anteil von Frischluft in Ab hängigkeit der den MAK-Richtlinien entsprechenden CO2- Konzentrationen bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem der Zuluft 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt wird.
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