WO2022228748A1 - Kühl- und heizsystem für ein fahrzeug sowie fahrzeug - Google Patents

Kühl- und heizsystem für ein fahrzeug sowie fahrzeug Download PDF

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WO2022228748A1
WO2022228748A1 PCT/EP2022/054865 EP2022054865W WO2022228748A1 WO 2022228748 A1 WO2022228748 A1 WO 2022228748A1 EP 2022054865 W EP2022054865 W EP 2022054865W WO 2022228748 A1 WO2022228748 A1 WO 2022228748A1
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refrigerant
heat exchanger
cooling
interior
supplied
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PCT/EP2022/054865
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Markus MUNZ
Markus Orner
Oliver Wagner
Original Assignee
Mercedes-Benz Group AG
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Publication date
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    • B60H1/03—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant and from a source other than the propulsion plant
    • B60H1/039—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant and from a source other than the propulsion plant from air leaving the interior of the vehicle, i.e. heat recovery
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    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H2001/00949—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices comprising additional heating/cooling sources, e.g. second evaporator

Definitions

  • the invention relates to a cooling and heating system for a vehicle, in particular for a hybrid or electric vehicle, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a vehicle with such a cooling and heating system.
  • DE 102020006417 A1 discloses a known cooling and heating system for a vehicle with an electric drive, comprising a refrigeration circuit that has an evaporator.
  • the object of the present invention is to improve a cooling and heating system and a vehicle with such a cooling and heating system of the type mentioned at the outset.
  • a first aspect of the invention relates to a cooling and heating system for a vehicle, in particular for a hybrid or electric vehicle.
  • the vehicle designed as a motor vehicle, in particular as a motor vehicle, in its completely manufactured state includes the cooling and heating system, which is also referred to as a cooling and heating device or is designed as a cooling and heating device.
  • the vehicle in its fully manufactured state preferably includes an electric drive, by means of which the vehicle can be driven, in particular purely electrically.
  • the drive comprises, for example, at least one electric machine, by means of which the vehicle, in particular purely electric is drivable.
  • the vehicle is an electric vehicle, in particular a battery electric vehicle (BEV).
  • BEV battery electric vehicle
  • the cooling and heating system is a system or a device by means of which, as will be explained in detail below, an interior of the vehicle, also referred to as a passenger cell or passenger compartment, can be cooled or heated, in particular optionally.
  • the vehicle may be a commercial vehicle, such that the interior is, or is referred to as, a cab.
  • the cabin is also referred to as the driver's cabin, since at least one person, such as the driver of the vehicle, can be present in the interior, in particular while the vehicle is being driven.
  • the cooling and heating system includes a refrigeration circuit through which a refrigerant can flow.
  • the refrigerant can be a conventional refrigerant, in particular also an organic refrigerant, or the refrigerant can be an inorganic refrigerant.
  • the refrigerant can be carbon dioxide (CO 2 ).
  • a heat exchanger is arranged, via which heat can be transferred from the refrigerant to air that is or is being supplied to the interior, or to a liquid, in particular a cooling liquid, for heating the interior of the vehicle.
  • the air is heated by transferring the heat from the refrigerant to the air to be supplied to the interior. Since the air is supplied to the interior, that is, introduced into the interior, the interior is heated.
  • the refrigerant is to be cooled.
  • the liquid can flow through the heat exchanger, so that heat can be transferred from the refrigerant to the liquid flowing through the heat exchanger via the heat exchanger.
  • the liquid can, for example, also flow through a further heating heat exchanger, via which the heat can be transferred from the liquid to the air to be supplied to the interior, as a result of which the interior can be heated.
  • the heat exchanger and the heating heat exchanger are arranged in a circuit through which the liquid can flow, in particular in such a way that the heating heat exchanger is arranged downstream of the heat exchanger.
  • the liquid can be cooling water, for example, which flows through the circuit as a cooling water stream. The cooling water flow is thus heated via the heat exchanger and then flows through the heating heat exchanger, via which the air that is supplied to the interior is heated. This way, the heat comes first from the refrigerant to the liquid (the cooling water) and then from the liquid to the air, also known as supply air, which is introduced into the cabin, i.e. supplied to the cabin.
  • the heat exchanger is also referred to as the first heat exchanger.
  • the first heat exchanger can thus be, for example, a first condenser for condensing the refrigerant.
  • the first heat exchanger can be a cooler, in particular a gas cooler, for cooling the refrigerant.
  • the first heat exchanger is arranged or positioned at an entrance of the interior. The inlet can, for example, be traversed by the air to be supplied to the interior, i.e.
  • the air which is to be supplied or is being supplied to the interior so that the air flowing through the inlet, which is introduced into the interior via the inlet, is supplied to the first heat exchanger, in particular flows against and/or around and/or through the first heat exchanger. Since the refrigerant also flows or can flow through the first heat exchanger, heat can be transferred from the refrigerant to the air via the first heat exchanger.
  • a first evaporator is also arranged in the refrigeration circuit, by means of which the refrigerant is to be evaporated for cooling and/or dehumidifying the air to be supplied to the interior.
  • the refrigerant can flow through the first evaporator and the air to be supplied to and/or around and/or through the interior can flow, so that heat can be transferred from the air to be supplied to the interior to the refrigerant via the first evaporator, for example.
  • the air to be supplied to the interior is dehumidified and/or cooled. If the air cooled by means of the first evaporator, for example, is introduced into the interior or supplied to the interior, the interior can thereby be cooled.
  • a second evaporator which is provided in addition to the first evaporator, is also arranged in the refrigeration circuit.
  • the second evaporator is arranged in a vent of the interior, also referred to as an outlet. Air can be discharged from the interior via the vent. Since the second evaporator is arranged in the ventilation, the second evaporator can be supplied with the air flowing through the ventilation and thereby flowing out of the interior via the ventilation.
  • Heat from the air flowing out of the interior, that is to say flowing through the vent, can be transferred to the refrigerant via the second evaporator for heat recovery.
  • the air flowing through the vent and thus out of the interior via the vent can, for example, flow against and/or around the second evaporator and/or through the second evaporator, with the refrigerant being able to flow through the second evaporator, for example.
  • Heat can be transferred from the air flowing out of the interior to the refrigerant via the second evaporator, as a result of which the refrigerant is heated and/or an isothermal phase transition of the refrigerant from liquid to gas takes place.
  • the heat initially contained in the air flowing out of the interior which can be or is being transferred to the refrigerant via the second evaporator, can thus be recovered and used, for example, for other purposes, in particular for heating the interior, also known as heating, and is not lost unused .
  • the evaporators that can be supplied with the refrigerant from the condenser are connected in parallel to one another.
  • an arrangement or connection of the evaporators that is in particular parallel in terms of flow is provided.
  • the first evaporator can be supplied with a first part of the refrigerant from the first heat exchanger and the second evaporator with a second part of the refrigerant from the first heat exchanger, so that, for example, the first part of the refrigerant coming from the first heat exchanger or flowing away from the first heat exchanger and refrigerant flowing towards the evaporators flows through the first evaporator, and the second part of the refrigerant originating from the first heat exchanger, ie flowing away from the first heat exchanger and flowing towards the evaporator, flows, in particular simultaneously, through the second evaporator.
  • the invention is based in particular on the following findings: in order to be able to heat the interior in a particularly energy-efficient manner, operation with one of the Situation-adapted proportion of recirculated air advantageous.
  • a serial arrangement or connection of the evaporators makes it difficult to regulate the cooling and heating system, also referred to simply as a system.
  • undesirable noise emissions in particular of the second evaporator, can arise, in particular due to an unfavorable state of the refrigerant.
  • the invention makes it possible to operate the system particularly advantageously, in particular to be able to control or regulate it.
  • a quantity of refrigerant flowing through the respective evaporator also referred to as the flow rate
  • the flow rate can be particularly advantageously set, in particular regulated or controlled.
  • the invention allows refrigerant to flow through one of the evaporators while preventing refrigerant from flowing through the other evaporator.
  • flow through the second evaporator is possible.
  • a particularly advantageous controllability of the system can be realized. This is particularly advantageous for operating cases or in operating cases in which the system is operated at outside temperatures of less than 7 degrees Celsius.
  • a desired refrigerant state upon entry into, for example, downstream of the Evaporator arranged refrigerant compressor is adjustable by a definition or settings of the evaporator flowing through, respective mass flows of the refrigerant and a mixture of these upstream of the refrigerant compressor, also referred to simply as a compressor.
  • the refrigerant compressor is also referred to, for example, as a compressor or refrigerant compressor, the refrigerant being conveyed through the refrigeration circuit and compressed by means of the refrigerant compressor.
  • the refrigerant compressor is arranged downstream of the evaporator and upstream of the first heat exchanger.
  • one embodiment of the invention provides that a second heat exchanger that can be supplied with the refrigerant from the heat exchanger is arranged in the refrigeration circuit.
  • the following and previous statements on the first heat exchanger can also be applied to the second heat exchanger without further ado, so that, for example, the second heat exchanger can be a second condenser or a second gas cooler.
  • the evaporators can be supplied with the refrigerant from the first heat exchanger via the second heat exchanger, so that the second heat exchanger is arranged downstream of the first heat exchanger and upstream of the evaporator in the refrigeration circuit.
  • the refrigerant is to be cooled by means of the second heat exchanger.
  • heat can be transferred from the refrigerant flowing through the second heat exchanger to air, also referred to as cooling air, which, for example, flows against and/or around and/or through the second heat exchanger.
  • a valve device is arranged in the refrigeration circuit.
  • the second heat exchanger can be supplied with the coolant from the first heat exchanger via the valve device.
  • the evaporators can be supplied with the refrigerant from the first heat exchanger, bypassing the second heat exchanger.
  • a first refrigerant part of the refrigerant flowing away from the first heat exchanger can flow via the valve device to the second heat exchanger, then flow through the second heat exchanger and then flow in the direction of the evaporator.
  • a second refrigerant part of the refrigerant flowing away from the first heat exchanger can be fed via the valve device to the evaporators or guided in the direction of the evaporators and thereby the second Bypass the heat exchanger, that is, do not flow through the second heat exchanger.
  • a further embodiment is characterized in that at a branching point arranged downstream of the first heat exchanger and upstream of the second heat exchanger, a first refrigeration branch through which at least part of the refrigerant from the first heat exchanger can flow branches off, in which a first cooling device is arranged, which also in a cooling circuit through which a coolant can flow is arranged.
  • a first cooling device is arranged in which a first cooling device is arranged, which also in a cooling circuit through which a coolant can flow is arranged.
  • the cooling circuit also referred to as the first cooling circuit
  • there is also at least one drive component which is different in particular from a battery, for driving the vehicle, in particular purely electrically.
  • the drive component is the aforementioned electric machine.
  • the drive component is to be cooled using the coolant.
  • the first cooling device is also referred to as a chiller or first chiller. In this way, a particularly energy-efficient operation of the system can be implemented.
  • a second cooling device is arranged at a second branch point arranged downstream of the second heat exchanger and upstream of the evaporator.
  • the second cooling device is also arranged in a second cooling circuit through which a cooling fluid can flow, which is, for example, a further cooling circuit that is different from the first cooling circuit or is provided in addition to the first cooling circuit.
  • At least one battery for storing, in particular electrochemically, electrical energy of the vehicle is also arranged in the cooling circuit.
  • the battery is preferably a traction battery. This means that the vehicle can be driven electrically, in particular purely electrically, by means of the electric machine in that the electric machine is operated in motor mode and thus as an electric motor. In order to operate the electrical machine in the motor mode, the electrical machine is supplied with electrical energy or electrical current that is stored in the battery.
  • the battery is to be cooled using the cooling fluid. Above the second cooling device is capable of transferring heat from the cooling fluid to the refrigerant, as a result of which the cooling fluid is to be cooled.
  • the second refrigeration branch opens into the first refrigeration branch at a first inlet point, which is arranged downstream of the first cooling device and upstream of a second inlet point, at which the first refrigeration branch opens into the refrigeration circuit.
  • the second point is arranged downstream of the evaporator and upstream of the first heat exchanger, in particular upstream of the refrigerant compressor.
  • the second cooling device is assigned a bypass line which branches off from the second refrigeration branch upstream of the second cooling device and opens into the second refrigeration branch or into the first refrigeration branch at a bypass line downstream of the second cooling device, via which the second cooling device can be bypassed by at least part of the refrigerant.
  • the heating element is a PTC element or the heating element comprises at least one PTC element (PTC—positive temperature coefficient).
  • PTC positive temperature coefficient
  • the heating element is a PTC thermistor or includes a PTC thermistor, which is also referred to as a PTC resistor or PTC thermistor.
  • a second aspect of the invention relates to a vehicle having a cooling and heating system according to the first aspect of the invention.
  • Advantages and advantageous configurations of first aspect of the invention are to be regarded as advantages and advantageous configurations of the second aspect of the invention and vice versa.
  • the drawing shows a schematic representation of a cooling and heating system for a vehicle.
  • the only figure shows a schematic representation of a cooling and heating system 10 for a vehicle, which is also simply referred to as a system and is embodied as a device.
  • the vehicle includes the cooling and heating system 10 in its fully manufactured condition.
  • the vehicle preferably also has an electric drive, by means of which the vehicle can be driven, in particular purely electrically.
  • the drive comprises at least one electrical machine that can be operated in motor mode and thus as an electric motor.
  • the motor vehicle can be driven, in particular purely electrically, by means of the electric machine, in particular in motor operation.
  • the vehicle designed as a motor vehicle also includes at least one battery in which electrical energy, in particular electrochemically, is or is to be stored. The battery can be part of the drive.
  • the electric machine In order to operate the electric machine in the motor mode, the electric machine is supplied with the electric energy that is stored in the battery.
  • the electrical machine and/or the battery is preferably a high-voltage component whose electrical voltage, in particular electrical operating and nominal voltage, is preferably greater than 50 volts, in particular greater than 60 volts, and very preferably amounts to several hundred volts. As a result, particularly large amounts of electrical power can be realized for, in particular, purely electrical driving of the vehicle.
  • the cooling and heating system 10 has a refrigeration circuit 12 through which a refrigerant can flow, which is also referred to as a refrigerant circuit.
  • Refrigeration circuit 12 is a first heat exchanger 14 is arranged, which is also referred to as a first condenser or is designed as a first condenser.
  • Heat can be transferred from the refrigerant to air via the first heat exchanger 14 for heating the interior 16 of the vehicle, also referred to as the passenger cell or cabin or cabin, which air is to be or is being supplied to the interior 16, in particular via an inlet.
  • the first heat exchanger 14 is arranged on or in the inlet, with the air that is supplied to the interior 16 being supplied to the interior 16 via the inlet and thus flowing through the inlet.
  • the air flowing through the inlet and to be supplied to the interior 16 is thus supplied to the first heat exchanger 14 so that heat can be transferred from the refrigerant to the air to be supplied to the interior 16 via the first heat exchanger 14 .
  • the refrigerant is cooled and the air to be supplied to the interior 16 is heated. Since the air heated by means of the heat exchanger 14 is supplied to the interior 16, ie introduced into the interior 16, the interior 16 is hereby heated, ie heated.
  • a first evaporator 18 is arranged in the refrigeration circuit 12, by means of which the refrigerant is to be evaporated, ie evaporated, for cooling and/or dehumidifying the air to be supplied to the interior 16.
  • the first evaporator 18 is arranged on or in the inlet.
  • the evaporator 18 is arranged upstream or downstream of the heat exchanger 14 in relation to a flow path along which the air is supplied to the interior space 16 , that is to say is introduced into the interior space 16 .
  • a second evaporator 20 is also arranged in the refrigeration circuit 12 and is arranged on or in a vent 22 of the interior 16 .
  • Air is or is discharged from the interior 16 via the ventilation, also referred to as the outlet, so that the air originating from the interior 16 and flowing through the ventilation 22 flows out of the interior 16 .
  • the evaporator 20 is supplied with the air flowing through the ventilation 22 and thus flowing out of the interior space 16 via the ventilation 22, in particular in such a way that the air flowing out of the interior space 16 affects the evaporator 20 flows around and / or flows against and / or flows through. Heat from the air flowing through the ventilation 22 and thus flowing out of the interior 16 via the ventilation 22 can be transferred to the refrigerant via the second evaporator 20 for heat recovery, as a result of which the refrigerant is heated.
  • the air flowing out of the interior 16 via the evaporator 20 Heat transferred to the refrigerant may be utilized, for example via the heat exchanger 14 , such that the heat is transferred via the heat exchanger 14 to the air supplied to the interior 16 to heat the interior 16 .
  • Heat transferred to the refrigerant may be utilized, for example via the heat exchanger 14 , such that the heat is transferred via the heat exchanger 14 to the air supplied to the interior 16 to heat the interior 16 .
  • the second evaporator 20 is arranged at the rear of the vent 22, also referred to as the interior vent.
  • the evaporator 20 is arranged on or on a rear side of the interior 16 pointing backwards in the longitudinal direction of the vehicle.
  • the evaporators 18 and 20 that can be supplied with the refrigerant from the first heat exchanger 14 are connected in parallel to one another.
  • the respective evaporator 18 or 20 itself i.e.
  • the evaporators 18 and 20 are connected in parallel with respect to one another, that is, arranged or connected in a parallel arrangement.
  • a first amount of refrigerant flowing through one of the evaporators 18 and 22 can be set, in particular regulated, without excessively influencing a second amount of refrigerant flowing through the other evaporator 20 or 18 .
  • one of the evaporators 18 or 20 is deactivated while the other evaporator 20 or 18 is activated. This means that the refrigerant flows through the activated evaporator while the refrigerant does not flow through the deactivated evaporator.
  • a second heat exchanger 24 is arranged in the refrigeration circuit 12 , in particular downstream of the first heat exchanger 14 .
  • the second heat exchanger 24 is, for example, a second condenser or is also referred to as a second condenser.
  • the second heat exchanger 24 can be supplied with the refrigerant from the heat exchanger 14, that is to say with at least part of the refrigerant flowing out of the heat exchanger 14 and flowing away from the heat exchanger, with the second Heat exchanger 24, the evaporators 18 and 20 with the refrigerant from the first heat exchanger 14 can be supplied.
  • the heat exchanger 24 is arranged upstream of the evaporators 18 and 20 and downstream of the heat exchanger 14 in the flow direction of the refrigerant flowing from the heat exchanger 14 to the evaporators 18 and 20 .
  • the refrigerant can be cooled by means of the second heat exchanger 24 .
  • a valve device 25 is arranged in the refrigeration circuit 12 , in particular downstream of the heat exchanger 14 and upstream of the heat exchanger 24 .
  • the second heat exchanger 24 can be supplied with the refrigerant from the heat exchanger 14 via the valve device 25
  • the evaporators 18 and 20 can be supplied with the refrigerant from the first heat exchanger 14 via the valve device 25 , bypassing the second heat exchanger 24 .
  • the refrigerant can flow from the heat exchanger 14 into the valve device 25 via a first connection A1.
  • the refrigerant that has flowed into the valve device 25 via the first connection A1 can flow out of the valve device 25 via a second connection A2 and a third connection A3.
  • the refrigerant flowing through connection A2 and thus flowing out of valve device 25 via connection A2 is fed to heat exchanger 24 and flows via heat exchanger 24 to evaporators 18 and 20.
  • the refrigerant flowing through connection A3 and thus out of valve device 25 via connection A3 Outflowing refrigerant bypasses the heat exchanger 24, i.e. it does not flow through the heat exchanger 24, but flows bypassing the heat exchanger 24 in the direction of the evaporators 18 and 20.
  • a first refrigeration branch 26 through which at least part of the refrigerant from the first heat exchanger 14 can flow branches off from the refrigeration circuit 12 from
  • a first cooling device 28 which is also referred to as the first chiller, is arranged in the first refrigeration branch 26 .
  • a valve 30 designed in particular as a shut-off valve is arranged, which can be adjusted, for example, between an open state in which a cooling branch 26 is released and a closed state that closes the cooling branch 26.
  • the cooling device 28 is also arranged in a first cooling circuit through which a coolant can flow, in which at least one drive component such as the electric machine of the vehicle is also arranged.
  • the drive component is to be cooled by means of the coolant, with the first Cooling device 28 heat can be transferred from the coolant to the refrigerant, whereby the coolant is to be cooled.
  • a second refrigeration branch 32 branches off from the refrigeration circuit 12, so that the second refrigeration branch 32 can be flowed through by at least part of the refrigerant from the second heat exchanger 24.
  • a second cooling device 34 which is also referred to as a second chiller, is arranged in the second refrigeration branch 32 .
  • the cooling device 34 is also arranged in a second cooling circuit, in which the battery is also arranged.
  • a cooling fluid can flow through the second cooling circuit, by means of which the battery can be cooled. Heat can be transferred from the cooling fluid to the refrigerant via the second cooling device 34, as a result of which the cooling fluid can be cooled.
  • the second refrigeration branch 32 opens into the first refrigeration branch 26 at a first inlet point E1, which is arranged, for example, in the refrigeration branch 26 downstream of the cooling device 28 and upstream of a second inlet point E2, at which the first refrigeration branch 26 opens into the refrigeration circuit 12.
  • the point of introduction E2 is arranged downstream of the evaporators 18 and 20 and upstream of the first heat exchanger 14 .
  • a refrigerant compressor 36 arranged in the refrigeration circuit 12 is a refrigerant compressor 36 referred to as a compressor, by means of which the refrigerant is to be conveyed through the refrigeration circuit 12 .
  • the refrigerant compressor 36 is designed to compress the refrigerant. It can be seen from the figure that the refrigerant compressor 36 is arranged upstream of the heat exchanger 14 and downstream of the evaporators 18 and 20, in particular downstream of the introduction point E2.
  • the system also includes an electronic computing device 38, which is also referred to as control electronics or is designed as control electronics. The system can be operated, in particular regulated, by means of the electronic computing device 38 .
  • electronic computing device 38 can be used to set, in particular regulate, a pressure and/or temperature of the refrigerant, in particular in refrigeration circuit 12, so that, for example, the system can be operated using electronic computing device 38 as a function of the pressure and/or temperature of the refrigerant, in particular regulated, will.
  • a respective amount of refrigerant flowing through the respective evaporator 18 or 20 and also referred to as the flow rate is set, in particular regulated, for example by means of the electronic computing device 38, in particular as a function of the pressure and/or the temperature of the refrigerant.
  • the second cooling device 34 is assigned a bypass line 40 which branches off from the second refrigeration branch 32 at a third branch point A3 and, in the present case, opens into the refrigeration branch 26 at a third inlet point E3.
  • the refrigerant flowing through the bypass line 40 bypasses the cooling device 34 and thus does not flow through the cooling device 34 so that the refrigerant flowing through the bypass line 40 is not heated by the cooling device 34 .
  • the refrigerant flowing through the bypass line 40 can flow out of the bypass line 40 at one point E3 and flow into the refrigeration branch 26 .
  • One point E3 is arranged downstream of the cooling device 28 and in particular downstream of the entry point E1 and upstream of the entry point E2.
  • the evaporator 18 is assigned, for example, a valve element 42 designed in particular as an expansion valve, by means of which, for example, the quantity of refrigerant flowing through the evaporator 18 can be adjusted.
  • the evaporator 20 is assigned a valve element 44 designed in particular as an expansion valve, by means of which, for example, the quantity of refrigerant flowing through the evaporator 20 can be adjusted.
  • a check valve 46 is also arranged in the refrigeration circuit 12, which is arranged downstream of the heat exchanger 24 and upstream of the evaporators 18 and 20 and opens, for example, in the direction of the evaporators 18 and 20 and blocks in opposite directions and thus in the direction of the heat exchanger 24, so that the Refrigerant can flow from the heat exchanger 24 via the check valve 46 to the evaporators 18 and 20, but not in the reverse direction.
  • the cooling and heating system 10 also has an electrical heating element 48 which is arranged in an air flow to the cabin, the air flow being formed by the air which is supplied to the interior and also referred to as supply air becomes.
  • the heating element 48 arranged in the air flow, the supply air to the cabin, that is to say the air that is to be supplied or is supplied to the interior 16, is electrically heated, that is to say heated.
  • the heating element 48 is designed as a PTC element or heating element 48 comprises at least one PTC element (plate part).

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühl- und Heizsystem (10) für ein Fahrzeug, mit einem von einem Kältemittel durchströmbaren Kältekreislauf (12), in welchem ein Wärmetauscher (14), über welchen zum Beheizen des Innenraums (16) des Fahrzeugs Wärme von dem Kältemittel auf die dem Innenraum (16) zuzuführende Luft oder auf eine Flüssigkeit übertragbar ist, ein erster Verdampfer (18), mittels welchem zum Kühlen und/oder Entfeuchten die dem Innenraum (16) zuzuführenden Luft das Kältemittel zu verdampfen ist, und ein in einer Entlüftung (22) des Innenraums (16) angeordneter und mit Luft, die die Entlüftung (22) durchströmt und dadurch aus dem Innenraum (16) ausströmt, versorgbarer, zweiter Verdampfer (20) angeordnet ist, über welchen zur Wärmerückgewinnung Wärme von der aus dem Innenraum (16) ausströmenden Luft auf das Kältemittel übertragbar ist. Die mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher (14) versorgbaren Verdampfer (18, 20) sind parallel zueinander geschaltet.

Description

Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug sowie Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Kühl- und Heizsystem.
Der DE 102020006417 A1 ist ein Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb als bekannt zu entnehmen, umfassend einen Kältekreislauf, der einen Verdampfer aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühl- und Heizsystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Kühl- und Heizsystem der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühl- und Heizsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Kühl- und Heizsystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Dies bedeutet, dass das als Kraftfahrzeug, insbesondere als Kraftwagen, ausgebildete Fahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand das auch als Kühl- und Heizeinrichtung bezeichnete oder als Kühl- und Heizeinrichtung ausgebildete Kühl- und Heizsystem umfasst. Außerdem umfasst das Fahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand vorzugsweise einen elektrischen Antrieb, mittels welcher das Fahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Hierzu umfasst der Antrieb beispielsweise wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Fahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug, insbesondere um ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV). Ferner ist es denkbar, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelle handelt. Das Kühl- und Heizsystem ist ein System beziehungsweise eine Einrichtung, mittels welcher, wie im Folgenden noch genau erläutert wird, eine auch als Fahrgastzelle oder Fahrgastraum bezeichneter Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere wahlweise, gekühlt oder beheizt werden kann. Das Fahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein, sodass beispielsweise der Innenraum eine Kabine ist oder als Kabine bezeichnet wird. Die Kabine wird auch als Fahrerkabine bezeichnet, da sich insbesondere während einer Fahrt des Fahrzeugs wenigstens eine Person, wie beispielsweise der Fahrer des Fahrzeugs, in dem Innenraum aufhalten kann. Das Kühl- und Heizsystem umfasst einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältekreislauf. Bei dem Kältemittel kann es sich um ein herkömmliches, insbesondere auch organisches, Kältemittel handeln, oder bei dem Kältemittel kann es sich um ein anorganisches Kältemittel handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Kältemittel um Kohlenstoffdioxid (CO2) handeln.
In dem auch als Kältemittelkreislauf bezeichneten Kältekreislauf ist ein Wärmetauscher angeordnet, über welchen zum Beheizen des Innenraums des Fahrzeugs Wärme von dem Kältemittel auf Luft, die dem Innenraum zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, oder auf eine Flüssigkeit, insbesondere auf eine Kühlflüssigkeit, übertragbar ist. Durch Übertragen der Wärme von dem Kältemittel auf die dem Innenraum zuzuführende Luft wird die Luft erwärmt. Da die Luft dem Innenraum zugeführt wird, das heißt in den Innenraum eingeleitet wird, wird der Innenraum erwärmt. Durch Übertragen von Wärme von dem Kältemittel auf die Luft ist, beziehungsweise wird, das Kältemittel zu kühlen beziehungsweise gekühlt. Alternativ kann der Wärmetauscher von der Flüssigkeit durchströmbar sein, sodass über den Wärmetauscher Wärme von dem Kältemittel auf die den Wärmetauscher durchströmende Flüssigkeit übertragen kann. Die Flüssigkeit kann beispielsweise auch durch einen weiteren Heizwärmetauscher strömen, über welchen die Wärme von der Flüssigkeit an die dem Innenraum zuzuführende Luft übertragbar ist, wodurch der Innenraum beheizt werden kann. Somit sind beispielsweise der Wärmetauscher und der Heizwärmetauscher in einem von der Flüssigkeit durchströmbaren Kreislauf angeordnet, insbesondere derart, dass der Heizwärmetauscher stromab des Wärmetauschers angeordnet ist. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um ein Kühlwasser handeln, welches als Kühlwasserstrom den Kreislauf durchströmt. Der Kühlwasserstrom wird somit über den Wärmetauscher erwärmt und strömt nachfolgend durch den Heizwärmetauscher, über den die Luft, die dem Innenraum zugeführt wird, erwärmt wird. Auf diese Weise wird die Wärme zuerst vom Kältemittel auf die Flüssigkeit (das Kühlwasser) und dann von der Flüssigkeit auf die auch als Zuluft bezeichnete Luft übertragen, die in die Kabine eingeleitet, das heißt der Kabine zugeführt wird.
Der Wärmetauscher wird auch als erster Wärmetauscher bezeichnet. Wenn im Folgenden die Rede von dem Wärmetauscher ist, so ist darunter, falls nichts anderes angegeben ist, der erste Wärmetauscher zu verstehen. Bei dem ersten Wärmetauscher kann es sich somit beispielsweise um einen ersten Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels handeln. Ferner kann es sich bei dem ersten Wärmetauscher um einen Kühler, insbesondere um einen Gaskühler, zum Kühlen des Kältemittels handeln. Beispielsweise ist der erste Wärmetauscher an einem Eingang des Innenraums angeordnet beziehungsweise positioniert. Der Eingang ist beispielsweise von der dem Innenraum zuzuführenden Luft, das heißt von der Luft durchströmbar, die dem Innenraum zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, sodass die den Eingang durchströmende Luft, die über den Eingang in den Innenraum eingeleitet wird, dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird, insbesondere den ersten Wärmetauscher an- und/oder umströmt und/oder durchströmt. Da auch das Kältemittel den ersten Wärmetauscher durchströmt beziehungsweise durchströmen kann, kann Wärme von dem Kältemittel über den ersten Wärmetauscher auf die Luft übertragen werden.
In dem Kältekreislauf ist auch ein erster Verdampfer angeordnet, mittels welchem zum Kühlen und/oder Entfeuchten der dem Innenraum zuzuführenden Luft das Kältemittel zu verdampfen ist. Der erste Verdampfer ist von dem Kältemittel durchströmbar und von der dem Innenraum zuzuführenden Luft an- und/oder umströmbar und/oder durchströmbar, sodass beispielsweise über den ersten Verdampfer ein Wärmeübergang von der dem Innenraum zuzuführenden Luft an das Kältemittel erfolgen kann. Hierdurch wird die dem Innenraum zuzuführende Luft entfeuchtet und/oder gekühlt. Wird die beispielsweise mittels des ersten Verdampfers gekühlte Luft in den Innenraum eingeleitet beziehungsweise dem Innenraum zugeführt, so kann dadurch der Innenraum gekühlt werden.
In dem Kältekreislauf ist auch ein zweiter Verdampfer angeordnet, welcher zusätzlich zu dem ersten Verdampfer vorgesehen ist. Der zweite Verdampfer ist in einer auch als Ausgang bezeichneten Entlüftung des Innenraums angeordnet. Über die Entlüftung ist Luft aus dem Innenraum abführbar. Da der zweite Verdampfer in der Entlüftung angeordnet ist, ist der zweite Verdampfer mit der die Entlüftung durchströmenden und dadurch über die Entlüftung aus dem Innenraum ausströmenden Luft versorgbar. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass bezogen auf einen Strömungspfad, entlang welchem die Luft strömt, die zunächst dem Innenraum zugeführt wird, daraufhin den Innenraum durchströmt und daraufhin über die Entlüftung aus dem Innenraum ausströmt, der erste Verdampfer in dem Strömungspfad stromauf des zweiten Verdampfers und insbesondere stromauf des Innenraums angeordnet ist, wobei der zweite Verdampfer in dem Strömungspfad stromab des ersten Verdampfers, insbesondere stromab des Innenraums, angeordnet ist. Über den zweiten Verdampfer ist zur Wärmerückgewinnung Wärme von der aus dem Innenraum ausströmenden, das heißt die Entlüftung durchströmenden Luft auf das Kältemittel übertragbar. Die die Entlüftung durchströmende und somit über die Entlüftung aus dem Innenraum ausströmende Luft kann beispielsweise den zweiten Verdampfer an- und/oder umströmen und/oder durch den zweiten Verdampfer hindurchströmen, wobei das Kältemittel beispielsweise durch den zweiten Verdampfer hindurchströmen kann. Über den zweiten Verdampfer kann Wärme von der aus dem Innenraum ausströmenden Luft an das Kältemittel übertragen werden, wodurch das Kältemittel erwärmt wird und/oder ein isothermer Phasenübergang des Kältemittels von flüssig nach gasförmig stattfindet. Die zunächst in der aus dem Innenraum ausströmenden Luft enthaltene Wärme, die über den zweiten Verdampfer an das Kältemittel übertragbar ist beziehungsweise übertragen wird, kann somit rückgewonnen und beispielsweise für andere Zwecke insbesondere zum auch als Heizung bezeichneten Beheizen des Innenraums genutzt werden und geht nicht ungenutzt verloren.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb des Kühl- und Heizsystems realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mit dem Kältemittel aus dem Kondensator versorgbaren Verdampfer parallel zueinander geschaltet sind. Mit anderen Worten ist eine insbesondere strömungstechnisch parallele Anordnung beziehungsweise Verschaltung der Verdampfer vorgesehen. Somit ist beispielsweise der erste Verdampfer mit einem ersten Teil des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher und der zweite Verdampfer mit einem zweiten Teil des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher versorgbar, sodass beispielsweise der erste Teil des von dem ersten Wärmetauscher stammenden beziehungsweise von dem ersten Wärmetauscher wegströmenden und hin zu den Verdampfern strömenden Kältemittels durch den ersten Verdampfer strömt, und der zweite Teil des von dem ersten Wärmetauscher stammenden, das heißt von dem ersten Wärmetauscher wegströmenden und hin zu dem Verdampfer strömenden Kältemittels strömt, insbesondere gleichzeitig, durch den zweiten Verdampfer. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: um den Innenraum besonders energieeffizient beheizen zu können, ist ein Betrieb mit einem der Situation angepassten Umluftanteil vorteilhaft. Bei Nutzung von Frischluft zum Beheizen des Innenraums kann ein großer Teil an Wärmeenergie über die Entlüftung wieder verloren gehen, wobei jedoch Frischluft vorteilhaft sein kann, um eine Feuchtigkeitsregulierung im Innenraum, das heißt von der im Innenraum aufgenommenen Luft zu realisieren. Es wurde gefunden, dass eine serielle Anordnung beziehungsweise Verschaltung der Verdampfer eine Regelbarkeit des einfach auch als System bezeichneten Kühl- und Heizsystems erschwert. Zudem können bei einer seriellen Anordnung beziehungsweise Verschaltung der Verdampfer unerwünschte Geräuschemissionen, insbesondere des zweiten Verdampfers, entstehen, insbesondere aufgrund eines ungünstigen Zustands des Kältemittels.
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun durch die Erfindung vermieden werden. Mit anderen Worten ermöglicht es die Erfindung, das System besonders vorteilhaft betreiben, insbesondere steuern oder regeln, zu können. Insbesondere kann durch die parallele Anordnung beziehungsweise Verschaltung der Verdampfer eine auch als Durchflussmenge bezeichnete, dem jeweiligen Verdampfer durchströmende Menge des Kältemittels besonders vorteilhaft eingestellt, insbesondere geregelt oder gesteuert, werden. Insbesondere ist es möglich, die den ersten Verdampfer durchströmende Durchflussmenge des Kältemittels einzustellen, ohne die den zweiten Verdampfer durchströmende Durchflussmenge des Kältemittels überwiegend zu beeinflussen und umgekehrt. Außerdem ermöglicht es beispielsweise die Erfindung, das Kältemittel durch einen der Verdampfer hindurchströmen zu lassen, während es unterbleibt, dass Kältemittel durch den anderen Verdampfer hindurchströmt. Beispielsweise bei einer Abschaltung des ersten Verdampfers ist eine Durchströmung des zweiten Verdampfers möglich. Mit anderen Worten ist es möglich, das Kältemittel durch den zweiten Verdampfer hindurchströmen zu lassen, das heißt durch den zweiten Verdampfer hindurchzuleiten, während es unterbleibt, dass das Kältemittel durch den ersten Verdampfer hindurchströmt, das heißt während der erste Verdampfer abgeschaltet ist. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Regelbarkeit des Systems realisiert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Betriebsfälle oder in Betriebsfällen, in welchen das System bei Außentemperaturen von weniger als 7 Grad Celsius betrieben wird. Durch die parallele Anordnung der Verdampfer ist bei einem Betrieb beider Verdampfer, das heißt in einem Betriebszustand, in welchem das Kältemittel, insbesondere gleichzeitig, sowohl durch den ersten Verdampfer als auch durch den zweiten Verdampfer hindurchströmt, keine ungünstige Zustandsveränderung des Kältemittels gegeben. Demnach werden unerwünschte Geräuschemissionen vermieden. Ein erwünschter Kältemittelzustand bei Eintritt in einem beispielsweise stromab der Verdampfer angeordneten Kältemittelkompressor ist durch eine Festlegung beziehungsweise Einstellungen von den Verdampfer durchströmenden, jeweiligen Massenströmen des Kältemittels und einer Mischung dieser stromauf des einfach auch als Kompressor bezeichneten Kältemittelkompressors einstellbar. Der Kältemittelkompressor wird beispielsweise auch als Verdichter oder Kältemittelverdichter bezeichnet, wobei mittels des Kältemittelverdichters das Kältemittel durch den Kältekreislauf hindurchzufördern und zu verdichten ist. Beispielsweise ist der Kältemittelverdichter stromab der Verdampfer und stromauf des ersten Wärmetauschers angeordnet.
Um den Innenraum besonders effizient temperieren, insbesondere beheizen, zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem Kältekreislauf ein mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher versorgbarer, zweiter Wärmetauscher angeordnet ist. Die folgenden und vorigen Ausführungen zu dem ersten Wärmetauscher können ohne weiteres auch auf den zweiten Wärmetauscher übertragen werden, sodass beispielsweise der zweite Wärmetauscher ein zweiter Kondensator oder ein zweiter Gaskühler sein kann. Über den zweiten Wärmetauscher sind die Verdampfer mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher versorgbar, sodass der zweite Wärmetauscher stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf der Verdampfer in dem Kältekreislauf angeordnet ist. Mittels des zweiten Wärmetauschers ist das Kältemittel zu kühlen. Beispielsweise kann über den zweiten Wärmetauscher ein Wärmeübergang von dem in dem zweiten Wärmetauscher durchströmenden Kältemittel an auch als Kühlluft bezeichnete Luft erfolgen, die beispielsweise den zweiten Wärmetauscher an- und/oder umströmt und/oder durchströmt.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in dem Kältekreislauf eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Über die Ventileinrichtung ist der zweite Wärmetauscher mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher versorgbar. Außerdem sind die Verdampfer unter Umgehen des zweiten Wärmetauschers mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher versorgbar. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein erster Kältemittelteil des von dem ersten Wärmetauscher wegströmenden Kältemittels über die Ventileinrichtung zu dem zweiten Wärmetauscher strömen, daraufhin den zweiten Wärmetauscher durchströmen und daraufhin in Richtung der Verdampfer strömen. Ferner kann, insbesondere alternativ oder zusätzlich, insbesondere gleichzeitig, ein zweiter Kältemittelteil des von dem ersten Wärmetauscher wegströmenden Kältemittels über die Ventileinrichtung den Verdampfern zugeführt beziehungsweise in Richtung der Verdampfer geführt werden und dabei den zweiten Wärmetauscher umgehen, das heißt nicht durch den zweiten Wärmetauscher hindurchströmen. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte und effiziente Betreibbarkeit, insbesondere Regelbarkeit, des Systems dargestellt werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an einer stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf des zweiten Wärmetauschers angeordneten Abzweigstelle ein von zumindest einem Teil des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher durchströmbarer, erster Kältezweig abzweigt, in welchem eine erste Kühleinrichtung angeordnet ist, welche auch in einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf angeordnet ist. In dem auch als erster Kühlkreislauf bezeichneten Kühlkreislauf ist auch wenigstens eine insbesondere von einer Batterie unterschiedliche Antriebskomponente zum, insbesondere rein, elektrischen Antreiben, des Fahrzeugs angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei der Antriebskomponente um die zuvor genannte, elektrische Maschine. Die Antriebskomponente ist mittels des Kühlmittels zu kühlen. Dabei ist über die erste Kühleinrichtung Wärme von dem Kühlmittel auf das Kältemittel übertragbar, wodurch das Kühlmittel zu kühlen ist. Die erste Kühleinrichtung wird auch als Chiller oder erster Chiller bezeichnet. Hierdurch kann ein besonders energieeffizienter Betrieb des Systems realisiert werden.
Um eine besonders energieeffiziente Temperierung von Komponenten des Fahrzeugs und somit einen besonders energieeffizienten Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass an einer stromab des zweiten Wärmetauschers und stromauf der Verdampfer angeordneten, zweiten Abzweigstelle ein von zumindest einem Teil des Kältemittels aus dem zweiten Wärmetauscher durchströmbarer, zweiter Kältezweig abzweigt, in welchem eine zweite Kühleinrichtung angeordnet ist. Die zweite Kühleinrichtung ist auch in einem von einem Kühlfluid durchströmbaren, zweiten Kühlkreislauf angeordnet, welcher beispielsweise ein von dem ersten Kühlkreislauf unterschiedlicher beziehungsweise zusätzlich zum ersten Kühlkreislauf vorgesehener, weiterer Kühlkreislauf ist. In dem Kühlkreislauf ist auch wenigstens eine Batterie zum, insbesondere elektrochemischen, Speichern, von elektrischer Energie des Fahrzeugs angeordnet. Die Batterie ist vorzugsweise eine Traktionsbatterie. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug mittels der elektrischen Maschine dadurch, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist, dass die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben wird. Um die elektrische Maschine in dem Motorbetrieb zu betreiben, wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, die beziehungsweise der in der Batterie gespeichert ist. Die Batterie ist mittels des Kühlfluids zu kühlen. Über die zweite Kühleinrichtung ist Wärme von dem Kühlfluid auf das Kältemittel übertragbar, wodurch das Kühlfluid zu kühlen ist.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mündet der zweite Kältezweig in den ersten Kältezweig an einer ersten Einleitstelle, die stromab der ersten Kühleinrichtung und stromauf einer zweiten Einleitstelle angeordnet ist, an welcher der erste Kältezweig in dem Kältekreislauf mündet. Hierdurch kann ein besonders effizienter Betrieb dargestellt werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die zweite Stelle stromab der Verdampfer und stromauf des ersten Wärmetauschers, insbesondere stromauf des Kältemittelverdichters, angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Betreibbarkeit, insbesondere Regelbarkeit, des Systems realisiert werden, sodass das System besonders energieeffizient betrieben werden kann.
In weiterer, besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, ist der zweiten Kühleinrichtung eine an einer stromauf der zweiten Kühleinrichtung von dem zweiten Kältezweig abzweigende und an einer stromab der zweiten Kühleinrichtung in den zweiten Kältezweig oder in den ersten Kältezweig mündende Umgehungsleitung zugeordnet, über welche die zweite Kühleinrichtung von zumindest einem Teil des Kältemittels umgehbar ist. Dadurch kann eine die zweite Kühleinrichtung durchströmende Menge des Kältemittels bedarfsgerecht eingestellt werden, sodass eine besonders vorteilhafte Betreibbarkeit, insbesondere Regelbarkeit, des Systems realisiert werden kann.
Schließlich hat es sich zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs des Systems als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist, mittels welchem das Kältemittel und/oder die dem Innenraum (Kabine) zuzuführende Luft (Zuluft), insbesondere elektrisch, erwärmt werden kann. Hierzu ist beispielsweise das Heizelement ein PTC-Element beziehungsweise das Heizelement umfasst wenigstens ein PTC-Element (PTC - positive temperature coefficient). Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Heizelement ein Kaltleiter ist beziehungsweise einen Kaltleiter umfasst, welcher auch als PTC-Widerstand oder PTC- Thermistor bezeichnet wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, mit einem Kühl- und Heizsystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung eines Kühl- und Heizsystems für ein Fahrzeug.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung ein einfach auch als System bezeichnetes und als eine Einrichtung ausgebildetes Kühl- und Heizsystem 10 für ein Fahrzeug. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand das Kühl- und Heizsystem 10 aufweist. Vorzugsweise weist das Fahrzeug auch einen elektrischen Antrieb auf, mittels welchem das Fahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Hierzu umfasst der Antrieb wenigstens eine elektrische Maschine, die in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar ist. Mittels der elektrischen Maschine, insbesondere in einem Motorbetrieb, ist das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar. Das als Kraftfahrzeug ausgebildete Fahrzeug umfasst außerdem wenigstens eine Batterie, in welcher elektrische Energie, insbesondere elektrochemisch, zu speichern oder gespeichert ist. Dabei kann die Batterie Bestandteil des Antriebs sein. Um die elektrische Maschine in dem Motorbetrieb zu betreiben, wird die elektrische Maschine mit der elektrischen Energie versorgt, die in der Batterie gespeichert ist. Die elektrische Maschine und/oder die Batterie ist vorzugsweise eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und Nennspannung, vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Dadurch können besonders große elektrische Leistungen zum, insbesondere reinen, elektrischen Antreiben des Fahrzeugs realisiert werden.
Das Kühl- und Heizsystem 10 weist einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältekreislauf 12 auf, welcher auch als Kältemittelkreislauf bezeichnet wird. In dem Kältekreislauf 12 ist ein erster Wärmetauscher 14 angeordnet, welcher auch als erster Kondensator bezeichnet wird oder als ein erster Kondensator ausgebildet ist. Über den ersten Wärmetauscher 14 ist zum Beheizen das auch als Fahrgastzelle oder Fahrgastraum oder Kabine bezeichneten Innenraums 16 des Fahrzeugs Wärme von dem Kältemittel auf Luft übertragbar, die, insbesondere über einen Eingang, dem Innenraum 16 zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Somit ist beispielsweise der erste Wärmetauscher 14 an beziehungsweise in dem Eingang angeordnet, wobei die Luft, die dem Innenraum 16 zugeführt wird, dem Innenraum 16 über den Eingang zugeführt wird und somit den Eingang durchströmt. Die den Eingang durchströmende und dem Innenraum 16 zuzuführende Luft wird somit dem ersten Wärmetauscher 14 zugeführt, sodass über den ersten Wärmetauscher 14 Wärme von dem Kältemittel an die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft übergehen kann. Dadurch wird das Kältemittel gekühlt, und die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft wird erwärmt. Da die mittels des Wärmetauschers 14 erwärmte Luft im Innenraum 16 zugeführt wird, das heißt in den Innenraum 16 eingeleitet wird, wird hierdurch der Innenraum 16 beheizt, das heißt erwärmt.
In dem Kältekreislauf 12 ist außerdem ein erster Verdampfer 18 angeordnet, mittels welchem zum Kühlen und/oder Entfeuchten der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft das Kältemittel zu verdampfen ist, das heißt verdampft wird. Hierzu ist es beispielsweise vorgesehen, dass der erste Verdampfer 18 an oder in dem Eingang angeordnet ist. Beispielsweise ist der Verdampfer 18 bezogen auf einen Strömungspfad, entlang welchem die Luft dem Innenraum 16 zugeführt, das heißt in den Innenraum 16 eingeleitet wird, stromauf oder stromab des Wärmetauschers 14 angeordnet. In dem Kältekreislauf 12 ist außerdem ein zweiter Verdampfer 20 angeordnet, welcher an oder in einer Entlüftung 22 des Innenraums 16 angeordnet ist. Über die auch als Ausgang bezeichnete Entlüftung ist beziehungsweise wird Luft aus dem Innenraum 16 abgeführt, sodass die aus dem Innenraum 16 stammende und die Entlüftung 22 durchströmende Luft aus dem Innenraum 16 ausströmt. Da der zweite Verdampfer 20 in der Entlüftung 22 angeordnet ist, wird der Verdampfer 20 mit der die Entlüftung 22 durchströmenden und somit über die Entlüftung 22 aus dem Innenraum 16 ausströmenden Luft versorgt, insbesondere derart, dass die aus dem Innenraum 16 ausströmende Luft den Verdampfer 20 umströmt und/oder anströmt und/oder durchströmt. Über den zweiten Verdampfer 20 ist zur Wärmerückgewinnung Wärme von der die Entlüftung 22 durchströmenden und somit über die Entlüftung 22 aus dem Innenraum 16 ausströmende Luft auf das Kältemittel übertragbar, wodurch das Kältemittel erwärmt wird. Die von der aus dem Innenraum 16 ausströmende Luft über den Verdampfer 20 auf das Kältemittel übertragene Wärme kann genutzt werden, beispielsweise über den Wärmetauscher 14, derart, dass die Wärme über den Wärmetauscher 14 an die Luft übertragen wird, die dem Innenraum 16 zugeführt wird, um den Innenraum 16 zu beheizen. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden.
Insbesondere ist der zweite Verdampfer 20 hinten an der als auch Innenraumentlüftung bezeichneten Entlüftung 22 angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass beispielsweise der Verdampfer 20 an oder auf einer in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten weisenden Rückseite des Innenraums 16 angeordnet ist.
Um nun das einfach auch als System bezeichnete Kühl- und Heizsystem 10 besonders vorteilhaft betreiben, insbesondere regeln, und somit besonders effizient betreiben zu können, sind die mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher 14 versorgbaren Verdampfer 18 und 20 parallel zueinander geschaltet. Mit anderen Worten, der jeweilige Verdampfer 18 beziehungsweise 20 an sich, das heißt für sich alleine betrachtet, ist stromab des Wärmetauschers 14 angeordnet, sodass beispielsweise ein erster Teil des von dem Wärmetauscher 14 wegströmenden beziehungsweise aus dem Wärmetauscher 14 ausströmenden Kältemittels durch den Verdampfer 18 und ein zweiter Teil des von dem Wärmetauscher 14 wegströmenden und somit aus dem Wärmetauscher 14 ausströmenden Kältemittels, insbesondere gleichzeitig, durch den Verdampfer 20 strömen kann. Die Verdampfer 18 und 20 sind jedoch in Relation zueinander parallel geschaltet beziehungsweise angeordnet, das heißt in einer parallelen Anordnung angeordnet oder verschaltet. Dadurch kann beispielsweise eine einen der Verdampfer 18 und 22 durchströmende, erste Menge des Kältemittels eingestellt, insbesondere geregelt, werden, ohne eine dem jeweils anderen Verdampfer 20 beziehungsweise 18 durchströmende, zweite Menge des Kältemittels übermäßig zu beeinflussen. Insbesondere ist es denkbar, dass einer der Verdampfer 18 beziehungsweise 20 deaktiviert ist, während der jeweils andere Verdampfer 20 beziehungsweise 18 aktiviert ist. Dies bedeutet, dass das Kältemittel durch den aktivierten Verdampfer hindurchströmt, während es unterbleibt, dass das Kältemittel durch den deaktivierten Verdampfer hindurchströmt.
In dem Kältekreislauf 12 ist, insbesondere stromab des ersten Wärmetauschers 14, ein zweiter Wärmetauscher 24 angeordnet. Der zweite Wärmetauscher 24 ist beispielsweise ein zweiter Kondensator oder wird auch als zweiter Kondensator bezeichnet. Der zweite Wärmetauscher 24 ist mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher 14, das heißt mit zumindest einem Teil des aus dem Wärmetauscher 14 ausströmenden und von dem Wärmetauscher wegströmenden Kältemittels versorgbar, wobei über den zweiten Wärmetauscher 24 die Verdampfer 18 und 20 mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher 14 versorgbar sind. Somit ist beispielsweise der Wärmetauscher 24 in Strömungsrichtung des von dem Wärmetauscher 14 zu den Verdampfern 18 und 20 strömenden Kältemittels stromauf der Verdampfer 18 und 20 und stromab des Wärmetauschers 14 angeordnet. Mittels des zweiten Wärmetauschers 24 kann das Kältemittel gekühlt werden. Des Weiteren ist in dem Kältekreislauf 12, insbesondere stromab des Wärmetauschers 14 und stromauf des Wärmetauschers 24, eine Ventileinrichtung 25 angeordnet. Über die Ventileinrichtung 25 ist der zweite Wärmetauscher 24 mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher 14 versorgbar, und über die Ventileinrichtung 25 sind die Verdampfer 18 und 20 unter Umgehen des zweiten Wärmetauschers 24 mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher 14 versorgbar. Über einen ersten Anschluss A1 kann das Kältemittel aus dem Wärmetauscher 14 in die Ventileinrichtung 25 hineinströmen. Über einen zweiten Anschluss A2 und einen dritten Anschluss A3 kann das über den ersten Anschluss A1 in die Ventileinrichtung 25 eingeströmte Kältemittel aus der Ventileinrichtung 25 ausströmen. Das den Anschluss A2 durchströmenden und somit über den Anschluss A2 aus der Ventileinrichtung 25 ausströmende Kältemittel mit dem Wärmetauscher 24 zugeführt und strömt über den Wärmetauscher 24 zu den Verdampfern 18 und 20. Das den Anschluss A3 durchströmende und somit über den Anschluss A3 aus der Ventileinrichtung 25 ausströmende Kältemittel umgeht den Wärmetauscher 24, das heißt strömt nicht durch den Wärmetauscher 24 hindurch, sondern strömt unter Umgehung des Wärmetauschers 24 in Richtung der Verdampfer 18 und 20.
An einer stromab des ersten Wärmetauschers 14 und stromauf des zweiten Wärmetauschers 24, insbesondere stromab der Ventileinrichtung 25 und stromab des Wärmetauschers 24, angeordneten ersten Abzweigstelle S1 zweigt ein zumindest von einem Teil des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher 14 durchströmbarer, erster Kältezweig 26 von dem Kältekreislauf 12 ab. In dem ersten Kältezweig 26 ist eine erste Kühleinrichtung 28 angeordnet, welche auch als erster Chiller bezeichnet wird. Dabei ist in dem Kältezweig 26, insbesondere stromauf der Kühleinrichtung 28 und stromab der Abzweigstelle S1, ein insbesondere als Absperrventil ausgebildetes Ventil 30 angeordnet, welches beispielsweise zwischen einem Kältezweig 26 freigegebenen Offenzustand und einem den Kältezweig 26 verschließenden Schließzustand verstellbar ist. Die Kühleinrichtung 28 ist auch in einem von einem Kühlmittel durchströmbaren, ersten Kühlkreislauf angeordnet, in welchem auch wenigstens eine Antriebskomponente wie beispielsweise die elektrische Maschine des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Antriebskomponente ist mittels des Kühlmittels zu kühlen, wobei über die erste Kühleinrichtung 28 Wärme von dem Kühlmittel auf das Kältemittel übertragbar ist, wodurch das Kühlmittel zu kühlen ist.
An einer stromab des zweiten Wärmetauschers 24 und stromauf der Verdampfer 18 und 20 angeordneten, zweiten Abzweigstelle S2 zweigt ein zweiter Kältezweig 32 von dem Kältekreislauf 12 ab, sodass der zweite Kältezweig 32 von zumindest einem Teil des Kältemittels aus dem zweiten Wärmetauscher 24 durchströmbar ist. In dem zweiten Kältezweig 32 ist eine zweite Kühleinrichtung 34 angeordnet, welche auch als zweiter Chiller bezeichnet wird. Die Kühleinrichtung 34 ist auch in einem zweiten Kühlkreislauf angeordnet, in welchem auch die Batterie angeordnet ist. Der zweite Kühlkreislauf ist von einem Kühlfluid durchströmbar, mittels welchem die Batterie gekühlt werden kann. Über die zweite Kühleinrichtung 34 ist Wärme von dem Kühlfluid auf das Kältemittel übertragbar, wodurch das Kühlfluid zu kühlen ist. Der zweite Kältezweig 32 mündet in den ersten Kältezweig 26 an einer ersten Einleitstelle E1, welche beispielsweise in dem Kältezweig 26 stromab der Kühleinrichtung 28 und stromauf einer zweiten Einleitstelle E2 angeordnet ist, an welcher der erste Kältezweig 26 in den Kältekreislauf 12 mündet. Dabei ist die Einleitstelle E2 stromab der Verdampfer 18 und 20 und stromauf des ersten Wärmetauschers 14 angeordnet.
In dem Kältekreislauf 12 ist auch ein als Kompressor bezeichneter Kältemittelverdichter 36 angeordnet, mittels welchem das Kältemittel durch den Kältekreislauf 12 zu fördern ist. Außerdem ist der Kältemittelverdichter 36 dazu ausgebildet, das Kältemittel zu verdichten. Aus der Fig. ist erkennbar, dass der Kältemittelverdichter 36 stromauf des Wärmetauschers 14 und stromab der Verdampfer 18 und 20, insbesondere stromab der Einleitstelle E2, angeordnet ist. Das System umfasst außerdem eine elektronische Recheneinrichtung 38, welche auch als Regelelektronik bezeichnet wird oder als Regelelektronik ausgebildet ist. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung 38 ist das System betreibbar, insbesondere zu regeln. Insbesondere kann mittels der elektronischen Recheneinrichtung 38 ein Druck und/oder Temperatur des Kältemittels insbesondere in dem Kältekreislauf 12 eingestellt, insbesondere geregelt, werden, sodass beispielsweise das System mittels der elektronischen Recheneinrichtung 38 in Abhängigkeit von dem Druck und/oder Temperatur des Kältemittels betrieben, insbesondere geregelt, wird. Insbesondere wird beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung 38, insbesondere in Abhängigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur des Kältemittels, eine jeweilige, der jeweiligen Verdampfer 18 beziehungsweise 20 durchströmende und auch als Durchflussmenge bezeichnete Menge des Kältemittels eingestellt, insbesondere geregelt. Der zweiten Kühleinrichtung 34 ist eine Umgehungsleitung 40 zugeordnet, welche an einer dritten Abzweigstelle A3 von dem zweiten Kältezweig 32 abzweigt und an einer dritten Einleitstelle E3 vorliegend in den Kältezweig 26 mündet. Dadurch kann eine Abzweigstelle A3 zumindest ein Teil des den Kältezweig 32 durchströmenden Kältemittels aus dem Kältezweig 32 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 40 eingeleitet werden. Das die Umgehungsleitung 40 durchströmende Kältemittel umgeht die Kühleinrichtung 34 und strömt somit nicht durch die Kühleinrichtung 34, sodass das die Umgehungsleitung 40 durchströmende Kältemittel nicht mittels der Kühleinrichtung 34 erwärmt wird. Das die Umgehungsleitung 40 durchströmende Kältemittel kann an der einen Stelle E3 aus der Umgehungsleitung 40 ausströmen und in den Kältezweig 26 einströmen. Die eine Stelle E3 ist stromab der Kühleinrichtung 28 und insbesondere stromab der Einleitstelle E1 und stromauf der Einleitstelle E2 angeordnet.
Dem Verdampfer 18 ist beispielsweise ein insbesondere als Expansionsventil ausgebildetes Ventilelement 42 zugeordnet, mittels welchem beispielsweise die den Verdampfer 18 durchströmende Menge des Kältemittels einstellbar ist. Ferner ist beispielsweise dem Verdampfer 20 ein insbesondere als Expansionsventil ausgebildetes Ventilelement 44 zugeordnet, mittels welchem beispielsweise die dem Verdampfer 20 durchströmende Menge des Kältemittels einstellbar ist. In dem Kältekreislauf 12 ist außerdem ein Rückschlagventil 46 angeordnet, welches stromab des Wärmetauschers 24 und stromauf der Verdampfer 18 und 20 angeordnet ist und beispielsweise in Richtung der Verdampfer 18 und 20 öffnet und in entgegengesetzte Richtungen und somit in Richtung des Wärmetauschers 24 versperrt, sodass das Kältemittel von dem Wärmetauscher 24 über das Rückschlagventil 46 zu den Verdampfern 18 und 20, jedoch nicht in umgekehrter Richtung strömen kann.
Bei dem in der Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Kühl- und Heizsystem 10 außerdem ein elektrisches Heizelement 48 auf, welches in einem Luftstrom zur Kabine angeordnet ist, wobei der Luftstrom durch die Luft gebildet ist, die dem Innenraum zugeführt wird und auch als Zuluft bezeichnet wird. Mittels des in dem Luftstrom angeordneten Heizelements 48 wird die Zuluft zur Kabine, das heißt die Luft, die dem Innenraum 16 zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, elektrisch beheizt, das heißt erwärmt. Hierzu ist beispielsweise das Heizelement 48 als PTC-Element ausgebildet beziehungsweise Heizelement 48 umfasst wenigsten ein PTC-Element (Teil platte).

Claims

Patentansprüche
1. Kühl- und Heizsystem (10) für ein Fahrzeug, mit einem von einem Kältemittel durchströmbaren Kältekreislauf (12), in welchem angeordnet sind:
- ein Wärmetauscher (14), über welchen zum Beheizen des Innenraums (16) des Fahrzeugs Wärme von dem Kältemittel auf dem Innenraum (16) zuzuführende Luft oder auf eine Flüssigkeit übertragbar ist,
- ein erster Verdampfer (18), mittels welchem zum Kühlen und/oder Entfeuchten der dem Innenraum (16) zuzuführenden Luft das Kältemittel zu verdampfen ist, und
- ein in einer Entlüftung (22) des Innenraums (16) angeordneter und mit Luft, die die Entlüftung (22) durchströmt und dadurch aus dem Innenraum (16) ausströmt, versorgbarer, zweiter Verdampfer (20), über welchen zur Wärmerückgewinnung Wärme von der aus dem Innenraum (16) ausströmenden auf das Kältemittel übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher (14) versorgbaren Verdampfer (18, 20) parallel zueinander geschaltet sind.
2. Kühl- und Heizsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (12) ein mit dem Kältemittel aus dem Wärmetauscher (14) versorgbarer, zweiter Wärmetauscher (24) angeordnet ist, über welchen die Verdampfer (18, 20) mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher (14) versorgbar sind, wobei mittels des zweiten Wärmetauschers (24) das Kältemittel zu kühlen ist.
3. Kühl- und Heizsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (12) eine Ventileinrichtung (26) angeordnet ist, über welche:
- der zweite Wärmetauscher (24) mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher (14) versorgbar ist, und
- die Verdampfer (18, 20) unter Umgehen des zweiten Wärmetauschers (24) mit dem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher (14) versorgbar sind.
4. Kühl- und Heizsystem (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer stromab des ersten Wärmetauschers (14) und stromauf des zweiten Wärmetauschers (24) angeordneten Abzweigstelle (A1) ein von zumindest einem Teil des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher (14) durchströmbarer Kältezweig (26) abzweigt, in welchem eine Kühleinrichtung (28) angeordnet ist, welche auch in einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf angeordnet ist, in welchem auch wenigstens eine Antriebskomponente zum elektrischen Antreiben des Fahrzeugs angeordnet ist, dessen Antriebskomponente mittels des Kühlmittels zu kühlen ist, von welchem Wärme über die Kühleinrichtung (28) auf das Kältemittel übertragbar ist.
5. Kühl- und Heizsystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einer stromab des zweiten Wärmetauschers (24) und stromauf der Verdampfer (18, 20) angeordneten, zweiten Abzweigstelle (A2) ein von zumindest einem Teil des Kältemittels aus dem zweiten Wärmetauschers (24) durchströmbarer, zweiter Kältezweig (32) abzweigt, in welchem eine zweite Kühleinrichtung (34) angeordnet ist, welche auch in einem von einem Kühlfluid durchströmbaren, zweiten Kühlkreislauf angeordnet ist, in welchem auch wenigstens eine Batterie zum Speichern von elektrischer Energie des Fahrzeugs angeordnet ist, dessen Batterie mittels des Kühlfluids zu kühlen ist, von welchem Wärme über die zweite Kühleinrichtung (34) auf das Kältemittel übertragbar ist.
6. Kühl- und Heizsystem (10) nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältezweig (32) in den ersten Kältezweig (26) an einer ersten Einleitstelle (E1) mündet, die stromab der ersten Kühleinrichtung (28) und stromauf einer zweiten Einleitstelle (E2) angeordnet ist, an welcher der erste Kältezweig (32) in den Kältekreislauf (12) mündet.
7. Kühl- und Heizsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einleitstelle (E2) stromab der Verdampfer (18, 20) und stromauf des ersten Wärmetauschers (14) angeordnet ist.
8. Kühl- und Heizsystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Kühleinrichtung (34) eine stromauf der zweiten Kühleinrichtung (34) von dem zweiten Kältezweig abzweigende und stromab der zweiten Kühleinrichtung (34) in den zweiten Kältezweig (32) oder in den ersten Kältezweig (26) mündende Umgehungsleitung (40) zugeordnet ist, über welche die zweite Kühleinrichtung (34) von dem Kältemittel umgehbar ist.
9. Kühl- und Heizsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisches Heizelement (48) zum Erwärmen der dem Innenraum zuzuführenden Luft.
10. Fahrzeug, mit einem Kühl- und Heizsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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