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Die Erfindung betrifft ein Nachheizverfahren (RH III) zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.
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Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion umfasst üblicherweise einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist; einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist; einen weiteren als Wärmequelle wirkenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist; ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil; ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem Heizregister angeordnetes Sekundärstrangventil; und wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem Heizregister und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist.
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Bei dem hier betrachteten, bekannten Nachheizverfahren, das auch als sogenannter Reheat III Betrieb bezeichnet werden kann, wird das Kältemittel vollständig (zu 100%) über das Heizregister bzw. einen im Wesentlichen gleich wirkenden und als Wärmequelle arbeitenden Wärmeübertrager zur direkten/ indirekten Erwärmung und Konditionierung des Kabinenzuluftstroms geführt. Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Kälteanlage im betrachteten Nachheizverfahren Zustände auftreten können, bei denen das Kältemittel stromabwärts von dem Heizregister und stromabwärts von dem äußeren Wärmeübertrager auf im Wesentlichen identischem Hochdruckniveau geführt wird, wenn ein geringer Nachheizbedarf besteht und gleichzeitig im Bereich eines Chillers Abwärme von elektrischen Antriebs- oder/ und Speicherkomponenten des Fahrzeugs an den Kältemittelkreislauf abgegeben wird. Am Heizregister, das als erster Wärmeübertrager stromabwärts von dem Kältemittelverdichter im Sekundärstrang angeordnet ist, können daher kritische Temperaturen auftreten, die insbesondere auch schädlich sein können für weitere (Umgebungs-) Bauteile, die im Bereich des Heizregisters angeordnet sind.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Nachheizverfahren zum Betreiben einer Kälteanlage und eine Kälteanlage anzugeben, um die obigen Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Nachheizverfahren, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Nachheizverfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
- einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister angeordnetes Sekundärstrangventil;
- wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister,
- und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist.
- Dabei umfasst das Nachheizverfahren folgende Schritte, die bei geöffnetem Sekundärstrangventil durchgeführt werden:
- Erfassen eines die Temperatur des gasförmigen Kältemittels repräsentierenden Heißgastemperaturwerts stromaufwärts von dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, im Sekundärstrang;
- Vergleichen des Heißgastemperaturwerts mit einem Heißgastemperaturschwellwert;
- Einstellen des Primärstrangventils in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs von dem Heißgastemperaturwert mit dem Heißgastemperaturschwellwert.
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Der angegebene Heißgastemperaturschwellwert kann für einen jeweiligen Strang oder Systemabschnitt unterhalb einer maximal zulässigen Betriebstemperatur eines Verdichters festgelegt werden bzw. zu liegen kommen.
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Durch eine in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs von dem Heißgastemperaturwert mit dem Heißgastemperaturschwellwert wird mit der Einstellung des Primärstrangventils die Möglichkeit geschaffen, einen Teilstrom von heißem Kältemittel direkt in den Primärstrang zu führen, so dass der in den Sekundärstrang geleitete Teilstrom geringer wird als der übliche Gesamtstrom. Hierdurch verändern sich die Temperatur- und Druckverhältnisse im Sekundärstrang, insbesondere auch am mit heißem Kältemittel (Heißgas) beaufschlagten weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager (Heizregister), dahingehend, dass die Temperatur des heißen Kältemittels (Heißgas) reduziert wird.
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Bei dem Verfahren kann das Primärstrangventil in eine zumindest teilweise geöffnete Stellung gebracht werden, wenn der anliegende Heißgastemperaturwert größer ist als der Heißgastemperaturschwellwert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das am weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager (Heizregister) anstehende heiße und gasförmige Kältemittel nicht in einem für den weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager (Heizregister) oder/ und umgebende Bauteile kritischen Temperaturbereich liegt.
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Bei dem Verfahren kann die zumindest teilweise geöffnete Stellung des Primärstrangventils im Wesentlichen konstant gehalten werden, wenn der Heißgastemperaturwert im Wesentlichen dem Heißgastemperaturschwellwert entspricht oder eine Differenz zwischen dem Heißgastemperaturschwellwert und dem Heißgastemperaturwert im Wesentlichen konstant ist. Somit kann das Primärstrangventil dazu genutzt werden, die im Sekundärstrang am weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager (Heizregister) herrschende Heißgastemperatur zu steuern bzw. regeln. Hierdurch kann die Heißgastemperatur kontrollierbar gestaltet werden. Dabei können auch weitere Systemparameter der Kälteanlage mit in die Steuerung/ Regelung einfließen, wie beispielsweise Druck- oder/ und Temperaturwerte im Kältemittelkreislauf an weiteren Komponenten der Kälteanlage, wie etwa dem Verdampfer oder dem Chiller.
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Bei dem Verfahren kann das Primärstrangventil ausgehend von einer zumindest teilweise geöffneten Stellung in Richtung einer geschlossenen Stellung bewegt werden, wenn der Heißgastemperaturwert kleiner als der Heißgastemperaturschwellwert ist und eine Differenz zwischen dem Heißgastemperaturschwellwert und dem Heißgastemperaturwert größer wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Teilstrom im Sekundärstrang ausreichend groß und heiß ist, um einen optimalen (Nach-) Heizbetrieb zu gewährleisten.
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Dabei kann das Primärstrangventil (vollständig) geschlossen werden und geschlossen gehalten werden, wenn die Differenz zwischen dem Heißgastemperaturschwellwert und dem Heißgastemperaturwert größer als oder gleich wie ein Differenzschwellwert ist.
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Bei dem Verfahren kann der Kältemittelverdichter mit im Wesentlichen gleicher Leistung bzw. Kältemittelfördermenge betrieben werden. Durch ein bedarfsweises Öffnen bzw. Schließen des Primärstrangventils bei geöffnetem Sekundärstrangventil und in Abhängigkeit von dem Heißgastemperaturwert am weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager (Heizregister) ist es möglich das Gesamtsystem dauerhaft mit der gleichen Leistung zu betreiben, d.h. es ist nicht erforderlich, die Förderleistung des Kältemittelverdichters zu reduzieren oder diesen gar kurzzeitig herunterzufahren. Anders ausgedrückt kann der ursprüngliche Volumenstrom des Verdichters beibehalten werden.
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Bei dem Verfahren kann das Sekundärstrangventil geschlossen werden, wenn das Primärstrangventil eine vollständig geöffnete Stellung erreicht. Ein solcher Fall stellt eine weitere Option zur Heißgastemperaturkontrolle dar ohne die Kälteleistung einzuschränken. Ein bei sich schließendem Sekundärstrangventil unter Umständen auftretender Verlust im Nachheizpotenzial kann durch Zusatzheizer kompensiert werden. Ist das Sekundärstrangventil vollständig geschlossen (Endstellung) wir der gesamte Kältemittelmassenstrom über das geöffnete Primärstrangventil und den äußeren Wärmeübertrager geleitet, was dann gleichbedeutend ist mit einer AC-Verschaltung. Insoweit kann ein solcher Verfahrensschritt auch als Ausstieg bzw. Beendigung des Verfahrens angesehen werden.
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Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter, der mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden ist;
- einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen Verdampfer, der im Primärstrang angeordnet ist;
- einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, der im Sekundärstrang angeordnet ist;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager angeordnetes Primärstrangventil;
- ein zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnetes Sekundärstrangventil;
- wenigstens ein Nachheiz-Expansionsventil, das zwischen dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager und dem äußeren Wärmeübertrager im Sekundärstrang angeordnet ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass stromaufwärts von dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, und stromabwärts von dem Sekundärstrangventil in dem Sekundärstrang wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, einen die Temperatur des gasförmigen Kältemittels repräsentierenden Heißgastemperaturwert zu erfassen.
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Eine solche Sensoreinrichtung kann möglichst nahe bei einem kritischen Bauteil vorgesehen sein.
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Dabei kann die Sensoreinrichtung ein Temperatursensor oder ein kombinierter Druck-/Temperatursensor sein. Die Sensoreinrichtung ist bevorzugt nahe an dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnet. Insbesondere kann sie bezogen auf eine Leitungslänge zwischen dem Sekundärstrangventil und dem weiteren Wärmeübertrager bzw. Heizregister in einem Leitungsabschnitt vorgesehen sein, der kürzer als die Hälfte der (gesamten) Leitungslänge ist, insbesondere kürzer als 30% der (gesamten) Leitungslänge ist.
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Alternativ können Systemverhaltensprognosen und damit zu erwartende Temperaturen an kritischen Bauteilen über simulativ oder durch Messung bestimmte Kennfelder ermittelt oder abgeschätzt werden und für die Umsetzung der beschriebenen Funktion herangezogen werden.
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Die Kälteanlage kann eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Ein Kraftfahrzeug kann mit einer solchen Kälteanlage ausgestattet sein. Dabei kann es sich bei dem Kraftfahrzeug insbesondere um ein Elektrofahrzeug handeln. Bei einem Elektrofahrzeug kann der effiziente Betrieb der Kälteanlage zu Stromeinsparungen führen, so dass hierdurch eine größere Reichweite des Elektrofahrzeugs erzielt werden kann.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug;
- 2 ein Flussdiagram einer beispielhaften Umsetzung des Nachheizverfahrens, insbesondere mittels der in 1 beschriebenen Kälteanlage.
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In 1 ist eine Ausführungsform einer Kälteanlage 10 für ein Kraftfahrzeug schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Kälteanlage 10 umfasst einen Kältemittelkreislauf 11, der sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz auch AC-Betrieb genannt), als auch in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden kann. Die Kälteanlage 10 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Kältemittelverdichter 12, einen äußeren Wärmeübertrager 18, einen inneren Wärmeübertrager 20, einen Verdampfer 22 und einen Akkumulator bzw. Kältemittelsammler 24. Der äußere Wärmeübertrager 18 kann als Kondensator oder Gaskühler ausgebildet sein. Insbesondere ist der äußere Wärmeübertrager 18 in der dargestellten Ausführungsform bidirektional durchström bar.
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Der Verdampfer 22 ist hier beispielhaft als Frontverdampfer für ein Fahrzeug gezeigt. Der Verdampfer 22 steht stellvertretend auch für weitere in einem Fahrzeug mögliche Verdampfer, wie beispielsweise Fondverdampfer, die strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sein können. Mit anderen Worten umfasst die Kälteanlage 10 also wenigstens einen Verdampfer 22.
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Stromabwärts des Verdichters 12 ist ein Absperrventil A4 angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 22 ist ein Expansionsventil AE2 vorgesehen.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf 11 der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum äußeren Wärmeübertrager 18, zum inneren Wärmeübertrager 20 und zum Verdampfer 22 als Primärstrang 14 bezeichnet.
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Die Kälteanlage 10 umfasst weiter ein Heizregister 26 (auch als Heizkondensator oder Heizgaskühler bezeichnet). Stromaufwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A3 angeordnet. Stromabwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A1 angeordnet. Ferner ist stromabwärts des Heizregisters 26 ein Expansionsventil AE4 angeordnet.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird in dem gesamten Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10 der Abschnitt vom Verdichter 12 zum Heizregister 26, zum Expansionsventil AE4 und zu einem Abzweig Ab2 als Sekundärstrang 16 bezeichnet. Der Sekundärstrang 16 umfasst einen Heizzweig 16.1, der sich von dem Absperrventil A3 über das Heizregister26 zum Absperrventil A1 erstreckt. Weiter umfasst der Sekundärstrang 16 einen Nachheizzweig bzw. Reheat-Zweig 16.2, der stromaufwärts mit dem Heizregister 26 und stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 fluidverbindbar ist. Dabei mündet der Sekundärstrang 16 bzw. der Reheat-Zweig 16.2 bei einem Abzweigpunkt Ab2 in den Primärstrang 14.
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Die Kälteanlage 10 umfasst einen weiteren Verdampfer bzw. Chiller 28. Der Chiller 28 ist strömungstechnisch parallel zum Verdampfer 22 vorgesehen. Der Chiller 28 kann beispielsweise zur Kühlung einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs dienen, aber auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme von wenigstens einer elektrischen Komponente. Dem Chiller 28 ist stromaufwärts ein Expansionsventil AE1 vorgeschaltet.
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Die Kälteanlage 10 kann auch ein elektrisches Heizelement 30 aufweisen, das beispielsweise als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt ist. Das elektrische Heizelement 30 dient als Zusatzheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 zusammen mit dem Heizregister 26 und dem Verdampfer 22 in einem Klimagerät 32 untergebracht sein. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 dem Heizregister 26 nachgeschaltet angeordnet sein.
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In der 1 sind ferner noch Rückschlagventile R1 und R2 ersichtlich. Ferner sind auch einige Sensoren pT1 bis pT5 zur Erfassung von Druck oder/und Temperatur des Kältemittels dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Sensoren bzw. deren Anordnung hier nur beispielhaft gezeigt ist. Eine Kälteanlage 10 kann auch weniger oder mehr Sensoren aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind als Sensoren kombinierte Druck-/Temperatursensoren pT1 bis pT5 gezeigt. Es ist aber genauso denkbar, dass voneinander getrennte Sensoren für die Messung von Druck bzw. Temperatur eingesetzt werden und ggf. auch räumlich voneinander getrennt entlang den Kältemittelleitungen angeordnet sind.
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Die Kälteanlage 10 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 12 bei offenem Absperrventil A4 in den äußeren Wärmeübertrager 18. Von dort strömt es zu dem Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 und dem vollständig geöffneten Expansionsventil AE3. Über einen Abzweigpunkt Ab1 kann das Kältemittel zum Expansionsventil AE2 und in den Innenraum-Verdampfer 22 strömen (Verdampferabschnitt 22.1). Parallel oder alternativ kann das Kältemittel über einen Abzweigpunkt Ab4 und das Expansionsventil AE1 in den Chiller 28 strömen (Chillerabschnitt 28.1). Aus dem Verdampfer 22 oder/und dem Chiller 28 strömt das Kältemittel niederdruckseitig in den Sammler 24 und durch den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 zurück zum Verdichter 12.
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In dem AC-Betrieb ist der Heizzweig 16.1 bzw. der Sekundärstrang 16 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel nicht durch das Heizregister 26 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 16.1 kann das als Absperrventil ausgebildete Absperrorgan A5 geöffnet werden, so dass das Kältemittel über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2, in Richtung des Sammlers 24 strömen kann.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 wird das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel in den Heizzweig 16.1 strömen kann.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 28 zur Realisierung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 in das Heizregister 26 . Am Heizregister 26 wird Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L abgegeben. Das Kältemittel strömt anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 und den Abzweigpunkt Ab1. Es wird mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 zur Aufnahme von Abwärme der in einem Kühlmittelkreislauf 28.2 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsventile AE3 und AE4 geschlossen, das Absperrventil A5 geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Dabei kann über das Absperrventil A2 im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus einem Bidirektionalzweig 14.1 bzw. dem Primärstrang 14 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Sammler 24 zugeführt werden.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Wärmeübertragers 18 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 zur Abgabe von Wärme an einen Zuluftstrom L in das Heizregister 26. Anschließend wird es über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Expansionsventils AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 18 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt. Danach strömt das Kältemittel über einen Wärmepumpenrückführzweig 15 zum Sammler 24 und zurück zum Kältemittelverdichter 12. Die Expansionsventile AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei, ebenso wie das Absperrventil A5, geschlossen.
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Eine indirekte Dreiecksschaltung kann dadurch realisiert werden, dass bei geöffnetem Absperrventil A1 das von dem Kältemittelverdichter 12 verdichtete Kältemittel mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 28.2 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Fluid, wie etwa Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, auf der Kühlmittelseite des Chillers 28 stehen bleibt bzw. der Chiller 28 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsventile AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.
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Bei einem Nachheiz- bzw.- Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 22 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet. Mit der auf das Kältemittel durch Verdampfung und Entfeuchtung übertragenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Verdichter 12 zugeführten Wärme kann der Zuluftstrom L mittels des Heizregisters 26 vollständig oder zumindest teilweise wieder erwärmt werden.
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Hierzu weist die Kälteanlage 10, insbesondere das Klimagerät 32, zwischen dem Verdampfer 22 und dem Heizregister 26 einstellbare, insbesondere steuerbare und schwenkbare, Temperaturklappen 34 auf. Im dargestellten Beispiel sind eine linke und eine rechte Temperaturklappe 34L und 34R (in 1 schematisch dargestellt) angeordnet. Die Temperaturklappen 34L, 34R können zwischen einer Offenposition, die als 100%-Position bezeichnet wird, und einer Schließposition, die als 0%-Position bezeichnet wird, eingestellt bzw. verschwenkt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Temperaturklappen 34R, 34L dem Heizregister 26 nachzuschalten.
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In der 100%-Position wird der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L über das Heizregister 26 geführt und erwärmt, bevor dieser in den Fahrgastraum des Fahrzeugs strömen kann. In der 0%-Position strömt der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom L im Bypass um das Heizregister 26 ohne Erwärmung und damit ohne Wärmeaufnahme in den Fahrgastraum.
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In einer x-Position der Temperaturklappen 34L und 34R mit 0 % < x < 100 % sind diese Temperaturklappen nur teilweise geöffnet, so dass jeweils nur ein Teilluftstrom des den Verdampfer 22 durchströmenden Zuluftstroms L über das Heizregister 26 geführt wird. Dieser erwärmte Teilluftstrom kann anschließend dem verbleibenden, gekühlten und entfeuchteten Teilluftstrom beigemischt werden. Der in dieser Weise erwärmte Zuluftstrom L wird dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt. Beispielhaft zeigt eine 50 %-Position an, dass die Temperaturklappen 34R und 34L nur halb, also 50 % geöffnet sind.
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Die Kälteanlage 10 weist im Sekundärstrang 16 stromabwärts von dem Sekundärstrangventil A3 und stromaufwärts von dem Heizregister 26 eine Sensoreinrichtung 36 auf, die dazu eingerichtet ist, einen die Temperatur des gasförmigen Kältemittels repräsentierenden Heißgastemperaturwert stromaufwärts von dem Heizregister 26 zu erfassen. Der Heißgastemperaturwert kann dabei direkt gemessen bzw. detektiert werden oder auch indirekt anhand anderer Systemparameter abgeschätzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, mittels der Sensoreinrichtung 36 einen Druck im Sekundärstrang 16 zu bestimmen und hieraus Rückschlüsse auf den Heißgastemperaturwert zu ziehen. Die Sensoreinrichtung 36 kann beispielsweise ein reiner Temperatursensor oder ein kombinierter Temperatur-/Drucksensor sein.
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Um eine möglichst exakte Bestimmung des Temperaturniveaus im bzw. am Heizregister 26 zu ermöglichen, kann die Sensoreinrichtung 36 möglichst nahe an dem Heizregister 26 angeordnet sein. Bezogen auf eine gesamte Leitungslänge GL (kurz gestrichelt illustriert) zwischen dem Sekundärstrangventil A3 und dem Heizregister 26 des Sekundärstrangs 16, kann die Sensoreinrichtung 36 auf einem Teilabschnitt bzw. einer Teillänge TL (lang gestrichelt illustriert) angeordnet sein, der kürzer ist als die Hälfte der (gesamten) Leitungslänge GL, insbesondere kürzer als 30% der (gesamten) Leitungslänge GL ist. Die beiden unterschiedlich gestrichelten Linien GL, TL illustrieren in der 1 lediglich qualitativ das Verhältnis von GL zu TL an, ohne dass dieser vereinfachten schematischen Darstellung konkrete Längenangaben entnommen werden können. Der Teilabschnitt TL erstreckt sich dabei von dem Heizregister 26 aus in Richtung des Sekundärstrangventils A3, ohne dieses jedoch zu erreichen.
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Ein Nachheiz- bzw. Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 bzw. der Kälteanlage 10 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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Nachfolgend wird ein für den Nachheiz- bzw. Reheatbetrieb mögliches Betriebsverfahren 500 anhand des Ablaufschemas der 2 und unter Bezugnahme auf die in 1 dargestellte Kälteanlage 10 und ihrer Komponenten beispielhaft erläutert. Ein solches Betriebsverfahren ist üblicherweise in einem Steuergerät für die Kälteanlage bzw. für die Klimatisierung in einem Fahrzeug als Steuerprogramm umgesetzt.
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Betrachtet wird ein Nachheizbetrieb (Reheat III), bei dem das Kältemittel ausgehend von dem Verdichter 12 über das geöffnete Absperrventil A3 zum Heizregister 26 (Heizkondensator bzw. Heizgaskühler) strömt. Das Absperrventil A1 ist geschlossen und das Kältemittel strömt über das Expansionsventil AE4 zum äußeren Wärmeübertrager 18. Danach passiert das Kältemittel hochdruckseitig den inneren Wärmeübertrager 20 und gelangt über das geöffnete Expansionsventil AE3 und das Expansionsventil AE2 zum Verdampfer 22. Von dort gelangt das Kältemittel über den Kältemittelsammler 24 und den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 wieder zum Verdichter 12. Bei diesem Nachheizbetrieb wird also (zunächst) der gesamte Massenstrom von Kältemittel vom Kältemittelverdichter 12 über das geöffnete Sekundärstrangventil A3 in den Sekundärstrang 16 geleitet.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Nachheizverfahren 500 erfolgt im Betrieb nach dem Start (S501) der Kälteanlage 10 zu einem hier nicht näher bezeichneten Zeitpunkt ein Übergang in einen Nachheizbetrieb, der hier mit Reheat III (S502) bezeichnet ist. Eine mögliche Bedingung, die erfüllt sein muss, um den Nachheizbetrieb (S502) zu starten, kann beispielsweise die gemessene Umgebungstemperatur sein. Das hier vorgestellte Nachheizverfahren kann insbesondere aktiviert werden, wenn die Umgebungstemperatur bis zu 25°C. beträgt, insbesondere von etwa 10°C bis 25°C beträgt.
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Gemäß dem Betriebsverfahren 500 wird bei geöffnetem Sekundärstrangventil A3 (S502a: A3 op) in einem Schritt S503 ein Heißgastemperaturwert THGist mittels der Sensoreinrichtung 36 erfasst bzw. bestimmt bzw. abgeschätzt. In Schritt S504 wird der Heißgastemperaturwert THGist verglichen mit einem Heißgastemperatursollwert THGsoll. Der Heißgastemperatursollwert kann auch als Heißgastemperaturschwellwert oder Heißgastemperaturgrenzwert bezeichnet werden. Bei dem Vergleich kann in S504 beispielsweise eine Heißgastemperaturdifferenz THGdiff bestimmt werden, wobei die Heißgastemperatur berechnet wird gemäß THGdiff = THGsoll - THGist.
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Wenn THGdiff = 0 entspricht der Heißgastemperaturwert THGist dem Heißgastemperatursollwert THGsoll. Ist THGdiff kleiner als Null (THGdiff < 0), ist der Heißgastemperaturwert THGist größer als der Heißgastemperatursollwert THGsoll. Ist THGdiff größer als Null (THGdiff > 0) ist der Heißgastemperaturwert THGist kleiner als der Heißgastemperatursollwert THGsoll.
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In Schritt S505 wird überprüft, ob THGdiff kleiner als Null („0“) ist, also ob THGist größer als THGsoll ist. Falls dies zutreffend ist erfolgt gemäß Schritt S506 ein zumindest teilweises Öffnen bzw. ein inkrementelles Öffnen des Primärstrangventils A4.
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Wenn die Bedingung in S505 nicht zutrifft, wird in Schritt S507 überprüft, ob THGdiff größer als Null („0“) ist, also ob THGist kleiner als THGsoll ist. Falls dies zutreffend ist, erfolgt gemäß Schritt S508 ein zumindest teilweises Schließen bzw. ein inkrementelles Schließen des Primärstrangventils A4.
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Wenn die Bedingungen in S505 und S507 nicht zutreffen, wird in Schritt S509 überprüft, ob THGdiff gleich Null („0“) ist. In einem solchen Fall wird die aktuelle (Öffnungs-)Stellung des Primärstrangventils A4 gemäß Schritt S510 beibehalten bzw. konstant gehalten, was durch die beiden gegenläufigen Pfeile illustriert ist. Dabei ist zu beachten, dass die Stellung des Primärstrangventils A4 zumindest in engen Bereichen auch etwas variiert werden kann, so dass die aktuelle (Öffnungs-)Stellung im Wesentlichen bzw. in engen Grenzen beibehalten wird.
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Das Öffnen bzw. Schließen des Primärstrangventils A4 ist in den Figuren durch die nach oben bzw. nach unten gerichteten Pfeile illustriert. Wird das Primärstrangventil A4 in S506 geöffnet, erfolgt in Schritt S511 eine Überprüfung, ob das Primärstrangventil A4 bereits vollständig (100%) geöffnet ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in S503 erneut die Heißgastemperatur THGist erfasst bzw. bestimmt. Ist das Primärstrangventil A4 vollständig (100%) geöffnet, wird in einen anderen bzw. veränderten Betriebsmodus der Kälteanlage verzweigt, was hier rein exemplarisch mit dem Schritt S512 MOD x gekennzeichnet ist.
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Wird das Primärstrangventil A4 in S508 geschlossen, erfolgt in Schritt S513 eine Überprüfung, ob das Primärstrangventil A4 bereits vollständig (0%) geschlossen ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in S503 erneut die Heißgastemperatur THGist erfasst bzw. bestimmt. Ist das Primärstrangventil A4 vollständig (0%) geschlossen, wird in einen anderen bzw. veränderten Betriebsmodus der Kälteanlage verzweigt, was hier rein exemplarisch mit dem Schritt S512 MOD x gekennzeichnet ist.
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Der Schritt S512 (MOD x) kann dabei einen anderen Nachheiz- bzw. Reheat-Betriebsmodus repräsentieren oder auch ein Verfahren zum Umschalten von dem einen Betriebsmodus (hier Reheat III) in einen anderen Betriebsmodus, wie beispielsweise AC. Wenn THGist > THGsoll dann kann bei bei vollständig geöffnetem Primärstrangventil A4 (S514) in einem weiteren Schritt S515 das Sekundärstrangventil A3 insbesondere kontinuierlich geschlossen werden. In Schritt S516 wird dann überprüft, ob das Sekundärstrangventil A3 vollständig geschlossen ist. Ist diese nicht der Fall wird erneut zu S514 verzweigt. Falls das Sekundärstrangventil A3 vollständig geschlossen ist, ist eine Umstellung in den AC-Betrieb (S517) erfolgt.
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Ein schrittweises Schließen des Sekundärstrangventils A3 erfolgt so lange die Bedingung THGist > THGsoll erfüllt ist (S518). Gilt THGist = THGsoll (S519), so kann A3 im Wesentlichen unverändert bleiben (S520). Wenn THGist < THGsoll eintritt (S521), kann A3 ebenso schrittweise wieder geöffnet werden (S522).
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Ein bei sich schließendem Sekundärstrangventil A3 unter Umständen auftretender Verlust im Nachheizpotenzial kann durch Zusatzheizer 30 (1) kompensiert werden. Ist das Sekundärstrangventil A3 vollständig geschlossen (Endstellung) wird der gesamte Kältemittelmassenstrom über das geöffnete Primärstrangventil A4 und den äußeren Wärmeübertrager 18 geleitet, was dann gleichbedeutend ist mit einer AC-Verschaltung. Insoweit können die Verfahrensschritte S514-S517 unter der Bedingung von A4=100% auch als Ausstieg bzw. Beendigung des Verfahrens Reheat III angesehen werden.
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Sollten die oben beschriebenen Maßnahmen bzw. Änderungen der Ventileinstellungen von A4 und /oder A3 zur Begrenzung bzw. Einstellung der THGist unterhalb oder auf THGsoll alleine nicht zum gewünschten Ergebnis führen, kann weiter über die Abregelung des Kältemittelverdichters 12 und damit Leistungsreduktion über Volumenstrombeeinflussung die Einhaltung von THGsoll erreicht werden, was im Diagramm der 2 jedoch nicht näher dargestellt ist..
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019133488 [0003]
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