DE102020127300A1

DE102020127300A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage im Wärmepumpenbetrieb mit Abluftwärmenutzung, Kälteanlage und Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage

Info

Publication number: DE102020127300A1
Application number: DE102020127300.2A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeder; Christian Rebinger; Helmut Rottenkolber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren (500) zum Betreiben einer Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst: einen Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einen Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, der im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) angeordnetes Primärstrangventil (A4); ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager angeordnetes Sekundärstrangventil (A3); ein stromaufwärts von dem Verdampfer angeordnetes erstes Expansionsventil (AE2) und ein stromabwärts von dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsventil (AE5); wobei der Verdampfer (22) Teil eines Klimageräts (32) für die Konditionierung von Innenraumluft für ein Kraftfahrzeug ist. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte: Einstellen des ersten Expansionsventils (AE2) und des zweiten Expansionsventils (AE5) so dass der Verdampfer (22) bei einer Verdampfertemperatur von mehr als 0°C auf einem Niederdruckniveau oder einem Zwischendruckniveau betrieben wird, und Zuführen von aus dem Innenraum stammender Umluft (UL) zu dem Verdampfer (22), so dass der Verdampfer (22) mit reiner Umluft (UL) oder einem Gemisch aus Umluft (UL) und Frischluft (FL) beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.
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; wenigstens 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 wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, angeordnetes Sekundärstrangventil.
Eine Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise DE 10 2015 112 123 A1 bekannt. Bei dieser Kälteanlage wird Wärme aus der Abluft bzw. Umluft genutzt und am Verdampfer genutzt. Ein ähnliches Konzept zeigt die DE 10 2009 048 674 A1 . Ferner wird noch auf die DE 10 2014 110 360 A1 hingewiesen.
Bei dem hier betrachteten Verfahren liegt das Augenmerk auf dem Wärmepumpenbetrieb der Kälteanlage, d.h. einem Betriebszustand, in dem eine Erwärmung oder/und Entfeuchtung von Innenraumzuluft erfolgt.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Verfahren anzugeben, bei dem der Energieverbrauch optimiert ist und insbesondere auch der Verbrauch von elektrischer Energie verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird also ein Verfahren 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;
wenigstens 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 Sekundärstrangventi I;
ein stromaufwärts von dem Verdampfer angeordnetes erstes Expansionsventil und ein stromabwärts von dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsventil; wobei der Verdampfer Teil eines Klimageräts für die Konditionierung von Innenraumluft für ein Kraftfahrzeug ist.
Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:

Einstellen eines Wärmepumpenbetriebs, bei dem das Kältemittel vom Kältemittelverdichter in den Sekundärstrang geleitet wird;
Einstellen des ersten Expansionsventils und des zweiten Expansionsventils so dass der Verdampfer bei einer Verdampfertemperatur von mehr als 0°C auf einem Niederdruckniveau oder einem Zwischendruckniveau betrieben wird, und
Zuführen von aus dem Innenraum stammender Umluft zu dem Verdampfer, so dass der Verdampfer mit reiner Umluft oder einem Gemisch aus Umluft und Frischluft beaufschlagt wird.

Durch ein solches Verfahren kann mittels einfacher Einstellung der dem Verdampfer zugeordneten Expansionsventile ein gewünschtes Druckniveau eingestellt werden, insbesondere ein Zwischendruckniveau. Dies hat den Vorteil, dass ein ausreichendes Verdampfen von Kältemittel erreicht wird, wobei die durch den Verdampfer entfeuchtete Luft, bzw. das Gemisch aus Frischluft und Umluft, weniger stark abgekühlt wird, so dass die nachfolgende Erwärmung mittels des Heizregisters schneller bzw. optimiert erfolgen kann. Weiter zeichnet sich diese Maßnahme dahingehend aus, dass die in dem Luftstrom gebundene Feuchte auskondensieren kann und somit trockene Luft in die Kabine strömt, was wiederum die Gefahr von Scheibenbeschlag vermindern bzw. ausschließen kann.
Bei dem Verfahren kann der Verdampfer zum Kühlen oder/und Entfeuchten der Umluft oder/und Frischluft eingesetzt werden, wenn die Innenraumtemperatur im Kraftfahrzeug größer als 0°C beträgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass dem Verdampfer nicht zu kalte Umluft zugeführt wird, so dass ein Vereisen des Verdampfers verhindert werden kann. Mit anderen Worten, kann das Aufheizen eines sehr stark ausgekühlten Kraftfahrzeugs zunächst mittels anderer Wärme abgebender Komponenten der Kälteanlage bzw. des Klimageräts erfolgen, beispielsweise mit elektrischen Zusatzheizern.
Bei dem Verfahren kann der Verdampfer zum Kühlen oder/und Entfeuchten der Umluft oder/und Frischluft eingesetzt werden, wenn das Ansaugtemperaturniveau vor dem Verdampfer größer als 0°C ist, insbesondere bei wenigstens 5°C liegt. Somit kann zusätzlich oder alternativ zu der Überwachung des Innenraumtemperaturniveaus, insbesondere für den Mischbetrieb aus Umluft und Frischluft berücksichtigt werden, dass das Ansaugtemperaturniveau vor Verdampfer regelmäßig, insbesondere auch deutlich über 0°C liegt. Das Ansaugtemperaturniveau kann beispielsweise mittels eines en im Ansaugbereich vor dem Verdampfer angeordneten Temperatursensor überwacht werden. Hierdurch kann insbesondere der Zuschaltzeitpunkt bzw. die aktive Einbindung des Verdampfers in den Wärmepumpen- bzw. Reheat-Betrieb gesteuert werden. Alternativ kann eine solche Temperatur bzw. das Ansaugtemperaturniveau auch simulationsgestützt bzw. über ein mathematisches Modell rechnerisch abgeleitet und damit berechnet oder abgeschätzt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von den Umluft- bzw. Frischluftmengen, von Klappenstellungen sowie von jeweiligen Ansaugtemperaturniveaus. Bei einem Anlagenbetrieb unterhalb einer Ansaugtemperatur von 0°C ist der Verdampfer inaktiv, nicht von Kältemittel durchströmt und das stromaufwärts des Verdampfers positionierte Expansionsorgan bleibt geschlossen.
Bei dem Verfahren kann ein strömungstechnisch parallel zu dem Verdampfer angeordneter Chiller gleichzeitig betrieben werden. Der Chiller entzieht dabei üblicherweise Abwärme von elektrischen Hochvoltkomponenten und gibt diese Abwärme an den Kältemittelkreislauf ab.
Bei dem Verfahren können der Verdampfer und der Chiller auf unterschiedlichen Drucklagen betrieben werden, insbesondere kann der Chiller auf Niederdruckniveau und der Verdampfer auf höherem Zwischendruckniveau betrieben werden. Hierdurch wird ermöglicht, dass aufgrund des niedrigen Drucks im Chiller eine Kühlung für die Hochvoltkomponenten des Kraftfahrzeugs erreicht wird, wohingegen das Zwischendruckniveau am Verdampfer ein verbesserte insbesondere hinsichtlich des Energieverbrauchs optimierte Erwärmung von Luft, insbesondere von Umluft oder dem Gemisch aus Umluft und Frischluft für die Konditionierung von Innenraumzuluft ermöglicht wird.
Bei dem Verfahren kann das Zuführen von reiner Umluft oder von einem Gemisch aus Umluft und Frischluft alternierend ausgeführt werden. Hierdurch kann die Luftgüte, insbesondere bei niedrigen Kohlendioxidanteilen, hoch gehalten werden.
Dabei kann das Umschalten von einer Zuführung von reiner Frischluft zu der Umluft oder die Erhöhung des Frischluftanteils an dem eingestellten Gemisch aus Umluft und Frischluft (auch Teilumluftbetrieb genannt) oder umgekehrt in Abhängigkeit von einem im Innenraum gemessenen Luftqualität oder Kohlendioxidgehalt oder/und von festgelegten Zeitabschnitten oder/und von einer erfassten Anzahl an Insassen durchgeführt werden.
Vorgeschlagen wird auch 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; wenigstens 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;
ein stromaufwärts von dem Verdampfer angeordnetes erstes Expansionsventil und ein stromabwärts von dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsventil; wobei der Verdampfer Teil eines Klimageräts für die Konditionierung von Innenraumluft für ein Kraftfahrzeug ist.

Dabei ist vorgesehen, dass die Kälteanlage, insbesondere das Klimagerät, eine Umluftzuführung aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Innenraum stammende Umluft zu dem Verdampfer zu leiten, so dass der Verdampfer von reiner Umluft oder einem Gemisch aus Umluft und Frischluft beaufschlagt ist.
Bei der Kälteanlage kann in dem Verdampferstrang zwischen den beiden Expansionsorganen, bevorzugt jedoch stromabwärts von dem Verdampfer eine Sensoreinrichtung, insbesondere ein Druck-/Temperatursensor angeordnet sein.
Weiter kann bei der Kälteanlage strömungstechnisch parallel zu dem Verdampfer wenigstens ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet sein, insbesondere ein Chiller.
Für einen Wärmepumpenbetrieb besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit den im Kälteanlagenprozess als direkte oder indirekte Wärmequelle arbeitenden Wärmeübertrager jetzt als direkte oder indirekte Wärmesenke zu nutzen und damit einen Luft-Wärmepumpenprozess zu realisieren.
Die Kälteanlage kann eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, kann eine oben beschriebene Kälteanlage aufweisen, wobei in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs wenigstens eine Ansaugöffnung für Innenraumluft vorhanden ist, die strömungstechnisch mit der Umluftzuführung des Klimageräts verbunden ist. Bei einem Elektrofahrzeug kann der effiziente Betrieb der Kälteanlage zu Stromeinsparungen führen, so dass hierdurch eine größere Reichweite des Elektrofahrzeugs erzielt werden kann.
Bei dem Kraftfahrzeug kann in dem Innenraum wenigstens ein Kohlendioxid-Innenraumsensor oder/und wenigstens eine Insassendetektionsvorrichtung angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, Parameter zu erfassen, die für die Beurteilung der Luftgüte im Innenraum berücksichtigt werden können, insbesondere auch um zu bestimmten, ob reine Umluft oder ein Gemisch aus Umluft und Frischluft beim Verdampfer anliegen soll bzw. kann bzw. ob bei einem Teilumluftbetrieb gezielt die Frischluftanteile zu steigern sind.
Das hier vorgestellte Verfahren und die Kälteanlage ermöglichen also eine Wärmerückgewinnung aus der Innenraumluft (Umluft) des Kraftfahrzeugs.
Dabei kann die Kälteanlage einen im Wesentlichen unveränderten Aufbau aufweisen, ohne dass beispielsweise zusätzliche Wärmeübertrager in Abluftkanälen für die Innenraumluft vorgesehen werden müssen.
Es wird darauf hingewiesen, dass es hierzu auch in Betracht gezogen werden kann, dass die Kabinen internen Luftkanäle für eine Luftzufuhr sowie für eine Luftrückführung zum Klimagerät so ausgelegt sind, dass eine Unterstützung des hier beschriebenen Verfahrens und der Funktion der Kälteanlage ermöglicht ist, auch wenn die Luftführungen an sich im Rahmen dieser Anmeldung von untergeordneter Bedeutung sind.
Das Verfahren und die Kälteanlage können insbesondere beim raschen Aufheizen eines Kraftfahrzeugs entsprechenden eingesetzt bzw. betrieben werden, so dass eine energieeffiziente und dynamischere Erwärmung im Wärmepumpenmodus möglich ist. Das Verfahren bzw. die Kälteanlage kann jedoch auch bei einem sogenannten erweiterten AC-Betrieb (Kühlbetrieb) eingesetzt werden, wenn der Innenraum (Kabine) des Kraftfahrzeugs bereits warm ist, die Umgebung aber kalt. In einem solchen Fall kann ein sogenannter Nachheiz-Betrieb (Reheat) bei Minusgraden in der Umgebung durchgeführt werden.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass die dem Verdampfer zugeführt Umluft insbesondere zu Fahrtbeginn 100% betragen kann bzw. das Gemisch aus Umluft und Frischluft vorteilhaft ein Verhältnis von etwa 70% bis 95% Umluft zu 30% bis 5% Frischlauft aufweist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass im Innenraum ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Ferner kann das Durchströmen des Innenraums bzw. der Kabine verbessert werden, weil jeder Innenraum eines Kraftfahrzeugs auch über wenigstens einen Abluftkanal in einem hinteren Fahrzeugbereich verfügt, wo Innenraumluft aus dem Kraftfahrzeug in die Umgebung austreten kann. Wie bereits oben ausgeführt kann die Bestimmung der Schaltzeitpunkte über verschiedene Kriterien festgelegt werden, wie bspw. einen Kohlendioxid-Innenraumsensor, in festgelegten Zeitabschnitten mit oder ohne einer Abhängigkeit der Anzahl an Insassen. Alternativ wird von Beginn an oder verzögert ein Mindestanteil an Frischluft festgelegt, der in seinem Betrag wiederum veränderlich umgesetzt werden kann.
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 Verfahrens insbesondere mittels der in 1 beschriebenen Kälteanlage.

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.
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.
Stromabwärts des Verdichters 12 ist ein Absperrventil A4 angeordnet. Stromaufwärts des Verdampfers 22 ist ein Expansionsventil AE2 vorgesehen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Kälteanlage 10 kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
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.
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.
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.
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 FL 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.
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 FL 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.
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.
Bei einem Nachheiz- bzw.- Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom FL 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 FL mittels des Heizregisters 26 vollständig oder zumindest teilweise wieder erwärmt werden.
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.
In der 100%-Position wird der gesamte den Verdampfer 22 durchströmende Zuluftstrom FL 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 FL im Bypass um das Heizregister 26 ohne Erwärmung und damit ohne Wärmeaufnahme in den Fahrgastraum.
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 FL 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 FL wird dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt. Beispielhaft zeigt eine 50 %-Position an, dass die Temperaturklappen 34R und 34L nur halb, also 50 % geöffnet sind.
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.
Das Klimagerät 32 ist dazu eingerichtet, konditionierte Innenraumluft KL zu einem Innenraum 40 des Kraftfahrzeugs zu leiten. Dies ist durch die beiden geschwungenen Pfeile KL vereinfacht illustriert. Es ist klar, dass hierzu im Klimagerät 32 oder im Innenraum 40 des Kraftfahrzeugs mit dem Klimagerät 32 verbundene Kanäle vorgesehen sind, durch welche die konditionierte Luft KL zu entsprechenden Ausströmdüsen gefördert werden kann.
Das Klimagerät weist wenigstens eine dem Innenraum 40 zugeordnete Öffnung 42 auf, mittels der Innenraumluft aus dem Innenraum 40 abgesogen werden kann. Die Öffnung 42 kann mittels eines Umluftkanals mit dem Klimagerät 32 verbunden sein. Das Klimagerät 32 ist so eingerichtet bzw. aufgebaut, dass aus dem Innenraum 40 zugeführte Umluft UL dem Verdampfer 22 zugeführt wird. Der Verdampfer kann daher mit Umluft UL oder/und Frischluft FL bzw. aus einem Gemisch aus Umluft UL und Frischluft FL beaufschlagt werden. Dabei zu beachten ist auch das Ansaugtemperaturniveau vor Verdampfer 22, das gemäß einer Ausführungsform mit einem Temperatursensor zu überwachen ist, um auf diese Weise den Zuschaltzeitpunkt bzw. die aktive Einbindung des Verdampfers 22 in den Wärmepumpen bzw. Reheat-Prozess steuern zu können.
Stromabwärts von dem Verdampfer ist ein Expansionsventil AE5 vorgesehen. Diesbezüglich wird darauf hingewiesen, dass beim Vorhandensein des Expansionsventils AE5 das in 1 gezeigte Rückschlagventil R1 entfällt. Somit sind dem Verdampfer 22 das stromaufwärtige Expansionsventil AE2 und das stromabwärtige Expansionsventil AE5 zugeordnet. Hierdurch kann der Verdampfer 22 auf einem Zwischendruckniveau betrieben werden. Das Zwischendruckniveau stellt sich insbesondere zwischen den Expansionsventilen AE2 und AE5 ein. Stromabwärts von dem Expansionsventil AE5 stellt sich ein Niederdruckniveau ein. Das Niederdruckniveau stromabwärts von dem Expansionsventil AE5 ist im Wesentliches das gleiche Niederdruckniveau, auf das der Chiller 28 mittels des Expansionsventils AE1 eingestellt ist.
In dem stromabwärts angeordnete Leitungsabschnitt zwischen Expansionsventil AE2 und Expansionsventil AE5 insbesondere jedoch zwischen Verdampfer 22 und Expansionsventil AE5 kann eine Sensoreinrichtung, insbesondere ein Druck- oder ein Druck-/Temperatursensor pT6 angeordnet sein, um das einzustellende Druckniveau, insbesondere das Zwischendruckniveau passend einstellen zu können.
Gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren 500 erfolgt im Betrieb nach dem Start (S501) der Kälteanlage 10 zu einem hier nicht näher bezeichneten Zeitpunkt ein Übergang in einen Heiz- bzw. Wärmepumpenbetrieb (S502). Üblicherweise kann der Übergang zu S502 von einer gemessenen Außentemperatur abhängig sein. Beispielsweise kann der Betrieb gemäß S502 eingestellt werden bei Temperaturen unterhalb von 10°C, insbesondere 5°C oder weniger.
Gemäß S502 wird also der Wärmepumpenbetrieb so eingestellt, dass das Kältemittel vom Kältemittelverdichter 12 in den Sekundärstrang 16 geleitet wird. Danach passiert das Kältemittel den als Wärmequelle wirkenden Wärmeübertrager, insbesondere das Heizregister 26.
Stromabwärts von dem Heizregister 26 werden gemäß Schritt S503 das erste Expansionsventil AE2 und das zweiten Expansionsventil AE5 so eingestellt, dass der Verdampfer 22 bei einer Verdampfertemperatur von mehr als 0°C auf einem Niederdruckniveau oder einem Zwischendruckniveau betrieben wird, wobei aber auch das Ansaugtemperaturniveau des Luftstrom mit bspw. 5°C sich bereits in einem Temperaturbereich > 0°C bewegt.
Dabei wird gemäß einem Schritt S504 entweder zu 100% aus dem Innenraum 40 stammende Umluft zu dem Verdampfer 22 geführt, oder der Verdampfer 22 wird von einem Gemisch aus Umluft UL und Frischluft FL beaufschlagt. Das Mischungsverhältnis von Umluft UL zu Frischluft FL kann dabei beispielsweise etwa 70% bis 95% Umluft zu 30% bis 5% Frischluft FL betragen. Bei dem Verfahren kann also auch allgemein das Verhältnis von Umluft UL zu Frischluft FL in dem den Verdampfer 22 beaufschlagenden Luftgemisch eingestellt werden.
Gemäß einer Bedingung S505 wird das Verfahren ab Schritt S503 üblicherweise dann durchgeführt, also insbesondere der Verdampfer 22 zum Kühlen oder/und Entfeuchten der Umluft UL oder/und Frischluft FL eingesetzt, wenn die Innenraumtemperatur Tin im Kraftfahrzeug größer als 0°C beträgt.
Weiter kann berücksichtigt werden, dass am Verdampfer ein Ansaugtemperaturniveau eingestellt wird, das einen Kühl- und Entfeuchtungsbetrieb über den Verdampfer 22 erlaubt.
Gemäß einem Schritt S506 kann bei dem Verfahren 500 der strömungstechnisch parallel zu dem Verdampfer 22 angeordneter Chiller 28 gleichzeitig betrieben werden. Dabei können gemäß Schritt S507 der Verdampfer 22 und der Chiller 28 auf unterschiedlichen Drucklagen betrieben werden, insbesondere der Chiller 28 auf Niederdruckniveau und der Verdampfer 22 auf höherem Zwischendruckniveau.
Wie bereits oben erwähnt, ermöglichen das hier vorgestellte Verfahren 500 und die Kälteanlage 10 eine Wärmerückgewinnung aus der Innenraumluft (Umluft) UL des Kraftfahrzeugs ohne diese ungenutzt bzw. warm an die Umgebung abzugeben, wie es in einem reinen Frischluftbetrieb über die im Fahrzeug vorgesehenen Abluftkanäle der Fall ist. Dabei kann die Kälteanlage 10 einen im Wesentlichen unveränderten Aufbau aufweisen, ohne dass beispielsweise zusätzliche Wärmeübertrager in Abluftkanälen für die Innenraumluft vorgesehen werden müssen. Das Verfahren 500 und die Kälteanlage 10 können insbesondere beim raschen Aufheizen eines Kraftfahrzeugs entsprechenden eingesetzt bzw. betrieben werden, so dass eine energieeffiziente Erwärmung im Wärmepumpenmodus möglich ist. Das Verfahren 500 bzw. die Kälteanlage 10 kann jedoch auch bei einem sogenannten erweiterten AC-Betrieb (Kühlbetrieb) eingesetzt werden, wenn der Innenraum (Kabine) 40 des Kraftfahrzeugs bereits warm ist, die Umgebung aber kalt. In einem solchen Fall kann ein sogenannter Nachheiz-Betrieb (Reheat) bei Minusgraden in der Umgebung durchgeführt werden, wobei das Verfahren 500 berücksichtigt bzw. eingesetzt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015112123 A1 [0003]
DE 102009048674 A1 [0003]
DE 102014110360 A1 [0003]

Claims

Verfahren (500) zum Betreiben einer Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst: einen Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einen Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister (26), der im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) angeordnetes Primärstrangventil (A4); ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister (26), angeordnetes Sekundärstrangventil (A3); ein stromaufwärts von dem Verdampfer angeordnetes erstes Expansionsventil (AE2) und ein stromabwärts von dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsventil (AE5); wobei der Verdampfer (22) Teil eines Klimageräts (32) für die Konditionierung von Innenraumluft für ein Kraftfahrzeug ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Einstellen (S502) eines Wärmepumpenbetriebs, bei dem das Kältemittel vom Kältemittelverdichter (12) in den Sekundärstrang (16) geleitet wird; Einstellen (S503) des ersten Expansionsventils (AE2) und des zweiten Expansionsventils (AE5) so dass der Verdampfer (22) bei einer Verdampfertemperatur von mehr als 0°C auf einem Niederdruckniveau oder einem Zwischendruckniveau betrieben wird, und Zuführen (S504) von aus dem Innenraum stammender Umluft (UL) zu dem Verdampfer (22), so dass der Verdampfer (22) mit reiner Umluft (UL) oder einem Gemisch aus Umluft (UL) und Frischluft (FL) beaufschlagt wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei der Verdampfer (22) zum Kühlen oder/und Entfeuchten der Umluft oder/und Frischluft eingesetzt wird (S505), wenn die Innenraumtemperatur im Kraftfahrzeug größer als 0°C beträgt.
Verfahren (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdampfer (22) zum Kühlen oder/und Entfeuchten der Umluft oder/und Frischluft eingesetzt wird, wenn das Ansaugtemperaturniveau vor dem Verdampfer (22) größer als 0°C insbesondere bei wenigstens 5°C liegt.
Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein strömungstechnisch parallel zu dem Verdampfer (22) angeordneter Chiller (28) gleichzeitig betrieben wird (S506).
Verfahren (500) nach Anspruch 4, wobei der Verdampfer (22) und der Chiller (28) auf unterschiedlichen Drucklagen betrieben werden (S507), insbesondere der Chiller (28) auf Niederdruckniveau und der Verdampfer (22) auf höherem Zwischendruckniveau.
Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zuführen von reiner Umluft (UL) oder von einem Gemisch aus Umluft (UL) und Frischluft (FL) alternierend ausgeführt wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 6, wobei das Umschalten von Frischluft zu Umluft oder die Erhöhung des Frischluftanteils an dem eingestellten Gemisch aus Umluft und Frischluft oder umgekehrt in Abhängigkeit von einer im Innenraum gemessenen Luftqualität oder/und einem Kohlendioxidgehalt oder/und von festgelegten Zeitabschnitten oder/und von einer erfassten Anzahl an Insassen durchgeführt wird.
Kälteanlage (10) mit Wärmepumpenfunktion für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst: einen Kältemittelverdichter (12), der mit einem Primärstrang (14) und einem Sekundärstrang (16) verbindbar oder verbunden ist; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager (18), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; einen Verdampfer (22), der im Primärstrang (14) angeordnet ist; wenigstens einen weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister (26), der im Sekundärstrang (16) angeordnet ist; ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem äußeren Wärmeübertrager (18) angeordnetes Primärstrangventil (A4); ein zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem weiteren, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister (26), angeordnetes Sekundärstrangventil (A3); ein stromaufwärts von dem Verdampfer angeordnetes erstes Expansionsventil (AE2) und ein stromabwärts von dem Verdampfer angeordnetes zweites Expansionsventil (AE5); wobei der Verdampfer (22) Teil eines Klimageräts (32) für die Konditionierung von Innenraumluft für ein Kraftfahrzeug ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10), insbesondere das Klimagerät (32), eine Umluftzuführung (42) aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Innenraum (40) stammende Umluft (UL) zu dem Verdampfer (22) zu leiten, so dass der Verdampfer (22) von reiner Umluft oder einem Gemisch aus Umluft (UL) und Frischluft (FL) beaufschlagt ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von dem Verdampfer (22) eine Sensoreinrichtung (pT6), insbesondere ein Druck-/Temperatursensor angeordnet ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch parallel zu dem Verdampfer (22) wenigstens ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet ist, insbesondere ein Chiller (28).
Kraftfahrzeug, insbesondere zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Kälteanlage (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in einem Innenraum (40) des Kraftfahrzeugs wenigstens eine Ansaugöffnung (42) für Innenraumluft vorhanden ist, die strömungstechnisch mit der Umluftzuführung (UL) des Klimageräts (32) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, wobei in dem Innenraum wenigstens ein Kohlendioxid-Innenraumsensor oder/und wenigstens eine Insassendetektionsvorrichtung angeordnet ist.