DE102021000482A1 - Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung (1) für ein Fahrzeug mit einem Kältekreislauf (2) mit einem ersten Kreislaufteil (3), umfassend einen Ejektor (4), eine eingangsseitig mit einem Ejektorausgang (4.3) fluidisch gekoppelte Fördervorrichtung (5) zur Förderung eines Kältemediums (KM) und einen eingangsseitig fluidisch mit einem Fördervorrichtungsausgang (5.1) gekoppelten Kondensator (6), mit einem zweiten Kreislaufteil (7), umfassend eine eingangsseitig fluidisch mit einem Kondensatorausgang (6.1) gekoppelte erste Drosselvorrichtung (8) und einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang (8.1) der ersten Drosselvorrichtung (8) und ausgangsseitig mit einer Ejektortreibseite (4.1) gekoppelten ersten Verdampfer (9), und mit einem fluidisch parallel zu dem zweiten Kreislaufteil (7) geschalteten dritten Kreislaufteil (13), umfassend eine eingangsseitig fluidisch mit dem Kondensatorausgang (6.1) gekoppelte zweite Drosselvorrichtung (14) und einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang (14.1) der zweiten Drosselvorrichtung (14) und ausgangsseitig mit einer Ejektorsaugseite (4.2) gekoppelten zweiten Verdampfer (15). Erfindungsgemäß ist der Kältekreislauf (2) mittels des ersten Verdampfers (9) thermisch mit einem ersten Temperiermedium (TM1) und mittels des zweiten Verdampfers (15) thermisch mit einem von dem ersten Temperiermedium (TM1) unterschiedlichen zweiten Temperiermedium (TM2) gekoppelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die US 2017/0045269 A1 beschreibt einen Ejektor-Kühlkreislauf für ein Fahrzeug mit einem ersten Kreislaufteil, umfassend
    • - einen Ejektor,
    • - eine eingangsseitig mit einem Ejektorausgang fluidisch gekoppelte Fördervorrichtung zur Förderung eines Kühlfluids und
    • - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Fördervorrichtungsausgang gekoppelten Kühler,
    einem zweiten Kreislaufteil, umfassend
    • - eine eingangsseitig fluidisch mit einem Kühlerausgang gekoppelte erste Drosselvorrichtung und
    • - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang der ersten Drosselvorrichtung und ausgangsseitig mit einer Ejektortreibseite gekoppelten ersten Verdampfer, und
    einem fluidisch parallel zu dem zweiten Kreislaufteil geschalteten dritten Kreislaufteil, umfassend
    • - eine eingangsseitig fluidisch mit dem Kühlerausgang gekoppelte zweite Drosselvorrichtung
    • - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang der zweiten Drosselvorrichtung und ausgangsseitig mit einer Ejektorsaugseite gekoppelten zweiten Verdampfer.
    Weiterhin umfasst der Ejektor-Kühlkreislauf einen integrierten Wärmetauscher.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug umfasst einen Kältekreislauf. Der Kältekreislauf umfasst einen ersten Kreislaufteil mit einem Ejektor, einer eingangsseitig mit einem Ejektorausgang fluidisch gekoppelten Fördervorrichtung zur Förderung eines Kältemediums und einem eingangsseitig fluidisch mit einem Fördervorrichtungsausgang gekoppelten Kondensator. Der Kältekreislauf umfasst weiterhin einen zweiten Kreislaufteil mit einer eingangsseitig fluidisch mit einem Kondensatorausgang gekoppelten ersten Drosselvorrichtung und einem eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang der ersten Drosselvorrichtung und ausgangsseitig mit einer Ejektortreibseite gekoppelten ersten Verdampfer zur Verdampfung des Kältemediums. Zusätzlich umfasst der Kältekreislauf einen fluidisch parallel zu dem zweiten Kreislaufteil geschalteten dritten Kreislaufteil mit einer eingangsseitig fluidisch mit dem Kondensatorausgang gekoppelten zweiten Drosselvorrichtung und einem eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang der zweiten Drosselvorrichtung und ausgangsseitig mit einer Ejektorsaugseite gekoppelten zweiten Verdampfer zur Verdampfung des Kältemediums.
  • Erfindungsgemäß ist der Kältekreislauf mittels des ersten Verdampfers thermisch mit einem ersten Temperiermedium und mittels des zweiten Verdampfers thermisch mit einem von dem ersten Temperiermedium unterschiedlichen zweiten Temperiermedium gekoppelt.
  • Im Kältekreislauf der Temperiervorrichtung sind beide Verdampfer parallel verschaltet und miteinander gekoppelt. Auf ihrer Medienseite, das heißt der jeweiligen Seite zum Temperieren eines Temperiermediums, nehmen sie jedoch Wärme von unterschiedlichen Komponenten auf. Der Einsatz des Ejektors ermöglicht dabei eine Implementierung unterschiedlicher Verdampfungsdruckniveaus in den Verdampfern. Aus einem höheren Saugdruck der Fördervorrichtung, beispielsweise eines elektrischen Kältemittelverdichters, resultieren eine größere Saugdichte des Kältemediums und damit ein gesteigerter Fördermassenstrom der Fördervorrichtung. Durch den höheren Fördermassenstrom steigt eine Kälteleistung des Kältekreislaufs an oder die Leistungsaufnahme zumindest des ersten Verdampfers kann für eine konstant bleibende Kälteleistung reduziert werden.
  • Mit dem Ejektor kann somit der erste Verdampfer, welcher beispielsweise ein Chiller ist, auf höherem Temperaturniveau betrieben werden. Es findet durch den Ejektor eine Vorverdichtung statt und das Saugdruckniveau vor der Fördervorrichtung wird angehoben. Dadurch muss die Fördervorrichtung weniger Druckdifferenz bereitstellen und kann bei gleicher Leistungsaufnahme mehr Kälteleistung bereitstellen. Durch die beiden Druckniveaus werden optimale Bedingungen für die jeweiligen Komponenten erzielt, da der erste Verdampfer auf einem anderen Temperaturniveau als der zweite Verdampfer betrieben werden kann. Drosselverluste werden durch das höhere Druckniveau des ersten Verdampfers reduziert und die Wärme wird als Antriebsleistung im Ejektor zur Vorverdichtung umgesetzt.
  • Aufgrund dieser Ausbildung des Kältekreislaufs ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten für diesen, da Komponenten abgestimmt auf ihre jeweiligen Temperatur- und Druckniveaus arbeiten können. Der Ejektor kann diese Druckniveaus durch seine Auslegung implementieren und zeitgleich den Wirkungsgrad der Temperiervorrichtung, auch als Leistungszahl (englisch Coefficient of Performance, kurz: COP) bezeichnet, durch die Energienutzung bzw. -rückgewinnung verbessern. Der Ejektor kann hier statisch und somit sehr kosteneffizient oder als variabler Ejektor ausgeführt sein. Ein variabler Ejektor bietet den Vorteil einer optimalen Anpassung an verschiedene Operationsbereiche, so dass eine Steigerung des Wirkungsgrads in einem sehr breiten Anwendungsbereich möglich ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 schematisch ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug und
    • 2 schematisch ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Schaltbild eines möglichen ersten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, dargestellt.
  • Der Kältekreislauf 2 umfasst einen ersten Kreislaufteil 3 mit einem Ejektor 4 mit einer Ejektortreibseite 4.1, einer Ejektorsaugseite 4.2 und einem Ejektorausgang 4.3. In dem ersten Kreislaufteil 3 ist eine beispielsweise als elektrischer Kältemittelverdichter ausgebildete Fördervorrichtung 5 zur Förderung eines Kältemediums KM eingangsseitig mit dem Ejektorausgang 4.3 fluidisch gekoppelt. Weiterhin ist ein Kondensator 6, auch als Verflüssiger bezeichnet, zur Verflüssigung des Kältemediums KM eingangsseitig fluidisch mit einem Fördervorrichtungsausgang 5.1 gekoppelt.
  • Der Kältekreislauf 2 umfasst weiterhin einen zweiten Kreislaufteil 7, umfassend eine eingangsseitig fluidisch mit einem Kondensatorausgang 6.1 gekoppelte erste Drosselvorrichtung 8, beispielsweise ein Expansionsventil, und einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang 8.1 der ersten Drosselvorrichtung 8 und ausgangsseitig mit der Ejektortreibseite 4.1 gekoppelten ersten Verdampfer 9 zur Verdampfung des Kältemediums KM. Der erste Verdampfer 9 ist beispielsweise ein so genannter Chiller und thermisch mit einem Temperierkreislauf 10 einer Hochvolt-Batterie 11 gekoppelt, in welchem ein erstes Temperiermedium TM1 von einer Fördervorrichtung 12 gefördert und mittels des ersten Verdampfers 9 gekühlt wird. Das erste Temperiermedium TM1 ist beispielsweise ein unter Normaldruck und bei Zimmertemperatur flüssiges Medium.
  • Ferner umfasst der Kältekreislauf 2 einen fluidisch parallel zu dem zweiten Kreislaufteil 7 geschalteten dritten Kreislaufteil 13, umfassend eine eingangsseitig fluidisch mit dem Kondensatorausgang 6.1 gekoppelte zweite Drosselvorrichtung 14, beispielsweise ein Expansionsventil, und einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang 14.1 der zweiten Drosselvorrichtung 14 und ausgangsseitig mit der Ejektorsaugseite 4.2 gekoppelten zweiten Verdampfer 15 zur Verdampfung des Kältemediums KM. Der zweite Verdampfer 15 ist beispielsweise ein so genannter Innenraumverdampfer des Fahrzeugs und zur Kühlung von einem in einem Fahrzeuginnenraum befindlichen zweiten Temperiermedium TM2, insbesondere Luft, mit dem zweiten Temperiermedium TM2 beaufschlagbar.
  • Im dargestellten Kältekreislauf 2 wird somit die Hochvolt-Batterie 11 bei hohem Kühlbedarf über den Kältekreislauf 2 mittels des parallel zum als Innenraumverdampfer ausgebildeten zweiten Verdampfer 15 geschalteten ersten Verdampfers 9 gekühlt.
  • Ein Verdampfungsdruck und damit eine Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer 9 können aufgrund der höheren Temperaturen der Hochvolt-Batterie 11 höher liegen als im zweiten Verdampfer 15. Aufgrund der Verwendung des Ejektors 4 sind die beiden Verdampfungsdrücke in besonders vorteilhafter Weise systemisch voneinander entkoppelt und werden somit nicht von der niedrigen Verdampfungstemperatur im zweiten Verdampfer 15 bestimmt. Ein Saugdruck der Fördervorrichtung 5, welcher ein Fördervolumen derselben beeinflusst, ist damit ebenfalls nicht durch diese Verdampfungstemperatur fixiert.
  • Das heißt, der Ejektor 4 sorgt für einen reduzierten Drosselverlust und eine Energierückgewinnung zur Vorverdichtung des Kältemediums KM vor der Fördervorrichtung 5. Ein reduzierter Drosselverlust ergibt sich durch die Implementierung eines höheren Verdampfungsdrucks, welcher gleichzeitig ein optimiertes Temperaturniveau für den beispielsweise als Chiller ausgebildeten ersten Verdampfer 9 darstellt. Die aufgenommene Wärme aus dem ersten Verdampfer 9 wird im Ejektor 4 als Antriebsleistung umgesetzt, so dass eine Förderung des Kältemediums KM aus dem Niederdruck über den zweiten Verdampfer 15 stattfindet. Gleichzeitig gewinnt der Ejektor 4 Druck zurück, so dass das Kältemediums KM vor Eintritt in die Fördervorrichtung 5 vorverdichtet wird. Der Ejektor 4 ermöglicht vor allem bei Betriebspunkten mit hoher Kühlanforderung des ersten Verdampfers 9 auf Mitteldruckniveau, das heißt auf der Ejektortreibseite 4.1, des Kältekreislaufs 2 eine zweistufige Verdichtung des Kältemediums KM vom zweiten Verdampfer 15 bis hin zum Kondensator 6. Durch das reduzierte Druckverhältnis über die Fördervorrichtung 5 wird der Wirkungsgrad des Kältekreislaufs 2 gesteigert.
  • 2 zeigt ein Schaltbild eines möglichen zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
  • Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperiervorrichtung 1 zusätzlich einen integrierten Wärmetauscher 16. Dabei ist zwischen dem Kondensator 6 und dem ersten Verdampfer 9 eine Wärmeaufnahmeseite 16.1 zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemedium KM thermisch mit dem Kältekreislauf 2 gekoppelt. Weiterhin ist zwischen dem Ejektorausgang 4.3 und der Fördervorrichtung 5 eine Wärmeabgabeseite 16.2 zur Abgabe von Wärme an das Kältemedium KM thermisch mit dem Kältekreislauf 2 gekoppelt.
  • Der integrierte Wärmetauscher 16 ermöglicht somit eine weitere Unterkühlung des Kältemediums KM nach dem Kondensator 6 und gleichzeitig eine sichere Überhitzung des Kältemediums KM vor der Fördervorrichtung 5.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Temperiervorrichtung
    2
    Kältekreislauf
    3
    erster Kreislaufteil
    4
    Ejektor
    4.1
    Ejektortreibseite
    4.2
    Ejektorsaugseite
    4.3
    Ejektorausgang
    5
    Fördervorrichtung
    5.1
    Fördervorrichtungsausgang
    6
    Kondensator
    6.1
    Kondensatorausgang
    7
    zweiter Kreislaufteil
    8
    erste Drosselvorrichtung
    8.1
    Ausgang
    9
    erster Verdampfer
    10
    Temperierkreislauf
    11
    Hochvolt-Batterie
    12
    Fördervorrichtung
    13
    dritter Kreislaufteil
    14
    zweite Drosselvorrichtung
    14.1
    Ausgang
    15
    zweiter Verdampfer
    16
    integrierter Wärmetauscher
    16.1
    Wärmeaufnahmeseite
    16.2
    Wärmeabgabeseite
    KM
    Kältemedium
    TM1
    erstes Temperiermedium
    TM2
    zweites Temperiermedium
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0045269 A1 [0002]

Claims (5)

  1. Temperiervorrichtung (1) für ein Fahrzeug mit einem Kältekreislauf (2) mit einem ersten Kreislaufteil (3), umfassend - einen Ejektor (4), - eine eingangsseitig mit einem Ejektorausgang (4.3) fluidisch gekoppelte Fördervorrichtung (5) zur Förderung eines Kältemediums (KM) und - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Fördervorrichtungsausgang (5.1) gekoppelten Kondensator (6), einem zweiten Kreislaufteil (7), umfassend - eine eingangsseitig fluidisch mit einem Kondensatorausgang (6.1) gekoppelte erste Drosselvorrichtung (8) und - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang (8.1) der ersten Drosselvorrichtung (8) und ausgangsseitig mit einer Ejektortreibseite (4.1) gekoppelten ersten Verdampfer (9) zur Verdampfung des Kältemediums (KM), und einem fluidisch parallel zu dem zweiten Kreislaufteil (7) geschalteten dritten Kreislaufteil (13), umfassend - eine eingangsseitig fluidisch mit dem Kondensatorausgang (6.1) gekoppelte zweite Drosselvorrichtung (14) und - einen eingangsseitig fluidisch mit einem Ausgang (14.1) der zweiten Drosselvorrichtung (14) und ausgangsseitig mit einer Ejektorsaugseite (4.2) gekoppelten zweiten Verdampfer (15) zur Verdampfung des Kältemediums (KM), dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (2) - mittels des ersten Verdampfers (9) thermisch mit einem ersten Temperiermedium (TM1) und - mittels des zweiten Verdampfers (15) thermisch mit einem von dem ersten Temperiermedium (TM1) unterschiedlichen zweiten Temperiermedium (TM2) gekoppelt ist.
  2. Temperiervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperiermedium (TM1) in einem Temperierkreislauf (10) einer Hochvolt-Batterie (11) geführt ist.
  3. Temperiervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Temperiermedium (TM2) Luft eines Fahrzeuginnenraums ist.
  4. Temperiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (9) ein Chiller ist.
  5. Temperiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Wärmetauscher (16) vorgesehen ist, wobei - zwischen dem Kondensator (6) und dem ersten Verdampfer (9) eine Wärmeaufnahmeseite (16.1) des integrierten Wärmetauschers (16) zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemedium (KM) thermisch mit dem Kältekreislauf (2) gekoppelt ist und - zwischen dem Ejektorausgang (4.3) und der Fördervorrichtung (5) eine Wärmeabgabeseite (16.2) des integrierten Wärmetauschers (16) zur Abgabe von Wärme an das Kältemedium (KM) thermisch mit dem Kältekreislauf (2) gekoppelt ist.
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