DE102022100918A1 - Aktive Füllmengensteuerung von Kfz-Kältemittelsystemen - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Kältemittelsystem eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Betrieb des Kältemittelsystems, das einen das Kältemittel verdichtenden Kompressor und einen Vorratstank für das Kältemittel aufweist, das ohne Antrieb des Kompressors direkt aus dem Vorratstank expandiert wird.

Description

• Effizienzsteigerungen in Klimaanlagen tragen erheblich zur Reduktion von Abgasemissionen bzw. zur Erhöhung der Reichweite von Fahrzeugen bei. Eine Möglichkeit dies zu erreichen ist die Klimaanlage immer im optimalen Betriebspunkt zu betrieben. Dafür ist es notwendig, die Kältemittelmenge im aktiven System dem Bedarf während des Betriebs anzupassen.
• Aufgabe der Erfindung:
1. 1. Ab Systemstart soll möglichst sofort eine Kälteleistung einsetzen. Durch eine aktive Steuerung der Füllmenge, nach dem Stand der Technik, kann die optimale Füllmenge zügig eingestellt werden und es erhöht sich die Effizienz des Systems. Es ist allerdings zu beachten, dass die Regelung des Systems auf die optimale Füllmenge immer noch eine Zeitdifferenz bis zur maximalen Kälteleistung/Effizienz aufweist. Die Erfindung ermöglicht durch einen zusätzlichen Betriebsmodus die maximale Kälteleistung ab Systemstart ohne zeitliche Verzögerung.
2. 2. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch die Batteriekapazität stark begrenzt. Es muss daher jede Funktion des Fahrzeugs energieeffizient gestaltet werde. Die Innenraumkonditionierung über Kältemittelsysteme zählt zu den größten Energieverbrauchern und soll durch diese Erfindung noch wesentlich effizienter gestaltet werden. Für den Betrieb mit Kältemittelverdichter kann die Füllmengensteuerung des System stets im optimalen Betriebspunkt halten. Es wird trotzdem eine erhebliche Energiemenge benötigt. Ohne Zufuhr der elektrischen Energie für den Kältemittelverdichter ist es möglich die Reichweite eines Elektrofahrzeugs stark zu erhöhen. Daher wird eine Methode dargestellt, welche auf den Kältemittelverdichter verzichten kann und somit quasi keine Energie des Fahrzeugs benötigt um den Innenraum zu konditionieren. Nach dem Stand der Technik ist kein System mit aktiver Füllmengensteuerung vorhanden, welches nebenbei diese Funktion aufweist.
3. 3. Die Patente nach dem Stand der Technik beschreiben nur Systeme, welche die optimale Füllmenge während des Betriebs einstellen können und nicht vorher. Es werden immer Betriebsparameter wie der z.B. der System COP ( US 2015/ 0 267 951 A1 ), die Unterkühlung am Kondensator/Gaskühler ( DE 10 2014 203 578 A1 , DE 10 2011 118 162 C5 , US 2015/ 0 267 951 A1 ) oder die Überhitzung am Verdampfer ( CN 111336710 A ) benötigt und mit einem festgelegten Wert verglichen um die optimale Füllmenge zu bestimmen. Eine weiterer Möglichkeit den Startvorgang gegenüber dem Stand der Technik zu beschleunigen ist die optimale Füllmenge vor Systemstart zu ermitteln und einzustellen.
4. 4. Es wird in jedem bekannten Patent ein Kältemittelsystem beschrieben, welches zu speziellen Topologien passt ( DE 10 2011 118 162 C5 ) oder besondere Anforderungen an den Bauraum oder weiterhin benötigte Komponenten stellt ( DE 10 2014 203 578 A1 ). Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, jedes beliebige Kältemittelsystem mit einer aktiven Füllmengensteuerung auszustatten.
5. 5. Kältemittelflussrichtung oder Leitungsdruck bestimmen die Funktionsweise der angeschlossenen Leitung des Vorratstanks, ob diese Kältemittel Ein- oder Auslagern kann. Nach dem Stand der Technik werden an verschiedenen Stellen Kältemittel Zu- bzw. Abflussleitungen eingebaut. ( CN 111336710 A ) Diese sind dann allerdings für eine Systemtopologie festgelegt oder können nicht verschiedene Betriebsmodi (Klimaanlage oder Wärmepumpe) abbilden. Es sind somit nach dem Stand der Technik nur unflexible Systeme bekannt, welche nicht auf andere Kältemittelsysteme übertragen werden können. Die hier vorliegende Erfindung löst das Problem, indem die Einbindung des Vorratstanks wie in den 1 bis 5 ausgeführt wird und eine entsprechende Steuerung der Expansionsventile vorhanden ist.
6. 6. Bestehende Vorratsbehälter für eine aktive Füllmengensteuerung, wie in den aufgeführten Patenten beschrieben, können keine Feuchtigkeit aus dem Kältemittelkreislauf ziehen.
7. 7. Ohne einen Filter im Kältemittelsystem können kleine Partikel, welche sich im Betrieb von verschiedenen Bauteilen ablösen, nicht entfernt werden.
• Stand der Technik:
• CN 111336710 A
• Nur Ein- bzw. Auslagern von gasförmigen Kältemittel möglich (da Anschluss des Vorratsbehälters vor und nach dem Kompressor festgelegt ist), d.h. das Speichervolumen wird nicht effizient genutzt.
• Im Wärmepumpenmodus sind deutliche Effizienzverluste des Systems zu erwarten, da weniger Kältemittel als im Klimaanlagenmodus benötigt wird. Das überschüssige Kältemittel wird nach dem Kompressor entfernt, so dass thermische Energie im Vorratstank „verloren“ geht und nicht zum Heizen des Systems genutzt werden kann.
• Regelung der optimalen Füllmenge durch Messen der Überhitzung am Verdampfer. Folglich kann nur im Betrieb optimale Füllmenge bestimmt werden und nicht vor Systemstart.
• Kompressor wird immer für den Betrieb benötigt. Folglich ist keine Funktion zum Expandieren von Kältemittel aus dem Vorratstank in den Verdampfer und anschließendes Entlassen des Kältemittels.
• DE 10 2014 203 578 A1
• Nur für einfache Kältemittelsysteme mit einem Betriebsmodus (Klimaanlage oder Wärmepumpe) ausgelegt, d.h. nicht für Einsatz im Pkw geeignet.
• Ermitteln der optimalen Füllmenge nur im Betrieb durch Messen der Unterkühlung am Kondensator und Vergleichen mit einem Sollwert möglich. Folglich kann nur im Betrieb optimale Füllmenge bestimmt werden und nicht vor Systemstart.
• Verwendung der Kältemittel R134a, R245fa, R400a, R410. Nicht geeignet für zuverlässige Wärmepumpenfunktion und hoher GWP-Faktor.
• Kompressor wird immer für den Betrieb benötigt, d.h. keine Funktion zum Expandieren von Kältemittel aus dem Vorratstank in den Verdampfer und anschließendes Entlassen des Kältemittels vorhanden.
• DE 10 2011 118 162 C5
• Funktionalität des Kältemittelsystems ist an gesamte Topologie gebunden, da Wärmetauscher als Speicherelemente genutzt werden. Folglich ist Anpassung in andere vorhandene System nicht möglich, da gesamte Systemfunktionen überarbeitet werden müssen.
• Ermitteln der optimalen Füllmenge nur im Betrieb durch Messen der Unterkühlung am Kondensator und Vergleichen mit einem Sollwert möglich. Folglich kann nur im Betrieb optimale Füllmenge bestimmt werden und nicht vor Systemstart
• Verwendung der Kältemittel R134a und R1234y, d.h. nicht geeignet für zuverlässige Wärmepumpenfunktion und hoher GWP-Faktor.
• Kompressor wird immer für den Betrieb benötigt, d.h. es ist keine Funktion zum Expandieren von Kältemittel aus dem Vorratstank in den Verdampfer und anschließendes Entlassen des Kältemittels vorhanden.
• US 2020/ 0 025 396 A1
• Vorratstank ist parallel zu Wärmetauscher und Expansionsventil geschaltet, welcher je nach Betriebsmodus zwischen Kondensator oder Verdampfer wechselt. Daher: Für die in dem Patent vorgeschlagene Systemtopologie geeignet, aber z.B. für VW e-Golf nicht mehr geeignet.
• Kompressor wird immer für den Betrieb benötigt, d.h. es ist keine Funktion zum Expandieren von Kältemittel aus dem Vorratstank in den Verdampfer und anschließendes Entlassen des Kältemittels vorhanden.
• US 2015/ 0 267 951 A1
• Kältemittelsystem wie im Patent dargestellt nur für sehr einfache Topologien geeignet, d.h. Einsatz im Pkw ist mit diesem Kältemittelsystem nicht realisierbar.
• Nur eine Kältemittelleitung in den Vorratstank. Es kann folglich nicht sichergestellt werden in welchem Aggregatzustand das Kältemittel bei Verlassen des Vorratstank vorliegt.
• Ermitteln der optimalen Füllmenge nur im Betrieb durch Messen der Unterkühlung am Kondensator und Vergleichen mit einem Sollwert möglich oder Optimierung des COP/EER nach dem „trial an error“-Prinzip. Folglich kann nur im Betrieb optimale Füllmenge bestimmt werden und nicht vor Systemstart.
• Kompressor wird immer für den Betrieb benötigt, d.h. es ist keine Funktion zum Expandieren von Kältemittel aus dem Vorratstank in den Verdampfer und anschließendes Entlassen des Kältemittels vorhanden.
• DE 10 2018 212 749 A1 und CN 111546852 A Herkömmliche Vorratsbehälter für Kältemittelsysteme ohne aktive Füllmengensteuerung.
• Eine sofort einsetzende Kälteleistung wird in der hier dargestellten Erfindung erreicht, indem das Kältemittel direkt aus dem Vorratstank expandiert wird. In allen bisher bekannten Patenten verdichtet der Kompressor das Kältemittel auf den benötigten Hochdruck. Danach kann das Kältemittel durch das Expansionsventil expandiert werden und die gewünschte Kühlleistung setzt ein. Da der Vorratstank bereits das Kältemittel im Hochdruck speichert, muss der Kompressor nicht mehr angetrieben werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung. Um diesen Betriebszustand möglichst lange aufrecht halten zu können, muss einerseits der Vorratstank ein hohes Speichervolumen aufweisen und andererseits ein Ablassventil im System vorhanden sein. Das Ablassventil entlässt das expandierte Kältemittel in die Umgebung. Da das Kältemittel R744 nicht giftig, nicht brennbar und einen GWP-Faktor von 1 aufweist ist dieser Prozess auch aus Umweltaspekten problemlos realisierbar. Es kann durch eine einfache Rechnung gezeigt werden, dass eine Kühlleistung von 2,3 kW über 60 min gehalten werden kann. Diese Kühlleistungen werden im Sommer bei über 36°C benötigt. Somit kann der energieschonende Betriebsmodus lange gehalten werden und ist eine deutliche Reichweitensteigerung bei Elektrofahrzeugen zu erzielen. Es ist dabei allerdings entscheidend, dass das Kältemittel unter einem hohen Druck und bei einer möglichst geringen Temperatur vorliegt. Dies kann durch den Aufbaue, wie in 18 dargestellt, erreicht werden. Der Vorratstank soll mit einer inneren druckfesten und einer äußeren wärmedämmenden Membran ausgeführt sein. Der Zwischenraum ist dabei luftleer und somit wärmeisolierend. Damit kann eine niedrige Temperatur und ein hoher Druck des Kältemittels realisiert werden. Im Wärmepumpenmodus ist dieser Aufbau des Vorratstank ebenfalls vorteilhaft, da die Wärmeenergie, welche im Kältemittel gespeichert ist, nicht so stark an die Umgebung abgegeben wird. Durch einen Anschluss zum Nachfüllen am Vorratstank ist es außerdem problemlos möglich das entlassene Kältemittel wieder aufzufüllen. Durch eine entsprechende Steuerung kann sichergestellt werden, dass im Vorratstank immer eine bestimmte Menge an Kältemittel verbleibt, da dies für den normalen Betrieb mit Kältemittelverdichter benötigt wird um Schwankungen der optimalen Füllmenge auszugleichen. Das System kann ebenfalls mit Kompressor wie ein „normales“ Kältemittelsystem nach dem Stand der Technik funktionieren und schließt dabei die Vorteile einer aktiven Füllmengensteuerung mit ein.
  zu 3.
• Die optimale Kältemittelfüllmenge ist vorteilhafterweise nach theoretischen Modellen zu bestimmen und kann vor Systemstart eingestellt werden. Es wird somit weniger Zeit benötigt, das System auf den optimalen Betriebspunkt einzustellen. Der Komfort für den Fahrgast und die Effizienz des Systems werden hierdurch erhöht. Es wird zur Umsetzung eine Messeinrichtung im Vorratstank benötigt, um die aktuelle Kältemittelfüllmenge in diesem zu bestimmen. So können Rückschlüsse auf die aktuelle Kältemittelmasse im System getroffen werden, wenn die ursprüngliche Füllmenge bekannt ist. Es gilt: $$m_{Sys}=m_{ges}-m_{Tank}$$

  
• Die Kältemittelmasse im System m_Sys setzt sich aus der Differenz der gesamten Kältemittelmasse m_ges von der Kältemittelmasse im Vorratstank m_Tank zusammen. Methoden zur theoretischen Bestimmung der optimalen Kältemittelfüllmenge werden z.B. in der wissenschaftlichen Literatur [Li, K.; Yu, J.; Liu, M.; Xu, D.; Su, L.; Fang, Y. A Study of Optimal Refrigerant Charge Amount Determination for Air-Conditioning Heat Pump System in Elec-tric Vehicles. Energies 2020, 13, 657.] und [Rémi Dickes, Olivier Dumont, Ludovic Guillaume, Sylvain Quoilin, Vincent Lemort, Charge-sensitive modelling of organic Rankine cycle power systems for off-design performance simulation, Applied Energy, Volume 212, 2018, Pages 1262-1281, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.01.004.] beschrieben. Wird festgestellt, dass vor Systemstart zu viel Kältemittel im System ist, kann dieses aus dem System über das Ablassventil entfernt werden. Ist zu wenig Kältemittel im Kreislauf, kann über den Vorratstank das benötigte Kältemittel in des System verlagert werden.
  zu 4.
• Das vorgestellte Lösungskonzept kann als eigenes Untersystem beliebig im vorhandenen Kältemittelsystem platziert werden. Es werden somit keine Anforderungen an die Topologie eines Kältemittelkreislaufs gestellt. Die Erfindung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass nicht genau festgelegt ist wie viel Bauteile benötigt werden. Erst bei der Einbindung in ein spezielles Kältemittelsystem ergibt sich, welche Bauteile benötigt werden. Für den Vorratsbehälter an sich sind die Bauteile allerdings immer festgelegt. Diese können aus 1 entnommen werden. Für das gesamte System der aktiven Füllmengensteuerung lassen sich folgende benötigten Komponenten zusammenfassen:
• - Vorratsbehälter für aktive Füllmengensteuerung mit zwei Leitungen
• - Je ein Absperrventil pro Leitung und Verbindung der beiden Leitungen
• - Anbindung der Leitung an aktiven Kältemittelkreislauf mit zwei Expansionsventilen links und rechts neben dem Anschluss
• - Ablassventil vor Kompressor
• - Mehrere Absperrventile im gesamten Kältemittelkreislauf (abhängig von System)
• Es ist dabei nur der letzte Punkt von der Systemtopologie abhängig. Mit zunehmender Komplexität des Kältemittelsystems nimmt die Anzahl der benötigten Absperrventilen zu. Die Erfindung zeichnet sich somit einerseits durch den speziellen Aufbau des Vorratstanks und den Funktionen und andererseits durch die allgemeine Anpassungsfähigkeit in beliebige Kältemittelsysteme aus. Um auch in Kältemittelsystemen zu funktionieren, welche die Flussrichtung umkehren, z.B. um zwischen Klimaanlage und Wärmepumpe zu wechseln, ist das o.g. Problem unter Aufgabe der Erfindung Punkt 5 zu beachten.
  zu 5.
• Durch das vorteilhafte Schalten der Expansionsventile kann die Anschlussleitung des Vorratsbehälters beliebig auf die Hoch- oder Niederdruckseite verlagert werden. So kann Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Druck im Behälterinnenraum und eingestellten Leitungsdruck das Kältemittel durch Öffnen der entsprechenden Absperrventile beliebig verlagert werden. (Siehe 2 bis 5)
• In den Beispieltopologien für den VW e-Golf und Audi A8 ist die Einstellung des variablen Drucks zwischen den zwei Expansionsventilen des aktiven Vorratsbehälters mit schraffiert gemusterten Pfeilen dargestellt. Im Betrieb wird je nachdem ob Kältemittel eingelagert oder ausgelagert werden soll der Leitungsdruck im Abschnitt zwischen den zwei Expansionsventilen erhöht oder verringert. Genauere Beschreibungen siehe Funktionsablauf.
  zu 6.
• In dem hier dargestellten Vorratstank ist ein Trockenmittel eingebaut, welches aus dem Kältemittelkreislauf Feuchtigkeit entziehen kann. Dadurch werden zusätzliche Elemente, wie z.B. Trockner, überflüssig. Das Trockenmittel kann an den Innenwänden des Vorratstanks platziert werden.
  zu 7.
• Vorteilhafterweise wird ein Filter in dem Vorratstank eingebaut. Damit können kleine Partikel gefiltert werden und es erhöht sich die Lebensdauer des gesamten Systems aufgrund von geringerem Verschleiß. Es kann an den Zuleitungen zum Vorratstank ein entsprechendes Filtersieb angebracht werden.
• Bezug auf dargestellte Patente:
• CN 111336710 A
• Durch die Zwei Expansionsventile vor und nach dem Anschluss für den Vorratstank kann der Druck in den Kältemittelleitungen beliebig eingestellt werden. Außerdem soll der Vorratstank immer nach dem Kondensator/Gaskühler in dem Kältemittelkreislauf eingebracht sein. Somit kann sichergestellt werden, dass nur flüssiges Kältemittel unter hohem Druck in den Vorratstank eingelagert werden kann (siehe 2). Der Vorgang um Kältemittel einzulagern kann folgendermaßen beschrieben werden:
• EV1 ist vollständig geöffnet und expandiert kein Kältemittel. Der Anschluss des Vorratstanks ist im flüssigen HD-Bereich. Durch Öffnen von AV1 kann das flüssige Kältemittel in den Vorratstank verlagert werden. AV2 ist geschlossen, da dieser Anschluss für gasförmiges Kältemittel vorgesehen ist. Der weitere Kältemittelfluss, welcher nicht in den Vorratstank gelangt, kann am EV2 in den ND-Bereich expandiert werden.
• Wie zuvor beschrieben erfolgt das Auslagern von Kältemittel nach dem Kondensator/Gaskühler. Daher hat das Kältemittel bereits den Großteil seiner thermischen Energie abgegeben und die benötigte Heizleistung erbracht. Das Einlagern des Kältemittels ist daher mit keinen Effizienzverlusten verbunden. Weiterhin ist der Vorratsbehälter nach Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. wärmedämmend ausgeführt, weshalb damit die möglichen Energieverluste weiter minimiert werden können.
• Die optimale Füllmenge kann bei dem vorgestellten Lösungskonzept auch im Betrieb durch bekannte Methoden bestimmt werden. Es ist allerdings auch möglich vor Systemstart die optimale Füllmenge einzustellen, wie Lösung der Aufgabe, zu 3. beschrieben wird. Dafür ist der Aufbau mit Ablassventil, wie in Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. beschrieben, notwendig.
• Es wird eine Methode unter Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. dargestellt, welche einen Betrieb ohne Kältemittelverdichter ermöglicht. Das Kältemittel kann aus einem Vorratsbehälter mit vorteilhafterweise hohem Speichervolumen expandiert werden und in die Umgebung entlassen werden. So kann über einen langen Zeitraum (abhängig von den Umgebungstemperaturen) ein sehr geräuschloser und hoch energieeffizienter Betriebszustand gehalten werden.
• DE 10 2014 203 578 A1
• Das hier dargestellte Lösungskonzept kann in beliebig komplexe Kältemittelsysteme eingefügt werden (Lösung der Aufgabe, zu 4.). Beispiele können den Figuren der Kältemittelsysteme für den VW e-Golf oder dem Audi A8 entnommen werden.
• Die optimale Füllmenge kann bei dem vorgestellten Lösungskonzept auch im Betrieb durch bekannte Methoden bestimmt werden. Es ist allerdings auch möglich vor Systemstart die optimale Füllmenge einzustellen, wie in Lösung der Aufgabe, zu 3. beschrieben wird. Dafür ist der Aufbau mit Ablassventil, wie in Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. beschrieben, notwendig.
• Das Kältemittelsystem mit der aktiven Füllmengensteuerung nach dieser Erfindung soll mit dem Kältemittel R744 ausgestattet sein, da sich hiermit Vorteile hinsichtlich der Funktionalität eines Wärmepumpensystems und aus Umweltaspekten wegen des Ablassens von Kältemittel ergeben (siehe Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2.).
• Es wird eine Methode unter Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. dargestellt, welche einen Betrieb ohne Kältemittelverdichter ermöglicht. Das Kältemittel kann aus einem Vorratsbehälter mit vorteilhafterweise hohem Speichervolumen expandiert werden und in die Umgebung entlassen werden. So kann über einen langen Zeitraum (abhängig von den Umgebungstemperaturen) ein sehr geräuschloser und hoch energieeffizienter Betriebszustand gehalten werden.
• DE 10 2011 118 162 C5
• Wie unter Lösung der Aufgabe, zu 4. dargestellt ist es möglich die hier vorgeschlagenen Erfindung zur aktiven Füllmengensteuerung in beliebige Systeme mit zu integrieren.
• Die optimale Füllmenge kann bei dem vorgestellten Lösungskonzept auch im Betrieb durch bekannte Methoden bestimmt werden. Es ist allerdings auch möglich vor Systemstart die optimale Füllmenge einzustellen, wie in Lösung der Aufgabe, zu 3. beschrieben wird. Dafür ist der Aufbau mit Ablassventil, wie in Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. beschrieben, notwendig.
• Das Kältemittelsystem mit der aktiven Füllmengensteuerung nach dieser Erfindung soll mit dem Kältemittel R744 ausgestattet sein, da sich hiermit Vorteile hinsichtlich der Funktionalität eines Wärmepumpensystems und aus Umweltaspekten wegen des Ablassens von Kältemittel ergeben (siehe Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2.).
• Es wird eine Methode unter Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. dargestellt, welche einen Betrieb ohne Kältemittelverdichter ermöglicht. Das Kältemittel kann aus einem Vorratsbehälter mit vorteilhafterweise hohem Speichervolumen expandiert werden und in die Umgebung entlassen werden. So kann über einen langen Zeitraum (abhängig von den Umgebungstemperaturen) ein sehr geräuschloser und hoch energieeffizienter Betriebszustand gehalten werden.
• US 2020/0025396 A1
• Der Anschluss für den Vorratstank aus dieser Erfindung wird durch zwei Expansionsventile gesteuert. Diese sollten nicht parallel zu Wärmetauschern geschaltet sein, sondern nach dem Wärmetauscher, welcher als Kondensator/Gaskühler bzw. Verdampfer arbeiten kann bei HVAC Systemen oder nach dem Kondensator/Gaskühler bei AC Systemen. Weitere Beschreibungen sind in Lösung der Aufgabe, zu 4. und 5. zu finden.
• Es wird eine Methode unter Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. dargestellt, welche einen Betrieb ohne Kältemittelverdichter ermöglicht. Das Kältemittel kann aus einem Vorratsbehälter mit vorteilhafterweise hohem Speichervolumen expandiert werden und in die Umgebung entlassen werden. So kann über einen langen Zeitraum (abhängig von den Umgebungstemperaturen) ein sehr geräuschloser und hoch energieeffizienter Betriebszustand gehalten werden.
• US 2015/0267951 A1
• Das hier dargestellte Lösungskonzept kann in beliebig komplexe Kältemittelsysteme eingefügt werden (siehe Lösung der Aufgabe, zu 4.). Beispiele können den Figuren der Kältemittelsysteme für den VW e-Golf oder dem Audi A8 entnommen werden.
• In dem Vorratstank nach dieser Erfindung sind zwei Zuleitungen eingebaut, welche einzeln durch die Absperrventile gesteuert werden können. Eine Zuleitung mündet in dem unteren Bereich des Vorratsbehälter, wo sich flüssiges Kältemittel ansammelt. Die zweite Zuleitung mündet im oberen Bereich des Vorratsbehälters, wo sich gasförmiges Kältemittel ansammelt. Wird z.B. Kältemittel aus dem Vorratstank zum expandieren benötigt kann dieses aus der unteren Zuleitung entnommen werden, da so sichergestellt wird, dass nur flüssiges Kältemittel zum Expansionsventil gelangt (siehe 5).
• Die optimale Füllmenge kann bei dem vorgestellten Lösungskonzept auch im Betrieb durch bekannte Methoden bestimmt werden. Es ist allerdings auch möglich vor Systemstart die optimale Füllmenge einzustellen, wie in Lösung der Aufgabe, zu 3. beschrieben wird. Dafür ist der Aufbau mit Ablassventil, wie in Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. beschrieben, notwendig.
• Es wird eine Methode unter Lösung der Aufgabe, zu 1. und 2. dargestellt, welche einen Betrieb ohne Kältemittelverdichter ermöglicht. Das Kältemittel kann aus einem Vorratsbehälter mit vorteilhafterweise hohem Speichervolumen expandiert werden und in die Umgebung entlassen werden. So kann über einen langen Zeitraum (abhängig von den Umgebungstemperaturen) ein sehr geräuschloser und hoch energieeffizienter Betriebszustand gehalten werden.
• DE 10 2018 212 749 A1 und CN 111546852 A
• Die aktive Füllmengensteuerung nach dem Stand der Technik im allgemeinen und das hier vorgestellte Lösungskonzept im speziellen ermöglichen einen deutlich effizienteren Betrieb als Kältemittelsysteme mit herkömmlichen Speicherelementen.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Figuren mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:
• 1: System mit Beschriftung
• 2: Kältemittel einlagern
• 3: Kältemittel auslagern
• 4: Kältemittel einlagern während Abschaltzyklus
• 5: Kältemittel auslagern bei Systemstart
• 6: VW e-Golf original
• 7: VW e-Golf Heizmodus
• 8: VW e-Golf Heizmodus mit Kühlmittelkreislauf
• 9: VW e-Golf Kühlmodus
• 10: VW e-Golf Heizmodus mit IWT
• 11: VW e-Golf Heizmodus mit Kühlmittelkreislauf und IWT
• 12: VW e-Golf Kühlmodus mit IWT
• 13: VW e-Golf heizen mit Vorratstank
• 14: VW e-Golf kühlen mit Vorratstank
• 15: Audi A8 original
• 16: Audi A8 modifiziert
• 17: Audi A8 Betrieb ohne Kompressor
• 18: Vorratstank im wärmedämmenden Aufbau
• 19: technisches Datenblatt des Vorratstanks gemäß 18
• 1 zeigt eine mögliche Verschaltung des Vorratstanks mit dem Kältemittelsystem und mögliche Anordnung der Kältemittelleitungen am Vorratsbehälter.
• 2 zeigt den Funktionsablauf beim Einlagern des Kältemittels. EV1 ist vollständig geöffnet und expandiert kein Kältemittel. Der Anschluss des Vorratstanks ist im flüssigen HD-Bereich. Durch Öffnen von AV1 kann das flüssige Kältemittel in den Vorratstank verlagert werden. AV2 ist geschlossen, da dieser Anschluss für gasförmiges Kältemittel vorgesehen ist. Der weitere Kältemittelfluss, welcher nicht in den Vorratstank gelangt, kann am EV2 in den ND-Bereich expandiert werden.
• 3 zeigt den Funktionsablauf beim Auslagern des Kältemittels. EV1 expandiert den gesamten Kältemittelmassenstrom und der Anschluss des Vorratstanks liegt auf der ND-Seite. Das Kältemittel befindet sich im zweiphasigen Aggregatzustand. Aufgrund des erhöhten Drucks im Behälter kann das gasförmige Kältemittel aus dem Vorratstank in die Niederdruckleitung strömen und wird dem System als zusätzliche Kältemittelmasse zugeführt. Dazu ist AV1 geschlossen und AV2 geöffnet. Das Expansionsventil EV2 ist vollständig geöffnet, da das Kältemittel nicht mehr expandiert werden muss.
• 4: Soll das Kältemittelsystem abgeschaltet werden, kann der Kältemittelverdichter für eine gewisse Zeit t weiterlaufen und durch vorteilhaftes Schalten der Ventile möglichst viel Kältemittel im Vorratstank auf der HD-Seite gespeichert werden. Hierfür wird das Expansionsventil EV1 komplett geöffnet und das Expansionsventil EV2 geschlossen. Über das offene Absperrventil AV1 verlagert sich das Kältemittel, welches nun auf die HD-Seite gelangt, nicht mehr in den restlichen Kreislauf, sondern in den Vorratsbehälter. Bei erneutem Systemstart kann aus dem Vorratstank das Kältemittel expandiert werden, wie es in der nächsten 5 dargestellt ist. Hierdurch wird eine sofort einsetzende Kälteleistung erzielt.
• 5 zeigt den Funktionsablauf beim Startvorgang. Wird eine sofort einsetzende Kälteleistung bei Systemstart gefordert, um z.B. den Komfort zu erhöhen, kann das flüssige Kältemittel aus dem Vorratstank durch Öffnen des Absperrventils AV1 in den Kältemittelkreislauf eingebracht werden. Hier ist EV1 geschlossen und EV2 expandiert das freigesetzte Kältemittel in den Verdampfer. Hierdurch kann hier sofort Wärme aufgenommen werden und es erfolgt eine sofort einsetzende Kühlwirkung am Verdampfer.
• 6 zeigt eine Systemtopologie am Beispiel des VW e-Golf-original.
• Bei den folgenden Figuren werden die Absperrventile als volles schwarzes Dreieck dargestellt, wenn diese Kältemittel absperren. Einen schwarzen Rahmen und keine Füllung erhalten die Absperrventile wenn Kältemittel durchströmen kann.
• 7 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Heizmodus.
• 8 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Heizmodus mit Kühlmittelkreislauf.
• 9 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Kühlmodus.
• 10 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Heizmodus mit IWT.
• 11 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie mit Kühlmittelkreislauf und IWT.
• 12 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Kühlmodus mit IWT.
• 13 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Heizmodus mit Vorratstank.
• 14 zeigt eine gegenüber 6 modifizierte Systemtopologie im Kühlmodus mit Vorratstank.
• 15 zeigt die Systemtopologie des Audi A8 original.
• 16 zeigt eine gegenüber 15 modifizierte Systemtopologie.
• 17 zeigt eine gegenüber 15 modifizierte Systemtopologie im Betrieb ohne Kompressor.
• 18 zeigt einen Vorratstank im wärmedämmenden Aufbau
• Die beiden zuvor dargestellten Topologien der Klimaanlage eines Audi A8 und der Wärmepumpe eines VW e-Golf sollen als Beispiele dienen, wie das Untersystem des aktiven Vorratsbehälters eingebunden werden kann. Der aktive Vorratstank kann z.B. auch im VW ID3 oder anderen Fahrzeugen verwendet werden. Die Kältemittelflusspfeile zwischen den zwei Expansionsventilen des Vorratstanks sind schraffiert gemustert dargestellt, da durch das Schalten der Expansionsventile der Druckbereich geändert werden kann. Dies ist bereits ausführlich in den 2 bis 5 beschrieben. Außerdem wird beim VW e-Golf deutlich, dass sich die Kältemittelflussrichtung an der Anbindung des Vorratstanks mit Änderung des Betriebsmodus (kühlen/heizen) umdrehen kann.
• Wenn der Akkumulator komplett entfällt, wie es in den modifizierten Systemen zu sehen ist, erscheint es sinnvoll, einen inneren Wärmetauscher vor dem Kompressoreintritt zu platzieren. So kann sichergestellt werden, dass nur gasförmiges Kältemittel am Kompressor angesaugt wird. Allerdings wird besonders bei R744-Systemen bereits häufig ein innerer Wärmetauscher verwendet, da hierdurch die Effizienz des Kältemittelsystems erhöht werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Gasförmiges Kältemittel

2

Flüssiges Kältemittel

3

Anschluss im Flüssigkeitsbereich

4

Anschluss im Gasbereich

5

Absperrventil - Auslassventil

6

Expansionsventil - Einlassventil

7

Anschlussleitung restliches Kältemittelsystem

8

Kompressor

9

Akkumulator

10

Absperrventi

11

Heizkondensator

12

Außenwärmetauscher

13

Verdampfer / Kondensator

14

Expansionsventil

15

Chiller

16

Anschluss Kühlmittelkreislauf

17

Vorratstank

18

Innerer Wärmeübertrager

19

Ablassventil

20

Expansionsorgan

21

Verdampfer

22

Gaskühler

23

Druckbehälter

24

Isolationshülle

25

Filtersieb

26

Trockner

27

Rohr für oberen Bereich

28

Vakuumierter Zwischenraum

29

Rohr für unteren Bereich

30

Anschluss / Ventil zum nachfüllen

31

Befestigungslaschen

• 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 20150267951 A1 [0001, 0020, 0053]
• DE 102014203578 A1 [0001, 0007, 0040]
• DE 102011118162 C5 [0001, 0012, 0045]
• CN 111336710 A [0001, 0002, 0035]
• DE 102018212749 A1 [0025, 0058]
• CN 111546852 A [0025, 0058]
• US 20200025396 A1 [0050]

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kältemittelsystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kältemittelsystem einen das Kältemittel verdichtenden Kompressor und einen Vorratstank für das Kältemittel aufweist, das ohne Antrieb des Kompressors direkt aus dem Vorratstank expandiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optimale Kältemittelfüllmenge im Vorratstank nach theoretischen Modellen bestimmt und vor dem Systemstart eingestellt wird.
3. Kältemittelsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Vorratstank für Kältemittel, gekennzeichnet durch zwei Expansionsventile, zwischen denen der Vorratstank angeordnet ist.