WO2021089088A1

WO2021089088A1 - Device for generating electrical energy from waste heat and for conditioning air, and method for operating the device

Info

Publication number: WO2021089088A1
Application number: PCT/DE2020/100946
Authority: WO
Inventors: Benedikt Gregor Meyer
Original assignee: Technische Universität Dresden
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-05-14
Also published as: DE102019130215A1

Abstract

The invention relates to a device (1) for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air, in particular of a passenger area of a motor vehicle. The device (1) comprises a fluid circuit (2) having a compression/expansion device (3), a first heat exchanger (6) for transmitting heat from the working fluid to the environment, an expansion element (8), and a second heat exchanger (9) for conditioning the supply air (10), which are arranged within a primary circuit (2-1). The fluid circuit (2) is designed with a first flow path (2-2) having a delivery device (11) and a third heat exchanger (12) that can be operated as a evaporator of the working fluid. The flow path (2-2) extends from a branch point (14) formed between the first heat exchanger (6) and the expansion element (8) to a first connection point (15-1) formed between the compression/expansion device (3) and the first heat exchanger (6). In addition, the fluid circuit (2) comprises a second flow path (2-3) which extends from a second connection point (15-2) formed between the expansion element (8) and the second heat exchanger (9) to a third connection point (15-3) formed between the first connection point (15-1) and the first heat exchanger (6). The invention also relates to a method for operating the device (1).

Description

Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Luft sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung Device for generating electrical energy from waste heat and for conditioning air as well as method for operating the device

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Fluidkreislauf zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft, insbesondere eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs. Der Fluidkreislauf weist eine Kompressions-Expansions-Vorrichtung, einen ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. The invention relates to a device with a fluid circuit for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air, in particular a passenger compartment of a motor vehicle. The fluid circuit has a compression-expansion device, a first heat exchanger for transferring heat from the working fluid to the environment, an expansion element and a second heat exchanger for conditioning the supply air. The invention also relates to methods for operating the device.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb werden lediglich etwa 40 % der chemischen Energie aus dem Kraftstoff in mechanische Energie zum Antreiben des Motors umgesetzt, während lediglich ein erster Teil der etwa 60 % der chemischen Energie der Kraftstoffe als Abwärme zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt werden und ein zweiter Teil oder der gesamte Anteil der 60 % der chemischen Energie des Kraftstoffes ungenutzt in die Umgebung gelangen. Da die Verbrennungsmotoren einen sehr begrenzten Wirkungsgrad aufweisen, gibt es seit längerer Zeit Überlegungen, die Abwärme zu nutzen und zu verwerten. In motor vehicles with internal combustion engine drive known from the prior art, only about 40% of the chemical energy from the fuel is converted into mechanical energy to drive the engine, while only a first part of the about 60% of the chemical energy of the fuels is used as waste heat for heating the Supply air can be used for the passenger compartment and a second part or all of the 60% of the chemical energy in the fuel is released into the environment unused. Since the internal combustion engines have a very limited efficiency, there have been considerations for a long time to use and recycle the waste heat.

Um dem Abgasstrang einen Teil der Abwärme zu entziehen und die Wärme in mechanische Energie umzuwandeln, wird herkömmlich ein sogenannter organischer Dampfkraftprozess, auch als Organic Rankine Cycle, kurz als ORC oder ORC-Prozess bezeichnet, verwendet. Der ORC-Prozess stellt dabei ein Verfahren gemäß des Clausius-Rankine-Kreisprozesses und damit des Betriebes einer Dampfexpansionsvorrichtung, insbesondere einer Dampfturbine, mit einer organischen Flüssigkeit als Arbeitsfluid mit geringer Verdampfungstemperatur dar. In order to extract part of the waste heat from the exhaust system and convert the heat into mechanical energy, a so-called organic steam power process, also known as the Organic Rankine Cycle, or ORC or ORC process for short, is used. The ORC process represents a method according to the Clausius-Rankine cycle and thus the operation of a steam expansion device, in particular one Steam turbine, with an organic liquid as the working fluid with a low evaporation temperature.

Der Clausius-Rankine-Kreisprozess dient dabei als ein Vergleichsprozess für ein Dampfkraftwerk mit einer Expansionsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, einem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager, einer Fördervorrichtung in Form einer Pumpe, auch als Speisepumpe bezeichnet, und einem als Verdampfer mit Überhitzung des Arbeitsfluids betriebenen Wärmeübertrager dar. Dabei wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Das im geschlossenen Kreislauf zirkulierende Arbeitsfluid wird auf einem Flochdruckniveau durch Aufnahme von Wärme verdampft, unter Abgabe von mechanischer Energie auf ein Niederdruckniveau entspannt und unter Abgabe von Wärme auf dem Niederdruckniveau kondensiert. Um die im Vergleich zum dampfförmigen Arbeitsfluid ein sehr geringes Volumen aufweisende Flüssigkeit des Arbeitsfluids in den Verdampfer zu fördern, benötigt die Fördervorrichtung lediglich einen Bruchteil der Energie, welche beim Entspannen des durch die Überhitzung vergrößerten Dampfvolumens des Arbeitsfluids innerhalb einer Expansionsmaschine freigesetzt wird. The Rankine cycle serves as a comparison process for a steam power plant with an expansion machine, in particular a steam turbine, a heat exchanger operated as a condenser, a conveying device in the form of a pump, also referred to as a feed pump, and a heat exchanger operated as an evaporator with overheating of the working fluid Here, thermal energy is converted into mechanical energy. The working fluid circulating in the closed circuit is evaporated at a floch pressure level by absorbing heat, expanded to a low pressure level with the release of mechanical energy and condensed with the release of heat at the low pressure level. In order to convey the liquid of the working fluid, which has a very small volume compared to the vaporous working fluid, into the evaporator, the conveying device only requires a fraction of the energy that is released when the vapor volume of the working fluid, which has increased due to the overheating, is released inside an expansion machine.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Expansionsmaschine mit der Welle des Verbrennungsmotors mechanisch zu koppeln, um derart den Kraftstoffverbrauch zu senken und weniger Kohlendioxid und Stickoxide auszustoßen. Ein verbrennungsmotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist mit dem Motorkühlmittel, welches im Motorkühlmittelkreislauf zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum durch einen Heizwärmeübertrager zirkuliert, und dem Abgas zwei verfügbare Wärmequellen auf. Das Kühlmittel stellt als erste Wärmequelle die Wärme bei einer stabilen Temperatur von etwa 100°C zur Verfügung, während das Abgas als zweite Wärmequelle die Wärme bei Temperaturen von bis zu 900°C bereitstellt. It is known from the prior art to mechanically couple the expansion machine to the shaft of the internal combustion engine in order to reduce fuel consumption and emit less carbon dioxide and nitrogen oxides. A motor vehicle driven by an internal combustion engine has two available heat sources: the engine coolant, which circulates in the engine coolant circuit to heat the supply air for the passenger compartment through a heat exchanger, and the exhaust gas. As the first heat source, the coolant provides the heat at a stable temperature of around 100 ° C, while the exhaust gas, as a second heat source, provides the heat at temperatures of up to 900 ° C.

Aus der DE 102009028235 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nutzen von Abwärme aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine von Fahrzeugen mit einem Fluidkreislauf mit einer Kompressionsmaschine eines Klimatisierungssystems hervor. Beim Durchströmen der Kompressionsmaschine wird ein wärmebeladbares Arbeitsfluid verdichtet, welches beim Durchströmen eines als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers und unter Abgabe von Wärme an die Umgebung verflüssigt wird. In einem Betriebsmodus, in welchem keine Kühlung der Zuluft für den Fahrgastraum gewünscht ist, wird die Kompressionsmaschine als Expansionsmaschine betrieben. Die von der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Leistung wird an die Verbrennungskraftmaschine übertragen.DE 102009028235 A1 describes a device and a method for utilizing waste heat from the exhaust gas of an internal combustion engine of vehicles with a fluid circuit with a compression machine Air conditioning system. When flowing through the compression machine, a heat-chargeable working fluid is compressed, which is liquefied when flowing through a heat exchanger operated as a condenser and releasing heat to the environment. In an operating mode in which no cooling of the supply air for the passenger compartment is desired, the compression machine is operated as an expansion machine. The mechanical power generated by the expansion machine is transferred to the internal combustion engine.

Die Vorrichtung ist im Vergleich zum Fluidkreislauf des Klimatisierungssystems mit zusätzlichen Komponenten auszubilden, welche das Gewicht und die Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs erhöhen. Zudem sind die Temperaturen des Arbeitsfluids beim Betrieb der Abwärmenutzung sehr hoch, um in Verbindung mit einem herkömmlichen Klimatisierungssystem eingesetzt zu werden. Compared to the fluid circuit of the air conditioning system, the device is to be designed with additional components which increase the weight and the production costs of the motor vehicle. In addition, the temperatures of the working fluid when operating the waste heat utilization are very high in order to be used in connection with a conventional air conditioning system.

In der Druckschrift Cairano, Nader, Breque, Nemer: Assessing Fuel Consumption Reduction of Revercycle a Reversible Mobile Air Conditioning / Organic Rankine Cycle System. 5th International Seminar on ORC Power Systems, September 9 - 11, 2019, Athens wird ein kompakter, in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreibbarer Fluidkreislauf eines Klimatisierungssystems gezeigt, welcher zum einen im Modus einer mobilen Klimaanlage betrieben wird, wenn eine Kühlung der Zuluft des Fahrgastraums erforderlich ist. Zum anderen kann der Fluidkreislauf als ein ORC-Prozess betrieben werden, mit welchem aus der Abwärme eines Motorkühlsystems beziehungsweise des Motorkühlmittels mechanische Energie zurückgewonnen wird. Der Fluidkreislauf ist mit einer Scrollmaschine als Kompressions- Expansions-Maschine und einem als Kondensator des Arbeitsfluids betriebenen Wärmeübertrager ausgebildet, welche unabhängig vom Betriebsmodus mit Arbeitsfluid beaufschlagt werden. Die je nach Betriebsmodus als Kompressionsmaschine oder Expansionsmaschine betriebene Scrollmaschine ist mit der Welle des Verbrennungsmotors mechanisch gekoppelt. Der Betriebsmodus des Fluidkreislaufs wird durch Aktivieren und Deaktivieren von zwei Ventilen umgeschaltet. In the publication Cairano, Nader, Breque, Nemer: Assessing Fuel Consumption Reduction of Revercycle a Reversible Mobile Air Conditioning / Organic Rankine Cycle System. 5th International Seminar on ORC Power Systems, September 9-11, 2019, Athens, a compact fluid circuit of an air conditioning system that can be operated in two different operating modes will be shown, which is operated in the mode of a mobile air conditioning system when cooling the supply air of the passenger compartment is required . On the other hand, the fluid circuit can be operated as an ORC process with which mechanical energy is recovered from the waste heat from an engine cooling system or the engine coolant. The fluid circuit is designed with a scroll machine as a compression-expansion machine and a heat exchanger operated as a condenser for the working fluid, which are acted upon with working fluid regardless of the operating mode. The scroll machine, which is operated as a compression machine or an expansion machine depending on the operating mode, is mechanically coupled to the shaft of the internal combustion engine. The The operating mode of the fluid circuit is switched by activating and deactivating two valves.

Da die Drehrichtung der Kompressions-Expansions-Maschine beim Betrieb als Expansionsmaschine im Vergleich zum Betrieb als Kompressionsmaschine umgekehrt wird, lässt sich die gewonnene Energie nicht oder nur sehr schlecht in den Fahrzeugantrieb integrieren. Zudem wird der Verbrennungsmotor schrittweise durch alternative Antriebe, wie Elektromotoren, abgelöst. Elektromotoren und Brennstoffzellen sowie weitere Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs werden unter Erzeugen von Abwärme betrieben, deren Temperaturen in einem niederen Bereich, insbesondere bis etwa 100°C, liegen. Since the direction of rotation of the compression-expansion machine is reversed when operating as an expansion machine compared to operating as a compression machine, the energy obtained cannot be integrated into the vehicle drive, or only very poorly. In addition, the combustion engine is gradually being replaced by alternative drives such as electric motors. Electric motors and fuel cells and other components of the electric drive train are operated with the generation of waste heat, the temperatures of which are in a lower range, in particular up to about 100 ° C.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Vorrichtung zum Rückgewinnen von Energie und zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche sowohl zum Umwandeln von Abwärme des Antriebsstrangs in nutzbare Energie, beispielsweise in elektrische Energie, als auch zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums effizient betrieben werden kann. Als Wärmequelle soll ein Medium niederer Temperatur dienen, sodass Komponenten eines Fluidkreislaufs eines herkömmlichen, beispielsweise bereits vorhandenen Klimatisierungssystems verwendbar sind. Die Vorrichtung soll dabei mit einer minimal notwendigen Anzahl an Komponenten konstruktiv einfach und kompakt aufgebaut sein, um lediglich ein minimales Gewicht sowie minimale Herstellungskosten zu verursachen sowie einen minimalen Bauraumbedarf aufzuweisen. The object of the invention is now to provide a device for recovering energy and for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle, which is used both for converting waste heat from the drive train into usable energy, for example into electrical energy, and for conditioning the air supply to the passenger compartment can be operated efficiently. A low-temperature medium should serve as the heat source, so that components of a fluid circuit of a conventional, for example already existing, air-conditioning system can be used. The device should be constructed in a structurally simple and compact manner with a minimally necessary number of components in order to cause only minimal weight and minimal production costs and to have minimal space requirements.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung und die Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. The object is achieved by the device and the method with the features of the independent patent claims. Further developments are given in the dependent claims.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft, insbesondere eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluidkreislauf gelöst. Der Fluidkreislauf weist eine Kompressions-Expansions- Vorrichtung, einen ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft auf, welche in angegebener Reihenfolge innerhalb eines Primärkreislaufs angeordnet sind. The object is achieved by a device according to the invention for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air, in particular a passenger compartment of a motor vehicle, solved with a fluid circuit. The fluid circuit has a compression-expansion device, a first heat exchanger for transferring heat from the working fluid to the environment, an expansion element and a second heat exchanger for conditioning the supply air, which are arranged in the specified order within a primary circuit.

Nach der Konzeption der Erfindung ist der Fluidkreislauf mit einem ersten Strömungspfad mit einer Fördervorrichtung und einem als Verdampfer des Arbeitsfluids betreibbaren dritten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an das Arbeitsfluid ausgebildet. Dabei erstreckt sich der erste Strömungspfad von einer zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan des Primärkreislaufs angeordneten Abzweigstelle bis zu einer zwischen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung und dem ersten Wärmeübertrager angeordneten ersten Verbindungsstelle. According to the conception of the invention, the fluid circuit is designed with a first flow path with a delivery device and a third heat exchanger, which can be operated as an evaporator of the working fluid, for transferring heat to the working fluid. The first flow path extends from a branch point arranged between the first heat exchanger and the expansion element of the primary circuit to a first connection point arranged between the compression-expansion device and the first heat exchanger.

Der Fluidkreislauf weist erfindungsgemäß zudem einen zweiten Strömungspfad auf, welcher sich von einer zwischen dem Expansionsorgan und dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten zweiten Verbindungsstelle bis zu einer zwischen der ersten Verbindungsstelle und dem ersten Wärmeübertrager angeordneten dritten Verbindungsstelle erstreckt. According to the invention, the fluid circuit also has a second flow path which extends from a second connection point arranged between the expansion element and the second heat exchanger to a third connection point arranged between the first connection point and the first heat exchanger.

Während der Primärkreislauf im Wesentlichen einem herkömmlichen Fluidkreislauf eines Kältemittels einer Kälteanlage entspricht, weist der erfindungsgemäße Fluidkreislauf den zusätzlichen, parallel zum ersten Wärmeübertrager ausgebildeten ersten Strömungspfad mit der Fördervorrichtung und dem dritten Wärmeübertrager sowie den als Bypass zum Expansionsorgan und beim Betrieb zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme zum Einbinden des ersten Wärmeübertragers in Reihe zum zweiten Wärmeübertrager ausgebildeten zweiten Strömungspfad auf. While the primary circuit essentially corresponds to a conventional fluid circuit of a refrigerant of a refrigeration system, the fluid circuit according to the invention has the additional, parallel to the first heat exchanger, the first flow path with the conveying device and the third heat exchanger as well as the bypass to the expansion element and, during operation, to generate electrical energy from waste heat for integrating the first heat exchanger in series with the second heat exchanger formed second flow path.

Der Primärkreislauf kann zudem mit einem Sammler des Arbeitsfluids ausgebildet sein, welcher zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan angeordnet ist. Dabei ist die Abzweigstelle des ersten Strömungspfades zwischen dem Sammler und dem Expansionsorgan vorgesehen. The primary circuit can also be designed with a collector of the working fluid, which is arranged between the first heat exchanger and the expansion element. This is the junction of the first Flow path provided between the collector and the expansion element.

Der erste Wärmeübertrager ist vorteilhaft als ein Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager, speziell als ein als Kondensator des Arbeitsfluids betreibbarer Wärmeübertrager, zum Übertragen von Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und Luft, insbesondere vom Arbeitsfluid an Umgebungsluft, ausgebildet. The first heat exchanger is advantageously designed as a working fluid-air heat exchanger, specifically as a heat exchanger that can be operated as a condenser for the working fluid, for transferring heat between the working fluid and air, in particular from the working fluid to ambient air.

Der zweite Wärmeübertrager ist bevorzugt als Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager vom Arbeitsfluid bidirektional durchströmbar sowie vorzugsweise je nach Betriebsmodus der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs als Verdampfer oder als Kondensator des Arbeitsfluids betreibbar ausgebildet. The second heat exchanger is preferably designed as a working fluid-air heat exchanger so that the working fluid can flow through it bidirectionally and, depending on the operating mode of the device or the fluid circuit, can be operated as an evaporator or as a condenser for the working fluid.

Der dritte Wärmeübertrager ist vorteilhaft als ein Arbeitsfluid-Kühlmittel- Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das Arbeitsfluid ausgebildet. Das in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel kann zum Temperieren von Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, wie einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor oder einer Leistungselektronik oder einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, vorgesehen sein. Als Kraftfahrzeuge werden alle Arten von Fahrzeugen, wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Schienenfahrzeuge, Fahrgastschiffe, Flugzeuge, Arbeitsmaschinen und ähnliche, angesehen. Mit dem Kühlmittel als Wärmequelle wird die Abwärme auf einem Temperaturniveau von maximal etwa 100°C bereitgestellt. The third heat exchanger is advantageously designed as a working fluid / coolant heat exchanger for transferring heat from a coolant to the working fluid. The coolant circulating in a coolant circuit can be provided for temperature control of components of the drive train of the motor vehicle, such as an electric motor or an internal combustion engine or power electronics or a low-temperature fuel cell. All types of vehicles such as passenger cars, trucks, rail vehicles, passenger ships, airplanes, work machines and the like are regarded as motor vehicles. With the coolant as the heat source, the waste heat is provided at a maximum temperature of around 100 ° C.

Der dritte Wärmeübertrager könnte alternativ auch als ein Direktverdampfer für das Arbeitsfluid ausgebildet sein, wobei das Arbeitsfluid beispielsweise durch in der Komponente des Antriebsstrangs vorgesehene Strömungskanäle geleitet wird. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kompressions-Expansions- Vorrichtung für einen Betrieb des Fluidkreislaufs in einem Kälteanlagenmodus zum Konditionieren von Zuluft als Verdichter des Arbeitsfluids und für einen Betrieb des Fluidkreislaufs zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie als Expansionsmaschine betreibbar ausgebildet. Die Kompressions- Expansions-Vorrichtung ist vom Arbeitsfluid vorzugsweise bidirektional durchströmbar. The third heat exchanger could alternatively also be designed as a direct evaporator for the working fluid, the working fluid being conducted, for example, through flow channels provided in the component of the drive train. According to a further development of the invention, the compression-expansion device for operating the fluid circuit in a refrigeration system mode for conditioning supply air as a compressor of the working fluid and for operating the fluid circuit for converting waste heat into electrical energy is designed to be operable as an expansion machine. The compression-expansion device can preferably be flown through bidirectionally by the working fluid.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kompressions- Expansions-Vorrichtung mit einer Motor-Generator-Einheit mechanisch direkt verbunden ist. Dabei ist die Motor-Generator-Einheit für einen Betrieb der Kompressions-Expansions-Vorrichtung als Verdichter des Arbeitsfluids derart ausgebildet, die Kompressions-Expansions-Vorrichtung unter Aufnahme elektrischer Energie als Motor betrieben anzutreiben. Für einen Betrieb der Kompressions-Expansions-Vorrichtung als Expansionsmaschine ist die Motor- Generator-Einheit derart ausgebildet, von der Kompressions-Expansions- Vorrichtung unter Abgabe elektrischer Energie als Generator betrieben angetrieben zu werden. Another advantage of the invention is that the compression-expansion device is mechanically directly connected to a motor-generator unit. In this case, the motor-generator unit for operating the compression-expansion device as a compressor of the working fluid is designed in such a way that the compression-expansion device is driven while absorbing electrical energy and is operated as a motor. For operation of the compression-expansion device as an expansion machine, the motor-generator unit is designed in such a way that it can be driven by the compression-expansion device while delivering electrical energy as a generator.

Die Motor-Generator-Einheit ist bevorzugt über eine Leistungselektronik mit einem Bordnetz, insbesondere des Kraftfahrzeugs, elektrisch verbunden. The motor-generator unit is preferably electrically connected to an on-board network, in particular of the motor vehicle, via power electronics.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Fluidkreislauf einen dritten Strömungspfad auf, welcher sich von einer vierten Verbindungsstelle bis zum zweiten Strömungspfad erstreckt. Dabei ist die vierte Verbindungsstelle zwischen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Der bevorzugt an einer Mündungsstelle in den zweiten Strömungspfad einmündende dritte Strömungspfad ist in Kombination mit dem zweiten Strömungspfad als Bypass um den zweiten Wärmeübertrager vorgesehen. According to an advantageous embodiment of the invention, the fluid circuit has a third flow path which extends from a fourth connection point to the second flow path. The fourth connection point is arranged between the compression-expansion device and the second heat exchanger. The third flow path, which preferably opens into the second flow path at an opening point, is provided in combination with the second flow path as a bypass around the second heat exchanger.

Die Verbindungsstellen sind vorzugsweise jeweils als Drei-Wege-Ventile ausgebildet. Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren der Zuluft gelöst. The connection points are preferably each designed as three-way valves. The object of the invention is also achieved by the method according to the invention for operating the device for generating electrical energy from waste heat and for conditioning the supply air.

Ein Verfahren weist beim Betrieb der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs in einem Kälteanlagenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft folgende Schritte auf: A method has the following steps when the device or the fluid circuit is operated in a refrigeration system mode for cooling and / or dehumidifying the supply air:

Leiten eines aus einer als Verdichter betriebenen Kompressions- Expansions-Vorrichtung ausströmenden Arbeitsfluids auf einem Hochdruckniveau durch einen als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen wird, Conducting a working fluid flowing out of a compression-expansion device operated as a compressor at a high pressure level through a first heat exchanger operated as a condenser, with heat being transferred from the working fluid to the environment,

Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden Arbeitsfluids durch ein Expansionsorgan, wobei das Arbeitsfluid auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, Passing the working fluid flowing out of the first heat exchanger through an expansion element, the working fluid being expanded to a low pressure level,

Leiten des aus dem Expansionsorgan ausströmenden Arbeitsfluids durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten, insbesondere als Arbeitsfluid- Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager, wobei Wärme von der Zuluft an das Arbeitsfluid übertragen und die Zuluft abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, sowie Passing the working fluid flowing out of the expansion element through a second heat exchanger operated as an evaporator, in particular designed as a working fluid-air heat exchanger, with heat being transferred from the supply air to the working fluid and the supply air being cooled and / or dehumidified, as well as

- Ansaugen des Arbeitsfluids durch die als Verdichter betriebene Kompressions-Expansions-Vorrichtung. - Sucking in the working fluid through the compression-expansion device operated as a compressor.

Dabei zirkuliert das Arbeitsfluid vorzugsweise ausschließlich durch einen Primärkreislauf. The working fluid preferably circulates exclusively through a primary circuit.

Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmende Arbeitsfluid in einen ersten Teilmassenstrom zum Expansionsorgan und einen zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt. Dabei wird der zweite Teilmassenstrom durch eine Fördervorrichtung angesaugt und durch einen als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertrager geleitet, um Wärme an das verdampfende Arbeitsfluid zu übertragen, beispielsweise um Abwärme des Antriebsstrangs zu nutzen, insbesondere eine Komponente des Antriebsstrangs zu temperieren. Anschließend wird der zweite Teilmassenstrom mit dem aus der Kompressions-Expansions-Vorrichtung ausströmenden ersten Teilmassenstrom vermischt und durch den ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung geleitet. According to an alternative embodiment of the invention, the working fluid flowing out of the first heat exchanger is divided into a first partial mass flow to the expansion element and a second partial mass flow. The second partial mass flow is sucked in by a conveying device and passed through a third heat exchanger operated as an evaporator to transfer heat to the evaporating working fluid, for example to use waste heat from the drive train, in particular to control the temperature of a component of the drive train. The second partial mass flow is then combined with the first one flowing out of the compression-expansion device Partial mass flow mixed and passed through the first heat exchanger to transfer heat from the working fluid to the environment.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Kompressions-Expansions- Vorrichtung durch eine als Elektromotor betriebene Motor-Generator-Einheit angetrieben, welche elektrische Energie über eine Leistungselektronik aus einem Bordnetz bezieht. According to a further development of the invention, the compression-expansion device is driven by a motor-generator unit which is operated as an electric motor and which draws electrical energy from an on-board network via power electronics.

Ein weiteres Verfahren weist beim Betrieb der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs zum Erzeugen elektrischer Energie folgende Schritte auf: Another method has the following steps when operating the device or the fluid circuit for generating electrical energy:

Leiten eines aus einer als Expansionsmaschine betriebenen Kompressions- Expansions-Vorrichtung ausströmenden Arbeitsfluids auf einem Niederdruckniveau durch einen als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen wird, Conducting a working fluid flowing out of a compression-expansion device operated as an expansion machine at a low pressure level through a first heat exchanger operated as a condenser, with heat being transferred from the working fluid to the environment,

- Ansaugen des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden Arbeitsfluids durch eine Fördervorrichtung und Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids auf ein Hochdruckniveau, - Sucking in the working fluid flowing out of the first heat exchanger by a delivery device and increasing the pressure of the working fluid to a high pressure level,

Leiten des aus der Fördervorrichtung ausströmenden Arbeitsfluids durch einen als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertrager, wobei Wärme an das Arbeitsfluid übertragen und das Arbeitsfluid verdampft wird, sowie Leiten des aus dem dritten Wärmeübertrager ausströmenden Arbeitsfluids zur Kompressions-Expansions-Vorrichtung und Entspannen des Arbeitsfluids auf das Niederdruckniveau. Passing the working fluid flowing out of the conveying device through a third heat exchanger operated as an evaporator, whereby heat is transferred to the working fluid and the working fluid is evaporated, as well as passing the working fluid flowing out of the third heat exchanger to the compression-expansion device and expanding the working fluid to the low pressure level.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das aus der Kompressions- Expansions-Vorrichtung ausströmende Arbeitsfluid durch einen als Kondensator betriebenen zweiten, insbesondere als Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager geleitet. Dabei wird Wärme vom Arbeitsfluid an die Zuluft übertragen und die Zuluft erwärmt. Die Kondensationswärme, insbesondere des ORC-Prozesses, wird zum Konditionieren der Zuluft genutzt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem zweiten Wärmeübertrager ausströmende Arbeitsfluid durch den als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager geleitet, sodass der zweite Wärmeübertrager und der erste Wärmeübertrager in Reihe nacheinander mit Arbeitsfluid beaufschlagt werden. According to a further development of the invention, the working fluid flowing out of the compression-expansion device is passed through a second heat exchanger operated as a condenser, in particular designed as a working fluid-air heat exchanger. Heat is transferred from the working fluid to the supply air and the supply air is heated. The heat of condensation, especially the ORC process, is used to condition the supply air. According to an advantageous embodiment of the invention, the working fluid flowing out of the second heat exchanger is passed through the first heat exchanger operated as a condenser, so that working fluid is applied to the second heat exchanger and the first heat exchanger in series one after the other.

Von Vorteil ist auch, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung eine als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit antreibt, welche elektrische Energie erzeugt und über eine Leistungselektronik in ein Bordnetz einspeist. It is also advantageous that the compression-expansion device drives a motor-generator unit operated as a generator, which generates electrical energy and feeds it into an on-board network via power electronics.

Nach einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mit dem dritten Wärmeübertrager Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor oder Leistungselektronik oder eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, temperiert. Dabei wird vorzugsweise ein Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreislauf und den im Kühlmittelkreislauf integrierten dritten Wärmeübertrager zirkuliert. According to a further preferred embodiment of the invention, components of a drive train, in particular an electric motor or an internal combustion engine or power electronics or a low-temperature fuel cell, are temperature-controlled with the third heat exchanger. In this case, a coolant is preferably circulated through a coolant circuit and the third heat exchanger integrated in the coolant circuit.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung wird vorteilhaft je nach Betriebsmodus vom Arbeitsfluid bidirektional durchströmt. The compression-expansion device is advantageously flowed through bidirectionally depending on the operating mode of the working fluid.

Im ersten speziell als ein Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager wird Wärme unabhängig vom Betriebsmodus vom Arbeitsfluid vorzugsweise an Luft, insbesondere an Umgebungsluft, übertragen. Dabei kann der erste Wärmeübertrager entweder ausschließlich für den Betrieb im Kälteanlagenmodus oder für den Betrieb im Kälteanlagenmodus mit Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs ausgelegt sein. Zum Beaufschlagen des dritten Wärmeübertragers mit Arbeitsfluid und damit zum Übertragen von Wärme an das verdampfende Arbeitsfluid unabhängig vom Betriebsmodus, insbesondere um die Komponente des Antriebsstrangs zu temperieren, ist der erste Wärmeübertrager derart ausgelegt, sowohl die im zweiten Wärmeübertrager von der Zuluft an das Arbeitsfluid übertragene Wärme als auch die im dritten Wärmeübertrager von der Komponente des Antriebsstrangs an das Arbeitsfluid übertragene Wärme an die Umgebung abzuführen. Der erste Wärmeübertrager ist folglich mit einer größeren Wärmeübertragerfläche und größeren Strömungsquerschnitten als für einen Betrieb im reinen Kälteanlagenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft ausgebildet. In the first heat exchanger specially designed as a working fluid-air heat exchanger, heat is preferably transferred from the working fluid to air, in particular to ambient air, regardless of the operating mode. The first heat exchanger can be designed either exclusively for operation in the refrigeration system mode or for operation in the refrigeration system mode with temperature control of a component of the drive train. To apply working fluid to the third heat exchanger and thus to transfer heat to the evaporating working fluid regardless of the operating mode, in particular to control the temperature of the components of the drive train, the first heat exchanger is designed in such a way that both the heat transferred from the supply air to the working fluid in the second heat exchanger as well as the heat transferred in the third heat exchanger from the component of the drive train to the working fluid to the environment to dissipate. The first heat exchanger is consequently designed with a larger heat exchanger surface and larger flow cross-sections than for operation in the pure refrigeration system mode for cooling and / or dehumidifying the supply air.

Daraus ergibt sich auch für den reinen Betrieb zum Erzeugen elektrischer Energie ein bedeutender Vorteil. Während des Betriebs zum Erzeugen elektrischer Energie ist das Druckniveau im als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager geringer, als während des Betriebs im Kälteanlagenmodus. Damit ist das spezifische Volumen des Arbeitsfluids größer. Bei gleichem Massenstrom des Arbeitsfluids durch den ersten Wärmeübertrager, wie im Kälteanlagenmodus, ist das Volumen des durchströmenden Arbeitsfluids größer. In einem ausschließlich für den Kälteanlagenmodus ausgelegten Wärmeübertrager würde eine höhere Strömungsgeschwindigkeit höhere Druckverluste des Arbeitsfluids bewirken, was zum Begrenzen der zu erzeugenden elektrischen Energie führen kann. Durch das Dimensionieren des ersten Wärmeübertragers für den Betrieb im Kälteanlagenmodus mit dem gleichzeitigen Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs sind die Strömungsquerschnitte auch für das geringe Druckniveau beim Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie ausreichend, sodass der Massenstrom des Arbeitsfluids nicht zu begrenzen ist und aus der Abwärme eine maximale Menge an elektrischer Energie erzeugt werden kann. This also results in a significant advantage for pure operation for generating electrical energy. During operation to generate electrical energy, the pressure level in the first heat exchanger operated as a condenser is lower than during operation in the refrigeration system mode. This means that the specific volume of the working fluid is greater. With the same mass flow of the working fluid through the first heat exchanger, as in the refrigeration system mode, the volume of the working fluid flowing through is greater. In a heat exchanger designed exclusively for the refrigeration system mode, a higher flow rate would cause higher pressure losses in the working fluid, which can limit the electrical energy to be generated. By dimensioning the first heat exchanger for operation in refrigeration system mode with the simultaneous temperature control of a component of the drive train, the flow cross-sections are also sufficient for the low pressure level during operation of the device for generating electrical energy, so that the mass flow of the working fluid cannot be limited and from the waste heat a maximum amount of electrical energy can be generated.

Mit dem zusätzlichen Konditionieren der Zuluft während des Betriebs der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs zum Erzeugen elektrischer Energie wird der Druck des Arbeitsfluids im ersten Wärmeübertrager erhöht, sodass auch die Dichte des Arbeitsfluids größer ist und folglich bei gleichen Druckverlusten ein größerer Volumenstrom des Arbeitsfluids durchgesetzt werden kann. Da die Temperatur der Umgebungsluft dabei geringer ist als die Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids zum Konditionieren der Zuluft, kann die verbleibende Temperaturdifferenz zum Unterkühlen des Arbeitsfluids genutzt werden. Damit kann eine mögliche Kavitation des Arbeitsfluids in der Fördervorrichtung, insbesondere bei hohen Drehzahlen beziehungsweise großen Volumenströmen des Arbeitsfluids, vermieden werden. Der Betrieb der Vorrichtung mit maximalen Volumenströmen des Arbeitsfluids ermöglicht die Aufnahme einer maximalen Menge an Abwärme und das Erzeugen einer maximalen Menge an elektrischer Energie. With the additional conditioning of the supply air during operation of the device or the fluid circuit for generating electrical energy, the pressure of the working fluid in the first heat exchanger is increased, so that the density of the working fluid is also greater and consequently a greater volume flow of the working fluid can be implemented with the same pressure losses. Since the temperature of the ambient air is lower than the condensation temperature of the working fluid for conditioning the supply air, the remaining temperature difference can be used to subcool the working fluid. This can prevent possible cavitation of the working fluid in the delivery device, in particular at high speeds or large volume flows of the working fluid can be avoided. The operation of the device with maximum volume flows of the working fluid enables the absorption of a maximum amount of waste heat and the generation of a maximum amount of electrical energy.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung weist vorzugsweise ein veränderliches Druckverhältnis auf, welches auch beim Betrieb als Expansionsmaschine nutzbar ist. The compression-expansion device preferably has a variable pressure ratio, which can also be used when operating as an expansion machine.

Der zweite Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft kann vom Arbeitsfluid je nach Betriebsmodus als Verdampfer oder als Kondensator des Arbeitsfluids betrieben werden. Dabei wird der zweite Wärmeübertrager vom Arbeitsfluid bevorzugt bidirektional durchströmt. The second heat exchanger for conditioning the supply air can be operated by the working fluid as an evaporator or as a condenser for the working fluid, depending on the operating mode. The working fluid preferably flows bidirectionally through the second heat exchanger.

Beim Betrieb der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs zum Erzeugen elektrischer Energie können die Verdampfungsdrucklage und die Kondensationsdrucklage derart angepasst werden, dass die Volumenströme des Arbeitsfluids den maximalen Volumenströmen der Auslegung für den Betrieb im Kälteanlagenmodus entsprechen. Die Verbindungsleitungen und der zweite Wärmeübertrager sind in den Dimensionen bevorzugt lediglich maximal für den Betrieb im Kälteanlagenmodus ausgelegt, insbesondere um das Gewicht der Vorrichtung zu minimieren. Alternativ kann der zweiteWhen operating the device or the fluid circuit for generating electrical energy, the evaporation pressure level and the condensation pressure level can be adjusted such that the volume flows of the working fluid correspond to the maximum volume flows of the design for operation in the refrigeration system mode. The dimensions of the connecting lines and the second heat exchanger are preferably only designed as a maximum for operation in the refrigeration system mode, in particular in order to minimize the weight of the device. Alternatively, the second

Wärmeübertrager auch mit den maximalen Volumenströmen für den Betrieb im Kälteanlagenmodus mit Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs ausgelegt sein. Heat exchangers can also be designed with the maximum volume flows for operation in refrigeration system mode with temperature control of a component of the drive train.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein von den Dimensionen bekannter Fluidkreislauf einer Kälteanlage, insbesondere einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, um den ersten Strömungspfad mit der Fördervorrichtung, speziell einer Pumpe, für das Arbeitsfluid und den zweiten, als Bypass ausgebildeten Strömungspfad erweitert wird, um bei einerOne advantage of the invention is that a fluid circuit of a refrigeration system, in particular an air conditioning system of a motor vehicle, of known dimensions, is expanded to include the first flow path with the delivery device, specifically a pump, for the working fluid and the second flow path designed as a bypass at a

Umgebungstemperatur unterhalb der Komforttemperatur als Energieerzeugungseinheit genutzt zu werden. Damit kann bei genannten Wetterbedingungen ohne nennenswerte zusätzliche Kosten und technischen Aufwand eine Kraftstoffeinsparung beziehungsweise Reichweitenverlängerung des Kraftfahrzeugs erreicht werden. Ambient temperature below the comfort temperature to be used as a power generation unit. This can be used with the mentioned Weather conditions without significant additional costs and technical effort, fuel savings or an increase in the range of the motor vehicle can be achieved.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft sowie die erfindungsgemäßen Verfahren weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf: The device according to the invention for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air and the method according to the invention have, in summary, further diverse advantages:

- konstruktiv einfach und kompakt aufgebaut, damit minimaler Bauraumbedarf,- structurally simple and compact, so that minimal installation space is required,

- minimale Betriebskosten und Herstellungskosten sowie minimales Gewicht auch durch Verzicht auf zusätzliche Komponenten, wie elektrische Widerstandsheizungen oder Wärmeübertrager und Fördervorrichtungen für das Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs oder die Auskopplung von Abwärme für die direkte Konditionierung der Zuluft, sowie- Minimal operating costs and manufacturing costs as well as minimal weight also by doing without additional components, such as electrical resistance heaters or heat exchangers and conveying devices for the temperature control of a component of the drive train or the extraction of waste heat for the direct conditioning of the supply air, as well

- Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen der Zuluft des Fahrgastraums mit minimalem Energieeinsatz auch durch - Air conditioning, in particular cooling, dehumidifying and / or heating the supply air to the passenger compartment with minimal use of energy

- Abwärmeverstromung unter Berücksichtigung der Kühlanforderungen und Heizanforderungen. - Waste heat conversion into electricity taking into account the cooling and heating requirements.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen Further details, features and advantages of embodiments of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it

Fig. 1a: eine Vorrichtung zum Rückgewinnen von Energie und zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Fluidkreislauf mit einer Kompressions-Expansions-Vorrichtung, einem ersten und einem zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager, einem Expansionsorgan sowie einer Fördervorrichtung und einem dritten Wärmeübertrager in einem Betriebsmodus zum Kühlen der Zuluft des Fahrgastraums, Fig. 1b: die Vorrichtung aus Fig. 1a in einem Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie und zum optionalen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums sowie 1a: a device for recovering energy and for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a fluid circuit with a compression-expansion device, a first and a second working fluid-air heat exchanger, an expansion element as well as a conveying device and a third heat exchanger in an operating mode for cooling the supply air to the passenger compartment, FIG. 1b: the device from FIG. 1a in an operating mode for converting waste heat into electrical energy and for optionally heating the supply air to the passenger compartment, and FIG

Fig. 2: ein T-s-Diagramm mit Zustandsänderungen des Arbeitsfluids beim Betrieb des Fluidkreislaufs sowohl im Betriebsmodus zum Kühlen der Zuluft des Fahrgastraums als auch zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie sowie zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums. 2: a T-s diagram with changes in the state of the working fluid during operation of the fluid circuit both in the operating mode for cooling the supply air of the passenger compartment and for converting waste heat into electrical energy and for heating the supply air of the passenger compartment.

Aus den Fig. 1a und 1b geht jeweils eine Vorrichtung 1 zum Rückgewinnen von Energie und zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Fluidkreislauf 2 hervor, welcher innerhalb eines Primärkreislaufs 2-1 mit einer Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3, einem ersten Wärmeübertrager 6, insbesondere einem Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager 6, zur Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft, einem Sammler 7, einem Expansionsorgan 8 und einem zweiten Wärmeübertrager 9, insbesondere einem Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 9, zum Konditionieren der Zuluft 10 des Fahrgastraums ausgebildet ist. 1a and 1b each shows a device 1 for recovering energy and for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a fluid circuit 2, which within a primary circuit 2-1 with a compression-expansion device 3, a first heat exchanger 6, in particular a working fluid-air heat exchanger 6, for delivering heat to the ambient air, a collector 7, an expansion element 8 and a second heat exchanger 9, in particular a working fluid-air heat exchanger 9, for conditioning the supply air 10 of the passenger compartment .

Der Fluidkreislauf 2 weist neben dem Primärkreislauf 2-1 zudem einen ersten Strömungspfad 2-2 mit einer Fördervorrichtung 11 und einem dritten Wärmeübertrager 12, insbesondere einem Arbeitsfluid-Kühlmittel- Wärmeübertrager oder einem Direktverdampfer für das Arbeitsfluid, zur Aufnahme von Wärme aus der Abwärme des Antriebsstrangs auf. Der erste Strömungspfad 2-2 erstreckt sich von einer Abzweigstelle 14 bis zu einer ersten Verbindungsstelle 15-1. Dabei ist die Abzweigstelle 14 zwischen dem Sammler 7 und dem Expansionsorgan 8 des Primärkreislaufs 2-1 ausgebildet, während die erste Verbindungsstelle 15-1 zwischen der Kompressions-Expansions- Vorrichtung 3 und dem ersten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6 des Primärkreislaufs 2-1 angeordnet ist. In addition to the primary circuit 2-1, the fluid circuit 2 also has a first flow path 2-2 with a conveying device 11 and a third heat exchanger 12, in particular a working fluid-coolant heat exchanger or a direct evaporator for the working fluid, for absorbing heat from the waste heat of the drive train on. The first flow path 2-2 extends from a branch point 14 to a first connection point 15-1. The branch point 14 is formed between the collector 7 and the expansion element 8 of the primary circuit 2-1, while the first connection point 15-1 is arranged between the compression-expansion device 3 and the first working fluid-air heat exchanger 6 of the primary circuit 2-1 is.

Der Fluidkreislauf 2 ist des Weiteren mit einem zweiten Strömungspfad 2-3 und einem dritten Strömungspfad 2-4 ausgebildet, welche jeweils über Verbindungsstellen 15-2, 15-3, 15-4 in den Primärkreislauf 2-1 eingebunden sind. Der zweite Strömungspfad 2-3 erstreckt sich von einer zweiten Verbindungsstelle 15-2 zu einer dritten Verbindungsstelle 15-3. Dabei ist die zweite Verbindungsstelle 15-2 zwischen dem Expansionsorgan 8 und dem zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 9 des Primärkreislaufs 2-1 ausgebildet, während die dritte Verbindungsstelle 15-3 zwischen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 und dem ersten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager 6, insbesondere zwischen der ersten Verbindungsstelle 15-1 und dem ersten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6, des Primärkreislaufs 2-1 angeordnet ist. Der dritte Strömungspfad 2-4 erstreckt sich von einer vierten Verbindungsstelle 15-4, welche zwischen dem zweiten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager 9 und der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 ausgebildet ist, zum zweiten Strömungspfad 2-3. Der dritte Strömungspfad 2-4 mündet an einer Mündungsstelle 16 in den zweiten Strömungspfad 2-3 ein. The fluid circuit 2 is also formed with a second flow path 2-3 and a third flow path 2-4, each of which is via Connection points 15-2, 15-3, 15-4 are integrated into the primary circuit 2-1. The second flow path 2-3 extends from a second connection point 15-2 to a third connection point 15-3. The second connection point 15-2 is formed between the expansion element 8 and the second working fluid-air heat exchanger 9 of the primary circuit 2-1, while the third connection point 15-3 between the compression-expansion device 3 and the first working fluid-air Heat exchanger 6, in particular between the first connection point 15-1 and the first working fluid-air heat exchanger 6, of the primary circuit 2-1 is arranged. The third flow path 2-4 extends from a fourth connection point 15-4, which is formed between the second working fluid-air heat exchanger 9 and the compression-expansion device 3, to the second flow path 2-3. The third flow path 2-4 opens into the second flow path 2-3 at an opening point 16.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 ist mit einer Motor-Generator- Einheit 4 zum Umwandeln elektrischer Energie in mechanische Energie und damit zum Antreiben der als Verdichter betriebenen Kompressions-Expansions- Vorrichtung 3 sowie zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mechanisch verbunden. Die Motor-Generator-Einheit 4 ist wiederum über Leistungselektronik 5 mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. The compression-expansion device 3 is mechanically connected to a motor-generator unit 4 for converting electrical energy into mechanical energy and thus for driving the compression-expansion device 3 operated as a compressor and for converting mechanical energy into electrical energy. The motor-generator unit 4 is in turn electrically connected to the on-board network of the motor vehicle via power electronics 5.

Zum Darstellen des Betreibens des Fluidkreislaufs 2 sind die Strömungsrichtungen der Massenströme des Arbeitsfluids jeweils mit Pfeilen angegeben. Die jeweiligen mit Arbeitsfluid beaufschlagten Strömungspfade sind anhand stärkerer Linien gekennzeichnet als die nicht mit Arbeitsfluid beaufschlagten Strömungspfade. To illustrate the operation of the fluid circuit 2, the flow directions of the mass flows of the working fluid are each indicated by arrows. The respective flow paths to which the working fluid is applied are identified by means of thicker lines than the flow paths to which the working fluid is not applied.

In Fig. 1a ist die Vorrichtung 1, insbesondere der Fluidkreislauf 2, beim Betrieb im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft 10 des Fahrgastraums gezeigt. Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 wird als Verdichter und die Motor- Generator-Einheit 4 wird als Motor, insbesondere als Elektromotor, betrieben. Das Arbeitsfluid wird ausschließlich durch den Primärkreislauf 2-1 zirkuliert.In Fig. 1a, the device 1, in particular the fluid circuit 2, is shown during operation in the refrigeration system mode for cooling the supply air 10 of the passenger compartment. The compression-expansion device 3 is used as a compressor and the engine Generator unit 4 is operated as a motor, in particular as an electric motor. The working fluid is only circulated through the primary circuit 2-1.

Beim Durchströmen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3, welche mittels der Motor-Generator-Einheit 4 elektrisch angetrieben wird, wird das Arbeitsfluid auf einem Niederdruckniveau angesaugt und auf ein Hochdruckniveau verdichtet. Beim Durchströmen des als Kondensator für das Arbeitsfluid betriebenen ersten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertragers 6 wird das Arbeitsfluid unter Abgabe von Wärme an die Umgebung, insbesondere an die Umgebungsluft, verflüssigt. Nach dem Ausströmen aus dem Wärmeübertrager 6 wird das Arbeitsfluid zum Abscheiden und Sammeln von Arbeitsfluidflüssigkeit in den Sammler 7 geleitet und anschließend beim Durchströmen des Expansionsorgans 8 auf das Niederdruckniveau entspannt. When flowing through the compression-expansion device 3, which is electrically driven by means of the motor-generator unit 4, the working fluid is sucked in at a low pressure level and compressed to a high pressure level. When flowing through the first working fluid-air heat exchanger 6 operated as a condenser for the working fluid, the working fluid is liquefied while releasing heat to the environment, in particular to the ambient air. After flowing out of the heat exchanger 6, the working fluid for separating and collecting the working fluid is passed into the collector 7 and then expanded to the low pressure level as it flows through the expansion member 8.

Die vorzugsweise als Zwei-Wege-Ventil in Kombination mit einem Rückschlagventil oder als Drei-Wege-Ventil ausgebildete erste Verbindungsstelle 15-1 ist derart geschaltet, dass der erste Strömungspfad 2-2 geschlossen ist und nicht mit Arbeitsfluid beaufschlagt wird. The first connection point 15-1, which is preferably designed as a two-way valve in combination with a check valve or as a three-way valve, is connected in such a way that the first flow path 2-2 is closed and is not acted upon by working fluid.

Beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen zweiten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertragers 9 nimmt das Arbeitsfluid während des Verdampfens Wärme aus der Zuluft 10 für den Fahrgastraum auf. Anschließend wird das Arbeitsfluid im gasförmigen Zustand von der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 angesaugt. Der Fluidkreislauf 2 ist geschlossen. When flowing through the second working fluid-air heat exchanger 9 operated as an evaporator, the working fluid absorbs heat from the supply air 10 for the passenger compartment during evaporation. The working fluid is then sucked in in the gaseous state by the compression-expansion device 3. The fluid circuit 2 is closed.

Die vorzugsweise jeweils als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Verbindungsstellen 15-2, 15-3, 15-4 sind derart geschaltet, dass der zweite Strömungspfad 2-3 und der dritte Strömungspfad 2-4 geschlossen sind und nicht mit Arbeitsfluid beaufschlagt werden. The connection points 15-2, 15-3, 15-4, which are preferably each designed as a three-way valve, are connected in such a way that the second flow path 2-3 and the third flow path 2-4 are closed and are not acted upon by working fluid.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft 10 des Fahrgastraums mit gleichzeitigem Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs wird das aus dem ersten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6 beziehungsweise dem Sammler 7 ausströmende Arbeitsfluid in einen ersten Teilmassenstrom zum Expansionsorgan 8 und einen zweiten Teilmassenstrom durch den ersten Strömungspfad 2-2 aufgeteilt. Dabei wird der zweite Teilmassenstrom durch die Fördervorrichtung 11 angesaugt und durch den als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertrager 12 geleitet. Beim Durchströmen des dritten Wärmeübertragers 12 wird Wärme an das verdampfende Arbeitsfluid übertragen. Anschließend wird der zweite Teilmassenstrom an der ersten Verbindungsstelle 15-1 mit dem aus der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 ausströmenden ersten Teilmassenstrom vermischt und der Gesamtmassenstrom des Arbeitsfluids durch den ersten Wärmeübertrager 6 zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung geleitet. When the device 1 is operated in the refrigeration system mode for cooling the supply air 10 of the passenger compartment with simultaneous temperature control of a component of the drive train, the working fluid flowing out of the first working fluid-air heat exchanger 6 or the collector 7 is converted into a first partial mass flow to the expansion element 8 and a second partial mass flow through divided the first flow path 2-2. This will be the second Partial mass flow is sucked in by the conveying device 11 and passed through the third heat exchanger 12 operated as an evaporator. When flowing through the third heat exchanger 12, heat is transferred to the evaporating working fluid. The second partial mass flow is then mixed at the first connection point 15-1 with the first partial mass flow flowing out of the compression-expansion device 3 and the total mass flow of the working fluid is passed through the first heat exchanger 6 to transfer heat from the working fluid to the environment.

Das Temperieren, insbesondere das Kühlen, der Komponente des Antriebsstrangs muss unabhängig vom Betriebsmodus, beispielsweise auch bei hohen Umgebungstemperaturen, wie in Sommermonaten, gewährleistet sein. Mit dem Betrieb der Vorrichtung 1 im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft 10 des Fahrgastraums mit gleichzeitigem Temperieren der Komponente des Antriebsstrangs kann auf einen zusätzlichen Kreislauf zum Kühlen der Komponente des Antriebsstrangs verzichtet werden. Dabei ist die Fördervorrichtung 11, beispielsweise als eine Zahnradpumpe, sich selbstständig auf den jeweiligen Gegendruck einstellend und den geforderten Volumenstrom fördernd ausgebildet. The temperature control, in particular the cooling, of the components of the drive train must be guaranteed regardless of the operating mode, for example even at high ambient temperatures, such as in the summer months. With the operation of the device 1 in the refrigeration system mode for cooling the supply air 10 of the passenger compartment with simultaneous temperature control of the components of the drive train, an additional circuit for cooling the components of the drive train can be dispensed with. In this case, the delivery device 11, for example as a gear pump, is designed to adjust itself automatically to the respective counter pressure and to deliver the required volume flow.

In einem Betriebsmodus, in welchem das Kühlen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum nicht erforderlich ist, kann die Kompressions-Expansions- Vorrichtung 3 als Expansionsmaschine betrieben werden. In Fig. 1b ist die Vorrichtung 1 , insbesondere der Fluidkreislauf 2, in einem Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie und zum optionalen Erwärmen der Zuluft 10 des Fahrgastraums gezeigt. Die Motor-Generator-Einheit 4 wird als Generator betrieben. Die von der Motor-Generator-Einheit 4 erzeugte elektrische Energie wird über die Leistungselektronik 5 in das Bordnetz eingespeist. In an operating mode in which the cooling of the supply air 10 for the passenger compartment is not required, the compression-expansion device 3 can be operated as an expansion machine. In Fig. 1b, the device 1, in particular the fluid circuit 2, is shown in an operating mode for converting waste heat into electrical energy and for optionally heating the supply air 10 of the passenger compartment. The motor-generator unit 4 is operated as a generator. The electrical energy generated by the motor-generator unit 4 is fed into the vehicle electrical system via the power electronics 5.

Nach dem Einströmen des Arbeitsfluids in den ersten Strömungspfad 2-2 mit der insbesondere als Pumpe ausgebildeten Fördervorrichtung 11 wird der Druck des Arbeitsfluids von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau erhöht. Beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertragers 12 nimmt das Arbeitsfluid während des Verdampfens Abwärme des Antriebsstrangs, beispielsweise einer Brennstoffzelle oder eines Elektromotors, auf. Der dritte Wärmeübertrager 12 kann als ein Direktverdampfer für das Arbeitsfluid ausgebildet sein. Wenn die Abwärme alternativ mittels eines Kühlmittelkreislaufs von der entsprechenden Komponente des Antriebsstrangs abtransportiert wird, ist der dritte Wärmeübertrager 12 des Fluidkreislaufs 2 als Arbeitsfluid-Kühlmittel- Wärmeübertrager ausgebildet. Das Arbeitsfluid tritt überhitzt aus dem dritten Wärmeübertrager 12 aus. After the working fluid has flown into the first flow path 2-2 with the delivery device 11, which is in particular designed as a pump, the pressure of the working fluid changes from a low pressure level to a high pressure level elevated. When flowing through the third heat exchanger 12 operated as an evaporator, the working fluid absorbs waste heat from the drive train, for example a fuel cell or an electric motor, during the evaporation. The third heat exchanger 12 can be designed as a direct evaporator for the working fluid. If the waste heat is alternatively transported away from the corresponding component of the drive train by means of a coolant circuit, the third heat exchanger 12 of the fluid circuit 2 is designed as a working fluid-coolant heat exchanger. The working fluid emerges from the third heat exchanger 12 in an overheated state.

Beim Durchströmen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 wird das Arbeitsfluid vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt. Dabei wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, welche in der Motor-Generator-Einheit 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. Die erste Verbindungsstelle 15-1 ist derart geschaltet, dass der erste Strömungspfad 2-2 geöffnet ist, während der Primärkreislauf 2-1 unterbrochen ist. When flowing through the compression-expansion device 3, the working fluid is expanded from the high pressure level to the low pressure level. Thermal energy is converted into mechanical energy, which is converted into electrical energy in the motor-generator unit 4. The first connection point 15-1 is connected in such a way that the first flow path 2-2 is open while the primary circuit 2-1 is interrupted.

Zum Erwärmen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum ist die vorzugsweise als Drei-Wege-Ventil ausgebildete vierte Verbindungsstelle 15-4 derart geschaltet, dass der dritte Strömungspfad 2-4 geschlossen ist und das Arbeitsfluid zum zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 9 geleitet wird. Beim Durchströmen des als Kondensator für das Arbeitsfluid betriebenen zweiten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertragers 9 wird das Arbeitsfluid unter Abgabe von Wärme an die Zuluft 10 für den Fahrgastraum zumindest zum Teil verflüssigt. Anschließend strömt das Arbeitsfluid durch den als Kondensator des Arbeitsfluids betriebenen ersten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6 und wird unter Abgabe von Wärme an die Umgebung, insbesondere an die Umgebungsluft, vollständig verflüssigt. Nach dem Ausströmen aus dem Wärmeübertrager 6 wird das Arbeitsfluid zum Abscheiden und Sammeln von Arbeitsfluidflüssigkeit in den Sammler 7 geleitet. Das flüssige Arbeitsfluid wird von der Fördervorrichtung 11 angesaugt. Der Fluidkreislauf 2 ist geschlossen. To heat the supply air 10 for the passenger compartment, the fourth connection point 15-4, which is preferably designed as a three-way valve, is switched in such a way that the third flow path 2-4 is closed and the working fluid is conducted to the second working fluid-air heat exchanger 9. When flowing through the second working fluid-air heat exchanger 9 operated as a condenser for the working fluid, the working fluid is at least partially liquefied while releasing heat to the supply air 10 for the passenger compartment. The working fluid then flows through the first working fluid-air heat exchanger 6 operated as a condenser for the working fluid and is completely liquefied while releasing heat to the environment, in particular to the ambient air. After flowing out of the heat exchanger 6, the working fluid is passed into the collector 7 for separating and collecting the working fluid. The liquid working fluid is sucked in by the delivery device 11. The fluid circuit 2 is closed.

Die vorzugsweise jeweils als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Verbindungsstellen 15-2, 15-3 sind derart geschaltet, dass der zweite Strömungspfad 2-3 geöffnet ist sowie der Primärkreislauf 2-1 in Richtung des Expansionsorgans 8 geschlossen ist und nicht mit Arbeitsfluid beaufschlagt wird. The connection points 15-2, 15-3, which are preferably each designed as a three-way valve, are connected in such a way that the second Flow path 2-3 is open and the primary circuit 2-1 is closed in the direction of the expansion element 8 and is not acted upon with working fluid.

Da die Flüssigkeit des Arbeitsfluids im Vergleich zum dampfförmigen Arbeitsfluid ein sehr geringes Volumen aufweist, wird zum Fördern der Flüssigkeit durch die Fördervorrichtung 11 lediglich ein Bruchteil der Energie benötigt, welche beim Entspannen des durch die Überhitzung vergrößerten Dampfvolumens des Arbeitsfluids innerhalb der Kompressions-Expansions- Vorrichtung 3 freigesetzt wird. Folglich wird mit dem Entspannen des Arbeitsfluids innerhalb der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 in Verbindung mit der Motor-Generator-Einheit 4 mehr elektrische Energie erzeugt als für das Antreiben der Fördervorrichtung 11 aufzuwenden ist. Die überschüssige Energie kann an verschiedene Verbraucher elektrischer Energie, beispielsweise des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, übertragen werden, sodass insbesondere die Leistung der Brennstoffzelle als stromerzeugende Vorrichtung und Spannungsquelle gedrosselt werden kann. Since the liquid of the working fluid has a very small volume compared to the vaporous working fluid, only a fraction of the energy is required to convey the liquid through the conveying device 11, which is required during the expansion of the vapor volume of the working fluid, which has increased due to the overheating, within the compression-expansion device 3 is released. Consequently, with the expansion of the working fluid within the compression-expansion device 3 in connection with the motor-generator unit 4, more electrical energy is generated than is required for driving the delivery device 11. The excess energy can be transmitted to various consumers of electrical energy, for example the drive train of the motor vehicle, so that in particular the power of the fuel cell as a power-generating device and voltage source can be throttled.

Neben der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3, welche beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Verdichter des Arbeitsfluids und im Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie als Expansionsmaschine betrieben wird, ist auch der zweite Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 9 bidirektional durchströmbar ausgebildet. Dabei wird der zweite Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager 9 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Verdampfer des Arbeitsfluids und damit zum Abkühlen beziehungsweise Entfeuchten der Zuluft 10 für den Fahrgastraum sowie im Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie und zum Erwärmen der Zuluft 10 des Fahrgastraums als Kondensator des Arbeitsfluids und damit zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an die Zuluft 10 für den Fahrgastraum genutzt.In addition to the compression-expansion device 3, which is operated as a compressor for the working fluid when operating in the refrigeration system mode and as an expansion machine in the operating mode for converting waste heat into electrical energy, the second working fluid-air heat exchanger 9 is also designed to be bi-directional. The second working fluid-air heat exchanger 9 is used in the refrigeration system mode as an evaporator of the working fluid and thus for cooling or dehumidifying the supply air 10 for the passenger compartment and in the operating mode for converting waste heat into electrical energy and for heating the supply air 10 of the passenger compartment as a condenser of the working fluid and thus used to transfer heat from the refrigerant to the supply air 10 for the passenger compartment.

Mit dem möglichen Einsatz des zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertragers 9 zum Erwärmen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum können andere Arten des Beheizens der Zuluft, wie mittels des Einsatzes elektrischer Energie zum Heizen mit elektrischen Widerstandsheizungen, verringert oder mittels der aufwändigen Ausbildung des Fluidkreislaufs als Wärmepumpenkreislauf, vermieden werden. Damit kann unter anderem der Bedarf an Elektroenergie für die Wärmebereitstellung reduziert werden. Die Vorrichtung 1 kann mit einer höheren Anzahl an Betriebsstunden im Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie betrieben werden, was eine höhere Jahresarbeit bewirkt. Eine Auslegung des Fluidkreislaufs 1 für einen Betrieb im Wärmepumpenmodus kann entfallen. With the possible use of the second working fluid-air heat exchanger 9 for heating the supply air 10 for the passenger compartment, other types of heating of the supply air, such as by using electrical energy for heating with electrical resistance heaters, can be reduced or by means of the complex design of the fluid circuit as a heat pump circuit can be avoided. Among other things, this can reduce the need for electrical energy to provide heat. The device 1 can be operated with a higher number of operating hours in the operating mode for converting waste heat into electrical energy, which results in higher annual work. A design of the fluid circuit 1 for operation in the heat pump mode can be omitted.

Um die Vorrichtung 1 in einem Wärmepumpenmodus betreiben zu können, kann der Fluidkreislauf 2 mit einem nicht dargestellten hydraulischen Vier- Wege-Kreislaufumkehrventil ausgebildet werden, welches zwischen der ersten Verbindungsstelle 15-1 und der vierten Verbindungsstelle 15-4 angeordnet ist. An den zwei verbleibenden Anschlussstellen wird das Vier-Wege- Kreislaufumkehrventil mit der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 verbunden, sodass der beim Betrieb des Fluidkreislaufs im Wärmepumpenmodus als Verdichterauslass dienende Anschluss der Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 auf die vierte Verbindungsstelle 15-4 aufgeschaltet ist und das auf Flochdruckniveau verdichtete Arbeitsfluid von der als Verdichter betriebenen Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 durch den zweiten Wärmeübertrager 9, in welchem Wärme vom Arbeitsfluid an die Zuluft 10 des Fahrgastraums übertragen wird, zum Expansionsorgan 8 geleitet wird. Nach der Expansion kann das Arbeitsfluids durch den ersten Wärmeübertrager 6 oder durch den dritten Wärmeübertrager 12 oder in Teilmassenströme aufgeteilt, parallel durch den ersten Wärmeübertrager 6 und den dritten Wärmeübertrager 12 geführt werden. Dabei könnte sowohl die Abwärme, insbesondere das den dritten Wärmeübertrager 12 beaufschlagende Kühlmittel 13, als auch die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt werden. Im Vergleich zum Betrieb des Fluidkreislaufs 2 im Kälteanlagenmodus werden der erste Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6, der Sammler 7, das Expansionsorgan 8 und der zweite Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 9 in entgegengesetzter Strömungsrichtung vom Arbeitsfluid beaufschlagt, welche dann bidirektional durchströmbar ausgebildet sind. Die Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager 6, 9 können jeweils als Verdampfer oder als Kondensator des Arbeitsfluids betrieben werden. In order to be able to operate the device 1 in a heat pump mode, the fluid circuit 2 can be designed with a hydraulic four-way circuit reversing valve, not shown, which is arranged between the first connection point 15-1 and the fourth connection point 15-4. At the two remaining connection points, the four-way circuit reversing valve is connected to the compression-expansion device 3, so that the connection of the compression-expansion device 3, which is used as a compressor outlet when the fluid circuit is operated in heat pump mode, is connected to the fourth connection point 15-4 and the working fluid compressed to floch pressure level from the compression-expansion device 3 operated as a compressor through the second heat exchanger 9, in which heat is transferred from the working fluid to the supply air 10 of the passenger compartment, to the expansion element 8. After the expansion, the working fluid can be divided through the first heat exchanger 6 or through the third heat exchanger 12 or divided into partial mass flows and guided in parallel through the first heat exchanger 6 and the third heat exchanger 12. Both the waste heat, in particular the coolant 13 acting on the third heat exchanger 12, and the ambient air could be used as a heat source. Compared to the operation of the fluid circuit 2 in the refrigeration system mode, the first working fluid-air heat exchanger 6, the collector 7, the expansion element 8 and the second working fluid-air heat exchanger 9 are acted upon by the working fluid in the opposite direction of flow, which are then designed to be bi-directional. The working fluid-air heat exchangers 6, 9 can each be operated as an evaporator or as a condenser for the working fluid.

Mit dem möglichen Einsatz des zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertragers 9 des Fluidkreislaufs 2 zum Erwärmen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum mittels Kondensationswärme des ORC-Prozesses im Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie kann die Auslegung des Fluidkreislaufs 2 für den Wärmepumpenmodus mit zusätzlicher Systemkomplexität und zusätzlichem Gewicht jedoch vermieden werden. With the possible use of the second working fluid-air heat exchanger 9 of the fluid circuit 2 to heat the supply air 10 for the passenger compartment by means of condensation heat of the ORC process in the operating mode for converting waste heat into electrical energy, the design of the fluid circuit 2 for the heat pump mode with additional system complexity and additional weight, however, can be avoided.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 und die Motor-Generator-Einheit 4 sind für einen Richtungswechsel der Bewegung und die Leistungselektronik 5 ist für einen Richtungswechsel des Stromflusses konfiguriert. The compression-expansion device 3 and the motor-generator unit 4 are configured for a change in direction of the movement and the power electronics 5 is configured for a change in direction of the current flow.

In einem Betriebsmodus, in welchem weder das Kühlen noch das Erwärmen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum erforderlich sind, kann die Kompressions- Expansions-Vorrichtung 3, wie beim Betriebsmodus nach Fig. 1b, als Expansionsmaschine betrieben werden, um in Verbindung mit der Motor- Generator-Einheit 4 Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln. Der wesentliche Unterschied zum Betrieb mit dem Erwärmen der Zuluft 10 für den Fahrgastraum liegt in der Umströmung des zweiten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertragers 9 durch das Arbeitsmittel, welche mit der gestrichelten Linie als Strömung des Arbeitsfluids gekennzeichnet ist. Die vorzugsweise jeweils als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Verbindungsstellen 15-2, 15-3, 15-4 sind derart geschaltet, dass der dritte Strömungspfad 2-4 als Verbindung zum zweiten Strömungspfad 2-3 geöffnet ist, wobei der Primärkreislauf 2-1 in Richtung des zweiten Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertragers 9 und des Expansionsorgans 8 geschlossen ist und nicht mit Arbeitsfluid beaufschlagt wird. Der dritte Strömungspfad 2-4 ist dann in Verbindung zumindest mit einem Abschnitt des zweiten Strömungspfades 2-3 als ein Bypass zum zweiten Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager 9 ausgebildet. Der Fluidkreislauf 2 ist derart konfiguriert, dimensioniert und eingebunden, dass sowohl beim Betrieb der Vorrichtung 1 im Kälteanlagenmodus als auch im Betriebsmodus zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie und damit beim Einsatz der Fördervorrichtung 11 sowie des dritten Wärmeübertragers 12 stets Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen werden kann. Zudem können zusätzliche Wärmeübertrager zum Abführen von Wärme beziehungsweise zum Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs entfallen. Dabei wird mittels der Fördervorrichtung 11 der Druck des Arbeitsfluids derart erhöht, die Druckverluste beim Durchströmen des Fluidkreislaufs 2 zu kompensieren. In an operating mode in which neither the cooling nor the heating of the supply air 10 for the passenger compartment are required, the compression-expansion device 3 can be operated as an expansion machine, as in the operating mode according to FIG. Generator unit 4 to convert waste heat into electrical energy. The main difference to the operation with the heating of the supply air 10 for the passenger compartment lies in the flow of the working fluid around the second working fluid-air heat exchanger 9, which is indicated by the dashed line as the flow of the working fluid. The connection points 15-2, 15-3, 15-4, which are each preferably designed as a three-way valve, are connected in such a way that the third flow path 2-4 is open as a connection to the second flow path 2-3, the primary circuit 2-1 is closed in the direction of the second working fluid-air heat exchanger 9 and the expansion element 8 and is not acted upon by working fluid. The third flow path 2-4 is then designed in connection with at least a section of the second flow path 2-3 as a bypass to the second working fluid-air heat exchanger 9. The fluid circuit 2 is configured, dimensioned and integrated in such a way that both when the device 1 is operated in the refrigeration system mode and in the operating mode for converting waste heat into electrical energy and thus when the conveyor 11 and the third heat exchanger 12 are used, there is always heat from the working fluid to the environment can be transferred. In addition, additional heat exchangers for dissipating heat or for cooling components of the electric drive train can be dispensed with. In this case, the pressure of the working fluid is increased by means of the delivery device 11 in such a way as to compensate for the pressure losses when flowing through the fluid circuit 2.

Der Fluidkreislauf 2 und die Betriebsmodi sind für jedes Arbeitsfluid verwendbar, welches einerseits unter Aufnahme von Wärme einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft und andererseits durch Gaskühlung/Kondensation sowie gegebenenfalls Unterkühlung Wärme an eine Wärmesenke abgibt. Als Arbeitsfluid sind natürliche Stoffe, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, FIFO-1234yf, sowie diverse Arbeitsfluidgemische verwendbar. The fluid circuit 2 and the operating modes can be used for any working fluid which, on the one hand, undergoes a phase transition from liquid to gaseous while absorbing heat and, on the other hand, emits heat to a heat sink through gas cooling / condensation and, if necessary, subcooling. Natural substances, flammable substances such as R290, R600, R600a and similar chemical substances such as R134a, R152a, FIFO-1234yf, and various working fluid mixtures can be used as the working fluid.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein T-s-Diagramm mit Zustandsänderungen des Arbeitsfluids beim Betrieb des Fluidkreislaufs 2 sowohl im Kälteanlagenmodus KA ausschließlich zum Kühlen der Zuluft 10 des Fahrgastraums ohne ein Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs als auch beim Betrieb im ORC-Prozess zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie sowie zum Erwärmen der Zuluft 10 des Fahrgastraums für Butan, auch als R600 bezeichnet, als Arbeitsfluid gezeigt. Sowohl das Zweiphasengebiet als auch der kritische Punkt kP des Arbeitsfluids sind markiert. Zudem ist der Temperaturverlauf des Kühlmittels 13 als Abwärmequelle im im Gegenstromprinzip betriebenen dritten Wärmeübertrager 12 dargestellt. In Fig. 2 is an example of a Ts diagram with changes in the state of the working fluid during operation of the fluid circuit 2 both in the refrigeration system mode KA exclusively for cooling the supply air 10 of the passenger compartment without tempering a component of the drive train and during operation in the ORC process for converting waste heat in electrical energy as well as for heating the supply air 10 of the passenger compartment for butane, also referred to as R600, shown as working fluid. Both the two-phase area and the critical point kP of the working fluid are marked. In addition, the temperature profile of the coolant 13 is shown as a waste heat source in the third heat exchanger 12 operated on the countercurrent principle.

Im Betriebsmodus des Fluidkreislaufs 2 zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie sowie zum Erwärmen der Zuluft 10 des Fahrgastraums können bei einer Umgebungstemperatur von 5°C zusätzlich eine Leistung von etwa 11 % und bei einer Umgebungstemperatur von 15°C etwa 7 % einer vorgegebenen Brennstoffzellenleistung bereitgestellt werden. Bei der Dimensionierung des ersten Wärmeübertragers 6 für den Betrieb des Fluidkreislaufs 2 im Kälteanlagenmodus mit parallelem Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs werden die Werte der Leistung noch deutlich verbessert. In the operating mode of the fluid circuit 2 for converting waste heat into electrical energy and for heating the supply air 10 of the passenger compartment, at an ambient temperature of 5 ° C., an output of about 11% and at an ambient temperature of 15 ° C about 7% of a given fuel cell output. When dimensioning the first heat exchanger 6 for the operation of the fluid circuit 2 in the refrigeration system mode with parallel temperature control of a component of the drive train, the performance values are still significantly improved.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

1 Vorrichtung 1 device

2 Fluidkreislauf 2 fluid circuit

2-1 Primärkreislauf 2-1 primary circuit

2-2 erster Strömungspfad 2-2 first flow path

2-3 zweiter Strömungspfad 2-3 second flow path

2-4 dritter Strömungspfad 2-4 third flow path

3 Kompressions-Expansions-Vorrichtung 3 compression-expansion device

4 Motor-Generator-Einheit 4 motor generator unit

5 Leistungselektronik 5 power electronics

6 erster Wärmeübertrager, erster Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager6 first heat exchanger, first working fluid-air heat exchanger

7 Sammler 7 collectors

8 Expansionsorgan 8 expansion device

9 zweiter Wärmeübertrager, zweiter Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager9 second heat exchanger, second working fluid-air heat exchanger

10 Zuluft Fahrgastraum 10 Passenger compartment supply air

11 Fördervorrichtung 11 conveyor

12 dritter Wärmeübertrager 12 third heat exchanger

13 Kühlmittel Antriebsstrang 13 Powertrain coolant

14 Abzweigstelle 14 Junction point

15-1 erste Verbindungsstelle 15-1 first connection point

15-2 zweite Verbindungsstelle 15-2 second junction

15-3 dritte Verbindungsstelle 15-3 third junction

15-4 vierte Verbindungsstelle 15-4 fourth junction

16 Mündungsstelle 16 Muzzle

Claims

Patentansprüche Claims

1. Vorrichtung (1) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft, insbesondere eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluidkreislauf (2), aufweisend: 1. Device (1) for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air, in particular a passenger compartment of a motor vehicle, with a fluid circuit (2), comprising:

- eine Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3), einen ersten Wärmeübertrager (6) zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung, ein Expansionsorgan (8) sowie einen zweiten Wärmeübertrager (9) zum Konditionieren der Zuluft (10), welche innerhalb eines Primärkreislaufs (2-1) angeordnet sind, - A compression-expansion device (3), a first heat exchanger (6) for transferring heat from the working fluid to the environment, an expansion element (8) and a second heat exchanger (9) for conditioning the supply air (10), which within a Primary circuit (2-1) are arranged,

- einen ersten Strömungspfad (2-2) mit einer Fördervorrichtung (11) und einem als Verdampfer des Arbeitsfluids betreibbaren dritten Wärmeübertrager (12), wobei sich der erste Strömungspfad (2-2) von einer zwischen dem ersten Wärmeübertrager (6) und dem Expansionsorgan (8) ausgebildeten Abzweigstelle (14) bis zu einer zwischen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) und dem ersten Wärmeübertrager (6) ausgebildeten ersten Verbindungsstelle (15-1) erstreckt, sowie - A first flow path (2-2) with a conveying device (11) and a third heat exchanger (12) which can be operated as an evaporator of the working fluid, the first flow path (2-2) extending from one between the first heat exchanger (6) and the expansion element (8) formed branch point (14) extends to a first connection point (15-1) formed between the compression-expansion device (3) and the first heat exchanger (6), as well as

- einen zweiten Strömungspfad (2-3), welcher sich von einer zwischen dem Expansionsorgan (8) und dem zweiten Wärmeübertrager (9) ausgebildeten zweiten Verbindungsstelle (15-2) bis zu einer zwischen der ersten Verbindungsstelle (15-1) und dem ersten Wärmeübertrager (6) ausgebildeten dritten Verbindungsstelle (15-3) erstreckt. - A second flow path (2-3) which extends from a second connection point (15-2) formed between the expansion element (8) and the second heat exchanger (9) to one between the first connection point (15-1) and the first Heat exchanger (6) formed third connection point (15-3) extends.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (6) als Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager (6) zum Übertragen von Wärme zwischen dem Arbeitsfluid und Luft ausgebildet ist. 2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the first heat exchanger (6) is designed as a working fluid-air heat exchanger (6) for transferring heat between the working fluid and air.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (9) als Arbeitsfluid-Luft- Wärmeübertrager (9) zum Konditionieren der Zuluft (10) vom Arbeitsfluid bidirektional durchströmbar ausgebildet ist. 3. Device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the second heat exchanger (9) is designed as a working fluid-air heat exchanger (9) for conditioning the supply air (10) so that the working fluid can flow through it bidirectionally.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmeübertrager (12) als ein Arbeitsfluid-Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel an das Arbeitsfluid ausgebildet ist. 4. Device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the third heat exchanger (12) is designed as a working fluid-coolant heat exchanger for transferring heat from a coolant to the working fluid.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) für einen Betrieb des Fluidkreislaufs (2) in einem Kälteanlagenmodus zum Konditionieren von Zuluft (10) als Verdichter des Arbeitsfluids und für einen Betrieb des Fluidkreislaufs (2) zum Umwandeln von Abwärme in elektrische Energie als Expansionsmaschine betreibbar ausgebildet ist. 5. Device (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compression-expansion device (3) for operating the fluid circuit (2) in a refrigeration system mode for conditioning supply air (10) as a compressor of the working fluid and is designed to be operable as an expansion machine for operating the fluid circuit (2) for converting waste heat into electrical energy.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) vom Arbeitsfluid bidirektional durchströmbar ausgebildet ist. 6. Device (1) according to claim 5, characterized in that the compression-expansion device (3) is designed so that the working fluid can flow through it bidirectionally.

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) mit einer Motor- Generator-Einheit (4) mechanisch direkt verbunden ist, wobei die Motor-Generator-Einheit (4) für einen Betrieb der Kompressions- Expansions-Vorrichtung (3) 7. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the compression-expansion device (3) is mechanically directly connected to a motor-generator unit (4), the motor-generator unit (4) for operation of the compression-expansion device (3)

- als Verdichter des Arbeitsfluids derart ausgebildet ist, die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) unter Aufnahme elektrischer Energie als Motor betrieben anzutreiben, und - als Expansionsmaschine derart ausgebildet ist, von der Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) unter Abgabe elektrischer Energie als Generator betrieben angetrieben zu werden. - Is designed as a compressor of the working fluid in such a way as to drive the compression-expansion device (3) operated as a motor while absorbing electrical energy, and - Is designed as an expansion machine in such a way that it is driven by the compression-expansion device (3) while delivering electrical energy as a generator.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Motor-Generator-Einheit (4) über eine Leistungselektronik (5) mit einem Bordnetz elektrisch verbunden ausgebildet ist. 8. The device (1) according to claim 7, characterized in that the motor-generator unit (4) is designed to be electrically connected to an on-board network via power electronics (5).

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkreislauf (2) einen dritten9. Device (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fluid circuit (2) has a third

Strömungspfad (2-4) aufweist, welcher sich von einer vierten Verbindungsstelle (15-4) bis zum zweiten Strömungspfad (2-3) erstreckend ausgebildet ist, wobei die vierte Verbindungsstelle (15-4) zwischen der Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) und dem zweiten Wärmeübertrager (9) ausgebildet ist. Has flow path (2-4) which is designed to extend from a fourth connection point (15-4) to the second flow path (2-3), the fourth connection point (15-4) between the compression-expansion device (3 ) and the second heat exchanger (9) is formed.

10. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft nach einem der Ansprüche 1 bis 9, beim Betrieb in einem Kälteanlagenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft (10), aufweisend folgende Schritte: 10. A method for operating a device (1) for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air according to one of claims 1 to 9, when operating in a refrigeration system mode for cooling and / or dehumidifying the supply air (10), comprising the following steps:

- Leiten eines aus einer als Verdichter betriebenen Kompressions- Expansions-Vorrichtung (3) ausströmenden Arbeitsfluids auf einem Hochdruckniveau durch einen als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager (6), wobei Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen wird, - Conducting a working fluid flowing out of a compression-expansion device (3) operated as a compressor at a high pressure level through a first heat exchanger (6) operated as a condenser, with heat being transferred from the working fluid to the environment,

- Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager (6) ausströmenden Arbeitsfluids durch ein Expansionsorgan (8), wobei das Arbeitsfluid auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, - Passing the working fluid flowing out of the first heat exchanger (6) through an expansion element (8), the working fluid being expanded to a low pressure level,

- Leiten des aus dem Expansionsorgan (8) ausströmenden Arbeitsfluids durch einen als Verdampfer betriebenen zweiten Wärmeübertrager (9), wobei Wärme von der Zuluft (10) an das Arbeitsfluid übertragen und die Zuluft (10) abgekühlt und/oder entfeuchtet wird, sowie - Passing the working fluid flowing out of the expansion element (8) through a second operated as an evaporator Heat exchanger (9), with heat being transferred from the supply air (10) to the working fluid and the supply air (10) being cooled and / or dehumidified, as well as

- Ansaugen des Arbeitsfluids durch die als Verdichter betriebene Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3). - Sucking in the working fluid through the compression-expansion device (3) operated as a compressor.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem ersten Wärmeübertrager (6) ausströmende Arbeitsfluid in einen ersten Teilmassenstrom zum Expansionsorgan (8) und einen zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt wird, wobei der zweite Teilmassenstrom11. The method according to claim 10, characterized in that the working fluid flowing out of the first heat exchanger (6) is divided into a first partial mass flow to the expansion element (8) and a second partial mass flow, the second partial mass flow

- durch eine Fördervorrichtung (11) angesaugt und durch einen als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertrager (12) geleitet wird, wobei Wärme an das Arbeitsfluid übertragen und das Arbeitsfluid verdampft wird, sowie - Is sucked in by a conveying device (11) and passed through a third heat exchanger (12) operated as an evaporator, heat being transferred to the working fluid and the working fluid being evaporated, and

- mit dem aus der Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) ausströmenden ersten Teilmassenstrom vermischt und durch den ersten Wärmeübertrager (6) zum Übertragen von Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung geleitet wird. - is mixed with the first partial mass flow flowing out of the compression-expansion device (3) and passed through the first heat exchanger (6) to transfer heat from the working fluid to the environment.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) durch eine als Elektromotor betriebene Motor-Generator-Einheit (4) angetrieben wird, welche elektrische Energie über eine Leistungselektronik (5) aus einem Bordnetz bezieht. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the compression-expansion device (3) is driven by a motor-generator unit (4) operated as an electric motor, which generates electrical energy via power electronics (5) from an on-board network relates.

13. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft nach einem der Ansprüche 1 bis 9, beim Betrieb zum Erzeugen elektrischer Energie, aufweisend folgende Schritte: 13. A method for operating a device (1) for generating electrical energy from waste heat and for conditioning supply air according to one of claims 1 to 9, in the operation for generating electrical energy, having the following steps:

- Leiten eines aus einer als Expansionsmaschine betriebenen- Passing one from an operated as an expansion machine

Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) ausströmenden Arbeitsfluids auf einem Niederdruckniveau durch einen als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager (6), wobei Wärme vom Arbeitsfluid an die Umgebung übertragen wird, Compression-expansion device (3) flowing out Working fluid at a low pressure level through a first heat exchanger (6) operated as a condenser, with heat being transferred from the working fluid to the environment,

- Ansaugen des aus dem ersten Wärmeübertrager (6) ausströmenden Arbeitsfluids durch eine Fördervorrichtung (11) und Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids auf ein Hochdruckniveau,- Sucking in the working fluid flowing out of the first heat exchanger (6) by a conveying device (11) and increasing the pressure of the working fluid to a high pressure level,

- Leiten des aus der Fördervorrichtung (11) ausströmenden Arbeitsfluids durch einen als Verdampfer betriebenen dritten Wärmeübertrager (12), wobei Wärme an das Arbeitsfluid übertragen und das Arbeitsfluid verdampft wird, sowie - Passing the working fluid flowing out of the delivery device (11) through a third heat exchanger (12) operated as an evaporator, with heat being transferred to the working fluid and the working fluid being evaporated, and

- Leiten des aus dem dritten Wärmeübertrager (12) ausströmenden Arbeitsfluids zur Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) und Entspannen des Arbeitsfluids auf das Niederdruckniveau. - Guiding the working fluid flowing out of the third heat exchanger (12) to the compression-expansion device (3) and releasing the working fluid to the low pressure level.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) ausströmende Arbeitsfluid durch einen als Kondensator betriebenen zweiten Wärmeübertrager (9) geleitet wird, wobei Wärme vom Arbeitsfluid an die Zuluft (10) übertragen und die Zuluft (10) erwärmt wird. 14. The method according to claim 13, characterized in that the working fluid flowing out of the compression-expansion device (3) is passed through a second heat exchanger (9) operated as a condenser, heat being transferred from the working fluid to the supply air (10) and the Supply air (10) is heated.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem zweiten Wärmeübertrager (9) ausströmenden Arbeitsfluid durch den als Kondensator betriebenen ersten Wärmeübertrager (6) geleitet wird, sodass der zweite Wärmeübertrager (9) und der erste Wärmeübertrager (6) in Reihe nacheinander mit Arbeitsfluid beaufschlagt werden. 15. The method according to claim 14, characterized in that the working fluid flowing out of the second heat exchanger (9) is passed through the first heat exchanger (6) operated as a condenser, so that the second heat exchanger (9) and the first heat exchanger (6) are in series are successively acted upon with working fluid.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Expansions-Vorrichtung (3) eine als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit (4) antreibt, welche elektrische Energie erzeugt und über eine Leistungselektronik (5) in ein Bordnetz einspeist. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the compression-expansion device (3) drives a motor-generator unit (4) operated as a generator, which generates electrical energy and feeds it into an on-board network via power electronics (5).

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem dritten Wärmeübertrager (12) Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor oder Leistungselektronik oder eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, temperiert werden. 17. The method according to any one of claims 11 to 16, characterized in that with the third heat exchanger (12) components of a drive train, in particular an electric motor or an internal combustion engine or power electronics or a low-temperature fuel cell, are tempered.