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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung und die Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Motor-Generator-Einheit ist bevorzugt über eine Leistungselektronik mit einem Bordnetz, insbesondere des Kraftfahrzeugs, elektrisch verbunden.

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.

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.

Ein Verfahren weist beim Betrieb der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs in einem Kälteanlagenmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft folgende Schritte auf:

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,

Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden Arbeitsfluids durch ein Expansionsorgan, wobei das Arbeitsfluid auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,

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

- Ansaugen des Arbeitsfluids durch die als Verdichter betriebene Kompressions-Expansions-Vorrichtung.

Dabei zirkuliert das Arbeitsfluid vorzugsweise ausschließlich durch einen Primärkreislauf.

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.

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.

Ein weiteres Verfahren weist beim Betrieb der Vorrichtung beziehungsweise des Fluidkreislaufs zum Erzeugen elektrischer Energie folgende Schritte auf:

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,

- Ansaugen des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden Arbeitsfluids durch eine Fördervorrichtung und Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids auf ein Hochdruckniveau,

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.

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.

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.

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.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung wird vorteilhaft je nach Betriebsmodus vom Arbeitsfluid bidirektional durchströmt.

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.

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.

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.

Die Kompressions-Expansions-Vorrichtung weist vorzugsweise ein veränderliches Druckverhältnis auf, welches auch beim Betrieb als Expansionsmaschine nutzbar ist.

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.

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 zweite

Wärmeübertrager auch mit den maximalen Volumenströmen für den Betrieb im Kälteanlagenmodus mit Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs ausgelegt sein.

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 einer

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.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Abwärme und zum Konditionieren von Zuluft sowie die erfindungsgemäßen Verfahren weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:

- konstruktiv einfach und kompakt aufgebaut, damit minimaler Bauraumbedarf,

- 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

- Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen der Zuluft des Fahrgastraums mit minimalem Energieeinsatz auch durch

- Abwärmeverstromung unter Berücksichtigung der Kühlanforderungen und Heizanforderungen.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Fluidkreislauf

2-1 Primärkreislauf

2-2 erster Strömungspfad

2-3 zweiter Strömungspfad

2-4 dritter Strömungspfad

3 Kompressions-Expansions-Vorrichtung

4 Motor-Generator-Einheit

5 Leistungselektronik

6 erster Wärmeübertrager, erster Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager

7 Sammler

8 Expansionsorgan

9 zweiter Wärmeübertrager, zweiter Arbeitsfluid-Luft-Wärmeübertrager

10 Zuluft Fahrgastraum

11 Fördervorrichtung

12 dritter Wärmeübertrager

13 Kühlmittel Antriebsstrang

14 Abzweigstelle

15-1 erste Verbindungsstelle

15-2 zweite Verbindungsstelle

15-3 dritte Verbindungsstelle

15-4 vierte Verbindungsstelle

16 Mündungsstelle