Kältemittelkreislaufanordnung und Verfahren zum Betrieb einer Kältemittelkreislaufanordnung

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Kältemittelkreislaufanordnung und auf ein Verfahren zum Betrieb einer Kältemittelkreislaufanordnung gerichtet. Die Kältemittelkreislaufanordnung umfasst insbesondere zumindest einen Kältekreislauf mit zumindest einem Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels, einem Kondensator zum Abkühlen und Verflüssigen des verdichteten Kältemittels und mindestens einem Verdampfer zum Rücküberführen des verflüssigten Kältemittels in den gasförmigen Zustand. Der mindestens eine Verdampfer wird zum Abkühlen von Fluidströmungen oder von Komponenten eingesetzt. Das Kältemittel durchströmt den Kältemittelkreislauf ausgehend von dem Verdichter über den Kondensator und den mindestens einen Verdampfer zurück zum Verdichter. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.

Bei Kraftfahrzeugen mit Traktionsantrieb wird die elektrische Energie zur Verfügung stellende Batterie gekühlt bzw. temperiert. Das Geräusch eines Klimageräts, das zur Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, ist vor allem bei derartigen Kraftfahrzeugen mit Traktionsantrieb bei hohen Außentemperaturen dauerhaft wahrnehmbar. Zur Reduzierung eines Lüftergeräusches des Klimageräts bei Aufrechterhaltung der Kälteleistung muss die Zulufttemperatur gesenkt werden. Dies kann durch die Verwendung eines weiteren Verdampfers erreicht werden, der die Temperatur der dem Innenraum zugeführten Luft weiter absenkt, insbesondere auf unter null Grad Celsius.

Es ist bekannt, eine Batterie über einen Kühlmittelkreis zu kühlen, bei dem das Kühlmittel über das Klimagerät gekühlt wird. Es ist auch bekannt, die Verdampfertemperatur auf unter null Grad Celsius abzusenken, wobei die Luft in einer Entfeuchtungsstufe bereits auf 2 Grad Celsius vorgekühlt wird.

In beiden Fällen ist die Effizienz und Leistung des Kältemittelkreislaufs nicht optimal. In beiden Fällen liegen verschiedene Temperaturniveaus vor, die durch den Kältemittelkreis bereitzustellen sind. Die Batterie sollte z. B. auf ca. 20 Grad Celsius temperiert werden. Das Klimagerät sollte die Luft auf ca. zwei Grad Celsius temperieren. Soll das Lüftergeräusch weiter reduziert werden, ist eine Abkühlung der Luft auf ca. -10 Grad Celsius erforderlich. Dies führt dazu, dass sich ein Druckniveau an einer Saugseite eines Verdichters des Kältemittelkreises an dem niedrigsten Temperaturniveau orientiert und der Verdichter damit mehr Energie benötigt, als es bei einem höheren Temperaturniveau erforderlich wäre.

Aus der DE 102013204 188 A1 ist ein Kältemittelkreis eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Kältemittelkreis umfasst einen Verdichter, einen Kondensator, einen Wärmeübertrager sowie einen oder mehrere Verdampfer. Der Verdichter kann ein zweistufiger Verdichter sein, dem noch nicht verflüssigtes Kältemittel dem Mitteldruckbereich des Verdichters wieder zugeführt wird.

Aus der DE 102011 118 162 A1 ist eine kombinierte Kälteanlage und Wärmepumpe bekannt. Dabei soll eine optimale Kältemittelmenge stets eingehalten und eine Verlagerung von Kältemittel vermieden werden.

Aus der DE 102009030041 A1 ist ein Fahrzeug-Klimasystem mit einem Kühlmittelkreislauf bekannt. In einem Hochdruckzweig stromabwärts eines Kompressors sind nacheinander ein Kondensator und mehrere Verdampfer angeordnet. Jeder Verdampfer wird über eine Expansionsvorrichtung mit einem Kühlmittel beaufschlagt. In dem Hochdruckzweig ist ein einziges Überdruckventil angeordnet. Über das Überdruckventil kann ein Überdruck in dem Hochdruckzweig an den Niederdruckzweig abgeführt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Kältemittelkreislauf vorgeschlagen werden, der energieeffizient betrieben werden kann. Weiter soll ein Verfahren zum Betrieb eines Kältemittelkreislaufs vorgeschlagen werden, mit dem ein energieeffizienter Betrieb des Kältemittelkreislaufs durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Kältemittelkreislaufanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Es wird eine Kältemittelkreislaufanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend

• eine Verdichtungseinheit für ein Kältemittel bzw. zum Verdichten eines Kältemittels, mit zumindest einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe,

• einen ersten Kondensator,

• einen ersten Verdampfer,

• zumindest einen zweiten Verdampfer sowie

• einen Wärmeübertrager.

Die Kältemittelkreislaufanordnung umfasst zwei Kältemittelkreisläufe. Ein erster Kältemittelkreislauf umfasst die erste Stufe mit einer stromabwärtigen ersten Druckseite und einer stromaufwärtigen ersten Saugseite und einer an der ersten Saugseite angebundenen ersten Zuleitung mit einem ersten Druckniveau. Ein zweiter Kältemittelkreislauf umfasst die zweite Stufe mit einer stromabwärtigen zweiten Druckseite und einer stromaufwärtigen zweiten Saugseite und einer an der zweiten Saugseite angebundenen zweiten Zuleitung mit einem von dem ersten Druckniveau unterschiedlichen zweiten Druckniveau.

Das erste Druckniveau ist insbesondere höher ist als das zweite Druckniveau. Eine umgekehrte Ausgestaltung der Druckniveaus ist aber auch möglich. Die Druckniveaus unterscheiden sich insbesondere um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 %, des höheren Druckniveaus. Die Kältemittelkreislaufanordnung ist insbesondere zum Betrieb mit Kältemittel und den angegebenen Druckniveaus eingerichtet.

Der erste Kondensator und stromabwärtig des ersten Kondensators der erste Verdampfer sind in dem ersten Kältemittelkreislauf angeordnet. Der zweite Verdampfer ist in dem zweiten Kältemittelkreislauf angeordnet. Der Wärmeübertrager ist zur Übertragung von Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf in den ersten Kältemittelkreislauf geeignet angeordnet und bildet einen in dem zweiten Kältemittelkreislauf stromaufwärts des zweiten Verdampfers angeordneten zweiten Kondensator aus.

Die Verdichtungseinheit dient insbesondere der Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels, z. B. Kohlendioxid, auf einen höheren Druck. Dabei wird über die Verdichtungseinheit der an einer Saugseite vorliegende Druck auf einen an einer Druckseite der Verdichtungseinheit vorliegenden Druck erhöht. Die Verdichtungseinheit umfasst insbesondere mindestens zwei Stufen, d. h. die an den Saugseiten vorliegenden Drücke können voneinander unterschiedlich sein. Dafür sind unterschiedliche Zuleitungen vorgesehen, über die das Kältemittel der Verdichtungseinheit zugeführt wird. Die an den Druckseiten vorliegenden Drücke können gleich oder voneinander unterschiedlich sein. Die erste Zuleitung weist insbesondere ein höheres Druckniveau auf, d. h. der hier in der ersten Zuleitung vorliegende Druck ist regelmäßig höher als der in der zweiten Zuleitung vorliegende Druck des Kältemittels. Das aus der ersten Zuleitung der ersten Stufe der Verdichtungseinheit zugeführte Kältemittel wird durch die Verdichtungseinheit auf einen Druck der ersten Druckseite verdichtet, wobei hier die geringere Druckdifferenz zwischen einer Druckseite und einer Saugseite der Kältemittelkreislaufanordnung vorliegt.

Die zweite Zuleitung weist insbesondere ein geringeres Druckniveau auf, d. h. der hier in der zweiten Zuleitung vorliegende Druck ist regelmäßig geringer als der in der ersten Zuleitung vorliegende Druck des Kältemittels. Das aus der zweiten Zuleitung der zweiten Stufe der Verdichtungseinheit zugeführte Kältemittel wird durch die Verdichtungseinheit auf einen Druck der zweiten Druckseite verdichtet, wobei hier die höchste Druckdifferenz zwischen einer Druckseite und einer Saugseite der Kältemittelkreislaufanordnung vorliegt.

Das erste Druckniveau ist insbesondere um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 %, des ersten Druckniveaus höher als das zweite Druckniveau.

Das in der Verdichtungseinheit verdichtete Kältemittel wird über einen Kondensator insbesondere abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt. Die Abkühlung erfolgt insbesondere über eine Wärmeübertragung mit Umgebungsluft. Der Kondensator kann auch als Gaskühler vorgesehen sein, wobei dabei das Kältemittel ohne Phasenwechsel abgekühlt wird.

Das zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel wird zumindest einem Verdampfer zugeführt. In einem Verdampfer wird das verflüssigte Kältemittel auf einen geringeren Druck entspannt und zumindest teilweise in einen gasförmigen Zustand überführt.

Das zumindest teilweise gasförmige Kältemittel wird über die Zuleitungen der Verdichtungseinheit zugeführt.

Stromaufwärts der Verdampfer ist, insbesondere für jeden Verdampfer separat, eine Expansionseinrichtung angeordnet, über die das zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel entspannt und zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand überführt wird. Insbesondere ist stromaufwärts oder stromabwärts der Verdampfer, insbesondere für jeden Verdampfer separat, eine Absperreinrichtung angeordnet, über die ein Volumenstrom des Kältemittels über den Verdampfer regelbar ist. Eine Absperreinrichtung kann z. B. einem Expansionsventil realisiert sein, wobei ein Expansionsventil einem Verdampfer zugeordnet und stromaufwärts davon angeordnet ist.

In den Verdampfern erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und dem Kältemittel, so dass das Fluid über das Kältemittel abgekühlt werden kann.

Der Wärmeübertrager ist insbesondere zur Übertragung von Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf in den ersten Kältemittelkreislauf geeignet angeordnet und bildet einen in dem zweiten Kältemittelkreislauf stromaufwärts des zweiten Verdampfers angeordneten zweiten Kondensator aus. Damit kann das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs durch den ersten Kältemittelkreislauf abgekühlt werden.

Diese Anordnung ist insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft. Der insbesondere mit Umgebungsluft gekühlte erste Kondensator kann dann nur in begrenztem Maße gekühlt werden, so dass eine für den zweiten Kältemittelkreislauf geforderte Kühlleistung nur mit einem höheren Druckniveau zu erreichen wäre. Vorliegend wird die Wärmesenke des ersten Verdampfers bzw. des ersten Kältemittelkreises genutzt, so dass der zweite Kältemittelkreislauf die Wärme auf einem geringeren Temperaturniveau (als die ggf. hohe Umgebungstemperatur), abgeben kann.

Der erste Verdampfer ist insbesondere zur Kühlung einer Batterie und der zweite Verdampfer zur Kühlung von Luft eingesetzt.

Die Batterie ist insbesondere ein Stromspeicher für einen Traktionsantrieb eines Kraftfahrzeuges. Die Luft ist insbesondere Umgebungsluft, die z. B. einem Innenraum eines Kraftfahrzeuges zugeführt wird.

Die abgekühlte Umgebungsluft kann z. B. zur Temperierung eines Fahrgastraums oder mindestens eines Transportraums verwendet werden. In einem Transportraum können insbesondere Güter transportiert werden, die mit einer vorbestimmten Temperatur zu temperieren sind, z. B. Fleisch bei ca. 2 Grad Celsius, Tiefkühlprodukte bei ca. -15 Grad Celsius, etc. Ggf. sind mehrere Transporträume vorgesehen, die unterschiedlich temperiert werden müssen. Insbesondere werden die Verdampfer für voneinander unterschiedliche Temperaturniveaus eingesetzt. Die Temperaturniveaus unterscheiden sich insbesondere um mindestens 5 Kelvin voneinander, bevorzugt um mindestens 10 Kelvin. Z. B. ist der zur Kühlung der Batterie vorgesehene erste Verdampfer zur Temperierung der Batterie auf ca. 20 Grad Celsius eingerichtet. Der zur Kühlung der Luft vorgesehene zweite Verdampfer ist z. B. zur Temperierung der Luft auf 2 Grad Celsius oder -15 Grad Celsius eingerichtet.

Es wird hier insbesondere vorgeschlagen, dass die Verdampfer über unterschiedliche Zuleitungen, also mit unterschiedlichen Druckniveaus an einer Saugseite einer Verdichtungseinheit, mit einer Verdichtungseinheit verbunden sind. Damit kann ein effizienter Betrieb der Kältemittelkreislaufanordnung realisiert werden, da für jeden Verdampfer unterschiedliche Kühlleistungen bereitgestellt werden können.

Insbesondere umfasst die Kältemittelkreislaufanordnung zusätzlich einen dritten Verdampfer, der in dem ersten Kältemittelkreislauf in einer Parallelschaltung zum ersten Verdampfer angeordnet ist. Insbesondere sind diese Verdampfer zwischen dem ersten Kondensator und der ersten Stufe der Verdichtungseinheit zueinander parallel geschaltet.

Insbesondere ist der dritte Verdampfer zur Kühlung von Luft eingesetzt, wobei der zweite Verdampfer zur weiteren Abkühlung der von dem dritten Verdampfer gekühlten Luft eingesetzt ist.

Insbesondere wird über den zweiten Verdampfer die Luft weiter abgekühlt, z. B. auf ein Temperaturniveau, das mindestens 5 Kelvin, bevorzugt mindestens 10 Kelvin, geringer ist, als das Temperaturniveau, für das der dritte Verdampfer eingerichtet ist. Insbesondere wird die Luft über den zweiten Verdampfer auf -10 Grad Celsius oder sogar auf -15 Grad Celsius oder weniger abgekühlt.

Insbesondere ist der Wärmeübertrager in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet. Der erste Verdampfer ist zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf angeordnet.

In dem ersten Verdampfer erfolgt insbesondere eine Wärmeübertragung zwischen dem in dem ersten Kältemittelkreislauf zirkulierendem Kältemittel und dem in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierendem Kühlmittel. Das Kühlmittel ist insbesondere eine Flüssigkeit. In dem Kühlmittelkreislauf erfolgt insbesondere kein Phasenübergang des Kühlmittels. Das Kühlmittel wird insbesondere durch eine Pumpe gefördert.

In dem Kühlmittelkreislauf ist zumindest der Wärmeübertrager angeordnet, so dass das von dem ersten Kältemittelkreislauf gekühlte Kühlmittel nun zur Kühlung des in dem zweiten Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels eingesetzt wird.

Insbesondere ist in dem Kühlmittelkreislauf ein weiterer Wärmeübertrager zur Temperierung einer Komponente angeordnet. Die Komponente ist z. B. ein Bestandteil eines Traktionsantriebs eines Kraftfahrzeuges, z. B. der Traktionsantrieb selbst oder eine Leistungselektronik, ein Wandler, etc.

Insbesondere ist der Wärmeübertrager in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung zum ersten Verdampfer in dem ersten Kältemittelkreislauf angeordnet.

Der erste Verdampfer kann in dem vorstehend beschriebenen Kühlmittelkreislauf angeordnet sein, wobei der in dem zweiten Kältemittelkreislauf angeordnete Wärmeübertrager nicht in dem Kühlmittelkreislauf sondern nur in dem ersten Kältemittelkreislauf angeordnet ist.

Insbesondere ist der Wärmeübertrager in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung zum dritten Verdampfer in dem ersten Kältemittelkreislauf angeordnet.

Insbesondere ist die Verdichtungseinheit ein zweistufiger Verdichter, wobei der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Die erste Zuleitung ist dabei mit einer ersten Stufe des Verdichters und die zweite Zuleitung mit einer zweiten Stufe des Verdichters verbunden. Insbesondere weist der Verdichter nur eine Druckseite auf, so dass die Drücke der beiden Druckseiten der Verdichtungseinheit hier identisch sind.

Insbesondere weist die Verdichtungseinheit zwei unabhängig voneinander betreibbare Verdichter auf, wobei auch nur einer der beiden Verdichter zur Bereitstellung eines Volumenstroms des Kältemittels betreibbar ist. Ein Kältemittel kann nur durch den ersten Kältemittelkreis, nur durch den zweiten Kältemittelkreis oder aber durch beide Kältemittelkreise gefördert werden. Der eine Verdichter der Verdichtungseinheit umfasst dann insbesondere die erste Stufe und der andere Verdichter die zweite Stufe.

Insbesondere umfasst zumindest ein Kältemittelkreislauf einen zweistufigen Verdichter, über den ein Kältemittel auf unterschiedlichen Druckniveaus angesaugt werden kann. Damit kann insbesondere die Verdichtungsarbeit zur Verdichtung des Kältemittels weiter reduziert werden. Insbesondere umfasst der zweite Kältemittelkreislauf einen Verdichter mit der zweiten Stufe und einer weiteren dritte Stufe. Die dritte Stufe ist mit der stromabwärtigen zweiten Druckseite und einer stromaufwärtigen dritten Saugseite verbunden. An der dritten Saugseite ist eine dritte Zuleitung mit einem von dem zweiten Druckniveau unterschiedlichen und höherem drittem Druckniveau angebunden.

Insbesondere kann so ausgenutzt werden, dass die Verdichtungsarbeit für den über die dritte Saugseite der dritten Stufe des zweistufigen Verdichters zugeführten Massenstrom des Kältemittels reduziert werden kann.

Das kann erreicht werden, wenn bedingt durch das höhere Temperaturniveau des Kältemittels stromabwärts z. B. des ersten Verdampfers gegenüber dem Temperaturniveau des Kältemittels stromabwärts des dritten Verdampfers, das Kältemittel auf einem höheren Druckniveau angesaugt werden kann.

Insbesondere erfolgt kein Austausch des Kältemittels zwischen den zwei Kältemittelkreisläufen, ggf. ausschließlich über einen gemeinsam genutzten Ausgleichbehälter.

Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb einer Kältemittelkreislaufanordnung mit einem Kältemittel, insbesondere der beschriebenen Kältemittelkreislaufanordnung, vorgeschlagen, die zumindest

• eine Verdichtungseinheit für ein Kältemittel mit zumindest einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe,

• einen ersten Kondensator,

• einen ersten Verdampfer,

• zumindest einen zweiten Verdampfer sowie

• einen Wärmeübertrager umfasst. Die Kältemittelkreislaufanordnung umfasst zwei Kältemittelkreisläufe. Ein erster Kältemittelkreislauf umfasst die erste Stufe mit einer stromabwärtigen ersten Druckseite und einer stromaufwärtigen ersten Saugseite und einer an der ersten Saugseite angebundenen ersten Zuleitung mit einem ersten Druckniveau. Ein zweiter Kältemittelkreislauf umfasst die zweite Stufe mit einer stromabwärtigen zweiten Druckseite und einer stromaufwärtigen zweiten Saugseite und einer an der zweiten Saugseite angebundenen zweiten Zuleitung mit einem von dem ersten Druckniveau unterschiedlichen zweiten Druckniveau.

Das erste Druckniveau ist insbesondere höher ist als das zweite Druckniveau. Eine umgekehrte Ausgestaltung der Druckniveaus ist aber auch möglich. Die Druckniveaus unterscheiden sich insbesondere um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 %, des höheren Druckniveaus.

Der erste Kondensator und stromabwärtig des ersten Kondensators der erste Verdampfer sind in dem ersten Kältemittelkreislauf angeordnet. Der zweite Verdampfer ist in dem zweiten Kältemittelkreislauf angeordnet. Der Wärmeübertrager ist zur Übertragung von Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf in den ersten Kältemittelkreislauf geeignet angeordnet und bildet einen in dem zweiten Kältemittelkreislauf stromaufwärts des zweiten Verdampfers angeordneten zweiten Kondensator aus.

Das Verfahren umfasst, dass zumindest zeitweise beide Stufen der Verdichtungseinheit betrieben werden und durch den Wärmeübertrager Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf in den ersten Kältemittelkreislauf übertragen wird. Damit kann das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs durch den ersten Kältemittelkreislauf abgekühlt werden.

Das Verfahren ist insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft. Der insbesondere mit Umgebungsluft gekühlte erste Kondensator kann dann nur in begrenztem Maße gekühlt werden, so dass eine für den zweiten Kältemittelkreislauf geforderte Kühlleistung nur mit einem höheren Druckniveau zu erreichen wäre. Vorliegend wird die Wärmesenke des ersten Verdampfers bzw. des ersten Kältemittelkreises genutzt, so dass der zweite Kältemittelkreislauf die Wärme auf einem geringeren Temperaturniveau (als die ggf. hohe Umgebungstemperatur), abgeben kann.

Das Verfahren wird insbesondere mit einem Steuergerät ausgeführt. Das Steuergerät ist zur Durchführung des Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert. Über das Steuergerät ist insbesondere der jeweilige Kühlbedarf an mindestens einem Verdampfer, insbesondere an allen Verdampfern, ermittelbar und die Stufen der Verdichtungseinheit hinsichtlich der Kühlleistung steuerbar. Insbesondere wird die Kältemittelkreislaufanordnung so betrieben und/oder das Verfahren so durchgeführt, dass möglichst wenig Energie dabei verbraucht wird, dass also ein möglichst energieeffizienter Betrieb der Kältemittelkreislaufanordnung ermöglicht wird.

Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.

Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens durchführt.

Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.

Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie, in der elektrische Energie zum Antrieb des Traktionsantriebs speicherbar ist, sowie die beschriebenen Kältemittelkreislaufanordnung, wobei der erste Verdampfer zur Kühlung der Batterie geeignet ausgeführt ist.

Insbesondere weist das Kraftfahrzeug ein Steuergerät auf, das zur Durchführung des Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.

Die Ausführungen zu der Kältemittelkreislaufanordnung sind insbesondere auf das Verfahren und/oder das Kraftfahrzeug und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.

Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.

Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach Vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1: ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Ausführungsvariante einer

Kältemittelkreislaufanordnung;

Fig. 2: eine zweite Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung;

Fig. 3: eine dritte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung;

Fig. 4: eine vierte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung; und

Fig. 5: eine fünfte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung.

Die Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 21 mit einer ersten Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung 1. Das Kraftfahrzeug 21 umfasst einen Traktionsantrieb 22 und eine Batterie 18, in der elektrische Energie zum Antrieb des Traktionsantriebs 22 speicherbar ist. Das Kraftfahrzeug 21 weist ein Steuergerät 28 auf, das zur Regelung der Kältemittelkreislaufanordnung 1 geeignet ausgeführt ist.

Die Kältemittelkreislaufanordnung 1 umfasst eine Verdichtungseinheit 2 für ein Kältemittel, bzw. zum Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtungseinheit 2 zwei voneinander unabhängig ausgeführte Verdichter aufweist, wobei der eine Verdichter eine erste Stufe 3 ausbildet und der andere Verdichter eine zweite Stufe 4. Weiter umfasst die Kältemittelkreislaufanordnung 1 einen ersten Kondensator 5, einen ersten Verdampfer 6, einen zweiten Verdampfer 7 sowie einen Wärmeübertrager 8. Die Kältemittelkreislaufanordnung 1 umfasst zwei Kältemittelkreisläufe 9, 10. Ein erster Kältemittelkreislauf 9 umfasst die erste Stufe 3 mit einer stromabwärtigen ersten Druckseite 11 und einer stromaufwärtigen ersten Saugseite 12 und einer an der ersten Saugseite 12 angebundenen ersten Zuleitung 13 mit einem ersten Druckniveau. Ein zweiter Kältemittelkreislauf 10 umfasst die zweite Stufe 4 mit einer stromabwärtigen zweiten Druckseite 14 und einer stromaufwärtigen zweiten Saugseite 15 und einer an der zweiten Saugseite 15 angebundenen zweiten Zuleitung 16 mit einem von dem ersten Druckniveau unterschiedlichen zweiten Druckniveau.

Der erste Kondensator 5 und stromabwärtig des ersten Kondensators 5 der erste Verdampfer 6 sind in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet. Der zweite Verdampfer 7 ist in dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 angeordnet. Der Wärmeübertrager 8 ist zur Übertragung von Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 geeignet angeordnet und bildet einen in dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 stromaufwärts des zweiten Verdampfers 7 angeordneten zweiten Kondensator 17 aus.

Die Verdichtungseinheit 2 dient insbesondere der Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels, z. B. Kohlendioxid, auf einen höheren Druck. Dabei wird über die Verdichtungseinheit 2 der an einer Saugseite 12, 15 vorliegende Druck auf einen an einer Druckseite 11, 14 der Verdichtungseinheit 2 vorliegenden Druck erhöht. Die Verdichtungseinheit 2 umfasst zwei Stufen, d. h. die an den Saugseiten 12, 15 vorliegenden Drücke können voneinander unterschiedlich sein. Dafür sind unterschiedliche Zuleitungen 13, 16 vorgesehen, über die das Kältemittel der Verdichtungseinheit 2 zugeführt wird.

Das aus der ersten Zuleitung 13 der ersten Stufe 3 der Verdichtungseinheit 2 zugeführte Kältemittel wird durch die Verdichtungseinheit 2 auf einen Druck der ersten Druckseite 11 verdichtet.

Das aus der zweiten Zuleitung 16 der zweiten Stufe 4 der Verdichtungseinheit 2 zugeführte Kältemittel wird durch die Verdichtungseinheit 2 auf einen Druck der zweiten Druckseite 14 verdichtet.

Das in der Verdichtungseinheit 2 verdichtete Kältemittel wird über einen Kondensator 5, 17 abgekühlt und ggf. zumindest teilweise verflüssigt. Die Abkühlung erfolgt in dem ersten Kondensator 5 über eine Wärmeübertragung mit Umgebungsluft und in dem zweiten Kondensator 17 durch ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 31.

Das ggf. zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel wird einem Verdampfer 6, 7, 20 zugeführt. In einem Verdampfer 6, 7, 20 wird das verflüssigte Kältemittel auf einen geringeren Druck entspannt und zumindest teilweise in einen gasförmigen Zustand überführt.

Das zumindest teilweise gasförmige Kältemittel wird über die Zuleitungen 13, 16 der Verdichtungseinheit 2 zugeführt.

Stromaufwärts der Verdampfer 6, 7, 20 ist für jeden Verdampfer 6, 7, 20 separat eine Expansionseinrichtung 23 angeordnet, über die das zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel entspannt und zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand überführt wird.

Stromabwärts des ersten Verdampfers 6 und des dritten Verdampfers 20 kann jeweils eine Absperreinrichtung 24 angeordnet sein, über die ein Volumenstrom des Kältemittels über den Verdampfer 6, 20 regelbar ist.

In den Verdampfern 6, 20 erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und dem Kältemittel, so dass das Fluid über das Kältemittel abgekühlt werden kann.

Der Wärmeübertrager 8 ist zur Übertragung von Wärme aus dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 in den ersten Kältemittelkreislauf 9 geeignet angeordnet und bildet einen in dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 stromaufwärts des zweiten Verdampfers 7 angeordneten zweiten Kondensator 17 aus. Damit kann das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 10 durch den ersten Kältemittelkreislauf 9 abgekühlt werden.

Der erste Verdampfer 6 ist zur Kühlung einer Batterie 18 und/oder einer Komponente 30 und der zweite Verdampfer 7 zur Kühlung von Luft 19 eingesetzt.

Die Batterie 18 ist ein Stromspeicher für einen Traktionsantrieb 22 eines Kraftfahrzeuges 21. Die Luft 19 ist Umgebungsluft, die einem Innenraum 27 des Kraftfahrzeuges 21 zugeführt wird.

Die Kältemittelkreislaufanordnung 1 umfasst zusätzlich einen dritten Verdampfer 20, der in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 in einer Parallelschaltung zum ersten Verdampfer 6 angeordnet ist. Diese Verdampfer 6, 20 sind zwischen dem ersten Kondensator 5 und der ersten Stufe 3 der Verdichtungseinheit 2 zueinander parallel geschaltet.

Der dritte Verdampfer 20 ist zur Kühlung von Luft 19 eingesetzt, wobei der zweite Verdampfer 7 zur weiteren Abkühlung der von dem dritten Verdampfer 20 gekühlten Luft 19 eingesetzt ist. Der zweite Verdampfer 7 und der dritte Verdampfer 20 sind gemeinsam Teil eines Klimageräts 26, das zur Bereitstellung gekühlter Luft 19 vorgesehen ist. Die Luft 19 kann zur Kühlung eines Innenraums 27 eines Kraftfahrzeuges 21 eingesetzt werden.

Über den zweiten Verdampfer 7 wird die Luft 19 weiter abgekühlt, z. B. auf ein Temperaturniveau, das mindestens 5 Grad Celsius, bevorzugt mindestens 10 Grad Celsius, geringer ist, als das Temperaturniveau, für das der dritte Verdampfer 20 eingerichtet ist. Insbesondere wird die Luft 19 über den zweiten Verdampfer 7 auf -10 Grad Celsius oder sogar auf -15 Grad Celsius oder weniger abgekühlt.

Der Wärmeübertrager 8 ist in einem Kühlmittelkreislauf 31 angeordnet. Der erste Verdampfer 6 ist zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem in dem Kühlmittelkreislauf 31 zirkulierenden Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 31 angeordnet.

In dem ersten Verdampfer 6 erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen dem in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 zirkulierendem Kältemittel und dem in dem Kühlmittelkreislauf 31 zirkulierendem Kühlmittel.

Das Kühlmittel ist eine Flüssigkeit. In dem Kühlmittelkreislauf 31 erfolgt kein Phasenübergang des Kühlmittels. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe 29 gefördert.

In dem Kühlmittelkreislauf 31 ist der Wärmeübertrager 8 angeordnet, so dass das von dem ersten Kältemittelkreislauf 9 gekühlte Kühlmittel nun zur Kühlung des in dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 zirkulierenden Kältemittels eingesetzt wird.

In dem Kühlmittelkreislauf 31 ist ein weiterer Wärmeübertrager zur Temperierung einer Komponente 30 angeordnet. Die Komponente 30 ist z. B. ein Bestandteil eines Traktionsantriebs 22 eines Kraftfahrzeuges 21, z. B. der Traktionsantrieb 22 selbst oder eine Leistungselektronik, ein Wandler, etc. Die Verdichtungseinheit 2 weist zwei unabhängig voneinander betreibbare Verdichter, hier die erste Stufe 3 und die zweite Stufe 4 auf, wobei auch nur einer der beiden Verdichter zur Bereitstellung eines Volumenstroms des Kältemittels betreibbar ist. Ein Kältemittel kann nur durch den ersten Kältemittelkreis 9, nur durch den zweiten Kältemittelkreis 10 oder aber durch beide Kältemittelkreise 9, 10 gefördert werden.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung 1. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 wird Bezug genommen. Die Expansionseinrichtungen 23 und Absperreinrichtungen 24 und weitere Details der Fig. 1 sind hier nicht aufgeführt.

In der zweiten Ausführungsvariante ist der Wärmeübertrager 8 in einer Parallelschaltung zum ersten Verdampfer 6 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet.

Der erste Verdampfer 6 kann in dem vorstehend beschriebenen Kühlmittelkreislauf 31 angeordnet sein, wobei der in dem zweiten Kältemittelkreislauf 10 angeordnete Wärmeübertrager 8 nicht in dem Kühlmittelkreislauf 31 sondern nur in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet ist.

Der Wärmeübertrager 8 ist in einer Reihenschaltung zum dritten Verdampfer 20 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung 1. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 und Fig. 2 wird Bezug genommen. Die Expansionseinrichtungen 23 und Absperreinrichtungen 24 und weitere Details der Fig. 1 sind hier nicht aufgeführt.

In der dritten Ausführungsvariante ist der Wärmeübertrager 8 in einer Reihenschaltung zum ersten Verdampfer 6 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet. An dem ersten Verdampfer 6 kann die Batterie 18 angeordnet sein, so dass diese über den ersten Verdampfer 6 temperiert wird.

Der Wärmeübertrager 8 ist in einer Parallelschaltung zum dritten Verdampfer 20 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung 1. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 bis Fig. 3 wird Bezug genommen. Die Expansionseinrichtungen 23 und Absperreinrichtungen 24 und weitere Details der Fig. 1 sind hier nicht aufgeführt. In der vierten Ausführungsvariante ist der Wärmeübertrager 8 in einer Parallelschaltung zum ersten Verdampfer 6 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet.

Der Wärmeübertrager 8 ist in einer Parallelschaltung zum dritten Verdampfer 20 in dem ersten Kältemittelkreislauf 9 angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsvariante einer Kältemittelkreislaufanordnung 1. Auf die Ausführungen zu den Fig. 1 bis 4 wird verwiesen.

Die Kältemittelkreislaufanordnung 1 umfasst eine Verdichtungseinheit 2 für ein Kältemittel, bzw. zum Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtungseinheit 2 zwei voneinander unabhängig ausgeführte Verdichter aufweist, wobei der eine Verdichter eine erste Stufe 3 ausbildet und der andere Verdichter zweistufig ausgebildet ist und eine zweite Stufe 4 sowie eine dritte Stufe 32 ausbildet. Weiter umfasst die Kältemittelkreislaufanordnung 1 einen ersten Kondensator 5, einen ersten Verdampfer 6, einen zweiten Verdampfer 7 sowie einen Wärmeübertrager 8. Die Kältemittelkreislaufanordnung 1 umfasst zwei Kältemittelkreisläufe 9, 10. Ein erster Kältemittelkreislauf 9 umfasst die erste Stufe 3 mit einer stromabwärtigen ersten Druckseite 11 und einer stromaufwärtigen ersten Saugseite 12 und einer an der ersten Saugseite 12 angebundenen ersten Zuleitung 13 mit einem ersten Druckniveau. Ein zweiter Kältemittelkreislauf 10 umfasst die zweite Stufe 4 mit einer stromabwärtigen zweiten Druckseite 14 und einer stromaufwärtigen zweiten Saugseite 15 und einer an der zweiten Saugseite 15 angebundenen zweiten Zuleitung 16 mit einem von dem ersten Druckniveau unterschiedlichen zweiten Druckniveau. Weiter umfasst der zweite Kältemittelkreislauf 10 die dritte Stufe 32 mit der stromabwärtigen zweiten Druckseite 14 und einer stromaufwärtigen dritten Saugseite 33 und einer an der dritten Saugseite 33 angebundenen dritten Zuleitung 34 mit einem von dem zweiten Druckniveau unterschiedlichen und höherem drittem Druckniveau.

Hier wird ausgenutzt, dass die Verdichtungsarbeit für den über die dritte Saugseite 33 dem Verdichter zugeführten Massenstrom des Kältemittels reduziert werden kann, da bedingt durch das höhere Temperaturniveau des Kältemittels stromabwärts des ersten Verdampfers 6 gegenüber dem Temperaturniveau des Kältemittels stromabwärts des dritten Verdampfers 20, das Kältemittel auf einem höheren Druckniveau angesaugt werden kann. Bezugszeichenliste

Kältemittelkreislaufanordnung

Verdichtungseinheit erste Stufe zweite Stufe

Kondensator erster Verdampfer zweiter Verdampfer

Wärmeübertrager erster Kältemittelkreislauf zweiter Kältemittelkreislauf erste Druckseite erste Saugseite erste Zuleitung zweite Druckseite zweite Saugseite zweite Zuleitung zweiter Kondensator

Batterie

Luft dritter Verdampfer

Kraftfahrzeug

Traktionsantrieb

Expansionseinrichtung

Absperreinrichtung

Gebläse

Klimagerät

Innenraum

Steuergerät

Pumpe

Komponente

Kühlmittelkreislauf dritte Stufe dritte Saugseite dritte Zuleitung