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DE102018104301A1 - Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung Download PDF

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DE102018104301A1
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heat exchanger
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air
heat
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Christoph Bara
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Hanon Systems Corp
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1a, 1b, 1 c) für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung (1a, 1b, 1c) weist mindestens einen ersten Kältemittelkreislauf (2a, 2c) und einen zweiten Kältemittelkreislauf (3) auf, welche über einen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) und einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) thermisch miteinander verbunden sind. Der erste Kältemittelkreislauf (2a, 2c) ist in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter (4), dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23), dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) sowie einem als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager (20) ausgebildet, wobei dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) ein erstes Expansionsorgan (17) und dem Wärmeübertrager (20) ein zweites Expansionsorgan (19) vorgelagert sind. Der zweite Kältemittelkreislauf (3) ist in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter (25), dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18), mindestens einem Expansionsorgan (33, 34) sowie dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) ausgebildet. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem ersten und einem zweiten Kältemittelkreislauf. Die Kältemittelkreisläufe sind über einen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs und einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs thermisch miteinander verbunden. Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Personen-Kraftfahrzeuge mit einem großvolumigen Fahrgastraum, wie Sport- und Nutzfahrzeuge beziehungsweise Geländelimousinen, kurz auch als SUV bezeichnet, Fahrzeuge mit erhöhter Karosserie, Hochdachkombis oder Kleinbusse, kurz auch als VAN bezeichnet, oder Fahrzeuge der Luxusklasse, weisen jeweils einen großen Wärmebedarf sowie Kältebedarf auf und werden mit Klimatisierungssystemen und Kältemittelkreisläufen mit mindestens zwei Verdampfern ausgebildet, um beispielsweise verschiedene Bereiche des Fahrgastraums getrennt voneinander zu klimatisieren. Dabei wird der Fahrgastraum insbesondere in einen vorderen und einen hinteren Bereich unterteilt. Die Bezeichnungen vorderer Bereich, auch als Frontbereich bezeichnet, und hinterer Bereich, auch als Heckbereich bezeichnet, beziehen sich auf die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs.
    Ein erster Luftmassenstrom wird beim Überströmen eines ersten Verdampfers, dem sogenannten Frontverdampfer, konditioniert und in den vorderen Bereich des Fahrgastraums geleitet, um sowohl für den Fahrer als auch den Beifahrer ein komfortables Klima zu erzeugen. Ein zweiter Luftmassenstrom wird beim Überströmen eines zweiten Verdampfers, dem sogenannten Heckverdampfer, konditioniert und in den hinteren Bereich des Fahrgastraums geleitet, um den Insassen der zweiten und gegebenenfalls der dritten Sitzreihe innerhalb des Fahrgastraums ein komfortables Klima zu erzeugen.
    Der Frontverdampfer und der Heckverdampfer sind in getrennt voneinander ausgebildeten Klimageräten angeordnet. Dabei kann jedes Klimagerät unabhängig voneinander einen gewünschten Luftvolumenstrom mit einer geforderten Lufttemperatur und einer vorgegebenen Luftströmungsrichtung bereitstellen.
  • Zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen beispielsweise die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.
    Wenn beispielsweise der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums und der Antriebskomponenten mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Gleiches gilt für Anlagen in Brennstoffzellenfahrzeugen.
    Eine effizientere Möglichkeit zur Wärmeaufnahme, insbesondere zum Beheizen der Luft für den Fahrgastraum oder zum Vorwärmen der Antriebskomponenten ist eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient. Ein System mit Wärmepumpenfunktionalität beansprucht jedoch einen großen Bauraum.
  • Zudem weisen herkömmliche Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb und Kraftfahrzeuge mit rein elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, insbesondere des elektrischen Antriebsstrangs, wie einem internen Ladegerät der Batterie, einem Transformator, einem Inverter, der Traktionsbatterie selbst und dem elektrischen Antriebsmotor, meist einen höheren Wärmebedarf beziehungsweise Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie, welche üblicherweise zwischen 20°C und 35°C liegen, einzuhalten, ist entweder ein zusätzlicher Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, auch als Chiller bezeichnet, oder ein als Batteriekühler ausgebildeter direkt kältemittelgekühlter Wärmeübertrager vorzusehen. Somit können herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum auch mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet sein, in welchem zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme oder zum Vorwärmen der Antriebskomponenten Kühlmittel zirkuliert.
  • So weist beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischverbrennungsmotorischen Hybridantrieb und einem großvolumigen Fahrgastraum folglich einen vergleichbar hohen Kältebedarf auf. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit einem einzelnen Verdichter ist nicht in der Lage, den für die Kühlung des Fahrgastraums sowie der elektrischen Komponenten geforderten Massenstrom des Kältemittels bereitzustellen.
    Für die Bereitstellung von vergleichsweise hohen Kälteleistungen sind unterschiedliche Klimatisierungssysteme bekannt. Dabei werden einerseits in einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf mindestens zwei Verdichter parallel betrieben, sodass der Massenstrom des Kältemittels verdoppelt oder vervielfacht wird. Andererseits werden mindestens zwei Kältemittelkreisläufe unabhängig voneinander ausgebildet, wobei jeder zusätzliche Kältemittelkreislauf zusätzliche Komponenten aufweist.
  • In der US 7,228,707 B2 und in der US 2013/0145781 A1 werden jeweils ein Kältemittelkreislauf mit parallel zueinander angeordneten Verdichtern beschrieben. Die parallel zueinander geschalteten Verdichter verdichten das Kältemittel in eine gemeinsame Druckleitung, welche das Kältemittel zu einem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager leitet.
    Der aus der US 7,228,707 B2 bekannte Kältemittelkreislauf in Economizerschaltung weist zudem eine Vielzahl von als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern auf, welche zum Konditionieren verschiedener Umgebungen dienen. Dabei ist jeder Verdampfer mit einem Verdichter verbunden.
    Die US 2013/0145781 A1 offenbart einen Kältemittelkreislauf mit zwei Verdichtern, wobei der erste Verdichter drehzahlgeregelt und der zweite Verdichter zum Betrieb mit einer festen Drehzahl ausgebildet sind.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen müssen die einzelnen Komponenten, wie ein als Kondensator/Gaskühler betriebener Wärmeübertrager, die Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten, gegebenenfalls ein innerer Wärmeübertrager und die Ventile, entsprechend dem hohen maximalen Massenstrom des Kältemittels sehr groß dimensioniert werden.
    In Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen Hybridantrieb sowie in Kraftfahrzeugen mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb ist bereits im Kühlmittelkreislauf ein zusätzlicher Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager integriert, sodass im Front-Bereich des Kraftfahrzeugs kein Bauraum für einen größer dimensionierten Kondensator/Gaskühler vorhanden ist. Zudem sind großdimensionierte beziehungsweise für viele Betriebspunkte des Systems überdimensionierte Kältemittelleitungen zu verlegen.
    Bei Klimatisierungssystemen mit unabhängig voneinander zu betreibenden Kältemittelkreisläufen mit jeweils separat ausgebildeten Komponenten, wird stets mindestens ein weiterer Kondensator/Gaskühler benötigt. Da in Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen Hybridantrieb oder einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb der zusätzliche Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager im Kühlmittelkreislauf integriert ist, ist der freie Bauraum im Front-Bereich des Kraftfahrzeugs derart eingeschränkt, dass eine Integration eines weiteren Kondensators/Gaskühlers nahezu unmöglich ist.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten unterschiedlichen Klimatisierungssystemen mit einem Kältemittelkreislauf mit parallel betriebenen Verdichtern oder mit unterschiedlichen Kältemittelkreisläufen sind zudem der Heckverdampfer und gegebenenfalls weitere Verdampfer jeweils durch Kältemittelleitungen an den im Front-Bereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Kondensator/Gaskühler anzuschließen. Die Kältemittelleitungen sind durch das gesamte Kraftfahrzeug zu verlegen und beanspruchen wertvollen Bauraum. Die Kältemittelleitungen sind für hohe Drücke auszulegen und erfordern spezielle Verbindungselemente, was sehr kostenintensiv ist. Des Weiteren verursachen Kältemittelleitungen mit großer Länge auch hohe Druckverluste im Kältemittelkreislauf, was zu einer verminderten Kälteleistung beziehungsweise einer höheren Verdichterleistung führt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung mit ausreichenden Kälteleistungen und Wärmeleistungen für Kraftfahrzeuge mit einem großen Kältebedarf und möglicherweise gleichzeitig hohem Wärmebedarf, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Die Herstellungskosten, Wartungskosten und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum sollen minimal sein. Das System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
  • Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem bereitzustellen, in die mehrere Wärmequellen beziehungsweise Wärmesenken auf unterschiedlichen oder gleichen Temperaturniveaus integrierbar sind.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit hohem Kühlbedarf und Heizbedarf gelöst. Die Vorrichtung weist mindestens einen ersten Kältemittelkreislauf und einen zweiten Kältemittelkreislauf auf, welche über einen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs und einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs thermisch miteinander verbunden sind. Der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf sind bevorzugt in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist der erste Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter, dem insbesondere für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs als Kondensator/Gaskühler betreibbaren zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager, dem insbesondere für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs als Verdampfer betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager sowie einem weiteren als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager ausgebildet. Dabei sind dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager im ersten Kältemittelkreislauf ein erstes Expansionsorgan und dem weiteren Wärmeübertrager ein zweites Expansionsorgan vorgelagert angeordnet.
    Der zweite Kältemittelkreislauf ist in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter, dem insbesondere für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager, mindestens einem Expansionsorgan sowie dem insbesondere für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs als Verdampfer betreibbaren zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet.
    Der erste Kältemittelkreislauf weist vorteilhaft einen Akkumulator auf, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels vor einem Einlass des Verdichters und damit niederdruckseitig angeordnet ist.
  • Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des jeweiligen Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Kältemittelkreislauf einen insbesondere für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertrager auf, welcher innerhalb eines ersten Strömungspfades in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager angeordnet ist.
    Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen von Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet.
    Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an das Kühlmittel ausgebildet. Der Kühlmittelkreislauf, in welchem der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet ist, weist vorteilhaft einen Heizwärmeübertrager zum Erwärmen von Zuluft für einen Fahrgastraum auf. Der Kühlmittelkreislauf kann zudem mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet sein, wobei der Heizwärmeübertrager und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die Umgebungsluft bevorzugt parallel mit Kühlmittel durchströmbar sind.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Kältemittelkreislauf eine Ventilanordnung mit einer ersten Abzweigstelle sowie eine erste Mündungsstelle auf. Dabei erstrecken sich zwischen der ersten Abzweigstelle sowie der ersten Mündungsstelle der erste Strömungspfad sowie ein Strömungspfad mit einem insbesondere für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an die Umgebungsluft.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager und das dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnete erste Expansionsorgan innerhalb eines zweiten Strömungspfades sowie der weitere als Verdampfer betreibbare Wärmeübertrager und das dem weiteren als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnete zweite Expansionsorgan innerhalb eines dritten Strömungspfades ausgebildet sind. Die Strömungspfade erstrecken sich von einer zweiten Abzweigstelle bis zu einer zweiten Mündungsstelle des ersten Kältemittelkreislaufs und sind parallel zueinander angeordnet, sodass die Strömungspfade und die Wärmeübertrager parallel mit Kältemittel durchströmbar sind.
    Der weitere als Verdampfer betreibbare Wärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs ist vorteilhaft als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren von Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kältemittelkreislauf mit einem insbesondere für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs als Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet. Dabei ist dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels ein erstes Expansionsorgan des zweiten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnet.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass der zweite Kältemittelkreislauf mit einem insbesondere für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs als Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Zuluft für den Fahrgastraum ausgebildet ist. Dabei ist dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels ein zweites Expansionsorgan des zweiten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnet.
    Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager der Vorrichtung mit einem vorgelagert angeordneten dritten Expansionsorgan in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs nach dem als Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet.
    Der als Verdampfer betreibbare Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Zuluft für den Fahrgastraum ausgebildete Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnete erste Expansionsorgan sind bevorzugt innerhalb eines ersten Strömungspfades angeordnet, während der als Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler betreibbare Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnete zweite Expansionsorgan sowie der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager und das dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs vorgelagert angeordnete dritte Expansionsorgan innerhalb eines zweiten Strömungspfades ausgebildet sind. Dabei sind sich die Strömungspfade von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle des zweiten Kältemittelkreislaufs erstreckend und parallel zueinander angeordnet, sodass die Strömungspfade und die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager parallel mit Kältemittel durchströmbar sind.
  • Die Aufgabe wird auch durch erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Klimatisierungssystem kann dabei, insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft des Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs, sowohl in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus als auch in einem Nachheizmodus betrieben werden.
  • Nach der Konzeption der Erfindung wird in einem ersten Verfahren bei einem Betrieb in einem Kälteanlagenmodus des Klimatisierungssystems auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs übertragen wird. Zudem wird auf einem niedrigen Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt, wobei in mindestens einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von einer Zuluft für den Fahrgastraum an Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen wird.
  • In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Betrieb in einem Nachheizmodus des Klimatisierungssystems eine Kälteleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von einer Zuluft für den Fahrgastraum an Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen wird. Zudem wird eine Heizleistung, insbesondere eine Nachheizleistung, auf einem hohen Temperaturniveau bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von einem Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs direkt an Zuluft für den Fahrgastraum oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme an ein in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel und in einem Heizwärmeübertrager vom Kühlmittel an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird.
    Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird zudem auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs übertragen wird. Das Kühlmittel wird vorteilhaft als eine Wärmequelle zum Nachheizen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt.
  • In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Betrieb in einem Wärmepumpenmodus des Klimatisierungssystems eine Heizleistung auf einem hohen Temperaturniveau bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von einem Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs direkt an Zuluft für den Fahrgastraum oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme an ein in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel und in einem Heizwärmeübertrager vom Kühlmittel an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Zudem wird auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs übertragen wird. Das Kühlmittel wird vorteilhaft als eine Wärmequelle zum Heizen der Zuluft für den Fahrgastraum genutzt.
    Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zudem auf einem zweiten mittleren Temperaturniveau eine Heizleistung bereitgestellt, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager Wärme von einem Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird, sodass die Zuluft für den Fahrgastraum beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers des ersten Kältemittelkreislaufs oder des Heizwärmeübertragers vorgewärmt und beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers des zweiten Kältemittelkreislaufs auf eine Endtemperatur erwärmt wird. Damit die Zuluft für den Fahrgastraum in zwei Schritten mittels zweier Wärmeübertrager erwärmt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die von elektrischen Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs abzuführende Wärme an das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen. Anschließend wird die Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf dem ersten mittleren Temperaturniveau vom Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs abgegeben.
    Damit können elektrische Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb, wie eine Hochvolt-Batterie und ein Inverter, mit Kühlmittel auf einem mittleren Temperaturniveau beaufschlagt werden, sodass der Verbrauch elektrischer Energie, wie der Verbrauch der Verdichter der Kältemittelkreisläufe, minimiert und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in einem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager Wärme von Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs an Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs übertragen wird und das in einem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs übertragen wird. Dabei werden im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs verdampft beziehungsweise überhitzt und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs kondensiert/gekühlt beziehungsweise unterkühlt, während im zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs enthitzt und kondensiert/gekühlt beziehungsweise unterkühlt und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs verdampft und/oder überhitzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - Bereitstellen hoher Wärmeleistungen, insbesondere Kälteleistungen beziehungsweise Heizleistungen auf unterschiedlichen, speziell auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus mittels zweistufiger Verdichtung, insbesondere
    • - leistungsstarker Heizbetrieb durch Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum mittels zweier Wärmeübertrager in zwei Verfahrensschritten,
    • - hohe Leistungsfähigkeit des Systems mit der Vorrichtung bei maximaler Lebensdauer, insbesondere da der Betrieb der Verdichter an unterschiedliche Druckniveaus angepasst ist, damit zudem günstige Verdichtungsverhältnisse pro Verdichtungsstufe auch bei hohen Leistungen,
    • - Aufteilen der Systemlast auf die Verdichter derart, dass jeder Verdichter in einem optimalen Betriebsbereich des jeweiligen Verdichterkennfeldes, das heißt in einem effizienten Kennfeldbereich mit hohem isentropen beziehungsweise Gesamtwirkungsgrad, betrieben wird,
    • - maximale Effizienz des Systems mit der Vorrichtung, auch den Einsatz eines indirekten inneren Wärmeübertragers beziehungsweise durch das Bereitstellen eines mittleren Temperaturniveaus für die Kühlung, beispielsweise einer Hochvolt-Batterie und/oder elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs,
    • - unabhängiges Befüllen der Kältemittelkreisläufe mit beliebigen Kältemitteln, da zwischen den Kältemittelkreisläufen kein Austausch der Kältemittel erfolgt, dabei können jeweils sowohl ein im unterkritischen Bereich betreibbares Kältemittel, wie R134a, R1234yf, als auch ein im überkritischen Bereich betreibbares Kältemittel, wie R744, verwendet werden,
    • - geringe Füllmengen der Kältemittel,
    • - keine Ölfallen in den Kältemittelkreisläufen im Vergleich zu Doppelverdam pferanlagen-Direktsystemen,
    • - minimaler Bauraum sowie minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten.
  • 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:
    • 1: eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten und einem zweiten Kältemittelkreislauf, welche über zwei Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager thermisch miteinander gekoppelt sind,
    • 2a: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus,
    • 2b: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 2c: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 3a: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb im Nachheizmodus,
    • 3b: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb im Nachheizmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 4a: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb des ersten Kältemittelkreislaufs in einem ersten Wärmepumpenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 4b: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb in einem zweiten Wärmepumpenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 4c: die Vorrichtung nach 1 beim Betrieb in einem dritten Wärmepumpenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs,
    • 5: eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem nach 1 mit einem Kühlmittelkreislauf mit einem Heizwärmeübertrager sowie
    • 6: eine Vorrichtung für ein Klimatisierungssystem nach 5 mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft.
  • In 1 ist eine Vorrichtung 1a für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2a und einem zweiten Kältemittelkreislauf 3 dargestellt. Die Kältemittelkreisläufe 2a, 3 sind über zwei Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18, 23 thermisch miteinander gekoppelt und in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
  • Der erste Kältemittelkreislauf 2a, auch als obere Stufe oder oberer Kältemittelkreislauf der Kaskadenschaltung bezeichnet, weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 4, eine Ventilanordnung 5, einen ersten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11, ein erstes Expansionsorgan 17 mit dem nachfolgenden für das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a als Verdampfer betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 sowie einen Akkumulator 21 auf.
    Der in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 4 und damit niederdruckseitig angeordnete Akkumulator 21 dient dem Abscheiden und dem Sammeln von Kältemittelflüssigkeit. Der Verdichter 4 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem Akkumulator 21 an. Der erste Kältemittelkreislauf 2a ist geschlossen.
    Die Ventilanordnung 5 weist ein erstes Absperrventil 6 und ein zweites Absperrventil 7 sowie eine erste Abzweigstelle 8 auf. Dabei ist das erste Absperrventil 6 zwischen der Abzweigstelle 8 der Ventilanordnung 5 und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 angeordnet, während das zweite Absperrventil 7 innerhalb eines ersten Strömungspfades 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a ausgebildet ist. Der erste Strömungspfad 9 erstreckt sich von der Abzweigstelle 8 der Ventilanordnung 5 bis zu einer ersten Mündungsstelle 10, welche zwischen dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 und dem ersten Expansionsorgan 17 angeordnet ist. Der erste Strömungspfad 9 weist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Absperrventil 7 einen zweiten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a sowie einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 auf. Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager wird als indirekter innerer Wärmeübertrager betrieben.
    Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Ventilanordnung als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.
  • Des Weiteren weist der erste Kältemittelkreislauf 2a zwei Rückschlagventile 12, 24 auf. Das erste Rückschlagventil 12 ist dabei zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 und der ersten Mündungsstelle 10 des ersten Strömungspfades 9 ausgebildet, um ein Rückströmen von durch den ersten Strömungspfad 9 geleitetem Kältemittel in den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 zu verhindern, wenn dieser nicht von Kältemittel durchströmt wird. Das zweite Rückschlagventil 24 ist innerhalb des ersten Strömungspfades 9, in Strömungsrichtung des Kältemittels unmittelbar vor der ersten Mündungsstelle 10 ausgebildet, um ein Rückströmen von durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 geleitetem Kältemittel in den ersten Strömungspfad 9 zu verhindern, wenn dieser nicht von Kältemittel durchströmt wird.
  • Der erste Kältemittelkreislauf 2a ist zudem mit einem weiteren als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager, insbesondere einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 eines Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren von Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs auf einem mittleren Temperaturniveau, auch als Chiller bezeichnet, ausgebildet. Dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 ist ein zweites Expansionsorgan 19 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a vorgelagert. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 wird überwiegend derart betrieben, Kühlmittel auf einem Temperaturniveau unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft beziehungsweise Abwärme aus den vorzugsweise elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zum Beheizen der Zuluft des Fahrgastraums bereitzustellen. Das Kühlmittel, insbesondere die Komponenten des Antriebsstrangs, dienen dann als Wärmequelle zum Beheizen der Zuluft.
  • Der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 und das dazugehörige erste Expansionsorgan 17 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a sind innerhalb eines zweiten Strömungspfades 13 ausgebildet, während der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 und das dazugehörige zweite Expansionsorgan 19 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a innerhalb eines dritten Strömungspfades 14 ausgebildet sind. Die Strömungspfade 13, 14 erstrecken sich jeweils von einer zweiten Abzweigstelle 15 bis zu einer zweiten Mündungsstelle 16 und verlaufen somit parallel, sodass der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 und der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 parallel zueinander angeordnet und parallel mit Kältemittel beaufschlagbar sind. Die zweite Abzweigstelle 15 ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der ersten Mündungsstelle 10 des ersten Strömungspfades 9 angeordnet, während die zweite Mündungsstelle 16 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Akkumulator 21 und damit vor dem Verdichter 4 angeordnet ist.
    Die Expansionsorgane 17, 19 sind bevorzugt jeweils als Expansionsventil ausgebildet.
  • Der zweite Kältemittelkreislauf 3, auch als untere Stufe oder unterer Kältemittelkreislauf der Kaskadenschaltung bezeichnet, weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 25, den für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 sowie ein erstes Expansionsorgan 30 mit dem nachfolgenden für das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 als Verdampfer betreibbaren dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 auf. Der Verdichter 25 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 an. Der erste Kältemittelkreislauf 3 ist geschlossen.
    Nach dem Austritt aus dem als Kondensator betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 und damit hochdruckseitig kann ein nicht dargestellter Sammler beziehungsweise Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein, aus welchem flüssiges Kältemittel zu Expansionsorganen geleitet wird.
  • Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist zudem mit einem vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 ausgebildet, welchem ein zweites Expansionsorgan 33 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 vorgelagert und ein drittes Expansionsorgan 34 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 nachgelagert angeordnet sind.
    Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 und das dazugehörige erste Expansionsorgan 30 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 sind innerhalb eines ersten Strömungspfades 26 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 ausgebildet, während der vierte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 und die dazugehörigen Expansionsorgane 33, 34 innerhalb eines zweiten Strömungspfades 27 ausgebildet sind. Die Strömungspfade 26, 27 erstrecken sich jeweils von einer Abzweigstelle 28 bis zu einer Mündungsstelle 29 und verlaufen somit parallel, sodass die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31, 35 parallel zueinander angeordnet und parallel mit Kältemittel beaufschlagbar sind. Die Abzweigstelle 28 ist dabei zwischen dem als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 und dem ersten Expansionsorgan 30 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 angeordnet, während die Mündungsstelle 29 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 25 angeordnet ist. Die in Strömungsrichtung des Kältemittels unmittelbar vor und nach dem vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 angeordneten Expansionsorgane 33, 34 ermöglichen das Einstellen eines mittleren Druckniveaus und daraus folgend eines mittleren Temperaturniveaus des Kältemittels beim Durchströmen des als vorderer Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35. Die Druckniveaus und Temperaturniveaus des Kältemittels beim Durchströmen der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31, 35 können unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Expansionsorgane 30, 33, 34 sind bevorzugt jeweils als Expansionsventil ausgebildet.
    Innerhalb des zweiten Strömungspfades 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 ist zudem der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 angeordnet, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem dritten Expansionsorgan 34 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 und vor der Mündungsstelle 29 ausgebildet ist.
  • Die Vorrichtung 1 weist mit dem ersten Kältemittelkreislauf 2a und dem zweiten Kältemittelkreislauf 3 zwei stofflich voneinander getrennt ausgebildete Kältemittelkreisläufe 2a, 3 auf, welche zudem auf unterschiedlichen Druckniveaus und Temperaturniveaus betrieben werden können. Der erste Kältemittelkreislauf 2a, auch als Kältemittelkreislauf der oberen Stufe der Kaskadenschaltung bezeichnet, wird im Wesentlichen auf einem Niveau höheren Drucks als der zweite Kältemittelkreislauf 3, auch als Kältemittelkreislauf der unteren Stufe der Kaskadenschaltung bezeichnet, betrieben. Aufgrund der stofflichen Trennung der Kältemittelkreisläufe 2a, 3 wird zwischen den Kältemittelkreisläufen 2a, 3 kein Kältemittel ausgetauscht.
    Infolge der stofflichen Trennung der Kältemittelkreisläufe 2a, 3 können beide Kältemittelkreisläufe 2a, 3 unabhängig voneinander mit jedem beliebigen Kältemittel befüllt werden. Die Kältemittelkreisläufe 2a, 3 und die Betriebsmodi sind dabei für jedes Kältemittel denkbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Kondensation/Gaskühlung und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als Kältemittel sind natürliche Stoffe, wie R744, R717 und ähnliche, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, R1234yf, sowie diverse Kältemittelgemische verwendbar. Um jedoch die Vorteile unterschiedlicher Kältemittel beim Betrieb in jeweiligen Drucklagen nutzen zu können, ist der erste Kältemittelkreislauf 2a bevorzugt mit einem der Kältemittel R134a oder R1234yf jeweils mit unterkritischem Betrieb und der zweite Kältemittelkreislauf bevorzugt mit dem Kältemittel R744 zu befüllen.
  • Die Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18, 23 dienen dem thermischen Verbinden der Kältemittelkreisläufe 2a, 3. Dabei wird jeweils die Wärme zwischen den Kältemitteln der Kältemittelkreisläufe 2a, 3 übertragen.
  • Der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 ist innerhalb des ersten Kältemittelkreislaufs 2a niederdruckseitig innerhalb des zweiten Strömungspfades 13 nach dem Expansionsorgan 17 sowie innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 hochdruckseitig zwischen dem Verdichter 25 und der Abzweigstelle 28 beziehungsweise mindestens einem der Expansionsorgane 30, 33 ausgebildet und verbindet damit die Niederdruckseite des ersten Kältemittelkreislaufs 2a mit der Hochdruckseite des zweiten Kältemittelkreislaufs 3. Im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 können die Enthitzungswärme und die Kondensationswärme des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a übertragen werden, wobei das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verflüssigt und das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a verdampft werden können.
  • Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 ist zudem ähnlich einem inneren Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs ausgebildet, welcher innerhalb des ersten Kältemittelkreislaufs 2a hochdruckseitig, im ersten Strömungspfad 9 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem zweiten als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a sowie innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 niederdruckseitig, im zweiten Strömungspfad 27 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 und dem dritten Expansionsorgan 34 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 und damit vor dem Verdichter 25 ausgebildet ist.
    Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23, welcher folglich eine Saugleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 mit einer Hochdruck-Flüssigkeitsleitung des ersten Kältemittelkreislaufs 2a verbindet, dient ähnlich einem kreislaufinternen inneren Wärmeübertrager der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a bei Hochdruck und dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 bei Niederdruck und wird auch als indirekter innerer Wärmeübertrager bezeichnet. Dabei können einerseits das aus dem als Kondensator/Gaskühler betreibbaren zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a ausströmende Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1a und Zustand des Kältemittels verflüssigt beziehungsweise abgekühlt oder unterkühlt und andererseits das aus dem vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 austretende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 als Sauggas vor dem Verdichter 25 überhitzt werden.
    Neben dem Schutz des Verdichters 25 vor Flüssigkeitsschlägen können mit dem Betrieb des zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 23 als innerem Wärmeübertrager die spezifische Verdichterleistung des Verdichters 25 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 reduziert sowie gleichzeitig die spezifische Kälteleistung des ersten Kältemittelkreislaufs 2a und folglich die Effizienz des Betriebs der Vorrichtung 1a und damit des Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
  • Der erste Kältemittelkreislauf 2a ist beim Betrieb der Vorrichtung 1a in unterschiedlichen Betriebsmodi stets eingeschaltet, während der zweite Kältemittelkreislauf 3 je nach Bedarf auch außer Betrieb gestellt sein kann.
  • In den 2a und 2b ist die Vorrichtung 1a beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Kälteanlagenmodus, das heißt dem Abkühlen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, gezeigt. Aus 2b geht zudem der Betrieb des Klimatisierungssystems mit Kühlung der Komponenten des Antriebsstrangs hervor.
    Bei der Darstellung verschiedener Betriebsmodi der Vorrichtung 1a sind mit Kältemittel beaufschlagte Leitungen der Kältemittelkreisläufe 2a, 3 mit durchgezogenen Linien gekennzeichnet, während nicht mit Kältemittel beaufschlagte Leitungen anhand von gestrichelten Linien gekennzeichnet sind.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1a im Kälteanlagenmodus wird der zweite Kältemittelkreislauf 3 derart geschaltet, die in die Fahrgastraum einströmende Zuluft mittels der als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31, 35 zu kühlen und zu entfeuchten. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 dient dem Konditionieren der Luft im hinteren Bereich des Fahrgastraums und wird als hinterer Verdampfer 31 beziehungsweise als Heckverdampfer bezeichnet, während der vierte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 dem Konditionieren der Luft im vorderen Bereich des Fahrgastraums dient und als vorderer Verdampfer beziehungsweise als Frontverdampfer bezeichnet wird. Die Expansionsorgane 30, 33, 34 sind geöffnet.
    Das im zweiten Kältemittelkreislauf 3 zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 25 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim anschließenden Durchströmen des ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a übertragen wird. Darauf folgend wird das Kältemittel an der Abzweigstelle 28 in Teilmassenströme aufgeteilt und durch die geöffneten Expansionsorgane 30, 33 in den ersten Strömungspfad 26 sowie den zweiten Strömungspfad 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 eingeleitet.
    Im ersten Strömungspfad 26 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 wird das Kältemittel beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 30 vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den hinteren Verdampfer 31 geleitet. Beim Durchströmen des hinteren Verdampfers 31 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus einem in Strömungsrichtung 38 dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom verdampft, welcher dabei abgekühlt wird.
    Im zweiten Strömungspfad 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 wird das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 33 ebenfalls vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den als vorderer Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus einem in Strömungsrichtung 37 dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom verdampft, welcher dabei abgekühlt wird. Das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 nachgeordnete Expansionsorgan 34 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel ohne Zustandsänderung, insbesondere ohne entspannt zu werden, hindurchströmt. Der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 wird seitens des ersten Kältemittelkreislaufs 2a nicht durchströmt und ist damit nicht aktiv, es wird keine Wärme übertragen.
    Die nunmehr auf dem Niederdruckniveau vorliegenden Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 29 vermischt und vom Verdichter 25 angesaugt.
  • Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim Betrieb der Vorrichtung 1a im Kälteanlagenmodus sind die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a derart geschaltet, dass das Kältemittel zunächst durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 geleitet wird. Das erste Absperrventil 6 ist geöffnet, während das zweite Absperrventil 7 geschlossen ist. Der erste Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
    Beim Durchströmen des auch als Umgebungswärmeübertrager bezeichneten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 11 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 36 strömende Umgebungsluft übertragen wird. Darauf folgend wird das Kältemittel durch das geöffnete erste Expansionsorgan 17 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a in den zweiten Strömungspfad 13 eingeleitet. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 17 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verdampft.
  • Beim Betrieb des Klimatisierungssystems mit der Vorrichtung 1a im Kälteanlagenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs nach 2b wird das Kältemittel nach dem Ausströmen aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 an der Abzweigstelle 15 in Teilmassenströme aufgeteilt und durch die geöffneten Expansionsorgane 17, 19 in den zweiten Strömungspfad 13 sowie den dritten Strömungspfad 14 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a eingeleitet. Der erste Teilmassenstrom des Kältemittels wird, wie zu 2a beschrieben, durch den zweiten Strömungspfad 13 geführt. Der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels wird im dritten Strömungspfad 14 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 19 vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 20 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs, welcher auch die Komponenten des Antriebsstrangs umfasst, verdampft. Das Kühlmittel wird dabei abgekühlt.
    Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform wird das Kältemittel unter direkter Aufnahme von Wärme aus den Komponenten des Antriebsstrangs direkt verdampft.
  • Die nunmehr auf dem Niederdruckniveau vorliegenden Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 16 vermischt und in den Akkumulator 21 geleitet. Beim Betrieb des Klimatisierungssystems nach 2a wird das vollständig durch den zweiten Strömungspfad 13 geführte Kältemittel in den Akkumulator 21 geleitet. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdichter 4 aus dem Akkumulator 21 angesaugt.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1a des Klimatisierungssystems mit ausschließlicher Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs nach 2c ist lediglich der erste Kältemittelkreislauf 2a aktiv. Der Verdichter 25 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 ist außer Betrieb.
    Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 sind derart geschaltet, dass das Kältemittel zunächst durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 geleitet wird. Das erste Absperrventil 6 ist geöffnet, während das zweite Absperrventil 7 geschlossen ist. Der erste Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
    Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 11 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel an die in Strömungsrichtung 36 strömende Umgebungsluft übertragen wird. Darauf folgend wird das Kältemittel durch das geöffnete zweite Expansionsorgan 19 in den dritten Strömungspfad 14 eingeleitet. Das erste Expansionsorgan 17 ist geschlossen, der zweite Strömungspfad 13 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
    Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 19 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 geleitet, in welchem das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittel des zum Temperieren von Komponenten des Antriebsstrangs ausgebildeten Kühlmittelkreislaufs verdampft. Das Kühlmittel wird dabei abgekühlt. Das vollständig durch den dritten Strömungspfad 14 geführte Kältemittel wird in den Akkumulator 21 geleitet und anschließend vom Verdichter 4 angesaugt.
  • In 3a ist die Vorrichtung 1a nach 1 beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Nachheizmodus, insbesondere bei Umgebungstemperaturen im Bereich von etwa 15°C bis 25°C, dargestellt.
    Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist dabei derart geschaltet, die in den Fahrgastraum einströmende Zuluft mittels des als Verdampfer betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 zu kühlen und zu entfeuchten. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Das erste Expansionsorgan 30 und damit der erste Strömungspfad 26 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 sind geschlossen, während die Expansionsorgane 33, 34 des zweiten Strömungspfades 27 geöffnet sind.
  • Das im zweiten Kältemittelkreislauf 3 zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 25 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim anschließenden Durchströmen des ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a übertragen wird. Darauf folgend wird das Kältemittel durch das geöffnete zweite Expansionsorgan 33 vollständig in den zweiten Strömungspfad 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 eingeleitet.
    Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 33 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus einem in Strömungsrichtung 37 dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom verdampft, welcher dabei entfeuchtet beziehungsweise abgekühlt wird. Das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 35 nachgeordnete Expansionsorgan 34 ist vollständig geöffnet, sodass das Kältemittel ohne Zustandsänderung, insbesondere ohne entspannt zu werden, hindurchströmt. Beim anschließenden Durchströmen des zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 23 wird Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das auf dem Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen. Dabei wird das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 gegebenenfalls weiter verdampft und nachfolgend überhitzt. Das überhitzte Kältemittel wird vom Verdichter 25 angesaugt.
  • Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim Betrieb der Vorrichtung 1a im Nachheizmodus nach 3a sind die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a derart geschaltet, dass ein erster Teilmassenstrom des Kältemittels zunächst durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 geleitet wird, während ein zweiter Teilmassenstrom in den ersten Strömungspfad 9 einströmt. Die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 sind geöffnet.
    Beim Durchströmen des ersten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 11 wird das Kältemittel des ersten Teilmassenstroms verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 36 strömende Umgebungsluft übertragen wird.
    Das durch den ersten Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a geführte Kältemittel des zweiten Teilmassenstroms wird beim Durchströmen des zweiten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a ebenfalls verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die zuvor beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 abgekühlte beziehungsweise entfeuchtete Zuluft wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a wieder erwärmt.
    Das aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a ausströmende zumindest teilweise verflüssigte/gekühlte Kältemittel wird anschließend zum weiteren Verflüssigen/Kondensieren und gegebenenfalls zum Unterkühlen durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet, wobei Wärme vom auf dem Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen wird.
    Die jeweils auf dem Hochdruckniveau vorliegenden Teilmassenströme des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs 2a werden an der Mündungsstelle 10 vermischt.
  • Darauf folgend wird das Kältemittel durch das geöffnete erste Expansionsorgan 17 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a in den zweiten Strömungspfad 13 eingeleitet. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 17 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verdampft. Das zweite Expansionsorgan 19 des dritten Strömungspfades 14 ist geschlossen. Der dritte Strömungspfad 14 und der darin angeordnete Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 werden nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Das vollständig durch den zweiten Strömungspfad 13 geführte Kältemittel wird in den Akkumulator 21 geleitet und vom Verdichter 4 aus dem Akkumulator 21 angesaugt.
  • 3b zeigt die Vorrichtung 1a nach 1 beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Nachheizmodus, insbesondere bei Umgebungstemperaturen im Bereich von etwa 5°C bis 15°C, sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs.
    Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist dabei wie beim Betrieb der Vorrichtung 1a des Klimatisierungssystems nach 3a geschaltet, sodass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 3a verwiesen wird.
  • Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim Betrieb der Vorrichtung 1a im Nachheizmodus nach 3b sind die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a derart geschaltet, dass das Kältemittel ausschließlich durch den ersten Strömungspfad 9 geleitet wird. Das erste Absperrventil 6 ist geschlossen, während das zweite Absperrventil 7 geöffnet ist. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Das durch den ersten Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a geführte Kältemittel wird beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die zuvor beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 abgekühlte beziehungsweise entfeuchtete Zuluft wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a wieder erwärmt.
    Das aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a ausströmende zumindest teilweise verflüssigte/gekühlte Kältemittel wird anschließend zum weiteren Verflüssigen/Kondensieren und gegebenenfalls zum Unterkühlen durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet, wobei Wärme vom auf dem Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen wird.
    Das auf dem Hochdruckniveau vorliegende Kältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 an der Abzweigstelle 15 in Teilmassenströme aufgeteilt und durch die geöffneten Expansionsorgane 17, 19 in den zweiten Strömungspfad 13 sowie den dritten Strömungspfad 14 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a eingeleitet.
    Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 17 wird das Kältemittel des ersten Teilmassenstroms vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 geleitet, wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 verdampft.
    Der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels wird im dritten Strömungspfad 14 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 19 vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 20 wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs, welcher auch die Komponenten des Antriebsstrangs umfasst, verdampft. Das Kühlmittel wird dabei abgekühlt.
    Die auf dem Niederdruckniveau vorliegenden Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 16 vermischt und in den Akkumulator 21 geleitet. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdichter 4 aus dem Akkumulator 21 angesaugt.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1a, insbesondere des ersten Kältemittelkreislaufs 2a, in einem ersten Wärmepumpenmodus sowie mit Kühlung von Komponenten des Antriebsstrangs nach 4a ist lediglich der erste Kältemittelkreislauf 2a aktiv. Der Verdichter 25 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 ist außer Betrieb. Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a sind derart geschaltet, dass das Kältemittel ausschließlich durch den ersten Strömungspfad 9 geleitet wird. Das erste Absperrventil 6 ist geschlossen, während das zweite Absperrventil 7 geöffnet ist. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 wird nicht mit Kältemittel beaufsch lagt.
    Das durch den ersten Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a geführte Kältemittel wird beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt und gegebenenfalls unterkühlt, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die Zuluft wird erwärmt.
    Da der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 seitens des ersten Kältemittelkreislaufs 2a nicht durchströmt wird und damit nicht aktiv ist, wird im zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 keine Wärme übertragen. Das aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a beziehungsweise dem Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 ausströmende Kältemittel wird durch das geöffnete zweite Expansionsorgan 19 in den dritten Strömungspfad 14 eingeleitet. Das erste Expansionsorgan 17 ist geschlossen, der zweite Strömungspfad 13 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 19 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 geleitet, in welchem das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittel des zum Temperieren von Komponenten des Antriebsstrangs ausgebildeten Kühlmittelkreislaufs verdampft. Das Kühlmittel wird dabei abgekühlt. Das vollständig durch den dritten Strömungspfad 14 geführte Kältemittel wird in den Akkumulator 21 geleitet und anschließend vom Verdichter 4 angesaugt.
  • In 4b ist die Vorrichtung 1a nach 1 beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem zweiten Wärmepumpenmodus dargestellt. Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist dabei derart geschaltet, die in die Fahrgastraum einströmende Zuluft mittels des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 vorzuwärmen. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Das erste Expansionsorgan 30 und damit der erste Strömungspfad 26 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 sind geschlossen, während die Expansionsorgane 33, 34 des zweiten Strömungspfades 27 geöffnet sind.
    Das im zweiten Kältemittelkreislauf 3 zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 25 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim anschließenden Durchströmen des ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a übertragen wird. Darauf folgend wird das Kältemittel durch das vollständig geöffnete zweite Expansionsorgan 33 vollständig in den zweiten Strömungspfad 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 eingeleitet. Im zweiten Expansionsorgan 33 erfährt das Kältemittel keine Zustandsänderung.
    Beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 wird das Kältemittel weiter verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird.
  • Die Zuluft wird vorgewärmt.
    Beim Durchströmen des dritten Expansionsorgans 34 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a verdampft, dabei wird Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das auf dem Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen. Das verdampfte und gegebenenfalls überhitzte Kältemittel wird vom Verdichter 25 angesaugt.
  • Der erste Kältemittelkreislauf 2a ist wie beim Betrieb der Vorrichtung 1a des Klimatisierungssystems nach 3b geschaltet, sodass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 3b verwiesen wird.
    Ein Unterschied zum Betriebsmodus des Klimatisierungssystems gemäß 3b liegt darin, dass das durch den ersten Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a geführte Kältemittel beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wird, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die zuvor beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 bereits vorgewärmte Zuluft wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a weiter erwärmt.
    Ein weiterer Unterschied zum Betriebsmodus des Klimatisierungssystems gemäß 3b besteht darin, dass das aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a ausströmende zumindest teilweise verflüssigte/gekühlte Kältemittel zum weiteren Verflüssigen/Kondensieren und gegebenenfalls zum Unterkühlen durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet, wobei Wärme vom auf dem Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen wird, welches unmittelbar nach der Entspannung im dritten Expansionsorgan 34 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 im Zweiphasengebiet vorliegt und verdampft.
  • 4c zeigt die Vorrichtung 1a nach 1 beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem dritten Wärmepumpenmodus mit maximaler Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums.
    Der zweite Kältemittelkreislauf 3 ist dabei, wie beim Betriebsmodus nach 4b, derart geschaltet, die in den Fahrgastraum einströmende Zuluft mittels des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 vorzuwärmen. Der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 31 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Das erste Expansionsorgan 30 und damit der erste Strömungspfad 26 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 sind geschlossen, während die Expansionsorgane 33, 34 des zweiten Strömungspfades 27 geöffnet sind.
    Im Unterschied zum Betrieb des Klimatisierungssystems im zweiten Wärmepumpenmodus nach 4b ist der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 nicht aktiv. Der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 wird seitens des ersten Kältemittelkreislaufs 2a nicht mit Kältemittel beaufschlagt, es wird folglich keine Wärme übertragen.
  • Das im zweiten Kältemittelkreislauf 3 zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 25 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim anschließenden Durchströmen des ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 erfährt das Kältemittel keine Zustandsänderung, da der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18 seitens des ersten Kältemittelkreislaufs 2a nicht von Kältemittel durchströmt wird. Anschließend wird das Kältemittel durch das vollständig geöffnete zweite Expansionsorgan 33 vollständig in den zweiten Strömungspfad 27 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 eingeleitet. Im zweiten Expansionsorgan 33 erfährt das Kältemittel ebenfalls keine Zustandsänderung.
  • Beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 wird das Kältemittel verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei die Wärme vom Kältemittel an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die Zuluft wird vorgewärmt.
    Beim Durchströmen des dritten Expansionsorgans 34 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertragers 18 wird das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a verdampft, dabei wird Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das auf dem Niederdruckniveau vorliegende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen. Das verdampfte und gegebenenfalls überhitzte Kältemittel wird vom Verdichter 25 angesaugt.
  • Das im ersten Kältemittelkreislauf 2a zirkulierende Kältemittel wird vom Verdichter 4 von einem Niederdruckniveau auf ein Hochdruckniveau verdichtet und gefördert. Beim Betrieb der Vorrichtung 1a im dritten Wärmepumpenmodus mit maximaler Heizleistung für die Zuluft des Fahrgastraums nach 4c sind die Absperrventile 6, 7 der Ventilanordnung 5 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a derart geschaltet, dass das Kältemittel ausschließlich durch den ersten Strömungspfad 9 geleitet wird. Das erste Absperrventil 6 ist geschlossen, während das zweite Absperrventil 7 geöffnet ist. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.
    Das durch den ersten Strömungspfad 9 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a geführte Kältemittel wird beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a verflüssigt, insbesondere kondensiert/gekühlt, wobei Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an die in Strömungsrichtung 37 strömende Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird. Die zuvor beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des als Kondensator/Gaskühler betriebenen vierten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 35 bereits vorgewärmte Zuluft wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a weiter erwärmt.
    Das aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a ausströmende zumindest teilweise verflüssigte/gekühlte Kältemittel wird anschließend zum weiteren Verflüssigen/Kondensieren und gegebenenfalls zum Unterkühlen durch den zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 geleitet, wobei Wärme vom auf dem Hochdruckniveau vorliegenden Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs 2a an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 übertragen wird, welches unmittelbar nach der Entspannung im dritten Expansionsorgan 34 des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 im Zweiphasengebiet vorliegt und verdampft.
    Das aus dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 23 ausströmende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs 3 wird durch das geöffnete zweite Expansionsorgan 19 in den dritten Strömungspfad 14 eingeleitet. Das erste Expansionsorgan 17 ist geschlossen, der zweite Strömungspfad 13 wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt. Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 19 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und durch den ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 20 geleitet, in welchem das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittel des zum Temperieren von Komponenten des Antriebsstrangs ausgebildeten Kühlmittelkreislaufs verdampft. Das Kühlmittel wird dabei abgekühlt. Das vollständig durch den dritten Strömungspfad 14 geführte Kältemittel wird in den Akkumulator 21 geleitet und anschließend vom Verdichter 4 angesaugt.
  • 5 zeigt eine Vorrichtung 1b für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2a und einem zweiten Kältemittelkreislauf 3 sowie einem Kühlmittelkreislauf 39a mit einem Heizwärmeübertrager 41. Die Kältemittelkreisläufe 2a, 3 sind, wie bei der Vorrichtung nach 1, über zwei Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18, 23 thermisch miteinander gekoppelt und in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
  • Im Unterschied zur Vorrichtung 1a nach 1 ist der zweite als Kondensator/Gaskühler betreibbare Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 22b anstatt des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a ausgebildet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 22b ist eine Komponente des Kühlmittelkreislaufs 39a.
    Die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 22b vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragene Wärme wird vom Kühlmittel als Wärmeträger zu einem Heizwärmeübertrager 41 transportiert, welcher beispielsweise anstelle des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 22a der Vorrichtung 1a in einem Klimagerät angeordnet ist. Die durch das Klimagerät geförderte Zuluft für den Fahrgastraum kann je nach Betriebsmodus und Bedarf beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers 41 erwärmt werden. Das Kühlmittel wird mittels einer Fördervorrichtung 40, insbesondere einer Pumpe, durch den Kühlmittelkreislauf gefördert.
  • In 6 ist eine Vorrichtung 1c für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2c und einem zweiten Kältemittelkreislauf 3 sowie einem Kühlmittelkreislauf 39b mit einem Heizwärmeübertrager 41 sowie einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 46 zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft dargestellt. Die Kältemittelkreisläufe 2c, 3 sind, ähnlich der Vorrichtung 1a nach 1 und der Vorrichtung 1b nach 5, über zwei Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager 18, 23 thermisch miteinander gekoppelt und in einer Kaskadenschaltung zueinander angeordnet.
  • Im Unterschied zur Vorrichtung 1a nach 1 und zur Vorrichtung 1b nach 5 weist der erste Kältemittelkreislauf 2c keinen als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11 auf. Damit ist der erste Kältemittelkreislauf 2c ohne die Ventilanordnung 5 zum Aufteilen des auf Hochdruckniveau verdichteten Kältemittels sowie die Rückschlagventile 12, 24 ausgebildet. Der erste Strömungspfad 9 erstreckt sich vorzugsweise bis zur Abzweigstelle 15.
    Im Unterschied zur Vorrichtung 1b nach 5 weist der Kühlmittelkreislauf 39b den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 46 auf, welcher anstelle des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 11 des ersten Kältemittelkreislaufs 2a als Umgebungswärmeübertrager dient. Der Kühlmittelkreislauf 39b ist mit einem ersten Kühlmittelpfad 42 und einem zweiten Kühlmittelpfad 43 ausgebildet, wobei der Heizwärmeübertrager 41 innerhalb des ersten Kühlmittelpfades 42 und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 46 innerhalb des zweiten Kühlmittelpfades 43 angeordnet sind. Die Kühlmittelpfade 42, 43 erstrecken sich jeweils von einer Abzweigstelle 44 bis zu einer Mündungsstelle 45 und verlaufen parallel, sodass der Heizwärmeübertrager 41 und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 46 parallel zueinander angeordnet und parallel mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Das Kühlmittel wird mittels der Fördervorrichtung 40, insbesondere einer Pumpe, durch den Kühlmittelkreislauf gefördert.
  • Aus dem ersten Kältemittelkreislauf 2c abzuführende Kondensations-/Kühlungswärme wird unabhängig vom Betriebsmodus des Klimatisierungssystems mit der Vorrichtung 1c zunächst über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 22b an das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen. Je nach Betriebsmodus wird die an das Kühlmittel abgeführte Wärme beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 46 an die Umgebungsluft, beispielsweise beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem Kältenanlagenmodus beziehungsweise mit Kühlung der Komponenten des Antriebsstrangs, oder beim Durchströmen des Heizwärmeübertragers 41 an die Zuluft für den Fahrgastraum, beispielsweise beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem Wärmepumpenmodus oder einem Nachheizmodus, übertragen.
    Um die vom Kühlmittel abzuführende Wärme, insbesondere beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem Nachheizmodus, auf den Heizwärmeübertrager 41 und den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 46 zu verteilen, ist die Abzweigstelle des Kühlmittelkreislaufs 39b als ein regelbares Drei-Wege-Ventil ausgebildet, sodass der Kühlmittelmassenstrom auf die Kühlmittelpfade 42, 43 aufgeteilt werden kann.
  • Unter dem Einsatz der Vorrichtung 1b oder der Vorrichtung 1c kann zum Beispiel ein Serienklimagerät herkömmlicher Kraftfahrzeuge kostengünstig genutzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b, 1c
    Vorrichtung
    2a, 2c
    erster Kältemittelkreislauf
    3
    zweiter Kältemittelkreislauf
    4
    Verdichter erster Kältemittelkreislauf 2
    5
    Ventilanordnung
    6
    erstes Absperrventil Ventilanordnung 5
    7
    zweites Absperrventil Ventilanordnung 5
    8
    erste Abzweigstelle erster Kältemittelkreislauf 2
    9
    erster Strömungspfad erster Kältemittelkreislauf 2
    10
    erste Mündungsstelle erster Kältemittelkreislauf 2
    11
    erster Kondensator/Gaskühler, Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    12
    erstes Rückschlagventil erster Kältemittelkreislauf 2
    13
    zweiter Strömungspfad erster Kältemittelkreislauf 2
    14
    dritter Strömungspfad erster Kältemittelkreislauf 2
    15
    zweite Abzweigstelle erster Kältemittelkreislauf 2
    16
    zweite Mündungsstelle erster Kältemittelkreislauf 2
    17
    erstes Expansionsorgan erster Kältemittelkreislauf 2
    18
    erster Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager
    19
    zweites Expansionsorgan erster Kältemittelkreislauf 2
    20
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    21
    Akkumulator erster Kältemittelkreislauf 2
    22a
    zweiter Kondensator/Gaskühler, Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    22b
    zweiter Kondensator/Gaskühler, Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
    23
    zweiter Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager
    24
    zweites Rückschlagventil erster Kältemittelkreislauf 2
    25
    Verdichter zweiter Kältemittelkreislauf 3
    26
    erster Strömungspfad zweiter Kältemittelkreislauf 3
    27
    zweiter Strömungspfad zweiter Kältemittelkreislauf 3
    28
    Abzweigstelle zweiter Kältemittelkreislauf 3
    29
    Mündungsstelle zweiter Kältemittelkreislauf 3
    30
    erstes Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 3
    31
    Verdampfer, dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    32
    Rückschlagventil zweiter Kältemittelkreislauf 3
    33
    zweites Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 3
    34
    drittes Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 3
    35
    vierter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
    36
    Strömungsrichtung Umgebungsluft
    37
    Strömungsrichtung Zuluft Front
    38
    Strömungsrichtung Zuluft Rückraum
    39a, 39b
    Kühlmittelkreislauf
    40
    Fördervorrichtung
    41
    Heizwärmeübertrager
    42
    erster Kühlmittelpfad Kühlmittelkreislauf 39b
    43
    zweiter Kühlmittelpfad Kühlmittelkreislauf 39b
    44
    Abzweigstelle Kühlmittelkreislauf 39b
    45
    Mündungsstelle Kühlmittelkreislauf 39b
    46
    Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7228707 B2 [0006]
    • US 2013/0145781 A1 [0006]

Claims (20)

  1. Vorrichtung (1a, 1b, 1c) für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs, aufweisend mindestens einen ersten Kältemittelkreislauf (2a, 2c) und einen zweiten Kältemittelkreislauf (3), welche über einen ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) und einen zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) thermisch miteinander verbunden sind, wobei - der erste Kältemittelkreislauf (2a, 2c) in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter (4), dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23), dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) sowie einem als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager (20) ausgebildet ist, wobei dem Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) ein erstes Expansionsorgan (17) und dem Wärmeübertrager (20) ein zweites Expansionsorgan (19) vorgelagert angeordnet sind, - der zweite Kältemittelkreislauf (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels mit einem Verdichter (25), dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18), mindestens einem Expansionsorgan (33, 34) sowie dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittelkreislauf (2a, 2c) mit einem Wärmeübertrager (22a, 22b) ausgebildet ist, welcher innerhalb eines ersten Strömungspfades (9) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung (1a) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (22a) als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (22a) zum Erwärmen von Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung (1b, 1c) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (22b) als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (22b) eines Kühlmittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a) an das Kühlmittel ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (1b, 1c) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (22b) mit einem Heizwärmeübertrager (41) zum Erwärmen von Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1c) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (22b) mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (46) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittelkreislauf (2a) eine Ventilanordnung (5) mit einer ersten Abzweigstelle (8) sowie eine erste Mündungsstelle (10) aufweist, wobei sich zwischen der ersten Abzweigstelle (8) sowie der ersten Mündungsstelle (10) der erste Strömungspfad (9) sowie ein Strömungspfad mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (11) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a) an Umgebungsluft erstreckend angeordnet sind.
  8. Vorrichtung (1a, 1b, 1 c) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) und das dem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) in Strömungsrichtung des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) vorgelagert angeordnete erste Expansionsorgan (17) innerhalb eines zweiten Strömungspfades (13) sowie der Wärmeübertrager (20) und das dem Wärmeübertrager (20) in Strömungsrichtung des Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) vorgelagert angeordnete zweite Expansionsorgan (19) innerhalb eines dritten Strömungspfades (14) ausgebildet sind, wobei sich die Strömungspfade (13, 14) von einer zweiten Abzweigstelle (15) bis zu einer zweiten Mündungsstelle (16) des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) erstrecken und parallel zueinander angeordnet sind.
  9. Vorrichtung (1a, 1b, 1 c) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20) als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (20) eines Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren von Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung (1a, 1b, 1 c) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelkreislauf (3) mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (31) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) und der Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet ist, wobei dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (31) in Strömungsrichtung des Kältemittels ein erstes Expansionsorgan (30) vorgelagert angeordnet ist.
  11. Vorrichtung (1a, 1b, 1 c) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelkreislauf (3) mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) und der Zuluft für einen Fahrgastraum ausgebildet ist, wobei dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) in Strömungsrichtung des Kältemittels ein zweites Expansionsorgan (33) vorgelagert angeordnet ist.
  12. Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) mit einem vorgelagert angeordneten dritten Expansionsorgan (34) in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) nach dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (31) und das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (31) in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) vorgelagert angeordnete erste Expansionsorgan (30) innerhalb eines ersten Strömungspfades (26) sowie - ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35), das dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) vorgelagert angeordnete zweite Expansionsorgan (33) sowie der zweite Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) und das dem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) in Strömungsrichtung des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) vorgelagert angeordnete dritte Expansionsorgan (34) innerhalb eines zweiten Strömungspfades (27) ausgebildet sind, wobei sich die Strömungspfade (26, 27) von einer Abzweigstelle (28) bis zu einer Mündungsstelle (29) des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) erstrecken und parallel zueinander angeordnet sind.
  14. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Klimatisierungssystem für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, einem Wärmepumpenmodus und einem Nachheizmodus zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb in einem Kälteanlagenmodus des Klimatisierungssystems auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (20) Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) übertragen wird, und eine Kälteleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau bereitgestellt wird, wobei in mindestens einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (31, 35) Wärme von einer Zuluft für den Fahrgastraum an Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs (3) übertragen wird.
  15. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Klimatisierungssystem für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, einem Wärmepumpenmodus und einem Nachheizmodus zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb in einem Nachheizmodus des Klimatisierungssystems eine Kälteleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) Wärme von einer Zuluft für den Fahrgastraum an Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs (3) übertragen wird, und eine Heizleistung auf einem hohen Temperaturniveau bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (22a) Wärme von einem Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) direkt an Zuluft für den Fahrgastraum oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (22b) Wärme an ein in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel und in einem Heizwärmeübertrager (41) Wärme vom Kühlmittel an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen werden.
  16. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (20) Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) übertragen wird.
  17. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Klimatisierungssystem für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, einem Wärmepumpenmodus und einem Nachheizmodus zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb in einem Wärmepumpenmodus des Klimatisierungssystems eine Heizleistung auf einem hohen Temperaturniveau bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (22a) Wärme von einem Kältemittel eines ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) direkt an Zuluft für den Fahrgastraum oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (22b) Wärme an ein in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel und in einem Heizwärmeübertrager (41) Wärme vom Kühlmittel an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen werden, und auf einem ersten mittleren Temperaturniveau eine Kälteleistung bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (20) Wärme von in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) übertragen wird.
  18. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem zweiten mittleren Temperaturniveau eine Heizleistung bereitgestellt wird, wobei in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (35) Wärme von einem Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs (3) an Zuluft für den Fahrgastraum übertragen wird, sodass die Zuluft für den Fahrgastraum beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (22a) oder des Heizwärmeübertragers (41) vorgewärmt und beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (35) auf eine Endtemperatur erwärmt wird.
  19. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 14 oder 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die von elektrischen Komponenten eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs abzuführende Wärme an das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen wird und die Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (20) auf dem ersten mittleren Temperaturniveau vom Kühlmittel an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) übertragen wird.
  20. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) Wärme von Kältemittel eines zweiten Kältemittelkreislaufs (3) an Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2b) übertragen wird und das in einem zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) übertragen wird, wobei - im ersten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (18) das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2c) verdampft wird und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) kondensiert/gekühlt wird, sowie - im zweiten Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager (23) das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (2a, 2b) kondensiert/gekühlt wird und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (3) verdampft und/oder überhitzt wird.
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