DE102011109506B4 - Refrigerant circulation - Google Patents
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Abstract
Kältemittelkreislauf (10) zum Kühlbetrieb und Wärmepumpenbetrieb, wobei der Kältemittelkreislauf (10) einen Hochdruck- und einen Niederdruckbereich aufweist, umfassend- wenigstens eine Wärmequelle/-senke (26, 38),- einen Verdichter (12),- ein Expansionsorgan (18),- wenigstens ein thermisches Innenraummodul (16,34),- einen inneren Wärmeübertrager (20, 30), der einen hochdruckseitigen Teil (20) und einen niederdruckseitigen Teil (30) aufweist, wobei der hochdruckseitige Teil (20) des inneren Wärmeübertragers im Wärmepumpenbetrieb zwischen dem Expansionsorgan (18) und der Wärmequelle (26, 38) liegt, und- mindestens ein Mittel (22, 36, 40, 42), mit welchem der hochdruckseitige Teil (20) des inneren Wärmeübertragers im Wärmepumpenbetrieb auf einem Mitteldruckniveau (MD) betreibbar ist, wobei das Mitteldruckniveau (MD) zwischen dem Druckniveau im Hochdruckbereich (HD) und dem Niederdruckbereich (ND) liegt, wobei das Mittel (22, 36, 40, 42) zwischen dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers (20) und der im Wärmepumpenbetrieb als Wärmequelle betriebenen Wärmequelle/-senke (26, 38) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle/-senke (26, 38) ein Kondensator/Gaskühler (26) und ein Wärmeübertrager (38) vorgesehen sind, wobei der Wärmeübertrager (38) entweder parallel oder in Reihe zum Gaskühler (26) eingebunden ist.Refrigerant circuit (10) for cooling operation and heat pump operation, wherein the refrigerant circuit (10) has a high-pressure and a low-pressure region, comprising - at least one heat source / sink (26, 38), - a compressor (12), - an expansion element (18) - at least one thermal inner module (16, 34), - an inner heat exchanger (20, 30) having a high pressure side part (20) and a low pressure side part (30), the high pressure side part (20) of the inner heat exchanger operating in heat pump mode between the expansion member (18) and the heat source (26, 38), and at least one means (22, 36, 40, 42), with which the high pressure side portion (20) of the internal heat exchanger in heat pump operation at a medium pressure level (MD) is operable, wherein the medium pressure level (MD) between the pressure level in the high pressure region (HD) and the low pressure region (ND), wherein the means (22, 36, 40, 42) between the high pressure side part de s inner heat exchanger (20) and operated in the heat pump operation as a heat source heat source / sink (26, 38) is characterized in that as a heat source / sink (26, 38) a condenser / gas cooler (26) and a heat exchanger (38 ) are provided, wherein the heat exchanger (38) is integrated either in parallel or in series with the gas cooler (26).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung von Fahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a refrigerant circuit for air conditioning of vehicles, according to the preamble of claim 1, and a method for operating an air conditioner according to the preamble of claim 9.
Die
Die
In bekannter Weise, weist ein Kältemittelkreislauf, der sowohl zum Kühl- als auch zum Wärmepumpenbetrieb geeignet ist, einen Hoch- und einen Niederdruckbereich auf. Ein derartiger Kältemittelkreislauf umfasst wenigstens eine Wärmequelle/-senke, beispielsweise einen Gaskühler bzw. Kondensator und / oder einen Glykolwärmeübertrager, ferner einen Verdichter, ein Expansionsmodul, wenigstens ein thermisches Innenraummodul (Verdampfer / Kondensator = Heizregister), sowie einen Kältemittelspeicher.In a known manner, has a refrigerant circuit, which is suitable for both the cooling and the heat pump operation, a high and a low pressure area. Such a refrigerant circuit comprises at least one heat source / sink, for example a gas cooler or condenser and / or a glycol heat exchanger, a compressor, an expansion module, at least one thermal interior module (evaporator / condenser = heating register), and a refrigerant storage.
Zudem ist ein innerer Wärmeübertrager vorgesehen, der einen hochdruckseitigen Teil und einen niederdruckseitigen Teil aufweist, wobei der hochdruckseitige Teil des inneren Wärmeübertragers im Wärmepumpenbetrieb zwischen dem Expansionsmodul und dem Gaskühler liegt. Der niederdruckseitige Teil des inneren Wärmeübertragers ist saugseitig zum Verdichter angeordnet.In addition, an internal heat exchanger is provided, which has a high-pressure-side part and a low-pressure-side part, wherein the high-pressure-side part of the inner heat exchanger is in heat pump operation between the expansion module and the gas cooler. The low-pressure side part of the inner heat exchanger is arranged on the suction side to the compressor.
Ein Kältemittelkreislauf der genannten Art ist beispielsweise aus der
Weitere Kältemittelkreisläufe mit innerem Wärmeübertrager sind beispielsweise aus der
Es ist unter anderem Aufgabe der Erfindung eine möglichst einfache Gestaltung anzugeben, um einen aktiven Betrieb des inneren Wärmeübertragers auch im Wärmepumpenbetrieb zu gewährleisten. Eine weitere Aufgabe ist es, das in den verschiedenen Betriebszuständen im Kälte- bzw. Heizbetrieb nicht benötigte Kältemittel entsprechend zu lagern und somit das umlaufende Kältemittel optimal einzustellen.It is inter alia an object of the invention to provide the simplest possible design in order to ensure active operation of the internal heat exchanger even in heat pump operation. A further object is to appropriately store the refrigerant which is not required in the various operating states during cooling or heating operation and thus optimally adjust the circulating refrigerant.
Eine Möglichkeit den aktiven Betrieb des inneren Wärmeübertragers zu gewährleisten ist die Entspannung des Kältemittels nach dem inneren Wärmeübertrager. Dies hat jedoch wiederum den Nachteil, dass der dem inneren Wärmeübertrager im Wärmepumpenbetrieb nachgeschaltete Kältemittelspeicher ebenfalls mit unter Hochdruck stehendem Kältemittel beaufschlagt ist. Hierbei ist jedoch gerade im Wärmepumpenbetrieb der Speicher auf Grund der Dichte des Kältemittels zu groß. Ein ausreichender Druckaufbau auf der Hochdruckseite kann somit nicht gewährleistet werden.One way to ensure the active operation of the internal heat exchanger is the relaxation of the refrigerant after the internal heat exchanger. However, this in turn has the disadvantage that the refrigerant storage device connected downstream of the inner heat exchanger in the heat pump mode is likewise subjected to high-pressure refrigerant. However, especially in the heat pump mode, the memory is too large due to the density of the refrigerant. A sufficient pressure build-up on the high pressure side can not be guaranteed.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Kältemittelkreislauf gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ferner wird gemäß Anspruch 9 ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage mit einem solchen Kältemittelkreislauf vorgeschlagen.To solve the above object, a refrigerant circuit according to claim 1 is proposed. Furthermore, a method for operating an air conditioning system with such a refrigerant circuit is proposed according to claim 9.
Der Kältemittelkreislauf umfasst dabei Mittel, durch welche der hochdruckseitige Teil des inneren Wärmeübertrager im Wärmepumpenbetrieb auf einem Mitteldruckniveau betrieben wird, das zwischen Hoch- und Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs liegt.In this case, the refrigerant circuit comprises means by which the high-pressure-side part of the inner heat exchanger is operated in heat pump mode at a medium-pressure level which lies between the high and low pressure levels of the refrigerant circuit.
Durch den Druckverlust vom hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers zur Wärmequelle, stellt sich ein Druckniveau des dort entspannten zweiphasigen Kältemittels ein, welches über dem der nachgeschalteten Wärmequelle liegt. Im Extremfall, kann dabei der Bereich des Mitteldruckniveaus derart über- bzw. unterschritten werden, und dem Hochdruck- oder Niederdruckniveau entsprechen.Due to the pressure loss from the high-pressure side part of the inner heat exchanger to the heat source, a pressure level of the relaxed two-phase refrigerant there, which is higher than that of the downstream heat source. In the extreme case, the range of the medium-pressure level can be exceeded or fallen below in this way and correspond to the high-pressure or low-pressure level.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärme des zweiphasigen Kältemittels und der konstanten Temperatur kann der innere Wärmeübertrager aktiv genutzt werden, um im Wärmepumpenbetrieb das Kältemittel, das den niederdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers durchströmt zu überhitzen. Dadurch wird auf einfache Weise ein sicherer Betrieb des Verdichters gewährleistet und ein Ansaugen von flüssigem Kältemittel zuverlässig vermieden. Die Konfiguration und Funktion des Kältemittelkreislaufs kann unabhängig vom verwendeten Kältemittel Anwendung finden. Unterschiede zeigen sich ggf. in den jeweiligen Drucklagen für Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckniveau auf.Due to the high specific heat of the two-phase refrigerant and the constant temperature, the internal heat exchanger can be actively used to overheat the refrigerant flowing through the low-pressure side part of the internal heat exchanger during heat pump operation. As a result, a safe operation of the compressor is ensured in a simple manner and a suction reliably avoided by liquid refrigerant. The configuration and function of the refrigerant circuit can be used independently of the refrigerant used. Differences may be found in the respective pressure levels for low pressure, medium pressure and high pressure levels.
Zudem kann die Verschaltung unabhängig vom Antriebskonzept des jeweiligen Fahrzeugs, beispielsweise konventionell, hybridisch, elektrisch, etc., und damit unabhängig von der Art des Verdichters eingesetzt werden.In addition, the interconnection can be used independently of the drive concept of the respective vehicle, for example conventionally, hybridically, electrically, etc., and thus independently of the type of compressor.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist das Mittel, um den hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers auf Mitteldruckniveau zu betreiben in Form einer Drossel ausgestaltet. Die Drossel ist im Wärmepumpenbetrieb dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers nachgeschaltet, vorzugsweise liegt diese auch hinter einem Kältemittelspeicher.In a first advantageous embodiment, the means for operating the high-pressure-side part of the inner heat exchanger to medium-pressure level in the form of a throttle. In the heat pump mode, the throttle is connected downstream of the high-pressure-side part of the inner heat exchanger, preferably also behind a coolant reservoir.
Ferner ist die Drossel derart ausgestaltet, dass diese nur in Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenbetrieb einen Druckverlust, bedingt durch eine Querschnittsverengung, erzeugt. Im Kälteanlagenbetrieb steht bei entgegengesetzter Strömungsrichtung der maximale Querschnitt zur Verfügung. Vom Expansionsventil wird im Wärmepumpenbetrieb ein Mitteldruckniveau eingestellt, welches durch die von der Festdrossel erzeugte Druckentlastung nach dem Durchlaufen des inneren Wärmeübertragers auf Niederdruck entspannt wird.Furthermore, the throttle is designed such that it generates a pressure loss due to a cross-sectional constriction only in the flow direction of the refrigerant in heat pump operation. In refrigeration system operation, the maximum cross-section is available in the opposite flow direction. From the expansion valve, a medium-pressure level is set in the heat pump operation, which is relaxed by the pressure relief generated by the fixed throttle after passing through the inner heat exchanger to low pressure.
Vorzugsweise kann das Mittel zur Realisierung des Mitteldruckniveaus auch in Form einer Leitungsanpassung der Leitung, die zwischen Wärmequelle/-senke und Expansionsventil liegt, ausgebildet sein. Der Kältemittelspeicher und der hochdruckseitige Teil des inneren Wärmeübertragers liegen dann ebenfalls in diesem Bereich.Preferably, the means for realizing the medium-pressure level can also be designed in the form of a line adaptation of the line which lies between the heat source / sink and the expansion valve. The refrigerant storage and the high-pressure side part of the inner heat exchanger are then also in this area.
Der Leitungsquerschnitt und die Leitungsführung bzw. Leitungsbiegungen müssen für jedes Fahrzeug speziell ermittelt werden, damit im Kühlbetrieb kein nennenswerter Druckverlust entsteht, aber im Wärmepumpenbetrieb ein für den (Zu-)Heizbetrieb abgestimmter Druckverlust erzielt werden kann.The cable cross-section and the wiring or line bends must be specifically determined for each vehicle, so that no significant pressure loss occurs in the cooling mode, but in the heat pump mode for the (additional) heating operation tuned pressure loss can be achieved.
Insbesondere ist der Leitungsquerschnitt geringer als im Stand der Technik üblich, da auf diese Weise Material für Rohrleitungen und damit Kosten und Gewicht eingespart werden können. Ein reduzierter Leitungsquerschnitt hat darüber hinaus eine Füllmengenreduktion und einen verminderten Bedarf an Kältemittel zur Folge.In particular, the line cross-section is less common than in the prior art, since in this way material for piping and thus costs and weight can be saved. In addition, a reduced line cross-section results in a reduction in the quantity of fillings and a reduced need for refrigerants.
Ferner kann neben dem steuerbaren Expansionsorgan, das in Strömungsrichtung im Wärmepumpenbetrieb vor dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers liegt, wenigstens ein weiteres steuerbares Expansionsorgan vorgesehen sein. Dieses ist in vorgenannter Strömungsrichtung hinter dem hochdruckseitigen Teil des Wärmeübertragers und nach dem Kältemittelspeicher angeordnet, jedoch vor der Wärmequelle.Furthermore, at least one further controllable expansion element can be provided in addition to the controllable expansion element, which lies in the flow direction in heat pump operation upstream of the high-pressure-side part of the inner heat exchanger. This is arranged in the aforementioned flow direction behind the high-pressure side part of the heat exchanger and after the refrigerant storage, but before the heat source.
Dieses steuerbare Expansionsorgan, kann das an seinem Eintritt herrschende Mitteldruckniveau auf Niederdruckniveau entspannen.This controllable expansion device can relax the low pressure level medium pressure level prevailing at its entrance.
Erfindungsgemäß ist im Kältemittelkreislauf neben einem Kondensator als Wärmequelle/-senke ein zusätzlicher, insbesondere externer Wärmeübertrager als weitere Wärmequelle/-senke zur Übertragung von Wärme zwischen Motor und Kältemittelkreislauf vorgesehen sein. Dieser externe Wärmeübertrager ist insbesondere als Wasser-Glykol-Wärmeübertrager - auch Chiller genannt - ausgebildet.According to the invention, an additional, in particular external, heat exchanger as a further heat source / sink for the transmission of heat between the engine and the refrigerant circuit can be provided in the refrigerant circuit in addition to a condenser as heat source / sink. This external heat exchanger is designed in particular as a water-glycol heat exchanger - also called a chiller.
Der zusätzliche Wärmeübertrager ist derart in den Kältemittelkreislauf eingebunden, dass dieser im Wesentlichen parallel, aber auch seriell zum Kondensator liegt.The additional heat exchanger is integrated into the refrigerant circuit in such a way that it is essentially parallel but also in series with the condenser.
In jedem Fall zweigen, sowohl die Leitung zum Kondensator als auch die zum zusätzlichen Wärmeübertrager, von der vom hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers kommenden Leitung ab.In any case, both the line leading to the condenser and the additional heat exchanger branch off from the line coming from the high-pressure-side part of the internal heat exchanger.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung können die beiden Abzweigungen über je ein steuerbares Expansionsorgan in den Prozess eingebunden werden. Zum einen kann per Ansteuerung der Expansionsorgane per externer Regeleinheit bestimmt werden, ob und wie der Kältemittelstrom fließt, wodurch Schaltventile ersetzt werden. Zum anderen wird für beide Zweige das kontrollierbare Einstellen des Mitteldruckniveaus im inneren Wärmeübertrager und Kältemittelspeicher gewährleistet.In a particularly advantageous embodiment, the two branches can be integrated into the process via a controllable expansion element. On the one hand can be determined by controlling the expansion organs by external control unit, whether and how the refrigerant flow flows, whereby switching valves are replaced. On the other hand, the controllable setting of the medium-pressure level in the internal heat exchanger and refrigerant storage is ensured for both branches.
Es kann durch eine Anordnung der steuerbaren Expansionsorgane im Wärmepumpenbetrieb hinter dem Kältemittelspeicher, das Druckniveau im Kältemittelspeicher, und in dieser Verschaltungsvariante auch im inneren Wärmeübertrager, flexibel derart eingestellt werden, dass die im Kältemittelkreislauf zur Verfügung stehende Kältemittelmenge optimal ist.It can be flexibly adjusted by an arrangement of the controllable expansion elements in the heat pump operation behind the refrigerant storage, the pressure level in the refrigerant storage, and in this Verschaltungsvariante also in the inner heat exchanger, that the amount of refrigerant available in the refrigerant circuit is optimal.
Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf wie er zuvor beschrieben wurde, wobei neben dem steuerbaren Expansionsorgan, das in Strömungsrichtung im Wärmepumpenbetrieb vor dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers liegt, wenigstens ein weiteres steuerbares Expansionsorgan vorgesehen ist. Dieses ist in vorgenannter Strömungsrichtung hinter dem hochdruckseitigen Teil des Wärmeübertragers und nach dem Kältemittelspeicher angeordnet, jedoch vor der Wärmequelle.Furthermore, the invention relates to a method for operating an air conditioner, comprising a refrigerant circuit as described above, wherein at least one further controllable expansion element is provided in addition to the controllable expansion element, which lies in the flow direction in heat pump operation in front of the high-pressure side part of the inner heat exchanger. This is in the aforementioned flow direction behind the high-pressure side part of the heat exchanger and after the refrigerant storage arranged, but before the heat source.
Erfindungsgemäß werden die Expansionsorgane so gesteuert, dass diese in ihrem Betrieb abgestimmt werden.According to the expansion organs are controlled so that they are tuned in their operation.
Insbesondere werden im Wärmepumpenbetrieb die Expansionsorgane, in einem Einzelbetrieb gesteuert, in welchem diese jeweils einzeln arbeiten, und die jeweils anderen Expansionsorgane voll geöffnet werden.In particular, in the heat pump mode, the expansion elements are controlled in a single operation, in which they each work individually, and the other expansion organs are fully opened.
In einem weiteren Anwendungsfall können alle Expansionsorgane im Kombinationsbetrieb betrieben werden. Dabei werden diese in Abhängigkeit voneinander geöffnet, um ein gewünschtes Druckniveau einzustellen.In another application, all expansion organs can be operated in combination mode. They are opened in dependence on each other to set a desired pressure level.
Vorzugsweise können die Expansionsorgane auch in einer Betriebsweise betrieben werden, bei der Kombinationsbetrieb und Einzelbetrieb bedarfsweise, insbesondere abwechselnd verwendet werden.Preferably, the expansion devices can also be operated in an operating mode in which combined operation and individual operation are used as needed, in particular alternately.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description in conjunction with the embodiments illustrated in the drawings.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
-
1 eine grundlegende Darstellung eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs im Kühlbetrieb; -
1A eine grundlegende Darstellung eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenbetrieb; -
2 eine vorteilhafte Ausgestaltung mit Leitungsquerschnittanpassung und -
3 eine vorteilhafte Ausgestaltung mit steuerbaren Expansionsorganen und Reihenverschaltung der Wärmequellen Wasser (Chiller)und Luft (Kondensator). -
4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung mit Parallelverschaltung.
-
1 a basic representation of a refrigerant circuit according to the invention in the cooling operation; -
1A a basic representation of a refrigerant circuit according to the invention in heat pump operation; -
2 an advantageous embodiment with line cross-section adaptation and -
3 an advantageous embodiment with controllable expansion organs and series connection of the heat sources water (chiller) and air (condenser). -
4 shows an advantageous embodiment with parallel connection.
Gleiche bzw. gleichwirkende Bauteile werden in den folgenden Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Identical or equivalent components are denoted by the same reference numerals in the following embodiments.
Anschließend fließt das Kältemittel aufgrund des geöffneten Absperrventils
Indem erfindungsgemäß das Kältemittel, welches durch den hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers
Durch das Überhitzen des Kältemittels wird ein Ansaugen von flüssigen Kältemitteln zuverlässig verhindert. Dadurch wird ein sicherer Betrieb des Verdichters
Um diesen Effekt zu gewährleisten, muss eine leitungstechnische Analyse gesondert für jedes Fahrzeug ermittelt werden und ist insbesondere abhängig von der Leitungsführung bzw. den vorliegenden Biegungen.To ensure this effect, a line analysis must be determined separately for each vehicle and is particularly dependent on the wiring or the existing bends.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, wie sie in
Mit dieser Ausführungsform sind neben dem Hauptexpansionsventil
Zudem kann durch die abgestimmte Regelung des steuerbaren Hauptexpansionsventil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 1212
- Verdichtercompressor
- 1414
- Drei-Zwei-Wege-VentilThree-two-way valve
- 1616
- Heizregisterheater
- 1818
- steuerbares Hauptexpansionsorgancontrollable main expansion organ
- 2020
- innerer Wärmeübertrager (Hochdruck)internal heat exchanger (high pressure)
- 2222
- Drosselthrottle
- 2424
- KältemittelspeicherRefrigerant storage
- 2626
- Kondensator/ GaskühlerCondenser / gas cooler
- 2828
- Absperrventilshut-off valve
- 3030
- innerer Wärmeübertrager (Niederdruck)internal heat exchanger (low pressure)
- 3232
- Absperrventilshut-off valve
- 3434
- VerdampferEvaporator
- 3636
- LeitungsquerschnittWire Gauge
- 3838
- Glykolwärmeübertrager/ ChillerGlycol heat exchanger / chiller
- 4040
- Steuerbares ExpansionsorganControllable expansion organ
- 4242
- Steuerbares ExpansionsorganControllable expansion organ
- 4444
- Absperrventilshut-off valve
- NDND
- NiederdruckniveauLow pressure level
- MDMD
- MitteldruckniveauMedium pressure level
- HDHD
- HochdruckniveauHigh pressure level
Claims (12)
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