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DE102011109506B4 - Refrigerant circulation - Google Patents

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DE102011109506B4
DE102011109506B4 DE102011109506.7A DE102011109506A DE102011109506B4 DE 102011109506 B4 DE102011109506 B4 DE 102011109506B4 DE 102011109506 A DE102011109506 A DE 102011109506A DE 102011109506 B4 DE102011109506 B4 DE 102011109506B4
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Peter Heyl
Hans Hammer
Martin Hötzel
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Audi AG
Hanon Systems Corp
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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 DE 103 09 779 A1 offenbart eine Zweikreisklimaanlage, bei welcher das Kältemittel in einem Wärmepumpenbetrieb entweder durch die Kompression des Kältemittels erwärmt wird und an einen Kondensator im Innenraummodul (im weiteren Verlauf als Heizregister bezeichnet)zur Erwärmung der Innenraumzuluft abgibt. Zudem kann einem Kühlmittelkreislauf des Motors Wärme entzogen werden und entweder über einen Wärmeübertrager dem Kältemittel zugeführt werden oder in einem konventionellen Heizbetrieb die Innenraumzuluft über einen vom Kühlmittel durchströmten Heizkern erwärmt werden. Im Kühlbetrieb wird der Innenraumzuluft die Wärme vom Kondensator, der in diesem Betriebszustand als Verdampfer arbeitet, entzogen. Die an das Kältemittel abgegebene Wärme, wird daraufhin über einen weiteren Kondensator an die Umgebung abgegeben.The DE 103 09 779 A1 discloses a dual-circuit air conditioner in which the refrigerant is heated in a heat pump operation either by the compression of the refrigerant and to a condenser in the interior module (hereinafter referred to as heating register) for heating the Innenraumzuluft emits. In addition, heat can be withdrawn from a coolant circuit of the engine and either supplied to the refrigerant via a heat exchanger or, in a conventional heating operation, the interior supply air can be heated via a heating core through which the coolant flows. In cooling mode, the interior air supply is deprived of heat from the condenser, which operates as an evaporator in this operating state. The heat given off to the refrigerant is then released to the environment via another condenser.

Die DE 101 58 104 B4 offenbart eine Klimaanlage, die einen Kältemittelkreislauf aufweist, bei dem im Wärmepumpenprozess Wärme, die hochdruckseitig durch einen Kondensator (siehe Erläuterung Seite 1, Heizregister) zur Erwärmung der Innenraumzuluft abgegeben wird, von einem Verdampfer, der im Kühlbetrieb als Gaskühler bzw. Kondensator arbeitet, der Umgebungsluft entzogen wird.The DE 101 58 104 B4 discloses an air conditioner having a refrigerant circuit in which, in the heat pumping process, heat discharged on the high pressure side through a condenser (see explanation page 1, heating register) for heating the indoor air supply from an evaporator operating as a gas cooler in the cooling operation Ambient air is withdrawn.

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 JP 2009 - 270 822 A bekannt. Bei diesem Kältemittelkreislauf ist neben einem inneren Wärmeübertrager zusätzlich ein elektrisches Heizelement vorgesehen, um dem Verdichter saugseitig zuzuführendes Kältemittel zu erhitzen.A refrigerant circuit of the type mentioned is for example from the JP 2009 - 270 822 A known. In this refrigerant circuit, in addition to an internal heat exchanger, an electric heating element is additionally provided in order to heat the refrigerant to the compressor on the suction side.

Weitere Kältemittelkreisläufe mit innerem Wärmeübertrager sind beispielsweise aus der JP 2004 - 85 176 A oder der DE 101 26 257 A1 bekannt.Other refrigerant circuits with internal heat exchanger, for example, from JP 2004 - 85 176 A or the DE 101 26 257 A1 known.

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.
In the description, the claims, and the drawing, the terms and associated reference numerals used in the list of reference numerals below are used. In the drawing:
  • 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.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs 10 einer Fahrzeugklimaanlage. Diese Ausgestaltung eines Kältemittelkreislaufs eignet sich für den Kühlbetrieb und Wärmepumpenbetrieb jedoch skizziert für den Kühlbetrieb. Hierbei strömt das unter Hochdruck stehende Kältemittel ausgehend vom Verdichter 12 über das Drei-Zwei-Wege-Ventil 14 durch einen Kondensator/ Gaskühler 26 und durch die Drossel 22. 14 wird bevorzugt als 3-2-Wege-Ventil ausgeführt, die Umsetzung der Verschaltung kann jedoch auch in Form von 2 einzelnen ansteuerbaren Absperrventilen erfolgen. Die Drossel ist jedoch derart ausgestaltet, dass sie lediglich im Wärmepumpenbetrieb einen Druckverlust erzeugt. Im Kühlbetrieb hingegen erzeugt sie keinen bzw. geringfügigen Druckverlust, wodurch das Kältemittel den Kältemittelspeicher 24 und den hochdruck-seitigen Teil des inneren Wärmeübertragers 20 auch auf Hochdruckniveau durchströmt und erst im Hauptexpansionsventil 18 auf Niederdruckniveau entspannt wird. Durch Offenstellung des Absperrventils 32 durchströmt das auf Niederdruckniveau befindliche Kältemittel den Verdampfer 34 und anschließend den niederdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers 30, worauf es im Verdichter 12 wieder auf Hochdruckniveau verdichtet wird. Durch die derart gestaltete Drossel 22 ergeben sich für den Kühlbetrieb keine Änderungen zum Stand der Technik. 1 shows a schematic representation of a refrigerant circuit 10 a vehicle air conditioning. This embodiment of a refrigerant circuit is suitable for the cooling operation and heat pump operation, however, sketched for the cooling operation. Here, the high-pressure refrigerant flows from the compressor 12 over the three-way valve 14 through a condenser / gas cooler 26 and through the throttle 22 , 14 is preferably designed as a 3-2-way valve, but the implementation of the interconnection can also be done in the form of 2 individual controllable shut-off valves. However, the throttle is designed such that it generates a pressure loss only in heat pump operation. In cooling mode, on the other hand, it generates no or slight pressure loss, as a result of which the refrigerant stores the refrigerant 24 and the high-pressure side part of the internal heat exchanger 20 also flows through at high pressure level and only in the main expansion valve 18 is relaxed at low pressure level. By opening the shut-off valve 32 The low-pressure refrigerant flows through the evaporator 34 and then the low-pressure side part of the inner heat exchanger 30 what it is in the compressor 12 is compressed again to high pressure level. By so designed throttle 22 arise for the cooling operation no changes to the prior art.

1A zeigt eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs 10 einer Fahrzeugklimaanlage nach 1. im Wärmepumpenbetrieb, wobei ausgehend vom Verdichter 12 das Kältemittel über ein Drei-Zwei-Wege-Ventil 14, über ein Heizregister 16 zu einem Hauptexpansionsventil 18 strömt. Das Kältemittel befindet sich bis zum Hauptexpansionsventil 18 auf Hochdruckniveau HD. Das Hauptexpansionsventil 18 entspannt das Kältemittel, welches den hochdruckseitigen Teil eines inneren Wärmeübertragers 20 durchströmt auf ein Mitteldruckniveau MD. Im weiteren Verlauf ist nach einem Kältemittelspeicher 24 eine Drossel 22 vorgesehen, welche in Strömungsrichtung des Wärmepumpenbetriebs das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau ND entspannt. Auf diesem Druckniveau durchströmt das Kältemittel einen als Verdampfer arbeitenden Kondensator/ Gaskühler 26. 1A shows a schematic representation of a refrigerant circuit 10 a vehicle air conditioning after 1 , in heat pump mode, starting from the compressor 12 the refrigerant via a three-way valve 14 , via a heating register 16 to a main expansion valve 18 flows. The refrigerant is located up to the main expansion valve 18 at high pressure level HD , The main expansion valve 18 relaxes the refrigerant, which is the high-pressure side part of an internal heat exchanger 20 flows through to a medium pressure level MD , In the further course is after a refrigerant storage 24 a throttle 22 provided, which in the flow direction of the heat pump operation, the refrigerant to a low pressure level ND relaxed. At this pressure level, the refrigerant flows through a working as an evaporator condenser / gas cooler 26 ,

Anschließend fließt das Kältemittel aufgrund des geöffneten Absperrventils 28 durch den niederdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers 30 und anschließend in den Verdichter 12, in welchem es wieder auf Hochdruckniveau verdichtet wird.Subsequently, the refrigerant flows due to the open shut-off valve 28 through the low-pressure side part of the inner heat exchanger 30 and then into the compressor 12 in which it is compressed again to high pressure level.

Indem erfindungsgemäß das Kältemittel, welches durch den hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers 20 strömt, auf ein Mitteldruckniveau gebracht wird, ist im Wärmepumpenbetrieb die Möglichkeit einer Wärmeübertragung mit dem niederdruckseitigen Teil des Wärmeübertragers geschaffen. Dies hat den Vorteil, dass das durch den niederdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertrages 30 strömende Kältemittel vor dem Eintritt in den Verdichter 12 nochmals aufgeheizt bzw. überhitzt werden kann.In accordance with the invention, the refrigerant which flows through the high-pressure-side part of the internal heat exchanger 20 flows, is brought to a medium pressure level, the possibility of heat transfer with the low-pressure side of the heat exchanger is created in heat pump mode. This has the advantage that this is due to the low-pressure-side part of the internal heat transfer 30 flowing refrigerant before entering the compressor 12 can be reheated or overheated.

Durch das Überhitzen des Kältemittels wird ein Ansaugen von flüssigen Kältemitteln zuverlässig verhindert. Dadurch wird ein sicherer Betrieb des Verdichters 12 gewährleistet.Overheating of the refrigerant reliably prevents aspiration of liquid refrigerants. This will ensure safe operation of the compressor 12 guaranteed.

2 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 einer Fahrzeugklimaanlage im Wärmepumpenbetrieb, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Mitteldruckniveau, welches sich zwischen dem Hauptexpansionsventil 18 und dem Gaskühler 26 ergibt, durch eine Anpassung des Leitungsquerschnitts 36 gewährleistet wird. Der Leitungsquerschnitt 36 ist in 2 nur schematisch angedeutet. Der Leitungsquerschnitt 36 ist derart ausgestaltet, dass er im Wärmepumpenbetrieb einen Druckverlust erzeugt, nicht jedoch im Kühlbetrieb. Dies kann aufgrund der unterschiedlichen Zustände des Kältemittels in den beiden Betriebsarten erreicht werden. 2 shows a refrigerant circuit 10 a vehicle air conditioning in heat pump mode, in this embodiment, the medium-pressure level, which is located between the main expansion valve 18 and the gas cooler 26 results, by adjusting the cable cross-section 36 is guaranteed. The cable cross-section 36 is in 2 only indicated schematically. The cable cross-section 36 is designed such that it generates a pressure loss in heat pump operation, but not in the cooling mode. This can be achieved due to the different states of the refrigerant in the two modes.

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 3 dargestellt ist, umfasst der Kältemittelkreislauf 10 neben dem Kondensator/ Gaskühler 26 zusätzlich mindestens einen Chiller 38 zum Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelkreislauf beispielsweise eines Fahrzeugmotors. Weitere Wärmequellen könnten die Abgasanlage oder auch die unterschiedlichen Kühlmittelkreise eines teilweise oder vollständig elektrifizierten Fahrzeuges darstellen.In a further advantageous embodiment, as in 3 is shown, the refrigerant circuit comprises 10 next to the condenser / gas cooler 26 in addition at least one chiller 38 for heat exchange with a coolant circuit, for example a vehicle engine. Other sources of heat could be the exhaust system or the different coolant circuits of a partially or fully electrified vehicle.

Mit dieser Ausführungsform sind neben dem Hauptexpansionsventil 18 zur Gewährleistung des Mitteldruckniveaus im hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers 20 weitere steuerbare Expansionsorgane 40, 42 vorgesehen. In diesem Fall kann die Strömung entweder über den Glykolwärmeübertrager/Chiller 38, den Kondensator/ Gaskühler 26 oder beiden geführt werden. In Durchlassstellung des steuerbaren Expansionsorgans 40, 42 wird das Mitteldruckniveau im Wärmepumpenbetrieb auf Niederdruck entspannt, um nachfolgend in Glykolwärmeübertrager /Chiller 38 und/oder Gaskühler 26 Energie aufnehmen zu können. Es lassen sich hierbei die Vorzüge des auf Mitteldruckniveau befindlichen, hochdruckseitigen Teils des inneren Wärmeübertragers 20 zur Überhitzung des saugseitig am Verdichter 12 anliegenden Kältemittels nutzen.With this embodiment, besides the main expansion valve 18 to ensure the medium pressure level in the high pressure side part of the internal heat exchanger 20 further controllable expansion organs 40 . 42 intended. In this case, the flow can be via either the glycol heat exchanger / chiller 38 , the condenser / gas cooler 26 or both. In passage position of the controllable expansion organ 40 . 42 the medium pressure level is relaxed in the heat pump mode to low pressure to below in glycol heat exchanger / chiller 38 and / or gas cooler 26 To be able to absorb energy. In this case, the advantages of the medium-pressure level, high-pressure-side part of the inner heat exchanger can be eliminated 20 to overheat the suction side of the compressor 12 use adjacent refrigerant.

Zudem kann durch die abgestimmte Regelung des steuerbaren Hauptexpansionsventil 18 sowie der weiteren steuerbaren Expansionsorganen 40, 42 das Druckniveau im Kältemittelspeicher 24 so eingestellt werden, dass die Lagerung des Kältemittels bei einer Dichte gewährleistet wird, die sowohl ein effizientes Heizen als auch einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Anlage gewährleistet.In addition, through the coordinated control of the main controllable expansion valve 18 and the other controllable expansion organs 40 . 42 the pressure level in the refrigerant reservoir 24 be adjusted so that the storage of the refrigerant is ensured at a density that ensures both an efficient heating and a safe and reliable operation of the system.

4 zeigt eine Ausführungsform, die in ihrer Funktionsweise im Wesentlichen der der 3 entspricht. Im Unterschied zu 3 ist eine Verbindungsleitung vorgesehen, die die Strömungskanäle durch den Kondensator/Gaskühler 26 und dem Glykolwärmeübertrager/Chiller 38 im Wärmepumpenbetrieb in Strömungsrichtung hinter den genannten Organen über ein Absperrventil 44 verbindet. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit eines Parallelbetriebs von Kondensator/Gaskühler 26 und Glykolwärmeübertrager/Chiller 38, wohingegen in 3 die Möglichkeit eines seriellen Betriebs dargestellt ist. 4 shows an embodiment that in its operation substantially the 3 equivalent. In contrast to 3 is a connecting line is provided, which the flow channels through the condenser / gas cooler 26 and the glycol heat exchanger / chiller 38 in heat pump operation in the flow direction behind the said organs via a shut-off valve 44 combines. This results in the possibility of parallel operation of the condenser / gas cooler 26 and glycol heat exchangers / chillers 38 , whereas in 3 the possibility of a serial operation is shown.

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)

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 interior module (16, 34), - an internal heat exchanger (20, 30) having a high-pressure-side part (20) and a low-pressure-side part (30), the high-pressure-side part (20) the internal heat exchanger in heat pump operation 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 the heat pump operation a medium pressure level (MD) is operable, wherein the intermediate pressure level (MD) between the pressure level in the high pressure area (HD) and the low pressure area (ND), wherein the means (22, 36, 40, 42) between the high pressure side portion of the internal 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). Kältemittelkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers (20) im Wärmepumpenbetrieb eine Festdrossel (22) nachgeschaltet ist, die nur in Strömungsrichtung des Wärmepumpenbetriebs einen Druckverlust erzeugt.Refrigerant circuit (10) after Claim 1 , characterized in that the high-pressure side part of the inner heat exchanger (20) in the heat pump mode, a fixed throttle (22) is connected downstream, which generates a pressure loss only in the flow direction of the heat pump operation. Kältemittelkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb zwischen der Wärmequelle/-senke (26, 38) und dem Expansionsorgan (18) eine Leitung vorgesehen ist, die einen verkleinerten Querschnitt gegenüber den übrigen Leitungen aufweist, wodurch im Kühlbetrieb kein nennenswerter Druckverlust erzeugt wird, jedoch im Wärmepumpenbetrieb das Mitteldruckniveau (MD) gewährleistet ist.Refrigerant circuit (10) after Claim 1 , characterized in that in the cooling operation between the heat source / sink (26, 38) and the expansion member (18) is provided a conduit which has a reduced cross-section compared to the other conduits, whereby no appreciable pressure loss is generated in the cooling operation, but in Heat pump operation the medium pressure level (MD) is ensured. Kältemittelkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers (20) und der im Wärmepumpenbetrieb als Wärmequelle betriebenen Wärmequelle /-senke (26, 38) wenigstens ein steuerbares Expansionsorgan (40, 42) angeordnet ist.Refrigerant circuit (10) after Claim 1 , Characterized in that between the high pressure side portion of the internal heat exchanger (20) and operated in heat pump mode as a heat source heat source / sink (26, 38) at least one controllable expansion member (40, 42) is arranged. Kältemittelkreislauf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmeübertragers (20) und Gaskühler (26) ein steuerbares Expansionsorgan (42) vorgesehen ist.Refrigerant circuit (10) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that between the high-pressure side part of the inner heat exchanger (20) and gas cooler (26), a controllable expansion element (42) is provided. Kältemittelkreislauf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kältemittelspeicher (24) vorgesehen ist, der im Mitteldruckbereich (MD) des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist.Refrigerant circuit (10) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that a refrigerant reservoir (24) is provided, which is arranged in the medium-pressure region (MD) of the refrigerant circuit. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Absperrventile derart konfiguriert sind, dass der Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Modus Kühlbetrieb voreingestellt ist.Refrigerant circuit according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that shut-off valves are configured such that the operation of the refrigerant circuit in the mode of cooling is preset. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle/-senke (26, 38) mit den Medien Wasser, Luft, Abgas, Elektronik, Speicherwärme und/oder Solarwärme/Solarstrom zusammenwirken.Refrigerant circuit according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the heat source / sink (26, 38) interact with the media water, air, exhaust gas, electronics, storage heat and / or solar heat / solar power. Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsorgane (18, 40, 42) in ihrem Betrieb abgestimmt werden.A method of operating an air conditioning system comprising a refrigerant circuit according to any one of Claims 4 to 8th , characterized in that the expansion members (18, 40, 42) are tuned in their operation. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmepumpenbetrieb die Expansionsorgane (18, 40, 42) im Einzelbetrieb jeweils einzeln arbeiten, wobei die jeweils anderen Expansionsorgane (18, 40, 42) voll geöffnet werden.Method according to Claim 9 , characterized in that in the heat pump operation, the expansion elements (18, 40, 42) in each case operate individually, with the respective other expansion elements (18, 40, 42) are fully opened. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Expansionsorgane (18, 40, 42) im Kombinationsbetrieb, in Abhängigkeit voneinander geöffnet werden.Method according to Claim 9 , characterized in that all the expansion elements (18, 40, 42) are opened in combination operation, in dependence on each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kombinationsbetrieb und ein Einzelbetrieb bedarfsweise abwechselnd verwendet werden.Method according to one of Claims 9 to 11 , characterized in that a combination operation and a single operation are used as needed alternately.
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