CN108302844A - 具有除冰功能的热泵装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有除冰功能的热泵装置。在暖回路(14L‑14S)中，第一热交换器(4)与热源热交换接触。第二热交换器(11)与要被加热的空间热交换接触。在冷回路(14A‑14H)中，第三热交换器(6)与散热器热交换接触。第四热交换器(13)与外部区域接触。阀装置(15A，15C)将暖回路(14L‑14S)与冷回路(14A‑14H)连接。致动装置使第四热交换器(13)切换进入除冰模式。阀装置(15A，15C)使得至少部分来自暖回路的一部分的冷却剂能够混合进入冷回路。

Description

具有除冰功能的热泵装置
技术领域
本公开涉及一种具有除冰功能的热泵装置。本公开进一步涉及一种用于在这种热泵装置的热泵模式与除冰模式之间交替的方法。
背景技术
根据现有技术，已知例如被使用作为建筑物和车辆的加热系统的各种类型的热泵。
发明内容
本公开的目的是生产一种具有除冰功能的热泵装置、一种具有该热泵装置的机动车辆以及一种用于操作热泵装置的方法。
附图说明
从以下参考附图的详细说明，本公开的以上以及其它目的、特征以及优势将变得更明显。在附图中：
图1是示意性地显示根据本公开的示范性实施例的热泵装置的图；以及
图2是示意性地显示图1中的热泵装置的图，其着重于不同的冷却剂管线部。
具体实施方式
热泵的物理原理为通过施加驱动能来从较低温度储藏室吸收热能，并且将热能与驱动能一起传送至要被加热的较高温度系统。因此，热泵包括在其系统中的热源和散热器，热源发出热能作为有用热量，散热器反过来从较低温度储藏室吸收能量。
因为热泵也可以反向运行作为冷却系统或空调系统，所以隐含地包括这样的用途，尽管在下面的公开中其充其量具有次要意义。
虽然利用直接热泵，热源与要被加热的空间直接接触(典型地使用空气热交换器)，但是所谓的具有基于流体的冷却剂辅助装置也是已知的。在此情形下，主热泵装置没有与环境直接接触，而是经由具有冷却剂辅助装置的暖回路的第一热交换器与其热源进行热交换接触。第二热交换器被可连接地设置在此暖回路中，然后其与要被加热的空间进行热交换接触。类似地，散热器经由第三热交换器与冷却剂辅助装置的冷回路进行热交换接触。第四热交换器被可连接地设置在此冷回路中，然后其与作为较低温度储藏室的外部区域进行热交换接触。第二和第四热交换器然后可以被反过来设计作为空气热交换器。
在此上下文中，冷却剂被理解为诸如液体的热保持/储热流体，其在其本身操作期间不受到相变。作为冷却剂，具有降低的冰点的水溶液尤其适合，例如水乙二醇混合物。然而，原则上，也可以使用诸如油类的非水冷却剂。
其它这样的系统，通常也被称为冷却剂-冷却剂热泵或简称为水-水热泵，的一个好处是：首先，待进行空气调节的区域根本不再直接与冷却剂流动通过的热交换器接触。因此，主热泵装置可以被形成为单独的且具有紧凑设计的单元。此外，废热可以经由水基辅助回路被容易地存储作为附加热源，通过该水基辅助回路，整个热泵装置的效率被增加。这对于诸如用于电动车辆的机动车空调系统是有利的，由此，可以使用诸如电池、转换器或者逆变器的电气组件的废热。
在热泵模式下，偶尔关注冷却剂辅助装置的冷回路在低外部温度下冷却到0℃以下。因此，经常发生周围空气的湿气凝结在可连接的第四热交换器上，冻结并且因此产生冰层的问题，这可能减小第四热交换器的热交换特性。这种冰层必须被定期地移除。根据现有技术，已知各种解决方案。然而，就设备而言，这些关系到额外的努力。例如，根据WO2014/143621A1，已知一种冷却剂-冷却剂热泵，其中，冷却剂辅助装置使得冷回路由主制冷剂回路简要地加热，主制冷剂回路通过旁路直接通到蒸发器。
本公开涉及一种具有除冰功能的热泵装置，其经济有效、构造经济且操作简单。
以下的典型实施例涉及一种用于电动车辆的热泵装置1，但不局限于此。因此，进一步的应用出现用于其他类型的机动车辆，例如，诸如具有混合驱动的机动车的未由内燃机连续驱动的车辆。此外，也可以想得到汽车工业外的应用，尤其是用于建筑物以及临时的生活和工作环境，例如集装箱。
在图1和2中，分别地，根据本公开的示范性实施例的相同的热泵装置1被示意性地图解。虽然图1中着重针对各个组件，但是图2中着重针对各个冷却剂管线部14A-14S以及冷却剂的典型的流动方向。在附图中，兼并地参考两个附图。
热泵装置1包括制冷剂紧凑单元2，其具有主热泵装置的功能。制冷剂紧凑单元2经由流体连接与冷却剂辅助装置10进行热交换接触。冷却剂辅助装置10具有热交换器11、12、13，其集成在车辆空调内。虽然热热交换器11和冷热交换器12被设置在HVAC(加热、通风和空气调节)外壳中，外部热交换器13被典型地安装在电动车辆的前部。热泵装置1进一步包括控制装置23以及结冰检测装置26。
制冷剂紧凑单元2被密封为封闭结构单元，并且只能经由冷却剂连接器7A-7D以及电气连接(未示出)被连接至热泵装置1的其它部件。在内部，其具有制冷剂回路，制冷剂回路具有压缩机3、凝结器4、膨胀阀5以及冷却器6，上述压缩机随后以循环的方式被连接。这里，没有更详细地讨论冷却剂回路的已知功能。可以使用适合于此的各种组件。这同样可以是任何制冷剂，例如R1234yf或者R744，而不局限于此。在凝结器4中，凝结的、加热的制冷剂与冷却剂辅助装置10的冷却流体进行热交换接触。因此，这代表系统的热源。在冷却器6中，解压的、冷却的制冷剂与冷却剂辅助装置10的冷却流体进行热交换接触。因此，这代表系统的散热器。冷却剂辅助装置10经由冷却剂连接器7A-7D被连接至制冷剂紧凑单元2。
冷却剂辅助装置10填充有水基溶液，例如水和乙二醇的50：50的混合物。其具有暖回路(14L-14S)和冷回路(14A-14H)。此外，设置了储藏室18，以便补偿冷却液体的波动，尤其当在不同的操作模式之间切换时。
现在基于用于提供加热功能的热泵操作，通过实例的方式来图解冷回路和暖回路。然而，应当注意，尤其对于冷却模式(或者空气调节)，暖回路和冷回路的过程不同地进行，这是本公开附带的。
冷回路被连接至冷却剂连接器7A上的管线部14A(到散热器的入口)以及冷却剂连接器7B上的管线部14(从散热器的出口)。当经过冷却器6中的散热器时，冷却剂将热量传送至制冷剂，并且因此冷却下来。冷却剂经由管线部14C经过阀15D至管线部14D，上述阀在热泵模式下完全打开。冷却剂从那里到达外部热交换器13，在此冷却剂(通过吸收热量)被再次加热。冷却剂经由管线部14E至14G到达分支点，其从分支点再次经由管线部14H到达出口点14A(由于暖回路的逆流，冷却剂没有分支进入管线部14S)。此冷却剂流通过冷回路泵17被驱动，冷回路泵17被设置在管线部14A中。依据更精确的线路路径，冷回路泵17的位置也可以不同。此外，也可以在冷回路中使用多个泵。
在管线部14B的区域中，冷却剂的一部分可以进一步在管线部14J的方向上流动，并且在那里流动通过冷热交换器12。如果阀15B至少部分被打开，这是可能的。为了能够在纯加热模式下自身提供除湿，更小的子流被典型地引导通过冷热交换器12，如空调系统的通常设计中充分已知的。然后，此子流与来自管线部14I的子流一起从管线部14H流回管线部14A。
当离开外部热交换器13时，冷却剂可以通过管线部14F被替换地或者部分地改变方向，而不通过管线部14E。在管线部14F中，各种电气组件被设置为进行热交换接触。电动马达19A、转换器19B以及逆变器19C通过实例的方式被图解。在常规情形下，当在操作中时，这些电气组件供给废热，其可以被回收用于加热功能。阀15E完全地或者至少部分地关闭，并且阀15F完全地或者至少部分地打开，用于使冷却剂改变方向进入管线部14F。
暖回路在冷却剂连接器7C(至热源的入口)处被连接至管线部14L以及在冷却剂连接器7D(从热源的出口)处被连接至管线部14M。当流动通过凝结器4中的热源时，制冷剂将热量传送至冷却剂，并且因此冷却下来。冷却剂经由管线部14N经过阀15A至管线部14P，上述阀在热泵模式下被完全地打开，其中，冷却剂在热热交换器11中冷却下来(在释放热量时)。冷却剂进一步到达管线部14S之前的分支点。该冷却剂流通过暖回路泵16驱动，较好地，暖回路泵16被设置在管线部14L上。依据更精确的线路路径，暖回路泵16的位置也可以不同。此外，同样可以在暖回路中使用多个泵。此外。应当注意，利用相应的尺寸的管线部14S和14H，在此点几乎不发生流体混合。
控制装置23为任意设计且被设置在任意点。例如，其被集成在电动车辆的空调的控制装置，并且被间接地连接至要被控制的热泵装置1的所有部件(未示出)。例如，这些是阀15A-15F，泵16、17，风扇20、21，以及结冰检测装置26。控制装置23至少与存储单元24和计算单元25相关联，并且可以访问这些。在存储单元24中，可以存储用于可能的结冰情形和/或关于结冰事件的历史数据的各种特性图。利用计算单元25，可以根据必需时所存在的不同的传感器的传感数据或者其它信息计算出进一步的相关参数。如果当切换进入除冰模式时冷却剂从暖回路混入冷回路，可以进一步计算出或者估计出在任意时间，假设的冷却剂混合温度是多少。此计算允许当假设的混合温度在0℃以下时在较早的阶段开始除冰，或者提前计划除冰操作。
结冰检测装置26包括用于检测外部热交换器13的结冰的装置。根据实施例变形，设置压力传感器。与计算单元25一起，可以从外部热交换器13上的空气侧压力的特征下降中总结出结冰程度。用于检测结冰情况的另外的装置被可选择地设置，例如，一个或几个温度传感器或者照相机。在汽车工业中结冰情况的检测本身是已知的，并且这里将不进一步详细描述。
为了完整起见，应当提及的是，从热泵操作开始，切换进入冷却模式可以通过封闭的阀15A和15D以及完全地打开的阀15B和15C来实现。
以下再以热泵操作为基础，现在将更详细地说明除冰模式的变形。与基本测量一起，可以依据应用一起或者分别地引入的一些可选择的额外的测量被说明。
作为对外部热交换器13进行除冰的基本测量，阀15A被完全地或者至少部分地关闭，并且阀15C同样被完全地或者至少部分地打开(阀15A、15C处于热源/冷却剂连接器7D或者散热器/冷却剂连接器7B的稍微下游处，但是处于第二热交换器11或者第四热交换器13的上游处)。由于该测量，在管线部14M的区域中的暖回路中的冷却剂不再唯一地流动进入管线部14N。依据阀15A、15C的开口程度，冷却剂的子流或者甚至所有的冷却剂现在从暖回路流动进入管线部14R，管线部14R被停用直至然后子流从管线部14R混入管线部14D中的冷回路的冷却剂流中。
因此，经由热热交换器11的加热功能在除冰操作的持续时间被停止或者至少被减小。如果在电动车辆中提供诸如例如PTC元件的额外的加热，如果需要，这些还可以被临时切换为接通。
试验已经显示，在典型的构造下且在通常的状况下，即，外部温度在0℃左右且周围的空气具有相对高的湿气，到达外部热交换器13上的管线部14D的冷却剂在数秒之后已经具有>>0℃的温度。因此几乎可以立即开始除冰。可以估计的是，在这种情形下，除冰典型地花费小于10秒且至多两分钟的时间。
为了进一步稍微加快除冰，进一步建议冷却剂至管线部14A、14B和/或14L、14M的流动速率在除冰模式下被完全地或者部分地减小。这通过减小冷水泵17和/或热水泵16的泵送速度来实现。因此，更高的温度差在热源和散热器之间建立起来，其中，平均数值稍微上升。
进一步的额外测量包括为了回收电气组件19A-19C的废热，在除冰模式下释放管线部14F(如果这还没有发生)。
进一步的额外测量包括当切换进入除冰模式，减少被分配给外部热交换器13的风扇21的风扇速度或者将其完全切换为关闭。依据热量模式是否应当被进一步维持，如果需要，被分配给外部热交换器11的风扇20可以被限制或者完全地切换为关闭。
在除冰模式结束之前不久，如果被附接至外部热交换器13的风扇21已被切换为关闭，将其再次切换为打开或者再次增加风扇速度是可取的。因此，来自除冰模式的残留的熔化水被从外部热交换器13的表面移除，并且不存在重新冻结的风险。
概括以上说明，根据本公开的热泵装置包括阀装置，通过阀装置，暖回路和冷回路可以被连接至彼此。根据本公开的热泵装置进一步包括诸如控制装置的致动装置，依据第四热交换器的结冰状况，通过致动装置可以切换进入除冰模式。因此，阀装置至少部分地使得来自暖回路的每个部分的冷却剂能够混入冷回路，热源与暖回路进行热交换接触。换句话说，致动装置适用于以暖冷却剂和冷冷却剂临时混合且可以在冷回路中循环的方式来切换阀装置。在设备方面，在基于流体的冷却剂辅助装置中的这种阀装置更经济。如果热泵装置也被设置用于冷却模式，如果需要，这里可以使用已经被设置的阀。在此情形下，简单地，需要用于除冰模式的致动装置或者控制装置的调节。
阀装置可以包括一个阀或者多个阀。这里，用于将暖冷却剂混入冷回路的开口程度不需要固定地预设。依据这种情形，可以设置各种开口程度。例如，完全开口允许特别快且完全的混合，并且因此允许更快速的除冰。部分开口允许暖回路进一步操作，但是是以被减小的性能操作的，用于加热目的。其中实现混合的管线部典型地位于热源和散热器的紧接下游，且第二和第四热交换器的上游。
通过混合来自暖回路和冷回路的冷却剂，基本上立即获得具有>>0℃的足够高的温度的混合物，以便然后可以直接开始第四热交换器的除冰。在混合温度最初还是<0℃的情形下，冷却剂辅助回路通过被供给的驱动力缓慢地被加热。如果主热泵回路由冷却剂回路提供，最终供给的热量对应压缩机容量。
切换进入除冰模式典型地通过控制装置自动地发起。这可以例如通过使用计时器、条件或者由于任意的触发器而被实现。另外，同样可以手动地切换进入除冰模式。例如，用于切换进入除冰模式的建议被打印在控制装置的一侧。除冰模式可以通过致动装置手动地触发，致动装置被连接至诸如操作装置的控制装置。
主热泵装置可以根据各种已知的类型来设计。例如，其可以是压缩、吸收或者磁性热泵系统。在车辆构造中，至少根据迄今为止已知的现有技术，具有冷却剂主回路的压缩热泵由于其结构特性以及由于其功率密度而被视为实施例。在此情形下，主热泵装置具有压缩机和扩展元件。热源由经过第一热交换器的高压力部分形成，该高压力部分被形成在压缩机的下游且扩展元件的上游。散热器由经过第三热交换器的低压力部分形成，该低压力部分被形成在扩展机构的下游且压缩机的上游。
根据本公开的实施例，致动装置或者控制装置与暖回路和/或冷回路中的泵联接，并且适合于在除冰模式下，在暖回路和/或冷回路中的那些部分中的冷却剂的流动速率至少可被临时减小，其中热源和/或相应的散热器与暖回路和/或冷回路中的那些部分进行热交换接触。因此，被传送至热源和散热器的热量被减少。由此，在此构造下，例如，当使用主制冷剂回路时，在高压力部分和低压力部分之间出现更高的压力差。这影响压缩机容量向上的调节，压缩机容量的额外热量则促进更加快速的除冰。
冷回路可以被使得与第三热交换器上游的电气组件进行热交换接触。在热泵模式下，此接触然后发生在第四热交换器的下游。然后，控制装置适合于在除冰模式下冷回路可以被使得与电气组件进行热交换接触的这样的方式。结果，如果需要，额外的热量可以被供给至冷回路，其支撑更快且更积极有利的除冰。
根据本公开的实施例，热泵装置包括用于检测第四热交换器的结冰状况的检测装置。这种检测装置可选择地包括温度传感器、动态压力传感器、照相机、计算单元和/或历史收集测量值的存储单元。例如，来自传感器网络的测量值，例如第四热交换器的区域中的温度差，也可以通过检测装置而被考虑，根据测量值可以画出关于除冰程度的结果。例如，可以使用已经选择性存在的传感器，从而不产生额外成本。直接监视结冰情况的优势是：首先，可以更精确地反应初期结冰形式。此外，通过记录更早的结冰事件，初期结冰形式可以选择性地很早地预测，并且可以安排对策。
此外，估计假定的冷却剂混合温度的装置可以被设置在冷却剂辅助装置中。假定的冷却剂混合温度是在当切换进入除冰模式时如果来自暖回路的冷却剂混合进入冷回路，暖回路和冷回路仍然分离的时候所预期的温度。然后，控制装置适合于假定的冷却剂混合温度在切换进入除冰模式的时候被考虑的方式。例如，当如果假定的冷却剂温度<0℃时仍然有低结冰时，其将切换进入除冰模式，因为然后会延迟除冰。因此，假定的冷却剂混合温度的估计是预防措施。
根据本公开的热泵装置的开发，提供用于使空气经过相应的热交换器的风扇被分配至第二热交换器和第四热交换器，并且控制装置适合于当切换进入除冰模式或者在除冰模式期间，至少一个风扇的风扇速度被减小的方式。例如，为了在除冰的持续时间向外扩散废热的分布，被分配至第二热交换器的风扇可以以较低的风扇速度被操作。如果有必要，初始的除冰也可以通过将被附接至第四热交换器的风扇切换为关闭而被加速。此外，如果有必要，如果加热功能可以被分配用于除冰期间且风扇可以被完全地切换为关闭，由此，可以节约能量。
此外，可以设置：分配至第四热交换器的风扇速度在除冰模式结束之前再次被增加。由除冰形成的熔化水因此通过第四热交换器被吹走。因此，减小立即重新冻结。
有利地，机动车辆，特别是电动车辆，配备有上述热泵装置，其中，第四热交换器被设置为外部热交换器。
提供根据本公开的用于操作上述热泵装置的方法，其中，热泵装置在热泵模式下被操作且依据第四热交换器的结冰状况切换进入除冰模式，其中，通过至少部分允许来自暖回路的一部分的冷却剂混合入冷回路，暖回路被连接至冷回路，热源与暖回路的该一部分进行热交换接触。
应当理解，虽然本公开的实施例的处理在此已被描述为包括具体的次序的步骤，但是在此没有公开的包括这些步骤的各种其它序列和/或额外的步骤的另外的替换实施例也旨在包含在本公开的步骤以内。
虽然本公开已利用对其优选实施例的参考而被描述，但是要理解，本公开不局限于该优选实施例和构造。本公开旨在覆盖各种修改和等效设置。此外，虽然各种组合和构造是优选的，但是包括更多、较少或者只有一个元件的其它组合和构造也在本公开的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种热泵装置，其特征在于，包括：
主热泵装置(2)，所述主热泵装置(2)具有热源和散热器；以及
基于流体的冷却剂辅助装置(10)，所述冷却剂辅助装置(10)至少具有暖回路(14L-14S)和冷回路(14A-14H)，其中
第一热交换器(4)与所述主热泵装置(2)的所述热源和第二热交换器(11)热交换接触，所述第二热交换器(11)与要被加热的空间热交换接触，并且被连接性地设置在所述暖回路(14L-14S)内，并且
第三热交换器(6)与所述主热泵装置(2)的所述散热器和第四热交换器(13)热交换接触，所述第四热交换器(13)与外部区域热交换接触，并且被连接性地设置在所述冷回路(14A-14H)内，
所述热泵装置进一步包括：
阀装置(15A，15C)，所述阀装置(15A，15C)适合于将所述暖回路(14L-14S)与所述冷回路(14A-14H)彼此连接，其中，管线部(14D)位于所述第四热交换器(13)的上游，在所述管线部(14D)中进行混合；和
致动装置(23)，所述致动装置(23)适合于依据所述第四热交换器(13)的结冰状况切换进入除冰模式；
其中，所述阀装置(15A，15C)使得来自与所述热源热交换接触的所述暖回路的一部分的所述冷却剂能够至少部分地混合进入所述冷回路。
2.如权利要求1所述的热泵装置，其特征在于，
其中，在所述除冰模式下，所述控制装置(23)与在所述暖回路和/或所述冷回路中的泵(16，17)联接，并且适合于至少间歇性地减小在所述暖回路(14L，14M)和/或所述冷回路(14A，14B)的与所述热源和/或相应的所述散热器热交换接触的一部分中的所述冷却剂的流动速率。
3.如权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，
其中，在所述第四热交换器(13)的下游且所述第三热交换器(6)的上游的所述冷回路(14A-14H)适合于与电气组件(19A-19C)进入热传导接触，
其中，所述控制装置(23)适合于在所述除冰模式下，使得所述冷回路(14A-14H)与所述电气组件(19A-19C)进入热传导接触。
4.如权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，进一步包括：
检测装置(26)，所述检测装置(26)检测所述第四热交换器(13)的结冰状况。
5.如权利要求4所述的热泵装置，其特征在于，
其中，检测结冰状况的所述检测装置(26)包括温度传感器、动态压力传感器、照相机、计算单元或者历史收集测量值的存储单元中的至少一个。
6.如权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，
其中，所述冷却剂辅助装置(10)包括估计假定的冷却剂混合温度的装置(25)，在当所述暖回路(14L-14R)和所述冷回路(14A-14H)仍然分离的时候，当切换进入所述除冰模式时且当来自所述暖回路(14L-14R)的所述冷却剂混合进入所述冷回路(14A-14H)时，所述假定的冷却剂混合温度被期望，并且
所述控制装置(23)适合于在切换进入所述除冰模式的时候，考虑所述假定的冷却剂混合温度。
7.如权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，
其中，用于使空气经过相应的热交换器(11，13)的风扇(20，2l)被分别分配给所述第二热交换器(11)和所述第四热交换器(13)，并且
所述控制装置(23)适合于当切换至所述除冰模式时或者在所述除冰模式下，减小至少一个所述风扇(20，21)的风扇速度。
8.如权利要求7所述的热泵装置，其特征在于，
其中，所述控制装置(23)适合于在所述除冰模式结束之前，再次增加分配给所述第四热交换器(13)的所述风扇(21)的所述风扇速度。
9.一种具有如权利要求1或2所述的热泵装置的机动车辆，其特征在于，所述第四热交换器(13)被设置作为外部热交换器。
10.一种用于操作热泵装置的方法，其特征在于，
其中，所述热泵装置包括：主热泵装置(2)，所述主热泵装置(2)具有热源和散热器；以及基于流体的冷却剂辅助装置(10)，所述冷却剂辅助装置(10)至少具有暖回路(14L-14S)和冷回路(14A-14H)；
其中，第一热交换器(4)在所述暖回路(14L-14S)内与所述主热泵装置(2)的所述热源和连接性地设置的第二热交换器(11)热交换接触，所述第二热交换器(11)与要被加热的空间热交换接触，并且
其中，第三热交换器(6)在所述冷回路内与所述主热泵装置(2)的所述散热器和连接性地设置的第四热交换器(13)热交换接触，所述第四热交换器(13)与外部区域热交换接触；
所述方法包括如下步骤：
在热泵模式下操作所述热泵装置；以及
依据所述第四热交换器(13)的结冰状况，切换进入除冰模式，
其中，通过至少部分允许来自与所述热源热交换接触的所述暖回路的一部分的冷却剂混合进入所述冷回路，所述暖回路(14L-14S)被连接至所述冷回路(14A-14H)；并且
其中，管线部(14D)被分配在所述第四热交换器(13)的上游，在所述管线部(14D)中进行所述混合。
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