CN115298491A - 对机动车制冷设备的作为空气热泵运行的外部换热器除霜的方法、制冷设备和具有这种制冷设备的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对机动车的制冷设备(10)的作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器(18)进行除霜的方法(500)，其中，制冷设备(10)具有：制冷剂压缩机(12)，其与主管线(14)和次级管线(16)能连接或连接；布置在主管线(14)中的外部换热器(18)；布置在主管线(14)中的蒸发器(22)；布置在次级管线(16)中的加热调节器(26)；布置在制冷剂压缩机(12)与外部换热器之间的主管线阀(A4)，其在空气热泵运行中关闭；布置在制冷剂压缩机(12)与加热调节器(26)之间的次级管线阀(A3)，其在空气热泵运行中打开；其中，该方法包括以下步骤：关闭(S502)次级管线阀(A3)；打开(S503)主管线阀(A4)，使得制冷剂直接从制冷剂压缩机(12)流向外部换热器(18)；将制冷剂在外部换热器(18)上的入口侧压力水平调节(S504)到如下目标压力，该目标压力相当于制冷剂在下列范围内的冷凝温度(Tkond)：2℃≤Tkond≤20℃，特别是4℃≤Tkond≤10℃。

Description

对机动车制冷设备的作为空气热泵运行的外部换热器除霜的 方法、制冷设备和具有这种制冷设备的机动车
技术领域
本发明涉及一种对用于机动车的制冷设备的作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器进行除霜的方法、一种制冷设备以及一种具有这种制冷设备的机动车。
背景技术
对于空气热泵，通常使用结合在环境空气中的热量，以便蒸发、必要时加热制冷剂，也就是说将热量传递到制冷剂上，从而制冷剂与通过压缩机引入的热量一起可以加热用于机动车的内部空间的空气流。在此，制冷剂被带到环境之下的蒸发压力水平或蒸发温度水平，从而可以从环境空气中带走热量。在此，使环境空气冷却，这可导致湿气从环境空气中析出并且凝聚在空气热泵蒸发器或外部的换热器处且在该处冻结。相应地，在外部的换热器上形成霜层，所述霜层使环境空气流难以穿流过换热器。这对蒸发功率产生负面影响，从而最后空气热泵的加热功率不再存在或不再够用。
为了能在制冷设备中对外部换热器除霜，借助于合适的过程连接方案/过程布置方案，使处于高压下的、热的或烫的制冷剂直接从制冷剂压缩机传导到已结冰的外部换热器中。由于压力变化和伴随而来的从冷的低压水平(空气热泵运行)到暖的直至热的高压水平的温度突变，在外部的换热器处的温度可能突然上升40K或更多。这种动态温度变化可能导致外部换热器中的应力，从而例如接合部位、例如钎焊部位受到强烈的负荷，这可能缩短外部换热器的使用寿命。
在EP 2 821 727 A1、DE 11 2014 003 184 T5或DE 10 2017 110560 A1中可以找到制冷剂设备与空气热泵的这种连接的示例。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种用于对作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器进行除霜的方法，其中可以避免上述缺点，特别是大的温度突变。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法、通过具有权利要求7的特征的制冷设备和通过具有权利要求8的特征的机动车实现。具有适宜的改进方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
因此提出一种用于对机动车的制冷设备的作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器进行除霜的方法，其中，所述制冷设备具有：
制冷剂压缩机，该制冷及压缩机与主管线和次级管线连接或能连接；
外部换热器，该外部换热器布置在主管线中；
蒸发器，该蒸发器布置在主管线中；
加热调节器(Heizregister)(26)，该加热调节器布置在次级管线(16)中；
布置在制冷剂压缩机(12)与外部换热器(18)之间的主管线阀(A4)，该主管线阀在空气热泵运行中关闭；
布置在制冷剂压缩机(12)与加热调节器(26)之间的次级管线阀(A3)，该次级管线阀在空气热泵运行中打开。
在此，该方法包括以下步骤：
关闭次级管线阀(A3)；
打开主管线阀(A4)，使得制冷剂直接从制冷剂压缩机(12)流向外部换热器；
将外部换热器上的制冷剂的入口侧压力水平调节到目标压力，该目标压力相当于制冷剂在以下范围内的冷凝温度(Tkond)：
2℃≤Tkond≤20℃，特别是4℃≤Tkond≤10℃。
由此，避免在除霜时快速或者剧烈地加热结冰的外部换热器。制冷剂被调节到如下压力水平，在该压力水平下冷凝温度处于(明显)高于水的冰点的值，从而实现除霜。然而，制冷剂的压力水平和与之相关的在外部换热器处的温度升高有针对性地受到限制或调节，从而可减少在外部的、作为空气热泵蒸发器运行的换热器处出现的热感生的应力。
在该方法中，可以关闭设置在外部换热器的空气侧的闭合装置。在此，该关闭动作可以在即将关闭次级管线阀之前或打开主管线阀之前，或基本上与关闭次级管线阀同时或打开主管线阀同时进行。由此可以阻止在环境空气侧流入或流过外部换热器，从而可以加速除霜过程，这是因为几乎没有或没有冷却的环境空气流入或流过外部换热器，所述冷却的环境空气从流过换热器的制冷剂中吸收热量，并因此延迟或阻止除霜过程。
制冷剂的压力水平可以一直保持被调节到目标压力，直至在外部换热器处的出口侧测得的制冷剂温度(Tkm)在预先确定的持续时间期间大于0℃的冷凝温度，尤其是相当于冷凝温度(Tkond)。由此可以以高的安全性确定，外部换热器被完全除霜或解冻，这是因为没有或仅还有少量热量输出到换热器的(原始)冷的且被霜覆盖的表面上。
在达到所期望的制冷剂温度之后，可以启动通风装置，以便使外部换热器干燥，尤其是去除存在于外部换热器上的冷凝物。在此，通风装置也可以将环境空气输送至外部换热器，其中，这尤其是在空气温度高于冰点时实现，以便不直接再次引起冷凝物结冰。将空气流输送至外部换热器也可以伴随着至少部分地打开空气侧的闭合装置。
在通风装置运行期间，可以这样调节或保持制冷剂的压力水平，使得外部换热器的外部表面温度为4℃或更高。由此确保了能够有效地执行冷凝物的去除以及进而执行外部换热器的干燥。
通过调节制冷剂压缩机的功率消耗和/或通过调节配属于例如作为水热泵蒸发器工作的冷冻机(Chiller)的膨胀阀的开口，可以使入口侧的压力水平达到目标压力。由此，可以在考虑制冷设备的至少一个运行参数的情况下调节所期望的、用于对外部换热器进行除霜的压力水平(目标压力)。
上述目的还通过一种用于机动车的、具有热泵功能的制冷设备来实现，该制冷设备具有：
制冷剂压缩机，该制冷剂压缩机与主管线和次级管线连接或能连接；
作为空气热泵蒸发器运行的或可作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器，所述外部换热器布置在主管线中；
蒸发器，该蒸发器布置在主管线中；
加热调节器，该加热调节器布置在次级管线中；
主管线阀，该主管线阀布置在制冷剂压缩机与外部换热器之间；
次级管线阀，该次级管线阀布置在制冷剂压缩机与加热调节器之间，其中规定，制冷设备设置成，以上述用于对外部换热器进行除霜的方法来运行。
机动车可以装备有这种制冷设备。在此，机动车尤其可以是电动车。在电动车中，制冷设备的有效运行可以节省电力，从而由此可以实现电动车的更大的续驶里程。
附图说明
本发明的其它优点和细节由下面参照附图对实施方式的描述得出。附图说明：
图1示出用于机动车的制冷设备的示意性简化线路图；
图2示出尤其是借助于在图1中所描述的制冷设备示例性地实施对外部换热器进行除霜的方法的流程图。
具体实施方式
在图1中示意性地且简化地示出用于机动车的制冷设备10的一个实施方式。制冷设备10包括致冷剂循环回路11，所述致冷剂循环回路既可以在制冷设备运行(简称为AC运行)模式中运行、也可以在热泵模式以及未进一步描述的再加热模式中运行。在所示的实施方式中，制冷设备10包括制冷剂压缩机12、外部换热器18、内部换热器20、蒸发器22和储存器或制冷剂收集器24。外部的换热器18可以构造为冷凝器或气体冷却器。特别是，在所示实施方式中，外部换热器18能够双向地通流。
蒸发器22在此示例性地作为用于车辆的前部蒸发器示出。蒸发器22代表性地也表示其他在车辆中可能的蒸发器、例如后部蒸发器，所述蒸发器能够在流动技术上彼此并行地布置。换言之，制冷设备10因此包括至少一个蒸发器22。
在压缩机12的下游布置有截止阀A4，以下将该截止阀称为主管线阀A4。膨胀阀AE2被设置在蒸发器22的上游。
在本说明书的范围内，在制冷设备10的整个制冷剂循环回路11中，从压缩机12到外部换热器18、到内部换热器20以及到蒸发器22的部段被称作主管线14。
制冷设备10还包括加热调节器26(也被称为加热电容器或加热气体冷却器)。在加热调节器26的上游布置有截止阀A3，该截止阀在以下被称为次级管线阀A3。在加热调节器26的下游布置有截止阀A1。此外，膨胀阀AE4被布置在加热调节器26的下游。
在本说明书的范围内，在制冷设备10的整个制冷剂循环回路中，从压缩机12到加热调节器26、到膨胀阀AE4和到支路Ab2的部段被称为次级管线16。次级管线16包括加热支路16.1，该加热支路从截止阀A3经由加热调节器26延伸到截止阀A1。此外，次级管线16包括再加热支路16.2，其在上游能够与加热调节器26流体连接并且在下游能够与外部换热器18流体连接。在此，次级管线16或再加热支路16.2在分支点Ab2处通入到主管线14中。
制冷设备10包括另一构成为冷冻机/冷水机28的蒸发器。冷冻机28在流动技术上与蒸发器22并联布置。冷冻机28例如可以用于冷却车辆的电气部件，但也可以用于在利用至少一个电气部件的废热的情况下实现水热泵功能。在冷冻机28上游连接有膨胀阀AE1。
制冷设备10也可以具有电加热元件30，该电加热元件例如被实施为高压PTC加热元件。电加热元件30用作供应到车辆内部空间中的供应空气流L的附加加热器。在此，电加热元件30可以与加热调节器26和蒸发器22一起安置在空调设备32中。在此，电加热元件30可以布置在加热调节器26的下游。
此外，在图1中还可看到止回阀R1和R2。还示出了用于检测制冷剂的压力和/或温度的多个传感器pT1至pT5。应指出的是，传感器的数量或其布置在此仅示例性地示出。制冷设备10也可以具有更少或更多的传感器。在所示的示例中，示出了组合的压力/温度传感器pT1至pT5作为传感器。然而，同样可以想到的是，彼此独立的传感器被用于测量压力或温度，并且如果合适的话，还可以沿着制冷剂管路以空间上彼此分离的方式布置。
制冷设备10可以以下面将简要描述的不同模式运行。
在制冷剂循环回路11的AC运行中，被压缩到高压的制冷剂从制冷剂压缩机12出发在主管线阀A4打开和次级管线阀A3关闭的情况下流入外部换热器18中。从那里，制冷剂流向内部换热器20的高压部段并流向完全打开的膨胀阀AE3。经由分支点Ab1，制冷剂可以流向膨胀阀AE2并且流入内部空间蒸发器22中(蒸发器部段22.1)。并行地或可选择地，制冷剂可以通过分支点Ab4和膨胀阀AE1流入冷冻机28(冷冻机部段28.1)。制冷剂从蒸发器22或/和冷冻机28在低压侧流入收集器24中并且通过内部换热器20的低压部段流回到压缩机12。
在AC运行中，加热支路16.1或次级管线16借助截止阀A3关断，使得热的制冷剂不能穿流加热调节器26。为了从不起作用的加热支路16.1回收制冷剂，可打开构造为截止阀的关断机构A5，从而制冷剂可通过关断机构A5和止回阀R2在同时关闭关断机构A2的情况下向收集器24的方向流动。
在制冷剂循环回路11的加热运行中，主管线阀A4关闭而次级管线阀A3打开，使得热的制冷剂可以流入加热支路16.1中。
为了借助于冷冻机28实施加热功能以实现水热泵运行，借助于制冷剂压缩机12压缩的制冷剂经由打开的截止阀A3流入加热调节器26中。在加热调节器26处，热量被输出到被引入车辆内部空间中的供应空气流L处。制冷剂随后经由打开的截止阀A1和分支点Ab1流动。制冷剂借助膨胀阀AE1减压到冷冻机28中，以吸收布置在制冷剂循环回路28.2中的电气部件和/或电子部件的废热。在该加热功能中，膨胀阀AE3和AE4关闭，截止阀A5关闭，并且截止阀A2被打开。在此，通过截止阀A2在水热泵运行中排出的制冷剂可以从双向制冷线路14.1或者说主管线14中被抽吸并且通过止回阀R2输送给收集器24。
(间接的)三角形连接可以由此实现，即在截止阀A1打开时，由制冷剂压缩机12压缩的制冷剂借助膨胀阀AE1减压到冷冻机28中，其中，同时在制冷剂侧、即在制冷剂循环回路28.2中不产生质量流，即例如用作制冷剂的流体、例如水或水-乙二醇混合物停留在冷冻机28的制冷剂侧上或者冷冻机28不主动地被制冷剂穿流。在这种连接变型中，膨胀阀AE2、AE3和AE4保持关闭。
为了借助于空气热泵运行通过作为热泵蒸发器的外部换热器18实施加热功能，借助于制冷剂压缩机12压缩的制冷剂经由打开的截止阀A3流入到加热调节器26中，以用于将热量输出给供应空气流L。随后，经由打开的截止阀A1，借助于膨胀阀AE3使制冷剂膨胀到外部换热器18中，以用于从环境空气吸收热量。制冷剂然后经由热泵回流支路15流动到收集器24，并返回到制冷剂压缩机12。在热泵回流支路15中设有截止阀A2，该截止阀在空气热泵运行中是打开的。膨胀阀AE1、AE2和AE4在此如同截止阀A5一样保持关闭。在空气热泵运行时，可能在外部换热器18上出现结冰，如这已经在开头所描述的那样。
与再加热运行类似，不再进一步探讨水热泵连接方案和空气热泵连接方案的组合运行的可能性。
对于用于对外部换热器18除霜的方法的以下描述出发点是，制冷设备首先处于空气热泵运行中，如上所述。
方法500在下面参照图2示例性地描述。当在空气热泵运行期间根据制冷设备10的运行参数确定外部换热器18至少部分结冰或开始结冰时，启动用于对外部换热器进行除霜的方法500，这通过步骤S501说明。指示(部分地)结冰的可能的运行参数例如可以是如下：
·通过作为空气热泵蒸发器的环境换热器的空气量减少，压力损失在恒定的风机驱控的情况下增大；
·在加热需求和低压水平保持不变的情况下，压缩机转速和制冷回路中的高压持续下降。
如果在方法500中确定外部换热器18至少部分结冰，那么按照步骤S502关闭次级管线阀A3。随后或基本上同时地，主管线阀A4打开(S503)，使得制冷剂直接从制冷剂压缩机12流至外部换热器18。
根据步骤S504，外部换热器18上的制冷剂的入口侧压力水平被调节到如下的目标压力，该目标压力相当于制冷剂在以下范围内的冷凝温度(Tkond)：
2℃≤Tkond≤20℃，特别是4℃≤Tkond≤10℃。
根据例如能够在步骤S503或S504之前或者基本上同时或者必要时(紧接着)在步骤S503或S504之后实施的步骤S505，关闭在空气侧可选地设置在外部换热器18上的闭合装置19(图1)。通过闭合装置19的关闭，防止外部换热器18被冷却的环境空气穿流。
根据步骤S506检查，在外部换热器18的输出侧上的制冷剂温度Tkm是否达到期望的目标温度Tkms。在此，目标温度Tkms被预先确定或确定为具有大于0℃的温度，特别是目标温度Tkms可以选择为基本上等于冷凝温度Tkond，也就是在2℃到20℃的范围内、特别是4℃至10℃的范围内。如果目标温度不等于冷凝温度，则根据步骤S507使制冷剂的压力水平一直保持在目标压力，直到在外部换热器18上的出口侧测得的制冷剂温度Tkm达到目标温度Tkms。如果达到了所述目标温度Tkms，那么根据步骤S508检查，在预先确定的持续时间期间是否存在目标温度Tkms。该持续时间例如可以从大约10秒至大约120秒来调节或选择。
为了检测在外部换热器18上的所述制冷剂出口温度Tkm，有利的是，该外部换热器在下游具有用于检测介质温度或表面温度的温度测量位置，以便能够反馈相应需要的信号值。在此，传感器pT3(图1)作为压力和温度信号的组合传感器或单独的温度传感器可实现该目的。
在达到期望的制冷剂温度Tkm之后，其中Tkm基本上与目标温度Tk相同，可以按照步骤S509启动通风装置，以便使外部换热器18干燥，尤其是去除在外部换热器18上存在的冷凝物。
在通风装置运行(S509)期间，检查外部换热器18是否已经(充分地)干燥，这在步骤S510中通过使用术语“正常”来说明。如果应当更长时间地执行外部换热器18的干燥，则根据步骤S511调节或保持制冷剂的压力水平，使得外部换热器18具有4℃和更大的外部表面温度。如果外部换热器18的干燥完成，可以结束(S512)用于对外部换热器18进行除霜的方法500。
根据S504设定的入口侧压力水平通过调节制冷剂压缩机12的功率消耗和/或通过调节配属于作为水热泵工作的冷冻机28的膨胀阀AE1的开口而达到目标压力。所述目标压力可经由作为由压力和温度信号pT1形成的组合传感器或单独的压力传感器提供。
在空气热泵蒸发器的补充的实施形式中，代替实施直接蒸发(空气到制冷剂的热传递)，空气热泵蒸发器也可具有间接蒸发(空气到中间流体上的热传递，然后从中间流体到制冷剂上的热传递)。对于这种情况，在此介绍的方法原则上也是可用的。然而，在这种情况下，对环境-中间流体-换热器除霜。相应地，通过制冷回路不调节压力水平，并因此也不调节在制冷剂中在冰点之上的温度，而是已知加热中间介质温度，直到该中间介质温度从环境-中间流体-换热器的入口直至出口都具有0℃以上的温度。因此，同样可以确保环境-中间流体-换热器上的霜层融化。

Claims (8)

1.一种用于对机动车的制冷设备(10)的作为空气热泵蒸发器运行的外部换热器(18)进行除霜的方法(500)，其中，所述制冷设备(10)具有：
制冷剂压缩机(12)，该制冷剂压缩机与主管线(14)和次级管线(16)连接，或该制冷剂压缩机能与主管线(14)和次级管线(16)连接；
外部换热器(18)，该外部换热器布置在主管线(14)中；
蒸发器(22)，该蒸发器布置在主管线(14)中；
加热调节器(26)，该加热调节器布置在次级管线(16)中；
布置在制冷剂压缩机(12)与外部换热器(18)之间的主管线阀(A4)，该主管线阀在空气热泵运行中被关闭；
布置在制冷剂压缩机(12)与加热调节器(26)之间的次级管线阀(A3)，该次级管线阀在空气热泵运行中被打开；
其中，所述方法包括以下步骤：
关闭(S502)所述次级管线阀(A3)；
打开(S503)所述主管线阀(A4)，使得制冷剂直接从制冷剂压缩机(12)流向外部换热器(18)；
将外部换热器(18)处的制冷剂的入口侧压力水平调节(S504)至如下的目标压力，所述目标压力相当于制冷剂在以下范围内的冷凝温度(Tkond)：
2℃≤Tkond≤20℃，特别是4℃≤Tkond≤10℃。
2.根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，关闭(S505)设置在外部换热器(18)的空气侧的闭合装置(19)。
3.根据权利要求1或2所述的方法(500)，其特征在于，保持将制冷剂的压力水平设定为目标压力(S506、S507)，直至在外部换热器(18)的出口侧测得的制冷剂温度(Tkm)在预先确定的持续时间期间大于0℃(S508)，尤其是相当于冷凝温度(Tkond)。
4.根据权利要求3所述的方法(500)，其特征在于，在达到预期的制冷剂温度(Tkm)之后，启动(S509)通风装置，以便干燥外部换热器(18)，尤其是去除存在于所述外部换热器(18)上的冷凝物。
5.根据权利要求4所述的方法(500)，其特征在于，在通风装置运行期间，调节或保持(S511)制冷剂的压力水平，使得外部换热器(18)的外部表面温度为4℃或更高。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(500)，其特征在于，通过调节(S504)制冷剂压缩机(12)的功率消耗和/或通过调节配属于作为水热泵工作的冷冻机(28)的膨胀阀(AE1)的开口，使入口侧的压力水平处于目标压力。
7.一种用于机动车的、具有热泵功能的制冷设备(10)，所述制冷设备包括：
制冷剂压缩机(12)，该制冷剂压缩机与主管线(14)和次级管线(16)连接，或该制冷剂压缩机能与主管线(14)和次级管线(16)连接；
作为空气热泵运行或能作为空气热泵运行的外部换热器(18)，该外部换热器布置在主管线(14)中；
蒸发器(22)，该蒸发器布置在主管线(14)中；
加热调节器(26)，该加热调节器布置在次级管线(16)中；
主管线阀(A4)，该主管线阀布置在制冷剂压缩机(12)和外部换热器(18)之间；
次级管线阀(A3)，该次级管线阀布置在制冷剂压缩机(12)与加热调节器之间；
其特征在于，
制冷设备(10)被设置用于利用根据前述权利要求中任一项所述的、用于对外部换热器进行除霜的方法(500)来运行。
8.一种具有根据权利要求7所述的制冷设备(10)的机动车。
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