DE10140630A1 - Cooling plant for motor vehicles has coolant expansion elements and heat accumulator with two operating modes - Google Patents
Cooling plant for motor vehicles has coolant expansion elements and heat accumulator with two operating modesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug, sowie einen Kältemittel-Kreisprozess der mit der angegebenen Kälteanlage durchführbar ist. The invention relates to a refrigeration system for a motor vehicle, and a Refrigerant cycle of the specified refrigeration system can be carried out is.
Aus WO 90/07683 ist eine Kälteanlage bekannt, bei welcher ein in einer Kreisleitungsanordnung aufgenommenes Kältemittel durch einen Verdichter aus einem Niederdruck-Systemabschnitt in einen Hochdruck- Systemabschnitt gefördert wird, wobei dem verdichteten Kältemittel durch eine Wärme-Ableitungseinrichtung Wärme entzogen wird und das derart gekühlte und verdichtete Kältemittel einem Expansionsorgan zugeführt wird, durch welches das Kältemittel wieder auf das in dem Niederdruck- Systemabschnitt herrschende Druckniveau entspannt wird und hierbei Wärme aus einem zu kühlenden Bereich aufnimmt. Das derart expandierte und wieder erwärmte Kältemittel gelangt unter Zwischenschaltung eines Innen-Wärmetauschers erneut zu dem Verdichter und wird von diesem wieder in den Hochdruck-Systemabschnitt hineingefördert. In dem Innen- Wärmetauscher erfolgt ein Wärmeübergang von dem sich im Hochdruck- Systemabschnitt befindenden Kältemittel auf das sich im Niederdruck- Systemabschnitt befindende Kältemittel. From WO 90/07683 a refrigeration system is known in which one in one Circuit arrangement received refrigerant by a compressor from a low-pressure system section to a high-pressure System section is promoted, whereby the compressed refrigerant through a heat dissipation device heat is extracted and that cooled and compressed refrigerant is fed to an expansion device, through which the refrigerant returns to the low-pressure System section prevailing pressure level is relaxed and this Absorbs heat from an area to be cooled. That expanded like this and warmed up refrigerant gets interposed Indoor heat exchanger again to and from the compressor conveyed back into the high-pressure system section. In the interior Heat exchanger there is a heat transfer from which in the high pressure System section on the refrigerant in the low-pressure System section refrigerant.
Aus DE 26 55 022 A1 ist eine Klimaeinrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei welcher ein zur Kühlung eines Proviantfaches erforderlicher Kältemittelstrom aus einem ansonsten zur Fahrzeugklimatisierung vorgesehenen Kältemittelkreislauf abgezweigt wird. Der zur Fahrzeugklimatisierung vorgesehene Kältemittelkreislauf entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen dem vorangehend unter Bezugnahme auf WO 90/07683 beschriebenen Kältemittelkreislauf. An air conditioning device for motor vehicles is known from DE 26 55 022 A1, where one is required to cool a storage compartment Refrigerant flow from an otherwise provided for vehicle air conditioning Refrigerant circuit is branched off. The one for vehicle air conditioning The intended refrigerant circuit corresponds in its structure to essentially the same with reference to WO 90/07683 described refrigerant circuit.
Hinsichtlich der vorangehend beschriebenen, herkömmlichen und insbesondere mit einem Proviantfach ausgestatteten Kälteanlagen besteht das Problem, dass die zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes gewünschte Kühlleistung häufig erst mit einem erheblichen zeitlichen Verzug zur Verfügung steht. Regarding the conventional and this is particularly the case with refrigeration systems equipped with a storage compartment Problem that for air conditioning a vehicle interior Desired cooling capacity often only with a considerable delay is available.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage zu schaffen bei welcher die geforderte Kühlleistung kurzfristig zur Verfügung steht und die sich durch einen hohen Systemwirkungsgrad auszeichnet. The invention has for its object to provide a refrigeration system which the required cooling capacity is available at short notice and the is characterized by a high system efficiency.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer Kreisleitungsanordnung, in der ein Kältemittel aufgenommen ist und die einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt aufweist, eine Verdichtereinrichtung zur Förderung des Kältemittels von dem Niederdruckabschnitt in den Hochdruckabschnitt, eine Wärmeableitungseinrichtung zur Ableitung eines Wärmestromes aus dem Hochdruckabschnitt, einem Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels von einem in dem Hochdruckabschnitt herrschenden ersten Systemdruck auf einen zweiten Systemdruck und einem in dem Niederdruckabschnitt angeordneten Verdampfer, wobei ein zweites Expansionsorgan vorgesehen ist, das in einem zwischen dem Verdampfer und der Verdichtereinrichtung liegenden Bereich des Niederdruckabschnittes angeordnet ist zur Entspannung des Kältemittels auf einen unter dem zweiten Systemdruck liegenden dritten Systemdrucks und wobei weiterhin eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, die in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei in dem ersten Betriebsmodus die Speichereinrichtung durch das auf den dritten Systemdruck entspannte Kältemittel gekühlt wird und in dem zweiten Betriebsmodus die Speichereinrichtung vorübergehend Wärme aus dem Kältemittel aufnimmt. This object is achieved by a refrigeration system for a Motor vehicle with a circuit arrangement in which a refrigerant is included and the one high pressure section and one Has low pressure section, a compressor device to promote the Refrigerant from the low pressure section to the high pressure section, one Heat dissipation device for deriving a heat flow from the High pressure section, an expansion device to relax the Refrigerant from a first prevailing in the high pressure section System pressure to a second system pressure and one in the Low pressure section arranged evaporator, being a second Expansion device is provided, which is located in a between the evaporator and the Compressor device lying area of the low pressure section is arranged to relax the refrigerant on one under the second system pressure lying third system pressure and being still a memory device is provided which is in a first operating mode or can be operated in a second operating mode, in the first Operating mode the storage device by the third System pressure relaxed refrigerant is cooled and in the second operating mode the storage device temporarily heat from the refrigerant receives.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, durch eine weitere Expansion des Kältemittels die zur relativ tiefen Abkühlung der Speichereinrichtung phasenweise erforderliche Kühlleistung bereit zu stellen. Das durch das zweite Expansionsorgan weiter expandierte Kältemittel kann nach phasenweiser Abkühlung der als "Kältespeicher" wirksamen Speichereinrichtung von der Verdichtereinrichtung angesaugt und in den Hochdruckabschnitt hinein gefördert werden. Bei diesem Systemaufbau ergibt sich auf ökologisch vorteilhafte Weise ein hoher Systemwirkungsgrad. This makes it possible in an advantageous manner by another Expansion of the refrigerant to cool the relatively deep Storage device to provide the required cooling capacity in phases. That through the second expansion device can expand further refrigerant phase-wise cooling of those effective as "cold stores" Storage device sucked in by the compressor device and in the High pressure section are promoted. With this system setup, the result is ecologically advantageous way a high system efficiency.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kreisleitungsanordnung eine Innen-Wärmetauscheinrichtung zur Ableitung von Wärme aus dem Hochdruckabschnitt und zur Zuleitung derselben zu dem Niederdruckabschnitt. Hierdurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, über das im Niederdruckabschnitt verdampfte Kältemittel das im Hochdruckabschnitt befindliche Kältemittel vor dessen Übergang in den Niederdruckabschnitt, abzukühlen. According to a particularly preferred embodiment of the invention the circuit arrangement comprises an internal heat exchange device for Dissipation of heat from the high pressure section and to the supply line the same to the low pressure section. This will make it advantageous Possible way, the evaporated in the low pressure section refrigerant located in the high pressure section before it passes into the Low pressure section to cool.
Die Kälteanlage wird gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mit CO2 als Kältemittel betrieben. Hierbei wird es möglich, im Bereich der Speichereinrichtung bei einem Kältemitteldruck im Umgebungsbereich von ca. 20 bar Temperaturen von ca. -15°C zu erreichen. Hiebei wird ein besonders hohes Wärmeaufnahmevermögen der Speichereinrichtung erreicht. According to a particular aspect of the present invention, the refrigeration system is preferably operated with CO 2 as the refrigerant. This makes it possible to reach temperatures of approximately -15 ° C. in the area of the storage device with a refrigerant pressure in the surrounding area of approximately 20 bar. In this way, a particularly high heat absorption capacity of the storage device is achieved.
In vorteilhafter Weise ist eine Umschaltventileinrichtung vorgesehen zur selektiven Einkoppelung der Speichereinrichtung in den Kältemittelkreislauf. Diese Umschaltventileinrichtung ist vorzugsweise als elektromagnetisch aktivierbares Schaltorgan ausgebildet, wobei in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Umschaltventileinrichtung ausgewählte Abschnitte der Kreisleitungsanordnung blockiert oder durchgängig sind. Es ist möglich, die Umschaltventileinrichtung und das zweite Expansionsorgan zusammenzufassen. Auch ist es möglich, den durch das zweite Expansionsorgan aufgebauten Druckgradienten in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen in einstellbarer Weise zu verändern. A switchover valve device is advantageously provided for selective coupling of the storage device into the refrigerant circuit. This changeover valve device is preferably electromagnetic activatable switching element formed, depending on the Switch position of the switching valve device selected sections of Circular circuit arrangement are blocked or uninterrupted. It is possible that Switch valve device and the second expansion element summarize. It is also possible through the second expansion element built up pressure gradients depending on the current Changing operating conditions in an adjustable manner.
In vorteilhafter Weise ist die Umschaltventileinrichtung an einer Leitungsverzweigungsstelle derart angeordnet, dass über die Umschaltventileinrichtung das Kältemittel nach dessen Durchfluss durch den Verdampfer dem zweiten Expansionsorgan zugeführt werden kann und im Anschluss hieran den Kältespeicher durchfliesst. The changeover valve device is advantageously on one Line branching point arranged such that the changeover valve device the refrigerant after its flow through the evaporator to the second Expansion device can be supplied and then the Cold storage flows through.
Das aus dem Kältespeicher herausfliessende Kältemittel kann über die Umschaltventileinrichtung der Innen-Wärmetauschereinrichtung zugeführt werden. The refrigerant flowing out of the cold storage can be via the Changeover valve device supplied to the interior heat exchanger device become.
Vorzugsweise ist es möglich, in einer weiteren Schaltstellung der Umschaltventileinrichtung, das aus dem Verdampfer abströmende Kältemittel unmittelbar in die Innen-Wärmetauschereinrichtung einzubringen, ohne dass dieses hierbei bei Überströmen des zweiten Expansionsorganes weiter expandiert und die Speichereinrichtung durchströmt. It is preferably possible in a further switching position Switchover valve device, the refrigerant flowing out of the evaporator directly into the interior heat exchanger device without this continues when the second expansion element overflows expands and flows through the storage device.
Hinsichtlich eines Kreisprozesses wird die eingangs angegebene Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Kältemittel-Kreisprozess, bei welchem im Rahmen eines Verdichtungsvorganges ein Kältemittel aus einem Niederdruckabschnitt in einen Hochdruckabschnitt gefördert und hierbei verdichtet wird, dem Kältemittel nach dessen Verdichtung Wärme entzogen wird und das verdichtete und durch Wärmeentzug gekühlte Kältemittel über ein Expansionsorgan auf ein Niederdruckniveau expandiert wird und Wärme aufnimmt, wobei das expandierte Kältemittel zumindest phasenweise über ein zweites Expansionsorgan und eine Speichereinrichtung geführt wird, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Speichereinrichtung durch das Kältemittel gekühlt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus die vorab gekühlte Speichereinrichtung dem Kältemittel phasenweise Wärme entzieht. With regard to a cycle process, the task specified at the beginning becomes solved according to the invention by a refrigerant cycle, in which as part of a compression process a refrigerant from a Low pressure section promoted to a high pressure section and this heat is extracted from the refrigerant after it has been compressed is and the compressed and cooled by heat extraction refrigerant an expansion device is expanded to a low pressure level and heat records, the expanded refrigerant at least in phases a second expansion element and a storage device are guided, wherein in a first operating mode the storage device by the Refrigerant is cooled, and in a second operating mode, the advance cooled storage device extracts heat from the refrigerant in phases.
Die Speichereinrichtung wird vorzugsweise zur Einstellung des ersten oder zweiten Betriebsmodus selektiv über eine Umschaltventileinrichtung in den Kältemittelkreislauf eingekoppelt. The storage device is preferably used to set the first or second operating mode selectively via a switching valve device in the Refrigerant circuit coupled.
Es ist in vorteilhafter Weise möglich, den durch das zweite Expansionsorgan generierten Druckgradienten im Einklang mit dem ausgewählten Betriebsmodus der Speichereinrichtung zu verändern. It is advantageously possible through the second expansion element generated pressure gradients in accordance with the selected one To change the operating mode of the storage device.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage bzw. der erfindungsgemäße Kältemittelkreisprozess wird gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung mit CO2 als Kältemittel betrieben. Dieses Kältemittel hat im Normalbetrieb einen Saugdruck von vorzugsweise von 35 bis 40 bar. Durch die mittels des zweiten Expansionsorgans erreichbare weitere Expansion des Kältemittels kann im Bereich der Speichereinrichtung eine extrem niedrige Temperatur erreicht werden, ohne dass hierbei Unterdrücke entstehen (wie dies z. B. bei der Verwendung des Kältemittels R134a der Fall wäre). Bei 25 bar entspricht die Temperatur im Zweiphasengebiet ca. minus 15°C. The refrigeration system according to the invention or the refrigerant cycle process according to the invention is operated according to a particular aspect of the invention with CO 2 as the refrigerant. In normal operation, this refrigerant has a suction pressure of preferably from 35 to 40 bar. As a result of the further expansion of the refrigerant that can be achieved by means of the second expansion element, an extremely low temperature can be reached in the area of the storage device without negative pressures arising (as would be the case, for example, when using the refrigerant R134a). At 25 bar, the temperature in the two-phase area corresponds to approximately minus 15 ° C.
Bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage ist im Unterschied zu der eingangs genannten, herkömmlichen Kälteanlage gem. WO 90/07683, vorzugsweise nach dem Verdampfer, eine Ventileinrichtung vorgesehen, über welche der Kältemittelstrom zur Einstellung des gewünschten Betriebsmodus umschaltbar ist. In the refrigeration system according to the invention, in contrast to that at the beginning mentioned, conventional refrigeration system acc. WO 90/07683, preferably after the evaporator, a valve device is provided, via which the Refrigerant flow for setting the desired operating mode is switchable.
Um eine maximale Kühlwirkung im Innenraum eines Kraftfahrzeuges zu erreichen wird die Ventileinrichtung in eine Schaltstellung gebracht, in welcher der Kältemittelstrom an der Speichereinrichtung vorbeifliesst. Zum Kühlen ("Aufladen") des Kältespeichers wird die Ventileinrichtung in eine Schaltstellung gebracht, in welcher der Kältemittelstrom über das zusätzlich vorgesehene zweite Expansionsorgan strömt. Das Kältemittel mit einem Anfangszustand von z. B. 35 bar und einer Temperatur von 0°C wird dann weiter bis auf einen Druck unterhalb 35 bar expandiert. Hierbei kühlt sich das Kältemittel weiter ab. Das Kältemittel kann nunmehr der Speichereinrichtung Wärme entziehen und hierbei ein Speichermedium der Speichereinrichtung und gegebenenfalls unter Verwendung eines weiteren Verdampfers Luft abkühlen und diese einem Kühlfach zuführen (Temperaturbereich 3 bis 5°C) oder auch ein Gefrierfach abkühlen, um dort Medien unter 0°C abzukühlen. Anschließend wird das Kältemittel über die Ventileinrichtung zu der Innen- Wärmetauschereinrichtung wieder zurückgeführt. To achieve a maximum cooling effect in the interior of a motor vehicle the valve device is brought into a switching position, in which flows the refrigerant flow past the storage device. To the Cooling ("charging") the cold storage is the valve device in a Switched position in which the refrigerant flow over the additional provided second expansion member flows. The refrigerant with one Initial state of z. B. 35 bar and a temperature of 0 ° C then further expanded to a pressure below 35 bar. This cools down Refrigerant continues to decrease. The refrigerant can now the storage device Extract heat and thereby a storage medium of the storage device and air if necessary using a further evaporator cool and feed them to a cooling compartment (temperature range 3 to 5 ° C) or cool down a freezer compartment to cool media below 0 ° C. The refrigerant is then passed through the valve device to the interior Heat exchanger device returned.
Die Regelung des Kältekreislaufs mit vorangehend genannten Erweiterungen ist vorzugsweise so abgestimmt, dass eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels vor dem Verdichter sichergestellt ist. The regulation of the refrigeration cycle with the aforementioned Extensions are preferably adjusted so that there is sufficient overheating of the refrigerant upstream of the compressor.
Nach dem Verdampfer ist ein Expansionsorgan vorgesehen, das Kältemittel (35 bar, 0°C) wird hierdurch weiter bis auf einen Druck entspannt der vorzugsweise kleiner unterhalb von 35 bar liegt. Dadurch kühlt sich das Kältemittel weiter ab. Das Kältemittel strömt nun dem Kältespeicher zu, und kühlt hierbei ein Speichermedium ab. Das Kältemittel strömt nun über die Ventileinrichtung in den Innen-Wärmetauscher. Die Ventileinrichtung ist so ausgestaltet, dass der Kältemittelmassenstrom im Normalbetrieb über die Speichereinrichtung geführt ist. An expansion device, the refrigerant, is provided after the evaporator (35 bar, 0 ° C) is thereby further expanded to a pressure is preferably less than 35 bar. This cools it down Refrigerant continues to decrease. The refrigerant now flows to the cold store, and cools a storage medium. The refrigerant now flows over the Valve device in the indoor heat exchanger. The valve device is like this designed that the refrigerant mass flow in normal operation over the Storage device is guided.
Nach Abstellen des Fahrzeuges ist es möglich, die Ventileinrichtung umzuschalten, und das erste bzw. zweite Expansionsorgan zu schließen. Mittels einer Umwälzeinrichtung kann ein "kleiner" Kältemittelkreislauf erreicht werden, bei welchem das durch die Speichereinrichtung gekühlte Kältemittel durch den Verdampfer geleitet wird. Soll z. B. eine Standklimatisierung bzw. eine Vorkühlung des Fahrzeuges durchgeführt werden (Voraussetzung Kältespeicher geladen), wird das zweite Expansionsorgan geöffnet und die Umwälzeinrichtung in Betrieb gesetzt. Das Kältemittel gibt nun Wärme an die Speichereinrichtung ab und wird hierbei gekühlt. Über die Umwälzeinrichtung wird das Kältemittel dem Verdampfer zugeführt. Die zu klimatisierende Luft, welche z. B. mit einem Gebläse (aus einem IHKA) über den Verdampfer gefördert wird, kühlt sich ab und kann nun zur Klimatisierung und Vorkonditionierung der Fahrgastzelle verwendet werden. Das nun erwärmte Kältemittel strömt wieder der Speichereinrichtung ("Kältespeicher") zu, und kühlt sich wieder ab. Das erste Expansionsorgan bleibt dabei vorzugsweise geschlossen, damit keine "Rückwärtsdurchströmung" während des Entladevorgangs des Kältespeichers erfolgt. After parking the vehicle, it is possible to use the valve device to switch, and to close the first and second expansion element. A "small" refrigerant circuit can be created by means of a circulating device can be achieved in which the cooled by the storage device Refrigerant is passed through the evaporator. Should z. Legs Parking air conditioning or pre-cooling of the vehicle can be carried out (Cold storage requirement loaded) becomes the second expansion device opened and the circulation device started. The refrigerant is there now transfers heat to the storage device and is cooled in the process. About the Circulating device, the refrigerant is supplied to the evaporator. The too air conditioning, which z. B. with a blower (from an IHKA) the evaporator is pumped, cools down and can now be used Air conditioning and preconditioning of the passenger compartment can be used. That now warmed refrigerant flows back to the storage device ("cold storage") and cools down again. The first expansion organ remains preferably closed so that no "backflow" during the discharge process of the cold storage takes place.
Nach dem die Kälteanlage den Innenraum abgekühlt hat, kann i. a. die Kälteleistung zurück geregelt werden. Um nun ausreichende Kälteleistung für den Kältespeicher zur Verfügung zu haben, sollte der Expansionsvorgang für die Beladung des Kältespeichers bei einem möglichst geringen Dampfgehalt am Verdampferaustritt beginnen. After the refrigeration system has cooled the interior, i. a. the Cooling capacity can be regulated back. To ensure sufficient cooling capacity The expansion process should be available for the cold store for loading the cold storage with the lowest possible Start the vapor content at the evaporator outlet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen: Further details of the invention emerge from the following Description in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage mit einer über ein zweites Expansionsorgan in einen Niederdruckabschnitt eingekoppelten Speichereinrichtung; FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a first embodiment of a refrigeration system according to the invention with a coupled via a second expansion device into a low pressure section memory means;
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage ebenfalls mit einer über ein zweites Expansionsorgan in einen Niederdruckabschnitt eingekoppelten Speichereinrichtung, jedoch zusätzlich mit einer Fördereinrichtung zum selektiven Umwälzen des Kältemittels im Bereich des Niederdruckabschnittes; Figure 2 is a schematic diagram for explaining a second embodiment of a refrigeration system according to the invention also with an injected into a low pressure section via a second expansion device storage device, but with a conveyor means for selectively circulating the refrigerant in the region of the low-pressure portion.
Fig. 3 ein ph-Diagramm zur Erläuterung des Kältemittel- Kreisprozesses, wie er beispielsweise mit der Kälteanlage nach Fig. 1 durchführbar ist. Fig. 3 is a ph diagram for explaining the refrigerant cycle, such as can be carried out for example with the refrigeration system of FIG. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Kälteanlage umfasst einen Verdichter 1 zur Förderung eines Kältemittels von einem hier mit einer Strichpunktlinie I1 umrahmten Niederdruckabschnitt 2 in einen von einer Strichlinie I2 umrahmten Hochdruckabschnitt 3. The refrigeration system shown in FIG. 1 comprises a compressor 1 for conveying a refrigerant from a low-pressure section 2 framed here with a dash-dotted line I 1 to a high-pressure section 3 framed by a dash-line I 2 .
Das durch den Verdichter 1 geförderte Kältemittel gelangt im Bereich des Hochdruckabschnittes 3 in eine Wärmeableitungseinrichtung 4, die beispielsweise als Umgebungsluftkühler ausgebildet sein kann. In dieser Wärmeableitungseinrichtung 4 wird dem verdichteten Kältemittel Wärme entzogen, indem dieses beispielsweise annähernd auf die Temperatur der Umgebungsluft abgekühlt wird. The refrigerant conveyed by the compressor 1 reaches a heat dissipation device 4 in the region of the high pressure section 3 , which can be designed, for example, as an ambient air cooler. In this heat dissipation device 4 , heat is extracted from the compressed refrigerant, for example by cooling it approximately to the temperature of the ambient air.
Das durch die Wärmeableitungseinrichtung 4 gegenüber seiner Temperatur am Austritt des Verdichters 1 abgekühlte Kältemittel gelangt über einen Hochdruckleitungsabschnitt 5 zu einer Innen-Wärmetauscheinrichtung 6. Diese Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 umfasst Hochdruck- Kältemittelleitungen 7, die Teil des Hochdruckabschnittes 3 bilden sowie Niederdruck-Kältemittelleitungen 8, die Teil des Niederdruckabschnitts 2 bilden. The refrigerant cooled by the heat dissipation device 4 in relation to its temperature at the outlet of the compressor 1 reaches an internal heat exchange device 6 via a high-pressure line section 5 . This internal heat exchange device 6 comprises high-pressure refrigerant lines 7 , which form part of the high-pressure section 3 , and low-pressure refrigerant lines 8 , which form part of the low-pressure section 2 .
Durch die Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 ist es möglich, einen Wärmeaustausch zwischen dem die Hochdruck-Kältemittelleitung 7durchströmenden Kältemittel und dem die Niederdruck-Kältemittelleitung 8 durchströmenden Kältemittel vorzunehmen. The internal heat exchange device 6 enables heat to be exchanged between the refrigerant flowing through the high-pressure refrigerant line 7 and the refrigerant flowing through the low-pressure refrigerant line 8 .
Das die Hochdruck-Kältemittelleitung 7 durchströmende Kältemittel gelangt über ein erstes Expansionsorgan 9a aus dem Hochdruckabschnitt 3 in den Niederdruckabschnitt 2. Das derart entspannte Kältemittel kann über eine Kühlanordnung insbesondere einen Verdampfer 101 einem zu kühlenden Medium, beispielsweise der zu klimatisierenden Luft im Fahrgastraum, Wärme entziehen. Das hierbei erwärmte Kältemittel gelangt über einen Niederdruckleitungsabschnitt 11 zu einer Umschaltventileinrichtung 12, über welche das Kältemittel selektiv der Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 oder einem zweiten Expansionsorgan 9b zugeleitet wird. The refrigerant flowing through the high-pressure refrigerant line 7 passes from the high-pressure section 3 into the low-pressure section 2 via a first expansion element 9 a. The refrigerant which has been expanded in this way can extract heat via a cooling arrangement, in particular an evaporator 101, from a medium to be cooled, for example the air to be conditioned in the passenger compartment. The refrigerant heated here reaches a changeover valve device 12 via a low-pressure line section 11 , via which the refrigerant is selectively fed to the interior heat exchange device 6 or a second expansion element 9 b.
Wird das Kältemittel aufgrund der Schaltstellung der Umschalventileinrichtung 12 dem zweiten Expansionsorgan 9b zugeleitet, so wird das Kältemittel auf einen Druck p2b entspannt, der niedriger ist, als ein durch das erste Expansionsorgan 9a eingestellter Kältemitteldruck p2a. The refrigerant to the second expansion device supplied b due to the switching position of the Umschalventileinrichtung 12 9, so the refrigerant is expanded to a pressure p2b, of lower than a through the first expansion element 9 a set refrigerant pressure p2a.
Das derart weiter entspannte Kältemittel wird durch eine Speichereinrichtung 20 geleitet und kühlt diese hierbei auf eine durch den Druck p2b bestimmte Temperatur ab. The refrigerant further expanded in this way is passed through a storage device 20 and in the process cools it down to a temperature determined by the pressure p2b.
Die Speichereinrichtung 20 umfasst ein Speichermedium 21, das sich durch eine hohe spezifische Wärmekapazität auszeichnet und ist gegenüber der Umgebung durch einen isolierenden Mantel 22 vorzugsweise derart thermisch isoliert, daß selbst bei hohen Umgebungstemperaturen wenigstens 50% des Wärmeaufnahmevermögens der Speichereinrichtung 20 noch nach etwa 24 Stunden zur Verfügung stehen. The storage device 20 comprises a storage medium 21 which is distinguished by a high specific heat capacity and is preferably thermally insulated from the surroundings by an insulating jacket 22 in such a way that even at high ambient temperatures at least 50% of the heat absorption capacity of the storage device 20 is still available after about 24 hours To be available.
Die Speichereinrichtung 20 kann mit einem Kühl- oder Gefrierfach thermisch gekoppelt sein. Die thermische Koppelung kann über Kühlkanäle 23 erreicht werden, durch welche beispielsweise Luft als Wärmeträgermedium geführt ist. The storage device 20 can be thermally coupled to a refrigerator or freezer compartment. The thermal coupling can be achieved via cooling channels 23 through which, for example, air is passed as a heat transfer medium.
Die Umschaltventileinrichtung 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, daß diese eine selektive Einkoppelung der Speichereinrichtung 20 ermöglicht. Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel - oder insbesondere als Ergänzung desselben, ist es möglich, eine Leitungsanordnung vorzusehen, über welche das dem Verdampfer 10 zufließende Kältemittel zunächst über die Speichereinrichtung 20 geführt wird, um hierbei den Verdampfer 10 zumindest phasenweise mit einem unter Zwischenschaltung der Speichereinrichtung gekühlten Kältemittel zu beaufschlagen. In this exemplary embodiment, the changeover valve device 12 is designed such that it enables the storage device 20 to be coupled in selectively. Deviating from the exemplary embodiment shown - or in particular as an addition to it, it is possible to provide a line arrangement via which the refrigerant flowing to the evaporator 10 is first passed via the storage device 20 , in order to at least occasionally cool the evaporator 10 with a cooling device with the interposition of the storage device To apply refrigerant.
Am Ausgang der Speichereinrichtung ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Leitungsabschnitt 24 vorgesehen, der schaltbar mit einem zur Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 führenden Leitungsabschnitt 25 koppelbar ist. In this exemplary embodiment, a line section 24 is provided at the outlet of the storage device, which line section can be coupled to a line section 25 leading to the interior heat exchange device 6 .
Die selektive Koppelung der beiden Leitungsabschnitte 24, 25 erfolgt in vorteilhafter Weise über die Umschaltventileinrichtung 12. The selective coupling of the two line sections 24 , 25 is advantageously carried out via the changeover valve device 12 .
Die Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß deren Wärmetauschverhalten in einstellbarer Weise veränderbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Innen- Wärmetauscheinrichtung 6 selektiv im Gegen- oder Gleichstromprinzip in den Kältemittelkreis eingekoppelt ist. Es ist auch möglich, zur Bereitstellung unterschiedlicher Wärmetauschvermögen unterschiedlich große Wärmetauschstrecken zu aktivieren. The internal heat exchange device 6 is preferably designed such that its heat exchange behavior can be changed in an adjustable manner. This can be achieved, for example, in that the interior heat exchange device 6 is selectively coupled into the refrigerant circuit on the countercurrent or cocurrent principle. It is also possible to activate differently sized heat exchange paths in order to provide different heat exchange capacities.
Bei der vorangehend beschriebenen Kälteanlage wird über die Wärmeableitungseinrichtung 4 ein Wärmestrom Q1 abgeführt, welcher im Mittel der Summe des in dem Verdampfer 10 dem Kältemittel zufließenden Wärmestrom Q2 und der seitens des Verdichters 1 verrichteten Leistung P entspricht. Durch die selektiv aktivierbare Speichereinrichtung 20 kann phasenweise am Verdampfer 10 ein Wärmestrom Q2 von dem Kältemittel aufgenommen werden, der größer ist als der Wärmestrom Q1 abzüglich der Leistung P des Verdichters 1. In the refrigeration system described above, a heat flow Q1 is discharged via the heat dissipation device 4 , which corresponds on average to the sum of the heat flow Q2 flowing to the refrigerant in the evaporator 10 and the power P performed by the compressor 1 . Through the selectively activatable storage device 20 , a heat flow Q2 can be absorbed in phases by the refrigerant on the evaporator 10, which heat flow is greater than the heat flow Q1 minus the power P of the compressor 1 .
In Fig. 2 ist eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Kälteanlage dargestellt. Auch diese Variante umfasst eine mit einem Kältemittel gefüllte Kreisleitungseinrichtung mit einem Verdichter 1, einer Wärmeableitungseinrichtung 4, eine Innen-Wärmetauscheinrichtung 6 und ein, einem Verdampfer 10 vorgelagertes erstes Expansionsorgan 9a. In Fig. 2 shows a second variant of a refrigeration system according to the invention. This variant also comprises a circuit line device filled with a refrigerant, with a compressor 1 , a heat dissipation device 4 , an interior heat exchange device 6 and a first expansion element 9 a located upstream of an evaporator 10 .
Zwischen dem ersten Expansionsorgan 9a und dem Verdichter 1 befindet sich ein Niederdruckabschnitt, der eine über den Innenwärmetauscher 6 geführte Leitung 8 aufweist. Between the first expansion device 9a and the compressor 1 is a low-pressure section having a guided via the inner heat exchanger 6 line. 8
In dem Niederdruckabschnitt befinden sich ein Verdampfer 10, ein zweites Expansionsorgan 9b, eine Speichereinrichtung 20, ein Umschaltventil 12 und eine Umwälzeinrichtung 26. An evaporator 10 , a second expansion element 9 b, a storage device 20 , a switching valve 12 and a circulating device 26 are located in the low-pressure section.
Das Umschaltventil 12 ist derart in das Leitungssystem eingebunden, daß über dieses selektiv ein Kältemittelstrom zu dem Verdichter 1 und/oder zu der Fördereinrichtung 26 ermöglicht werden kann. The changeover valve 12 is integrated into the line system in such a way that a flow of refrigerant to the compressor 1 and / or to the delivery device 26 can be made possible selectively via this.
In einem Hauptbetriebszustand befindet sich das Umschaltventil 12 vorzugsweise in einer Schaltstellung, in welcher dieses das aus der Speichereinrichtung 20 abfließende Kältemittel zu der Innen- Wärmetauscheinrichtung 6 führt. In dieser Ventilstellung wird die Speichereinrichtung 20 "aufgeladen", da ein darin enthaltenes Speichermedium aufgrund der durch das zweite Expansionsorgan 9b erreichten zusätzlichen Expansion gekühlt wird. In a main operating state, the changeover valve 12 is preferably in a switching position in which it leads the refrigerant flowing out of the storage device 20 to the internal heat exchange device 6 . In this valve position, the storage device 20 is “charged” because a storage medium contained therein is cooled due to the additional expansion achieved by the second expansion element 9 b.
Zur phasenweisen Erhöhung der Kühlleistung des Verdampfers 10 wird das Umschaltventil 12 in eine Schaltstellung gebracht, in welcher dieses einen Zustrom des aus der Speichereinrichtung abfließenden Kältemittels zu der Umwälzeinrichtung 26 gestattet. In order to increase the cooling capacity of the evaporator 10 in phases, the changeover valve 12 is brought into a switch position in which it allows the refrigerant flowing out of the storage device to flow to the circulating device 26 .
Bei Aktivierung der Umwälzeinrichtung 26 wird das Kältemittel durch den Verdampfer 10 hindurch zur Speichereinrichtung 20 gefördert. Das zweite Expansionsorgan 9b wird hierbei vorzugsweise überbrückt, oder in einen Zustand gebracht, in welchem dieses einen verminderten Druckgradienten erzeugt. When the circulation device 26 is activated, the refrigerant is conveyed through the evaporator 10 to the storage device 20 . The second expansion element 9 b is in this case preferably bridged or brought into a state in which it generates a reduced pressure gradient.
Der sich im Rahmen der Umwälzung des Kältemittels in dem Niederdruckabschnitt ergebenden Volumen- oder Druckzunahme des Kältemittels kann durch Schaffung einer Leitungsverbindung zu dem Verdichter 1 Rechnung getragen werden. The increase in volume or pressure of the refrigerant resulting from the circulation of the refrigerant in the low-pressure section can be taken into account by creating a line connection to the compressor 1 .
Spätestens dann, wenn, bedingt durch das begrenzte Wärmeaufnahmevermögen der Speichereinrichtung 20, keine ausreichende Kühlung des umgewälzten Kältemittels erreicht wird, kann das Kältemittel über den Leitungsabschnitt 25 dem Verdichter 1 zugeführt und in den Hochdruckabschnitt des Systems eingebracht werden. At the latest when, due to the limited heat absorption capacity of the storage device 20 , sufficient cooling of the circulated refrigerant cannot be achieved, the refrigerant can be supplied to the compressor 1 via the line section 25 and introduced into the high-pressure section of the system.
In Fig. 3 ist in Form eines Druck/Enthalpie-Diagrammes der Kältemittelkreisprozess dargestellt, wie er bei den beiden vorangehend beschriebenen Kälteanlagen unter Verwendung eines einem Verdampfer nachgeschalteten zusätzlichen Expansionsorgan realisierbar ist. FIG. 3 shows the refrigerant cycle process in the form of a pressure / enthalpy diagram, as can be implemented in the two previously described refrigeration systems using an additional expansion element connected downstream of an evaporator.
Ausgehend von einem Gaszustand 21 wird das Kältemittel über den Verdichter 1 unter Zufuhr von Arbeit polytrop auf den Zustand Z2 verdichtet. Starting from a gas state 21 , the refrigerant is compressed polytropically to state Z2 via the compressor 1 while supplying work.
Das verdichtete Kältemittel wird in der Wärmeableitungseinrichtung 4 isobar auf den Zustand Z3 gekühlt und hierbei verflüssigt. Eine weitere isobare Abkühlung des Kältemittels auf einen Zustand Z4 erfolgt in der Innen- Wärmetauscheinrichtung 6. The compressed refrigerant is isobarically cooled to state Z3 in the heat dissipation device 4 and liquefied in the process. A further isobaric cooling of the refrigerant to a state Z4 takes place in the interior heat exchange device 6 .
Durch das erste Expansionsorgan 9a erfolgt eine Expansion des Kältemittels auf den Zustand Z5. Das hierbei unterkühlte Kältemittel kann im Verdampfer 10 Wärme aufnehmen und gelangt dabei in den Zustand Z6. Through the first expansion element 9 a an expansion of the refrigerant takes place in the state Z5. The supercooled refrigerant can absorb heat in the evaporator 10 and thereby reaches state Z6.
Durch das zweite Expansionsorgan 9b wird das Kältemittel nochmals entspannt, weiter unterkühlt und gelangt hierbei in den Zustand Z7. Mit dem Ausgangszustand Z7 gelangt das Kältemittel in die Speichereinrichtung 20 und konditioniert dabei ein in der Speichereinrichtung 20 enthaltenes Speichermedium. In Abhängigkeit von der Temperatur des Speichermediums gelangt das Kältemittel am Ausgang der Speichereinrichtung in einen Zustand Z8, in welchem dieses von dem Verdichter 1 angesaugt werden kann. By means of the second expansion element 9 b, the refrigerant is expanded again, further undercooled, and thereby reaches state Z7. With the initial state Z7, the refrigerant reaches the storage device 20 and thereby conditions a storage medium contained in the storage device 20 . Depending on the temperature of the storage medium, the refrigerant at the outlet of the storage device reaches a state Z8 in which it can be sucked in by the compressor 1 .
Bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel können mit dem erfindungsgemäßen Kältemittel-Kreisprozess im Bereich der Speichereinrichtung 20 extrem niedrige Temperaturen erreicht werden. When CO 2 is used as the refrigerant, extremely low temperatures can be achieved with the refrigerant cycle according to the invention in the area of the storage device 20 .
Claims (13)
einer Kreisleitungsanordnung, in der ein Kältemittel aufgenommen ist und die einen Hochdruckabschnitt (3) und einen Niederdruckabschnitt (2) aufweist,
einer Verdichtereinrichtung (1) zur Förderung des Kältemittels von dem Niederdruckabschnitt (2) in den Hochdruckabschnitt (3),
einer Wärmeableitungseinrichtung (4) zur Ableitung eines Wärmestromes (Q1) aus dem Hochdruckabschnitt (3),
einer Expansionseinrichtung (9a) zur Entspannung des Kältemittels von einem in dem Hochdruckabschnitt (3) herrschenden ersten Systemdruck (P1) auf einen zweiten Systemdruck (P2a) und
einem in dem Niederdruckabschnitt (2) angeordneten Verdampfer (10), gekennzeichnet durch ein zweites Expansionsorgan (9b), das in einem zwischen dem Verdampfer (10) und der Verdichtereinrichtung (1) liegenden Bereich des Niederdruckabschnittes (2) angeordnet ist zur Entspannung des Kältemittels auf einen unter dem zweiten Systemdruck (P2a) liegenden dritten Systemdruck (P2b), und einer Speichereinrichtung (20), die in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei in dem ersten Betriebsmodus die Speichereinrichtung (20) durch das auf den dritten Systemdruck (P2b) entspannte Kältemittel gekühlt wird und in dem zweiten Betriebsmodus die Speichereinrichtung (20) Wärme aus dem Kältemittel aufnimmt. 1. Refrigeration system for a motor vehicle with:
a circuit arrangement in which a refrigerant is received and which has a high-pressure section ( 3 ) and a low-pressure section ( 2 ),
a compressor device ( 1 ) for conveying the refrigerant from the low pressure section ( 2 ) into the high pressure section ( 3 ),
a heat dissipation device ( 4 ) for dissipating a heat flow (Q1) from the high pressure section ( 3 ),
an expansion device ( 9 a) for expanding the refrigerant from a first system pressure (P1) prevailing in the high pressure section ( 3 ) to a second system pressure (P2a) and
an evaporator ( 10 ) arranged in the low-pressure section ( 2 ), characterized by a second expansion element ( 9 b) which is arranged in an area of the low-pressure section ( 2 ) lying between the evaporator ( 10 ) and the compressor device ( 1 ) to relax the Refrigerant to a third system pressure (P2b) below the second system pressure (P2a), and a storage device ( 20 ) which can be operated in a first operating mode or in a second operating mode, the storage device ( 20 ) being able to operate in the first operating mode the third system pressure (P2b) is cooled refrigerant and in the second operating mode the storage device ( 20 ) absorbs heat from the refrigerant.
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