DE102011014712B4 - Vehicle, in particular electric vehicle - Google Patents

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Abstract

Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät (15), das einen in einen Kältemittel-Kreislauf (N, H) geschalteten Wärmetauscher (13) aufweist, der in einem Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung eines in den Fahrzeuginnenraum (37) geführten Luftstroms (L) das Kältemittel verdampft und welcher Wärmetauscher (13) in einem Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeitet, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms (L) kondensiert, wobei der Kältemittel-Kreislauf einen Hauptkreislauf (H) und einen Nebenkreislauf (N) aufweist, in dem ein Zusatz-Wärmetauscher (31) angeordnet ist, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet und der direkt/indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenkreislauf (N) eine Verdichtereinheit (29), insbesondere eine Strömungspumpe, angeordnet ist, die im Heizbetrieb anstelle des Verdichters (1) im Hauptkreislauf (H) das Kältemittel verdichtet, und dass der im Hauptkreislauf (H) angeordnete Verdichter (1) im Heizbetrieb durchströmt ist und als Expansionsmaschine arbeitet, in der das Kältemittel unter Expansion zum Klimageräte-Wärmetauscher (13) führbar ist, der als Kältemittel-Kondensator arbeitet.Vehicle, in particular electric vehicle, with an air conditioner (15) having a in a refrigerant circuit (N, H) connected to the heat exchanger (13), which operates in a cooling operation as a refrigerant evaporator, in which under cooling one in the vehicle interior (37) guided air flow (L) evaporates the refrigerant and which heat exchanger (13) operates in a heating operation as a refrigerant condenser, in which the refrigerant condenses while heating the air flow (L), the refrigerant circuit a main circuit (H) and a secondary circuit (N), in which an additional heat exchanger (31) is arranged, which operates in the heating operation as a refrigerant evaporator and which can be heated directly / indirectly by means of fossil fuel, characterized in that in the secondary circuit (N) a Compressor unit (29), in particular a flow pump, is arranged, which in the heating operation instead of the compressor (1) in the main circuit (H) the Kältemit Compresses, and that in the main circuit (H) arranged compressor (1) is flowed through in the heating operation and works as an expansion machine, in which the refrigerant under expansion to the air conditioner heat exchanger (13) can be guided, which operates as a refrigerant condenser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a vehicle, in particular an electric vehicle, with an air conditioner according to the preamble of claim 1.

Bei Fahrzeugen mit modernen Brennkraftmaschinen ist die im Kühlwasser verfügbare Abwärme zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums nur in begrenztem Umfang vorhanden. Diese Problematik verschärft sich bei Fahrzeugen mit teilweisem oder vollständigem Elektroantrieb, da als Wärmequellen neben den Elektromaschinen lediglich die Leistungselektroniken zur Verfügung stehen, deren Verlustwärme aus Effizienzgründen ebenfalls stark begrenzt ist.In vehicles with modern internal combustion engines, the waste heat available in the cooling water for heating the vehicle interior is available only to a limited extent. This problem is exacerbated in vehicles with partial or complete electric drive, since as heat sources in addition to the electric machines only the power electronics are available, the heat loss is also severely limited for reasons of efficiency.

Ein gattungsgemäßes Fahrzeug weist ein Klimagerät auf, das einen in einen Kältemittel-Kreislauf geschalteten Wärmetauscher umfasst. Dieser arbeitet im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer, in dem unter gleichzeitiger Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft. Gleichzeitig kann der Klimageräte-Wärmetauscher im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeiten, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms kondensiert wird. Gegebenenfalls kann im Klimagerät ein elektrischer Zuheizer vorgesehen sein, der in dem zum Fahrzeuginnenraum geführten Luftstrom in Reihe zum oben erwähnten Klimageräte-Wärmetauscher angeordnet ist. Für den Fall, dass der Wärmebedarf im Fahrzeuginnenraum alleine durch den als Kondensator arbeitenden Kältegeräte-Wärmetauscher nicht gedeckt werden kann, wird der elektrische Zuheizer aktiviert. Selbst bei moderaten Umgebungsbedingungen sind zur Deckung des Wärmebedarfs im Fahrzeuginnenraum jedoch Leistungen im Bereich von 1 bis 4 KW aufzubringen, die allesamt von der bordeigenen Fahrzeugbatterie zur Verfügung gestellt werden müssen. Die von der Batterie entnommene elektrische Energie steht daher nicht mehr für Antriebszwecke zur Verfügung, wodurch sich wiederum bei Elektrofahrzeugen die Reichweite stark reduzieren kann.A generic vehicle has an air conditioner comprising a heat exchanger connected in a refrigerant circuit. This works in the cooling mode as a refrigerant evaporator, in which evaporates with simultaneous cooling of the guided into the vehicle interior airflow, the refrigerant. At the same time, the air conditioner heat exchanger can operate in the heating mode as a refrigerant condenser, in which the refrigerant is condensed while heating the guided into the vehicle interior air flow. Optionally, an electric heater may be provided in the air conditioner, which is arranged in the guided to the vehicle interior air flow in series with the above-mentioned air conditioner heat exchanger. In the event that the heat demand in the vehicle interior can not be covered solely by the working as a condenser refrigeration unit heat exchanger, the electric heater is activated. However, even in moderate ambient conditions, to cover the heat demand in the vehicle interior, power in the range of 1 to 4 KW apply, all of which must be provided by the on-board vehicle battery. The removed from the battery electrical energy is therefore no longer available for drive purposes, which in turn can greatly reduce the range in electric vehicles.

Aus der DE 10 2007 006 963 A1 ist ein Fahrzeug bekannt, bei dem zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums ein Heizungswärmetauscher in einem Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist, der zumindest teilweise mittels eines Brenners fremdbeheizt wird. Aus der DE 102 59 071 B4 ist ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage bekannt, bei der zum Komprimieren eines Arbeitsmediums der Klimaanlage ein Stirling-Motor vorgesehen ist, dem ein brennstoffbetriebenes Heizgerät zugeordnet ist.From the DE 10 2007 006 963 A1 a vehicle is known in which a heating heat exchanger is provided in a coolant circuit for heating the vehicle interior, which is externally heated at least partially by means of a burner. From the DE 102 59 071 B4 a vehicle is known with an air conditioner in which a Stirling engine is provided for compressing a working medium of the air conditioning, which is associated with a fuel-fired heater.

Die DE 100 06 513 A1 offenbart eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, die für eine Klimatisierungsbetriebsart und wenigstens eine weitere Betriebsart in Form einer Wärmepumpenbetriebsart und/oder Reheatbetriebsart ausgelegt ist. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem Kältemittelkühler und einem in einem Zuluftkanal angeordneten, in der Klimatisierungsbetriebsart als Verdampfer fungierenden Zuluft/Kältemittel-Wärmeübertrager auf. Ferner weist die Klimaanlage einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Fahrzeugkomponente sowie einen den Kältemittelkreislauf und den Kühlmittelkreislauf wärmeübertragend koppelnden Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager auf. Gemäß der DE 100 06 513 A1 ist dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager im Kühlmittelkreislauf ein Verbrennungsmotorabgas/Kühlmittel-Wärmeübertrager vorgeschaltet.The DE 100 06 513 A1 discloses an air conditioning system for a motor vehicle, which is designed for an air conditioning mode and at least one further operating mode in the form of a heat pump mode and / or Reheatbetriebsart. The air conditioning system has a refrigerant circuit with a compressor, a refrigerant radiator and a supply air / refrigerant heat exchanger arranged in an air supply duct and functioning as an evaporator in the air conditioning mode. Furthermore, the air conditioning system has a coolant circuit for cooling a heat-generating vehicle component and a refrigerant / coolant heat exchanger coupling the refrigerant circuit and the coolant circuit in a heat-transmitting manner. According to the DE 100 06 513 A1 is the refrigerant / coolant heat exchanger in the coolant circuit upstream of an engine exhaust / coolant heat exchanger.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage bereitzustellen, bei dem der elektrische Energieverbrauch zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums reduziert ist.The object of the invention is to provide a vehicle with an air conditioner, in which the electrical energy consumption for heating the vehicle interior is reduced.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.

Die Erfindung geht von einem kältemitteldurchströmten Wärmetauscher eines Klimagerätes aus, der im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft wird. Der Klimageräte-Wärmetauscher arbeitet zugleich im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms kondensiert. Erfindungsgemäß weist der Kältemittel-Kreislauf einen Zusatz-Wärmetauscher auf, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet. Der Zusatz-Wärmetauscher ist dabei nicht mittels elektrischer Energie, sondern direkt oder indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar. Auf diese Weise kann der elektrische Energieverbrauch zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums reduziert und gleichzeitig die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden. Die Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums kann zudem unabhängig von einer elektrischen Energieversorgung erfolgen.The invention is based on a refrigerant flow-through heat exchanger of an air conditioner, which operates in the cooling mode as a refrigerant evaporator, in which the refrigerant is evaporated while cooling the guided into the vehicle interior air flow. The air conditioner heat exchanger also operates in heating mode as a refrigerant condenser, in which the refrigerant condenses while heating the air flow. According to the invention, the refrigerant circuit has an additional heat exchanger, which operates in the heating mode as a refrigerant evaporator. The additional heat exchanger is not heated by means of electrical energy, but directly or indirectly by means of fossil fuel. In this way, the electrical energy consumption for tempering the vehicle interior can be reduced while the range of the vehicle can be increased. The preconditioning of the vehicle interior can also take place independently of an electrical energy supply.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Zusatz-Wärmetauscher direkt von Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder von Rauchgas durchströmt sein. Alternativ dazu kann der Zusatz-Wärmetauscher ein mit Brennstoff befeuerter Brenner sein, in dessen Flamme beziehungsweise Rauchgas zum Beispiel ein Rohrwendel-Wärmeübertrager angeordnet ist, der von Kältemittel durchströmt ist.According to one embodiment, the additional heat exchanger can be flowed through directly by exhaust gas of an internal combustion engine and / or by flue gas. Alternatively, the additional heat exchanger may be a fuel-fired burner, in whose flame or flue gas, for example, a coiled tubing heat exchanger is arranged, which is flowed through by refrigerant.

Aus Sicherheitsgründen kann es von Vorteil sein, wenn das Rauchgas beziehungsweise die Flamme des Brenners nicht unmittelbar in thermischer Kopplung mit dem Kältemittel ist, sondern lediglich mittelbar über einen zwischengeordneten Heizkreislauf, in dem beispielsweise Kühlwasser die Wärme von der Abgas-/Rauchgasströmung zum kältemitteldurchströmten Zusatz-Wärmetauscher überträgt.For safety reasons, it may be advantageous if the flue gas or the Flame of the burner is not directly in thermal coupling with the refrigerant, but only indirectly via an intermediate heating circuit in which, for example, cooling water transfers the heat from the exhaust / flue gas flow to the refrigerant through-flow additional heat exchanger.

Erfindungsgemäß ist der Kältemittel-Kreislauf der Klimaanlage in einen Hauptkreislauf und in einen Nebenkreislauf unterteilt. Im Hauptkreislauf kann der als Verdampfer/Kondensator arbeitende Kältegeräte-Wärmetauscher und zudem in an sich bekannter Weise ein Kältemittel-Verdichter, ein Kondensator sowie ein Expansionsorgan angeordnet sein, um einen Kältekreisprozess zu bewerkstelligen. Demgemäß wird im Kühlbetrieb das im Verdichter komprimierte Kältemittel zu einem Kondensator geführt, in dem das Kältemittel unter Freisetzung von Abwärme kondensiert. Das im Kondensator verflüssigte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsventil zum Klimageräte-Wärmetauscher geführt, in dem es unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms verdampft. Anschließend wird das verdampfte Kältemittel zum Verdichter rückgeführt.According to the refrigerant cycle of the air conditioner is divided into a main circuit and a secondary circuit. In the main circuit of working as evaporator / condenser refrigerator heat exchanger and also in a conventional manner, a refrigerant compressor, a condenser and an expansion device may be arranged to accomplish a refrigeration cycle. Accordingly, in the cooling operation, the refrigerant compressed in the compressor is led to a condenser in which the refrigerant condenses to release waste heat. The refrigerant liquefied in the condenser is further passed under expansion through an expansion valve to the air conditioner heat exchanger in which it evaporates while cooling the air flow guided into the vehicle interior. Subsequently, the evaporated refrigerant is returned to the compressor.

Demgegenüber kann im Nebenkreislauf der Zusatz-Wärmetauscher angeordnet sein, der im Heizbetrieb als Verdampfer arbeitet. Der Nebenkreislauf kann durch Ansteuern von Steuerventilen im oben erwähnten Kühlbetrieb stillgelegt sein und lediglich für den Heizbetrieb aktiviert werden. Im Kühlbetrieb ist daher der Zusatz-Wärmetauscher nicht von Kältemittel durchströmt. Erfindungsgemäß kann der Kältegeräte-Wärmetauscher sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer arbeiten, sofern der Kältemittel-Kreislauf in umgekehrter Richtung betrieben wird, das heißt im Wärmepumpenprozess oder im Kälteprozess. Um eine derartige Doppelfunktion des Kältegeräte-Wärmetauschers zu ermöglichen, sind im Kältekreislauf eine große Anzahl von Kältemittel-Leitungen in montagetechnisch aufwendiger Weise sowie mit großem Bauraum-Aufwand zu verlegen. Die so bereitgestellten Bypass- oder Überbrückungsleitungen sind zudem schaltungstechnisch nur mit großem Aufwand für den jeweiligen Heiz- oder Kühlbetrieb freizuschalten oder zu sperren. Alternativ dazu kann im Hinblick auf eine einfache sowie bauraumgünstige Gestaltung des Kältemittelkreislaufes der Hauptkreislauf an der Hochdruckseite des Verdichters Anschlussstellen/Verzweigungsstellen aufweisen, über die der Nebenkreislauf dem Hauptkreislauf zugeschaltet werden kann.In contrast, can be arranged in the secondary circuit of the additional heat exchanger, which operates in the heating mode as an evaporator. The secondary circuit can be shut down by driving control valves in the above-mentioned cooling mode and activated only for the heating mode. In cooling mode, therefore, the additional heat exchanger is not flowed through by refrigerant. According to the invention, the refrigeration appliance heat exchanger can work both as a condenser and as an evaporator, provided that the refrigerant circuit is operated in the reverse direction, that is to say in the heat pump process or in the refrigeration process. In order to enable such a dual function of the refrigeration appliance heat exchanger, a large number of refrigerant lines are to be laid in montage technically complex manner and with great space expenditure in the refrigeration cycle. The bypass or bypass lines provided in this way can also be unlocked or blocked only with great effort for the respective heating or cooling operation. Alternatively, with regard to a simple and space-saving design of the refrigerant circuit, the main circuit on the high-pressure side of the compressor connection points / branch points have over which the secondary circuit can be connected to the main circuit.

In dem Nebenkreislauf ist eine Verdichtereinheit, insbesondere eine Strömungspumpe, sowie der bereits genannte Zusatz-Wärmetauscher angeordnet. Zur Durchführung des Heizbetriebes wird die Verdichtereinheit anstelle des im Hauptkreislauf angeordneten Verdichters aktiviert, während der Hauptkreislauf-Verdichter funktionslos verbleibt. Der sich im Heizbetrieb ergebende Kältemittel-Kreislauf ist auf diese Weise besonders einfach erreichbar. Der Hauptkreislauf-Verdichter arbeitet erfindungsgemäß in Doppelfunktion auch als Expansionsorgan beziehungsweise Expansionsmaschine. In diesem Fall kann das Kältemittel zunächst von der Nebenkreislauf-Verdichtereinheit verdichtet und anschließend im Zusatz-Wärmetauscher, der als Verdampfer arbeitet, verdampft werden. Das verdampfte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsorgan, erfindungsgemäß der Hauptkreislauf-Verdichter, geführt und von dort weiter durch den als Kondensator arbeitenden Klimageräte-Wärmetauscher, in dem das verdampfte Kältemittel zumindest teilweise kondensieren kann. Das im Hauptkreislauf angeordnete Expansionsventil kann im Heizbetrieb in eine Offenstellung, das heißt funktionslos geschaltet sein. Der zudem im Hauptkreislauf angeordnete Wärmetauscher, der im Kühlbetrieb als Kondensator arbeitet, dient als weitere Unterkühlungsstrecke, um gegebenenfalls noch dampfförmiges Kältemittel zu kondensieren.In the secondary circuit, a compressor unit, in particular a flow pump, and the aforementioned additional heat exchanger is arranged. To carry out the heating operation, the compressor unit is activated instead of the compressor arranged in the main circuit, while the main circuit compressor remains functionless. The resultant in heating refrigerant circuit is particularly easy to reach in this way. The main circuit compressor operates according to the invention in a dual function as an expansion or expansion machine. In this case, the refrigerant can first be compressed by the secondary circuit compressor unit and then evaporated in the additional heat exchanger, which works as an evaporator. The vaporized refrigerant is further guided under expansion by an expansion element, according to the invention of the main circuit compressor, and from there through the operating as a condenser air conditioner heat exchanger in which the evaporated refrigerant can at least partially condense. The arranged in the main circuit expansion valve can be switched in heating mode in an open position, that is, without function. The also arranged in the main circuit heat exchanger, which works as a condenser in the cooling mode, serves as a further subcooling, to condense optionally still vaporous refrigerant.

Anschließend wird das kondensierte Kältemittel in die Nebenkreislauf-Verdichtereinheit rückgeführt.Subsequently, the condensed refrigerant is returned to the sub-circuit compressor unit.

Wie oben erwähnt, arbeitet der Hauptkreislauf-Verdichter erfindungsgemäß im Heizbetrieb als Expansionsmaschine, durch die das verdichtete Kältemittel unter Expansion strömen kann, die bei der Kältemittel-Expansion erzeugte Wellenarbeit des Verdichters kann bevorzugt in elektrische Energie umgewandelt und in das Fahrzeug-Bordnetz eingespeist werden. Hierzu ist die Antriebseinheit des Verdichters bevorzugt eine auch im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine.As mentioned above, the main cycle compressor according to the invention operates in the heating operation as an expansion machine, through which the compressed refrigerant can flow under expansion, the compressor generated in the refrigerant expansion wave work of the compressor can be preferably converted into electrical energy and fed into the vehicle electrical system. For this purpose, the drive unit of the compressor is preferably a working also in the generator mode electric machine.

Ein derart arbeitender Kältemittelverdichter kann beispielhaft ein sogenannter Scroll-Kompressor sein.A refrigerant compressor operating in this way can be, for example, a so-called scroll compressor.

Bauraumgünstig ist es, wenn der Zusatz-Wärmetauscher und/oder der gesamte Nebenkreislauf in einem separaten Anbaumodul zusammengefasst sind, das für einen Sommerbetrieb des Fahrzeuges demontierbar angeordnet ist. Bevorzugt kann das Anbaumodul einen Brennstofftank, die Verdichtereinheit, den Brenner sowie den Zusatz-Wärmetauscher aufweisen. Das so gestaltete Anbaumodul kann bedarfsweise, zum Beispiel mittels einer Schnellkupplung, an den Hauptkreislauf angeschlossen werden.Space is favorable, if the additional heat exchanger and / or the entire secondary circuit are combined in a separate add-on module, which is arranged removable for a summer operation of the vehicle. The attachment module may preferably have a fuel tank, the compressor unit, the burner and the additional heat exchanger. The so-designed add-on module can, if necessary, be connected to the main circuit, for example by means of a quick coupling.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Hereinafter, embodiments of the invention are described with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:Show it:

1 ein Blockschaltdiagramm eines in einem Fahrzeug verwendeten Kältemittel-Kreislaufes, der im Kühlbetrieb arbeitet; 1 a block diagram of a used in a vehicle refrigerant circuit operating in the cooling mode;

2 ein ph-Diagramm, in dem die Prozessführung im Kühlbetrieb dargestellt ist; 2 a ph diagram in which the process control is shown in the cooling mode;

3 in einer Ansicht entsprechend der 1 den Heizbetrieb des Kältemittel-Kreislaufes; 3 in a view corresponding to 1 the heating operation of the refrigerant circuit;

4 ein ph-Diagram, das den Heizbetrieb veranschaulicht; 4 a ph diagram illustrating the heating operation;

5 einen Zusatz-Wärmetauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; 5 an auxiliary heat exchanger according to the first embodiment;

6 eine grob schematische Darstellung, in der eine Bewegungsabfolge in einem Scroll-Kompressor veranschaulicht ist; und 6 a rough schematic representation in which a sequence of movements is illustrated in a scroll compressor; and

7 einen Kältemittel-Kreislauf gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. 7 a refrigerant circuit according to the second embodiment.

In der 1 weist die Klimaanlage eines Fahrzeugs einen Kältemittel-Kreislauf auf, der in einen Hauptkreislauf H und einen Nebenkreislauf N aufgeteilt ist. Im Hauptkreislauf H ist ein Kältemittel-Verdichter 1 angeordnet, der über eine Hochdruckleitung 3 mit einem Kältemittel-Kondensator 5 verbunden ist. Der Kältemittel-Kondensator 5 kann kühlerseitig im Frontend-Modul eines Elektrofahrzeuges angeordnet sein, wodurch die Abwärme abgeführt werden kann. Stromab des Kältemittel-Kondensators 5 führt eine zweite Hochdruckleitung 7 das Kältemittel bis zu einem Expansionsventil 9 und anschließend über eine Niederdruckleitung 11 weiter zu einem Wärmetauscher 13, der in einem Klimagerät 15 des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Klimageräte-Wärmetauscher 13 ist über eine zweite Niederdruckleitung 17 mit der Saugseite des Verdichters 1 verbunden, der über eine Elektromaschine 19 angetrieben wird.In the 1 For example, the air conditioning system of a vehicle has a refrigerant circuit which is divided into a main circuit H and a secondary circuit N. In the main circuit H is a refrigerant compressor 1 arranged, via a high-pressure line 3 with a refrigerant condenser 5 connected is. The refrigerant condenser 5 can be arranged on the radiator side in the front-end module of an electric vehicle, whereby the waste heat can be dissipated. Downstream of the refrigerant condenser 5 leads a second high pressure line 7 the refrigerant up to an expansion valve 9 and then via a low pressure line 11 continue to a heat exchanger 13 working in an air conditioner 15 of the vehicle is arranged. The air conditioner heat exchanger 13 is via a second low-pressure line 17 with the suction side of the compressor 1 connected by an electric machine 19 is driven.

In der ersten Hochdruckleitung 3 zwischen dem Verdichter 1 und dem Kondensator 5 sind zwei Verzweigungsstellen 21, 23 vorgesehen, an denen der Nebenkreislauf N über Teilleitungen 25, 27 mit dem Hauptkreislauf H verbunden ist. In der Teilleitung 25 des Nebenkreislaufes N ist eine Pumpe 29 sowie ein nachgeschalteter Zusatz-Wärmetauscher 31 angeordnet. Der Zusatz-Wärmetauscher ist über die zweite Teilleitung 27 an der Verzweigungsstelle 21 mit der ersten Hochdruckleitung 3 des Hauptkreislaufes H verbunden. In der zweiten Teilleitung 27 ist zudem ein Rückschlagventil 33 sowie ein Steuerventil 35 angeordnet.In the first high pressure line 3 between the compressor 1 and the capacitor 5 are two branch points 21 . 23 provided at which the secondary circuit N via sub-lines 25 . 27 is connected to the main circuit H. In the sub-line 25 the secondary circuit N is a pump 29 and a downstream additional heat exchanger 31 arranged. The additional heat exchanger is via the second part line 27 at the branching point 21 with the first high pressure line 3 connected to the main circuit H. In the second sub-line 27 is also a check valve 33 and a control valve 35 arranged.

In der 1 ist eine Schaltungsvariante gezeigt, bei der die Klimaanlage in einem Kühlbetrieb arbeitet. Der Strömungsweg des Kältemittels ist durch dicke Linien hervorgehoben, während die lediglich mit dünnen Linien gezeichneten Leitungen stillgelegt sind. Demzufolge strömt das Kältemittel ausgehend vom Verdichter 1 über den Kondensator 5 und das Expansionsventil zum Klimageräte-Wärmetauscher 13, in dem das expandierte Kältemittel unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum 37 geführten Luftstroms L verdampft und zum Verdichter 1 rückgeführt wird.In the 1 a circuit variant is shown in which the air conditioner operates in a cooling mode. The flow path of the refrigerant is highlighted by thick lines, while the drawn only with thin lines lines are shut down. As a result, the refrigerant flows from the compressor 1 over the capacitor 5 and the expansion valve to the air conditioner heat exchanger 13 in which the expanded refrigerant is cooled while in the vehicle interior 37 guided air flow L evaporates and to the compressor 1 is returned.

Die Prozessführung des Kühlbetriebs ist im ph-Diagramm der 2 anhand des Kältemittels R 134a dargelegt.The process control of the cooling operation is in the ph diagram of 2 explained by the refrigerant R 134a.

In der 3 ist eine weitere Schaltungsvariante gezeigt, bei der die Klimaanlage im Heizbetrieb arbeitet. Der Strömungsweg des Kältemittels ist wiederum durch dicke Linien hervorgehoben. Demzufolge ist das zwischen den beiden Verbindungsstellen 21, 23 der Hochdruckleitung 3 angeordnete Steuerventil 39 gesperrt, während das Steuerventil 35 im Nebenkreislauf N geöffnet ist. Zudem ist auch die Strömungspumpe 29 aktiviert, wodurch das Kältemittel in der Teilleitung 25 verdichtet wird und zu dem Zusatz-Wärmetauscher 31 geführt wird. Der Zusatz-Wärmetauscher 31 ist in der 5 in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge ist der Zusatz-Wärmetauscher 31 ein Rohrwendel-Wärmeübertrager, der in direktem Wärmekontakt mit Rauchgas oder Abgas ist. Alternativ kann der Zusatz-Wärmetauscher 31 auch mit einer Flamme eines mit Brennstoff betriebenen Brenners befeuert sein.In the 3 is shown a further circuit variant in which the air conditioner operates in heating mode. The flow path of the refrigerant is again highlighted by thick lines. As a result, this is between the two connection points 21 . 23 the high pressure line 3 arranged control valve 39 locked while the control valve 35 in the secondary circuit N is open. In addition, the flow pump is also 29 activated, causing the refrigerant in the sub-line 25 is compressed and to the additional heat exchanger 31 to be led. The additional heat exchanger 31 is in the 5 shown in isolation. Consequently, the auxiliary heat exchanger 31 a coiled tubing heat exchanger in direct thermal contact with flue gas or flue gas. Alternatively, the additional heat exchanger 31 be fired with a flame of a fuel-powered burner.

Entsprechend wird das von der Pumpe 29 im Nebenkreislauf N verdichtete Kältemittel im Zusatz-Wärmetauscher 31 weiter erhitzt und über das Rückschlagventil 33 sowie die Verzweigungsstelle 21 in einer Gegenstromrichtung durch den Hauptkreislauf-Verdichter 1 geführt. Der Hauptkreislauf-Verdichter 1 arbeitet im Heizbetrieb als eine Expansionsmaschine, die vom Kältemittel unter Expansion durchströmt wird. Die dabei erzeugte Wellenarbeit im Verdichter 1 wird in der zugehörigen Elektromaschine 19 in elektrische Energie umgewandelt, die in das Bordnetz gespeist werden kann. Das so expandierte Kältemittel wird weiter zum Klimageräte-Wärmetauscher 13 geführt. Dieser arbeitet nunmehr als ein Kältemittel-Kondensator, in dem das Kältemittel unter Abgabe von Wärme kondensieren kann, mit der der Luftstrom L beheizt wird. Im weiteren Strömungsverlauf folgt das Expansionsventil 9, das im Heizbetrieb funktionslos geschaltet ist, das heißt in eine Offenstellung ohne Drosselfunktion geschaltet ist. Der stromab des Expansionsventils 9 folgende Kondensator 5 stellt im Heizbetrieb neben dem Klimageräte-Kondensator eine weitere Unterkühl-Strecke bereit, in der das Kältemittel Wärme abgeben kann. Anschließend wird das Kältemittel über die Verzweigungsstelle 23 wieder in die Pumpe 29 rückgeführt. Die Prozessführung des in der 3 gezeigten Heizbetriebes ist in der 4 in einem ph-Diagramm veranschaulicht.The same applies to the pump 29 in the secondary circuit N compressed refrigerant in the additional heat exchanger 31 Continue to heat and over the check valve 33 as well as the branching point 21 in a countercurrent direction through the main circuit compressor 1 guided. The main circuit compressor 1 works in heating mode as an expansion machine, which is flowed through by the refrigerant expansion. The generated wave work in the compressor 1 is in the associated electric machine 19 converted into electrical energy that can be fed into the electrical system. The so expanded refrigerant continues to air conditioner heat exchanger 13 guided. This now works as a refrigerant condenser, in which the refrigerant can condense with release of heat, with which the air flow L is heated. In the further course of the flow follows the expansion valve 9 , which is switched inoperative in heating mode, that is, is switched to an open position without throttle function. The downstream of the expansion valve 9 following capacitor 5 provides in heating mode in addition to the air conditioner condenser another subcooling distance in which the refrigerant can give off heat. Subsequently, the refrigerant is sent via the branching point 23 back to the pump 29 recycled. The litigation of the in the 3 shown heating is in the 4 illustrated in a ph diagram.

In der 6 ist grob schematisch eine Bewegungsabfolge der Funktionsweise des als Scroll-Kompressors ausgeführten Verdichters 1 dargestellt. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Scroll-Kompressors ist allgemein bekannt, so dass lediglich die grundsätzliche Funktionsweise in der 6 veranschaulicht ist. Demzufolge weist der Scroll-Kompressor ein Paar von Windungen 43, 45 auf, die ineinander eingepasst sind, um eine Vielzahl von Kompressionskammern zu definieren. Die Windung 45 wird im Kompressor-Betrieb auf einer Umlaufbahn relativ zur Windung 43 angetrieben, wodurch sich die Kompressionskammern im Volumen reduzieren und so das eingeschlossene Kältemittel komprimieren. Wird die Windung 45 demgegenüber in einer Gegenrichtung gedreht, erfolgt keine Kompression des Kältemittels, sondern vielmehr eine Expansion des Kältemittels, wie sie zum Heizbetrieb der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.In the 6 is roughly schematically a sequence of movements of the operation of the running as a scroll compressor compressor 1 shown. The structure and operation of a scroll compressor is well known, so that only the basic operation in the 6 is illustrated. As a result, the scroll compressor has a pair of turns 43 . 45 which are fitted into each other to define a plurality of compression chambers. The turn 45 is in compressor operation in an orbit relative to the winding 43 driven, whereby the compression chambers reduce in volume, thus compressing the trapped refrigerant. Will the turn 45 In contrast, rotated in a reverse direction, there is no compression of the refrigerant, but rather an expansion of the refrigerant, as required for the heating operation of the present invention.

Bei einer Drehung der Windung 45 im Uhrzeigersinn (Bewegungsfolge von 1 bis 8) ergibt sich die Kompressor-Funktionsweise, während im Gegen-Uhrzeigersinn (Bewegungsfolge 1, 8 bis 2) sich die Expansions-Funktionsweise ergibt. Die Umschaltung zwischen beiden Funktionsweisen erfolgt somit durch Drehrichtungsänderung.With a turn of the winding 45 Clockwise (sequence of movements from 1 to 8) results in the compressor operation, while counterclockwise (sequence of movements 1, 8 to 2) results in the expansion mode of operation. The switchover between the two modes of operation thus takes place by changing the direction of rotation.

In der 7 ist ein Blockschaltdiagramm gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, das vom grundsätzlichen Aufbau her identisch mit dem Blockschaltdiagramm der 1 oder der 2 ist. Im Unterschied zu den 1 und 2 ist der mit fossilem Brennstoff befeuerte Brenner 47 nicht unmittelbar mit Kältemittel durchströmt, sondern ist der Brenner 47 unter Zwischenschaltung eines Heizkreislaufes 49 mit dem Zusatz-Wärmetauscher 31 thermisch gekoppelt. Zur Aktivierung des Heizkreislaufes 49 ist eine Umwälzpumpe 51 vorgesehen, die beispielsweise Kühlwasser durch den Brenner 47 sowie durch den Zusatz-Wärmetauscher 31 fördert.In the 7 a block diagram is shown according to the second embodiment, which is identical in basic construction with the block diagram of 1 or the 2 is. Unlike the 1 and 2 is the fossil fuel-fired burner 47 does not flow directly with refrigerant, but is the burner 47 with the interposition of a heating circuit 49 with the additional heat exchanger 31 thermally coupled. To activate the heating circuit 49 is a circulation pump 51 provided, for example, cooling water through the burner 47 as well as through the additional heat exchanger 31 promotes.

Der Verdichter 1 wird mittels einer Elektromaschine 19 angetrieben, wodurch eine Variation des Fördervolumenstromes mittels Drehzahlvariation ermöglicht ist. Am Austritt des im Heizbetrieb als Expansionsmaschine arbeitenden Verdichters 1 sind die bereits erwähnten Rückschlagventile (nicht in 7 dargestellt) installiert, die ein Rückströmen des Kältemittels verhindern. Ein herkömmlicher Scroll-Kompressor besitzt auf der Hochdruckseite ein Ventil. Dieses ist in der Regel ein sogenanntes Flatterventil. Bei einer Drehrichtungsumkehr, also auch einer Strömungsrichtungsumkehr, sperrt dieses Ventil den Durchsatz und der Scroll-Kompressor saugt gegen das geschlossene Ventil und ein Unterdruck entsteht. Aufgrund des fehlenden Kältemitteldurchsatzes sind die Schmierung und die Kühlung nicht sichergestellt und der Scroll-Kompressor kann Schaden nehmen. Erfindungsgemäß arbeitet der Scroll-Kompressor mitsamt Flatterventil jedoch als eine Expansionsmaschine. Die Expansionsmaschine verfügt gemäß den Figuren über zwei Ventile 32, 33, die je nach Drehrichtung jeweils nur einen Strömungspfad freigeben. Diese Maschine kann somit unabhängig von der Drehrichtung des Scroll-Kompressors Kältemittel ansaugen und komprimieren beziehungsweise als Expansionsorgan das Kältemittel expandieren. Entsprechend verfügt der Verdichter 1 über drei Kältemittelanschlüsse: einen niederdruckseitigen sowie zwei hochdruckseitige Anschlüsse. Die Steuerung der Ventile sowie die Steuerung der Drehrichtung erfolgt hierbei elektronisch. Bei dieser Bauart ist sichergestellt, dass bei jeder Drehrichtung ein Kältemitteldurchsatz durch den Scrollkompressor gegeben ist. Die Schmierung als auch die Kühlung sind somit unabhängig von der Drehrichtung sichergestellt.The compressor 1 is by means of an electric machine 19 driven, whereby a variation of the delivery volume flow is made possible by means of speed variation. At the outlet of the working in the heating operation as an expansion compressor 1 are the already mentioned check valves (not in 7 shown), which prevent a return flow of the refrigerant. A conventional scroll compressor has a valve on the high pressure side. This is usually a so-called flutter valve. When reversing the direction of rotation, ie also reversing the direction of flow, this valve blocks the flow rate and the scroll compressor sucks against the closed valve and creates a negative pressure. Due to the lack of refrigerant flow, lubrication and cooling are not guaranteed and the scroll compressor can be damaged. However, according to the invention, the scroll compressor together with the flutter valve works as an expansion machine. The expansion machine according to the figures has two valves 32 . 33 , which release only one flow path depending on the direction of rotation. This machine can thus independently of the direction of rotation of the scroll compressor suck refrigerant and compress or expand as an expansion element, the refrigerant. Accordingly, the compressor has 1 three refrigerant connections: one low-pressure side and two high-pressure side connections. The control of the valves and the control of the direction of rotation is done electronically. With this type of construction, it is ensured that a refrigerant flow through the scroll compressor is provided for each direction of rotation. Lubrication and cooling are thus ensured regardless of the direction of rotation.

In der 7 ist der Nebenkreislauf N mitsamt seiner Komponenten, das heißt der Pumpe 29, dem Zusatz-Wärmetauscher 31 sowie den Komponenten des Heizkreislaufes 49 zusammengefasst in ein Anbaumodul 53, das in der 7 lediglich gestrichelt dargestellt ist. Das Anbaumodul 53 ist über die beiden Teilleitungen 25, 27 mit den Verzweigungsstellen 21, 23 des Hauptkreislaufes H in Verbindung, und zwar bevorzugt über eine nicht dargestellte Schnellkupplung. Auf diese Weise kann das Anbaumodul 53 im Sommerbetrieb ohne weiteres von der Klimaanlage demontiert werden und lediglich bedarfsweise in das Kraftfahrzeug eingebaut werden.In the 7 is the secondary circuit N together with its components, that is the pump 29 , the additional heat exchanger 31 as well as the components of the heating circuit 49 summarized in a cultivation module 53 that in the 7 only shown by dashed lines. The add-on module 53 is over the two sub-lines 25 . 27 with the branching points 21 . 23 the main circuit H in combination, and preferably via a quick coupling, not shown. In this way, the attachment module 53 be dismantled in the summer mode readily from the air conditioning and only be installed as needed in the vehicle.

Claims (11)

Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät (15), das einen in einen Kältemittel-Kreislauf (N, H) geschalteten Wärmetauscher (13) aufweist, der in einem Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung eines in den Fahrzeuginnenraum (37) geführten Luftstroms (L) das Kältemittel verdampft und welcher Wärmetauscher (13) in einem Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeitet, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms (L) kondensiert, wobei der Kältemittel-Kreislauf einen Hauptkreislauf (H) und einen Nebenkreislauf (N) aufweist, in dem ein Zusatz-Wärmetauscher (31) angeordnet ist, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet und der direkt/indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenkreislauf (N) eine Verdichtereinheit (29), insbesondere eine Strömungspumpe, angeordnet ist, die im Heizbetrieb anstelle des Verdichters (1) im Hauptkreislauf (H) das Kältemittel verdichtet, und dass der im Hauptkreislauf (H) angeordnete Verdichter (1) im Heizbetrieb durchströmt ist und als Expansionsmaschine arbeitet, in der das Kältemittel unter Expansion zum Klimageräte-Wärmetauscher (13) führbar ist, der als Kältemittel-Kondensator arbeitet.Vehicle, in particular electric vehicle, with an air conditioner ( 15 ), which is a in a refrigerant circuit (N, H) connected heat exchanger ( 13 ), which operates in a cooling operation as a refrigerant evaporator, in which, while cooling one in the vehicle interior ( 37 ), the refrigerant evaporates and which heat exchanger ( 13 ) operates in a heating operation as a refrigerant condenser in which the refrigerant condenses under heating of the air flow (L), the refrigerant circuit having a main circuit (H) and a secondary circuit (N), in which an auxiliary heat exchanger ( 31 ) is arranged, which operates in the heating mode as a refrigerant evaporator and which is directly / indirectly heated by means of fossil fuel, characterized in that in the secondary circuit (N) a compressor unit ( 29 ), in particular a flow pump is arranged, which in the heating mode instead of the compressor ( 1 ) in the main circuit (H) the refrigerant is compressed, and that in the main circuit (H) arranged compressor ( 1 ) is flowed through in heating operation and works as an expansion machine, in which the refrigerant under expansion to Air Conditioner Heat Exchanger ( 13 ), which works as a refrigerant condenser. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz-Wärmetauscher (31) von Abgas und/oder Rauchgas durchströmt ist.Vehicle according to claim 1, characterized in that the additional heat exchanger ( 31 ) is traversed by exhaust gas and / or flue gas. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz-Wärmetauscher (31) ein mit Brennstoff betriebener Brenner (47) ist, der von Kältemittel durchströmt ist.Vehicle according to claim 1, characterized in that the additional heat exchanger ( 31 ) a fuel-powered burner ( 47 ), which is traversed by refrigerant. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (47) und/oder die Abgas-/Rauchgasströmung über einen Zwischenkreislauf (49) mit dem Zusatz-Wärmetauscher (31) thermisch gekoppelt ist.Vehicle according to one of claims 1 to 3, characterized in that the burner ( 47 ) and / or the exhaust gas / flue gas flow via an intermediate circuit ( 49 ) with the additional heat exchanger ( 31 ) is thermally coupled. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkreislauf (N) im Kühlbetrieb stillgelegt ist.Vehicle according to one of claims 1 to 4, characterized in that the secondary circuit (N) is shut down in the cooling mode. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkreislauf (H) an der Hochdruckseite des Verdichters (1) Verzweigungsstellen (21, 23) aufweist, über die der Nebenkreislauf (N) dem Hauptkreislauf (H) zuschaltbar ist.Vehicle according to claim 5, characterized in that the main circuit (H) on the high pressure side of the compressor ( 1 ) Branching points ( 21 . 23 ), via which the secondary circuit (N) the main circuit (H) is connectable. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptkreislauf (H) ein Kältemittel-Verdichter (1) angeordnet ist, der im Kühlbetrieb das Kältemittel unter Verdichtung zu einem Kondensator (5) führt, in dem das Kältemittel unter Wärmeabgabe kondensiert, und das kondensierte Kältemittel unter Expansion durch ein Expansionsorgan (9) zu dem Klimageräte-Wärmetauscher (13) führbar ist, in dem es unter Kühlung des Luftstroms (1) verdampft und zum Verdichter (1) rückführbar ist.Vehicle according to one of claims 5 or 6, characterized in that in the main circuit (H) a refrigerant compressor ( 1 ) is arranged, which in the cooling operation, the refrigerant under compression to a capacitor ( 5 ), in which the refrigerant condenses with heat release, and the condensed refrigerant under expansion by an expansion element ( 9 ) to the air conditioner heat exchanger ( 13 ) is feasible, in which it is cooled by the air flow ( 1 ) and to the compressor ( 1 ) is traceable. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit (19) des Verdichters (1) eine Elektromaschine ist, mit der die im Heizbetrieb erzeugte Wellenarbeit des Verdichters (1) als elektrische Energie in das Fahrzeug-Bordnetz einspeisbar ist.Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the electric drive unit ( 19 ) of the compressor ( 1 ) is an electric machine with which the shaft work of the compressor generated in the heating operation ( 1 ) is fed as electrical energy into the vehicle electrical system. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Verdichter (1) ein Scrollkompressor ist.Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant compressor ( 1 ) is a scroll compressor. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz-Wärmetauscher (31) und/oder der Nebenkreislauf (N) als separates Anbaumodul (53) demontierbar vorgesehen sind.Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the additional heat exchanger ( 31 ) and / or the secondary circuit (N) as a separate add-on module ( 53 ) are provided removable. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbaumodul (53) einen Brennstofftank, die Verdichtereinheit (29), den Brenner (47) sowie den Zusatz-Wärmetauscher (31) aufweist, und dass insbesondere das Anbaumodul (53), über zum Beispiel eine Schnellkupplung, an den Hauptkreislauf (H) anschließbar ist.Vehicle according to claim 10, characterized in that the add-on module ( 53 ) a fuel tank, the compressor unit ( 29 ), the burner ( 47 ) and the additional heat exchanger ( 31 ), and that in particular the add-on module ( 53 ), via, for example, a quick coupling, to the main circuit (H) can be connected.
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