DE102014117950B4

DE102014117950B4 - Refrigerant circuit, in particular for a motor vehicle

Info

Publication number: DE102014117950B4
Application number: DE102014117950.1A
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO AUTOMOTIVE Deutschland Marasigan Ariel; c/o DENSO AUTOMOTIVE Deutschland Ikegami Makoto
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2034-12-06
Also published as: DE102014117950A1

Abstract

Kältemittelkreislauf (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen Kältemittel-Primärkreislauf mit – einem Kompressor (12), – einem ersten Expansionsorgan (16), – einem durch einen ersten Wärmetauscher (14) geleiteten Hochdruck-Abschnitt, welcher stromabwärts von dem Kompressor (12) und stromaufwärts von dem ersten Expansionsorgan (16) gebildet wird, und – einem durch einen zweiten Wärmetauscher (18) geleiteten Niederdruck-Abschnitt, welcher stromabwärts von dem ersten Expansionsorgan (16) und stromaufwärts von dem Kompressor (12) gebildet wird, – Anschlüsse (25) für einen fluidbasierten, vorzugsweise wasserbasierten, Kühlmittel-Sekundärkeislauf mit – einem ersten Leitungsabschnitt (26), welcher über den ersten Wärmetauscher (14) mit dem Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend in Kontakt steht, und – einen zweiten Leitungsabschnitt (27), welcher über den zweiten Wärmetauscher (18) mit dem Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend in Kontakt steht, – einen im Kältemittel-Primärkreislauf angeordneten dritten Wärmetauscher (20), durch welchen der Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend mit einem dritten Leitungsabschnitt (28) im Kühlmittel-Sekundärkreislauf in Kontakt steht, und – Schaltmittel (21a, 21b, 22), mittels welcher der Strömungsweg des Kältemittel-Primärkreislaufs durch den dritten Wärmetauscher (20) derart umschaltbar ist, dass entweder der Hochdruck-Abschnitt oder der Niederdruck-Abschnitt durch den dritten Wärmetauscher (20) durchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Leitungsabschnitt (28) im Kühlmittel-Sekundärkreislauf – mit dem ersten Leitungsabschnitt (26) verbindbar ist, wenn der dritte Wärmetauscher (20) im Kältemittel-Primärkreislauf im Hochdruck-Abschnitt geschaltet ist, und – mit dem zweiten Leitungsabschnitt (27) verbindbar ist, wenn der dritte Wärmetauscher (20) im Kältemittel-Primärkreislauf im Niederdruck-Abschnitt geschaltet ist.Refrigerant circuit (10), in particular for a motor vehicle, comprising - a refrigerant primary circuit with - a compressor (12), - a first expansion element (16), - a high-pressure section led by a first heat exchanger (14), which downstream of the Compressor (12) and upstream of the first expansion member (16) is formed, and - a low pressure section, which is formed by a second heat exchanger (18) downstream of the first expansion member (16) and upstream of the compressor (12) , - connections (25) for a fluid-based, preferably water-based, coolant secondary run with - a first line section (26) which is in heat exchanging contact with the refrigerant primary circuit via the first heat exchanger (14), and - a second line section (27 ), which heat exchange with the refrigerant primary circuit via the second heat exchanger (18) d is in contact, - a third heat exchanger (20) arranged in the refrigerant primary circuit, through which the refrigerant primary circuit is in heat exchange with a third line section (28) in the coolant secondary circuit, and - switching means (21a, 21b, 22) by which the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger (20) is switchable such that either the high-pressure section or the low-pressure section through the third heat exchanger (20) is durchleitbar, characterized in that the third line section (28 ) in the coolant secondary circuit - with the first line section (26) is connectable when the third heat exchanger (20) is connected in the refrigerant primary circuit in the high-pressure section, and - with the second line section (27) is connectable, when the third heat exchanger (20) is connected in the refrigerant primary circuit in the low-pressure section.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kältemittelkreislaufs. Der im folgenden offenbarte Kältemittelkreislauf umfasst dabei einen Kältemittel-Primärkreislauf sowie Anschlüsse für einen fluidbasierten, vorzugsweise wasserbasierten, Kühlmittel-Sekundärkeislauf und eignet sich somit für den Einsatz in Klimaanlagen mit einem solchen Kühlmittel-Sekundärkreislauf. The present invention relates to a refrigerant circuit, in particular for a motor vehicle, and to a method for operating such a refrigerant circuit. The refrigerant circuit disclosed below comprises a refrigerant primary circuit and connections for a fluid-based, preferably water-based, secondary coolant coolant circuit and is thus suitable for use in air conditioning systems with such a coolant secondary circuit.

Kältemittelkreisläufe unterwerfen zirkulierendes Kältemittel Phasenübergängen zwischen einer flüssigen Phase, einer Dampfphase und im Übergang dazu ggf. einer sogenannten Nassdampfphase. Der Phasenübergang tritt dabei insbesondere in Wärmetauschern auf, in welchen das Kältemittel mit einem wärmetauschendem Medium in Kontakt tritt, welches dabei entweder Wärme von dem komprimierten, heißen Kältemittel aufnimmt und dieses dabei abkühlt (z.B. in einem Kondensator) oder Wärme an das entspannte, abgekühlte Kältemittel abgibt und dieses dabei erwärmt (z.B. in einem Verdampfer oder Chiller). Auf diese Weise entstehen im Kältemittelkreis eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, die für verschiedene Betriebsarten der Klimaanlage, insbesondere einen Kühlmodus, einen Heizmodus und/oder einen Entfeuchtungsmodus, verwendet werden können. Der Kühlmodus wird dabei oft auch als AC-Betrieb (AC = „Air Conditioning“) und der Heizmodus als Wärmepumpenbetrieb bezeichnet. Refrigerant circuits subject circulating refrigerant phase transitions between a liquid phase, a vapor phase and in the transition to this possibly a so-called wet steam phase. The phase transition occurs in particular in heat exchangers, in which the refrigerant comes into contact with a heat exchanging medium which either absorbs heat from the compressed, hot refrigerant and cools it (eg in a condenser) or heat to the expanded, cooled refrigerant gives off and this warmed up (eg in an evaporator or chiller). In this way, in the refrigerant circuit, a heat source and a heat sink, which can be used for different operating modes of the air conditioner, in particular a cooling mode, a heating mode and / or a dehumidifying mode. The cooling mode is often referred to as AC operation (AC = "Air Conditioning") and the heating mode as heat pump operation.

Das wärmetauschende Medium ist beispielsweise Luft, die durch die Wärmetauscher hindurchströmt. Bei Klimaanlagen mit einem Kühlmittel-Sekundärkeislauf (auch als indirekter Kühlkreislauf bezeichnet) erfolgt dahingegen der Wärmeaustausch in den Wärmetauschern des Kältemittelkreises nicht durch hindurchströmende Luft, sondern sowohl an der Wärmequelle als auch an der Wärmesenke durch Wasser bzw. einer wasserbasierten Lösung, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch. Zu den Vorzügen solcher Klimaanlagen mit indirektem Kühlkreislauf zählt unter anderem, dass einerseits der zu klimatisierende Bereich gar nicht mehr direkt mit dem von dem Kältemittel durchströmten Wärmetauscher in Kontakt steht. Der Kältemittelkreislauf kann damit als abgetrennte Einheit ausgebildet werden. Andererseits kann über diesen wasserbasierten Sekundärkeislauf leicht Abwärme über das thermische Managementsystem des Kraftfahrzeugs als zusätzliche Wärmequelle eingespeist werden, wodurch sich die Effizienz erhöht. Dies ist vorteilhaft für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, insbesondere für Elektrofahrzeuge, wodurch die Abwärme elektrischer Komponenten, z.B. von Batterien, Konvertern oder Invertern, eingesammelt werden kann. The heat exchanging medium is, for example, air flowing through the heat exchangers. In contrast, in air conditioning systems with secondary coolant circulation (also referred to as indirect cooling circuit), the heat exchange in the heat exchangers of the refrigerant circuit is not effected by air flowing through it, but by water or a water-based solution, for example water, at the heat source and at the heat sink. glycol mixture. One of the advantages of such air conditioning systems with an indirect cooling circuit is that, on the one hand, the area to be air-conditioned is no longer in direct contact with the heat exchanger through which the refrigerant flows. The refrigerant circuit can thus be formed as a separate unit. On the other hand, waste heat can be easily fed via the thermal management system of the motor vehicle as an additional heat source via this secondary water-based ski run, which increases the efficiency. This is advantageous for an automotive air conditioning system, especially for electric vehicles, whereby the waste heat of electrical components, e.g. from batteries, converters or inverters.

Gattungsgemäße Kältemittelkreisläufe umfassen dazu einen Kältemittel-Primärkreislauf mit einem Kompressor und einem ersten Expansionsorgan sowie einem ersten und einem zweiten Wärmetauscher. Der stromabwärts von dem Kompressor und stromaufwärts von dem ersten Expansionsorgan gebildete Abschnitt wird durch den ersten Wärmetauscher geleitetet und wird auch als Hochdruck-Abschnitt bezeichnet. Der stromabwärts von dem ersten Expansionsorgan und stromaufwärts von dem Kompressor gebildete Abschnitt wird durch den zweiten Wärmetauscher geleitetet und wird auch als Niederdruck-Abschnitt bezeichnet. Gattungsgemäße Kältemittelkreisläufe umfassen dazu ferner Anschlüsse für einen fluidbasierten, vorzugsweise wasserbasierten, Kühlmittel-Sekundärkeislauf. Dieser weist einen ersten Leitungsabschnitt auf, welcher über den ersten Wärmetauscher mit dem Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend in Kontakt steht, und einen zweiten Leitungsabschnitt, welcher über den zweiten Wärmetauscher mit dem Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend in Kontakt steht. Ein solcher Kältemittelkreislauf ist beispielsweise aus der WO 2012/112 634 A1 bekannt. Generic refrigerant circuits comprise for this purpose a refrigerant primary circuit with a compressor and a first expansion element and a first and a second heat exchanger. The portion formed downstream of the compressor and upstream of the first expansion member is passed through the first heat exchanger and is also referred to as a high pressure portion. The portion formed downstream of the first expansion member and upstream of the compressor is passed through the second heat exchanger and is also referred to as a low pressure portion. Generic refrigerant circuits further include connections for a fluid-based, preferably water-based, coolant secondary runner. This has a first line section, which is in heat exchanging contact with the refrigerant primary circuit via the first heat exchanger, and a second line section, which is in heat exchanging contact with the refrigerant primary circuit via the second heat exchanger. Such a refrigerant circuit is for example from the WO 2012/112 634 A1 known.

Das Bestimmen der optimalen Füllmenge des Kältemittelkreises ist jedoch kompliziert. Um maximale Leistung im Wärmepumpenbetrieb zu erhalten, wird eine höhere Füllmenge als bei niedrigerer Leistung benötigt. Um dies zu kompensieren, sind Akkumulatoren bekannt, in welchen für bestimmte Betriebsarten oder Betriebspunkte nicht benötigtes Kältemittel zwischengespeichert werden kann. Die Verwendung von Akkumulatoren benötigt zusätzlichen Bauraum und ist mit apparativem Aufwand verbunden. However, determining the optimum filling amount of the refrigerant circuit is complicated. In order to obtain maximum performance in heat pump operation, a higher capacity is required than at lower power. In order to compensate for this, accumulators are known in which refrigerant which is not required for specific operating modes or operating points can be temporarily stored. The use of accumulators requires additional space and is associated with equipment expense.

Ferner gibt es für verschiedene Kältemittel Mengenbegrenzungen je Volumeneinheit des Kältemittelkreislaufs. Beispielsweise sind nach der ISO 13043 für das Kältemittel R744 (CO2) im Kraftfahrzeugeinsatz maximal 250 g/l zugelassen. Für stationäre Systeme gibt es eine Füllmengenbegrenzung für brennbare Kältemittel, z.B. R290 (Propan), die gemäß der Richtlinie EN 378-1 auf 150 g festgesetzt ist. Der Einsatz dieser Kältemittel als Alternative zu den hier gängigen Kältemitteln R134a oder R1234yf ist für den Automobilbau interessant. In der JP H11-286 211A wird eine Kraftfahrzeugklimaanlage beschrieben, welche einen Kühlmittel-Sekundärkreislauf und einen Kältemittel-Primärkreislauf umfasst, welcher sich insbesondere für den Betrieb mit Propan oder Butan eignet. Im Wärmepumpenbetrieb kann ein zusätzlicher Hilfswärmetauscher im Hochdruck-Abschnitt betrieben werden, um bei niedrigen Außentemperaturen die Heizleistung zu verbessern. Furthermore, there are quantity limits per volume unit of the refrigerant circuit for different refrigerants. For example, according to ISO 13043, a maximum of 250 g / l is permitted for the refrigerant R744 (CO2) in motor vehicle applications. For stationary systems, there is a limit for flammable refrigerant, eg R290 (propane), which is set at 150 g according to guideline EN 378-1. The use of these refrigerants as an alternative to the commonly used refrigerants R134a or R1234yf is interesting for the automotive industry. In the JP H11-286 211A An automotive air conditioning system is described, which comprises a coolant secondary circuit and a refrigerant primary circuit, which is particularly suitable for operation with propane or butane. In heat pump mode, an additional auxiliary heat exchanger can be operated in the high pressure section to improve heating performance at low outdoor temperatures.

Die Mengenbegrenzung von Kältemitteln für die Verwendung in Kraftfahrzeugen ist somit bei dem Systemdesign von Kältemittelkreisläufen zu berücksichtigen. Zudem stellen Füllmengenreduzierungen eine Kostenersparnis dar – unabhängig davon, ob eine Mengenbegrenzung vorliegt. The quantity limitation of refrigerants for use in motor vehicles is thus in the system design of refrigerant circuits consider. In addition, reducing the filling quantity represents a cost saving - regardless of whether a quantity limit exists.

Das Einsperren von überschüssigem Kältemittel, beispielsweise in je nach Betriebsart nicht benötigten Teilabschnitten oder Komponenten des Kältemittelkreislaufs, wie dies in der DE 10 2011 118 162 A1 beschrieben ist, ist ggf. deswegen problematisch, weil dabei sichergestellt werden muss, dass, wenn eine Mengenbegrenzung vorliegt, in jedem stillgelegten Abschnitt die zulässige Teilfüllmenge nicht überschritten wird. Im Umkehrschluss kann das Einsperren von überschüssigem Kältemittel unabhängig von einer ggf. vorliegenden Mengenbegrenzung zu einer abschnittsweise zu geringen Füllmenge führen. Dies kann Leistungseinbußen des Systems nach sich ziehen. The locking of excess refrigerant, for example, in sections not required depending on the operating mode or components of the refrigerant circuit, as shown in the DE 10 2011 118 162 A1 may be problematic because it must be ensured that, if there is a quantity limitation, the allowable partial fill quantity is not exceeded in each shut down section. Conversely, the confinement of excess refrigerant can lead to a partially too small amount of filling, regardless of a possibly present quantitative limitation. This can cause performance degradation of the system.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kältemittelkreislauf anzugeben, welcher einen energieeffizienten Betrieb unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und in verschiedenen Betriebsmodi erlaubt und vorzugsweise auch für Kältemittel mit Mengenbeschränkung unkompliziert betreibbar ist. It is the object of the present invention to provide a refrigerant circuit, which allows energy-efficient operation under different environmental conditions and in different operating modes and is preferably also uncomplicatedly operable for refrigerants with quantitative restrictions.

Diese Aufgabe wird durch einen Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines solchen Kältemittelkreislaufs nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by a refrigerant circuit according to claim 1 and by a method for controlling such a refrigerant circuit according to claim 9. Advantageous training and further developments emerge from the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf ist gekennzeichnet durch einen im Kältemittel-Primärkreislauf angeordneten dritten Wärmetauscher, durch welchen der Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend mit einem dritten Leitungsabschnitt im Kühlmittel-Sekundärkreislauf in Kontakt steht. Ferner sind Schaltmittel vorgesehen, mittels welcher der Strömungsweg des Kältemittel-Primärkreislaufs durch den dritten Wärmetauscher derart umschaltbar ist, dass entweder der Hochdruck-Abschnitt oder der Niederdruck-Abschnitt durch den dritten Wärmetauscher durchleitbar ist. Mit anderen Worten lässt sich der dritte Wärmetauscher wahlweise zur Unterstützung des ersten Wärmetauschers als Wärmequelle für den Kühlmittel-Sekundärkreislauf oder zur Unterstützung des zweiten Wärmetauschers als Wärmesenke/Kühlquelle für den Kühlmittel-Sekundärkreislauf einbinden. The refrigerant circuit according to the invention is characterized by a arranged in the refrigerant primary circuit third heat exchanger, through which the refrigerant primary circuit is heat exchanging with a third line section in the coolant secondary circuit in contact. Furthermore, switching means are provided, by means of which the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger can be switched such that either the high-pressure section or the low-pressure section through the third heat exchanger is durchleitbar. In other words, the third heat exchanger can optionally be used to support the first heat exchanger as a heat source for the coolant secondary circuit or to support the second heat exchanger as a heat sink / cooling source for the coolant secondary circuit.

Die Füllmenge im Kältemittelkreislauf wird an einem Betriebspunkt nach vorgegebenen Kriterien ausgelegt. Ein solches Kriterium ist die maximale Heizleistung bei kalten Umgebungstemperaturen, z.B. für einen Betriebspunkt zwischen –5 °C bis –20 °C. Bei relativ hohen Umgebungstemperaturen, z.B. in einem Bereich von –5 °C bis 15 °C ist die Wärmepumpe einerseits durch die hohe Umgebungstemperatur bereits vergleichsweise effektiver, andererseits wird dann auch gar nicht die maximale Heizleistung erforderlich sein. In diesem Fall kann der Kältemittelkreislauf im Wärmepumpenbetrieb in einem Effizienzmodus betrieben werden, d.h. dass der Kompressor nicht die volle Leistung abgeben muss und damit der Betriebspunkt des bestmöglichen Wirkungsgrads eingestellt werden kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, einen niedrigeren Kondensationsdruck zu haben und damit die Wärmetauschkapazität im Hochdruckabschnitt zu erhöhen, weil dann der Kompressor schon mit einem relativ niedrigen Leistungsniveau ausreichend Wärme über die Wärmetauscher in dem Hochdruckabschnitt in den Kühlmittel-Sekundärkreislauf übertragen kann. In diesem Fall ist ein in den Hochdruckabschnitt geschalteter dritter Wärmetauscher vorteilhaft. The capacity in the refrigerant circuit is designed at an operating point according to predetermined criteria. One such criterion is the maximum heating power at cold ambient temperatures, e.g. for an operating point between -5 ° C to -20 ° C. At relatively high ambient temperatures, e.g. in a range of -5 ° C to 15 ° C, the heat pump on the one hand by the high ambient temperature already comparatively effective, on the other hand, then the maximum heating power will not be required. In this case, the refrigerant cycle may be operated in heat pump mode in an efficiency mode, i. that the compressor does not have to give full power and thus the operating point of the best possible efficiency can be adjusted. In this case, it is advantageous to have a lower condensation pressure and thus to increase the heat exchange capacity in the high pressure section, because then the compressor can transmit sufficient heat through the heat exchangers in the high pressure section into the coolant secondary circuit already at a relatively low power level. In this case, a third heat exchanger connected in the high-pressure section is advantageous.

Eine maximale Heizleistung wird durch höhere Kondensationsdrücke (im Hochdruckabschnitt) bzw. eine maximale Kühlleistung durch einen höheren Unterkühlungsgrad („Sub-Cool“) erreicht. Für höhere Kondensationsdrücke (im Hochdruckabschnitt) wäre ein weiterer Wärmetauscher zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher damit nicht dienlich. Für einen höheren Sub-Cool im AC-Betrieb wird andererseits eine höhere Verdampferleistung im Niederdruckabschnitt benötigt. In diesen Fällen ist ein in den Niederdruckabschnitt geschalteter dritter Wärmetauscher vorteilhaft. Zugleich wird die Wärmeübertragungsfläche im Niederdruckabschnitt durch nun zwei Wärmetauscher, nämlich den zweiten und den dritten Wärmetauscher, erhöht. Dadurch dass der dritte Wärmetauscher beim Abschalten vom Hochdruck-Abschnitt nicht ganz abgeschnitten wird, wird kein Kältemittel eingesperrt, sondern steht weiterhin dem Kältemittelkreis zur Verfügung. Dies ist vorteilhaft bei der Verwendung von Kältemitteln mit gesetzlich vorgeschriebener Mengenbegrenzung, weil das Problem mit ggf. in abgeschalteten Kältemittelkreisabschnitten eingeschlossenem Kältemittel nicht existiert. A maximum heat output is achieved by higher condensation pressures (in the high pressure section) or a maximum cooling capacity by a higher degree of supercooling ("sub-cool"). For higher condensation pressures (in the high pressure section), a further heat exchanger would not be useful in addition to the first heat exchanger. For a higher sub-cool in AC mode, on the other hand, a higher evaporator capacity in the low pressure section is needed. In these cases, a third heat exchanger connected in the low-pressure section is advantageous. At the same time, the heat transfer surface in the low pressure section is increased by now two heat exchangers, namely the second and the third heat exchanger. The fact that the third heat exchanger is not completely cut off when switching off from the high-pressure section, no refrigerant is locked, but is still available to the refrigerant circuit. This is advantageous in the use of refrigerants with statutory volume limitation, because the problem does not exist with possibly trapped in disconnected refrigerant circuit sections refrigerant.

Vorteilhafterweise ist der dritte Wärmetauscher im Kältemittel-Primärkreislauf zum ersten oder zweiten Wärmetauscher parallel schaltbar. Hierdurch ergibt sich ein homogenerer Wärmeübergang. Advantageously, the third heat exchanger in the refrigerant primary circuit to the first or second heat exchanger can be connected in parallel. This results in a more homogeneous heat transfer.

Der dritte Leitungsabschnitt im Kühlmittel-Sekundärkreislauf ist erfindungsgemäß außerdem mit dem ersten Leitungsabschnitt verbindbar, wenn der dritte Wärmetauscher im Kältemittel-Primärkreislauf im Hochdruck-Abschnitt geschaltet ist, und mit dem zweiten Leitungsabschnitt verbindbar, wenn der dritte Wärmetauscher im Kältemittel-Primärkreislauf im Niederdruck-Abschnitt geschaltet ist. Insbesondere ist vorgesehen, das Schalten einer solchen Verbindung automatisch gleichzeitig mit dem Umschalten des dritten Wärmetauschers im Kältemittel-Primärkreislauf zu veranlassen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass jeweils die Wärmequellen und jeweils die Wärmesenken im Kühlmittel-Sekundärkreislauf stets miteinander kommunizieren. Der dritte Leitungsabschnitt im Kühlmittel-Sekundärkreislauf ist dabei vorteilhafterweise zum ersten Leitungsabschnitt oder zum zweiten Leitungsabschnitt parallel schaltbar. Hierdurch erhöht sich die Wärmeübertragung. The third line section in the coolant secondary circuit according to the invention is also connectable to the first line section, when the third heat exchanger in the refrigerant primary circuit is connected in the high pressure section, and connectable to the second line section, when the third heat exchanger in the refrigerant primary circuit in the low pressure section is switched. In particular, it is provided to cause the switching of such a connection automatically simultaneously with the switching of the third heat exchanger in the refrigerant primary circuit. That way is ensures that the heat sources and the heat sinks in the coolant secondary circuit always communicate with each other. The third line section in the coolant secondary circuit is advantageously parallel to the first line section or the second line section switchable. This increases the heat transfer.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Kältemittel-Primärkreislauf stromabwärts vom ersten Wärmetauscher das erste Expansionsorgan und ein zweites Expansionsorgan parallel durchströmbar sind, wobei der zweite Wärmetauscher stromabwärts des ersten Expansionsorgans und der dritte Wärmetauscher stromabwärts des zweiten Expansionsorgans schaltbar sind. Dies ermöglicht eine bessere Anpassung an unterschiedliche Temperaturniveaus der Kühlmittel-Sekundärkreisläufe, wenn sowohl der zweite Wärmetauscher als auch der dritte Wärmetauscher als Chiller funktionieren und mit unterschiedlichen Teilabschnitten des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs in wärmeleitendem Kontakt stehen. Unterschiedliche Temperaturniveaus der mit den unterschiedlichen Teilabschnitten des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs in Verbindung stehenden zweiten und dritten Wärmetauscher entstehen beispielsweise dann, wenn Abwärme von elektrischen oder elektronischen Komponenten genutzt werden. According to one embodiment of the invention, it is provided that in the refrigerant primary circuit downstream of the first heat exchanger, the first expansion element and a second expansion element are flowed through in parallel, wherein the second heat exchanger downstream of the first expansion element and the third heat exchanger downstream of the second expansion element are switchable. This allows a better adaptation to different temperature levels of the coolant secondary circuits, when both the second heat exchanger and the third heat exchanger function as a chiller and are in thermally conductive contact with different sections of the coolant secondary circuit. Different temperature levels of the second and third heat exchangers connected to the different sections of the coolant secondary circuit are produced, for example, when waste heat from electrical or electronic components is used.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass alternativ oder auch zusätzlich der dritte Leitungsabschnitt im Kühlmittel-Sekundärkreislauf mit einem vierten Leitungsabschnitt im Kühlmittel-Sekundärkreislauf verbindbar ist, welcher in wärmeleitendem Kontakt mit zu temperierenden elektrischen oder elektronischen Komponenten, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, einem Konverter und/oder einem Inverter, steht. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Kühlmittel-Sekundärkreislauf derart schaltbar ist, dass der dritte Leitungsabschnitt und vierte Leitungsabschnitt vom ersten Leitungsabschnitt und vom zweiten Leitungsabschnitt separat betreibbar ist. Mit anderen Worten ist der vierte Leitungsabschnitt in eine eigenständige Schleife im Kühlmittel-Sekundärkreislauf eingebunden, welche Abwärme von Komponenten einsammelt und damit über den dritten Wärmetauscher einen erhöhten Wärmeeintrag in den Kältemittel-Primärkreislauf im Niederdruckbereich erzielt. According to a further embodiment of the invention, it is therefore provided that, alternatively or additionally, the third line section in the coolant secondary circuit with a fourth line section in the coolant secondary circuit is connected, which in thermally conductive contact with tempering electrical or electronic components, in particular a vehicle battery, a Converter and / or an inverter is available. It can be provided in particular that the coolant secondary circuit is switchable such that the third line section and fourth line section of the first line section and the second line section is operated separately. In other words, the fourth line section is integrated into an independent loop in the coolant secondary circuit which collects waste heat from components and thus achieves increased heat input into the refrigerant primary circuit in the low-pressure region via the third heat exchanger.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der dritte Wärmetauscher reversibel betreibbar. Mit anderen Worten ist die Strömungsrichtung in dem dritten Wärmetauscher umkehrbar. Dies ermöglicht ggf. die Reduzierung der Leitungslängen im Kältemittel-Primärkreislauf. In an advantageous embodiment of the invention, the third heat exchanger is reversibly operable. In other words, the flow direction in the third heat exchanger is reversible. This possibly makes it possible to reduce the line lengths in the refrigerant primary circuit.

Der zweite Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher können vorteilhafterweise von derselben Bauart sein. Insbesondere weisen Sie dieselbe Struktur und/oder Anzahl der Umkehrpunkte des Kältemittels beim Durchströmen der Wärmetauscher auf. Dabei müssen der zweite und der dritte Wärmetauscher nicht baugleich sein, d.h. nicht unbedingt die gleiche Größe haben. Der Vorteil der Verwendung von Wärmetauschern gleicher Bauart besteht darin, dass die Systemintegration und physische Anordnung ggf. erleichtert werden. The second heat exchanger and the third heat exchanger may advantageously be of the same type. In particular, they have the same structure and / or number of reversal points of the refrigerant as it flows through the heat exchanger. In this case, the second and the third heat exchanger need not be identical, i. not necessarily the same size. The advantage of using heat exchangers of the same type is that the system integration and physical arrangement may be facilitated.

Erfindungsgemäß sind ein zuvor offenbarter Kältemittel-Primärkreislauf und die Anschlüsse des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs als ein Kompaktaggregat zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs in einem Gehäuse integriert. According to the invention, a previously disclosed refrigerant primary circuit and the connections of the coolant secondary circuit are integrated as a compact unit for the air conditioning of a motor vehicle in a housing.

Ein zuvor offenbarter Kältemittelkreislaufs zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs kann erfindungsgemäß nach einem Verfahren gesteuert werden, welches die folgenden Schritte umfasst: Erstens das Erfassen eines Temperierungsindikators, welcher anzeigt, in welchem Maße eine Veränderung der Klimatisierung nötig ist und welcher insbesondere von der Außentemperatur und/oder einer Zieltemperatur für die Fahrgastzelle abhängt. Zweitens das Schalten des Strömungswegs des Kältemittel-Primärkreislauf durch den dritten Wärmetauscher derart, dass der Hochdruck-Abschnitt durch den dritten Wärmetauscher durchgeleitet wird, wenn der Temperierungsindikator einen Grenzwert unterschreitet, und alternativ dazu, das Schalten des Strömungswegs des Kältemittel-Primärkreislauf durch den dritten Wärmetauscher derart, dass der Niederdruck-Abschnitt durch den dritten Wärmetauscher durchgeleitet wird, wenn der Temperierungsindikator den Grenzwert überschreitet. Der Temperierungsindikator zeigt an, in welchem Maße eine Veränderung der Klimatisierung nötig ist. Der Temperierungsindikator ist definitionsgemäß niedrig, wenn nur ein schwacher Temperierungswunsch vorliegt, d.h. wenn die Klimaanlage allenfalls in Teil-Last betrieben werden muss. A previously disclosed refrigerant circuit for air conditioning of a motor vehicle according to the invention can be controlled by a method comprising the following steps: First, the detection of a Temperierungsindikators, which indicates the extent of a change in the air conditioning is necessary and which in particular from the outside temperature and / or Target temperature for the passenger compartment depends. Second, the switching of the flow path of the refrigerant primary circuit by the third heat exchanger such that the high-pressure section is passed through the third heat exchanger when the Temperierungsindikator falls below a threshold, and alternatively, the switching of the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger such that the low-pressure section is passed through the third heat exchanger when the temperature control indicator exceeds the threshold value. The temperature indicator indicates to what extent a change in the air conditioning is necessary. By definition, the tempering indicator is low when there is only a weak tempering requirement, i. if the air conditioner must be operated in partial load at most.

Ferner sind weitere Betriebsschritte in Abhängigkeit von den Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs vorgesehen, wie sich diese in Zusammenhang mit den zuvor genannten Merkmalen der Ausgestaltungen ergeben sowie mit Bezug zu den Ausführungsbeispielen weiter unten noch näher erläutert werden. Furthermore, further operating steps are provided as a function of the embodiments of the refrigerant circuit according to the invention, as these arise in connection with the aforementioned features of the embodiments and will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert. The invention will now be explained in more detail with reference to embodiments and with reference to the figures.

Die 1–6 zeigen schematisch einen Kältemittelkreislauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi, The 1 - 6 show schematically a refrigerant circuit according to an embodiment of the invention in various operating modes,

die 7 zeigt schematisch ein Phasendiagram mit Zuständen des Kältemittels im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Konzept und the 7 schematically shows a phase diagram with states of the refrigerant in the context of the inventive concept and

die 8 zeigt schematisch den Aufbau eines Wasser-Kältemittel-Wärmetauschers, welcher reversibel betreibbar ist und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung insbesondere als zweiter und/oder dritter Wärmetauscher geeignet ist. the 8th schematically shows the structure of a water-refrigerant heat exchanger, which is reversibly operable and is suitable according to an embodiment of the invention, in particular as a second and / or third heat exchanger.

In den 1–6 ist schematisch ein Kältemittelkreislauf 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi dargestellt. Der Kältemittelkreislauf 10 ist insbesondere zum Einsatz in einer Kraftfahrzeugklimaanlage geeignet, worauf sich im Folgenden auch bezogen wird. Der Kältemittelkreislauf 10 lässt sich jedoch ebenso für andere Klimaanlagen verwenden, z.B. für Gebäude-Klimaanlagen. In the 1 - 6 is a schematic diagram of a refrigerant circuit 10 represented according to an embodiment of the invention in different operating modes. The refrigerant circuit 10 is particularly suitable for use in an automotive air conditioning system, which is also referred to below. The refrigerant circuit 10 However, it can also be used for other air conditioning systems, eg for building air conditioning systems.

Der Kältemittelkreislauf 10 besteht aus einem mit Kältemittel gefülltem Kältemittel-Primärkreislauf und aus einem mit Kühlmittel gefülltem Kühlmittel-Sekundärkreislauf. Im Ausführungsbeispiel wird als Kältemittel R1234yf und als Kühlmittel ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Der Kältemittel-Primärkreislauf und die Anschlüsse des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs sind dabei als ein Kompaktaggregat zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs in einem Gehäuse integriert. Die Verwendung eines Kühlmittel-Sekundärkreislaufs hat unter anderem die Vorzüge, dass einerseits die Komponenten, durch welche Kältemittel strömen, nicht mehr direkt in Kontakt mit dem zu klimatisierenden Raum stehen. Ferner wird durch Verwendung eines Kühlmittel-Sekundärkreislaufs ein Energiemanagement ermöglicht, welches das Verwerten von Abwärme in einfacher Weise erlaubt. Im Folgenden wird der Einfachheit halber das Kühlmittel ggf. auch vereinfacht als Wasser, bzw. je nach Temperierung auch als Heißwasser oder Kaltwasser bezeichnet. Der Glykol-Anteil im Wasser richtet sich dabei unter anderem nach den zu erwartenden Minimumtemperaturen. Typischerweise werden Mischungen mit etwa gleichen Teilen Wasser und Glykol verwendet. The refrigerant circuit 10 consists of a refrigerant-filled primary refrigerant circuit and a coolant-filled secondary coolant circuit. In the exemplary embodiment is used as a refrigerant R1234yf and as a coolant, a water-glycol mixture. The refrigerant primary circuit and the connections of the coolant secondary circuit are integrated as a compact unit for the air conditioning of a motor vehicle in a housing. The use of a coolant secondary circuit has, among other things, the advantages that, on the one hand, the components through which the refrigerant flows no longer directly contact the room to be conditioned. Furthermore, by using a coolant secondary circuit, an energy management is enabled, which allows the utilization of waste heat in a simple manner. In the following, for simplicity, the coolant may also be simplified as water or, depending on the temperature control, also referred to as hot water or cold water. Among other things, the glycol content in the water depends on the expected minimum temperatures. Typically, mixtures with about equal parts of water and glycol are used.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele können auch andere Kältemittel verwendet werden, insbesondere R134a oder R290 (Propan). Die Verwendung von Propan in diesem Zusammenhang ergibt hier den Vorteil, dass aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Propan als Kältemittel eine höhere Leistung erzielt werden kann. Der Verlust, der durch die Verwendung des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs in Kauf genommen wird, kann somit kompensiert werden. According to further embodiments, other refrigerants may be used, in particular R134a or R290 (propane). The use of propane in this context gives the advantage here that due to the physical properties of propane as a refrigerant, a higher performance can be achieved. The loss, which is accepted by the use of the coolant secondary circuit, can thus be compensated.

Der Kältemittel-Primärkreislauf umfasst wenigstens einen Kompressor 12, einen Kondensator 14, ein erstes Expansionsventil 16 und einen Chiller 18. Der Kompressor 12 saugt dabei im Betrieb Kältemittel an, verdichtet das Kältemittel und leitet es stromabwärts an einen Kondensator 14 weiter. Das komprimierte und damit erhitzte Kältemittel wird im Kondensator 14 durch den Wärmetausch mit eingangs relativ kühlem Wasser im Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 abgekühlt, wodurch es wenigstens teilweise kondensiert. Das Kältemittel strömt weiter zu einem ersten Expansionsventil 16, an welchem das Kältemittel schlagartig entspannt wird und somit weiter abkühlt. Das Expansionsventil 16 ist in den Ausführungsbeispielen ein elektrisch steuerbares Ventil. Der Bereich stromabwärts von dem Kompressor 12 und stromaufwärts von dem ersten Expansionsventil 16 wird auch als Hochdruck-Abschnitt bezeichnet. Das Kältemittel strömt weiter durch den Chiller 18, in dem es durch den Wärmetausch mit dem eingangs relativ wärmerem Wasser im Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 erwärmt wird, um schließlich stromabwärts wiederum vom Kompressor 12 angesaugt zu werden. Der Bereich stromabwärts von dem ersten Expansionsventil 16 und stromaufwärts von dem Kompressor 12 wird auch als Niederdruck-Abschnitt bezeichnet. The refrigerant primary circuit comprises at least one compressor 12 , a capacitor 14 , a first expansion valve 16 and a chiller 18 , The compressor 12 It draws in refrigerant during operation, compresses the refrigerant and passes it downstream to a condenser 14 further. The compressed and thus heated refrigerant is in the condenser 14 through the heat exchange with initially relatively cool water in the hot water line section 26 cooled, thereby at least partially condensing. The refrigerant continues to flow to a first expansion valve 16 at which the refrigerant is suddenly released and thus continues to cool. The expansion valve 16 is an electrically controllable valve in the embodiments. The area downstream of the compressor 12 and upstream of the first expansion valve 16 is also referred to as the high pressure section. The refrigerant continues to flow through the chiller 18 in which it through the heat exchange with the initially relatively warmer water in the cold water line section 27 is heated to finally turn downstream from the compressor 12 to be sucked. The area downstream of the first expansion valve 16 and upstream of the compressor 12 is also referred to as a low pressure section.

Einerseits wird somit durch den Wärmetausch am Kondensator 14 im Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 abgekühltes Heißwasser erneut erhitzt. Andererseits wird somit durch den Wärmetausch am Chiller 18 im Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 aufgewärmtes Kaltwasser erneut abgekühlt. On the one hand is thus due to the heat exchange at the condenser 14 in the hot water line section 26 cooled hot water heated again. On the other hand is thus by the heat exchange at the chiller 18 in the cold water line section 27 reheated cold water cooled again.

Der Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 umfasst Anschlüsse an den Kondensator 14. Ebenso umfasst Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 Anschlüsse an den Chiller 18. Beide Leitungsabschnitte 26, 27 können in geeigneter Weise an ein Verteilernetz angeschlossen werden. Der Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 und/oder der Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 werden im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Verteiler 36 an einen Außenwärmetauscher 30, an einen Heizkern 32 oder einen Kühlkern 34 angeschlossen, wie dies weiter unten noch im Detail erläutert wird. Ferner umfasst der Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 noch eine Pumpe 38 und der Kaltwasser-Leitungsabschnitt eine Pumpe 40, mit welchen jeweils die Durchflussraten des Wassers im betreffenden Leitungsabschnitt regelbar sind. The hot water pipe section 26 includes connections to the capacitor 14 , Likewise includes cold water line section 27 Connections to the chiller 18 , Both line sections 26 . 27 can be suitably connected to a distribution network. The hot water pipe section 26 and / or the cold water line section 27 be in the embodiment shown via a distributor 36 to an outdoor heat exchanger 30 to a heater core 32 or a cooling core 34 connected, as will be explained in detail below. Furthermore, the hot water line section comprises 26 another pump 38 and the cold water line section a pump 40 with which in each case the flow rates of the water in the respective line section can be regulated.

Im Kältemittel-Primärkreislauf ist ferner ein umschaltbarer Wärmetauscher 20 vorgesehen, durch welchen der Kältemittel-Primärkreislauf wärmetauschend mit einem Umschalt-Leitungsabschnitt 28 im Kühlmittel-Sekundärkreislauf in Kontakt steht. Erfindungsgemäß ist der umschaltbare Wärmetauscher 20 reversibel betreibbar, d.h. dass die Eingänge und Ausgänge des Kältemittel-Primärkreislaufs miteinander und die Eingänge und Ausgänge des Kühlmittel-Sekundärkreislaufs miteinander vertauschbar sind. Der Strömungsweg des Kältemittel-Primärkreislaufs ist dabei derart umschaltbar, dass entweder der Hochdruck-Abschnitt oder der Niederdruck-Abschnitt durch den umschaltbaren Wärmetauscher 20 durchleitbar ist. Zu diesem Zweck sind Dreiwege-Ventile 21a, 21b stromabwärts bzw. stromaufwärts vom umschaltbaren Wärmetauscher 20 im Kältemittel-Primärkreislauf vorgesehen. Ferner ist stromabwärts vom Kondensator 14 parallel zum ersten Expansionsventil 16 ein weiteres elektronisch steuerbares Expansionsventil 22 angeordnet. Stromabwärts vom Kondensator 14 verzweigt sich dazu die Leitung im Kältemittel-Primärkreislauf, wobei ein Zweig zum ersten Expansionsventil 16 und der andere Zweig zum Expansionsventil 22 führt. Durch geeignete Schaltungen dieser beiden Dreiwege-Ventile 21a, 21b sowie des ersten und zweiten Expansionsventils 16, 22 werden entsprechende Strömungswege schaltbar, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird. In the refrigerant primary circuit is also a switchable heat exchanger 20 provided by which the refrigerant primary circuit heat exchanging with a switching line section 28 in the coolant secondary circuit in contact. According to the invention, the switchable heat exchanger 20 reversible operable, ie that the inputs and outputs of the refrigerant primary circuit with each other and the inputs and outputs of the coolant secondary circuit are interchangeable. The flow path of the refrigerant Primary circuit is switchable such that either the high-pressure section or the low-pressure section through the switchable heat exchanger 20 is passable. For this purpose are three-way valves 21a . 21b downstream or upstream of the switchable heat exchanger 20 provided in the refrigerant primary circuit. Further, downstream of the condenser 14 parallel to the first expansion valve 16 another electronically controllable expansion valve 22 arranged. Downstream of the condenser 14 branches to the line in the refrigerant primary circuit, with a branch to the first expansion valve 16 and the other branch to the expansion valve 22 leads. By suitable circuits of these two three-way valves 21a . 21b and the first and second expansion valves 16 . 22 corresponding flow paths are switchable, as will be explained in more detail below.

Wenn der umschaltbare Wärmetauscher 20 im Kältemittel-Primärkreislauf im Hochdruck-Abschnitt geschaltet ist, fungiert dieser als zusätzlicher Kondensator. Das zweite Expansionsventil 22 ist in diesem Falle ganz geöffnet und die Dreiwege-Ventile 21a, 21b sind derart geschaltet, dass der Umschalt-Wärmetauscher 20 parallel zum Kondensator 14 vom Kältemittel durchströmt wird. Diese der 1 entsprechende Schaltstellung kann insbesondere für einen Wärmepumpenbetrieb mit hoher Effizienz verwendet werden. In diesem Falle ist vorgesehen, dass der Umschalt-Leitungsabschnitt 28 im Kühlmittel-Sekundärkreislauf mittels der Dreiwege-Ventile 44a, 44b parallel mit dem Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 verbunden wird und damit die Erzeugung von Heißwasser unterstützt. Die hohe Effizienz wird dabei ermöglicht, weil es durch den zusätzlichen, als Kondensator arbeitenden umschaltbaren Wärmetauscher 20 ausreichend ist, den Kompressor 12 in Teillastbetrieb energiesparender zu betreiben. When the switchable heat exchanger 20 In the refrigerant primary circuit in the high-pressure section is connected, this acts as an additional capacitor. The second expansion valve 22 is in this case fully open and the three-way valves 21a . 21b are switched such that the switching heat exchanger 20 parallel to the capacitor 14 flows through the refrigerant. This the 1 appropriate switching position can be used in particular for a heat pump operation with high efficiency. In this case, it is provided that the switching line section 28 in the coolant secondary circuit by means of the three-way valves 44a . 44b parallel with the hot water line section 26 is connected, thus supporting the production of hot water. The high efficiency is made possible by the fact that it works through the additional, as a condenser switchable heat exchanger 20 is sufficient, the compressor 12 operate in part-load operation more energy-efficient.

Wenn der umschaltbare Wärmetauscher 20 im Kältemittel-Primärkreislauf im Niederdruck-Abschnitt geschaltet ist, fungiert dieser als zusätzlicher Chiller. Das zweite Expansionsventil 22 ist in diesem Falle vollständig geschlossen und die Dreiwege-Ventile 21a, 21b sind derart geschaltet, dass der Umschalt-Wärmetauscher 20 parallel zum Chiller 18 vom Kältemittel durchströmt wird. Diese der 2 entsprechende Schaltstellung kann insbesondere für einen Wärmepumpenbetrieb mit maximaler Heizleistung verwendet werden. In diesem Falle ist vorgesehen, dass der Umschalt-Leitungsabschnitt 28 im Kühlmittel-Sekundärkreislauf mittels der Dreiwege-Ventile 44a, 44b parallel mit dem Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 verbunden wird und damit die Erzeugung von Kaltwasser unterstützt. Die hohe Leistung des Kältemittel-Primärkreislaufs wird durch einen erhöhten Wärmeeintrag über die zwei als Chiller arbeitenden Wärmetauscher 18, 20 ermöglicht. When the switchable heat exchanger 20 In the refrigerant primary circuit in the low pressure section is connected, this acts as an additional chiller. The second expansion valve 22 is in this case completely closed and the three-way valves 21a . 21b are switched such that the switching heat exchanger 20 parallel to the chiller 18 flows through the refrigerant. This the 2 appropriate switching position can be used in particular for a heat pump operation with maximum heating power. In this case, it is provided that the switching line section 28 in the coolant secondary circuit by means of the three-way valves 44a . 44b parallel to the cold water line section 27 is connected and thus supports the production of cold water. The high performance of the refrigerant primary circuit is due to an increased heat input through the two chillers working heat exchanger 18 . 20 allows.

In den gezeigten Schaltstellungen gemäß 1 und 2 wird der Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 mittels des Verteilers 36 an den Heizkern 32 angeschlossen, um die Wärmepumpenfunktion zur Verfügung zu stellen. Der Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 wird über den Verteiler 36 an den Außenwärmetauscher 30 angeschlossen, um das Kaltwasser an der Umgebungsluft zu erwärmen. Der Außenwärmetauscher 30, der Heizkern 32 – und auch der Kühlkern 34 – sind Wasser-Luft-Wärmetauscher und ihr Wärmeaustausch kann durch geeignete Lüfter verbessert werden (nicht dargestellt). In the switching positions shown in accordance with 1 and 2 becomes the hot water pipe section 26 by means of the distributor 36 to the heater core 32 connected to provide the heat pump function. The cold water line section 27 will be over the distributor 36 to the outdoor heat exchanger 30 connected to heat the cold water in the ambient air. The outdoor heat exchanger 30 , the heater core 32 - And also the cooling core 34 - Are water-air heat exchanger and their heat exchange can be improved by suitable fan (not shown).

Der Kältemittelkreislauf gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst im Kühlmittel-Sekundärkreislauf ferner einen Abwärme-Leitungsabschnitt 29, welcher in wärmeleitendem Kontakt mit einer Abwärmequelle 24 steht. Als Abwärmequelle kommen im Kraftfahrzeug die Fahrzeugbatterie, Konverter und/oder Inverter in Frage. Ein solcher Abwärme-Leitungsabschnitt 29 ist damit insbesondere vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug einzusetzen. Zum gezielten Zuschalten des Abwärme-Leitungsabschnitts 29 sind Dreiwege-Ventile 44c, 44d im Kühlmittel-Sekundärkreislauf vorgesehen. The refrigerant circuit according to the illustrated embodiment further includes a waste heat pipe section in the coolant secondary circuit 29 which is in heat-conducting contact with a waste heat source 24 stands. As waste heat source in the motor vehicle, the vehicle battery, converter and / or inverter in question. Such a waste heat pipe section 29 is thus particularly advantageous to use in an electric vehicle. For targeted connection of the waste heat pipe section 29 are three-way valves 44c . 44d provided in the coolant secondary circuit.

In der 3 ist eine Schaltstellung dargestellt, welche die Effizienz im Wärmpumpenbetrieb durch die Verwertung solcher Abwärme steigert. Dazu wird das zweite Expansionsventil 22 teilweise geöffnet und stromabwärts vom Kondensator 14 parallel zum ersten Expansionsventil 16 durchströmt. Ferner werden die Dreiwege-Ventile 21a, 21b geeignet geschaltet, sodass stromabwärts vom ersten Expansionsventil 16 der Chiller 18 und stromabwärts vom zweiten Expansionsventil 22 der umschaltbare Wärmetauscher 20, hier wieder als Chiller betrieben, vom Kältemittel im Niederdruck-Abschnitt durchströmt wird. Es sei bemerkt, dass der umschaltbare Wärmetauscher 20 gemäß den 2 und 3 in umgekehrter Richtung gegenüber der Schaltstellung in der 1 vom Kältemittel durchströmt wird. Durch geeignete Schaltstellung der Dreiwege-Ventile 44a–44d wird der Umschalt-Leitungsabschnitt 28 mit einem Abwärme-Leitungsabschnitt 29 im Kühlmittel-Sekundärkreislauf verbunden. Diese bilden eine geschlossene Leitungsschleife, welche von dem Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 und dem Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 separiert durch die Pumpe 42 betrieben werden. Über den umschaltbaren Wärmetauscher 20 wird somit immer wieder Wärmeenergie von der Abwärmequelle 24 in den Niederdruck-Abschnitt des Kältemittel-Primärkreislaufs übertragen, die letztendlich der Erzeugung von Heißwasser zur Nutzung der Wärmepumpenfunktion zugutekommt. In the 3 a switching position is shown, which increases the efficiency in the heat pump operation by the utilization of such waste heat. This is the second expansion valve 22 partially open and downstream of the condenser 14 parallel to the first expansion valve 16 flows through. Further, the three-way valves 21a . 21b switched so that downstream of the first expansion valve 16 the chiller 18 and downstream of the second expansion valve 22 the switchable heat exchanger 20 , operated here again as a chiller, is flowed through by the refrigerant in the low-pressure section. It should be noted that the switchable heat exchanger 20 according to the 2 and 3 in the opposite direction to the switching position in the 1 flows through the refrigerant. By suitable switching position of the three-way valves 44a - 44d becomes the switching line section 28 with a waste heat pipe section 29 connected in the coolant secondary circuit. These form a closed loop, which from the hot water line section 26 and the cold water line section 27 separated by the pump 42 operate. Via the switchable heat exchanger 20 is thus always heat energy from the waste heat source 24 transferred into the low-pressure section of the refrigerant primary circuit, which ultimately benefits the production of hot water to use the heat pump function.

Weil das Kühlmittel in dem Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 in der Regel ein anderes Temperaturniveau als der Umschalt-Leitungsabschnitt 28 aufweist, wie dies insbesondere während der Abwärme-Verwertung der Fall ist, können die Flussraten in beiden als Chiller arbeitenden Wärmetauschern 18, 20 je nach Leistungsanforderung (z.B. erforderliche Kühlleistung der Batterie bzw. der Fahrgastkabine) durch Verwendung zweier Expansionsventile 16, 22 gesteuert werden. Because the coolant in the cold water line section 27 usually a different temperature level than the switching line section 28 as this particular during the Waste heat recovery is the case, the flow rates in both working as a chiller heat exchangers 18 . 20 depending on the power requirement (eg required cooling capacity of the battery or the passenger cabin) by using two expansion valves 16 . 22 to be controlled.

Mit Bezug zu den 4 bis 6 werden weitere Schaltstellungen gezeigt. In den 4 und 5 werden Kühlbetriebsarten, auch als Air-Conditioning „AC“-Modi, beschrieben. Die Schaltstellungen im Kältemittel-Primärkreislauf entsprechen denen in den 2 bzw. 3. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass im Verteiler 36 einerseits der Kaltwasser-Leitungsabschnitt 27 nicht mit dem Außenwärmetauscher 30, sondern mit dem Kühlkern 34, und der Heißwasser-Leitungsabschnitt 26 nicht mit dem Heizkern 32, sondern mit dem Außenwärmetauscher 30 verbunden wird. Es wird also anstelle des Heißwassers für eine Wärmepumpenfunktion das Kaltwasser für eine Kühlfunktion verwendet und das jeweils andere Wasser zum Temperaturausgleich an den Außenwärmetauscher 30 geleitet. In der 6 wird ein Entfeuchtungsbetrieb gezeigt. Der einzige Unterschied zu der 4 ist derjenige, dass der Heizkern 32 von dem rückwärtigen, bereits an der Umgebungsluft leicht abgekühlten Heißwasser durchströmt wird, um Feuchtigkeit von der konditionierten Luft, welche vom Kühlkern 34 kommt, zu reduzieren. Related to the 4 to 6 Further switching positions are shown. In the 4 and 5 Cooling modes, also known as air-conditioning "AC" modes are described. The switching positions in the refrigerant primary circuit correspond to those in the 2 respectively. 3 , The only difference is that in the distributor 36 on the one hand, the cold water line section 27 not with the outdoor heat exchanger 30 but with the cooling core 34 , and the hot water line section 26 not with the heater core 32 but with the outdoor heat exchanger 30 is connected. It is therefore used instead of the hot water for a heat pump function, the cold water for a cooling function and the other water for temperature compensation to the outdoor heat exchanger 30 directed. In the 6 a dehumidifying operation is shown. The only difference to the 4 is the one that the heater core 32 is traversed by the rear, already slightly cooled in the ambient air hot water to moisture from the conditioned air, which from the cooling core 34 comes to reduce.

7 zeigt schematisch ein Phasendiagramm mit Zuständen des Kältemittels, wie dies im Zusammenhang mit der Erfindung typischerweise den Kältemittel-Primärkreislauf des Kältemittelkreises 10 gemäß den 1 bis 3 durchläuft. Das Phasendiagramm ist ein sogenanntes Mollier-Diagramm mit der Darstellung der Enthalpie auf der x-Achse und der Darstellung des Druckes auf der y-Achse. Das Kältemittel ist ein an sich aus dem Stand der Technik bekanntes Kältemittel zur Verwendung für Klimatisierungsanlagen in Kraftfahrzeugen, z.B. R134a, R1234yf oder R290, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Das Kältemittel weist unterhalb eines kritischen Druckes drei Phasen auf, nämlich eine flüssige Phase I, eine Nassdampf-Phase II sowie eine Heißdampf-Phase III. In der Nassdampfphase II treten dampfförmiges und siedendes Kältemittel in Koexistenz auf, während in der flüssigen Phase I nur flüssiges, ggf. unterkühltes Kältemittel und in der Heißdampfphase III nur gasförmiges, überhitztes Kältemittel auftritt. 7 schematically shows a phase diagram with states of the refrigerant, as in the context of the invention typically the refrigerant primary circuit of the refrigerant circuit 10 according to the 1 to 3 passes. The phase diagram is a so-called Mollier diagram showing the enthalpy on the x-axis and the representation of the pressure on the y-axis. The refrigerant is a refrigerant known per se in the art for use in automotive air conditioning systems, such as, but not limited to, R134a, R1234yf, or R290. The refrigerant has three phases below a critical pressure, namely a liquid phase I, a wet steam phase II and a superheated steam phase III. In the wet steam phase II, vaporous and boiling refrigerant coexist, while in the liquid phase I only liquid, possibly supercooled refrigerant and in the superheated steam phase III only gaseous, superheated refrigerant occurs.

Wird der Kältemittelkreis gemäß der 1 in einen energieeffizienten Wärmepumpenbetrieb geschaltet, d.h. mit dem umschaltbaren Wärmetauscher 20 im Hochdruck-Abschnitt des Kältemittel-Primärkreislaufs, so ergeben sich Phasendiagramme 70 bei relativ hoher Umgebungstemperatur. Nähme man dieselbe Konfiguration gemäß 1 für einen Wärmepumpenbetrieb mit maximaler Leistung, so würde dies das Phasendiagramm 71 ergeben. Durch den relativ niedrigen Kondensationsdruck wäre die Heizleistung aber nicht optimal. Um dem zu begegnen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den umschaltbaren Wärmetauscher 20 gemäß 2 in den Niederdruck-Abschnitt des Kältemittel-Primärkreislaufs zu schalten, welches dem Phasendiagramm 80 entspricht. Das Ergebnis, welches durch die Verwendung eines schaltbaren Wärmetauschers 20 als Chiller erreicht wird, ist ein erhöhter Kondensationsdruck und eine erhöhte Wärmeübertragungsfläche im Niederdruck-Abschnitt, wobei eine höhere Leistung erzielt und ein Einsperren von Kältemittel vermieden wird. If the refrigerant circuit according to the 1 switched into an energy-efficient heat pump mode, ie with the switchable heat exchanger 20 in the high-pressure section of the refrigerant primary circuit, phase diagrams result 70 at a relatively high ambient temperature. Take the same configuration according to 1 for a heat pump operation with maximum power, this would be the phase diagram 71 result. Due to the relatively low condensation pressure, the heating power would not be optimal. To counter this, the invention proposes the switchable heat exchanger 20 according to 2 to switch to the low-pressure section of the refrigerant primary circuit, which is the phase diagram 80 equivalent. The result of using a switchable heat exchanger 20 is achieved as a chiller, is an increased condensation pressure and an increased heat transfer area in the low-pressure section, with a higher performance achieved and a locking of refrigerant is avoided.

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Steuern des Kältemittelkreislaufs 10 zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs im Wärmepumpenbetrieb der folgenden Art vorgeschlagen: Zunächst wird ein Temperierungsindikator erfasst. Dieser zeigt an, ob eine maximale Heizleistung oder ein energieeffizienter Wärmepumpenbetrieb wünschenswert ist. Der Temperierungsindikator hängt insbesondere von der Außentemperatur und/oder einer Zieltemperatur für die Fahrgastzelle ab. Er kann auch davon abhängig sein, ob eine Zieltemperatur hinreichend schnell erreicht wird. Dazu sind im Fahrzeug geeignete Temperatursensoren vorgesehen, z.B. ein Innenraum- und ein Außenthermometer. Wenn der Temperierungsindikator einen Grenzwert unterschreitet, wird der Strömungswegs des Kältemittel-Primärkreislauf durch den umschaltbaren Wärmetauscher 20 derart geschaltet, dass der Hochdruck-Abschnitt durch den umschaltbaren Wärmetauscher 20 durchgeleitet wird, wie dies mit Bezug zu der 1 beschrieben wurde. Überschreitet der Temperierungsindikator hingegen den Grenzwert, so wird der Strömungsweg des Kältemittel-Primärkreislauf durch den umschaltbaren Wärmetauscher 20 derart geschaltet, dass der Niederdruck-Abschnitt durch den umschaltbaren Wärmetauscher 20 durchgeleitet wird, wie dies mit Bezug zu der 2 beschrieben wurde. According to the invention, therefore, a method for controlling the refrigerant circuit 10 for the air conditioning of a motor vehicle in heat pump operation of the following type: First, a Temperierungsindikator detected. This indicates whether maximum heating power or energy efficient heat pump operation is desirable. The tempering indicator depends in particular on the outside temperature and / or a target temperature for the passenger compartment. It can also be dependent on whether a target temperature is reached sufficiently quickly. For this purpose, suitable temperature sensors are provided in the vehicle, for example an indoor and an outdoor thermometer. When the temperature indicator falls below a threshold, the flow path of the refrigerant primary circuit through the switchable heat exchanger 20 switched such that the high-pressure section through the switchable heat exchanger 20 is passed through, as related to the 1 has been described. On the other hand, if the temperature control indicator exceeds the limit value, then the flow path of the refrigerant primary circuit through the switchable heat exchanger 20 switched such that the low-pressure section through the switchable heat exchanger 20 is passed through, as related to the 2 has been described.

Gemäß einer Konfigurierungsvariante wird der Grenzwert für den Temperierungsindikator gemäß der Umgebungstemperatur festgelegt. Eine geringe Temperierung ist z.B. oberhalb von 0°C oder minus 5°C nötig; bei Unterschreiten dieser Temperatur wird der umschaltbare Wärmetauscher 20 in den Niederdruck-Abschnitt geschaltet. Alternativ oder auch zusätzlich wird gemessen, wie schnell sich die Ist-Temperatur an die Zieltemperatur angleicht. Bleibt die Abweichung nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne höher als ein Grenzwert, z.B. 3°C oder 5°C, so wird der umschaltbare Wärmetauscher 20 in den Niederdruck-Abschnitt geschaltet. Andernfalls wird der umschaltbare Wärmetauscher 20 in den Hochdruck-Abschnitt geschaltet. According to a configuration variant, the limit value for the temperature control indicator is set according to the ambient temperature. A low temperature control is necessary eg above 0 ° C or minus 5 ° C; falls below this temperature, the switchable heat exchanger 20 switched to the low pressure section. Alternatively or additionally, it is measured how fast the actual temperature equals the target temperature. If the deviation remains higher than a limit value, eg 3 ° C or 5 ° C, after a specified period of time, the switchable heat exchanger will be activated 20 switched to the low pressure section. Otherwise, the switchable heat exchanger 20 switched to the high pressure section.

Ein reversibler Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher ist in der 8 schematisch dargestellt. Dieser ist besonders geeignet zur Verwendung für den umschaltbaren Wärmetauscher 20. Die Verwendung baugleicher bzw. bauähnlicher Wärmetauscher bietet besonders bei der Anordnung in einem Kompaktmodul Vorteile und ist auch aus logistischen Gesichtspunkten vorteilhaft. Der Wärmetauscher 20 hat Anschlüsse 25 für Kühlmittel. Aufgrund der Symmetrie entlang der Verbindung vom Eingang zum Ausgang weist der Wärmetauscher auch bei umgekehrter Durchströmungsrichtung dieselben Eigenschaften auf. A reversible water-refrigerant heat exchanger is in the 8th shown schematically. This is particularly suitable for use with the switchable heat exchanger 20 , The use of identical or construction-like heat exchanger offers advantages especially in the arrangement in a compact module and is also advantageous from a logistical point of view. The heat exchanger 20 has connections 25 for coolant. Due to the symmetry along the connection from the inlet to the outlet, the heat exchanger has the same properties even in the reverse flow direction.

Der umschaltbare Wärmetauscher 20 weist dabei mehrere Plattenpaare 50 auf, welche in Plattengruppen 51 parallel oder auch antiparallel von Kältemittel und Kühlmittel durchströmbar sind (je eine Platte eines Plattenpaares wird dabei von Kältemittel und die jeweils andere Platte desselben Plattenpaares von Kühlmittel gleichläufig oder gegenläufig durchströmt). Der umschaltbare Wärmetauscher 20 weist dabei mehrere Plattengruppen 51 auf, wobei sich die Strömungsrichtung von einer zur nächsten Plattengruppe 51 umkehrt. Der Kondensator 14 und der Chiller 18 basieren auf demselben Prinzipaufbau, wobei jedoch die Anzahl der Plattengruppen und damit die Anzahl der Umkehrpunkte der Strömungsrichtung angepasst wird, um die Wärmeübertragung zu maximieren und den Druckverlust in Grenzen zu halten. The switchable heat exchanger 20 has several pairs of plates 50 on which in plate groups 51 can be flowed through in parallel or antiparallel of refrigerant and coolant (one plate of a pair of plates is in this case of refrigerant and the other plate of the same plate pair of coolant in the same direction or in opposite directions flows through). The switchable heat exchanger 20 has several disk groups 51 on, with the flow direction from one to the next plate group 51 reverses. The capacitor 14 and the chiller 18 are based on the same basic structure, but the number of plate groups and thus the number of reversal points of the flow direction is adjusted in order to maximize the heat transfer and to keep the pressure loss within limits.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Kältemittelkreislauf Refrigerant circulation
12 12: Kompressor compressor
14 14: Kondensator capacitor
16 16: erstes Expansionsventil first expansion valve
18 18: Chiller Chiller
20 20: Umschaltbarer Wärmetauscher Reversible heat exchanger
21a, b 21a, b: Dreiwege-Ventile Three-way valves
22 22: zweites Expansionsventil second expansion valve
24 24: Abwärmequelle waste heat source
25 25: Kühlmittelanschlüsse Coolant connections
26–29 26-29: Leitungsabschnitte vom Kühlmittel-Sekundärkreislauf Line sections from the coolant secondary circuit
30 30: Außenwärmetauscher Outdoor heat exchanger
32 32: Heizkern heater core
34 34: Kühlkern cooling core
36 36: Verteiler distributor
38, 40, 42 38, 40, 42: Pumpen pump
44a–d 44a-d: Dreiwege-Ventile Three-way valves
50 50: Platten plates
51 51: Plattengruppe disk array
70, 71 70, 71: Phasendiagramm für erste Einstellung Phase diagram for first setting
80 80: Phasendiagramm für zweite Einstellung Phase diagram for second setting
I I: flüssige Phase liquid phase
II II: Nassdampf-Phase Wet steam phase
III III: Heißdampf-Phase Superheated steam phase

Claims

Refrigerant circulation ( 10 ), in particular for a motor vehicle, comprising - a primary refrigerant circuit with - a compressor ( 12 ), - a first organ of expansion ( 16 ), - one through a first heat exchanger ( 14 ) led high-pressure section which downstream of the compressor ( 12 ) and upstream of the first expansion element ( 16 ), and - one through a second heat exchanger ( 18 ) led low-pressure section which downstream of the first expansion element ( 16 ) and upstream of the compressor ( 12 ), - connections ( 25 ) for a fluid-based, preferably water-based, coolant secondary runner with - a first line section ( 26 ), which via the first heat exchanger ( 14 ) is in heat exchanging contact with the refrigerant primary circuit, and - a second line section ( 27 ), which via the second heat exchanger ( 18 ) is in heat exchanging contact with the refrigerant primary circuit, - a third primary heat exchanger arranged in the refrigerant primary circuit ( 20 ), through which the refrigerant primary circuit heat-exchanging with a third line section ( 28 ) in the coolant secondary circuit in contact, and - switching means ( 21a . 21b . 22 ), by means of which the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger ( 20 ) is switchable such that either the high-pressure section or the low-pressure section through the third heat exchanger ( 20 ), characterized in that the third line section ( 28 ) in the coolant secondary circuit - with the first line section ( 26 ) is connectable when the third heat exchanger ( 20 ) is connected in the refrigerant primary circuit in the high-pressure section, and - with the second line section ( 27 ) is connectable when the third heat exchanger ( 20 ) is switched in the refrigerant primary circuit in the low-pressure section.

Refrigerant circuit according to claim 1, characterized in that the third heat exchanger ( 20 ) in the refrigerant primary circuit to the first or second heat exchanger ( 14 . 18 ) is switchable in parallel.

Refrigerant circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the third line section ( 28 ) in the coolant secondary circuit to the first line section ( 26 ) or to the second line section ( 27 ) is switchable in parallel.

Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that in the refrigerant primary circuit - downstream of the first heat exchanger ( 14 ) the first expansion organ ( 16 ) and a second expansion organ ( 22 ) can be flowed through in parallel, - wherein the second heat exchanger ( 18 ) downstream of the first expansion element ( 14 ) and the third heat exchanger ( 20 ) downstream of the second expansion element ( 22 ) is switchable.

Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the third line section ( 28 ) in the coolant secondary circuit with a fourth line section ( 29 ) is connectable in the coolant secondary circuit, which in heat-conducting contact with tempering electrical or electronic components ( 24 ), in particular a vehicle battery, a converter and / or an inverter is.

Refrigerant circuit according to claim 5, characterized in that the coolant secondary circuit is switchable such that the third line section ( 28 ) and fourth line section ( 29 ) from the first line section ( 26 ) and from the second line section ( 27 ) are operated separately.

Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the third heat exchanger ( 20 ) is reversible operable.

Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant primary circuit and the connections ( 25 ) of the coolant secondary circuit are integrated as a compact unit for the air conditioning of a motor vehicle in a housing.

Method for controlling a refrigerant circuit ( 10 ) for the air conditioning of a motor vehicle according to one of the preceding claims, comprising the following steps: detecting a tempering indicator which indicates to what extent a change in the air conditioning is necessary, and which depends in particular on the outside temperature and / or a target temperature for the passenger compartment, and - switching the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger ( 20 ) such that the high-pressure section through the third heat exchanger ( 20 ) is passed through, when the temperature control indicator falls below a threshold value, and - switching the flow path of the refrigerant primary circuit through the third heat exchanger ( 20 ) such that the low pressure section through the third heat exchanger ( 20 ) is passed when the Temperierungsindikator exceeds the limit.