DE102016004999B3 - Vehicle air conditioning - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage (1) mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf (2), die einen Verdampfer (3), einen Kältemittelverdichter (4), einen Kältemittelkondensator/Gaskühler (5.1), ein dem Verdampfer (3) zugeordnetes erstes Expansionsorgan (6.1), einen dem Kältemittelverdichter (4) nachgeschalteten Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (7) und einen thermisch mit dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (7) thermisch gekoppelten Heizungswärmeübertrager (7.1) zur Durchführung der Heizfunktion umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Realisierung der Heizfunktion ein zweites Expansionsorgan (6.2) und ein in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs (2) nachgeschaltetes Rückschlagventil (R1) als erster Wärmepumpenzweig (WPZ1) vorgesehen sind, wobei die Umkehrung der Strömungsrichtung im ersten Wärmepumpenzweig (WPZ1) durch das Rückschlagventil (R1) verhindert ist, und mittels einer Ventilanordnung (V, V1, V2, V3) der erste Wärmepumpenzweig (WPZ1) zur Bildung eines ersten Wärmepumpenkreisprozesses mit dem Kältemittelverdichter (4) und dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (7) unter Anordnung des zweiten Expansionsorgans (6.2) in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs (2) stromabwärts nach dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (7) fluidverbunden ist, wobei mittels des ersten Wärmepumpenkreisprozesses eine Rückgewinnung der vom Kühlmittel aufgenommene Abwärme des Kältemittelverdichters (4) bewirkt ist.The invention relates to a vehicle air conditioner (1) having a refrigerant circuit (2) which can be operated as a heat pump cycle with a cooling function and which has an evaporator (3), a refrigerant compressor (4), a refrigerant condenser / gas cooler (5.1), an evaporator ( 3) associated first expansion element (6.1), a refrigerant compressor (4) downstream high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger (7) and a thermally thermally coupled to the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger (7) heat exchanger (7.1) for carrying out the Includes heating function. According to the invention, a second expansion element (6.2) and a downstream in the flow direction of the refrigerant circuit (2) check valve (R1) are provided as the first heat pump branch (WPZ1) to realize the heating function, the reversal of the flow direction in the first heat pump branch (WPZ1) the check valve (R1) is prevented, and by means of a valve arrangement (V, V1, V2, V3) the first heat pump branch (WPZ1) for forming a first heat pump cycle with the refrigerant compressor (4) and the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger (7) under the arrangement of the second expansion element (6.2) in the flow direction of the refrigerant circuit (2) is fluidly connected downstream of the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger (7), wherein by means of the first heat pump cycle process a recovery of the heat absorbed by the refrigerant waste heat of the refrigerant compressor (4) is effected ,
Description
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage.The invention relates to a vehicle air conditioning system with a heat pump cycle with a heating function and as a refrigeration cycle with cooling function operable refrigerant circuit. Furthermore, the invention relates to a vehicle with a vehicle air conditioning system according to the invention.
Es ist bekannt, dass Fahrzeuge, insbesondere auch Elektrofahrzeuge mit einer Klimaanlage ausgestattet werden, die von einem Kältebetrieb in einen Wärmebetrieb bzw. Kühl- und Heizbetrieb und umgekehrt geschaltet werden kann.It is known that vehicles, in particular also electric vehicles, are equipped with an air conditioning system which can be switched from a cold operation to a heat operation or cooling and heating operation and vice versa.
Ferner sind Fahrzeugklimaanlagen bekannt, deren Kältemittelkreislauf einen als Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten indirekten Kondensator aufweist, der im Wärmebetrieb über einen kondensatorseitigen Kühlmittelkreislauf als Wärmesenke verfügt und über den dort stromabwärts integrierten Heizungswärmeübertrager die Zuluft des Fahrzeuginnenraums erwärmt. Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Innenraumverdampfer einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist. Alternativ kann die Kühlung eines Energiespeichers bzw. sonstiger Hochvoltbauteile auch über Direktverdampfung von Kältemittel im Bauteil erfolgen.Furthermore, vehicle air conditioning systems are known whose refrigerant circuit has a designed as a high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger indirect capacitor, which has a heat pump on a condenser side coolant circuit as a heat sink and heated there via the integrated downstream heating heat exchanger, the supply air of the vehicle interior. In addition to at least one interior evaporator, electrified vehicles require a separate coolant circuit for conditioning and temperature control of the energy accumulator, which is generally realized as a high-voltage battery. Such a coolant circuit can be coupled by means of a heat exchanger with the refrigerant circuit, wherein such a heat exchanger in turn is also designed as an evaporator for cooling an air flow or as a so-called chiller for cooling water. Alternatively, the cooling of an energy store or other high-voltage components can also take place via direct evaporation of refrigerant in the component.
Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In seiner Verschaltung bzw. Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt oder indirekt an die Zuluft der Fahrgastzelle abzugeben.Also, the use of the refrigerant circuit of a vehicle air conditioner in a heat pump operation for heating the passenger compartment is known. In its interconnection or function as a heat pump, the refrigerant circuit is able to heat an air or water flow or coolant flow and deliver this heat directly or indirectly to the supply air of the passenger compartment.
Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Verdampfer, einem Kältemittelverdichter, einem Kältemittelkondensator, einem dem Verdampfer zugeordneten ersten Expansionsorgan und einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist aus der
Bekannte Wärmepumpensysteme mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel, wie sie bspw. in der
Insbesondere bei reinen Elektrofahrzeugen stellt sich die Frage, auf welche Weise am effektivsten und am effizientesten eine Kabinenbeheizung realisiert werden kann, wobei bei solchen reinen Elektrofahrzeugen anstelle eines mechanischen Kältemittelverdichters kältekreisseitig in der Regel elektrische Kältemittelverdichter eingesetzt werden. Werden elektrische Zuheizer auf Hoch- oder Niedervoltbasis eingesetzt, führt dies zu einem hohen Energiebedarf, welcher einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite des Elektrofahrzeugs hat.In particular, in the case of pure electric vehicles, the question arises as to how most effective and efficient cabin heating can be realized, with such pure electric vehicles instead of a mechanical refrigerant compressor generally having refrigeration circuits fitted with electrical refrigerant compressors. If electric heaters are used on high or low voltage basis, this leads to a high energy requirement, which has a considerable influence on the range of the electric vehicle.
Die
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage zu schaffen, mit welcher bei Elektrofahrzeugen eine effektive und effiziente Kabinenheizung ermöglicht wird.It is an object of the invention to provide a vehicle air conditioning system with which an efficient and efficient cabin heating is made possible in electric vehicles.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.This object is achieved by a vehicle air conditioning system with the features of
Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf umfasst gemäß der erstgenannten Lösung:
- – einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator/Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan,
- – einen dem Kältemittelverdichter nachgeschalteten Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, und
- – einen thermisch mit dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager thermisch gekoppelten Heizungswärmeübertrager zur Durchführung der Heizfunktion, wobei – zur Realisierung der Heizfunktion ein zweites Expansionsorgan und ein in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltetes Rückschlagventil als erster Wärmepumpenzweig vorgesehen sind, wobei die Umkehrung der Strömungsrichtung im ersten Wärmepumpenzweig durch das Rückschlagventil verhindert ist,
- – mittels einer Ventilanordnung der erste Wärmepumpenzweig zur Bildung eines ersten Wärmepumpenkreisprozesses mit dem Kältemittelverdichter und dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager unter Anordnung des zweiten Expansionsorgans in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromabwärts nach dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidverbunden ist, wobei mittels des ersten Wärmepumpenkreisprozesses eine Rückgewinnung der vom Kühlmittel aufgenommenen Abwärme des Kältemittelverdichters bewirkt ist, und
- – die Ventilanordnung dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet ist, wobei mittels der Ventilanordnung das Kältemittel im Kältebetrieb über den Kältemittelkondensator/Gaskühler und zur Realisierung der Heizfunktion mittels des Wärmepumpenkreisprozesses über den ersten Wärmepumpenzweig geführt ist.
- An evaporator, a refrigerant compressor, a refrigerant condenser / gas cooler, a first expansion element associated with the evaporator,
- - A refrigerant compressor downstream high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger, and
- - A thermally coupled to the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger heat exchanger for performing the heating function, - are provided for the realization of the heating function, a second expansion element and downstream in the flow direction of the refrigerant circuit check valve as the first heat pump branch, the reversal of the flow direction in the first Heat pump branch is prevented by the check valve,
- - By means of a valve arrangement of the first heat pump branch for forming a first heat pump cycle with the refrigerant compressor and the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger under arrangement of the second expansion element in the flow direction of the refrigerant circuit downstream of the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger fluidly connected, wherein by means of the first Heat pump cycle process, a recovery of the refrigerant absorbed waste heat of the refrigerant compressor is effected, and
- - The valve assembly is connected downstream of the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger in the flow direction of the refrigerant circuit, wherein by means of the valve arrangement, the refrigerant is performed in the cooling mode via the refrigerant condenser / gas cooler and to realize the heating function by means of the heat pump cycle over the first heat pump branch.
Mit dieser erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage wird auch der Kältemittelverdichter als Wärmequelle verwendet, indem dessen Abwärme, insbesondere im Fall eines bei Elektrofahrzeugen eingesetzten elektrischen Kaltemittelverdichters auf den thermisch mit dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager gekoppelten Heizungswärmeübertrager übertragen wird, der in direktem Austausch mit der Luft des Fahrzeuginnenraums, bspw. eines Elektrofahrzeugs steht. Für eine solche Fahrzeugklimaanlage ist nur ein geringer Bedarf an Bauteilen erforderlich. Mit dem Rückschlagventil wird verhindert, dass im Klimaanlagenbetrieb (AC-Modus) Kältemittel in den ersten Wärmepumpenzweig einströmen kann. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager arbeitet dabei als Hochdruck-Wärmeübertrager und wird auch als indirekter Kondensator oder Gaskühler bezeichnet.With this vehicle air conditioning system according to the invention, the refrigerant compressor is also used as a heat source by the waste heat, in particular in the case of a used in electric vehicles electric refrigerant compressor is transmitted to the thermally coupled with the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger heat exchanger, which in direct exchange with the air Vehicle interior, for example. An electric vehicle is. For such a vehicle air conditioning system only a small demand for components is required. The check valve prevents refrigerant from entering the first heat pump branch in air conditioning mode (AC mode). The refrigerant-refrigerant heat exchanger operates as a high-pressure heat exchanger and is also referred to as an indirect condenser or gas cooler.
Die Ventilanordnung ist dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet, wobei mittels der Ventilanordnung das Kältemittel im Kältebetrieb über den Kältemittelkondensator/Gaskühler und zur Realisierung der Heizfunktion mittels des ersten Wärmepumpenkreisprozesses über den ersten Wärmepumpenzweig geführt ist.The valve arrangement is connected downstream of the high-pressure refrigerant-coolant heat exchanger in the flow direction of the refrigerant circuit, wherein the refrigerant is conducted by the valve arrangement in the cooling mode via the refrigerant condenser / gas cooler and to realize the heating function by means of the first heat pump cycle over the first heat pump branch.
Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf umfasst gemäß der zweitgenannten Lösung:
- – einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator/Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan,
- – einen dem Kältemittelverdichter nachgeschalteten Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, und
- – einen thermisch mit dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager thermisch gekoppelten Heizungswärmeübertrager zur Durchführung der Heizfunktion, wobei – zur Realisierung der Heizfunktion ein zweites Expansionsorgan und ein in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltetes Rückschlagventil als erster Wärmepumpenzweig vorgesehen sind, wobei die Umkehrung der Strömungsrichtung im ersten Wärmepumpenzweig durch das Rückschlagventil verhindert ist,
- – mittels einer Ventilanordnung der erste Wärmepumpenzweig zur Bildung eines ersten Wärmepumpenkreisprozesses mit dem Kältemittelverdichter und dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager unter Anordnung des zweiten Expansionsorgans in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromabwärts nach dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidverbunden ist, wobei mittels des ersten Wärmepumpenkreisprozesses eine Rückgewinnung der vom Kühlmittel aufgenommenen Abwärme des Kältemittelverdichters bewirkt ist, und
- – die Ventilanordnung dem Kältemittelverdichter in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet ist, wobei mittels der Ventilanordnung das Kältemittel im Kältebetrieb über den Kältemittelkondensator/Gaskühler und zur Realisierung der Heizfunktion mittels des ersten Wärmepumpenkreisprozesses über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und anschließend den ersten Wärmepumpenzweig geführt ist. Bei dieser Ausführung wird der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager nur im Heizbetrieb von Kältemittel durchströmt, jedoch nicht während eines Kühlbetriebes der Fahrzeugklimaanlage.
- An evaporator, a refrigerant compressor, a refrigerant condenser / gas cooler, a first expansion element associated with the evaporator,
- - A refrigerant compressor downstream high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger, and
- - A thermally coupled to the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger heat exchanger for performing the heating function, - are provided for the realization of the heating function, a second expansion element and downstream in the flow direction of the refrigerant circuit check valve as the first heat pump branch, the reversal of the flow direction in the first Heat pump branch is prevented by the check valve,
- By means of a valve arrangement, the first heat pump branch to form a first heat pump circuit process with the refrigerant compressor and the high-pressure Refrigerant-refrigerant heat exchanger is fluidly connected under arrangement of the second expansion member in the flow direction of the refrigerant circuit downstream of the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger, wherein by means of the first heat pump cycle process, a recovery of the refrigerant absorbed waste heat of the refrigerant compressor is effected, and
- - The valve assembly is connected downstream of the refrigerant compressor in the flow direction of the refrigerant circuit, wherein by means of the valve arrangement, the refrigerant in the refrigeration operation via the refrigerant condenser / gas cooler and to realize the heating function by means of the first heat pump cycle via the refrigerant-refrigerant heat exchanger and then the first heat pump branch is performed. In this embodiment, the refrigerant-refrigerant heat exchanger is flowed through only in the heating mode of refrigerant, but not during a cooling operation of the vehicle air conditioner.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs ein Heizregister stromabwärts nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet ist. Damit ist eine 2-stufige Abkühlung des Kältemittels zunächst auf gleichem Druckniveau, nämlich auf Hochdruckniveau realisiert, wobei dieses Heizregister als direkter Wärmeübertrager in einem Klimagerät der Fahrzeugklimaanlage angeordnet ist. Dieses Heizregister wie auch der Heizungswärmeübertrager können in einer kompakten Anordnung in dem Klimagerät verbaut werden, wobei in dieser Situation das Heizregister luftseitig im Klimagerät zwischen dem Verdampfer und dem Heizungswärmeübertrager positioniert ist. Um diesen Platz bereitzustellen wird der Heizungswärmeübertrager in Richtung des Luftstroms versetzt und damit der Bauraum zur Unterbringung des Heizregisters verfügbar gemacht.A further embodiment of the invention provides that in the flow direction of the refrigerant circuit, a heating coil is arranged downstream of the refrigerant-refrigerant heat exchanger. Thus, a 2-stage cooling of the refrigerant is first realized at the same pressure level, namely at high pressure level, this heater is arranged as a direct heat exchanger in an air conditioner of the vehicle air conditioning. This heater as well as the heating heat exchanger can be installed in a compact arrangement in the air conditioner, in which situation the heater is positioned on the air side in the air conditioner between the evaporator and the heater core. In order to provide this space, the heating heat exchanger is offset in the direction of the air flow and thus made available the space for accommodating the heating register.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dann, wenn das Heizregister in den ersten Wärmepumpenkreislauf eingebunden wird. Hierzu ist vorgesehen, dass das Heizregister in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromaufwärts mit dem zweiten Expansionsorgan des ersten Wärmepumpenzweiges verbunden ist. Damit wird von dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager stromabwärts gesehen erst das Heizregister, anschließend das zweite Expansionsorgan und schließlich das Rückschlagventil des ersten Wärmepumpenzweiges vom Kältemittel durchströmt.A particularly advantageous development of the invention results when the heating coil is integrated into the first heat pump cycle. For this purpose, it is provided that the heating coil is connected in the flow direction of the refrigerant circuit upstream with the second expansion element of the first heat pump branch. As a result, the coolant is flowed through by the refrigerant-coolant heat exchanger downstream, first the heating register, then the second expansion element and finally the check valve of the first heat pump branch.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs der erste Wärmepumpenzweig stromaufwärts vor einem inneren Wärmeübertrager angeordnet, welcher mit dem Kältemittelverdichter fluidverbunden ist. Ferner ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs der erste Wärmepumpenzweig stromaufwärts vor einem Kältemittelsammler angeordnet, welcher dem inneren Wärmeübertrager vorgeschaltet ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das System stets bei Bedarf aktiv mit Kältemittel aus dem Kältemittelsammler versorgt wird und im anderen Fall Kältemittel in diesen einlagern kann.According to a further embodiment of the invention, the first heat pump branch upstream of an inner heat exchanger is arranged in the flow direction of the refrigerant circuit, which is fluidly connected to the refrigerant compressor. Further, preferably in the flow direction of the refrigerant circuit, the first heat pump branch upstream of a refrigerant collector arranged upstream of the inner heat exchanger. In this way, it is ensured that the system is always actively supplied with refrigerant from the refrigerant collector when needed and in the other case can store refrigerant in it.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
- – zur Realisierung der Heizfunktion ein zweiter Wärmepumpenzweig mittels des Kältemittelkondensators/Gaskühlers, einem in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromaufwärts vor dem Kältemittelkondensator/Gaskühler angeordneten dritten Expansionsorgan und einem in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromaufwärts vor dem dritten Expansionsorgan angeordneten Rückschlagventil vorgesehen ist, wobei die Umkehrung der Strömungsrichtung im zweiten Wärmepumpenzweig durch das Rückschlagventil verhindert ist, und
- – mittels einer Ventilanordnung der zweite Wärmepumpenzweig zur Bildung eines zweiten Wärmepumpenkreisprozesses einerseits in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs dem ersten Wärmepumpenzweig oder dem Rückschlagventil des ersten Wärmepumpenzweiges vorgeschaltet ist und andererseits mit dem Kältemittelverdichter und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager unter Anordnung des Rückschlagventils in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromabwärts nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidverbunden ist, wobei mittels des zweiten Wärmepumpenkreisprozesses eine Rückgewinnung der vom Kältemittel mittels des Kältemittelkondensators/Gaskühlers aufgenommene Umgebungswärme bewirkt ist.
- - Provided for the realization of the heating function, a second heat pump branch by means of the refrigerant condenser / gas cooler, upstream of the refrigerant condenser / gas cooler arranged in the flow direction of the refrigerant circuit third expansion element and upstream in the flow direction of the refrigerant circuit upstream of the third expansion valve check valve, wherein the inversion of the flow direction in second heat pump branch is prevented by the check valve, and
- - By means of a valve arrangement of the second heat pump branch to form a second heat pump cycle on the one hand in the flow direction of the refrigerant circuit the first heat pump branch or the check valve of the first heat pump branch upstream and on the other hand with the refrigerant compressor and the refrigerant-refrigerant heat exchanger with arrangement of the check valve in the flow direction of the refrigerant circuit downstream the refrigerant-refrigerant heat exchanger fluidly connected, wherein by means of the second heat pump cycle process, a recovery of the refrigerant absorbed by means of the refrigerant condenser / gas cooler ambient heat is effected.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird mittels des Kältemittelkondensators/Gaskühlers Wärme aus der Umgebung des Fahrzeugs als weitere Wärmequelle aufgenommen und zur Beheizung des Zuluftstroms des Fahrzeuginnenraums eingesetzt. Dabei kann nicht nur die Wärme aus der Umgebungsluft, sondern auch aus der Motorraumumluft verwendet werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Rückschlagventil des zweiten Wärmepumpenzweiges und dem dritten Expansionsorgan der innere Wärmeübertrager angeordnet ist. Mit dem Rückschlagventil wird im AC-Modus ein Befüllen, u. a. des Heizregisters und ein Umverlagern des Kältemittels in diesen unterbunden. Vorzugsweise ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Rückschlagventil des zweiten Wärmepumpenzweiges und dem dritten Expansionsorgan der innere Wärmeübertrager angebunden.In this embodiment of the invention, heat from the surroundings of the vehicle is received as a further heat source by means of the refrigerant condenser / gas cooler and used for heating the supply air flow of the vehicle interior. In this case, not only the heat from the ambient air, but also from the engine room circulating air can be used. It is particularly advantageous if the inner heat exchanger is arranged between the check valve of the second heat pump branch and the third expansion element. With the check valve is in AC mode filling, u. a. the heating register and a relocating the refrigerant in this prevented. Preferably, in this embodiment of the invention, the inner heat exchanger is connected between the check valve of the second heat pump branch and the third expansion element.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
- – zur Realisierung der Heizfunktion ein viertes Expansionsorgan und ein in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs nachgeschalteter Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, dem sogenannten Chiller, als dritter Wärmepumpenzweig vorgesehen sind, und
- – mittels einer Ventilanordnung der dritte Wärmepumpenzweig zur Bildung eines dritten Wärmepumpenkreisprozesses mit dem Kältemittelverdichter und dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, dem sogenannten indirekten Kältemittelkondensator oder Gaskühler unter Anordnung des vierten Expansionsorgans in Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs stromabwärts nach dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidverbunden ist, wobei mittels des dritten Wärmepumpenkreisprozesses eine Rückgewinnung der vom Kühlmittel mittels des Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers aufgenommenen Abwärme von elektrischen Komponenten bewirkt ist.
- - For the realization of the heating function, a fourth expansion element and downstream in the flow direction of the refrigerant circuit low-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger, the so-called chiller, are provided as the third heat pump branch, and
- By means of a valve arrangement, the third heat pump branch to form a third heat pump cycle with the refrigerant compressor and the high-pressure refrigerant refrigerant heat exchanger, the so-called indirect refrigerant condenser or gas cooler with arrangement of the fourth expansion element in the flow direction of the refrigerant circuit downstream of the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger is fluid-connected, wherein by means of the third heat pump cycle process, a recovery of the heat absorbed by the refrigerant by means of the low-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger waste heat of electrical components is effected.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird mittels des auf Niederdruck-Niveau arbeitenden Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, dem sogenannten Chiller, die Abwärme von elektrischen Komponenten des Fahrzeugs als weitere Wärmequelle des Fahrzeugs aufgenommen und zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums eingesetzt.In this embodiment of the invention, by means of operating at low pressure level low-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger, the so-called chiller, the waste heat from electrical components of the vehicle recorded as a further heat source of the vehicle and used to heat the vehicle interior.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn dem auf Hochdruck-Niveau arbeitenden Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ein fünftes Expansionsorgan nachgeschaltet ist. Damit kann das dem fünften Expansionsorgan nachgeschaltete Heizregister als Niederdruckkomponente mit reduzierten Festigkeitsansprüchen ausgeführt werden.According to a further embodiment of the invention, it is advantageous if the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger operating at high pressure level is followed by a fifth expansion element. Thus, the fifth expansion element downstream heater can be performed as a low-pressure component with reduced strength requirements.
Schließlich sind nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und das Heizregister funktional in einem Bauteil vereinigt. Damit wird über direkte Gaskühlung oder Kondensation die im Kältemittel gebundene Wärme auf den Kabinenzuluftstrom übertragen, wobei das Heizregister eine zunehmende Blocktiefe aufweist und der Heizungswärmeübertrager dagegen mit einer reduzierten Blocktiefe ausgeführt werden kann.Finally, according to a further advantageous embodiment of the invention, the high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger and the heating coil are functionally combined in one component. Thus, the heat bound in the refrigerant is transferred to the cabin air flow via direct gas cooling or condensation, wherein the heater has an increasing block depth and the heater core, however, can be performed with a reduced block depth.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage kann in allen Arten von Fahrzeugen eingesetzt werden. Als Kältemittel für diese erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage können nicht nur R744, sondern auch alle anderen Kältemittel verwendet werden.The vehicle air conditioning system according to the invention can be used in all types of vehicles. As a refrigerant for this vehicle air conditioner according to the invention not only R744, but also all other refrigerants can be used.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described in detail by means of embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
Die in den
Der Einfachheit halber wird in den
Jeder Kältemittelkreislauf
In Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs
Der Verdampfer
Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs
Eine weitere Kältemittelkühlung erfolgt bei den Ausführungsbeispielen gemäß den
Zur Durchführung des Wärmepumpenbetriebes werden mehrere Wärmequellen im Fahrzeug eingesetzt.To carry out the heat pump operation several heat sources are used in the vehicle.
Ein erster Wärmepumpenkreisprozess verwendet als Wärmequelle den Kältemittelverdichter
Hierzu weist der Kältemittelkreislauf
Ein zweiter Wärmepumpenkreisprozess verwendet als Wärmequelle die Umgebungsluft des Fahrzeugs, deren Wärme zur Erwärmung der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft eingesetzt wird.A second heat pump cycle uses as a heat source the ambient air of the vehicle, the heat of which is used to heat the air supplied to the vehicle interior.
Hierzu weist der Kältemittelkreislauf
Ein dritter Wärmepumpenkreisprozess verwendet als Wärmequelle die Abwärme elektrischer Komponenten, wie bspw. Hochvoltbatterien, Elektromotoren oder Leistungselektroniken.A third heat pump cycle process uses as heat source the waste heat of electrical components, such as high voltage batteries, electric motors or power electronics.
Hierzu weist der Kältemittelkreislauf
Dieser Chiller
Als alternative Möglichkeit zur Realisierung des ersten Wärmepumpenkreisprozesses bietet es sich an, das dem Chiller
Des Weiteren sind gemäß den
Eine weitere Gemeinsamkeit der Fahrzeugklimaanlage
Gemäß den
Nach
Zur Durchführung des ersten Wärmepumpenkreisprozesses wird das erste Absperrventil V1 geöffnet, während das zweite Absperrventil V2 und das dritte Absperrventil V3 der Ventilanordnung V gesperrt sind, so dass das Kältemittel in Strömungsrichtung S des Kältemittelkreislaufs
Zur Umsetzung des zweiten Wärmepumpenkreisprozesses wird das erste Absperrventil V1 geschlossen und das zweite Absperrventil V2 geöffnet, wodurch das Kühlmittel über das Heizregister
Während des Heizprozesses mittels des zweiten Wärmepumpenkreisprozesses wird das Kältemittel mittels des dritten Expansionsorgans
Idealerweise ist das Absperrventil V3 bidirektional durchströmbar und die Querschnittsfläche bis auf das Maß der angesprochenen Niederdruckleitung anzuheben bzw. entsprechend auszulegen.Ideally, the shut-off valve V3 can be bidirectionally flowed through and the cross-sectional area can be raised or dimensioned to the extent of the low-pressure line mentioned.
Nach
Zur Durchführung des dritten Wärmepumpenkreisprozesses mittels des dritten Wärmepumpenzweiges WPZ3 wird das erste Absperrventil V1 geschlossen und das zweite Absperrventil V2 geöffnet, wodurch das Kältemittel über das Heizregister
Zur Durchführung eines Kühlbetriebes der Fahrzeugklimaanlage
Nach
Die Fahrzeugklimaanlage
Bei dem Kältemittelkreislauf
Bei der Fahrzeugklimaanlage
Die Fluidverbindung zwischen dem Rückschlagventil R2 und dem inneren Wärmeübertrager
Das Rückschlagventil R5 ist so angeordnet, dass im Heizbetrieb mittels des ersten oder dritten Wärmepumpenkreisprozesses Kältemittel aus dem Rückschlagventil R2 des zweiten Wärmepumpenzweiges WPZ2 nicht direkt in den Gaskühler
Die Fahrzeugklimaanlage
So verbindet das erste Absperrventil V1 den Kältemittelverdichter
Der erste Wärmepumpenzweig WPZ1 verbindet fluidmäßig den Ausgang des Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers
Dieser Zweig aus dem Absperrventil V4 und dem nachfolgenden Rückschlagventil R1 des ersten Wärmepumpenzweiges WPZ1 ist für den zweiten Wärmepumpenkreisprozess mittels des zweiten Wärmepumpenzweiges WPZ2 erforderlich. Zur Durchführung dieses zweiten Wärmepumpenkreisprozesses ist das erste Absperrventil V1 geschlossen und das zweite Absperrventil V2 geöffnet, so dass das Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
Zur Durchführung des ersten Wärmepumpenkreisprozesses mittels des ersten Wärmepumpenzweiges WPZ1 muss dieses Absperrventil V4 geschlossen sein, so dass das Kältemittel aus dem Kältemittelverdichter
Der Heizbetrieb mittels des zweiten Wärmepumpenkreisprozesses entspricht demjenigen der Fahrzeugklimaanlage nach
Die Durchführung des dritten Wärmepumpenkreisprozesses erfolgt wie bei der Fahrzeugklimaanlage nach
Im Heizbetrieb mittels des zweiten und dritten Wärmepumpenkreisprozesses wird bei Verwendung eines Absperrventils V5 anstelle eines fünften Expansionsorgans
Zur Durchführung eines Kühlbetriebes der Fahrzeugklimaanlage
Die
Der Heizbetrieb mittels des zweiten und dritten Wärmepumpenkreisprozesses entspricht demjenigen der Fahrzeugklimaanlage
Die Fahrzeugklimaanlage
Zur Durchführung des zweiten oder des dritten Wärmepumpenkreislauf-Prozesses ist das erste Absperrventil V1 geschlossen, während das zweite Absperrventil V2 geöffnet ist. Dieses Absperrventil V2 kann auch durch ein fünftes Expansionsorgan
Falls das dem Bauteil
Die erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- FahrzeugklimaanlageVehicle air conditioning
- 1.11.1
-
Klimagerät der Fahrzeugklimaanlage
1 Air conditioner of thevehicle air conditioner 1 - 22
-
Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage
1 Refrigerant circuit of thevehicle air conditioner 1 - 33
-
Verdampfer des Kältemittelkreislaufes
2 Evaporator of therefrigerant circuit 2 - 44
-
Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufes
2 Refrigerant compressor of therefrigerant circuit 2 - 5.15.1
- Kältemittelkondensator, GaskühlerRefrigerant condenser, gas cooler
- 5.25.2
- Heizregisterheater
- 5.35.3
-
Heizregister, Bauteil aus Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
7 und Heizregister5.2 Heating register, component of high-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger 7 and heating register5.2 - 6.16.1
- erstes Expansionsorgan, Expansionsventilfirst expansion organ, expansion valve
- 6.26.2
- zweites Expansionsorgan, Expansionsventilsecond expansion organ, expansion valve
- 6.36.3
- drittes Expansionsorgan, Expansionsventilthird expansion organ, expansion valve
- 6.46.4
- viertes Expansionsorgan, Expansionsventilfourth expansion element, expansion valve
- 6.56.5
- fünftes Expansionsorgan, Expansionsventilfifth expansion organ, expansion valve
- 7'7 '
- Hochdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (indirekter Kondensator/Gaskühler)High-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger (indirect condenser / gas cooler)
- 7.17.1
- HeizungswärmeübertragerHeating heat exchanger
- 7.27.2
- HeizungswärmeübertragerHeating heat exchanger
- 88th
- innerer Wärmeübertragerinternal heat exchanger
- 99
- Kältemittelsammler oder AkkumulatorRefrigerant collector or accumulator
- 1010
- Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, ChillerLow-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger, chiller
- 1111
- HeizungskreislaufHeating circuit
- 1212
- Wasserpumpewater pump
- 1313
-
Wärmequelle des Kühlmittelkreislaufs
14 Heat source of thecoolant circuit 14 - 1414
-
Kühlmittelkreislauf des Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers
10 Coolant circuit of the low-pressure refrigerant-refrigerant heat exchanger 10 - R1R1
- Rückschlagventil des ersten Wärmepumpenzweiges WPZ1Check valve of the first heat pump branch WPZ1
- R2R2
- Rückschlagventil des zweiten Wärmepumpenzweiges WPZ2Check valve of the second heat pump branch WPZ2
- R3R3
- Rückschlagventil des dritten Wärmepumpenzweiges WPZ3Check valve of third heat pump branch WPZ3
- R4R4
- Rückschlagventilcheck valve
- R5R5
- Rückschlagventilcheck valve
- SS
-
Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs
2 Flow direction of therefrigerant circuit 2 - VV
- Ventilanordnungvalve assembly
- V1V1
- Absperrventilshut-off valve
- V2V2
- Absperrventilshut-off valve
- V3V3
- Absperrventilshut-off valve
- V4V4
- Absperrventilshut-off valve
- V5V5
- Absperrventilshut-off valve
- V6V6
- Absperrventilshut-off valve
- WPZ1WPZ1
- erster Wärmepumpenzweigfirst heat pump branch
- WPZ2WPZ2
- zweiter Wärmepumpenzweigsecond heat pump branch
- WPZ3WPZ3
- dritter Wärmepumpenzweigthird heat pump branch
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-
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