DE102017206327A1 - Device for receiving or emitting heat in a heat pump system for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Ein Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug weist einen Kältemittelkreislauf (12) mit jeweils zumindest einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (2, 3) stromauf- und - abwärts eines Kompressors (1) und einem Kühlmittelkreislauf (28) mit zumindest einer Wärmequelle, wie z.B. einem Radiator (4), einem Ladeluftkühler (6), einem Elektromotor (7) und/oder elektronischen Bauteilen (8) auf und zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmittelkreislauf (28) wahlweise mit einem oder beiden Wärmeübertragern (2, 3) verbindbar ist.A heat pump system for a vehicle includes a refrigerant circuit (12) each having at least one refrigerant-refrigerant heat exchanger (2, 3) upstream and downstream of a compressor (1) and a refrigerant circuit (28) having at least one heat source, such as a compressor. a radiator (4), a charge air cooler (6), an electric motor (7) and / or electronic components (8) and is characterized in that the coolant circuit (28) selectively connectable with one or both heat exchangers (2, 3) is.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die der Aufnahme von Verdampfungswärme sowie der Abgabe von Enthitzungs- bzw. Kondensationswärme des Kältemittels in einem Wärmepumpensystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf dient. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern bevorzugt jeweils unmittelbar vor bzw. nach dem Kältemittelmittelverdichter lässt sich der Kältekreislauf sowohl auf der Hochdruck- als auch auf der Niederdruckseite in den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs einbinden.The invention relates to a device which serves to absorb heat of vaporization and the release of Enthitzungs- or condensation heat of the refrigerant in a heat pump system of a motor vehicle with a low-temperature coolant circuit. The inventive arrangement of two refrigerant-coolant heat exchangers preferably immediately before or after the refrigerant compressor, the refrigeration cycle can be integrated both in the high-pressure and on the low-pressure side in the low-temperature coolant circuit of the vehicle.
Für den Komfort der Insassen ist ein Fahrzeuginnenraum, je nach Umgebungstemperatur, zu heizen oder zu kühlen bzw. zu entfeuchten. Beim Kühlen wird dem Innenraum Wärme entzogen und in einem Kondensator an die Umgebung abgegeben. Gleiches gilt für Wärme, die beispielsweise in einem Elektrofahrzeug von einer Batterie abgegeben wird, um diese ausreichend kühl zu halten.For the comfort of the occupants, a vehicle interior, depending on the ambient temperature, to heat or cool or dehumidify. When cooling the interior heat is removed and discharged in a condenser to the environment. The same applies to heat that is emitted for example in an electric vehicle from a battery to keep it sufficiently cool.
Beim Heizen wird u.a. die Wärme genutzt, die ein Kältemittel beim Verdampfen aufnimmt. Hierbei ist eine wesentliche Wärmequelle die Umgebung, was bestimmte Beschränkungen nach sich zieht.When heating u.a. uses the heat that a refrigerant absorbs when evaporating. Here, a significant source of heat is the environment, which entails certain restrictions.
Beispielsweise sind die Leistungsfähigkeit und der COP (Leistungszahl) eines Wärmepumpensystems bei kalten Umgebungstemperaturen begrenzt, da Wasserdampf an der Oberfläche eines Verdampfers festfrieren kann. Dies beeinträchtigt den luftseitigen Wärmeübergang und damit den Wirkungsgrad des Wärmepumpensystems insgesamt. Deshalb muss typischerweise bei tieferen Umgebungstemperaturen (von ca. 5°C) der Eingangsdruck an einem Kompressor des Kältemittelkreislaufs nach unten begrenzt werden, um die von der Umgebung absorbierte Verdampfungswärme zu regulieren bzw. zu begrenzen. Die hierdurch verursachte Verringerung der Heizleistung kann dazu führen, dass diese unzureichend wird, um einen Fahrzeuginnenraum ausreichend zu erwärmen.For example, the performance and COP of a heat pump system are limited at cold ambient temperatures because water vapor can freeze on the surface of an evaporator. This affects the air-side heat transfer and thus the efficiency of the heat pump system as a whole. Therefore, typically at lower ambient temperatures (about 5 ° C), the input pressure at a compressor of the refrigerant circuit must be limited down to regulate or limit the heat of vaporization absorbed by the environment. The resulting reduction in heating power may cause it to become insufficient to sufficiently warm a vehicle interior.
Stand der TechnikState of the art
Dieser Nachteil gilt beispielsweise auch für das aus der
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmequelle zur Aufnahme von Verdampfungswärme sowie eine Wärmesenke zur Abgabe von Enthitzungs- bzw. Kondensationswärme des Kältemittels in einem Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, zu schaffen, das für eine besonders große Bandbreite von Umgebungstemperaturen ein effizientes Kühlen und/oder Erwärmen des Innenraums ermöglicht.Against this background, the invention has for its object to provide a heat source for receiving heat of vaporization and a heat sink for delivering Enthitzungs- or condensation heat of the refrigerant in a heat pump system for a vehicle, such as an electric or hybrid vehicle to create that for a particular wide range of ambient temperatures allows efficient cooling and / or heating of the interior.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Wärmepumpensystem.The solution of this object is achieved by the heat pump system described in
Demzufolge weist das Fahrzeug einen für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus und im Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, zumindest zwei Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, die jeweils bevorzugt unmittelbar stromauf- und stromabwärts eines Kältemittelverdichters angeordnet sind, sowie einen Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (Radiator) auf, der zur Kühlung eines Elektromotors, eines oder mehreren elektronischen Bauteilen und/oder einer Ladeluftkühlung eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß ist der Kühlmittelkreislauf wahlweise mit einem oder beiden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern des Kältemittelkreislaufs verbindbar.Accordingly, the vehicle has a refrigerant circuit for air conditioning the vehicle interior, designed for combined operation in the refrigeration system mode, in the heat pump mode and in the reheating mode, at least two refrigerant-refrigerant heat exchangers, which are preferably arranged immediately upstream and downstream of a refrigerant compressor, and a coolant circuit with a Coolant-air heat exchanger (radiator), which can be used for cooling an electric motor, one or more electronic components and / or a charge air cooling. According to the invention, the coolant circuit can optionally be connected to one or both refrigerant-coolant heat exchangers of the refrigerant circuit.
Hierdurch wird sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb eine Wärmeübertragung zwischen dem Kälte- und dem Kühlmittelkreislauf sowohl auf der Niederdruck- als auch auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs ermöglicht. Mit anderen Worten wird der Kältemittelkreislauf insbesondere in den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf integriert. Hierdurch wird im Kälteanlagenbetrieb sowohl die Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum als auch von einem Elektromotor, elektronischen Bauteilen oder einer Ladeluftkühlung über den Radiator an die Umgebung abgegeben. Im Wärmepumpenbetrieb dient in vorteilhafter Weise nicht nur der Radiator als Wärmequelle, sondern auch die Abwärme eines Elektromotors und/oder elektronischen Bauteils oder einer Ladeluftkühlung kann als zusätzliche Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels herangezogen werden. Insbesondere kann dadurch in vorteilhafter Weise ein zusätzlicher elektrischer Heizer bzw. Zuheizer (PTC;positive temperature coefficient) vermieden werden. In vorteilhafter Weise kann bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen der Radiator umgangen werden, so dass im Kühlmittelkreis nur die Abwärme des Elektromotors und/oder elektronischen Bauteils oder der Ladeluftkühlung als Wärmequelle dient um die oben beschriebenen Probleme mit der Vereisung des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (Radiator) zu vermeiden.As a result, both in the refrigeration system operation and in the heat pump operation, a heat transfer between the refrigerant and the refrigerant circuit is made possible both on the low-pressure side and on the high-pressure side of the refrigerant circuit. In other words, the refrigerant circuit is integrated in particular in the low-temperature coolant circuit. As a result, both the heat from the vehicle interior and from an electric motor, electronic components or a charge air cooling via the radiator to the environment in cooling system operation. In heat pump operation, not only the radiator serves as heat source in an advantageous manner, but also the waste heat of an electric motor and / or electronic component or a charge air cooling can be used as an additional heat source for the evaporation of the refrigerant. In particular, this advantageously avoids an additional electrical heater or positive temperature coefficient (PTC). Advantageously, at particularly low ambient temperatures, the radiator can be bypassed, so that in the coolant circuit only the waste heat of the electric motor and / or electronic component or the intercooler serves as a heat source to avoid the problems described above with the icing of the coolant-air heat exchanger (radiator).
Ferner ist erfindungsgemäß ein Betrieb möglich, bei dem das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs auf beide beschriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs aufgeteilt wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise Wärme zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs übertragen werden, wobei ferner die kühlmittelseitige Verbindung zu weiteren Wärmequellen, wie einem Elektromotor etc. bestehen kann. Gleichzeitig können die Nachteile des Festfrierens von Wasserdampf an dem Radiator vermieden werden. Es sei betont, dass der Kältemittelkreislauf im Übrigen herkömmlich ausgeführt sein kann, mit anderen Worten kann zusätzlich auf der Niederdruckseite über einen oder mehrere Wärmeübertrager Wärme aufgenommen und/oder auf der Hochdruckseite über einen oder mehrere Wärmeübertrager Wärme abgegeben werden. Das Wärmepumpensystem kann ferner mit einem beliebigen Kühlmittel, mit Wasser oder Luft betrieben werden. Dies gilt gleichermaßen für alle Kältemittel, für die R 744, R 134a und R 1234yf genannt seien. Es sei schließlich erwähnt, dass das Wärmepumpensystem in vorteilhafter Weise eine Kühlung von Bauteilen wie einem Elektromotor und/oder elektronischen Bauteilen in sämtlichen Betriebsarten ermöglicht. Zumindest einer, bevorzugt beide beschriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager befinden sich bevorzugt unmittelbar vor bzw. nach dem Kompressor.Furthermore, according to the invention, an operation is possible in which the coolant of the coolant circuit is divided between the two described refrigerant coolant heat exchangers of the refrigerant circuit. As a result, heat can advantageously be transferred between the low-pressure side and the high-pressure side of the refrigerant circuit, and furthermore the coolant-side connection to other heat sources, such as an electric motor, can exist. At the same time, the disadvantages of freezing water vapor on the radiator can be avoided. It should be emphasized that the refrigerant circuit can incidentally be carried out conventionally, in other words, heat can additionally be taken up on the low-pressure side via one or more heat exchangers and / or heat can be released on the high-pressure side via one or more heat exchangers. The heat pump system may also be operated with any coolant, water or air. This applies equally to all refrigerants for which R 744, R 134a and R 1234yf are mentioned. It should finally be mentioned that the heat pump system advantageously allows cooling of components such as an electric motor and / or electronic components in all modes. At least one, preferably both refrigerant-refrigerant heat exchangers described are preferably located immediately before or after the compressor.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.Advantageous developments of the system according to the invention are described in the further claims.
Für die Vermeidung von kältemittelseitigen Druckverlusten bietet es Vorteile, wenn zumindest ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager einen absperrbaren kältemittelseitigen Bypass aufweist. Der Bypass wird geöffnet, wenn eine Wärmeübertragung in dem jeweiligen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager nicht erforderlich ist, so dass, wie erwähnt, der Betrieb ohne unnötigen Druckverlust erfolgen kann.For the avoidance of refrigerant-side pressure losses, it offers advantages if at least one refrigerant-coolant heat exchanger has a closable coolant-side bypass. The bypass is opened when heat transfer in the respective refrigerant-refrigerant heat exchanger is not required, so that, as mentioned, the operation can be carried out without unnecessary pressure loss.
Die erfindungsgemäßen, vielfältigen Betriebsarten lassen sich in besonders effizienter Weise dadurch erreichen, dass der Kühlmittelkreislauf zumindest ein Umschaltventil zum Umschalten zwischen den beiden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern und/oder zum Verteilen des Kühlmittels auf die beiden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager aufweist.The various modes of operation according to the invention can be achieved in a particularly efficient manner in that the coolant circuit has at least one switching valve for switching between the two refrigerant-coolant heat exchangers and / or for distributing the coolant to the two refrigerant-coolant heat exchangers.
Für eine vorteilhafte Abstufung der Betriebsarten in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bietet es Vorteile, wenn der Radiator des Kühlmittelkreislaufs einen durch zumindest ein Umschaltventil zu öffnenden Bypass aufweist. Beispielsweise kann es bei moderaten Umgebungstemperaturen ausreichend sein, die Abwärme von Bauteilen wie Elektromotor und elektronischen Bauteilen sowie die dem Fahrzeuginnenraum entzogene Wärme in dem Kühlmittelkreislauf zu speichern, ohne diese über den Radiator an die Umgebung abzugeben und sie bei Bedarf im Heizfall zu nutzen.For an advantageous gradation of the operating modes as a function of the ambient temperature, it is advantageous if the radiator of the coolant circuit has a bypass which can be opened by at least one change-over valve. For example, at moderate ambient temperatures, it may be sufficient to store the waste heat from components such as the electric motor and electronic components as well as the heat extracted from the vehicle interior in the coolant circuit, without releasing it via the radiator to the environment and using it when needed in the heating case.
Bevorzugt weist der Kühlmittelkreislauf eine einzige Pumpe auf, mit der in effizienter Weise sowohl der Heizbetrieb als auch der Kühlbetrieb realisiert werden kann.Preferably, the coolant circuit has a single pump, with which both the heating operation and the cooling operation can be realized in an efficient manner.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.Hereinafter, an embodiment of the invention will be explained with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 schematisch ein Heiz- und Klimatisierungssystem eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Anbindung an das Wärmepumpensystem; -
2 schematisch die erfindungsgemäße Durchströmung des Kühl- bzw. des Kältemittels durch das Wärmepumpensystem im Kälteanlagenbetrieb; -
3 schematisch die erfindungsgemäße Durchströmung des Kühl- bzw. des Kältemittels durch das Wärmepumpensystem im Kälteanlagenbetrieb ohne im Radiator Wärme an die Umgebung abzugeben; -
4 schematisch die erfindungsgemäße Durchströmung des Kühl- bzw. des Kältemittels durch das Wärmepumpensystem im Wärmepumpenbetrieb; -
5 schematisch die erfindungsgemäße Durchströmung des Kühl- bzw. des Kältemittels durch das Wärmepumpensystem im Wärmepumpenbetrieb ohne im Radiator Wärme aus der Umgebung aufzunehmen; -
6 schematisch die erfindungsgemäße Durchströmung des Kühl- bzw. des Kältemittels durch das Wärmepumpensystem bei der internen Wärmeübertragung innerhalb des Kältemittelkreislaufs zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite.
-
1 schematically a heating and air conditioning system of a vehicle with the inventive connection to the heat pump system; -
2 schematically the flow according to the invention of the refrigerant or the refrigerant through the heat pump system in refrigeration system operation; -
3 schematically the flow according to the invention of the refrigerant or the refrigerant through the heat pump system in refrigeration system operation without emitting heat in the radiator to the environment; -
4 schematically the flow according to the invention of the refrigerant or the refrigerant through the heat pump system in heat pump operation; -
5 schematically the flow according to the invention of the refrigerant or the refrigerant through the heat pump system in heat pump operation without heat in the radiator from the environment; -
6 schematically the flow according to the invention of the refrigerant or the refrigerant through the heat pump system in the internal heat transfer within the refrigerant circuit between the high pressure and the low pressure side.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der ErfindungDetailed description of a preferred embodiment of the invention
Zur Konditionierung der in den Fahrgastraum zuzuführenden Luft ist im unteren Bereich der
Das Klimatisierungssystem weist ein Gehäuse mit einem Kaltluft-
Erfindungsgemäß weist der Kältekreislauf zusätzlich einen ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
Im oberen Bereich der
Ein Kühlbetrieb ist in
Die in
Die in
Die in
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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