DE102021129842A1 - vehicle air conditioning - Google Patents

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Patrick Horn
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Abstract

Es wird eine Fahrzeugklimaanlage mit einer Wärmepumpe/Kältemaschine zum Heizen und zum Kühlen und Entfeuchten der Luft in der Fahrzeugkabine sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Fahrzeugklimaanlage angegeben, die beim Aufheizen der Fahrzeugkabine bei kalten Außentemperaturen mit Abwärme aus dem Verdichter arbeitet und ein Betreiben des Chillers als Wärmeübertrager ermöglicht. Zur Erhöhung der Effizienz von Wärmepumpen/Kältemaschinen ist es bekannt über einen inneren Wärmetauscher (10) den kalten Kältemittelstrom nach der Verdampfereinrichtung (4) durch den warmen Kältemittelstrom nach der Kondensatoreinrichtung (8) aufzuheizen bzw. zu überhitzen. Gemäß der Erfindung wird nun die erste Bypassleitung (22) nicht dem Verdampfereingang, sondern der Wärme aufnehmenden Seite des inneren Wärmetauschers zugeführt. Damit wird die Struktur des inneren Wärmetauschers (10) zum Mischen des heißen Kältemittelteilstroms aus der ersten Bypassleitung (22) mit dem kalten Zweiphasenkältemittelstrom aus der Verdampfereinrichtung (4) und zum Zerkleinern von Kältemitteltropfen genutzt. Alternativ kann auch die innere Struktur der Verdampfereinrichtung (4) zum Zerkleinern von Kältemitteltropfen genutzt werden.A vehicle air conditioning system with a heat pump/chiller for heating and cooling and dehumidifying the air in the vehicle cabin and a method for operating this vehicle air conditioning system are specified, which works with waste heat from the compressor when heating up the vehicle cabin at cold outside temperatures and operates the chiller as a Heat exchanger allows. In order to increase the efficiency of heat pumps/refrigerating machines, it is known to use an internal heat exchanger (10) to heat or overheat the cold refrigerant flow after the evaporator device (4) with the warm refrigerant flow after the condenser device (8). According to the invention, the first bypass line (22) is now fed not to the evaporator inlet but to the heat-absorbing side of the internal heat exchanger. The structure of the internal heat exchanger (10) is thus used to mix the hot partial refrigerant flow from the first bypass line (22) with the cold two-phase refrigerant flow from the evaporator device (4) and to break up refrigerant droplets. Alternatively, the internal structure of the evaporator device (4) can also be used to break up drops of refrigerant.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einer Wärmepumpe/Kältemaschine zum Heizen und zum Kühlen und Entfeuchten der Luft in der Fahrzeugkabine nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 10 oder 11.The invention relates to a vehicle air conditioning system with a heat pump/refrigerating machine for heating and for cooling and dehumidifying the air in the vehicle cabin according to claim 1 and a method for operating the vehicle air conditioning system according to claim 10 or 11.

Aus der US 2019/0070925 A1 und der JP 2014-226979 A sind Fahrzeugklimaanlagen mit einer Wärmepumpe/Kältemaschine zum Heizen und zum Kühlen und Entfeuchten der Luft in der Fahrzeugkabine eines Elektrofahrzeugs bekannt. Diese Fahrzeugklimaanlage umfassen in beiden einen Heizkondensator zum Aufheizen der Luft in der Fahrzeugkabine, einen externen Kondensator zur Abgabe von Abwärme an die Umgebung, einen Kabinenverdampfer zum Kühlen der Luft in der Fahrzeugkabine, einen externen Verdampfer, der als Chiller bezeichnet wird, wobei dem Kabinenverdampfer und dem Chiller jeweils ein Expansionsorgan vorgeschaltet ist, und einen Kältemittelverdichter. Aus beiden Druckschriften ist es bekannt beim Start des Elektrofahrzeugs bei kalten Außentemperaturen den Kältemittelverdichter in einem ineffektiven Modus zu betreiben, bei dem der Verdichter mehr Abwärme erzeugt. Diese Abwärme wird dann mitgenutzt, um die Fahrzeugkabine aufzuheizen. Dies geschieht dadurch, dass ein Teilstrom des verdichteten heißen Kältemittelgases über eine Bypassleitung mit Expansionsorgan zusammen mit dem Zweiphasenkältemittelstrom nach dem Expansionsorgan im Chiller-Pfad dem Niederdruckeingang des Verdichters zugeführt wird. Der Kabinenverdampfer ist in diesem Modus inaktiv, da die Luft in der Fahrzeugkabine aufgeheizt und nicht gekühlt werden soll. Allerdings muss hierbei darauf geachtet werden, dass der Kältemittelstrom in den Verdichter einen hohen Dampfgehalt und somit niedrigen Flüssigkeitsanteil besitzt. Außerdem darf der Kältemittelstrom keine Trennung von Gas und Flüssigkeit aufweisen, da Kältemitteltropfen zu Beschädigung des Verdichters führen würden.From the U.S. 2019/0070925 A1 and the JP 2014-226979 A vehicle air conditioning systems with a heat pump/refrigerating machine for heating and for cooling and dehumidifying the air in the vehicle cabin of an electric vehicle are known. These vehicle air conditioning systems both include a heating condenser for heating the air in the vehicle cabin, an external condenser for dissipating waste heat to the environment, a cabin evaporator for cooling the air in the vehicle cabin, an external evaporator, which is referred to as a chiller, with the cabin evaporator and the chiller is preceded by an expansion device and a refrigerant compressor. It is known from both publications to operate the refrigerant compressor in an ineffective mode when the electric vehicle is started at cold outside temperatures, in which the compressor generates more waste heat. This waste heat is then used to heat the vehicle cabin. This is done in that a partial flow of the compressed hot refrigerant gas is fed via a bypass line with an expansion element together with the two-phase refrigerant flow after the expansion element in the chiller path to the low-pressure inlet of the compressor. The cabin evaporator is inactive in this mode because the air in the vehicle cabin is to be heated and not cooled. However, it must be ensured that the refrigerant flow into the compressor has a high vapor content and therefore a low liquid content. In addition, the refrigerant flow must not show any separation of gas and liquid, as refrigerant droplets would damage the compressor.

Bei der US 2019/0070925 A1 wird der über die Bypassleitung rückgeführte Teilstrom in einem Niederdrucksammler mit dem Zweiphasenkältemittelstrom aus dem Chiller vermischt, so dass große Kältemitteltropfen ausreichend zerkleinert werden. Im Vergleich zu einem Hochdrucksammler ist das Volumen eines Niederdrucksammlers größer. Zusätzlich muss der Niederdrucksammler für hohe Kältemittelmassenströme ausgelegt sein und dabei seine Trennfunktion von flüssiger und gasförmiger Phase erfüllen, was zu einem komplexen Aufbau mit größerem Volumen führt. Beides ist für den beschränkt zur Verfügung stehen Bauraum nachteilig.In the U.S. 2019/0070925 A1 the partial flow returned via the bypass line is mixed with the two-phase flow of refrigerant from the chiller in a low-pressure collector, so that large drops of refrigerant are sufficiently broken up. Compared to a high-pressure collector, the volume of a low-pressure collector is larger. In addition, the low-pressure collector must be designed for high refrigerant mass flows while fulfilling its function of separating the liquid and gaseous phase, which leads to a complex structure with a larger volume. Both are disadvantageous for the limited space available.

Bei der JP 2014-226979 A befindet sich die Verbindungsstelle der Bypassleitung mit heißem Kältemittelgasteilstrom und der Zweiphasenströmung nach dem EXV im Chiller-Pfad zwischen EXV und Chiller im Chiller-Pfad und die Durchmischung und Zerkleinerung von Kältemitteltropfen erfolgt in den Kältemittelkanälen des Chillers, die eine feine Struktur aufweisen. Nachteilig hierbei ist, dass der Chiller den hohen Temperaturen des über die Bypassleitung zugeführten heißen Kältemittelgasstromes ausgesetzt ist und in diesem Modus nicht als Wärmeübertrager, sondern nur als Leitung mit Mischfunktion agieren kann.In the JP 2014-226979 A the connection point of the bypass line with hot partial flow of refrigerant gas and the two-phase flow after the EXV is in the chiller path between EXV and chiller in the chiller path and the mixing and comminution of refrigerant droplets takes place in the refrigerant channels of the chiller, which have a fine structure. The disadvantage here is that the chiller is exposed to the high temperatures of the hot refrigerant gas flow fed via the bypass line and in this mode cannot act as a heat exchanger, but only as a line with a mixing function.

Ausgehend von der JP 2014-226979 A ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage anzugeben, die beim Aufheizen der Fahrzeugkabine bei kalten Außentemperaturen mit Abwärme aus dem Verdichter arbeitet und ein Betreiben des Chillers als Wärmeübertrager ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung Verfahren zum Betreiben dieser Fahrzeugklimaanlage anzugeben.Starting from the JP 2014-226979 A It is therefore the object of the invention to specify a vehicle air conditioning system which, when heating up the vehicle cabin when the outside temperatures are cold, uses waste heat from the compressor and enables the chiller to be operated as a heat exchanger. It is also the object of the invention to specify a method for operating this vehicle air conditioning system.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Anspruchs 1 bzw. 9 und 10.This problem is solved by the features of claims 1 or 9 and 10.

Zur Erhöhung der Effizienz von Wärmepumpen/Kältemaschinen ist es bekannt über einen inneren Wärmetauscher den kalten Kältemittelstrom nach der Verdampfereinrichtung durch den warmen Kältemittelstrom nach der Kondensatoreinrichtung aufzuheizen bzw. zu überhitzen. Gemäß der Erfindung wird nun eine erste Bypassleitung nicht dem Verdampfereingang, sondern der Niederdruckseite des inneren Wärmetauschers zugeführt. Damit wird die Struktur des inneren Wärmetauschers zum Mischen des heißen Kältemittelteilstroms aus der ersten Bypassleitung mit dem kalten Zweiphasenkältemittelstrom aus der Verdampfereinrichtung und zum Zerkleinern von Kältemitteltropfen genutzt. Alternativ kann auch die innere Struktur der Verdampfereinrichtung zum Zerkleinern von Kältemitteltropfen genutzt werden.In order to increase the efficiency of heat pumps/refrigeration machines, it is known to use an internal heat exchanger to heat or overheat the cold refrigerant flow downstream of the evaporator device using the warm refrigerant flow downstream of the condenser device. According to the invention, a first bypass line is now fed not to the evaporator inlet but to the low-pressure side of the internal heat exchanger. The structure of the internal heat exchanger is thus used to mix the hot refrigerant partial flow from the first bypass line with the cold two-phase refrigerant flow from the evaporator device and to break up refrigerant droplets. Alternatively, the internal structure of the evaporator device can also be used to break up refrigerant droplets.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 2 betrifft die Ausgestaltung der Kondensatoreinrichtung in Form eines Heizungskondensators zum Beheizen der Fahrzeugkabine und eines externen Kondensators zur Abgabe von Abwärme.The advantageous configurations according to claim 2 relate to the configuration of the condenser device in the form of a heating condenser for heating the vehicle cabin and an external condenser for dissipating waste heat.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 3 betrifft die Ausgestaltung der Verdampfereinrichtung in Form eines Kabinenverdampfers zum Kühlen der Luft in der Fahrzeugkabine und eines externen Verdampfers oder Chillers zur Aufnahme von Abwärme oder Wärme aus der Umgebung in Parallelschaltung.The advantageous configurations according to claim 3 relate to the configuration of the evaporator device in the form of a cabin evaporator for cooling the air in the vehicle cabin and an external evaporator or chiller for absorbing waste heat or heat from the environment in parallel connection.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der externe Kondensator über einen Kühlmittelkreislauf mit einem Luft-/Flüssigkeitswärmetauscher verbunden. Als Kühlmittel wird eine Mischung aus Glykol und Wasser eingesetzt.According to the advantageous embodiment according to claim 4, the external capacitor is a Coolant circuit connected to an air/liquid heat exchanger. A mixture of glycol and water is used as the coolant.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist der Chiller über einen Kühlmittelkreislauf mit einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke verbindbar. Die Wärmesenke könnte eine Fahrzeugbatterie sein, die bei kalten Außentemperaturen aufgeheizt wird. Als Wärmequelle kommen Fahrzeugkomponenten oder die Umgebung in Frage. Verfahrenstechnisch ist diese unterschiedliche Nutzung des Chillers durch die Ansprüche 10 und 11 abgebildet.According to the advantageous embodiment according to claim 5, the chiller can be connected to a heat source or a heat sink via a coolant circuit. The heat sink could be a vehicle battery that is heated when the outside temperature is cold. Vehicle components or the environment can be used as a heat source. In terms of process technology, this different use of the chiller is illustrated by claims 10 and 11.

Der innere Wärmetauscher führt im Wesentlichen im Kühlmodus zu einer Verbesserung der Leistungsziffer der Kältemaschine. Im vorliegend betrachteten Heizmodus führt der innere Wärmetauscher zu keiner Verbesserung der Leistungsziffer und er dient lediglich zum Mischen und Homogenisieren des Zweiphasengemisches aus dem Chiller-Pfad und dem heißen Kältemittelgas aus der ersten Bypassleitung. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 6 wird bei offenem Absperrventil des zweiten Bypass auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers der Wärmeaustausch im inneren Wärmetauscher verringert. Durch den fehlenden bzw. extrem verkleinerten Wärmeaustausch im inneren Wärmetauscher vereinfacht sich die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang.The internal heat exchanger essentially leads to an improvement in the coefficient of performance of the refrigeration machine in cooling mode. In the heating mode considered here, the internal heat exchanger does not lead to any improvement in the coefficient of performance and it only serves to mix and homogenize the two-phase mixture from the chiller path and the hot refrigerant gas from the first bypass line. According to the preferred embodiment according to claim 6, when the shut-off valve of the second bypass on the high-pressure side of the internal heat exchanger is open, the heat exchange in the internal heat exchanger is reduced. Due to the missing or extremely reduced heat exchange in the inner heat exchanger, the control of the vehicle air conditioning system during the starting process is simplified.

Bei der Variante nach Anspruch 7 liegt die Mischstelle des Zweiphasengemisches aus dem Chiller-Pfad und dem heißen Kältemittelgas aus der Bypassleitung am Chillereingang. Um die Wärmeübertragung im inneren Wärmetauscher zu verhindern, ist eine zweite Bypassleitung auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers vorgesehen. Das vereinfacht die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang.In the variant according to claim 7, the mixing point of the two-phase mixture from the chiller path and the hot refrigerant gas from the bypass line is at the chiller inlet. In order to prevent heat transfer in the inner heat exchanger, a second bypass line is provided on the high-pressure side of the inner heat exchanger. This simplifies the control of the vehicle air conditioning system during the starting process.

Über das Dreiwegeventil nach Anspruch 8 kann im vorliegend betrachteten Heizmodus die Wärmeübertragung im inneren Wärmetauscher deaktiviert werden, was die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang weiter vereinfacht.The heat transfer in the internal heat exchanger can be deactivated via the three-way valve according to claim 8 in the heating mode considered here, which further simplifies the control of the vehicle air conditioning system during the starting process.

Gemäß einer kostengünstigeren Variante wird anstelle des Dreiwegeventils ein einfaches Absperrventil im zweiten Bypass eingesetzt - Anspruch 9.According to a cheaper variant, a simple shut-off valve is used in the second bypass instead of the three-way valve - claim 9.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.Further details, features and advantages of the invention result from the following description of a preferred embodiment of the invention.

Es zeigt

  • 1a ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 1b die schematische Darstellung der ersten Ausführungsform im p-h-Diagramm mit Regelstruktur;
  • 2 eine erste Betriebsart der ersten Ausführungsform veranschaulicht im p-h-Diagramm;
  • 3 eine zweite Betriebsart der ersten Ausführungsform veranschaulicht im p-h-Diagramm;
  • 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 6a ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 6b die schematische Darstellung der vierten Ausführungsform im p-h-Diagramm mit Regelstruktur.
It shows
  • 1a a block diagram of a first embodiment of the invention;
  • 1b the schematic representation of the first embodiment in the ph diagram with control structure;
  • 2 a first mode of operation of the first embodiment illustrated in the ph diagram;
  • 3 a second mode of operation of the first embodiment illustrated in the ph diagram;
  • 4 a block diagram of a second embodiment of the invention;
  • 5 a block diagram of a third embodiment of the invention;
  • 6a a block diagram of a fourth embodiment of the invention; and
  • 6b the schematic representation of the fourth embodiment in the ph diagram with control structure.

1a zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Kältekreislauf 2 in dem eine Verdampfereinrichtung 4, ein Kältemittelverdichter 6, eine Kondensatoreinrichtung 8, ein innerer Wärmetauscher 10 und eine Expansionseinrichtung 12 eingebunden sind. Die Verdampfereinrichtung umfasst einen Kabinenverdampfer 40 zum Kühlen einer Fahrzeugkabine 14 mit einem Kabinenverdampfereingang 40-1 und einem Kabinenverdampferausgang 40-2 und einen externen Verdampfer bzw. Chiller 42 mit einem Chillereingang 42-1 und einem Chillerausgang 42-2. Der Kabinenverdampfer 40 und der Chiller 42 sind in dem Kältekreislauf 2 parallel verschaltet. Der Chillerausgang 42-2 und der Kabinenverdampferausgang 40-2 münden in eine gemeinsame Leitung 19. Die Kondensatoreinrichtung 8 umfasst einen Heizkondensator 80 mit einem Heizkondensatoreingang 80-1 und einem Heizkondensatorausgang 80-2 und einen externen Kondensator 82 zur Abgabe von Abwärme an die Umgebung mit einem Eingang 82-1 und einem Ausgang 82-2. Der Heizkondensatorausgang 80-2 ist über erstes Expansionsorgan 18 mit dem Eingang 82-1 des externen Kondensators 82 verbunden, d. h. der Heizkondensator 80 und der externe Kondensator 82 sind in dem Kältekreislauf 2 in Reihenschaltung miteinander verbunden. Der externe Kondensator 82 umfasst auch einen Hochdrucksammler 82-3 aus dem der Ausgang 82-2 des externen Kondensators 82 herausführt. Die Expansionseinrichtung 12 umfasst ein zweites Expansionsorgan 122, das dem Chiller 42 vorgeschaltet ist, und ein drittes Expansionsorgan 123, das dem Kabinenverdampfer 40 vorgeschaltet ist. Der innere Wärmetauscher 10 umfasst eine Hochdruckseite 10-1 und eine Niederdruckseite 10-2. Die Hochdruckseite 10-1 wird durch eine Kondensatleitung 20 durchsetzt, die von dem Ausgang 82-2 des externen Kondensators 82 abgeht und in das zweite und dritte Expansionsorgan 122, 123 mündet. Die Niederdruckseite 10-2 wird von der gemeinsamen Leitung 19 durchsetzt; die gemeinsame Leitung 19 ist mit dem Niederdruckeingang 6-1 des Kältemittelverdichters verbunden. Durch den inneren Wärmetauscher 10 wird damit Wärme aus dem Kondensat in der Kondensatleitung 20 auf das Zweiphasengemisch in der gemeinsamen Leitung 19 übertragen. Eine erste Bypassleitung 22 mit einem vierten Expansionsorgan 24 zweigt von dem Hochdruckausgang 6-2 des Kältemittelverdichters 6 ab und mündet in Strömungsrichtung vor der Niederdruckseite 10-2 des inneren Wärmetauschers 10 in die gemeinsame Leitung 19. Ein Rückschlagventil 26 ist eingangsseitig mit dem Kabinenverdampferausgang 40-2 und ausgangsseitig mit der gemeinsamen Leitung 19 verbunden. Durch das Rückschlagventil 26 wird verhindert, dass das heiße Kältemittelgas aus der ersten Bypassleitung 22 oder das Zweiphasengemisch aus dem Chiller 42 in den beim Heizen der Fahrzeugkabine 14 nicht aktiven Kabinenverdampfer gelangt. 1a shows a block diagram of a first embodiment of the invention with a refrigeration circuit 2 in which an evaporator device 4, a refrigerant compressor 6, a condenser device 8, an internal heat exchanger 10 and an expansion device 12 are integrated. The evaporator device includes a cabin evaporator 40 for cooling a vehicle cabin 14 with a cabin evaporator inlet 40-1 and a cabin evaporator outlet 40-2 and an external evaporator or chiller 42 with a chiller inlet 42-1 and a chiller outlet 42-2. The cabin evaporator 40 and the chiller 42 are connected in parallel in the refrigeration circuit 2 . The chiller outlet 42-2 and the cabin evaporator outlet 40-2 open into a common line 19. The condenser device 8 includes a heating condenser 80 with a heating condenser inlet 80-1 and a heating condenser outlet 80-2 and an external condenser 82 for dissipating waste heat to the environment an input 82-1 and an output 82-2. The heating condenser outlet 80-2 is connected to the inlet 82-1 of the external condenser 82 via the first expansion element 18, ie the heating condenser 80 and the external condenser 82 are connected to one another in series in the refrigeration circuit 2. The external condenser 82 also includes a high pressure receiver 82-3 from which the outlet 82-2 of the external condenser 82 leads out. The expansion device 12 comprises a second expansion element 122 which is connected upstream of the chiller 42 and a third expansion element 123 which is connected upstream of the cabin evaporator 40 . The interior heat exchanger 10 includes a high pressure side 10-1 and a low pressure side 10-2. The high-pressure side 10-1 is traversed by a condensate line 20, which branches off from the outlet 82-2 of the external condenser 82 and in the second and third expansion organ 122, 123 opens. The common line 19 passes through the low-pressure side 10-2; the common line 19 is connected to the low-pressure inlet 6-1 of the refrigerant compressor. Heat is thus transferred from the condensate in the condensate line 20 to the two-phase mixture in the common line 19 by the internal heat exchanger 10 . A first bypass line 22 with a fourth expansion element 24 branches off from the high-pressure outlet 6-2 of the refrigerant compressor 6 and opens into the common line 19 upstream of the low-pressure side 10-2 of the internal heat exchanger 10 in the direction of flow. A check valve 26 is connected on the input side to the cabin evaporator outlet 40- 2 and connected to the common line 19 on the output side. The check valve 26 prevents the hot refrigerant gas from the first bypass line 22 or the two-phase mixture from the chiller 42 from getting into the cabin evaporator that is not active when the vehicle cabin 14 is heated.

1b illustriert die Aufheizphase der Kabine beim Fahrzeugstart mit niedrigen Außentemperaturen im p-h-Diagramm. Der Chiller 42 und der Kabinenverdampfer 40 sind inaktiv und stellen daher lediglich eine Leitung dar. Der Pfad des Kabinenverdampfers 40 ist durch das dritte Expansionsorgan 123 geschlossen. Das Zweiphasengemisch aus dem zweiten Expansionsorgan 122 wird mit dem heißen Kältemittelgasteilstrom aus der Bypassleitung 22 in der Niederdruckseite 10-2 des inneren Wärmetauschers 10 durchmischt, so dass am Niederdruckeingang 6-1 des Kältemittelverdichters ein homogener Kältemittelstrom mit sehr kleinen oder im Idealfall gar keinen Kältemitteltropfen vorliegt. Der nicht rückgeführte Kältemittelgasteilstrom wird dem Heizkondensator 80 zugeführt, der von der Luft in der Fahrzeugkabine durchströmt wird. Die Luft heizt sich dadurch auf. Das kondensierte Kältemittel aus dem Heizkondensator 82 bzw. dem Hochdrucksammler 83 wird in der Hochdruckseite 10-1 des inneren Wärmetauschers 10 weiter abgekühlt und in dem ersten Expansionsorgan 122 entspannt. 1b illustrates the warm-up phase of the cabin when the vehicle starts with low outside temperatures in the ph diagram. The chiller 42 and the cabin evaporator 40 are inactive and therefore only represent one line. The path of the cabin evaporator 40 is closed by the third expansion element 123 . The two-phase mixture from the second expansion element 122 is mixed with the hot partial flow of refrigerant gas from the bypass line 22 in the low-pressure side 10-2 of the internal heat exchanger 10, so that at the low-pressure inlet 6-1 of the refrigerant compressor there is a homogeneous flow of refrigerant with very small drops of refrigerant, or ideally no drops at all . The partial flow of refrigerant gas that is not recirculated is fed to the heating condenser 80 through which the air in the vehicle cabin flows. This causes the air to heat up. The condensed refrigerant from the heating condenser 82 or the high-pressure collector 83 is further cooled in the high-pressure side 10 - 1 of the internal heat exchanger 10 and expanded in the first expansion element 122 .

Die Temperatur der aus dem Heizkondensator 80 austretenden Luft, Luft zur Fahrzeugkabine, wird mittels einer ersten Regeleinrichtung 14 durch Veränderung der Drehzahl des Kältemittelverdichters 6 geregelt. Mittels einer zweiten Regeleinrichtung 15 wird durch Veränderung des Öffnungsgrades des vierten Expansionsorgans 24 der Saugdruck des Kältemittelverdichters 6 am Niederdruckeingang 6-1 geregelt. Mittels einer dritten Regeleinrichtung 16 wird durch Veränderung des Öffnungsgrades des zweiten Expansionsorgans 122 die Überhitzung SH nach der Niederdruckseite 10-2 des inneren Wärmetauschers auf 10 geregelt.The temperature of the air emerging from the heating condenser 80, air to the vehicle cabin, is controlled by means of a first control device 14 by changing the speed of the refrigerant compressor 6. By means of a second control device 15, the suction pressure of the refrigerant compressor 6 at the low-pressure inlet 6-1 is controlled by changing the degree of opening of the fourth expansion element 24. By means of a third control device 16, the overheating SH after the low-pressure side 10-2 of the inner heat exchanger is controlled to 10 by changing the degree of opening of the second expansion element 122.

Da der inaktive Chiller 42 nicht als Mischeinrichtung benötigt und von heißen Kältemittelgas durchströmt wird, kann dem Chiller 42 durch einen Kühlmittelkreislauf Wärme entzogen oder zugeführt werden. 2 illustriert den Fall, dass dem Chiller 42 über einen Kühlmittelkreislauf Wärme entzogen wird und diese einer Batterie zugeführt wird. D.h. der Chiller 42 wird entgegen seiner Wärme aufnehmenden Funktion als Verdampfer als Wärme an die Batterie abgebendes Bauteil genutzt. Wie aus 2 zu ersehen ist, wird das expandierte, zweiphasige Kältemittel nach dem zweiten Expansionsorgan 122 erneut kondensiert und unterkühlt und in der Niederdruckseite 10-2 des inneren Wärmetauschers 10 mit dem heißen Kältemittelgasteilstrom aus der Bypassleitung 22 durchmischt und überhitzt. Bei geöffnetem zweiten Bypass um die Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers ist eine höhere Leistung des Chillers, um Wärme an den Kühlkreislauf und beispielsweise die Batterie abzugeben, wegen höherer Eintrittsenthalpie ohne Unterkühlung durch den inneren Wärmetauscher möglich.Since the inactive chiller 42 is not required as a mixing device and hot refrigerant gas flows through it, heat can be extracted from or supplied to the chiller 42 by a coolant circuit. 2 illustrates the case in which heat is extracted from the chiller 42 via a coolant circuit and is supplied to a battery. In other words, the chiller 42 is used as a component that gives off heat to the battery, contrary to its heat-absorbing function as an evaporator. How out 2 can be seen, the expanded, two-phase refrigerant is condensed again after the second expansion element 122 and supercooled and mixed in the low-pressure side 10-2 of the inner heat exchanger 10 with the hot partial flow of refrigerant gas from the bypass line 22 and superheated. When the second bypass around the high-pressure side of the internal heat exchanger is open, a higher performance of the chiller is possible in order to give off heat to the cooling circuit and, for example, the battery, due to the higher entry enthalpy without subcooling through the internal heat exchanger.

3 illustriert den Fall, dass dem Chiller 42 über den Kühlmittelkreislauf aus der Umgebung oder von Fahrzeugkomponenten Abwärme zugeführt wird. Der Chiller 42 arbeitet in seiner üblichen Funktion als Verdampfer. Dabei wird das Kältemittel nicht vollständig verdampft und liegt am Chillerausgang 42-2 zweiphasig, allerding mit höherem Dampfgehalt als am Chillereingang 42-1 vor. 3 illustrates the case in which waste heat from the environment or from vehicle components is supplied to the chiller 42 via the coolant circuit. The chiller 42 operates in its usual function as an evaporator. The refrigerant is not completely vaporized and is present at the chiller outlet 42-2 in two phases, but with a higher vapor content than at the chiller inlet 42-1.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform mit einer zweiten Bypassleitung 30 mit einem Absperrventil 32, die den inneren Wärmetauscher 10 auf der Hochdruckseite kurzschließt. Der innere Wärmetauscher 10 führt im Wesentlichen im Kühlmodus zu einer Verbesserung der Leistungsziffer der Kältemaschine. Im vorliegend betrachteten Heizmodus führt der innere Wärmetauscher 10 zu keiner Verbesserung der Leistungsziffer und er dient lediglich zum Mischen und Homogenisieren des Zweiphasengemisches aus dem Chiller 42 und dem heißen Kältemittelgas aus der ersten Bypassleitung 22 auf der Niederdruckseite. Bei offenem Absperrventil 32 wird daher der Großteil des Kältemittelstroms in der Kondensatleitung 20 an dem inneren Wärmetauscher 10 vorbeigeführt. Durch den fehlenden bzw. deutlich verringerten Wärmeaustausch im inneren Wärmetauscher 10 vereinfacht sich die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang. 4 shows a second embodiment with a second bypass line 30 with a shut-off valve 32, which short-circuits the internal heat exchanger 10 on the high-pressure side. The internal heat exchanger 10 essentially leads to an improvement in the coefficient of performance of the refrigeration machine in the cooling mode. In the heating mode considered here, the internal heat exchanger 10 does not lead to an improvement in the coefficient of performance and it only serves to mix and homogenize the two-phase mixture from the chiller 42 and the hot refrigerant gas from the first bypass line 22 on the low-pressure side. When the shut-off valve 32 is open, the majority of the refrigerant flow in the condensate line 20 is therefore routed past the internal heat exchanger 10 . Due to the missing or significantly reduced heat exchange in the inner heat exchanger 10, the control of the vehicle air conditioning system is simplified during the starting process.

5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass das Absperrventil 32 durch ein Dreiwegeventil 34 ersetzt worden ist. Damit kann im vorliegend betrachteten Heizmodus die Wärmeübertragung des inneren Wärmetauschers vollständig deaktiviert werden, was die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang weiter vereinfacht. 5 Fig. 13 shows a third embodiment of the invention, which differs from the second embodiment in that the shut-off valve 32 has been replaced by a three-way valve 34. In this way, the heat transfer of the internal heat exchanger can be completely deactivated in the heating mode considered here, which is the rule Management of the vehicle air conditioning system during the starting process is further simplified.

6a zeigt ein vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nach 5 dadurch unterscheidet, dass die erste Bypassleitung 22 mit dem vierten Expansionsorgan 24 nicht in die gemeinsame Leitung 19, sondern in den Chillereingang 42-1 mündet. Um die Wärmeübertragung im inneren Wärmetauscher 10 zu verhindern, ist eine zweite Bypassleitung 30 auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers 10 vorgesehen. Das vereinfacht die Regelung der Fahrzeugklimaanlage beim Startvorgang. 6a Fig. 12 shows a fourth embodiment of the invention, which differs from the third embodiment 5 differs in that the first bypass line 22 with the fourth expansion element 24 does not open into the common line 19 but into the chiller inlet 42-1. In order to prevent heat transfer in the indoor heat exchanger 10, a second bypass line 30 is provided on the high-pressure side of the indoor heat exchanger 10. This simplifies the control of the vehicle air conditioning system during the starting process.

6b illustriert die Aufheizphase der Kabine beim Fahrzeugstart mit niedrigen Außentemperaturen im p-h-Diagramm. Der Kabinenverdampfer 40 ist inaktiv und dem Pfad des Kabinenverdampfers 40 ist durch das dritte Expansionsorgan 123 geschlossen. Der innere Wärmetauscher 10 führt im Wesentlichen im Kühlmodus zu einer Verbesserung der Leistungsziffer der Kältemaschine. Im vorliegend betrachteten Heizmodus führt der innere Wärmetauscher 10 zu keiner Verbesserung der Leistungsziffer und er dient lediglich zum zusätzlichen Mischen und Homogenisieren des Zweiphasengemisches aus dem Chiller 42. 6b illustrates the warm-up phase of the cabin when the vehicle starts with low outside temperatures in the ph diagram. The cabin evaporator 40 is inactive and the path of the cabin evaporator 40 is closed by the third expansion element 123 . The internal heat exchanger 10 essentially leads to an improvement in the coefficient of performance of the refrigeration machine in the cooling mode. In the heating mode considered here, the internal heat exchanger 10 does not lead to any improvement in the coefficient of performance and it is only used for additional mixing and homogenization of the two-phase mixture from the chiller 42.

Die Regelung erfolgt analog zu der anhand von 1b erläuterten Regelung nach 1b. Die Temperatur der aus dem Heizkondensator 80 austretenden Luft, Luft zur Fahrzeugkabine, wird mittels einer ersten Regeleinrichtung 14 durch Veränderung der Drehzahl des Kältemittelverdichters 6 geregelt. Mittels einer zweiten Regeleinrichtung 15 wird durch Veränderung des Öffnungsgrades des vierten Expansionsorgans 24 der Saugdruck des Kältemittelverdichters 6 am Niederdruckeingang 6-1 geregelt. Mittels einer dritten Regeleinrichtung 16 wird durch Veränderung des Öffnungsgrades des zweiten Expansionsorgans 122 die Überhitzung SH nach der Niederdruckseite 10-2 des inneren Wärmetauschers 10 geregelt. Eine vierte Regeleinrichtung 17 stellt durch Veränderung des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans 18 die Unterkühlung SC nach dem Heizkondensator 18 ein.The control is analogous to that based on 1b explained regulation 1b . The temperature of the air emerging from the heating condenser 80, air to the vehicle cabin, is controlled by means of a first control device 14 by changing the speed of the refrigerant compressor 6. By means of a second control device 15, the suction pressure of the refrigerant compressor 6 at the low-pressure inlet 6-1 is controlled by changing the degree of opening of the fourth expansion element 24. By means of a third control device 16, the overheating SH after the low-pressure side 10-2 of the internal heat exchanger 10 is controlled by changing the degree of opening of the second expansion element 122. A fourth control device 17 adjusts the undercooling SC after the heating condenser 18 by changing the degree of opening of the first expansion element 18 .

BezugszeichenlisteReference List

SHSH
Überhitzungoverheating
SCSC
Unterkühlung hypothermia
22
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
44
Verdampfereinrichtungevaporator device
4040
Kabinenverdampfercabin evaporator
40-140-1
Kabinenverdampfereingangcabin evaporator inlet
40-240-2
Kabinenverdampferausgangcabin evaporator outlet
4242
externer Verdampfer, Chillerexternal evaporator, chiller
42-142-1
Chillereingangchiller input
42-242-2
Chillerausgangchiller outlet
66
Kältemittelverdichterrefrigerant compressor
6-16-1
Niederdruckeinganglow pressure inlet
6-26-2
Hochdruckausganghigh pressure outlet
88th
Kondensatoreinrichtungcondenser device
8080
Heizkondensatorheating condenser
80-180-1
Heizkondensatoreingangheating condenser input
80-280-2
Heizkondensatorausgangheating condenser output
8282
externer Kondensatorexternal condenser
82-182-1
Eingang externer KondensatorExternal condenser input
82-282-2
Ausgang externer KondensatorExternal capacitor output
8383
Hochdrucksammlerhigh-pressure collector
1010
innerer Wärmetauscherinternal heat exchanger
10-110-1
Hochdruckseitehigh pressure side
10-210-2
Niederdruckseitelow pressure side
1212
Expansionseinrichtungexpansion device
122122
zweites Expansionsorgansecond expansion organ
123123
drittes Expansionsorganthird expansion organ
1414
erste Regeleinrichtungfirst control device
1515
zweite Regeleinrichtungsecond control device
1616
dritte Regeleinrichtungthird control device
1717
vierte Regeleinrichtungfourth control device
1818
erstes Expansionsorganfirst expansion organ
1919
gemeinsame Leitungcommon line
2020
Kondensatleitungcondensate line
2222
erste Bypassleitungfirst bypass line
2424
viertes Expansionsorganfourth expansion organ
2626
Rückschlagventilcheck valve
3030
zweite Bypassleitungsecond bypass line
3232
Absperrventilshut-off valve
3434
Dreiwegeventilthree-way valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2019/0070925 A1 [0002, 0003]US 2019/0070925 A1 [0002, 0003]
  • JP 2014226979 A [0002, 0004, 0005]JP 2014226979 A [0002, 0004, 0005]

Claims (11)

Fahrzeugklimaanlage mit einer Wärmepumpe/Kältemaschine, die einen Kältemittelkreislauf (2), und die zum Heizen einer Fahrzeugkabine (14) und zum Kühlen und Entfeuchten der Fahrzeugkabine (14) betreibbar ist, umfassend: - eine Verdampfereinrichtung (4), die einen Verdampfereingang (40-1, 42-1) und einen Verdampferausgang (40-2, 42-2) aufweist, - einen Kältemittelverdichter (6), der einen Hochdruckausgang (6-2) und einen Niederdruckeingang (6-1) aufweist, wobei der Niederdruckeingang (6-1) mit dem Verdampferausgang (40-2, 42-2) verbunden ist, - einer Kältemittelkondensatoreinrichtung (8), die einen Kondensatoreingang (80-1) und einen Kondensatorausgang (82-2) aufweist, wobei der Kondensatoreingang (80-1) mit dem Hochdruckausgang (6-2) verbunden ist, - eine Expansionseinrichtung (12, 122, 123), die der Verdampfereinrichtung (4) vorgeschaltet ist, und - eine erste Bypassleitung (22), die von dem Hochdruckausgang (6-2) abzweigt, zur Zuführung eines Teilstroms des verdichteten Kältemittels über eine zweite Expansionseinrichtung (24) zu dem Verdampferausgang (40-2, 42-2) oder dem Verdampfereingang (40-1, 42-1), gekennzeichnet durch - einen inneren Wärmetauscher (10), der zwischen Kondensatorausgang (82-2) und erster Expansionseinrichtung (12, 122, 123) einerseits und Niederdruckeingang (6-1) und Verdampferausgang (40-2, 42-2) andererseits angeordnet ist.Vehicle air conditioning system with a heat pump/refrigeration machine, which has a refrigerant circuit (2) and which can be operated to heat a vehicle cabin (14) and to cool and dehumidify the vehicle cabin (14), comprising: - an evaporator device (4) which has an evaporator inlet (40 -1, 42-1) and an evaporator outlet (40-2, 42-2), - a refrigerant compressor (6) which has a high-pressure outlet (6-2) and a low-pressure inlet (6-1), the low-pressure inlet ( 6-1) is connected to the evaporator outlet (40-2, 42-2), - a refrigerant condenser device (8) which has a condenser inlet (80-1) and a condenser outlet (82-2), the condenser inlet (80- 1) is connected to the high-pressure outlet (6-2), - an expansion device (12, 122, 123), which is connected upstream of the evaporator device (4), and - a first bypass line (22), which runs from the high-pressure outlet (6-2 ) branches off, for supplying a partial flow of the compressed refrigerant via a second expansion device (24) to the evaporator outlet (40-2, 42-2) or the evaporator inlet (40-1, 42-1), characterized by - an internal heat exchanger (10 ), which is arranged between the condenser outlet (82-2) and the first expansion device (12, 122, 123) on the one hand and the low-pressure inlet (6-1) and evaporator outlet (40-2, 42-2) on the other. Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinrichtung (8) einen Heizkondensator (80) zum Beheizen der Fahrzeugkabine (14) und einen externen Kondensator (82) umfasst, die über ein erstes Expansionsorgan (18) in Serie geschaltet sind, wobei der Heizkondensator (80) mit dem Hochdruckausgang (6-2) und der externe Kondensator (82) über den Ausgang (82-2) mit dem inneren Wärmetauscher (10) verbunden ist.vehicle air conditioning claim 1 , characterized in that the condenser device (8) comprises a heating condenser (80) for heating the vehicle cabin (14) and an external condenser (82), which are connected in series via a first expansion element (18), the heating condenser (80) is connected to the high-pressure outlet (6-2) and the external condenser (82) via the outlet (82-2) to the internal heat exchanger (10). Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung (4) einen Kabinenverdampfer (40) zum Kühlen der Luft in der Fahrzeugkabine (14) und einen externen Verdampfer oder Chiller (42) aufweist, die parallel geschaltet sind, und dass die Expansionseinrichtung (12) ein zweites und drittes Expansionsorgan (122, 123) umfasst, dass das zweite Expansionsorgan (122) dem Chiller (42) vorgeschaltet ist, und dass das dritte Expansionsorgan (123) dem Kabinenverdampfer (40) vorgeschaltet ist.vehicle air conditioning claim 1 or 2 , characterized in that the evaporator device (4) has a cabin evaporator (40) for cooling the air in the vehicle cabin (14) and an external evaporator or chiller (42), which are connected in parallel, and that the expansion device (12) has a second and the third expansion element (122, 123) comprises that the second expansion element (122) is connected upstream of the chiller (42) and that the third expansion element (123) is connected upstream of the cabin evaporator (40). Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher über einen ersten Kühlmittelkreislauf mit dem externen Kondensator (82) verbunden ist.vehicle air conditioning claim 2 or 3 , characterized in that an air/liquid heat exchanger is connected to the external condenser (82) via a first coolant circuit. Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chiller (42) zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf verbunden ist.Vehicle air conditioning according to one of the preceding claims 3 until 4 , characterized in that the chiller (42) is connected to a second coolant circuit for dissipating or absorbing heat. Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensatorausgang (82-2) und der Expansionseinrichtung (12) eine zweite Bypassleitung (30) mit einer Ventileinrichtung (32; 34) angeordnet ist, um den Kondensatorausgang (82-2) direkt und/oder über den inneren Wärmetauscher (10) mit der Expansionseinrichtung (12) zu verbinden.Vehicle air conditioning system according to one of the preceding claims, characterized in that a second bypass line (30) with a valve device (32; 34) is arranged between the condenser outlet (82-2) and the expansion device (12) in order to close the condenser outlet (82-2) to be connected directly and/or via the internal heat exchanger (10) to the expansion device (12). Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass erste Bypassleitung (22) mit dem Chillereingang (42-1) verbunden ist.Vehicle air conditioning according to one of the preceding claims 3 until 6 , characterized in that the first bypass line (22) is connected to the chiller inlet (42-1). Fahrzeugklimaanlage, nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung ein regelbares Dreiwegeventil (34) ist.Vehicle air conditioning, after claim 6 or 7 , characterized in that the valve device is an adjustable three-way valve (34). Fahrzeugklimaanlage, nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung ein Absperrventil (32) ist.Vehicle air conditioning, after claim 6 or 7 , characterized in that the valve means is a shut-off valve (32). Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, dass der Chiller (42) im Heizbetrieb über einen Kühlmittelkreislauf Wärme an eine Fahrzeugbatterie abgibt.Method for operating an air conditioning system according to one of the preceding claims 3 until 9 that the chiller (42) emits heat to a vehicle battery in the heating mode via a coolant circuit. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, dass der Chiller (42) im Heizbetrieb über einen Kühlmittelkreislauf Abwärme aufnimmt.Method for operating an air conditioning system according to one of the preceding claims 3 until 9 that the chiller (42) absorbs waste heat in heating mode via a coolant circuit.
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Citations (6)

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