EP3003751A1 - Verfahren zum betreiben eines co2-kältemittelkreislaufs sowie co2-kältemittelkreislauf - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines co2-kältemittelkreislaufs sowie co2-kältemittelkreislauf

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EP3003751A1
EP3003751A1 EP14710911.0A EP14710911A EP3003751A1 EP 3003751 A1 EP3003751 A1 EP 3003751A1 EP 14710911 A EP14710911 A EP 14710911A EP 3003751 A1 EP3003751 A1 EP 3003751A1
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EP
European Patent Office
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refrigerant
heat exchanger
coolant
ambient air
temperature level
Prior art date
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Withdrawn
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EP14710911.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Berg
Robert Mager
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/323—Cooling devices using compression characterised by comprising auxiliary or multiple systems, e.g. plurality of evaporators, or by involving auxiliary cooling devices

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a C0 2 - refrigerant circuit according to the features of claim 1 and a C0 2 -Kälteschnikank according to the features of claim 2.
  • C0 refrigerant circuits Compared to conventional R134a refrigerant circuits, C0 refrigerant circuits have to be designed differently due to different pressure and temperature levels.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a C0 2 - refrigerant circuit and a corresponding circuit, with the sufficient cooling performance can be achieved without, compared to the cooling module of an R134a refrigerant circuit, too large changes to the cooling module must be made.
  • the starting point of the invention is a refrigerant circuit through which carbon dioxide (C0 2 ) flows, which, viewed in the direction of flow of the refrigerant, has a compressor which compresses aspirated carbon dioxide and through a gas cooler pumps.
  • the gas cooler cools refrigerant from a high temperature level to a medium temperature level.
  • the high temperature level can z. B. in a range of 120 ° C to 160 ° C.
  • the mean temperature level can be z. B. in a range of 40 ° C to 70 ° C lie.
  • cooled refrigerant then flows through a so-called “subcooler” (hereinafter, the term “aftercooler” is used), in which it is cooled from the average temperature level to a lower temperature level.
  • the lower temperature level can z. B. in a range of 10 ° C to 40 ° C lie.
  • the subcooler may be a refrigerant / ambient air heat exchanger through which heat is transferred from the mid-level refrigerant to the ambient air.
  • the refrigerant After flowing through the subcooler, the refrigerant is expanded in an expansion device, whereby it cools down strongly. Coming from the expansion of cold refrigerant flows through an evaporator, where it absorbs heat. From the evaporator, the refrigerant flows back to the suction side of the compressor.
  • the gas cooler is preferably a refrigerant / liquid heat exchanger, via which the refrigerant circuit is thermally coupled to a cooling circuit through which a cooling fluid flows.
  • the o.g. Cooling circuit to a cooling liquid / ambient air heat exchanger through which heat is released from the cooling liquid of the cooling circuit to the ambient air.
  • the cooling circuit may be thermally connected to at least one electrical or electronic component to be cooled, e.g. be coupled with a high-voltage storage or power electronics.
  • the cooling circuit is thermally coupled to a charge air cooler of an internal combustion engine of the vehicle.
  • the charge air cooler is provided for cooling the air to be supplied to the internal combustion engine. Heat is removed from the charge air via the intercooler and released to the environment via the cooling circuit.
  • the refrigerant / ambient air heat exchanger d. H. the subcooler (aftercooler), is arranged in front of the coolant / ambient air heat exchanger, so that ambient air after passing through the refrigerant / ambient air heat exchanger, the cooling liquid
  • a fan is arranged in front of the refrigerant / ambient air heat exchanger or behind the cooling module, which ambient air through the refrigerant / The ambient air heat exchanger and the cooling liquid / ambient air heat exchanger arranged behind it blow or suck.
  • FIG. 1 shows a refrigerant circuit according to the invention in a schematic
  • Figure 2 shows a variant of the embodiment of Figure 1 with suction fan and inner heat exchanger
  • Figure 3 shows an embodiment with two parallel evaporators.
  • Figure 1 shows a C0 2 -Kälteschniklauf 1 with a compressor 2, which sucks refrigerant, compressed and pumped through a gas cooler 3.
  • the gas cooler 3 is a refrigerant / liquid heat exchanger, via which the refrigerant circuit 1 is thermally coupled to a low-temperature circuit (cooling liquid circuit 4).
  • the refrigerant is cooled from a high temperature level to a medium temperature level.
  • the refrigerant flows through a subcooler 5 (aftercooler), which is a refrigerant / ambient air heat exchanger.
  • the refrigerant is cooled from the average temperature level to a lower temperature level.
  • the cooled to the lower temperature level refrigerant is expanded in an expansion device 6 and thereby further cooled strongly.
  • the expanded refrigerant flows through an evaporator 7, in which it absorbs heat.
  • the evaporator 7 may for example be traversed by air, which is to be supplied to a passenger compartment of the vehicle.
  • the air is cooled by means of the evaporator 7.
  • Coming from the evaporator 7 refrigerant is then sucked in again by the compressor 2.
  • the low-temperature or liquid circuit 4 may be thermally coupled to one or more electrical or electronic components to be cooled and / or to a charge air cooler (not shown). Heat emitted by such components to the cooling liquid is released via a low-temperature cooler, ie via a coolant / ambient air heat exchanger 8, to the ambient air.
  • the refrigerant / ambient air heat exchanger 5 When viewed in the direction of travel 9 of the vehicle, the refrigerant / ambient air heat exchanger 5 is arranged in front of the coolant / ambient air heat exchanger 8. Alternatively, the refrigerant / ambient air heat exchanger 5 may also be arranged below, laterally or above the coolant / ambient air heat exchanger 8.
  • blower 10 is mentioned, by means of which, even at low driving speeds, a sufficient volume of air flow through the two heat exchangers 5, 8 can be ensured.
  • Figure 2 shows a variant of the embodiment of Figure 1.
  • the fan 10 (viewed in the direction of travel 9) behind the aftercooler 5 is arranged. Since here the coolant / ambient air heat exchanger 8 is also arranged behind the aftercooler 5, the blower 10 is also arranged behind the coolant / ambient air heat exchanger 8.
  • FIG. 1 Another difference compared to the embodiment of Figure 1 is that an inner heat exchanger 1 1 is provided. Coming from the aftercooler 5 refrigerant first flows through the inner heat exchanger 1 1 before it is expanded in the expansion device 6. The expanded refrigerant then flows through the evaporator 7 and from the evaporator 7 back through the inner heat exchanger 1 1 to the suction side of the compressor.
  • Figure 3 shows an embodiment in which two evaporators 7a, 7b, each with an associated expansion element 6a and 6b are provided.
  • the refrigerant flow coming from the inner heat exchanger 1 1 divides into a first partial volume flow, which flows through a first expansion element 6a and the first evaporator 7a and into a second refrigerant volume flow, the a second expansion element 6b and the second evaporator 7b flows through.
  • the two refrigerant volume flows unite in a merge point 13. From there, the refrigerant flows back to the inner heat exchanger 1 1 and from there to the suction side of the compressor. 2
  • the evaporator 7a may be e.g. a front area of a passenger compartment of a vehicle to be assigned (front evaporator) and the evaporator 7 b a rear portion of the passenger compartment (rear evaporator).

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (1) eines Fahrzeugs, wobei der der Kältemittelkreislauf (1) von dem Kältemittel Kohlendioxid durchströmt ist, wobei Kältemittel von einem Verdichter (2) verdichtet und anschließend in einem Kältemittel-/ Flüssigkeitswärmetauscher (3) von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem eine Kühlflüssigkeit durch den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher (3) gepumpt wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) von dem mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt, indem Umgebungsluft durch den Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) strömt oder geblasen wird. Hiernach wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan (6) entspannt und strömt anschließend durch einen Verdampfer (7) und vom Verdampfer zurück zum Verdichter (2).

Description

Verfahren zum Betrefben eines COg-Kältemittelkreislaufs sowie
COg-Kältemittelkreislauf
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines C02- Kältemittelkreislaufs gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einen C02-Kältemittelkreislauf gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2.
Im Vergleich zu herkömmlichen R134a-Kältemittelkreisläufen müssen C0 - Kältemittelkreisläufe aufgrund unterschiedlicher Druck- und Temperaturniveaus anders konzipiert sein bzw. betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines C02- Kältemittelkreislaufs sowie einen entsprechenden Kreislauf zu schaffen, mit dem hinreichende Kühlleistungen erzielbar sind, ohne dass, im Vergleich zum Kühlmodul eines R134a-Kältemittelkreislaufs, allzu große Änderungen am Kühlmodul vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein von Kohlendioxid (C02) durchströmter Kältemittelkreislauf, der, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, einen Verdichter aufweist, der angesaugtes Kohlendioxid verdichtet und durch einen Gaskühler pumpt. Der Gaskühler kühlt Kältemittel von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau ab.
Das hohe Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 120°C bis 160°C liegen. Das mittlere Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 40°C bis 70°C liegen.
Vom Gaskühler kommendes, abgekühltes Kältemittel durchströmt anschließend einen sogenannten„Unterkühler" (im Folgenden wird hierfür auch der Begriff „Nachkühler" verwendet), in dem es von dem mittleren Temperatumiveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt wird. Das untere Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 10°C bis 40°C liegen.
Der Unterkühler kann ein Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher sein, über den Wärme von dem auf dem mittleren Temperaturniveau befindlichen Kältemittel an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Nach dem Durchströmen des Unterkühlers wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan entspannt, wodurch es sich stark abkühlt. Vom Expansionsorgan kommendes kaltes Kältemittel durchströmt einen Verdampfer, in dem es Wärme aufnimmt. Vom Verdampfer strömt das Kältemittel zurück zur Saugseite des Verdichters.
Bei dem Gaskühler handelt es sich vorzugsweise um einen Kältemittel- /Flüssigkeitswärmetauscher, über den der Kältemittelkreislauf thermisch mit einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkreislauf gekoppelt ist.
Die Verwendung eines wassergekühlten Gaskühlers stößt in Verbindung mit CO2 als Kältemittel an seine Betriebsgrenzen. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass die Effizienz eines C02-Kältemittelkreislaufs in hohem Maße vom Temperaturniveau des Gaskühlers abhängt. Da der Kühlflüssigkeitskreislauf außer zur Klimatisierung auch zur Kühlung von Ladeluft eine Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und/oder zur Kühlung verschiedener elektrischer Komponenten vorgesehen sein kann, kann das Temperaturniveau am Ausgang des Gaskühlers im Vergleich zur Umgebungslufttemperatur deutlich höher sein. In diesem Fall muss das Kältemittel weiter abgekühlt werden, was durch den gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Unterkühler erreicht wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der o.g. Kühlkreislauf einen Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher auf, über den Wärme von der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs an die Umgebungsluft abgegeben wird. Der Kühlkreislauf kann thermisch mit mindestens einer zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponente, z.B. mit einem Hochvoltspeicher oder einer Leistungselektronik, gekoppelt sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf thermisch mit einem Ladeluftkühler eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs gekoppelt ist. Der Ladeluftkühler ist zur Kühlung der dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Luft vorgesehen. Über den Ladeluftkühler wird der Ladeluft Wärme entzogen und über den Kühlkreislauf an die Umgebung abgegeben.
Hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Komponenten kann vorgesehen sein, dass, in Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet, der Kältemittel- /Umgebungsluftwärmetauscher, d. h. der Unterkühler (Nachkühler), vorderhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers angeordnet ist, so dass Umgebungsluft nach dem Durchströmen des Kältemittel- /Umgebungsluftwärmetauschers den Kühlflüssigkeits-
/Umgebungsluftwärmetauscher durchströmt. Um auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten eine hinreichende Wärmeabfuhr zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass vorderhalb des Kältemittel- /Umgebungsluftwärmetauschers oder hinter dem Kühlmodul ein Gebläse angeordnet ist, welches Umgebungsluft durch den Kältemittel- /Umgebungsluftwärmetauscher und den dahinter angeordneten Kühlflüssig- keits-/Umgebungsluftwärmetauscher bläst oder saugt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Kältemittelkreis gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung;
Figur 2 eine Variante des Ausführungsbeispiels der Figur 1 mit saugendem Gebläse und innerem Wärmetauscher; und
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei parallel geschalteten Verdampfern.
Figur 1 zeigt einen C02-Kältemittelkreislauf 1 mit einem Verdichter 2, der Kältemittel ansaugt, verdichtet und durch einen Gaskühler 3 pumpt. Der Gaskühler 3 ist ein Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher, über den der Kältemittelkreislauf 1 thermisch mit einem Niedertemperaturkreislauf (Kühlflüssigkeitskreislauf 4) gekoppelt ist. Im Gaskühler wird das Kältemittel von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt. Nach dem Abkühlen auf das mittlere Temperaturniveau durchströmt das Kältemittel einen Unterkühler 5 (Nachkühler), bei dem es sich um einen Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher handelt. Im Unterkühler 5 wird das Kältemittel vom mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt.
Das auf das untere Temperaturniveau abgekühlte Kältemittel wird in einem Expansionsorgan 6 entspannt und dadurch weiter stark abgekühlt. Das entspannte Kältemittel durchströmt einen Verdampfer 7, in dem es Wärme aufnimmt. Der Verdampfer 7 kann beispielsweise von Luft durchströmt sein, die einem Fahrgastraum des Fahrzeugs zuzuführen ist. Die Luft wird mittels des Verdampfers 7 abgekühlt. Vom Verdampfer 7 kommendes Kältemittel wird dann erneut vom Verdichter 2 angesaugt. Der Niedertemperatur- bzw. Flüssigkeitskreislauf 4 kann thermisch mit einer oder mehreren zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponenten und/oder mit einem Ladeluftkühler (nicht dargestellt) gekoppelt sein. Von derartigen Komponenten an die Kühlflüssigkeit abgegebene Wärme wird über einen Niedertemperaturkühler, d. h. über einen Kühlflüssigkeits- /Umgebungsluftwärmetauscher 8 an die Umgebungsluft abgegeben.
In Fahrtrichtung 9 des Fahrzeugs betrachtet ist der Kältemittel- /Umgebungsluftwärmetauscher 5 vorderhalb des Kühlflüssigkeits- /Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet. Alternativ dazu kann der Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 5 auch unterhalb, seitlich oder oberhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet sein.
Vollständigkeitshalber sei ein Gebläse 10 erwähnt, mittels dessen auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ein hinreichender Luftvolumenstrom durch die beiden Wärmetauscher 5, 8 sichergestellt werden kann.
Figur 2 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels der Figur 1. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das Gebläse 10 (in Fahrtrichtung 9 betrachtet) hinterhalb des Nachkühlers 5 angeordnet. Da hier der Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher 8 ebenfalls hinterhalb des Nachkühlers 5 angeordnet ist, ist das Gebläse 10 auch hinterhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet.
Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 besteht darin, dass ein innerer Wärmetauscher 1 1 vorgesehen ist. Vom Nachkühler 5 kommendes Kältemittel durchströmt zunächst den inneren Wärmetauscher 1 1 bevor es im Expansionsorgan 6 entspannt wird. Das entspannte Kältemittel durchströmt dann den Verdampfer 7 und vom Verdampfer 7 zurück durch den inneren Wärmetauscher 1 1 zur Saugseite des Verdichters 2. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Verdampfer 7a, 7b mit jeweils einem zugeordneten Expansionsorgan 6a bzw. 6b vorgesehen sind. Vom Nachkühler 5 kommendes Kältemittel durchströmt zunächst den inneren Wärmetauscher 11. An einer Verzweigungsstelle 12 teilt sich der vom inneren Wärmetauscher 1 1 kommende Kältemittelstrom in einen ersten Teilvolumenstrom auf, der ein erstes Expansionsorgan 6a und den ersten Verdampfer 7a durchströmt und in einen zweiten Kältemittelvolumenstrom, der ein zweites Expansionsorgan 6b und den zweiten Verdampfer 7b durchströmt. Nach Durchströmen der beiden Verdampfer 7a bzw. 7b vereinigen sich die beiden Kältemittelvolumenströme in einem Vereinigungspunkt 13. Von dort strömt das Kältemittel zurück zum inneren Wärmetauscher 1 1 und von dort zur Saugseite des Verdichters 2.
Der Verdampfer 7a kann z.B. einem vorderen Bereich einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs zugeordnet sein (Frontverdampfer) und der Verdampfer 7b einem hinteren Bereich der Fahrgastzelle (Heckverdampfer).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (1 ) eines Fahrzeugs, wobei der der Kältemittelkreislauf (1) von dem Kältemittel Kohlendioxid durchströmt ist, wobei Kältemittel
- von einem Verdichter (2) verdichtet und anschließend
- in einem Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher (3) von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem Kühlflüssigkeit durch den Kältemittel- /Flüssigkeitswärmetauscher (3) gepumpt wird, anschließend
- in einem Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) von dem mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem Umgebungsluft durch den Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) strömt, insbesondere gesaugt oder geblasen wird, anschließend
- in einem Expansionsorgan (6) entspannt wird, anschließend
- durch einen Verdampfer (7) strömt und anschließend
- vom Verdichter (2) angesaugt wird.
2. Von Kohlendioxid durchströmter Kältemittelkreislauf (1), der in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet folgende Komponenten aufweist:
- einen Verdichter (2),
- einen Gaskühler (3),
- einen Nachkühler (5),
- ein Expansionsorgan (6) und
- einen Verdampfer (7).
3. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler (5) ein Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher ist, über den Wärme von dem Kältemittel an die Umgebungsluft abgegeben wird.
4. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (3) ein Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher ist, über den der Kältemittelkreislauf (1 ) thermisch mit einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlmittelkreislauf (4) gekoppelt ist.
5. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (4) einen Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher (8) aufweist, über den Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
6. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) thermisch mit mindestens einer zu kühlenden elektrischen Komponente, insbesondere einem Hochvoltspeicher oder einer Leistungselektronik, gekoppelt ist.
7. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) thermisch mit einem Ladeluftkühler gekoppelt ist, der zur Kühlung der einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zuzuführenden Luft vorgesehen ist.
8. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler (5) in Fahrtrichtung (9) des Fahrzeugs betrachtet vorderhalb, oberhalb, unterhalb oder seitlich des Kühlflüssig- keits-/Umgebungsluftwärmetauschers (8) angeordnet ist, so dass Umgebungsluft nach dem Durchströmen des Nachkühlers (5) den Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher (8) durchströmt.
9. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, in Fahrtrichtung (9) des Fahrzeugs betrachtet, vorderhalb oder hinterhalb des Nachkühler (5), insbesondere hinterhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers (8), ein Gebläse (10) angeordnet ist.
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