WO2012159814A1 - Wärmepumpenkreislauf für fahrzeuge - Google Patents

Wärmepumpenkreislauf für fahrzeuge Download PDF

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Florian Schneider
Robert Herbolzheimer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
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    • F25B2400/01—Heaters

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump cycle according to the preamble of claim 1.
  • a tumble dryer with a heat pump cycle in which a heater is arranged.
  • the heat pump cycle has - considered in the flow direction of the heat pump cycle flowing through the refrigerant - a compressor, a condenser, an additional heat exchanger, an evaporator and a heater.
  • the heater is between an exit of the evaporator and a suction port of the compressor, i. serially arranged in the heat pump cycle.
  • the heating is intended to raise the temperature in the heat pump cycle at the beginning of the drying process or in operating phases in which there is a risk that the compressor draws in liquid refrigerant to keep the refrigerant vaporous.
  • the object of the invention is to provide a heat pump cycle which is also suitable for other areas of technology.
  • the starting point of the invention is the idea to heat a vehicle, ie the passenger compartment of a vehicle and / or vehicle components, such as a high-voltage accumulator oa, which must be tempered by means of a heat pump assembly.
  • a vehicle ie the passenger compartment of a vehicle and / or vehicle components, such as a high-voltage accumulator oa, which must be tempered by means of a heat pump assembly.
  • the efficiency of a heat pump arrangement is dependent on the temperature of the ambient air used as the heat source. At low outdoor temperatures, such as in winter, the efficiency or the performance figure of a conventional heat pump system is so low that the use of a heat pump system is relatively uneconomical.
  • a central idea of the invention is to equip a vehicle with a heat pump cycle which, in contrast to conventional heat pump circuits, additionally has an electrical heating device by means of which heat can be supplied to the refrigerant flowing through the heat pump cycle.
  • a heat pump cycle which, in contrast to conventional heat pump circuits, additionally has an electrical heating device by means of which heat can be supplied to the refrigerant flowing through the heat pump cycle.
  • the heat pump cycle has two refrigerant branches through which refrigerant flows, namely a first refrigerant branch and a second refrigerant branch arranged or "connected" in parallel therewith.
  • a heat pump cycle according to the invention comprises a refrigerant compressor with a pressure outlet which is in fluid communication with an inlet of a first heat exchanger via a refrigerant line.
  • the first heat exchanger is intended to deliver heat from the refrigerant to the passenger compartment and / or the vehicle component to be heated (such as a high-voltage storage). in the flow direction of the refrigerant after the first heat exchanger is in the fluid system of the heat pump cycle a
  • branch point at which branches the heat pump cycle in the two above-mentioned refrigerant branches.
  • a second heat exchanger may be provided in a first of the two refrigerant branches.
  • the second heat exchanger acts as an evaporator. Heat contained in the ambient air or in the wind is released via the second heat exchanger to the cooler refrigerant flowing through the second heat exchanger.
  • the electric heating device is arranged in the second refrigerant branch arranged in parallel to the first refrigerant branch, which is a very central difference compared to the above-mentioned EP 1 983 095 A2.
  • the second refrigerant branch has a refrigerant tube through which refrigerant flows, or a component designed in another way and traversed by refrigerant, which can be heated by the electric heating device.
  • Each of the two refrigerant branches may be associated with a shut-off device via which the relevant refrigerant branch can be shut off.
  • the first refrigerant branch can be shut off via the associated obturator, so that the entire circulating refrigerant flows through the second refrigerant branch.
  • both refrigerant branches are flowed through in parallel by refrigerant.
  • the second refrigerant branch is shut off via the associated shut-off and the entire heat input via the second heat exchanger, ie on the heat contained in the ambient heat, takes place.
  • At least one expansion element is arranged.
  • an expansion element is arranged in each of the two refrigerant branches. It may be provided that a first expansion element is arranged in the first refrigerant branch in front of the second heat exchanger and a second expansion element is arranged in front of the heating device in the second refrigerant branch.
  • only a single expansion element can be provided, which is arranged in front of the "branch point" at which the heat pump cycle branches into the two refrigerant branches.
  • the second heat exchanger is arranged in the vehicle such that it is flowed through or through air or the wind. It can, for.
  • an electric fan may be provided which actively blows air through the second heat exchanger.
  • the second refrigerant branch or its components is not or at least not directly from the airstream flows through or are, but protected in the vehicle, especially in the engine compartment of the vehicle is or are.
  • Heating device in a "bypass to the second heat exchanger" is structurally very easy to implement, z. B. as "electrically heated refrigerant pipe”.
  • the invention is particularly suitable for hybrid or pure electric vehicles.
  • the heat pump assembly may be used to heat high voltage components, such as high voltage components.
  • a high-voltage memory or power electronics to be tempered high-voltage components can thus be placed anywhere in the vehicle. They do not necessarily have to be arranged in the vehicle interior.
  • FIGURE 1 shows the basic principle of the invention in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows a heat pump cycle 1 with a refrigerant compressor 2, which is connected via a fluid line 3 to an inlet 4 of a first heat exchanger 5. From the refrigerant compressor 2 compressed and correspondingly heated refrigerant flows through the first heat exchanger 5 and thereby transfers heat to a passenger compartment of a vehicle not shown here or to a vehicle component to be heated (not shown) of the vehicle, which is symbolized by an arrow 6.
  • An outlet 7 of the first heat exchanger 5 is connected via a refrigerant line 8 to a branch point 9 at which the heat pump cycle 1 branches into a first refrigerant branch 10 and a second refrigerant branch 11.
  • the first refrigerant branch 10 has a first expansion element 12, in which the refrigerant coming from the first heat exchanger 5 is expanded and cooled.
  • the cooled refrigerant coming from the first expansion element 12 flows through a second heat exchanger 13, which absorbs heat from the ambient air, which is symbolized by arrows 14.
  • the second heat exchanger 13 may be arranged in the vehicle so that it is directly circulates or flows through the airstream.
  • An outlet 15 of the second heat exchanger 13 is in fluid communication via a fluid line 16 and a collector 17 with a suction port of the refrigerant compressor 2.
  • the second refrigerant branch 11 is arranged parallel to the first refrigerant branch 10 and, viewed in the flow direction of the refrigerant, has a second expansion element 19 and a component 21, which can be heated by an electrical heating device 20 and is flowed through by refrigerant.
  • the component 21 may be, for example, a simple refrigerant pipe through which the refrigerant flows, or may also be a heat exchanger.
  • a shut-off device may be provided in each of the two refrigerant branches 10, 11, e.g. in the region between the branching point 9 and the first or second expansion element 12, 19.
  • the expansion elements 12, 19 may be designed as lockable expansion elements. In this way, in principle, three different operating states can be "driven", namely:
  • a first operating state in which the two refrigerant branches 10, 1 1 are flowed through in parallel by refrigerant.
  • Refrigerant branch 10 flows, which is e.g. at high ambient air temperatures (transition season or summer operation) may be useful.
  • a third operating state in which the first refrigerant branch 10 is shut off and the entire refrigerant volume flow flows through the second refrigerant branch 11, which is e.g. at low ambient air temperatures (winter operation) can be useful.
  • the refrigerant may be preheated by the electric heater 20.

Abstract

Wärmepumpenkreislauf (1) zum Beheizen eines Fahrgastraums und/oder einer Fahrzeugkomponente, wobei eine elektrische Heizeinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der den Wärmepumpenkreislauf durchströmendes Kältemittel erwärmbar ist.

Description

Wärmepumpenkreislauf für Fahrzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmepumpenkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der EP 1 983 095 A2 ist ein Wäschetrockner mit einem Wärmepumpenkreislauf bekannt, in dem eine Heizung angeordnet ist. Der Wärmepumpenkreislauf weist - in Strömungsrichtung des den Wärmepumpenkreislauf durchströmenden Kältemittels betrachtet - einen Kompressor, einen Kondensator, einen Zusatzwärmetauscher, einen Verdampfer und eine Heizung auf. Die Heizung ist zwischen einem Ausgang des Verdampfers und einem Sauganschluss des Kompressors, d.h. seriell im Wärmepumpenkreislauf angeordnet. Die Heizung ist dazu vorgesehen, zu Beginn des Trocknungsvorgangs die Temperatur im Wärmepumpenkreislauf anzuheben bzw. in Betriebsphasen, in denen die Gefahr besteht, dass der Kompressor flüssiges Kältemittel ansaugt, das Kältemittel dampfförmig zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmepumpenkreislauf zu schaffen, der auch für andere Technologiebereiche geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausgangspunkt der Erfindung ist der Gedanke, ein Fahrzeug, d.h. den Fahrgastraum eines Fahrzeugs und/oder Fahrzeugkomponenten, wie z.B. einen Hochvoltspeicher o.a., die temperiert werden müssen, mittels einer Wärmepumpenanordnung zu heizen. Bekanntlich ist der Wirkungsgrad einer Wärmepumpenanordnung von der Temperatur der als Wärmequelle verwendeten Umgebungsluft abhängig. Bei niedrigen Außentemperaturen, wie z.B. im Winter, ist der Wirkungsgrad bzw. die Leistungsziffer eines herkömmlichen Wärmepumpensystems so gering, dass ein Einsatz eines Wärmepumpensystems relativ unwirtschaftlich ist.
Ein zentraler Gedanke der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einem Wärmepumpenkreislauf auszustatten, der im Unterschied zu herkömmlichen Wärmepumpenkreisläufen zusätzlich eine elektrische Heizeinrichtung aufweist, mittels der dem den Wärmepumpenkreislauf durchströmenden Kältemittel Wärme zuführbar ist. Durch "Vorwärmen" des Kältemittels kann somit auch bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen ein hinreichend hoher Wirkungsgrad bzw. eine hinreichend hohe Leistungszahl erreicht werden, die einen Einsatz in Fahrzeugen sinnvoll erscheinen lässt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmepumpenkreislauf zwei von Kältemittel durchströmte Kältemittelzweige auf, nämlich einen ersten Kältemittelzweig und einen dazu parallel angeordneten bzw. "geschalteten" zweiten Kältemittelzweig.
Ein Wärmepumpenkreis gemäß der Erfindung weist einen Kältemittelverdichter mit einem Druckausgang auf, der über eine Kältemitteleitung mit einem Eingang eines ersten Wärmeübertragers in Fluidverbindung steht. Der erste Wärmeübertrager ist dazu vorgesehen, Wärme vom Kältemittel an den Fahrgastraum und/oder die zu beheizende Fahrzeugkomponente (wie z.B. einen Hochvoltspeicher) abzugeben. in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet nach dem ersten Wärmeübertrager ist im Fluidsystem des Wärmepumpenkreislaufs eine
„Verzweigungsstelle" vorgesehen, an der sich der Wärmepumpenkreislauf in die beiden oben erwähnten Kältemittelzweige verzweigt.
In einem ersten der beiden Kältemittelzweige kann ein zweiter Wärmeübertrager vorgesehen sein. Im Wärmepumpenbetrieb fungiert der zweite Wärmeübertrager als Verdampfer. In der Umgebungsluft bzw. im Fahrtwind enthaltene Wärme wird über den zweiten Wärmeübertrager an das den zweiten Wärmeübertrager durchströmende kühlere Kältemittel abgegeben.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Heizeinrichtung in dem zum ersten Kältemittelzweig parallel angeordneten zweiten Kältemittelzweig angeordnet, was ein ganz zentraler Unterschied gegenüber der eingangs erwähnten EP 1 983 095 A2 ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der zweite Kältemittelzweig ein von Kältemittel durchströmtes Kältemrrtelrohr oder eine andersartig gestaltete, von Kältemittel durchströmte Komponente aufweist, welche durch die elektrische Heizeinrichtung beheizbar ist.
Jedem der beiden Kältemittelzweige kann ein Absperrorgan zugeordnet sein, über das der betreffende Kältemittelzweig abgesperrt werden kann. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen, bei denen ein signifikanter Wärmeeintrag über den zweiten Wärmeübertrager nicht möglich ist, kann der erste Kältemittelzweig über das zugeordnete Absperrorgan abgesperrt werden, so dass das gesamte umlaufende Kältemittel den zweiten Kältemittelzweig durchströmt.
Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass beide Kältemittelzweige parallel von Kältemittel durchströmt werden. In einem weiteren Betriebsmodus kann vorgesehen sein, dass der zweite Kältemittelzweig über das zugeordnete Absperrorgan abgesperrt ist und der gesamte Wärmeeintrag über den zweiten Wärmeübertrager, d.h. über die in der Umgebungslutt enthaltene Wärme, erfolgt.
Zwischen einem Ausgang des ersten Wärmeübertragers einerseits und dem zweiten Wärmeübertrager und der Heizeinrichtung andererseits ist mindestens ein Expansionsorgan angeordnet. Vorzugsweise ist in jedem der beiden Kältemittelzweige jeweils ein Expansionsorgan angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass im ersten Kältemittelzweig vor dem zweiten Wärmeübertrager ein erstes Expansionsorgan und im zweiten Kältemittelzweig vor der Heizeinrichtung ein zweites Expansionsorgan angeordnet ist.
Alternativ dazu kann auch nur ein einziges Expansionsorgan vorgesehen sein, das vor der „Verzweigungsstelle", an der sich der Wärmepumpenkreislauf in die beiden Kältemittelzweige verzweigt, angeordnet ist.
Wie bereits erwähnt, ist der zweite Wärmeübertrager so im Fahrzeug angeordnet, dass er von Luft bzw. vom Fahrtwind um- bzw. durchströmt wird. Es kann z. B. ein Elektrolüfter vorgesehen sein, der aktiv Luft durch den zweiten Wärmeübertrager bläst. Im Unterschied dazu kann vorgesehen sein, dass der zweite Kältemittelzweig bzw. dessen Komponenten nicht oder zumindest nicht unmittelbar vom Fahrtwind um- oder durchströmt ist bzw. sind, sondern geschützt im Fahrzeug, insbesondere im Motorraum des Fahrzeugs angeordnet ist bzw. sind.
Mit einem Wärmepumpenkreislauf gemäß der Erfindung kann im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpenkreisläufen (ohne Heizeinrichtung) bei ansonsten unverändert dimensionierten Kreislaufkomponenten eine signifikante Leistungssteigerung erreicht werden. Dies ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz in Fahrzeugen und zwar auch in der kalten Jahreszeit, d.h. bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen. Die Anordnung der elektrischen
Heizeinrichtung in einem "Bypass zum zweiten Wärmeübertrager" ist konstruktiv sehr einfach umsetzbar, z. B. als "elektrisch beheiztes Kältemittelrohr".
Die Erfindung ist insbesondere auch für Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge geeignet. Hier kann die Wärmepumpenanordnung zum Beheizen von Hochvoltkomponenten, wie z.B. eines Hochvoltspeichers oder einer Leistungselektronik, verwendet werden. Zu temperierende Hochvoltkomponenten können somit an beliebiger Stelle im Fahrzeug angeordnet werden. Sie müssen nicht unbedingt im Fahrzeuginnenraum angeordnet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung.
Figur 1 zeigt einen Wärmepumpenkreislauf 1 mit einem Kältemittelverdichter 2, der über eine Fluidleitung 3 mit einem Eingang 4 eines ersten Wärmeübertragers 5 verbunden ist. Vom Kältemittelverdichter 2 verdichtetes und entsprechend erwärmtes Kältemittel durchströmt den ersten Wärmeübertrager 5 und gibt dabei Wärme an einen Fahrgastraum eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs oder an eine zu beheizende Fahrzeugkomponente (nicht dargestellt) des Fahrzeugs ab, was durch einen Pfeil 6 symbolisiert ist.
Ein Ausgang 7 des ersten Wärmeübertragers 5 ist über eine Kältemittelleitung 8 mit einer Verzweigungsstelle 9 verbunden, an der sich der Wärmepumpenkreislauf 1 in einen ersten Kältemittelzweig 10 und einen zweiten Kältemittelzweig 1 1 verzweigt. Der erste Kältemittelzweig 10 weist ein erstes Expansionsorgan 12 auf, in dem das vom ersten Wärmeübertrager 5 kommende Kältemittel entspannt und abgekühlt wird. Das vom ersten Expansionsorgan 12 kommende abgekühlte Kältemittel durchströmt einen zweiten Wärmeübertrager 13, der Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt, was durch Pfeile 14 symbolisiert ist. Der zweite Wärmeübertrager 13 kann so im Fahrzeug angeordnet sein, dass er unmittelbar vom Fahrtwind um- oder durchströmt wird. Ein Ausgang 15 des zweiten Wärmeübertragers 13 steht über eine Fluidleitung 16 und einen Sammler 17 mit einem Sauganschluss des Kältemittelverdichters 2 in Fluidverbindung.
Der zweite Kältemittelzweig 11 ist parallel zum ersten Kältemittelzweig 10 angeordnet und weist in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, ein zweites Expansionsorgan 19 und eine von einer elektrischen Heizeinrichtung 20 beheizbare, von Kältemittel durchströmte Komponente 21 auf. Bei der Komponente 21 kann es sich beispielsweise um ein einfaches, von Kältemittel durchströmtes Kältemittelrohr oder ebenfalls um einen Wärmeübertrager handeln.
Alternativ zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch nur ein einziges Expansionsorgan vorgesehen sein. Es kann - in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet - vor der Verzweigungsstelle 9 angeordnet sein.
Zusätzlich kann in jedem der beiden Kältemittelzweige 10, 1 1 ein Absperrorgan vorgesehen sein, z.B. im Bereich zwischen der Verzweigungsstelle 9 und dem ersten bzw. zweiten Expansionsorgan 12, 19. Alternativ dazu können die Expansionsorgane 12, 19 auch als absperrbare Expansionsorgane ausgeführt sein. Auf diese Weise können prinzipiell drei verschiedene Betriebszustände "gefahren" werden, nämlich:
Ein erster Betriebszustand, in dem die beiden Kältemittelzweige 10, 1 1 parallel von Kältemittel durchströmt werden. Ein zweiter Betriebszustand, bei dem der zweite Kältemittelzweig 11 abgesperrt ist und der gesamte Kältemittelstrom durch den ersten
Kältemittelzweig 10 strömt, was z.B. bei hohen Umgebungslufttemperaturen (Obergangsjahreszeit bzw. Sommerbetrieb) sinnvoll sein kann.
Einen dritten Betriebszustand, in dem der erste Kältemittelzweig 10 abgesperrt und der gesamte Kältemittelvolumenstrom durch den zweiten Kältemittelzweig 1 1 strömt, was z.B. bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen (Winterbetrieb) sinnvoll sein kann. In diesem Fall kann das Kältemittel über die elektrische Heizeinrichtung 20 (vor-)gewärmt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmepumpenkreislauf (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreislauf (1) ein Wärmepumpenkreislauf (1 ) eines Fahrzeugs ist und zum Beheizen eines Fahrgastraums und/oder einer Fahrzeugkomponente vorgesehen ist, und eine elektrische Heizeinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der den Wärmepumpenkreislauf durchströmendes Kältemittel erwärmbar ist,
2. Wärmepumpenkreislauf nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreislauf (1) einen ersten, von Kältemittel durchströmten Kältemittelzweig (10) und einen dazu parallelen zweiten, von Kältemittel durchströmten Kältemittelzweig (1 1) aufweist.
3. Wärmepumpenkreislauf nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreislauf (1) einen Kältemittelverdichter (2) mit einem Druckausgang aufweist, der mit einem Eingang (4) eines ersten Wärmeübertragers (5) in Fluid- verbindung steht, über den Wärme (6) unmittelbar oder mittelbar von dem Kältemittel an den Fahrgastraum und/oder die beheizende Fahrzeugkomporiente abgebbar ist.
4. Wärmepumpenkreislauf nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, nach dem ersten Wärmeübertrager (5) eine Verzweigungsstelle (9) vorgesehen ist, an der sich der Wärmepumpenkreislauf (1) in die beiden Kältemittelzweige (10, 11) verzweigt,
5. Wärmepumpenkreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kältemittelzweig (10) ein von Luft, insbesondere von Fahrtwind, durchströmter zweiter
Wärmeübertrager (13) angeordnet ist.
6. Wärtnepumpenkreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (20) in dem zweiten Kältemittelzweig (1 1) angeordnet ist.
7. Wärmepumpenkreisiauf nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelzweig (11 ) ein von Kältemittel durchströmtes Kältemittelrohr (21) aufweist, welches durch die elektrische Heizeinrichtung beheizbar ist.
8. Wärmepumpenkreisiauf nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Ausgang (7) des ersten Wärmeübertragers (5) einerseits und dem zweiten Wärmeübertrager (13) und der Heizeinrichtung (20) andererseits, mindestens ein Expansionsorgan (12, 19) angeordnet ist.
9. Wärmepumpenkreisiauf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kältemittelzweig (10) vor dem zweiten Wärmeübertrager (13) ein erstes Expansionsorgan (12) angeordnet ist.
10. Wärmepumpenkreisiauf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kältemittelzweig (1 1) vor der elektrischen Heizeinrichtung (20) ein zweites Expansionsorgan (19) angeordnet ist.
11. Wärmepumpenkreisiauf nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten und/oder dem zweiten Kältemittelzweig (10, 1 1) ein Absperrorgan zum wahlweisen Absperren eines der beiden Kältemittelzweige (10, 11) vorgesehen ist 12. Wärmepumpenkreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelzweig (11) bzw. dessen Komponenten nicht, zumindest nicht unmittelbar von Luft bzw. von Fahrtwind um- oder durchströmt ist bzw. sind.
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