WO2016005188A1 - Kältemittelkreislauf, insbesondere wärmepumpenkreislauf - Google Patents

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air
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Robert Mager
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Definitions

  • Refrigerant circuit in particular heat pump cycle
  • the present invention relates to a refrigerant circuit, in particular a planteosylcholine, with two-stage evaporation according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to provide a suitable for use in a vehicle refrigerant circuit or plantenikiauf, wherein the risk of icing of the ambient heat exchanger and the ambient heat exchanger of the refrigerant circuit is minimized.
  • the starting point of the invention is a refrigerant circuit for vehicles, in particular a heat pump cycle for vehicles, which, viewed in the flow direction of the refrigerant, has the following components:
  • a first refrigerant / air heat exchanger functioning as a subcooler, via which the refrigerant gives off heat to the ambient air, - a first expansion organ
  • a third refrigerant / air heat exchanger via which the refrigerant absorbs heat from the ambient air heat.
  • a central idea of the invention is that the particularly icing-prone third refrigerant / air heat exchanger, via which the refrigerant is to absorb heat from the environment, is arranged with respect to the first refrigerant / air heat exchanger that it is protected by this against icing ,
  • the first refrigerant / air heat exchanger is for this purpose arranged so that heated air flowing from the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler), the icing endangered third refrigerant / air heat exchanger or on or flows around.
  • the refrigerant circuit is arranged in a vehicle. Viewed in the direction of travel of the vehicle, the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) is arranged in front of the third icing / air heat exchanger, which is particularly susceptible to icing.
  • the particularly icing-prone third ingredient / air heat exchanger is downstream with respect to the flow direction of the ambient air (wind), i. arranged with respect to the first refrigerant / air heat exchanger, whereby, as already mentioned above, it is achieved that air flowing from the first refrigerant / air heat exchanger or air flow to the third refrigerant / air heat exchanger on or flows through.
  • the second refrigerant / air heat exchanger viewed in the direction of travel of the vehicle, is arranged in front of the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler).
  • the three refrigerant / air exchanger are thus arranged in the flow direction of the air or the wind in a row behind the other.
  • the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) and the second refrigerant / air heat exchanger and the third refrigerant / air heat exchanger are arranged in the direction of travel of the vehicle viewed in front of a drive motor, in particular in front of an internal combustion engine in the engine compartment of the vehicle.
  • the first and / or the second expansion element can be purely mechanically controlled, thermostatic expansion elements, which are very cost-effective.
  • Such purely mechanically controlled, thermostatic expansion organs "self-regulate", ie do not require any control electronics or the like.
  • first and / or the second expansion element could of course also be designed as an electrically controlled or regulated expansion element.
  • the condenser or gas cooler may be a refrigerant / air heat exchanger, i. around a heat exchanger, through which the compressed refrigerant gives off heat to the ambient air.
  • the condenser or gas cooler could also be a refrigerant / liquid heat exchanger, via which the refrigerant can carry heat, e.g. to a coolant circuit of the vehicle, in particular to a coolant circuit of the internal combustion engine emits.
  • FIG. 1 shows a refrigerant circuit according to the invention in a schematic representation.
  • the refrigerant circuit 1 shows a refrigerant circuit 1 which, viewed in the flow direction of the refrigerant (indicated by arrows 2 a, 2 b), has a Refrigerant compressor 3 and a condenser or gas cooler 4 aul utilizat.
  • the condenser or gas cooler 4 may be a refrigerant / air heat exchanger, ie a heat exchanger, via which the compressed and heated refrigerant releases heat to air for heating (eg the passenger compartment).
  • the condenser or gas cooler 4 may also be a refrigerant / liquid heat exchanger via which the compressed and heated refrigerant gives off heat to a liquid circuit of a vehicle.
  • the refrigerant gives heat to the air flowing through the first refrigerant / air heat exchanger 5 or flowing around from. As a result, the refrigerant is further cooled.
  • the refrigerant coming from the first refrigerant / air heat exchanger 5 is then expanded in a first expansion device 6 to a saturation vapor pressure which corresponds approximately to the dew point temperature of the air, or approximately at a temperature of 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7, 8, 9 or 10 K above the dew point temperature of the air.
  • the refrigerant After flowing through the second refrigerant / air heat exchanger 7, which acts as a first evaporator, the refrigerant is further expanded via a second expansion element 9 and then flows through a third refrigerant / air heat exchanger 10, in which the refrigerant heat from the ambient air or the wind From the third Kältmittei- / air heat exchanger 10, the refrigerant flows through a Collector (low-pressure collector) 11 back to the suction side of the refrigerant compressor.
  • a Collector low-pressure collector
  • a (high-pressure) collector (not shown) may be arranged after the first refrigerant / air heat exchanger 5.
  • the refrigerant circuit 1 shown in FIG. 1 can be installed in a vehicle.
  • the assembly 12 formed by the first, second and third refrigerant / air heat exchangers may be located forward of a drive motor (e.g., engine) of the vehicle.
  • the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) 5 when viewed in the direction of travel 13 of the vehicle, the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) 5 is arranged in front of the third refrigerant / air heat exchanger 10. This ensures that air flowing from the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) 5 flows through or flows through the third refrigerant / air heat exchanger 10. The air flowing out of the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) 5 is relatively warm and thus prevents icing of the third refrigerant / air heat exchanger 10.
  • the second refrigerant / air heat exchanger 7 viewed in the direction of travel 13 of the vehicle, can be arranged in front of the first refrigerant / air heat exchanger 5.
  • the second refrigerant / air heat exchanger 7 removes a certain amount of heat from the air or wind passing through it.
  • the cooled air coming from the second refrigerant / air heat exchanger 7 then flows through the first refrigerant / air heat exchanger 5. Since this air is cooled, it can easily absorb heat from the first refrigerant / air heat exchanger (subcooler) 5.

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Abstract

Wärmepumpenkreislauf (1), der, in Strömungsrichtung (2a, 2b) des Kältemittels betrachtet, folgende Komponenten aufweist: einen Verdichter (3), einen Kondensator oder Gaskühler (4),einen ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher als Unterkühler (5), über den das Kältemittel Wärme abgibt,ein erstes Expansionsorgan (6), einen ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (7), über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft (8) aufnimmt, ein zweites Expansionsorgan (9) und einen dritten Kältemittel-/Luffwärmetauscher (10), über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt. 12 stellt eine Anordnung der Wärmetauscher vor dem Antriebsmotor dar, 13 bezeichnet die Fahrtrichtung. Es soll die Gefahr des Vereisens der Umgebungswärmetauscher (7,10) minimiert werden.

Description

Kältemittelkreislauf, insbesondere Wärmepumpenkreislauf
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere einen Wärmepumpenkreisiauf, mit zweistufiger Verdampfung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei in Fahrzeugen eingesetzten Wärmepumpenkreisläufen stellt die Gefahr des Vereisens des „Umgebungswärmetauschers" bzw. Verdampfers ein zentrales Problem dar. Ein Vereisen des Umgebungswärmetauschers sollte verhindert werden, da ansonsten die Leistung der Wärmepumpe signifikant abfallen würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen für den Einsatz in einem Fahrzeug geeigneten Kältemittelkreislauf bzw. Wärmepumpenkreisiauf zu schaffen, bei dem die Gefahr des Vereisens des Umgebungswärmetauschers bzw. der Umgebungswärmetauscher des Kältemittelkreislaufs minimiert wird.
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 ein Kältemittelkreislauf für Fahrzeuge, insbesondere ein Wärmepumpenkreisiauf für Fahrzeuge, der, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, folgende Komponenten aufweist:
- einen Kältemitteiverdichter,
- einen Kondensator bzw. Gaskühler,
- einen als Unterkühler fungierenden ersten Kältemittel- /Luftwärmetauscher, über den das Kältemittel Wärme an die Umgebungsluft abgibt, - ein erstes Expansionsorgan,
- einen zweiten Kältemittel-/Luftwärmetauscher, über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt,
- ein zweites Expansionsorgan und
- einen dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher, über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft Wärme aufnimmt.
Ein zentraler Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der besonders vereisungsgefährdete dritte Kältemittel-/Luftwärmetauscher, über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebung aufnehmen soll, so in Bezug auf den ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher angeordnet ist, dass er durch diesen vor Vereisung geschützt ist. Der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher ist hierzu so angeordnet, dass erwärmte Luft, welche von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) abströmt, den vereisungsgefährdeten dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher an- oder durch- oder umströmt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug angeordnet. In Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet ist der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) vor dem besonders vereisungsgefährdeten dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher angeordnet. Anders ausgedrückt, ist der besonders vereisungsgefährdete dritte Käitemittel-/Luftwärmetauscher stromabwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft (Fahrtwind), d.h. in Bezug auf den ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher angeordnet, wodurch, wie oben bereits erwähnt, erreicht wird, dass von dem ersten Kältemittel- /Luftwärmetauscher abströmende Luft bzw. Fahrtwind den dritten Kältemittel- /Luftwärmetauscher an- oder durchströmt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kältemittel- /Luftwärmetauscher in Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet vor dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) angeordnet. Die drei Kältemittel-/Luftwäimetauscher sind also in Strömungsrichtung der Luft bzw. des Fahrtwinds in einer Reihe hintereinander angeordnet. insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Kältemittel- /Luftwärmetauscher (Unterkühler) und der zweite Kältemittel- /Luftwärmetauscher und der dritte Kältemittel-/Luftwärmetauscher in Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet vorderhalb eines Antriebsmotors, insbesondere vorderhalb eines Verbrennungsmotors im Motorraum des Fahrzeugs angeordnet sind.
Bei dem ersten und/oder dem zweiten Expansionsorgan kann es sich um rein mechanisch geregelte, thermostatische Expansionsorgane handeln, welche sehr kostengünstig sind. Derartige rein mechanisch geregelte, thermostatische Expansionsorgane regeln „selbsttätig", d.h. benötigen keinerlei Steuerungselektronik o.ä.
Alternativ dazu könnte das erste und/oder das zweite [Expansionsorgan natürlich auch als elektrisch gesteuertes bzw. geregeltes Expansionsorgan ausgebildet sein.
Bei dem Kondensator bzw. Gaskühler kann es sich um einen Kältemittel- /Luftwärmetauscher handeln, d.h. um einen Wärmetauscher, über den das verdichtete Kältemittel Wärme an die Umgebungsluft abgibt.
Alternativ dazu könnte es sich bei dem Kondensator bzw. Gaskühler auch um einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher handeln, über den das Kältemittel Wärme z.B. an einen Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs, insbesondere an einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, abgibt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1, der, in Strömungsrichtung des Kältemittels (angedeutet durch Pfeile 2a, 2b) betrachtet, einen Kältemittelverdichter 3 und einen Kondensator bzw. Gaskühler 4 aulweist. Bei dem Kondensator bzw. Gaskühler 4 kann es sich um einen Kältemittel- /Luftwärmetauscher handeln, d.h. um einen Wärmetauscher, über den das verdichtete und erhitzte Kältemittel Wärme an Luft zur Beheizung (z.B. des Fahrgastraums) abgibt.
Alternativ dazu kann es sich bei dem Kondensator bzw. Gaskühler 4 auch um einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher handeln, über den das verdichtete und erhitzte Kältemittel Wärme an einen Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs abgibt.
Das in dem Kondensator bzw. Gaskühler 4 entwärmte verdichtete Kältemittel durchströmt einen als Unterkühler fungierenden ersten Kältemittel- /Luftwärmetauscher 5. In dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 5 gibt das Kältemittel Wärme an die den ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 5 durch- bzw. umströmende Luft ab. Dadurch wird das Kältemittel weiter entwärmt. Das von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 5 kommende Kältemittel wird dann in einem ersten Expansionsorgan 6 auf einen Sättigungsdampfdruck entspannt, der in etwa der Taupunkttemperatur der Luft entspricht, oder der in etwa einer Temperatur von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 K oberhalb der Taupunkttemperatur der Luft entspricht.
Nach der Entspannung in dem ersten Expansionsorgan 6 erfolgt in einem zweiten KältemittelVLuftwärmetauscher 7 eine Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft bzw. dem Fahrtwind 8 (nicht kritische Wärmeaufnahme).
Nach dem Durchströmen des zweiten Kältemittel-/Luftwärmetauschers 7, der als erster Verdampfer fungiert, wird das Kältemittel über ein zweites Expansionsorgan 9 weiter entspannt und durchströmt anschließend einen dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 10, in dem das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft bzw. dem Fahrtwind aufnimmt Von dem dritten Kältemittei-/Luftwärmetauscher 10 strömt das Kältemittel über einen Sammler (Niederdrucksammler) 11 zurück zur Saugseite des Kältemittelverdichters 3.
Alternativ oder ergänzend zu dem Sammler 11 kann nach dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 5 ein (Hochdruck-)sammler (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Wie bereits erwähnt, kann der in Fig. 1 gezeigte Kältemittelkreislauf 1 in ein Fahrzeug eingebaut sein. Die durch den ersten, zweiten und dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher gebildete Anordnung 12 kann vorderhalb eines Antriebsmotors (z.B. Verbrennungsmotor) des Fahrzeugs angeordnet sein.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist, in Fahrtrichtung 13 des Fahrzeugs betrachtet, der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) 5 vorderhalb des dritten Kältemittel-/Luftwärmetauschers 10 angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) 5 abströmende Luft den dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 10 an- oder durchströmt. Die von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) 5 abströmende Luft ist relativ warm und verhindert somit ein Vereisen des dritten Kältemrttel-/Luftwärmetauschers 10.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann der zweite Kältemittel-/Luftwärmetauscher 7 in Fahrtrichtung 13 des Fahrzeugs betrachtet vorderhalb des ersten Kältemittel-/Luftwärmetauschers 5 angeordnet sein. Der zweite Kältemittel- /Luftwärmetauscher 7 entzieht der diesen durchströmenden Luft bzw. Fahrtwind eine gewisse Wärmemenge. Die von dem zweiten Kältemittel- /Luftwärmetauscher 7 kommende entwärmte Luft durchströmt anschließend den ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher 5. Da diese Luft entwärmt ist, kann sie gut Wärme von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (Unterkühler) 5 aufnehmen.

Claims

Patentansprüche Kältemittelkreislauf (1), insbesondere Wärmepumpenkreislauf, der, in Strömungsrichtung (2a, 2b) des Kältemittels betrachtet, folgende Komponenten aufweist:
- einen Verdichter (3),
- einen Kondensator oder Gaskühler (4),
- einen ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5), über den das Kältemittel Wärme abgibt,
- ein erstes Expansionsorgan (6),
- einen ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (7), über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft (8) aufnimmt,
- ein zweites Expansionsorgan (9) und
- einen dritten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (10), über den das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) so angeordnet ist, dass erwärmte Luft, welche von dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) abströmt, den dritten Kältemittel-/Luftwännetauscher (10) an-, durch- oder umströmt. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (1) in einem Fahrzeug angeordnet ist, wobei in Fahrtrichtung (13) des Fahrzeugs betrachtet, der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) vor dem dritten Kältemittel- /Luftwärmetauscher (10) angeordnet ist Kältemittelkreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-/Luftwärmetauscher (7), in Fahrtrichtung (13) des Fahrzeugs betrachtet, vor dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) angeordnet ist. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) und der zweite Kältemittel-/Luftwärmetauscher (7) und der dritte Kältemittel- /Luftwärmetauscher (10), in Fahrtrichtung (13) des Fahrzeugs betrachtet, vor einem Antriebsmotor, insbesondere vor einem Verbrennungsmotor, des Fahrzeugs angeordnet sind. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Expansionsorgan (6, 9) ein ausschließlich mechanisch gesteuertes bzw. geregeltes, thermostatisches Expansionsorgan ist Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Expansionsorgan (6, 9) ein elektrisch gesteuertes bzw. geregeltes Expansionsorgan ist. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten Kältemittel- /Luftwärmetauscher (10) und dem Verdichter (3) ein Sammler (11) angeordnet ist und/oder dass ein Hochdrucksammler nach dem ersten Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) angeordnet ist. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator bzw. Gaskühler (4) ein Kältemittel-/Luftwärmetauscher ist. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator bzw. Gaskühler (4) ein Kältemittel-/Kühlmittelwärmetauscher ist.
PCT/EP2015/064231 2014-07-07 2015-06-24 Kältemittelkreislauf, insbesondere wärmepumpenkreislauf WO2016005188A1 (de)

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