WO2022106119A1 - Kühleinrichtung für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2022106119A1 PCT/EP2021/077724 EP2021077724W WO2022106119A1 WO 2022106119 A1 WO2022106119 A1 WO 2022106119A1 EP 2021077724 W EP2021077724 W EP 2021077724W WO 2022106119 A1 WO2022106119 A1 WO 2022106119A1
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Johannes Hübel
Jan Gaertner
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Mercedes-Benz Group AG
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Definitions

  • the invention relates to a cooling device for a vehicle, comprising a refrigeration circuit with a refrigerant circulating in it, the refrigeration circuit having a compressor for compressing the refrigerant and a condenser arranged downstream of this for condensing the refrigerant, which is followed by two evaporators, the two evaporators having are coupled to an ejector.
  • DE 10 2016 010 073 A1 discloses a cooling device for a motor vehicle which has a refrigerant circuit through which a refrigerant can flow, in which at least one ejector is arranged, to which the refrigerant can be supplied via a first inlet and a second inlet.
  • the refrigerant circuit has a first refrigerant branch, in which the ejector and, downstream of the ejector, a cooling element for cooling an energy store of the motor vehicle are arranged.
  • the ejector is arranged in a second refrigerant branch and an evaporator is arranged upstream of the ejector.
  • the flow rate and the driving pressure of the ejector are fixed by the fixed geometry of the ejector, which forms a static component, in particular its driving nozzle.
  • this fixed geometry restricts an operating window for the ejector and thus for the entire cooling device.
  • the object of the invention is to specify a cooling device for a vehicle with which the operating window of the ejector is expanded by a large number of operating points.
  • the object is achieved with a cooling device in that the evaporators are each positioned in a refrigerant branch, which branches behind the condenser in the flow direction of the refrigerant, with the first evaporator providing a motive flow for the ejector and the second evaporator providing a suction flow for the ejector coupled by the ejector downstream to the compressor, the ejector having an adjustable bypass to adjust the motive flow of the ejector.
  • This has the advantage that a mass flow of the refrigerant flowing through an ejector nozzle and a pressure in the ejector nozzle can be regulated via the bypass. As a result, the ejector works at both low and high propellant mass flows. The operating range of the ejector is thus expanded, which leads to an increase in the cooling capacity of the cooling device.
  • the bypass advantageously includes a controllable valve.
  • a controllable valve By using the valve, part of the partial mass flow of the refrigerant is routed past the ejector with a structurally simple and inexpensive component, whereby a pressure in the first evaporator is regulated and the maximum possible cooling capacity is increased.
  • the ejector can also be designed for operating points with lower propellant mass flows.
  • the first evaporator for cooling an electric unit of the vehicle is in an operative connection with the latter.
  • the application for electric units enables a direct reaction to different requirements of the component to be cooled.
  • the second evaporator for cooling a vehicle interior is in an operative connection with the latter.
  • the interior of the vehicle can also be reliably adjusted to the desired temperatures.
  • a first expansion device for expanding the refrigerant is arranged in the first refrigerant branch upstream of the first evaporator. That Expansion valve regulates the pressure of the refrigerant in the first refrigerant branch for a controlled flow to the first evaporator.
  • a second expansion device for expanding the refrigerant is arranged in the second refrigerant branch upstream of the second evaporator. This expansion valve regulates the pressure of the refrigerant in the second refrigerant branch for a controlled flow to the second evaporator.
  • the vehicle has an electric drive, with the first evaporator being operatively connected to a traction battery of the electric drive in order to cool it.
  • the use of the controllable ejector enables the implementation of different evaporation pressure levels in the evaporators of the refrigeration circuit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the cooling device according to the invention.
  • the cooling device 1 shows a cooling device such as can be used in electrically driven vehicles, such as electric or hybrid vehicles.
  • the cooling device 1 has a refrigeration circuit 3 through which a refrigerant flows and comprises two refrigerant branches 5 , 7 through which the refrigerant can flow.
  • the first evaporator 11 is part of a cooling circuit 13 in which a traction battery 15 that provides energy for an electric motor and is cooled by the first evaporator 11 is arranged.
  • An ejector 17 with a first inlet 19 and a second inlet 21 for supplying the refrigerant is arranged downstream of the first evaporator 11 .
  • An exit 23 of the ejector 17 leads the refrigerant to a compressor 25 which is arranged downstream of the ejector 17 and which compresses the refrigerant supplied to it.
  • the compressed refrigerant is condensed with the aid of the condenser 27 arranged downstream of the compressor 25 in the direction of flow of the refrigerant, with the resulting heat being released to the surroundings of the vehicle.
  • the liquefied refrigerant is fed back to the two refrigerant branches 5, 7.
  • a second expansion valve 29 is positioned upstream of a second evaporator 31 which is in thermal communication with an interior of the vehicle and which is connected downstream to the second inlet 21 of the ejector 17 .
  • the output of the first evaporator 11 is routed to the first input 19 of the ejector 17 .
  • the ejector 17 has a bypass 33 via which part of the partial mass flow of the refrigerant flowing through the first refrigerant branch 5 is guided.
  • a controllable valve 35 for adjusting the partial mass flow of the refrigerant is arranged in the bypass 33 .
  • an ejector 17 should be understood to mean a type of jet pump that works according to the Venturi principle.
  • the ejector 17 has at least one nozzle working according to the Venturi principle.
  • a propellant medium provided by the first refrigerant branch 5 is fed to the elector 17 via the first inlet 19 and is used to draw in a suction medium provided by the second refrigerant branch 7 via the second inlet 21 .
  • the second inlet 21 is associated with a narrowing of the cross section of the ejector 17, behind which the motive medium and the suction medium combine and are mixed with one another in the outlet 23 and discharged from the ejector 17 at a pressure p3.
  • the refrigerant has a pressure p1.
  • the refrigerant divided into the two refrigerant branches 5, 7 has different pressures.
  • the pressure p2 of the second evaporator 13 arranged in the second refrigerant branch 7 always remains constant.
  • the pressure in the first evaporator 11 depends on the mass flow distribution in the two evaporator branches.
  • the heat transfer in the first evaporator 11 is significantly influenced by this pressure.
  • the static ejector nozzle is designed for one operating point. With a higher partial mass flow through the first refrigerant branch, the pressure in the first evaporator 11 increases.
  • the compressor 25 must be regulated back to the maximum temperature of the refrigerant for sufficient heat transfer in the first evaporator 11 not to be exceeded.
  • the maximum performance of the refrigeration circuit 3 is limited.
  • a partial mass flow can be routed past the ejector 17 by the controllable valve 35 of the bypass 33, as a result of which the pressure in the first evaporator 11 is regulated and the maximum possible cooling capacity is increased.
  • the ejector 17 can thus be designed for operating points with lower propellant mass flows. The ejector 17 thus works in the optimum operating window both at lower and at higher mass flows in comparison to a system without a bypass. As a result, the range of load points in which an increase in cooling capacity is achieved is significantly increased.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für ein Fahrzeug, umfassend einen Kältekreislauf (3) mit einem in diesem zirkulierenden Kältemittel, wobei der Kältekreislauf (3) einen Verdichter (25) zum Verdichten des Kältemittels und einen diesem nachgeordneten Kondensator (27) zum Kondensieren des Kältemittels aufweist, dem zwei Verdampfer (11, 31) nachgeordnet sind, wobei die beiden Verdampfer (11, 31) mit einem Ejektor (17) gekoppelt sind. Bei einer Kühleinrichtung, mit welcher das Betriebsfenster des Ejektors um eine Vielzahl von Betriebspunkten erweitert wird, sind die Verdampfer (11, 31) in je einem Kältemittelzweig (5, 7), welche sich in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Kondensator (27) verzweigen, positioniert, wobei der erste Verdampfer (11) einen Treibstrom des Ejektors (17) und der zweite Verdampfer (31) einen Saugstrom des Ejektor (17) bereitstellen, die durch den Ejektor (17) gekoppelt stromabwärts an den Verdichter (25) führen, wobei der Ejektor (17) einen verstellbaren Bypass (33) zur Anpassung des Treibstroms des Ejektors (17) aufweist.

Description

Kühleinrichtung für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für ein Fahrzeug, umfassend einen Kältekreislauf mit einem in diesem zirkulierenden Kältemittel, wobei der Kältekreislauf einen Verdichter zum Verdichten des Kältemittels und einen diesem nachgeordneten Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels aufweist, dem zwei Verdampfer nachgeordnet sind, wobei die beiden Verdampfer mit einem Ejektor gekoppelt sind.
Aus der DE 10 2016 010 073 A1 ist eine Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf aufweist, in welchem wenigstens ein Ejektor angeordnet ist, dem das Kältemittel über einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zuführbar ist. Der Kältemittelkreislauf weist einen ersten Kältemittelzweig auf, in welchem der Ejektor und stromab des Ejektors ein Kühlelement zum Kühlen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeuges angeordnet sind. In einem zweiten Kältemittelzweig sind der Ejektor und stromauf des Ejektors ein Verdampfer angeordnet, wobei dem Ejektor über den ersten Eingang das Kältemittel aus dem ersten Kühlmittelzweig als Treibmedium und über den zweiten Eingang das Kältemittel des zweiten Kältemittels als Saugmedium zuführbar sind. Durch die feste Geometrie des ein statisches Bauteil bildenden Ejektors, insbesondere dessen Treibdüse, sind die Durchflussmenge sowie der Treibdruck des Ejektors festgelegt. Bei einem Einsatz des Ejektors in einer Anwendung mit vielen unterschiedlichen Lastpunkten, wie beispielsweise einer Klimaanlage eines Fahrzeuges, führt diese feste Geometrie zur Einschränkung eines Betriebsfensters des Ejektors und damit der gesamten Kühleinrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung für ein Fahrzeug anzugeben, mit welcher das Betriebsfenster des Ejektors um eine Vielzahl von Betriebspunkten erweitert wird. Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einer Kühleinrichtung dadurch gelöst, dass die Verdampfer in je einem Kältemittelzweig, welche sich in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Kondensator verzweigen, positioniert sind, wobei der erste Verdampfer einen Treibstrom des Ejektors und der zweite Verdampfer einen Saugstrom des Ejektor bereitstellen, die durch den Ejektor gekoppelt stromabwärts an den Verdichter führen, wobei der Ejektor einen verstellbaren Bypass zur Anpassung des Treibstroms des Ejektors aufweist. Dies hat den Vorteil, dass ein durch eine Ejektordüse strömender Massenstrom des Kältemittels und ein Druck in der Ejektordüse über den Bypass geregelt werden kann. Dadurch arbeitet der Ejektor sowohl bei geringen als auch bei höheren Treibmassenströmen. Somit wird der Betriebsbereich des Ejektors erweitert, was zu einer Steigerung der Kälteleistung der Kühleinrichtung führt.
Vorteilhafterweise umfasst der Bypass ein regelbares Ventil. Durch die Verwendung des Ventils wird mit einem konstruktiv einfachen und kostengünstigen Bauteil ein Teil des Teilmassenstrom des Kältemittels am Ejektor vorbei geleitet, wodurch ein Druck im ersten Verdampfer geregelt wird und die maximal mögliche Kühlleistung erhöht wird. Der Ejektor kann aber auch auf Betriebspunkte mit geringeren Treibmassenströmen ausgelegt werden.
In einer Ausgestaltung steht der erste Verdampfer zur Kühlung eines Elektroaggregats des Fahrzeuges mit diesem in einer Wirkverbindung. Die Anwendung für Elektroaggregate ermöglich eine direkte Reaktion auf unterschiedliche Anforderungen der zu kühlenden Komponente.
In einer Variante steht der zweite Verdampfer zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraumes mit diesem in einer Wirkverbindung. Dabei kann gleichzeitig mit der Kühlung eines Elektroaggregates auch der Innenraum des Fahrzeuges zuverlässig an die gewünschten Temperaturen angepasst werden.
In einer Variante ist in dem ersten Kältemittelzweig stromauf des ersten Verdampfers eine erste Expansionseinrichtung zum Expandieren des Kältemittels angeordnet. Das Expansionsventil reguliert den Druck des Kältemittels im ersten Kältemittelzweig für einen kontrollierten Zufluss zum ersten Verdampfer.
In einer Ausführungsform ist in dem zweiten Kältemittelzweig stromauf des zweiten Verdampfers eine zweite Expansionseinrichtung zum Expandieren des Kältemittels angeordnet. Dieses Expansionsventil reguliert den Druck des Kältemittels im zweiten Kühlmittelzweig für einen kontrollierten Zufluss zum zweiten Verdampfer.
Es ist von Vorteil, wenn das Fahrzeug einen elektrischen Antrieb aufweist, wobei der erste Verdampfer mit einer Traktionsbatterie des elektrischen Antriebs zu deren Kühlung wirkverbunden ist. Der Einsatz des regelbaren Ejektors ermöglicht eine Implementierung unterschiedlicher Verdampfungsdruckniveaus in den Verdampfern des Kältekreislaufes.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.
In Fig. 1 ist eine Kühleinrichtung dargestellt, wie sie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie Elektro- oder Hybridfahrzeugen, eingesetzt werden kann. Die Kühleinrichtung 1 weist einen Kältekreislauf 3 auf, der von einem Kältemittel durchflossen ist und umfasst zwei von dem Kältemittel durchströmbare Kältemittelzweige 5, 7. In dem ersten Kältemittelzweig 5 ist ein erstes Expansionsventil 9 stromaufwärts zu einem ersten Verdampfer 11 angeordnet. Der erste Verdampfer 11 ist Bestandteil eines Kühlkreislaufes 13 in welchem eine Energie für einen Elektromotor bereitstellende Traktionsbatterie 15 angeordnet ist, welche vom ersten Verdampfer 11 gekühlt wird.
Stromabwärts des ersten Verdampfers 11 ist ein Ejektor 17 mit einem ersten Eingang 19 und einem zweiten Eingang 21 zur Zuführung des Kältemittels angeordnet. Ein Ausgang 23 des Ejektors 17 führt das Kältemittel auf ein stromabwärts zum Ejektor 17 angeordneten Verdichter 25, welcher das ihm zugeführte Kältemittel verdichtet. Das verdichtete Kältemittel wird mit Hilfe des dem Verdichter 25 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach geordneten Kondensator 27 verflüssigt, wobei die dabei entstehende Wärme an die Umgebung des Fahrzeuges abgegeben wird. Dem Kältekreislauf 3 folgend, wird das verflüssigte Kältemittel wieder den beiden Kältemittelzweigen 5, 7 zugeführt.
Im zweitem Kältemittelzweig 7 ist ein zweites Expansionsventil 29 stromaufwärts zu einem, mit einem Innenraum des Fahrzeuges in einer Wärmeverbindung stehenden zweiten Verdampfer 31 positioniert, welcher stromabwärts mit dem zweiten Eingang 21 des Ejektors 17 verbunden ist. An den ersten Eingang 19 des Ejektors 17 ist der Ausgang des erstem Verdampfers 11 geführt. Dem Ejektor 17 ist ein Bypass 33 ausgeführt, über weichen ein Teil des Teilmassenstrom des durch den ersten Kältemittelzweig 5 strömenden Kältemittels geführt wird. In dem Bypass 33 ist ein regelbares Ventil 35 zur Einstellung des Teilmassenstroms des Kältemittels angeordnet.
Im Weiteren soll unter einem Ejektor 17 eine Art Strahlpumpe verstanden werden, die nach dem Venturi-Prinzip arbeitet. Der Ejektor 17 weist mindestens eine nach dem Venturi-Prinzip arbeitende Düse auf. Über den ersten Eingang 19 wird dem Elektor 17 ein von dem ersten Kältemittelzweig 5 bereitgestelltes Treibmedium zugeführt, welches genutzt wird, um über den zweiten Eingang 21 ein Saugmedium, welches von dem zweiten Kältemittelzweig 7 bereitgestellt wird, anzusaugen. Dabei ist der zweite Eingang 21 einer Querschnittverjüngung des Ejektors 17 zugeordnet, hinter dem sich das Treibmedium und das Saugmedium vereinen und in dem Ausgang 23 miteinander vermischt werden und mit einem Druck p3 aus dem Ejektor 17 abgeführt werden.
Am Ausgang des Kondensators 27 weist das Kältemittel einen Druck p1 auf. Das in den beiden Kältemittelzweigen 5, 7 aufgeteilte Kältemittel weist unterschiedliche Drücke auf. Der Druck p2 des im zweiten Kältemittelzweig 7 angeordneten zweiten Verdampfers 13 bleibt immer konstant. Der Druck im ersten Verdampfer 11 ist abhängig von der Massenstromverteilung in den beiden Verdampfersträngen. Die Wärmeübertragung im ersten Verdampfer 11 wird maßgeblich durch diesen Druck beeinflusst. Die statische Ejektordüse ist auf einen Betriebspunkt ausgelegt. Bei einem höheren Teilmassenstrom durch den ersten Kältemittelzweig steigt der Druck im ersten Verdampfer 11. Daher muss in einem solchen Betriebspunkt der Verdichter 25 zurückgeregelt werden, um die maximale Temperatur des Kältemittels für eine ausreichende Wärmeübertragung im ersten Verdampfer 11 nicht zu überschreiten. Dadurch wird die maximale Leistungsfähigkeit des Kältekreislaufes 3 begrenzt. Durch das regelbare Ventil 35 des Bypass 33 kann ein Teilmassenstrom an dem Ejektor 17 vorbeigeleitet werden, wodurch der Druck im ersten Verdampfer 11 reguliert wird und die maximal mögliche Kälteleistung erhöht wird. Zusätzlich kann der Ejektor 17 damit auf Betriebspunkte mit geringeren Treibmassenströmen ausgelegt werden. Damit arbeitet der Ejektor 17 sowohl bei geringeren als auch bei höheren Massenströmen, im Vergleich zu einem System ohne Bypass, im optimalen Betriebsfenster. Dadurch wird der Bereich der Lastpunkte, in denen eine Steigerung der Kälteleistung erreicht wird, wesentlich vergrößert.

Claims

Patentansprüche Kühleinrichtung für ein Fahrzeug, umfassend einen Kältekreislauf (3) mit einem in diesem zirkulierenden Kältemittel, wobei der Kältekreislauf (3) einen Verdichter (25) zum Verdichten des Kältemittels und einen diesem nachgeordneten Kondensator (27) zum Kondensieren des Kältemittels aufweist, dem zwei Verdampfer (11 , 31) nachgeordnet sind, wobei die beiden Verdampfer (11 , 31) mit einem Ejektor (17) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfer (11 , 31) in je einem Kältemittelzweig (5, 7), welche sich in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Kondensator (27) verzweigen, positioniert sind, wobei der erste Verdampfer (11) einen Treibstrom des Ejektors (17) und der zweite Verdampfer (31) einen Saugstrom des Ejektor (17) bereitstellen, die durch den Ejektor (17) gekoppelt stromabwärts an den Verdichter (25) führen, wobei der Ejektor (17) einen verstellbaren Bypass (33) zur Anpassung des Treibstroms des Ejektors (17) aufweist. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (33) ein regelbares Ventil (35) umfasst. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (11) zur Kühlung eines Elektroaggregats (15) des Fahrzeuges mit diesem in einer Wirkverbindung steht. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass 7 der zweite Verdampfer (31) zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraumes mit diesem in einer Wirkverbindung steht. Kühleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kältemittelzweig (5) stromauf des ersten Verdampfers (11) eine erste Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Kältemittels angeordnet ist. Kühleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kältemittelzweig (7) stromauf des zweiten Verdampfers (31) eine zweite Expansionseinrichtung (29) zum Expandieren des Kältemittels angeordnet ist. Kühleinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen elektrischen Antrieb aufweist, wobei der erste Verdampfer
(11) mit einer Traktionsbatterie (15) des elektrischen Antriebs zu deren Kühlung wirkverbunden ist.
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