DE102023123745A1

DE102023123745A1 - Thermal management system for vehicles and method for operating such a thermal management system

Info

Publication number: DE102023123745A1
Application number: DE102023123745.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Hünemörder; Julian Niedermayer
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Priority date: 2023-09-04
Filing date: 2023-09-04
Publication date: 2025-03-06
Also published as: WO2025052917A1

Abstract

Es wird ein Thermomanagementsystem mit Kompressorwärmepumpenanordnung (HP) und Steuerung (30) für Fahrahrzeuge angegeben, bei dem die Gefahr der Zufuhr von flüssigem Kältemittel zu dem Kompressor (2) verringert ist. Weiter wird ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Thermomanagementsystems angegeben. Hierzu ist zwischen dem Kondensatorauslass (4-o) des Kabinenkondensators (4) und einer Position zwischen dem Ventilausgang (EXV-o) der Expansionsventileinrichtung (EXV) und dem Kompressoreinlass (2-i) ein Kältemittelspeichermittel (16) mit schaltbarer Ventileinrichtung (18) vorgesehen. Durch das Vorsehen des Kältemittelspeichermittels (16) mit schaltbarer Ventileinrichtung (18) kann ein Teil des Kältemittels in der Wärmepumpenanordnung (HP) außerhalb des Kältemittelsammlers (14) zwischengespeichert werden, so dass der Flüssigkeitspegel im Kältemittelsammler (14) niedriger ist und die Gefahr der Zufuhr von flüssigem Kältemittel in den Kompressor (2) verringert wird. A thermal management system with a compressor heat pump arrangement (HP) and control (30) for vehicles is specified, in which the risk of liquid refrigerant being supplied to the compressor (2) is reduced. A corresponding method for operating the thermal management system is also specified. For this purpose, a refrigerant storage means (16) with a switchable valve device (18) is provided between the condenser outlet (4-o) of the cabin condenser (4) and a position between the valve outlet (EXV-o) of the expansion valve device (EXV) and the compressor inlet (2-i). By providing the refrigerant storage means (16) with a switchable valve device (18), part of the refrigerant in the heat pump arrangement (HP) can be temporarily stored outside the refrigerant collector (14), so that the liquid level in the refrigerant collector (14) is lower and the risk of liquid refrigerant being supplied to the compressor (2) is reduced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben dieses Thermomanagementsystems nach Anspruch 12.The invention relates to a thermal management system for vehicles, in particular electric vehicles according to claim 1 and a method for operating this thermal management system according to claim 12.

Für die Kühlung und Heizung von Fahrzeugen, insbesondere von Elektrofahrzeugen, werden von der Anmelderin Thermomanagementsysteme mit Kompressorwärmepumpen hergestellt und vertrieben, wie sie in 9 gezeigt sind. Das in 9 schematisch dargestellte Thermomanagementsystem umfasst eine Wärmepumpenanordnung HP und eine Steuerung 30, die ausgelegt ist, die Wärmepumpenanordnung (HP) in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben. Die Wärmepumpenanordnung HP umfasst einen Kompressor 2 mit Kompressoreinlass 2-i und Kompressorauslass 2-o, einen Kabinenkondensator 4 mit einem Kondensatoreinlass 4-i und einem Kondensatorauslass 4-o, einen Außenwärmetauscher 6 mit einem Außenwärmetauschereinlass 6-i, einem Außenwärmetauscherauslass 6-o und einem ersten Expansionsventil EXV1, eine Verdampfereinrichtung 8 mit einem Verdampfereinlass 8-i und einem Verdampferauslass 8-o, einen Kältemittelsammler 14 mit einem Kältemittelsammlereinlass 14-i und einem Kaltmittelsammlerauslass 14-o.For the cooling and heating of vehicles, in particular electric vehicles, the applicant manufactures and markets thermal management systems with compressor heat pumps, as described in 9 are shown. The 9 The schematically illustrated thermal management system comprises a heat pump arrangement HP and a controller 30 which is designed to operate the heat pump arrangement (HP) in different operating modes. The heat pump arrangement HP comprises a compressor 2 with a compressor inlet 2-i and a compressor outlet 2-o, a cabin condenser 4 with a condenser inlet 4-i and a condenser outlet 4-o, an external heat exchanger 6 with an external heat exchanger inlet 6-i, an external heat exchanger outlet 6-o and a first expansion valve EXV1, an evaporator device 8 with an evaporator inlet 8-i and an evaporator outlet 8-o, a refrigerant collector 14 with a refrigerant collector inlet 14-i and a refrigerant collector outlet 14-o.

Der Kompressorauslass 2-o ist mit dem Kabinenkondensatoreinlass 4-i und der Kompressoreinlass 2-i ist mit dem Kältemittelsammlerauslass 14-o verbunden. Das erste Expansionsventil EXV1 ist zwischen dem Kabinenkondensatorauslass 4-o und dem Au-ßenwärmetauschereinlass 6-i angeordnet. Die Verdampfereinrichtung 8 umfasst eine Expansionsventileinrichtung EXV mit einem Ventileingang EXV-i und einen Ventilausgang EXV-o. Der Ventilausgang EXV-o der Expansionsventileinrichtung EXV ist mit dem Verdampfereinlass 8-i der Verdampfereinrichtung 8 verbunden. Der Außenwärmetauscherauslass 6-o ist über ein erstes Absperrventil SOV1 mit dem Kältemittelsammlereinlass 14-i verbunden. Der Kondensatorauslass 4-o des Kabinenkondensators 4 ist über eine Leitung (10) mit einem zweiten Absperrventil SOV2 mit dem Ventileingang EXV-i der Expansionsventileinrichtung EXV verbunden ist. Der Außenwärmetauscherauslass 6-o ist auch über ein Ventil 12 in Form eines Rückschlagventils mit dem Ventileingang EXV-i der Expansionsventileinrichtung EXV verbunden. Der Kältemittelsammlereinlass 14-i ist auch mit dem Verdampferauslass 8-o der Verdampfereinrichtung 8 und der Kältemittelsammlerauslass 14-o ist mit dem Kompressoreinlass 2-i verbunden.The compressor outlet 2-o is connected to the cabin condenser inlet 4-i and the compressor inlet 2-i is connected to the refrigerant collector outlet 14-o. The first expansion valve EXV1 is arranged between the cabin condenser outlet 4-o and the external heat exchanger inlet 6-i. The evaporator device 8 comprises an expansion valve device EXV with a valve inlet EXV-i and a valve outlet EXV-o. The valve outlet EXV-o of the expansion valve device EXV is connected to the evaporator inlet 8-i of the evaporator device 8. The external heat exchanger outlet 6-o is connected to the refrigerant collector inlet 14-i via a first shut-off valve SOV1. The condenser outlet 4-o of the cabin condenser 4 is connected via a line (10) with a second shut-off valve SOV2 to the valve inlet EXV-i of the expansion valve device EXV. The external heat exchanger outlet 6-o is also connected via a valve 12 in the form of a check valve to the valve inlet EXV-i of the expansion valve device EXV. The refrigerant collector inlet 14-i is also connected to the evaporator outlet 8-o of the evaporator device 8 and the refrigerant collector outlet 14-o is connected to the compressor inlet 2-i.

Die verschiedenen Betriebsmodi umfassen Heiz- und Kühlmodus. Der Heizmodus umfasst als spezielle Variante einen Wärmeverstärkungsmodus. Im Wärmeverstärkungsmodus wird von dem Kompressorauslass 2-o ein Teil des heißen und komprimierten Kältemittels abgezweigt und über eine Bypassleitung 20 mit einem Bypass-Expansionsventil EXV_BP in den Kältemittelsammlereinlass 14-i zurückgeführt, um ohne Wärmeeintrag in der Verdampfereinrichtung 8 oder dem Außenwärmetauscher 6 heizen zu können. Kältemittel wird über die Bypassleitung 20 im Kreis gepumpt, um den Kompressor 2 zu belasten und seine Abwärme zum Heizen der Fahrzeugkabine zu nutzen.The various operating modes include heating and cooling mode. The heating mode includes a heat boost mode as a special variant. In the heat boost mode, part of the hot and compressed refrigerant is branched off from the compressor outlet 2-o and returned to the refrigerant collector inlet 14-i via a bypass line 20 with a bypass expansion valve EXV _BP in order to be able to heat without heat being introduced into the evaporator device 8 or the external heat exchanger 6. Refrigerant is pumped in a circle via the bypass line 20 in order to load the compressor 2 and use its waste heat to heat the vehicle cabin.

Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist es, dass bei niedrigem Saugdruck am Kompressoreinlass 2-i, typischerweise beim Start des Fahrzeugs bzw. des Thermomanagementsystems, die Kältemittelmenge im Kältemittelsammler 14 sehr hoch ist. Es besteht daher die Gefahr, dass flüssiges Kältemittel in den Kompressoreinlass 2-i und in den Kompressor 2 gelangt, was zu einer Beschädigung des Kompressors 2 führen könnte.A disadvantage of this known arrangement is that when the suction pressure at the compressor inlet 2-i is low, typically when starting the vehicle or the thermal management system, the amount of refrigerant in the refrigerant collector 14 is very high. There is therefore a risk that liquid refrigerant will enter the compressor inlet 2-i and the compressor 2, which could lead to damage to the compressor 2.

Ausgehend von dem Stand der Technik nach 10 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Thermomanagementsystem mit Kompressorwärmepumpenanordnung und Steuerung für Fahrahrzeuge anzugeben, bei dem die Gefahr der Zufuhr von flüssigem Kältemittel zu dem Kompressor verringert ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Thermomanagementsystems anzugeben.Based on the state of the art according to 10 It is the object of the present invention to provide a thermal management system with a compressor heat pump arrangement and control for vehicles, in which the risk of liquid coolant being supplied to the compressor is reduced. It is also the object of the invention to provide a corresponding method for operating the thermal management system.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch ein Thermomanagementsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Thermomanagementsystems nach Anspruch 12.These objects are achieved by a thermal management system according to claim 1 and a method for operating the thermal management system according to claim 12.

Zwischen dem Kondensatorauslass des Kabinenkondensators und einer Position zwischen dem Ventilausgang der Expansionsventileinrichtung und dem Kompressoreinlass ist ein Kältemittelspeichermittel mit schaltbarer Ventileinrichtung vorgesehen. Durch das Vorsehen des Kältemittelspeichermittels mit schaltbarer Ventileinrichtung kann ein Teil des Kältemittels in der Wärmepumpenanordnung außerhalb des Kältemittelsammlers zwischengespeichert werden, so dass der Flüssigkeitspegel im Kältemittelsammler niedriger ist und die Gefahr der Zufuhr von flüssigem Kältemittel in den Kompressor verringert wird.A refrigerant storage medium with a switchable valve device is provided between the condenser outlet of the cabin condenser and a position between the valve outlet of the expansion valve device and the compressor inlet. By providing the refrigerant storage medium with a switchable valve device, part of the refrigerant in the heat pump arrangement can be temporarily stored outside the refrigerant collector, so that the liquid level in the refrigerant collector is lower and the risk of liquid refrigerant being fed into the compressor is reduced.

Die vorteilhafte Anordnung des Kältemittelspeichermittels nach Anspruch 2 hat sich als vorteilhaft erwiesen. Auch können dadurch vorhandene Komponenten der Wärmepumpenanordnung als Kältemittelspeicher genutzt werden.The advantageous arrangement of the coolant storage means according to claim 2 has proven to be advantageous. This also allows existing components of the heat pump arrangement to be used as coolant storage.

Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht den Wärmeverstärkungsmodus. Im Wärmeverstärkungsmodus erfolgt die Heizung der Fahrzeugkabine ausschließlich oder größtenteils über die Kompressorabwärme. Im Wärmeverstärkungsmodus wird aufgrund mit flüssigem Kältemittel gefüllter Komponenten mehr Kältemittel benötigt als im Wärmepumpenmodus. Folglich befindet sich beim Anfahren des Thermomanagements mehr Kältemittel im Kältemittelsammler und die Gefahr, dass flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangt ist größer. Daher ist das Kältemittelspeichermittel im Wärmeverstärkungsmodus besonders hilfreich ist.The advantageous embodiment according to claim 3 enables the heat amplification mode. In the heat amplification mode, the heating The vehicle cabin is heated exclusively or largely by the compressor waste heat. In heat boost mode, more refrigerant is required than in heat pump mode due to components filled with liquid refrigerant. Consequently, when the thermal management starts up, there is more refrigerant in the refrigerant collector and the risk of liquid refrigerant entering the compressor is greater. The refrigerant storage medium is therefore particularly helpful in heat boost mode.

Vorzugsweise umfasst die Verdampfereinrichtung einen Kabinenverdampfer zur Kühlung der Fahrzeugkabine und einen Chiller zur Nutzung der Abwärme aus Batterie und sonstigen Fahrzeugkomponenten - Anspruch 4.Preferably, the evaporator device comprises a cabin evaporator for cooling the vehicle cabin and a chiller for using the waste heat from the battery and other vehicle components - claim 4.

Vorzugsweise wird entweder der ungenutzte Außenwärmetauscher - Anspruch 5 - oder der ungenutzte Kabinenverdampfer - Anspruch 6 - als Kältemittelspeichermittel genutzt. Es muss in diesen Fällen keine zusätzliche Komponente als Kältemittelspeichermittel eingesetzt werden. Lediglich die schaltbare Ventileinrichtung muss gegebenenfalls ergänzt werden.Preferably, either the unused external heat exchanger - claim 5 - or the unused cabin evaporator - claim 6 - is used as a coolant storage medium. In these cases, no additional component needs to be used as a coolant storage medium. Only the switchable valve device needs to be supplemented if necessary.

Alternativ kann nach Anspruch 7 das Kältemittelspeichermittel als zusätzliche Komponente ausgebildet sein. Dadurch kann das Kältemittelspeichermittel gezielt für die Zwischenspeicherung von Kältemittel dimensioniert werden.Alternatively, according to claim 7, the refrigerant storage means can be designed as an additional component. As a result, the refrigerant storage means can be specifically dimensioned for the intermediate storage of refrigerant.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird das Kältemittelspeichermittel in einem Bereich mit höherer Temperatur angeordnet, z. B im Motorraum oder im Bereich von Leitungen mit heißem Fluid. Durch die höhere Temperatur wird die Rückführung des Kältemittels in den Wärmepumpenkreislauf erleichtert bzw. die Rückführung des Kältemittels kann auch bei höherem Saugdruck erfolgen, da durch die höhere Temperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels auch ein höherer Sättigungsdruck vorliegt.Due to the advantageous embodiment according to claim 8, the coolant storage medium is arranged in an area with a higher temperature, e.g. in the engine compartment or in the area of lines with hot fluid. The higher temperature makes it easier to return the coolant to the heat pump circuit, or the coolant can also be returned at a higher suction pressure, since the higher temperature in the area of the coolant storage medium also means that there is a higher saturation pressure.

Die Ausgestaltungen nach Anspruch 9 und 10 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen für die schaltbare Ventileinrichtung.The embodiments according to claims 9 and 10 relate to advantageous embodiments for the switchable valve device.

Der innere Wärmetauscher nach Anspruch 11 erhöht die Effizienz des Thermomanagementsystems.The internal heat exchanger according to claim 11 increases the efficiency of the thermal management system.

Nach Anspruch 12 wird das Thermomanagementsystem bzw. die Wärmepumpenanordnung betrieben, um die Fahrzeugkabine zu heizen. Falls der Saugdruck des Kompressors unter dem Sättigungsdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels liegt, wird Kältemittel in dem Kältemittelspeichermittel zwischengespeichert - Verfahrensschritt b). Dadurch wird dem Wärmepumpenkreislauf Kältemittel entzogen und der Pegel mit flüssigem Kältemittel im Kältemittelsammler sinkt, wodurch die Gefahr, dass flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangt, verringert wird. Wenn der Saugdruck des Kompressors mit der Zeit ansteigt beginnt sich der Kältemittelsammler zu leeren und mehr und mehr Kältemittel ist im Umlauf. Das Kältemittel muss aus dem Kältemittelspeichermittel abgeführt und in den Wärmepumpenkreislauf zurückgeführt werden bevor der Saugdruck den Sättigungsdruck bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels - also im Kältemittelspeichermittel - übersteigt.According to claim 12, the thermal management system or the heat pump arrangement is operated to heat the vehicle cabin. If the suction pressure of the compressor is below the saturation pressure of the refrigerant at ambient temperature in the area of the refrigerant storage medium, refrigerant is temporarily stored in the refrigerant storage medium - method step b). As a result, refrigerant is removed from the heat pump circuit and the level of liquid refrigerant in the refrigerant collector drops, thereby reducing the risk of liquid refrigerant entering the compressor. If the suction pressure of the compressor increases over time, the refrigerant collector begins to empty and more and more refrigerant is circulating. The refrigerant must be discharged from the refrigerant storage medium and returned to the heat pump circuit before the suction pressure exceeds the saturation pressure at ambient temperature in the area of the refrigerant storage medium - i.e. in the refrigerant storage medium.

Die Rückführung des Kältemittels, Verfahrensschritt c) soll frühestens dann beginnen, wenn der Saugdruck sein absolutes Minimum überschritten hat und ohne erneuten Abfall kontinuierlich steigt - Anspruch 13.The return of the refrigerant, process step c), should begin at the earliest when the suction pressure has exceeded its absolute minimum and is continuously increasing without a further drop - claim 13.

Im Wärmeverstärkermodus wird viel Kältemittel im Kreislauf benötigt. Beim Start des Thermomanagementsystems kann sich dieses Kältemittel im Kältemittelsammler befinden. Es besteht ein erhöhtes Risiko von Flüssigkeitseintrag in den Verdichter. Deshalb ist beim Start im Wärmeverstärkermodus eine temporäre Zwischenspeicherung von Kältemittel sinnvoll - Anspruch 14.In heat booster mode, a lot of refrigerant is needed in the circuit. When the thermal management system starts, this refrigerant can be in the refrigerant collector. There is an increased risk of liquid entering the compressor. Therefore, it is advisable to temporarily store refrigerant when starting in heat booster mode - claim 14.

Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 15 und 16 wird der Außenwärmetauscher als Kältemittelspeichermittel genutzt. Nach Anspruch 15 wird zunächst Kältemittel dem Außenwärmetauscher zugeführt - Verfahrensschritt b) und dem Wärmepumpenkreislauf und dem Kältemittelsammler entzogen. Kurz bevor der Saugdruck des Kompressors über den Sättigungsdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels steigt wird das Kältemittel wieder aus dem Außenwärmetauscher in den Wärmepumpenkreislauf rückgeführt - Verfahrensschritt c).According to the advantageous embodiments according to claims 15 and 16, the external heat exchanger is used as a coolant storage medium. According to claim 15, coolant is first fed to the external heat exchanger - process step b) and removed from the heat pump circuit and the coolant collector. Shortly before the suction pressure of the compressor rises above the saturation pressure of the coolant at ambient temperature in the area of the coolant storage medium, the coolant is returned from the external heat exchanger to the heat pump circuit - process step c).

Nach Anspruch 16 wird im Verfahrensschritt b) auch Kältemittel in dem Außenwärmetauscher zwischengespeichert. Wenn nach kurzer Zeit der Außenwärmetauscher „gefüllt“ ist wird kontinuierlich Kältemittel dem Außenwärmetauscher entzogen und gleichzeitig kontinuierlich wieder zugeführt, so dass eine gewisse Menge an Kältemittel in dem Außenwärmetauscher verbleibt - Verfahrensschritt b). Kurz bevor der Saugdruck des Kompressors über den Sättigungsdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels steigt wird die Zufuhr von Kältemittel in den Außenwärmetauscher eingestellt und das im Außenwärmetauscher befindlich Kältemittel wieder aus dem Außenwärmetauscher abgeführt - Verfahrensschritt c).According to claim 16, in process step b), coolant is also temporarily stored in the external heat exchanger. When the external heat exchanger is "filled" after a short time, coolant is continuously removed from the external heat exchanger and simultaneously continuously fed back in, so that a certain amount of coolant remains in the external heat exchanger - process step b). Shortly before the suction pressure of the compressor rises above the saturation pressure of the coolant at ambient temperature in the area of the coolant storage medium, the supply of coolant to the external heat exchanger is stopped and the coolant in the external heat exchanger is removed from the External heat exchanger - process step c).

Alternativ wird nach Anspruch 17 der Kabinenverdampfer als Kältemittelspeicher genutzt.Alternatively, according to claim 17, the cabin evaporator is used as a refrigerant storage device.

Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 18 und 19 wird eine zusätzliche Komponente als Kältemittelspeichermittel genutzt. Analog zu Anspruch 15 und 16 kann die Zwischenspeicherung von Kältemittel in der zusätzlichen Komponente in zwei Schritten - Einspeichern und wieder Ausspeichern - oder kontinuierliches Ein- und Ausspeichern mit finalem Ausspeichern erfolgen. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Komponente kann diese entsprechend dem benötigten Speicherbedarf dimensioniert werden.According to the advantageous embodiments according to claims 18 and 19, an additional component is used as a coolant storage medium. Analogous to claims 15 and 16, the intermediate storage of coolant in the additional component can take place in two steps - storing and then discharging - or continuous storing and discharging with final discharging. By using an additional component, this can be dimensioned according to the required storage requirement.

Durch die Zwischenspeicherung von Kältemittel in dem Kältemittelspeichermittel vereinfacht sich auch die Nutzung von CO2 bzw. R744 als Kältemittel. Aufgrund der Druckbehälterverordnung kann der Kältemittelsammler nicht einfach vergrößert werden. Im Wärmeverstärkungsmodus wird aber aufgrund der höheren Druckabhängigkeit der Füllmenge bei R744 mehr Kältemittel benötigt als bei anderen Kältemitteln. Durch das Zwischenspeichern von R744 in dem Kältemittelspeichermittel lässt sich das umweltfreundliche R477 problemlos als Kältemittel einsetzen.The temporary storage of refrigerant in the refrigerant storage medium also simplifies the use of CO2 or R744 as a refrigerant. Due to the pressure vessel regulation, the refrigerant collector cannot simply be enlarged. In heat boost mode, however, more refrigerant is required for R744 than for other refrigerants due to the higher pressure dependence of the filling quantity. By temporarily storing R744 in the refrigerant storage medium, the environmentally friendly R477 can be used as a refrigerant without any problems.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Es zeigt:

1 ein Druck-Zeit-Diagramm beim Anfahren des Thermomanagements mit dem Saugdruck am Kompressoreinlass in Relation zum Sättigungsdruck des verwendeten Kältemittels bei Umgebungstemperatur;
2 den Dampfanteil des Kältemittels am Kompressoreinlass über der Zeit;
3a den Verfahrensschritt b) - das Einspeichern von Kältemittel in das Kältemittelspeichermittel - gemäß einer grundlegenden ersten Ausführungsform der Erfindung;
3b den Verfahrensschritt c) - das Rückführen von Kältemittel aus dem Kältemittelspeichermittel in den Wärmepumpenkreislauf - gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
4a den Verfahrensschritt b) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4b den Verfahrensschritt c) gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5a den Verfahrensschritt b) gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5b den Verfahrensschritt c) gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
6a den Verfahrensschritt b) gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung bei der der Kabinenverdampfer als Kältemittelspeichermittel genutzt wird;
6b den Verfahrensschritt c) gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
7a den Verfahrensschritt b) gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung bei der das Kältemittelspeichermittel als zusätzliches Bauteil ausgebildet ist;
7b den Verfahrensschritt c) gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung;
8a den Verfahrensschritt b) gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung bei der das Kältemittelspeichermittel als zusätzliches Bauteil ausgebildet ist;
8b den Verfahrensschritt c) gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
9 den Aufbau eines Thermomanagementsystems nach dem Stand der Technik.

Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention. It shows:

1 a pressure-time diagram when starting up the thermal management with the suction pressure at the compressor inlet in relation to the saturation pressure of the refrigerant used at ambient temperature;
2 the vapor fraction of the refrigerant at the compressor inlet over time;
3a the method step b) - storing refrigerant in the refrigerant storage medium - according to a basic first embodiment of the invention;
3b the process step c) - the return of refrigerant from the refrigerant storage medium into the heat pump circuit - according to the first embodiment of the invention;
4a the process step b) according to a second embodiment of the invention;
4b the process step c) according to the second embodiment of the invention;
5a the process step b) according to a third embodiment of the invention;
5b the process step c) according to the third embodiment of the invention;
6a the method step b) according to a fourth embodiment of the invention in which the cabin evaporator is used as a refrigerant storage medium;
6b the method step c) according to the fourth embodiment of the invention;
7a the method step b) according to a fifth embodiment of the invention in which the coolant storage medium is designed as an additional component;
7b the method step c) according to the fifth embodiment of the invention;
8a the method step b) according to a sixth embodiment of the invention in which the coolant storage medium is designed as an additional component;
8b the method step c) according to the sixth embodiment of the invention; and
9 the construction of a thermal management system according to the state of the art.

1 zeigt schematisch den Dampfanteil des Kältemittels am Kompressoreinlass 2-i über die Zeit beim Anfahren des Thermomanagements. Je niedriger der Dampfanteil bzw. je höher der Flüssigkeitsanteil im Kältemittel am Kompressoreinlass 8-i desto größer ist die Gefahr das zu viel flüssiges Kältemittel in den Kompressor 2 gelangt und diesen beschädigt. Diese Zeitspanne ist in 2 mit einem ersten Doppelpfeil DP1 bezeichnet. 2 zeigt ein Druck-Zeit-Diagramm beim Anfahren des Thermomanagements mit dem Saugdruck am Kompressoreinlass 2-i und dem Sättigungsdruck des verwendeten Kältemittels bei Umgebungstemperatur. Ein zweiter Doppelpfeil DP2 markiert den Zeitbereich mit erhöhter Gefahr des Eintrags von flüssigem Kältemittel in den Kompressor 2 und damit den Zeitraum während dem Gegenmaßnahmen getroffen werden müssen. 1 shows schematically the vapor content of the refrigerant at the compressor inlet 2-i over time when starting up the thermal management. The lower the vapor content or the higher the liquid content in the refrigerant at the compressor inlet 8-i, the greater the risk that too much liquid refrigerant will enter the compressor 2 and damage it. This time period is in 2 marked with a first double arrow DP1. 2 shows a pressure-time diagram when starting up the thermal management with the suction pressure at the compressor inlet 2-i and the saturation pressure of the refrigerant used at ambient temperature. A second double arrow DP2 marks the time range with an increased risk of liquid refrigerant entering the compressor 2 and thus the period during which countermeasures must be taken.

Beim Start des Thermomanagementsystems bzw. der Wärmepumpenanordnung HP sinkt der Saugdruck am Kompressoreinlass 2-i mit einem gewissen Einschwingverhalten ab; es wird wenig Kältemittel im Umlauf benötigt und der Pegelstand des flüssigen Kältemittels im Kältemittelsammler 14 ist hoch und der Flüssigkeitsanteil im Kältemittel am Kompressoreinlass 2-i ist hoch. Wie aus 1 zu ersehen ist, ist damit die Gefahr des Eintrags von flüssigem Kältemittel in den Kompressor 2 erhöht. Nach einer gewissen Zeit beginnt der Saugdruck des Kompressors 2 zu steigen und es wird mehr Kältemittel im Umlauf benötigt; der Pegelstand im Kältemittelsammler 14 sinkt, der Dampfanteil im Kältemittel am Kompressoreinlass 2-i wird größer und größer und es besteht keine Gefahr mehr, dass flüssiges Kältemittel in den Kompressor 2 gelangt.When the thermal management system or the heat pump arrangement HP is started, the suction pressure at the compressor inlet 2-i drops with a certain transient response; little refrigerant is required in circulation and the level of the liquid refrigerant in the refrigerant collector 14 is high and the liquid proportion in the refrigerant at the compressor inlet 2-i is high. As can be seen from 1 As can be seen, the risk of liquid refrigerant entering the compressor 2 is increased. After a certain time, the suction pressure of the compressor 2 begins to rise and more refrigerant is required in circulation; the level in the refrigerant collector 14 drops, the vapor content in the refrigerant at the compressor inlet 2-i becomes larger and larger and there is no longer any danger of liquid refrigerant entering compressor 2.

Um die Gefahr des Eintrags von flüssigem Kältemittel in den Kompressor in dem Zeitbereich gemäß dem Doppelpfeil DP1 in 1 zu verringern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kältemittelspeichermittel 16 genutzt, in dem Kältemittel zwischengespeichert wird, so dass auch in dem Zeitbereich des Doppelpfeils DP1 der Pegelstand im Kältemittelsammler geringer ist, wodurch die Gefahr des Eintrags von flüssigem Kältemittel in den Kompressor 2 verringert wird. Als Kältemittelspeichermittel 16 kann eine ungenutzte Komponente der Wärmepumpenanordnung HP oder ein zusätzliches Bauteil genutzt werden.To reduce the risk of liquid refrigerant entering the compressor in the time range indicated by the double arrow DP1 in 1 In order to reduce the cooling capacity, according to the present invention, a coolant storage means 16 is used in which coolant is temporarily stored, so that the level in the coolant collector is also lower in the time range of the double arrow DP1, thereby reducing the risk of liquid coolant entering the compressor 2. An unused component of the heat pump arrangement HP or an additional component can be used as the coolant storage means 16.

Die 3a und 3b zeigen den schematischen Aufbau und die Funktion einer ersten grundlegenden Ausführungsform der Erfindung. Das Thermomanagementsystem umfasst eine Wärmepumpenanordnung HP und eine Steuerung 30, die ausgelegt ist, die Wärmepumpenanordnung HP in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben. Die Wärmepumpenanordnung HP umfasst einen Kompressor 2 mit Kompressoreinlass 2-i und Kompressorauslass 2-o, einen Kabinenkondensator 4 mit einem Kondensatoreinlass 4-i und einem Kondensatorauslass 4-o, einen Außenwärmetauscher 6 mit einem Außenwärmetauschereinlass 6-i, einem Außenwärmetauscherauslass 6-o und einem ersten Expansionsventil EXV1, eine Verdampfereinrichtung 8 mit einem Verdampfereinlass 8-i und einem Verdampferauslass 8-o, einen Kältemittelsammler 14 mit einem Kältemittelsammlereinlass 14-i und einem Kaltmittelsammlerauslass 14-o.The 3a and 3b show the schematic structure and function of a first basic embodiment of the invention. The thermal management system comprises a heat pump arrangement HP and a controller 30 which is designed to operate the heat pump arrangement HP in different operating modes. The heat pump arrangement HP comprises a compressor 2 with a compressor inlet 2-i and a compressor outlet 2-o, a cabin condenser 4 with a condenser inlet 4-i and a condenser outlet 4-o, an external heat exchanger 6 with an external heat exchanger inlet 6-i, an external heat exchanger outlet 6-o and a first expansion valve EXV1, an evaporator device 8 with an evaporator inlet 8-i and an evaporator outlet 8-o, a refrigerant collector 14 with a refrigerant collector inlet 14-i and a refrigerant collector outlet 14-o.

Das Thermomanagementsystem nach 3a und 3b unterscheidet sich daher im Aufbau von dem Thermomanagementsystem nach 9 lediglich durch den fehlenden Bypass der bei der Grundfunktion der Erfindung nicht nötig ist. Als Kältemittelspeichermittel 16 wird bei der ersten Ausführungsform nach 3a und 3b der beim Anfahren des Thermomanagementsystems ungenutzte Außenwärmetauscher 6 genutzt.The thermal management system according to 3a and 3b therefore differs in structure from the thermal management system according to 9 only by the lack of a bypass, which is not necessary for the basic function of the invention. The coolant storage medium 16 is used in the first embodiment according to 3a and 3b The external heat exchanger 6, which is unused when the thermal management system is started up, is used.

3a zeigt das Einspeichern von flüssigem Kältemittel in den als Kältemittelspeichermittel 16 genutzten Außenwärmetauscher 6. Dazu wird das ersten Expansionsventils EXV1 zwischen dem Kabinenkondensator 4 und dem Außenwärmetauscher 6 bei geschlossenem ersten Absperrventil SOV1 geöffnet, so dass Kältemittel in dem Außenwärmetauscher 6 zwischengespeichert wird - Verfahrensschritt b). 3b zeigt die Rückführung des in dem Kältemittelspeichermittel 16 zwischengespeicherten Kältemittels in den Wärmepumpenkreislauf durch Öffnen des ersten Absperrventils SOV1 bei geschlossenem ersten Expansionsventil EXV1 - Verfahrensschritt c). 3a shows the storage of liquid refrigerant in the external heat exchanger 6 used as refrigerant storage medium 16. For this purpose, the first expansion valve EXV1 between the cabin condenser 4 and the external heat exchanger 6 is opened with the first shut-off valve SOV1 closed, so that refrigerant is temporarily stored in the external heat exchanger 6 - process step b). 3b shows the return of the refrigerant temporarily stored in the refrigerant storage medium 16 into the heat pump circuit by opening the first shut-off valve SOV1 when the first expansion valve EXV1 is closed - process step c).

Grundsätzlich kann die Zwischenspeicherung solange erfolgen, solange der Saugdruck des Kompressors 2 unter dem Sättigungsdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels liegt. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass auch die Rückführung des Kältemittels - Verfahrensschritt c) - erfolgen muss solange der Saugdruck unter dem Sättigungsdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur im Bereich des Kältemittelspeichermittels liegt. Damit ergibt sich das in 2 als Doppelpfeil DP2 dargestellte Zeitfenster für die Einspeicherung von Kältemittel in das Kältemittelspeichermittel 16. Das durch den Doppelpfeil DP2 bezeichnete Zeitfenster ist damit kürzer als das durch den Doppelpfeil DP1 in 1 bezeichnete Zeitfenster.In principle, intermediate storage can take place as long as the suction pressure of compressor 2 is below the saturation pressure of the refrigerant at ambient temperature in the range of the refrigerant storage medium. However, it must be taken into account that the return of the refrigerant - process step c) - must also take place as long as the suction pressure is below the saturation pressure of the refrigerant at ambient temperature in the range of the refrigerant storage medium. This results in the 2 The time window for storing refrigerant in the refrigerant storage medium 16 is shown as the double arrow DP2. The time window indicated by the double arrow DP2 is therefore shorter than the time window indicated by the double arrow DP1 in 1 designated time window.

Die Rückführung kann erfolgen, wenn der Kältemittelpegel im Kältemittelsammler 14 signifikant absinkt. Das ist der Fall, wenn der Saugdruck nach Durchlaufen des absoluten Minimums und dem Einschwingverhalten kontinuierlich zu steigen beginnt; in 4 in etwa ab 280 sec. Bei einer Umgebungstemperatur von 0°C im Bereich des Kältemittelspeichermittels - 2 - kann etwas später mit der Rückführung begonnen werden; etwa ab 370 sec.The recirculation can take place when the refrigerant level in the refrigerant receiver 14 drops significantly. This is the case when the suction pressure begins to rise continuously after passing through the absolute minimum and the transient response; in 4 approximately from 280 sec. At an ambient temperature of 0°C in the area of the refrigerant storage medium - 2 - the return can be started a little later; from about 370 sec.

Das Thermomanagementsystem nach 4a und 4b gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich im Aufbau nicht von der ersten Ausführungsform. Der Unterschied besteht lediglich in der Ausgestaltung des Verfahrensschritts b). Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird bei der zweiten Ausführungsform im Verfahrensschritt b) durch Einstellen des Öffnungsgrades des ersten Expansionsventils EXV1 und des ersten Absperrventils SOV1 kontinuierlich Kältemittel in dem als Kältemittelspeichermittel 16 genutzten Außenwärmetauscher 6 zwischengespeichert und aus diesem wieder abgeführt, so dass ein gewisse Menge Kältemittel im Außenwärmetauscher 6 verbleibt. Der Verfahrensschritt c) ist identisch mit Verfahrensschritt c) gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; 3b und 4b sind identisch.The thermal management system according to 4a and 4b According to a second embodiment, the structure does not differ from the first embodiment. The only difference is in the design of method step b). In contrast to the first embodiment, in the second embodiment in method step b) by adjusting the degree of opening of the first expansion valve EXV1 and the first shut-off valve SOV1, refrigerant is continuously temporarily stored in the external heat exchanger 6 used as the refrigerant storage medium 16 and discharged from it again, so that a certain amount of refrigerant remains in the external heat exchanger 6. Method step c) is identical to method step c) according to the first embodiment of the invention; 3b and 4b are identical.

5a und 5b zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung bei der ebenfalls der Außenwärmetauscher 6 als Kältemittelspeichermittel genutzt wird. Die Verdampfereinrichtung 8 umfasst einen Kabinenverdampfer 8-1 mit einem Kabinenverdampfereinlass 8-1-i und einem Kabinenverdampferauslass 8-1-o und einen Chiller 8-2 mit einem Chillereinlass 8-2-i und einem Chillerauslass 8-2-o. Die Expansionsventileinrichtung EXV besteht aus einem zweite und dritten Expansionsventil EXV2, EXV3, jeweils mit einem Ventileingang EXV2-i, EXV3-i und einem Ventilausgang EVX2-o, EXV3-o. Der Ventilausgang EXV2-o des zweiten Expansionsventil EXV2 ist mit dem Kabinenverdampfereinlass (8-1-i) verbunden und der Ventilausgang EXV3-o des dritten Expansionsventil EXV3 mit dem Chillereinlass 8-2-i verbunden. Durch eine Bypassleitung 20 mit einem vierten Bypass-Expansionsventil EXV_BP, die zwischen dem Kompressorauslass (2-o) und Kältemittelsammlereinlass (14-i) angeordnet ist, wird ein Wärmeverstärkungsmodus möglich. Weiter ist ein innerer Wärmetauscher 22 mit einem wärmeabgebenden Teil 22-1 und einem wärmeaufnehmenden Teil 22-2 vorgesehen. Hierbei ist der wärmeabgebende Teil 22-1 mit einem ersten Rückschlagventil CV1 zwischen dem Außenwärmetauscherauslass 6-o und den Ventileingängen EXV2-i und EXV3-i des zweiten und dritten Expansionsventils EXV2 und EXV3 angeordnet. Der wärmeaufnehmende Teil 22-2 ist zwischen Kältemittelsammlerauslass 14-o und dem Kompressoreinlass 2-i angeordnet. 5a and 5b show a third embodiment of the invention in which the external heat exchanger 6 is also used as a coolant storage medium. The evaporator device 8 comprises a cabin evaporator 8-1 with a cabin evaporator inlet 8-1-i and a cabin evaporator outlet 8-1-o and a chiller 8-2 with a chiller inlet 8-2-i and a chiller outlet 8-2-o. The expansion valve device EXV consists of a second and third expansion valve EXV2, EXV3, each with a valve inlet EXV2-i, EXV3-i and a valve outlet EVX2-o, EXV3-o. The valve outlet EXV2-o of the second expansion valve EXV2 is connected to the cabin evaporator inlet (8-1-i) and the valve outlet EXV3-o of the third expansion valve EXV3 is connected to the chiller inlet 8-2-i. A heat amplification mode is made possible by a bypass line 20 with a fourth bypass expansion valve EXV _BP , which is arranged between the compressor outlet (2-o) and the refrigerant collector inlet (14-i). An internal heat exchanger 22 with a heat-emitting part 22-1 and a heat-absorbing part 22-2 is also provided. The heat-emitting part 22-1 is arranged with a first check valve CV1 between the external heat exchanger outlet 6-o and the valve inlets EXV2-i and EXV3-i of the second and third expansion valves EXV2 and EXV3. The heat-absorbing part 22-2 is arranged between the refrigerant collector outlet 14-o and the compressor inlet 2-i.

Das Thermomanagementsystem lässt sich in verschiedenen Betriebsmodi betreiben, die Heiz- und Kühlmodus umfassen. Im Wärmepumpenbetrieb kann durch Wärmeaufnahme des Kabinenverdampfers 8-1 die Fahrzeugkabine gekühlt werden. Zum Heizen der Fahrzeugkabine wird über den Chiller 8-2 Abwärme aus dem Fahrzeug eingekoppelt und die Fahrzeugkabine durch Wärmeabgabe des Kabinenkondensators beheizt. Der Heizmodus umfasst als spezielle Variante den Wärmeverstärkungsmodus, um ohne Wärmeeintrag in dem Chiller 8-2 die Fahrzeugkabine heizen zu können. Im Wärmeverstärkungsmodus wird von dem Kompressorauslass 2-o der größte Teil des heißen und komprimierten Kältemittels abgezweigt und über die Bypassleitung 20 mit dem Bypass-Expansionsventil EXV_BP in den Kältemittelsammlereinlass 14-i zurückgeführt und die Verdampfung des flüssigen Kältemittels aus dem Chiller 8-2 erfolgt durch das heiße Kältemittel aus der Bypassleitung 20. Durch den inneren Wärmetauscher 22 wird die Effizienz des Thermomanagements zusätzlich erhöht.The thermal management system can be operated in various operating modes, which include heating and cooling modes. In heat pump mode, the vehicle cabin can be cooled by absorbing heat from the cabin evaporator 8-1. To heat the vehicle cabin, waste heat from the vehicle is coupled in via the chiller 8-2 and the vehicle cabin is heated by heat emitted by the cabin condenser. The heating mode includes a special variant, the heat boost mode, in order to be able to heat the vehicle cabin without heat being introduced into the chiller 8-2. In heat boost mode, most of the hot and compressed refrigerant is branched off from the compressor outlet 2-o and returned to the refrigerant collector inlet 14-i via the bypass line 20 with the bypass expansion valve EXV _BP , and the evaporation of the liquid refrigerant from the chiller 8-2 occurs through the hot refrigerant from the bypass line 20. The efficiency of the thermal management is further increased by the internal heat exchanger 22.

Analog zur ersten Ausführungsform erfolgt das auch bei der dritten Ausführungsform nach 5a das Einspeichern von flüssigem Kältemittel in den als Kältemittelspeichermittel 16 genutzten Außenwärmetauscher 6. Dazu wird das ersten Expansionsventils EXV1 zwischen dem Kabinenkondensator 4 und dem Außenwärmetauscher 6 bei geschlossenem ersten Absperrventil SOV1 geöffnet, so dass Kältemittel in dem Außenwärmetauscher 6 zwischengespeichert wird - Verfahrensschritt b). 5b zeigt analog zu 3b die Rückführung des in dem Kältemittelspeichermittel 16/Außenwärmetauscher 6 zwischengespeicherten Kältemittels in den Wärmepumpenkreislauf durch Öffnen des ersten Absperrventils SOV1 bei geschlossenem ersten Expansionsventil EXV1 - Verfahrensschritt c).Analogous to the first embodiment, this also occurs in the third embodiment according to 5a the storage of liquid refrigerant in the external heat exchanger 6 used as refrigerant storage medium 16. For this purpose, the first expansion valve EXV1 between the cabin condenser 4 and the external heat exchanger 6 is opened with the first shut-off valve SOV1 closed, so that refrigerant is temporarily stored in the external heat exchanger 6 - process step b). 5b shows analogous to 3b the return of the refrigerant temporarily stored in the refrigerant storage medium 16/external heat exchanger 6 into the heat pump circuit by opening the first shut-off valve SOV1 when the first expansion valve EXV1 is closed - process step c).

Analog zur Ausführungsform nach 4a lässt sich auch bei dem Aufbau der Wärmepumpenanordnung HP nach 5a und 5b auch der Verfahrensschritt b) durch kontinuierliches Ein- und Ausspeichern von Kältemittel in und aus dem Kältemittelspeichermittel 16/Außenwärmetauscher 6 realisieren - nicht dargestellt.Analogous to the embodiment according to 4a can also be used in the construction of the heat pump arrangement HP according to 5a and 5b Process step b) can also be implemented by continuously storing and discharging refrigerant in and out of the refrigerant storage medium 16/external heat exchanger 6 - not shown.

Die 6a und 6b zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Kabinenverdampfer 8-1 als Kältemittelspeichermittel 16 genutzt wird. Der Aufbau der Wärmepumpenanordnung HP ist gleich dem Aufbau der dritte Ausführungsform. 6a zeigt das Einspeichern des Kältemittels in den Kabinenverdampfer. Dies erfolgt durch Öffnen des zweiten Expansionsventils EXV2 bei offenem zweiten Absperrventil SOV2 und geschlossenem dritten Absperrventil SOV3 Kältemittel in dem Kabinenverdampfer 8-1 zwischengespeichert wird. 6b zeigt die Rückführung des zwischengespeicherten Kältemittels - Verfahrensschritt c) - durch Öffnen des dritten Absperrventils SOV3 bei geschlossenem zweiten Expansionsventil EXV2 aus dem Kabinenverdampfer 8-1 in den Wärmepumpenkreislauf.The 6a and 6b show a fourth embodiment of the invention, in which the cabin evaporator 8-1 is used as a coolant storage medium 16. The structure of the heat pump arrangement HP is the same as the structure of the third embodiment. 6a shows the storage of the refrigerant in the cabin evaporator. This is done by opening the second expansion valve EXV2 with the second shut-off valve SOV2 open and the third shut-off valve SOV3 closed. Refrigerant is temporarily stored in the cabin evaporator 8-1. 6b shows the return of the temporarily stored refrigerant - process step c) - by opening the third shut-off valve SOV3 with the second expansion valve EXV2 closed from the cabin evaporator 8-1 into the heat pump circuit.

7a und 7b zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung bei der das Kältemittelspeichermittel 16 ein zusätzliches Bauteil in Form eines Flüssigkeitsbehälters ist. Die schaltbare Ventileinrichtung 18 umfasst ein viertes Expansionsventil EXV4 oder ein viertes Absperrventil SOV4 mit geringer Öffnung, die dem Kältemittelspeichermittel 16 vorgeschaltet sind, sowie ein fünftes Absperrventil SOV5, dass dem Kältemittelspeichermittel 16 nachgeschaltet ist. Das vierte Expansionsventil EXV5 oder des vierte Absperrventil SOV4 ist mit dem Kondensatorauslass 4-o des Kabinenkondensators 4 und das fünfte Absperrventil SOV5 ist mit dem Kältemittelsammlereinlass 14-i verbunden. 7a and 7b show a fifth embodiment of the invention in which the coolant storage means 16 is an additional component in the form of a liquid container. The switchable valve device 18 comprises a fourth expansion valve EXV4 or a fourth shut-off valve SOV4 with a small opening, which are connected upstream of the coolant storage means 16, as well as a fifth shut-off valve SOV5 that is connected downstream of the refrigerant storage means 16. The fourth expansion valve EXV5 or the fourth shut-off valve SOV4 is connected to the condenser outlet 4-o of the cabin condenser 4 and the fifth shut-off valve SOV5 is connected to the refrigerant receiver inlet 14-i.

7a zeigt das Einspeichern von Kältemittel in das Kältemittelspeichermittel 16 durch Öffnen des vierten Expansionsventils EXV4 oder des vierten Absperrventils SOV4 bei geschlossenem fünften Absperrventil SOV5 - Verfahrensschritt b). 7b zeigt die Rückführung des in dem Kältemittelspeichermittel 16 zwischengespeicherten Kältemittels in den Wärmepumpenkreislauf durch Öffnen des fünften Absperrventils SOV5 bei geschlossenem vierten Expansionsventil EXV4 oder geschlossenem vierten Absperrventil SOV4. 7a shows the storage of refrigerant in the refrigerant storage medium 16 by opening the fourth expansion valve EXV4 or the fourth shut-off valve SOV4 with the fifth shut-off valve SOV5 closed - process step b). 7b shows the return of the refrigerant temporarily stored in the refrigerant storage medium 16 into the heat pump circuit by opening the fifth shut-off valve SOV5 when the fourth expansion valve EXV4 is closed or the fourth shut-off valve SOV4 is closed.

Dadurch, dass das das Kältemittelspeichermittel 16 eine zusätzliche Komponente ist, kann diese gezielt für die Zwischenspeicherung von Kältemittel dimensioniert werden. Das Innenvolumen und somit die maximale Kältemittelfüllmenge kann somit erhöht werden da zwei Behälter für Kältemittel zur Verfügung stehen, der Kältemittelsammler 14 und das Kältemittelspeichermittel 16. Das Kältemittelspeichermittel 16 ist in einem Bereich 24 angeordnet, z. B. in der Nähe einer Leitung mit heißer Flüssigkeit oder im Motorraum, in dem die Temperatur zumindest während des Betriebs der Wärmepumpenanordnung HP höher als die Außentemperatur ist. Hierdurch wird die Rückführung des Kältemittels in den Wärmepumpenkreislauf erleichtert bzw. die Rückführung des Kältemittels kann auch bei höherem Saugdruck erfolgen, da durch die höhere Temperatur im Bereich 24 des Kältemittelspeichermittels 16 auch ein höherer Sättigungsdruck in dem Kältemittelspeichermittel 16 vorliegt.Because the refrigerant storage medium 16 is an additional component, it can be specifically dimensioned for the intermediate storage of refrigerant. The internal volume and thus the maximum refrigerant filling quantity can thus be increased because two containers are available for refrigerant, the refrigerant collector 14 and the refrigerant storage medium 16. The refrigerant storage medium 16 is arranged in an area 24, e.g. near a line with hot liquid or in the engine compartment, in which the temperature is higher than the outside temperature, at least during operation of the heat pump arrangement HP. This makes it easier to return the refrigerant to the heat pump circuit and the refrigerant can also be returned at a higher suction pressure, since the higher temperature in area 24 of the refrigerant storage medium 16 also means there is a higher saturation pressure in the refrigerant storage medium 16.

8a und 8b zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung, die sich von der fünften Ausführungsform nach 7a und 7b dadurch unterscheidet, dass analog zu der zweiten Ausführungsform nach 4a und 4b in dem Verfahrensschritt b) kontinuierlich Kältemittel in das Kältemittelspeichermittel 16 ein- und wieder ausgespeichert wird. Die schaltbare Ventileinrichtung 18 umfasst ein viertes Absperrventil SOV4 in Reihe mit einer ersten Drossel FOT1, wobei das vierte Absperrventil SOV4 mit dem Kondensatorauslass 4-o des Kabinenkondensators 4 und die erste Drossel FOT1 mit dem Kältemittelspeichermittel 16 verbunden ist. Die schaltbare Ventileinrichtung 18 umfasst eine zweite Drossel FOT2, die dem Kältemittelspeichermittel 16 nachgeschaltet ist und die zweite Drossel FOT2 ist mit dem Kältemittelsammlereinlass 14-i verbunden. 8a zeigt die kontinuierliche Ein- und Ausspeicherung in/aus dem Kältemittelspeichermittel durch Einstellen des Öffnungsgrades des vierten Absperrventils SOV4 und durch die erste und zweite Drossel FOT1, FOT2. 8b zeigt das Entleeren des Kältemittelspeichers durch Schließen des vierten Absperrventils SOV4. 8a and 8b show a sixth embodiment of the invention, which differs from the fifth embodiment according to 7a and 7b differs in that analogous to the second embodiment according to 4a and 4b in method step b), refrigerant is continuously fed into and removed from the refrigerant storage medium 16. The switchable valve device 18 comprises a fourth shut-off valve SOV4 in series with a first throttle FOT1, wherein the fourth shut-off valve SOV4 is connected to the condenser outlet 4-o of the cabin condenser 4 and the first throttle FOT1 is connected to the refrigerant storage medium 16. The switchable valve device 18 comprises a second throttle FOT2, which is connected downstream of the refrigerant storage medium 16 and the second throttle FOT2 is connected to the refrigerant collector inlet 14-i. 8a shows the continuous charging and discharging into/from the refrigerant storage medium by adjusting the opening degree of the fourth shut-off valve SOV4 and through the first and second throttles FOT1, FOT2. 8b shows the emptying of the refrigerant storage tank by closing the fourth shut-off valve SOV4.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

HPHP: Wärmepumpenanordnungheat pump arrangement
EXV1EXV1: erstes Expansionsventilfirst expansion valve
EXVEXV: Expansionsventileinrichtungexpansion valve device
EXV-iEXV-i: Ventileingang von EXVvalve inlet of EXV
EXV-oEXV-o: Ventilausgang von EXVvalve output of EXV
EXV2EXV2: zweites Expansionsventilsecond expansion valve
EXV2-iEXV2-i: Ventileingang von EXV2valve inlet of EXV2
EXV2-oEXV2-o: Ventilausgang von EXV2valve output of EXV2
EXV3EXV3: drittes Expansionsventilthird expansion valve
EXV3-iEXV3-i: Ventileingang von EXV3valve inlet of EXV3
EXV3-oEXV3-o: Ventilausgang von EXV3valve output of EXV3
EXVBPEXVBP: Bypass-Expansionsventilbypass expansion valve
EXV4EXV4: viertes Expansionsventilfourth expansion valve
SOV1SOV1: erstes Absperrventilfirst shut-off valve
SOV2SOV2: zweites Absperrventilsecond shut-off valve
SOV3SOV3: drittes Absperrventilthird shut-off valve
SOV4SOV4: viertes Absperrventilfourth shut-off valve
SOV5SOV5: fünftes Absperrventilfifth shut-off valve
FOT1FOT1: erste Drosselfirst throttle
FOT2FOT2: zweite Drosselsecond throttle
DP1DP1: Doppelpfeil in 1 double arrow in 1
DP2DP2: Doppelpfeil in 2 double arrow in 2
22: Kompressorcompressor
2-i2-i: Kompressoreinlasscompressor inlet
2-o2-o: Kompressorauslasscompressor outlet
44: Kabinenkondensatorcabin condenser
4-i4-i: Kondensatoreinlasscondenser inlet
4-o4-o: Kondensatorauslasscondenser outlet
66: Außenwärmetauscheroutdoor heat exchanger
6-i6-i: Außenwärmetauschereinlassoutdoor heat exchanger inlet
6-o6-o: Außenwärmetauscherauslassoutdoor heat exchanger outlet
88: Verdampfereinrichtungevaporator device
8-i8-i: Verdampfereinlassevaporator inlet
8-o8-o: Verdampferauslassevaporator outlet
8-18-1: Kabinenverdampfercabin evaporator
8-1-i8-1-i: Kabinenverdampfereinlasscabin evaporator inlet
8-1-o8-1-o: Kabinenverdampferauslasscabin evaporator outlet
8-28-2: Chillerchiller
8-2-i8-2-i: Chillereinlasschiller inlet
8-2-o8-2-o: Chillerauslasschiller outlet
1010: absperrbare Leitung zwischen 4 und EXVlockable line between 4 and EXV
1212: Rückschlagventilcheck valve
1414: Kältemittelsammlerrefrigerant collector
14-i14-i: Kältemittelsammlereinlassrefrigerant receiver inlet
14-o14-o: Kältemittelsammlerauslassrefrigerant collector outlet
1616: Kältemittelspeichermittelrefrigerant storage medium
1818: schaltbare Ventileinrichtungswitchable valve device
2020: Bypassleitungbypass line
2222: innerer Wärmetauscherinternal heat exchanger
22-122-1: wärmeaufnehmender Teil von 22heat-absorbing part of 22
22-222-2: wärmeabgebender Teil von 22heat-emitting part of 22
2424: Bereich erhöhter Temperatur um 16area of increased temperature around 16
3030: Steuerungsteering

Claims

Thermal management system for vehicles, with a heat pump arrangement (HP) and a controller (30) which is designed to operate the heat pump arrangement (HP) in different operating modes, wherein the heat pump arrangement (HP) comprises: a compressor (2) with a compressor inlet (2-i) and a compressor outlet (2-o), a cabin condenser (4) with a condenser inlet (4-i) and a condenser outlet (4-o), wherein the compressor outlet (2-o) is connected to the cabin condenser inlet (4-i), an external heat exchanger (6) with an external heat exchanger inlet (6-i), an external heat exchanger outlet (6-o) and a first expansion valve (EXV1), wherein the first expansion valve (EXV1) is arranged between the cabin condenser outlet (4-o) and the external heat exchanger inlet (6-i), an evaporator device (8) with an evaporator inlet (8-i), an evaporator outlet (8-o) and an expansion valve device (EXV), wherein the expansion valve device (EXV) comprises a valve inlet (EXV-i) and a valve outlet (EXV-o), wherein the valve outlet (EXV-o) of the expansion valve device (EXV) is connected to the evaporator inlet (8-i) of the evaporator device (8), wherein the condenser outlet (4-o) of the cabin condenser (4) is connected to the valve inlet (EXV-i) of the expansion valve device (EXV) via a shut-off line (10), and wherein the external heat exchanger outlet (6-o) is connected to the valve inlet (EXV-i) of the expansion valve device (EXV) via a valve (12), and a refrigerant collector (14) with a refrigerant collector inlet (14-i) and a refrigerant collector outlet (14-o), wherein the refrigerant collector inlet (14-i) is connected to the evaporator outlet (8-o) of the evaporator device (8), and wherein the refrigerant collector outlet (14-o) is connected to the compressor inlet (2-i), characterized in that a refrigerant storage means (16) with a switchable valve device (18) is provided for the intermediate storage of refrigerant, that the refrigerant storage means (16) with the switchable valve device (18) is arranged between a first and a second position, that the first position is between the cabin condenser outlet (4-o) and the valve inlet (EXV-i) of the expansion valve device (EXV), and that the second position is between the evaporator outlet (8-o) and compressor inlet (2-i).

thermal management system according to claim 1 , characterized in that the refrigerant storage means (16) with the switchable valve device (18) is arranged between the cabin condenser outlet (4-o) and the refrigerant collector inlet (14-i).

Thermal management system according to one of the preceding claims, characterized by a bypass line (20) with a bypass expansion valve (EXV _BP ) which is arranged between the compressor outlet (2-o) and the refrigerant collector inlet (14-i).

Thermal management system according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporator device (8) has a cabin evaporator (8-1) with a cabin evaporator inlet (8-1-i) and a cabin evaporator outlet (8-1-o) and a chiller (8-2) with a chiller inlet (8-2-i) and a chiller outlet (8-2-o), that the expansion valve device (EXV) comprises a second and third expansion valve (EXV2, EXV3), each with a valve inlet (EXV2-i, EXV3-i) and a valve outlet (EVX2-o, EXV3-o), that the valve outlet (EXV2-o) of the second expansion valve (EXV2) is connected to the cabin evaporator inlet (8-1-i), and that the valve outlet (EXV3-o) of the third expansion valve (EXV3) is connected to the chiller inlet (8-2-i). is.

Thermal management system according to one of the preceding claims, characterized in that the external heat exchanger (6) is used as a coolant storage device (16), that the switchable valve device (18) comprises the first expansion valve (EXV1) and a first shut-off valve (SOV1), that the first shut-off valve (SOV1) is arranged between the external heat exchanger outlet (6-o) and the coolant collector inlet (14-i), and that a second shut-off valve (SOV2) is arranged between the cabin condenser outlet (4-o) and the expansion valve device (EXV).

thermal management system according to claim 4 , characterized in that the cabin evaporator (8-1) is used as a refrigerant storage means (16), that the switchable valve device (18) comprises the second expansion valve (EXV2) and a third shut-off valve (SOV3), and that the third shut-off valve (SOV3) is arranged between the cabin evaporator outlet (8-1-o) and the refrigerant collector inlet (14-i).

Thermal management system according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant storage means (16) is an additional component.

thermal management system according to claim 7 , characterized in that the coolant storage means (16) is arranged in a region (24) in which the temperature is higher than the outside temperature at least during operation of the heat pump arrangement.

thermal management system according to claim 7 or 8 , characterized in that the switchable valve device (18) comprises a fourth expansion valve (EXV4) or a fourth shut-off valve (SOV4) which are connected upstream of the refrigerant storage means (16), and in that the switchable valve device (18) comprises a fifth shut-off valve (SOV5) which is connected downstream of the refrigerant storage means (16).

thermal management system according to claim 7 or 8 , characterized in that the switchable valve device (18) comprises a fourth shut-off valve (SOV4) in series with a first throttle (FOT1), wherein the fourth shut-off valve (SOV4) is connected to the condenser outlet (4-o) of the cabin condenser (4) and the first throttle (FOT1) is connected to the refrigerant storage means (16), and that the switchable valve device (18) comprises a second throttle (FOT2) which is connected downstream of the refrigerant storage means (16).

Thermal management system according to one of the preceding claims, characterized by an internal heat exchanger (22) with a heat-emitting part (22-1) and a heat-absorbing part (22-2), wherein the heat-emitting part (22-1) is arranged between the external heat exchanger outlet (6-o) and the expansion valve device (EXV), and wherein the heat-absorbing part (22-2) is arranged between the refrigerant collector outlet (14-o) and the compressor inlet (2-i).

Method for operating a thermal management system according to one of the preceding claims, with the method steps: a) operating the heat pump arrangement for heating a vehicle cabin via the cabin condenser (4); characterized by b) temporarily storing a portion of the refrigerant in the refrigerant storage medium (16) if the suction pressure of the compressor (2) is below the saturation pressure of the refrigerant at ambient temperature in the region of the refrigerant storage medium (16), and c) returning the temporarily stored refrigerant to the refrigerant circuit before the suction pressure of the compressor (2) rises above the saturation pressure of the refrigerant at ambient temperature in the region of the refrigerant storage medium (16).

procedure according to claim 12 , characterized in that the method step c) begins at the earliest when the suction pressure of the compressor (2) has exceeded its absolute minimum and begins to rise continuously.

procedure according to claim 12 or 13 , characterized by the method step: d) operating the heat pump arrangement in a heat boost mode by directing a portion of the compressed refrigerant gas from the compressor outlet (2-o) via the bypass line (20) with the bypass expansion valve (EXV _BD ) to the refrigerant receiver inlet (14-i) in order to increase the suction pressure of the compressor (2).

Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that the external heat exchanger (6) is used as a refrigerant storage means (16), that in method step b) by opening the first expansion valve (EXV1) with the first shut-off valve (SOV1) closed, refrigerant is temporarily stored in the external heat exchanger (6), and that in method step c) by opening the first shut-off valve (SOV1) with the first expansion valve (EXV1) closed, the temporarily stored refrigerant is taken back into the heat pump circuit.

Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that the external heat exchanger (6) is used as a refrigerant storage means (16), and that in method step b) by adjusting the degree of opening of the first expansion valve (EXV1) and the first shut-off valve (SOV1), refrigerant is continuously temporarily stored in the external heat exchanger (6) and discharged therefrom again.

Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that the cabin evaporator (8-1) is used as a refrigerant storage means (16), that in method step b) by opening the second expansion valve (EXV2) with the third shut-off valve (SOV3) closed, refrigerant is temporarily stored in the cabin evaporator (8-1), and that in method step c) by opening the third shut-off valve (SOV3) with the second expansion valve (EXV2) closed, the temporarily stored refrigerant is returned to the heat pump circuit.

Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that an additional component is used as a refrigerant storage medium (16), that in method step b) by opening the fourth expansion valve (EXV4) or the fourth shut-off valve (SOV4) with the fifth shut-off valve (SOV5) closed, refrigerant is temporarily stored in the additional component (16), and that in method step c) by opening the fifth shut-off valve (SOV5) with the fourth expansion valve (EXV4) or the fourth shut-off valve (SOV4) closed, the temporarily stored refrigerant is returned to the heat pump circuit.

Method according to one of the Claims 12 until 14 , characterized in that an additional component is used as a refrigerant storage medium (16), and that in method step b) by adjusting the degree of opening of the fourth expansion valve (EXV4) or the fourth shut-off valve (SOV4) and through the first and second throttles (FOT1, FOT2), refrigerant is continuously temporarily stored in the refrigerant storage medium (16) and discharged therefrom again.

Method according to one of the Claims 12 until 19 , characterized in that CO2 is used as a refrigerant.