带有可调节内部热交换器的冷却系统的制作方法

本发明涉及一种冷却系统，其包含在回路中通过流体管线并且依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，该冷却系统还包含内部热交换器，该内部热交换器具有与第二管道热交换接触的第一管道，其中，第一管道是冷凝器和膨胀阀之间的流体管线的一部分，并且其中，第二管道是蒸发器和压缩机之间的流体管线的一部分。

背景技术：

对这种冷却系统例如从ep1043550中进行了解。该出版物描述了一种冷却系统，其中使用流体(特别是co2)，该流体在压缩机和膨胀阀之间的高压管线中变为超临界状态。由于冷凝器的冷却作用，高压管线中的压力可能会变化。特别是，这种变化取决于环境温度。在寒冷的天气中，高压管线中的流体将被冷却到远低于炎热天气的温度。这导致高压管线中取决于环境温度形成不同的压力。这种压力变化对冷却循环的cop(性能系数)有不利影响。

ep1043550提出围绕内部热交换器的低压管线(即在蒸发器和压缩机之间)提供旁通通道。该旁通通道设有可控阀，对该可控阀基于高压管线中的压力来控制，以确保流体(特别是co2)保持在最佳压力。因此，如果高压管线中的压力上升，则将旁通通道关闭，使得高压管线中的流体可以用内部热交换器冷却，并因此降低高压管线中的压力。另一方面，如果压力下降，则将旁通通道打开，使得高压管线中的流体不会被内部热交换器进一步冷却，从而产生更高的压力。

内部热交换器(ihx)在暖高压侧和冷吸入侧之间进行热交换。通常，在制冷循环中使用内部热交换器主要对两个物理值(即冷却能力和系统效率(cop))具有积极影响。冷却能力主要受制冷剂质量流量和蒸发器中的焓差这两个因素的影响。

焓差受内部热交换器高压侧的制冷剂的冷却的影响。ihx的高压侧出口处的制冷剂温度越低，蒸发器中的焓差越大，使得冷却能力增加。在ihx的吸入侧，制冷剂被加热并变干燥(液体制冷剂的液滴在ihx中蒸发)。由于功耗下降，这种干燥对压缩机有积极影响。这另外产生更好的cop值。

另外的潜在积极影响是蒸发器的过热可以部分地进入ihx中，这使得能够使用较大部分的蒸发器表面来进行空气冷却而不是使制冷剂过热。总之：可用的ihx传热能力越高，对上述积极影响的利用越好。这将有助于提供更好的冷却能力和整个ac系统的更高cop。

然而，增加ihx性能受到压缩机吸入侧的最大允许气体温度的限制。原因是较高的吸入侧温度会提高压缩机中的工作温度，从而也会提高排出温度。最大允许工作温度由压缩机制造商规定，因此是限制因素。因此，最大压缩机温度也限制了最大可能的ihx性能。

基础系统的ihx性能也不灵活，ihx长度、几何结构和材料是决定热交换能力的因素。这些因素是固定的，但为了在所有可变环境和驱动条件下以及针对在一个系统(r134a/hfo1234yf)中使用的不同制冷剂提供最佳的ac系统性能，需要ihx的自适应性能。

技术实现要素：

本发明的目的是减少上述缺点。

该目的通过根据前序部分的冷却系统来实现，该冷却系统的特征在于，旁通流体管线布置在内部热交换器的第一管道的两端之间。

在第一管道的两端之间并因此在冷却系统的高压或液体管线中设置旁通流体管线，允许直接控制ihx中的热交换。

它还提供了压降有限的优点。由于制冷剂在其液相的流速低，因此没有明显的压降。如现有技术中已知的那样，在吸入侧具有旁路，存在由于旁通部件引起的压降的风险以及对整个系统的相应负面影响。

系统液体侧的软管直径小于吸入侧的软管直径，因此允许本发明更紧凑(更小的软管、阀和更紧凑的连接器)的布置，例如在车辆的发动机舱中。这也使得生产成本降低。

本发明还具有以下优点：对噪声、振动和声振粗糙度(nvh)性能没有负面影响。与吸入侧的旁路解决方案相比，根据本发明的系统中的流动噪声不会增加。nvh性能在传统ac系统中已经处于临界状态，因为蒸发器通常充当扬声器。

使用本发明，也没有油积聚的风险。因为油溶解在液体中，所以通过避免产生所谓的油槽来确保通过冷却系统的油输送。在现有技术中，这在制冷剂处于气相的吸入侧更为关键。在这种情况下，油通常与气相制冷剂一起被扫除—需要确保足够的流速，这对吸入侧旁路解决方案具有风险。

此外，与现有技术中已知的气相(更快和湍流)旁路相比，如本发明提供的液相旁路提供了改进的流动控制，这是由于(液体的)流速较低且条件更恒定。

在使用内部热交换器的情况下，由于内部热交换器中的液体侧通常是外管，因此可以更容易地布置旁路并且具有有限数量的修改。这允许例如沿着内部热交换器的液体管线的长度连接旁通通道以提供部分旁路。因此，可以根据需要容易地添加旁路。

ep1043550公开了一种通过在低压或吸入管线中提供旁通通道来控制ihx的传热的方法。使用旁通通道，可以管理ihx的传热，从而控制高压管线中的压力。

由于ep1043550要求高压或液体管线中的压力保持恒定，因此不能在高压管线中设置旁通通道，因为当将旁通通道打开或关闭时这会影响压力。

因此，ep1043550在低压管线中提供旁通通道，使得ihx的热交换受到影响，而高压管线中的压力不受打开或关闭旁通通道的直接影响。这也是低压管线中流体状态的结果，该流体具有气态。气体可以容易地被压缩，使得打开或关闭旁通通道的任何影响对低压管线中的压力没有实质影响，对高压管线中的压力更没有实质影响。

使用本发明，将旁通通道布置在高压管线中，其中流体是液体并且易于控制流过ihx和旁路的液体的量。因此，虽然高压管线中的压力可能会波动，但使用高压管线中的旁通通道，对ihx的控制更直接，从而更好地控制压缩机吸入侧的温度，并相应地使压缩机的使用寿命更长，同时优化cop。

根据本发明的冷却系统的优选实施例还包含可控阀，该可控阀布置在旁通流体管线中，用于控制流过旁通流体管线的流体的量。流过旁通流体管线并因此不流过ihx的流体的量取决于最佳冷却系统性能所需的必要热交换量。在优选实施例中，可控阀是两通阀。在另一实施例中，可控阀是比例阀。在另一实施例中，可控阀是比例三通阀。

在根据本发明的冷却系统的另一实施例中，可控阀是三通阀，并且布置在冷凝器与内部热交换器之间的流体管线和旁通流体管线的接头(入口接头)处或布置在内部热交换器和膨胀阀之间的流体管线和旁通流体管线的接头(出口接头)处。

使用三通阀，可以直接控制流过旁通管线和热交换器的制冷剂的量。如果在旁通流体管线中使用两通阀，那么改变内部热交换器中的阻力将影响流过旁通管线的量和流过内部热交换器的量的比率。

根据本发明的冷却系统的优选实施例还包含温度传感器，该温度传感器布置在压缩机和内部热交换器的第一管道之间的流体管线中，用于基于由温度传感器测量的温度来控制可控阀。

通过连续测量排出管线(即压缩机和冷凝器之间的流体管线)上的制冷剂温度以及对旁通阀的相应控制，可以在所有可变环境和驱动条件下提供最佳ihx性能，其中压缩机被保护防止过热。

温度传感器和可控阀之间的联接可以是使用恒温控制的直接连接。这是机械连接，其中通常在温度传感器部分中膨胀的气体用于机械控制阀门。然而，优选的是具有联接可控阀和温度传感器的电子控制器，因为这在控制策略中提供了更大的灵活性。

在另一优选实施例中，布置在压缩机和内部热交换器的第一管道之间的流体管线中的温度传感器布置在压缩机和冷凝器之间，优选地直接在压缩机之后。

根据本发明的冷却系统的另一优选实施例还包含温度传感器，布置在内部热交换器的第二管道和压缩机之间的流体管线中；以及控制装置，连接到温度传感器和可控阀，用于基于温度传感器测量的温度控制可控阀。

优选地，冷却系统还包含压力传感器，布置在内部热交换器的第二管道和压缩机之间的流体管线中。

通过测量压缩机吸入侧的温度和压力两者，可以确保只有气态制冷剂进入压缩机。这进而允许通常在蒸发器中完成的制冷剂的过热在内部热交换器中完成。这使得蒸发器的全部容量能够用于冷却空气，而内部热交换器将确保制冷剂的过热并因此确保仅气态制冷剂进入压缩机。

在又一实施例中，膨胀阀也是可控的，使得可以控制冷却系统的所有方面，并且可以根据各种情况选择最佳设置。

在优选实施例中，冷却系统填充有r134a或hfo1234yf作为制冷剂。在另一优选实施例中，冷却系统不含co2。

在另一实施例中，冷凝器和内部热交换器的第一管道之间的流体管线是永久打开的。

在另一实施例中，旁通流体管线仅包含单个可控阀，和/或对流过旁通流体管线的流体的量通过单个可控阀来控制。

在优选实施例中，入口接头和内部热交换器的第一管道之间的流体管线的最小直径可以大于旁通流体管线的最大直径。这具有以下优点：旁通流体管线的尺寸可以更小，这节省了成本。

在替代实施例中，旁通流体管线的最小直径大于入口接头和内部热交换器的第一管道之间的流体管线的最大直径。

在另一优选实施例中，冷凝器没有分支。优选地，冷凝器包含正好一个入口和正好一个出口。在另一优选实施例中，内部热交换器的第一管道和膨胀阀仅通过单个流体管线连接。

在另一优选实施例中，可控阀被集成在内部热交换器的连接凸缘中。

在另一优选实施例中，冷却系统在冷凝器和内部热交换器之间的流体管线中没有任何传感器。

本发明的目的还通过用于控制根据上述实施例的冷却系统的方法来实现，包含以下步骤：

-使用由压缩机和冷凝器之间的流体管线包含的温度传感器优选地连续测量冷却系统的制冷剂的流体温度，其中，温度传感器优选地位于压缩机的出口侧附近或直接位于压缩机的出口侧，

-与温度传感器测量的流体温度成比例地，通过自动致动可控阀来控制流过内部热交换器的流体的质量流量，该可控阀被布置成控制流过旁通流体管线的流体的量。

在优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果压缩机后的测量温度很快就要超过预定义温度阈值或范围，通过自动致动可控阀，开始按比例减少流过内部热交换器的流体的质量流量，从而减少内部热交换器中的热交换，该可控阀被布置成控制流过旁通流体管线的流体的量。

优选地，将控制设计成使得热交换的不稳定变化不会发生。

在更进一步优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果压缩机后的测量温度开始下降到低于预定温度阈值或范围，通过自动致动可控阀，开始按比例增加流过内部热交换器的流体的质量流量，从而增加内部热交换器中的热交换，该可控阀被布置成控制流过旁通流体管线的流体的量。

在另一优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-使用另一温度传感器和压力传感器优选地连续测量冷却系统的制冷剂的流体温度和压力，所述另一温度传感器和压力传感器均由内部热交换器的第二管道和压缩机之间的流体管线包含，其中，所述另一温度传感器和压力传感器优选地位于压缩机的入口侧附近或直接位于压缩机的入口侧；

-基于所述另一温度传感器和压力传感器的测量结果并使用控制器连续地确定或计算流体的过热；

在另一优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果流体的过热超过或即将超过预定义的过热最大过热阈值或过热范围，则按比例增加流过旁通流体管线的流体的质量流量。

在另一优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果流体的过热降低或即将降低至低于预定义的最大过热阈值或过热范围，则按比例减少流过旁通流体管线的流体质量流量。

在另一优选实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果连续地确定或计算的过热保持为预定义的最佳过热阈值或在预定义的过热范围内，则使流过旁通流体管线的质量流量保持为稳定，接近或等于零。

将结合附图阐明这些特征和其它特征。

附图说明

图1示出了根据本发明的冷却系统的第一实施例的示意图。

图2示出了根据本发明的冷却系统的第二实施例的示意图。

图3示出了根据本发明的冷却系统的第三实施例的示意图。

图4示出了根据本发明的冷却系统的第四实施例的示意图。

图5示出了调整用于控制根据本发明的冷却系统的方法的优选实施例的两个图示的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出了冷却系统1，其包含在回路中通过流体管线并且依次连接的压缩机2、冷凝器3、膨胀阀4和蒸发器5。

为了进一步改进冷却系统1，内部热交换器6设置有布置在冷凝器3和膨胀阀4之间的管线8、9中的第一管道7，和布置在蒸发器5和压缩机2之间的管线11、12中的第二管道10。

此外，具有可控阀14的旁通流体管线13布置在管线8和管线9之间，即布置在内部热交换器6的第一管道7的两端之间。旁通流体管线13布置在入口接头28和出口接头29之间。

冷凝器3和内部热交换器6的第一管道7之间的流体管线8是永久打开的。内部热交换器6的第一管道7和膨胀阀4仅通过单个流体管线9连接。

温度传感器23布置在压缩机2和冷凝器3之间的流体管线17中，以测量离开压缩机2的制冷剂的排出温度。温度传感器23靠近压缩机2布置在压缩机2和冷凝器3之间。

可控阀14和温度传感器23都连接到控制器16，使得可以基于流体管线17中的测量温度来控制可控阀14。

从图1中可以看出，旁通流体管线13仅含有单个阀(即可控阀14)。流过旁通流体管线13的流体的量仅通过该单个可控阀14控制。

可控阀14是两通比例阀。如果将可控阀14关闭(0％位置)，则没有流体通过旁通流体管线13。旁通流体管线13的最小直径大于经由第一管道7而位于入口接头28和出口接头之间的流体管线8、9的最大直径。确定

冷凝器3和入口接头28之间的流体管线8以及出口接头29和膨胀阀之间的流体管线9的直径足够大，以输送组合的流体质量通过旁通流体管线13和第一管道。

因此，如果可控阀14被最大程度地打开(100％位置)，则离开冷凝器3的流体的最大份额通过旁通流体管线。

对于设计直径相对较小的经由第一管道7而位于入口接头28和出口接头之间的流体管线8、9而言，替代地或除此之外，通过在第一管道7的入口侧或出口侧(例如，在内部热交换器的连接凸缘26中(见图6))放置节流阀(未示出)可以实现通过第一管道7的轻微压降。

在图1所示的示例性实施例中，旁通流体管线13由具有大约(例如)10mm直径的管子实现，而流体管线8由具有大约(例如)8mm直径的管子实现。其他直径也是可能的。

通过将温度传感器直接布置在压缩机2之后的高压管线17中，可以控制排出温度并因此允许保护压缩机2免于过热。排出温度受吸入温度、压缩机转速和压缩机消耗的功率的影响。因此，同样通过将该温度传感器23布置在压缩机2之后，可以保护压缩机并且可以使热交换能力最大化和优化。

图2示出了根据本发明的冷却系统的第二实施例20。冷却系统20类似于图1的冷却系统1，并且相同的部件由相同的附图标记表示。

在实施例20中，旁通流体管线13在流体管线8和旁通管线13的接头处设置有可控阀22。这提供了更好的流体控制并且允许直接控制流过旁通管线13和热交换器6的第一流体管线7的制冷剂的量。

此外，实施例20包含第二温度传感器15，其布置在内部热交换器6和压缩机2之间的管线12中。压力传感器25也布置在内部热交换器6和压缩机2之间的管线12中。第二温度传感器15和压力传感器25直接布置在压缩机2的入口侧或布置为靠近压缩机的入口侧。

与图1的实施例相比，这些附加的传感器15和25提供了改进的控制，以允许最大地优化冷却系统性能。

在该管线12中由传感器25测量的压力值与温度传感器15测量的温度相结合，可用于控制压缩机2之前的理想制冷剂过热。这提供了更高的cop和压缩机保护，同时使得制冷剂从蒸发器5过热到ihx6中的部分外包成为可能。

对管线12中的温度传感器15、紧接在压缩机2之后的温度传感器和压力传感器的使用可以期望的任何配置组合，以提供冷却系统性能的最佳可控性和最大可能的优化。

图3示出了根据本发明的冷却系统的第三实施例的示意图。该实施例30几乎与图2所示的实施例20相同。

不同之处在于旁通流体管线13的布置，其并不完全在管线8和管线9之间(即在内部热交换器6的第一管道7的两端之间)延伸。然而，在该实施例30中，旁通流体管线从管线8延伸到沿着内部热交换器6的第一管道7的长度的某个位置。这提供了部分旁通流体管线13。

从图2和图3中可以看出，流过旁通流体管线13的流体的量仅通过单个可控阀22控制，该可控阀是限定入口接头28的三通比例阀。

图4示意性地示出了冷却系统1，其包含在回路中通过流体管线并且依次连接的压缩机2、冷凝器3、膨胀阀4和蒸发器5。

为了进一步改进冷却系统1，内部热交换器6设置有布置在冷凝器3和膨胀阀4之间的管线8、9中的第一管道7，和布置在蒸发器5和压缩机2之间的管线11、12中的第二管道10。

此外，旁通流体管线13布置在管线8和管线9之间，即布置在内部热交换器6的第一管道7的两端之间。内部热交换器6的第一管道7和膨胀阀4仅通过单个流体管线9连接。

呈比例两通阀形式的可控阀14优选地直接放置在内部热交换器6的第一管道7的输入侧。替代地(以虚线示出)，可控阀14'可以优选地直接放置在内部热交换器6的第一管道7的输出侧。

温度传感器23布置在压缩机2和冷凝器3之间的流体管线17中，以测量离开压缩机2的制冷剂的排出温度。温度传感器23直接在压缩机2之后(并且靠近压缩机的出口)布置在压缩机2和冷凝器3之间。

可控阀14和温度传感器23都连接到控制器16，使得可以基于流体管线17中的测量温度来控制可控阀14。

从图4中可以看出，流过ihx管线7的流体的量仅通过该单个可控阀14控制。

可控阀14是两通比例阀。如果将可控阀14关闭(0％位置)，则来自冷凝器3的所有流体都流过旁通流体管线13。

在图4的实施例中，旁通流体管线13(即入口接头28和出口接头29之间)的直径小于经由第一管道7而位于入口接头28和出口接头29之间的流体管线8、9的直径。

因此，如果可控阀14最大程度的打开(100％位置)，则离开冷凝器3的流体的最大份额(几乎100％)通过内部热交换器6的第一管道7。

在图4的实施例中，可控阀14例如被集成在内部热交换器6的入口侧的连接凸缘26中。替代地，可控阀14可以放置在入口接头28和第一管道7之间的流体管线8中，或者(以虚线示出)可控阀14可以在出口接头29和第一管道7之间放置在流体管线9中。

在图4所示的实施例中，旁通流体管线13由具有大约(例如)6mm直径的管子实现，而流体管线8由具有大约8mm直径的管子实现。其他直径也是可能的。

图5示出了调整用于控制根据本发明的冷却系统的方法的优选实施例的两个图示的示意图。作为示例，图5是指图2的冷却系统20。

图a)的垂直轴表示通过旁通流体管线13的流体的质量流量，而图a)的水平轴表示由压缩机2的出口侧的温度传感器23测量的温度。因此，图a)指的是第一控制回路。

图b)的垂直轴表示通过旁通流体管线13的流体的质量流量，而图b)的水平轴表示基于压缩机2入口侧的另一温度传感器25和压力传感器15的测量结果确定的过热。因此，图a)指的是第二控制回路。

图a)

使用由压缩机2和冷凝器3之间的流体管线17包含的温度传感器23连续测量冷却系统20的制冷剂的流体温度。温度传感器23位于压缩机2的出口侧附近。

与温度传感器25测量的流体温度成比例地，通过内部热交换器6的流体的质量流量通过自动且成比例地致动可控阀22来控制，该可控阀被布置成控制流过旁通流体管线13的流体的量。

在图5a中，压缩机之后的测量温度t1例如很快就要超过预定义的范围r1(由实线箭头a1表示)。因此，通过自动地致动可控阀22减少了流过内部热交换器6的流体的质量流量。因此，从图中可以看出，通过旁通流体管线13的质量流量增加。

由此，内部热交换器6中的热交换减少，这使t1保持在期望范围r1内(由虚线箭头a1'表示)。

期望范围r1在该示例中从80％的tmax(压缩机2的出口侧的最高温度)延伸到tmax。替代地，例如，期望范围r1可以从60％的tmax延伸到tmax。当然，范围r1可以适应特定的冷却系统。tmax可以是例如100℃或150℃或在两者之间。

尽管通常期望保持压缩机2的出口侧的温度尽可能低，但是第一控制回路允许内部热交换器6的最大热利用率，从某种意义上来说，它允许在接近tmax的区域内安全地操作它。在冷却系统的其他操作点中，在压缩机2之后测量的温度t2可以低于50％的tmax。在这种情况下，通过旁通流体管线13的流量可以为零。因此，明显的是，第一控制回路用作第一安全回路。

然而，如果压缩机之后的测量温度t2例如很快就要下降至低于预定义的范围r1(由实线箭头a2表示)，则通过内部热交换器6的流体的质量流量通过自动地致动可控阀22来增加。因此，从图中可以看出，通过旁通流体管线13的质量流量减小。

由此，内部热交换器6中的热交换增加，这使t2回转到期望范围r1(由虚线箭头a2'表示)。

在两种情况下，对质量流量按比例进行控制，使得热交换不会发生不稳定的变化。

如果由温度传感器23测量的温度保持在预定范围r1内，则通过旁通流体管线13的质量流量保持稳定。

图b)

使用另一温度传感器15和压力传感器25连续测量冷却系统的制冷剂的流体温度和压力，所述另一温度传感器和压力传感器均由内部热交换器6的第二管道10和压缩机2之间的流体管线12包含。所述另一温度传感器15和压力传感器25位于压缩机2的入口侧附近。

基于所述另一温度传感器15和压力传感器25的测量结果，使用控制器16连续地确定流体的过热。控制器16还控制比例三通阀22。

在图5b)中，在压缩机2的入口侧确定的过热oh1例如很快就要超过预定的过热范围r2(由实线箭头oa1表示)。举例来说，过热范围可以是5开尔文至15开尔文，中间的最佳过热为10开尔文。

因此，通过由控制器16控制而朝向旁通流体管线13成比例地打开可控阀23而增加通过旁通流体管线13的流体质量流量。由此，内部热交换器6中的热交换减少，这使oh1回转到期望范围r2(由虚线箭头oa1'表示)。

如果流体的过热oh2下降或即将下降至低于预定义的过热范围r2(由实线箭头ao2表示)，则第二控制回路提供成比例地减少通过旁通流体管线13的流体质量流量，这可以在图5b)中看到。换句话说，将可控阀22朝向其关闭位置成比例地转向。

由此，内部热交换器6中的热交换增加，这使oh2回转到期望范围r2(由虚线箭头oa2'表示)。

如果连续确定或计算的过热oh1、oh2保持在例如最佳过热点附近的(较小的)过热范围r2'内，则通过旁通流体管线13的质量流量可以保持稳定。

因此，明显的是，第二控制回路用作第二安全回路，其防止流体液滴进入压缩机2，从而避免液锤(flüssigkeitsschlag)。

图a)中表示的第一控制回路通常对图b)中表示的第二控制回路施加影响，第一控制回路占优势地位。

附图标记列表

1,20,30冷却系统

2压缩机

3冷凝器

4膨胀阀

5蒸发器

6内部热交换器

7第一管道

8、9冷凝器和膨胀阀之间的管线

10第二管道

11、12蒸发器和压缩机之间的管线

13旁通流体管线

14可控阀

15第二温度传感器

16控制器

17压缩机和冷凝器之间的流体管线

22可控阀

23温度传感器

25压力传感器

26连接凸缘

28入口接头

29出口接头

t1、t2由温度传感器23测得的温度

oh1、oh2所确定的过热