用于对待温控的空间进行温度控制的方法和设备与流程

本发明涉及对待温控的空间进行温度控制，尤其涉及在移动或固定制冷应用中的制冷或加热的产生和分配。特别地，本发明涉及用于在移动制冷应用或加热应用中的制冷或加热的产生或分配的方法和设备，并且可以用于具有制冷结构或加热结构、轨道式或海运式制冷或加热结构或容器的道路机动车辆机或拖车或半拖车，或者通常用于在通风或空调应用中的待温控的空间，该通风或空调应用例如通过压缩式制冷机被制冷或加热。此外，本发明也可以用于移动应用中的舒适空调领域，例如公共汽车或铁路运输中的有轨客车。然而，原则上，从纯技术的观点来看，将本发明限制于这些领域并不是必需的，因为这里描述的解决方案也可用于固定应用中。

背景技术：

1、压缩式制冷机是制冷机最常见的设计。当聚集状态从液态变为气态或从气态变为液态时，这种设计利用了蒸发热的物理效应。在压缩式制冷机中，具有适当热动力特性的制冷剂在闭合循环中移动，如图2a所示。在这种情况下，它一个接一个地经历聚集状态的各种改变。气态制冷剂首先被压缩机1压缩。在下面的热交换器(或热传递器)2(过程的冷凝器或散热器)中，该制冷剂被冷凝(液化)，同时释放热量。随后，冷凝的制冷剂经由膨胀元件3或者在最简单的情况下经由隔膜或毛细管膨胀到蒸发压力，以便降低压力。在该过程中，它冷却下来。在下游的第二热交换器4(或热传递器)(蒸发器或该过程的热源)中，制冷剂蒸发同时在低温下吸收热量(蒸发冷却)。在该过程中吸收的热量代表制冷系统所使用的冷度。所吸收的热流被称为制冷能力。因此，蒸发器有利地直接位于制冷结构中，位于制冷容器中或通常位于应用的待冷却的封闭空间5中，以便通过使制冷物品尽可能多地与热源直接接触而将热交换损失保持在最小。该循环现在可以再次开始。该过程必须通过经由压缩机供应机械功(驱动功率)而保持从外部持续进行。制冷剂在低温水平下吸收热量输出并且通常通过在较高温度水平下供应技术功而将其消散到周围区域中。如果要使用由系统的冷凝器发出的冷凝器热而不是提供给蒸发器的制冷能力或能量，则所描述的相同的过程被称为热泵过程，如图2b所示。在本技术中，这导致了利用适当的过程控制和系统组件的布置以用于加热目的的热的形式向本技术的所述的结构或封闭的内部空间提供能量的可能性。实现这一点的方式之一是将压缩机的压力侧的出口连接到位于封闭结构中的热交换器，使得其在结构的运行期间加热。其余组件然后根据所描述的用于制冷的应用过程来实现它们的功能。热量供应还可以用于在封闭空间中实现热交换器的有效除霜，这可以是时间控制的或需求控制的。

2、制冷剂循环基本上由以下四个组件组成：压缩机1、冷凝器2、膨胀元件3和蒸发器4。在单级或多级制冷系统中，通常在高压侧和低压侧之间进行区分。高压侧从压缩机的压力侧延伸到制冷剂进入膨胀元件的入口。低压侧包括制冷剂从膨胀元件流出的出口到压缩机入口的制冷剂循环的一部分。如果制冷剂循环作为热泵来操作，即，使用由冷凝器提供的热输出而不是蒸发器的制冷能力，则这也适用。如上所述，热输出可以用于加热应用或使蒸发器除霜。

3、不考虑应用，在循环中循环过程中使用的制冷剂应该对环境具有尽可能小的影响，是成本有效的并且特别是能量有效的。制冷剂的环境有害的影响的关键度量是其全球变暖潜力(gwp)。该值相对于co2(二氧化碳)的gwp值针对制冷剂给出。根据定义，co2具有1的gwp值。针对经常用作制冷剂的f气体(或氟化气体)，全球变暖权利可以具有数千的值。这继而意味着在其生产、使用或处置过程中释放到大气中的1千克f气体可以等同于几吨co2的温室效应。

4、f气体中最重要的组分是碳、氢和氟。f气体通常非常缓慢地分解，并且一旦释放，有时在我们的大气中保持数百或数千年。无论它们的停留时间和全球变暖潜力的水平如何，当f气体分解时形成分解产物。这些物质，例如三氟乙酸或氟化氢，经常对人类和环境具有长期的负面影响。由于这些原因，国际立法通过法规和条例日益限制或甚至禁止将f气体用作制冷剂。制冷技术的消费者和用户以及作为整体的社会接受f气体作为制冷剂正在降低，结果，制冷和热泵制造工业越来越需要基于使用f气体的现有制冷技术的替代品。

5、de202022100810u1示出了热泵系统，其具有热泵、消耗回路和在消耗回路中被配置为气体分离器的缓冲存储器。热泵中使用丙烷，并且热泵被设置在建筑物外部的安全区域中。

6、de102007039195a1示出了一种用于对车辆进行空气调节的装置，其中第一循环可以在制冷模式和加热模式之间切换。co2在第一超临界操作循环中作为热交换流体循环。用于车辆的马达驱动的冷却剂在第二循环中循环。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于对待温控的空间进行温度控制的改进概念。

2、该目的通过根据权利要求1所述的设备、根据权利要求24所述的待温控的空间、根据权利要求27所述的用于操作用于对待温控的空间进行温度控制的设备的方法，或根据权利要求28所述的用于制造用于对待温控的空间进行温度控制的设备的方法来实现。

3、一种用于对待温控的空间进行温度控制的设备包括具有蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀元件的初级热泵回路，该空间具有将待温控的空间与周围区域分离的空间限制，其中，初级热泵回路包括自然初级工作流体，其中蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀元件被布置在待温控的空间的外部。该设备还包括经由热交换器热耦合到蒸发器和冷凝器并且与蒸发器和冷凝器流体解耦并且包括一个或多个温度控制元件的回路，温度控制元件被布置在待温控的空间中并且经由管线装置连接到热交换器，该管线装置包括不同于初级流体的次级流体，其中管线装置穿透空间限制。

4、本发明基于这样的发现，即，在布置在待温控的空间外部的初级热泵回路中，即，在待温控的空间的周围区域中，使用自然初级工作流体，该自然初级工作流体可以具有在被生物体呼吸时不利于封闭空间的性质，例如可燃性。另一方面，在次级回路中使用不同的次级流体，该次级流体通常是无害的或对生物体具有低风险，因为该次级流体是不可燃的。因此，根据本发明，初级工作流体和次级流体可以彼此结合，初级工作流体和次级流体一方面对于压缩或初级热泵回路具有有利特性而另一方面对于要温控的(封闭)空间中的温度控制具有有利特性。

5、特别地，使用可燃初级工作流体作为自然制冷剂的示例能够在压缩制冷/加热循环中实现高环境相容性和良好的能量效率特性。另一方面，这种制冷剂/加热剂在付出相当大的额外努力的情况下由于它们的可燃性通常只能在封闭空间中使用。这种制冷剂例如是烃(hc)，例如丙烷(r290)或丙烯(r1270)。没有f气体的其它初级工作流体包括nh3或nh3/dme(r723)，它们仅是轻微可燃的，但在封闭空间中对人体有毒性，因此是不希望的。用于制冷的这组工作流体还包括由于它们的分子组成而易燃的氟化烃。

6、另一方面，可以在次级回路中使用不易燃且因此低风险的制冷剂/热传递介质，其不用于制冷或加热的产生，而仅用于冷分布和热分布，其在输送冷或热时理想地经历相变。优选地，使用在热传输期间改变其聚集状态的次级流体。在恒定温度下吸收或释放热量，并且热虹吸原理由蒸汽和液体之间的密度差驱动。

7、管线装置防止自然的例如易燃的工作流体进入封闭空间，该管线装置穿过空间限制和初级热泵回路的元件，包括热交换器的至少一部分，布置在空间外部。只有具有待输送的热/冷的非关键加热介质进入封闭空间并且经由温度控制元件将输送的热/冷释放到该空间中。温度控制元件通常是次级流体空气热交换器，而热交换器是初级工作流体-次级流体热交换器。如果要实现加热作为温度控制，则将热交换器耦合到初级热泵回路的冷凝器。然而，如果要使用冷却作为温度控制，则热交换器与初级热泵回路的蒸发器热耦合。在优选实施例中，蒸发器和冷凝器构造成使得初级热泵回路的相应元件可以根据压缩机的操作方向执行两种功能。

8、此外，热交换器的一种实施方式可以被构造成使得初级热泵回路的实际蒸发器或冷凝器串联连接到初级工作流体-次级流体热交换器。可替换地，功能也可以集成在单个元件中，这一方面实现了初级热泵回路中的蒸发/冷凝，另一方面将热或冷从初级热泵回路传递到次级回路。如果初级工作流体-次级流体热交换器串联连接到初级热泵回路的实际冷凝器或蒸发器，则两个元件的布置，即，无论初级热泵回路的实际冷凝器或蒸发器沿初级工作流体的流动方向布置在初级工作流体-次级流体热交换器的前面或后面，可以根据实际情况自由选择。如果初级热泵回路的蒸发或冷凝和热传递从一种流体到另一种流体(在这两种流体严格地彼此解耦的同时)的这两种功能被集成到单个元件中，则该元件也被布置在待温控的空间的外部，即在与要被空间限制温度控制的空间分离的周围区域中。

9、在优选实施例中，温度控制元件是具有相变的空气-次级流体热交换器。在这种情况下，次级回路的管线装置包括液相的次级流体流过的第一部件和汽相的次级流体流过的第二部件。根据实施方式，可以在没有驱动的情况下实现次级回路，即仅根据热虹吸概念，以这样的方式，即仅由于重力和次级流体的汽相和液相之间的密度差而在次级回路中输送次级流体。然而，根据实施例，泵也可以布置在管线装置的液体承载部件中以支持次级流体的循环，或者风扇可以布置在管线装置的蒸汽承载部件中。

10、尤其当在次级回路中使用这种支撑件时，优选地提供一种控制器，该控制器根据次级回路中的泵送方向或通风方向在正常制冷应用期间在一定的时间在待温控的空间中进行除霜，从而避免温度控制元件的结冰并且因此避免效率的损失。此外，由控制器所控制的泵或风扇也可以用于在实际要加热待温控的空间时例如在要达到恒定温度时，例如要在宽温度范围内实现空气调节时，在选定的时间切换到制冷模式。

11、优选地，控制器被构造成也改变初级热泵回路中的循环反转，这相当于反转压缩机的输送方向，从而例如如果初级热泵回路以蒸发器耦合到热交换器的方式操作，即进行冷却应用，则初级热泵回路以通过切换压缩机的输送方向而使蒸发器变成冷凝器的方式操作。这向热交换器提供热量，这意味着热量也被提供给待温控的空间。切换压缩机的输送方向可以通过切换压缩机轮的旋转方向或通过切换耦合到初级热泵回路的蒸发器和冷凝器的压力侧和吸入侧的四通阀来实现。

12、如果次级回路不具有泵或风扇，即，如果次级回路根据热虹吸原理通过切换压缩机的输送方向或通过例如借助于初级热泵回路中的阀来反转制冷循环来纯粹地操作，则还可以实现从制冷模式切换到加热模式，用于短期除霜。或者从“正常”加热模式切换到制冷模式，例如用于温度控制目的等，同时还向待温控的元件提供冷或热。

13、使用f气体作为制冷剂的替代方案是使用所谓的自然制冷剂。碳氢化合物(hc)的使用在这里是特别有利的，因为与f气体相比，这些物质具有非常低的或可忽略的全球变暖潜力，并且能够实现制冷剂过程的高能量效率，因此每个制冷或制热能力只需要很小的驱动能量。碳氢化合物的缺点是它们的高可燃性，这限制了在小封闭空间内的使用，例如在此考虑的制冷结构和制冷容器，而且还限制了待冷却或空调的其它封闭空间，或者实际上排除了它们的安全使用。

14、因此，为了使风险最小化，目标是使用尽可能少的制冷剂并且防止制冷剂进入封闭的制冷结构和制冷容器以及其它封闭的空间以进行空气调节。这导致使用具有最小制冷剂体积的用于制冷的组件，以便保持制冷剂的填充水平尽可能低。微通道技术和板式热交换器是用于热交换器的特别合适的技术。此外，必须考虑整个系统的紧凑性和避免存储体积，例如经常使用的制冷剂收集器。压缩机应该具有低制冷剂体积和低油填充水平，以便进一步降低过程所需的制冷剂质量。这种制冷剂减少或最小化的方法也适用于在过程中使用的所有其它组件，并且在选择和定位它们时应该理想地考虑。