DE102007045765A1

DE102007045765A1 - Kältemittelkreisvorrichtung und Steuerverfahren dafür

Info

Publication number: DE102007045765A1
Application number: DE102007045765A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Kariya Kodama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2008-04-24
Also published as: JP2008082637A

Abstract

Eine Kältemittelkreisvorrichtung enthält einen Kompressor (1), einen Kühler (2), ein Expansionsventil (4), einen Verdampfapparat (5) und eine Steuerung (10). Die Steuerung (10) steuert einen Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) so, dass ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression einen Solldruck erreicht, der aus einem ersten Solldruck (P1) und einem zweiten Solldruck (P2) ausgewählt wird. Der erste Solldruck (P1) ist ein optimaler Druck, der basierend auf einer Temperatur des aus dem Kühler (2) ausströmenden Kältemittels bestimmt ist,riger als der erste Solldruck (P1). Die Steuerung (10) setzt den zweiten Solldruck (P2) für eine vorbestimmte Zeit (t1) nach dem Start des Kompressors (1) als den Solldruck und setzt den ersten Solldruck (P1) nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit (t1) als den Solldruck.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kältemittelkreisvorrichtung und ein Steuerverfahren dafür.
Herkömmlicherweise verwendet eine Kältemittelkreisvorrichtung Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel. In diesem Fall kann ein Druck des Kältemittels auf einer Hochdruckseite vor seiner Dekompression höher als ein kritischer Druck des Kältemittels sein. Ein Kältemitteldruck an einem Kühlerauslass, bei welchem ein Wirkungsgrad (COP) eines Kältemittelkreises maximiert wird, ändert sich entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Kühlerauslass.
Zum Beispiel offenbart die JP 9-264622 A ein Verfahren zum Steuern einer Kältemittelkreisvorrichtung. In dem Verfahren wird eine Kältemitteltemperatur an einem Kühlerauslass erfasst und ein Soll-Kältemitteldruck am Kühlerauslass wird basierend auf der erfassten Kältemitteltemperatur so eingestellt, dass der COP des Kältemittelkreises maximiert ist. Dann wird ein Öffnungsgrad eines Expansionsventils so gesteuert, dass ein Ist-Kältemitteldruck den Solldruck erreicht, wodurch die Kältemittelkreisvorrichtung mit einer hohen Effizienz gesteuert wird.
Die JP 2000-88364 A offenbart ein weiteres Verfahren zum Steuern einer Kältemittelkreisvorrichtung. In dem Verfahren wird eine Kühlleistung der Kältemittelkreisvorrichtung durch Verändern einer Drehzahl eines Kompressors gesteuert. Zusätzlich wird, wenn die Drehzahl des Kompressors hoch ist (d.h. Hochlastzustand), der Solldruck auf einen ersten Solldruck gesetzt. Wenn dagegen die Drehzahl des Kompressors niedrig ist (d.h. Niederlastzustand), wird der Solldruck auf einen zweiten Solldruck gesetzt, der niedriger als der erste Solldruck ist.
Wenn die Kältemittelkreisvorrichtung in einem Fall gestoppt wird, wenn ein Wärmelastzustand ein Hochlastzustand ist, d.h. eine Außenlufttemperatur hoch ist, steigt ein Kältemitteldruck entsprechend der Außenlufttemperatur. Zusätzlich wird ein Unterschied zwischen der Außenlufttemperatur und einer Kältemitteltemperatur am Kühler reduziert, wodurch die Kühlleistung der Kältemittelkreisvorrichtung vermindert wird. Daher steigt, wenn die Kältemittelkreisvorrichtung ihren Betrieb startet, wenn die Außenlufttemperatur hoch ist, ein Kältemitteldruck an einem Kompressorauslass unmittelbar nach dem Betriebsstart der Kältemittelkreisvorrichtung und dem Start des Kompressors schnell an und die Kältemitteltemperatur kann über einer Grenztemperatur des Kompressors liegen. Die Grenztemperatur wird aus einer Haltbarkeit eines Nicht-Metallelements im Kompressor, z.B. einem Gummielement zum Abdichten, bestimmt. Daher kann, wenn die Kältemitteltemperatur über der Grenztemperatur liegt, eine Haltbarkeit des Kompressors vermindert sein.
JP 9-264622 A und JP 2000-88364 A befassen sich nicht mit einem Problem des schnellen Anstiegs der Kältemitteltemperatur, wenn die Außenlufttemperatur hoch ist, und offenbaren keine Lösung für das Problem.
In Anbetracht der vorgenannten Probleme ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kältemittelkreisvorrichtung zu schaffen, die einen Anstieg einer Kältemitteltemperatur an einem Kompressorauslass über eine Grenztemperatur des Kompressors unmittelbar nach dem Betriebsstart der Kältemittelkreisvorrichtung verhindern kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern einer Kältemittelkreisvorrichtung vorzusehen, das ein Ansteigen einer Kältemitteltemperatur an einem Kompressorauslass über eine Grenztemperatur des Kompressors unmittelbar nach dem Betriebsstart der Kältemittelkreisvorrichtung verhindern kann.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Kältemittelkreisvorrichtung einen Kompressor, einen Kühler, ein Expansionsventil, einen Verdampfapparat und eine Steuerung. Der Kompressor komprimiert das Kältemittel höher als ein kritischer Druck des Kältemittels. Der Kühler kühlt das vom Kompressor ausgegebene Hochdruckkältemittel. Das Expansionsventil dekomprimiert das aus dem Kühler ausströmende Kältemittel. Der Verdampfapparat verdampft das aus dem Expansionsventil ausströmende Kältemittel und leitet das Gaskältemittel zum Kompressor. Die Steuerung steuert einen Öffnungsgrad des Expansionsventils so, dass der Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression einen Solldruck erreicht, der aus einem ersten Solldruck und einem zweiten Solldruck ausgewählt wird. Der erste Solldruck ist ein optimaler Druck, der basierend auf einer Temperatur des aus dem Kühler ausströmenden Kältemittels bestimmt ist, und der zweite Solldruck ist niedriger als der erste Solldruck. Die Steuerung stellt den zweiten Solldruck als den Solldruck für eine vorbestimmte Zeit nach dem Start des Kompressors ein und stellt den ersten Solldruck als den Solldruck nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit ein.
Der Kältemitteldruck wird unmittelbar nach dem Start des Kompressors auf den zweiten Solldruck geregelt. Dadurch wird verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenztemperatur des Kompressors ansteigt. Außerdem wird der Kältemitteldruck nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit auf den ersten Solldruck geregelt, wodurch die Kältemittelkreisvorrichtung mit der höchsten Effizienz betrieben wird.
Alternativ wird der Solldruck auf den zweiten Solldruck gesetzt, wenn eine nach dem Start des Kompressors verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeit ist und ein Wärmelastzustand eines Kältemittelkreises als ein Hochlastzustand bestimmt ist, und der Solldruck wird auf den ersten Solldruck gesetzt, wenn der Wärmelastzustand als ein Niederlastzustand bestimmt wird, selbst wenn die verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeit ist.
Wenn der Wärmelastzustand der Niederlastzustand ist, hat die Temperatur des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels keine Möglichkeit, über die Grenztemperatur des Kompressors zu steigen. Daher wird, selbst wenn der Kältemitteldruck unmittelbar nach dem Start des Kompressors auf den ersten Solldruck geregelt wird, verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenztemperatur des Kompressors ansteigt. Als Ergebnis kann die Kältemittelkreisvorrichtung unmittelbar nach dem Start des Kompressors mit der höchsten Effizienz betrieben werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Kältemittelkreisvorrichtung vorgesehen, die einen Kompressor, einen Kühler und ein Expansionsventil aufweist. Das Verfahren enthält einen Schritt zum Bestimmen, ob eine verstrichene Zeit nach dem Start des Kompressors geringer als eine vorbestimmte Zeit ist, einen Schritt zum Einstellen eines ersten Solldrucks basierend auf einer Temperatur des aus dem Kühler ausströmenden Kältemittels, sodass ein Wirkungsgrad eines Kältemittelkreises einen Maximalwert erreicht, einen Schritt des Einstellens eines zweiten Solldrucks niedriger als den ersten Solldruck, einen Schritt des Steuerns eines Öffnungsgrades des Expansionsventils so, dass ein Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil den zweiten Solldruck erreicht, wenn die verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeit ist, und einen Schritt des Steuerns des Öffnungsgrades des Expansionsventils so, dass der Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil den ersten Solldruck erreicht, wenn die verstrichene Zeit nicht geringer als die vorbestimmte Zeit bestimmt wird.
In dem Verfahren wird der Kältemitteldruck auf den zweiten Solldruck geregelt, wenn die verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeit bestimmt wird. Dadurch wird verhindert, dass die Kältemitteltemperatur unmittelbar nach dem Start des Kompressors über die Grenztemperatur des Kompressors ansteigt. Außerdem wird der Kältemitteldruck auf den ersten Solldruck geregelt, wenn die verstrichene Zeit nicht geringer als die vorbestimmte Zeit bestimmt wird. Dadurch kann das Verfahren die Kältemittelkreisvorrichtung nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit mit der höchsten Effizienz steuern.
Alternativ wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil den zweiten Solldruck erreicht, wenn die verstrichene Zeit niedriger als die vorbestimmte Zeit bestimmt wird und ein Wärmelastzustand eines Kältemittelkreises als der Hochlastzustand bestimmt wird, und wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils so gesteuert, dass der Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil den ersten Solldruck erreicht, wenn der Wärmelastzustand als der Niederlastzustand bestimmt wird, selbst wenn die verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeit bestimmt wird.
Wenn der Wärmelastzustand als der Niederlastzustand bestimmt wird, hat die Temperatur des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels keine Möglichkeit, über die Grenztemperatur des Kompressors anzusteigen. Daher wird, selbst wenn der Kältemitteldruck unmittelbar nach dem Start des Kompressors auf den ersten Solldruck geregelt wird, verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenz temperatur des Kompressors ansteigt. Als Ergebnis kann das Verfahren die Kältemittelkreisvorrichtung unmittelbar nach dem Start des Kompressors mit der höchsten Effizienz steuern.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kältemittelkreisvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem Druck des aus einem Kühler ausströmenden Kältemittels und einem Wirkungsgrad (COP) eines Kältemittelkreises entsprechend einer Kältemitteltemperatur;
3 ein Diagramm eines Beispiels von Temperaturkennlinien eines stationären Solldrucks P₁ und eines Startzeit-Solldrucks P₂;
4 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Steuerprozesses der Kältemittelkreisvorrichtung; und
5 ein Zeitdiagramm einer Temperatur des aus einem Kompressor ausströmenden Kältemittels, wenn die Kältemittelkreisvorrichtung durch Verfahren gemäß einem Beispiel des Ausführungsbeispiels (A), einem ersten Vergleichsbeispiel (B) und einem zweiten Vergleichsbeispiel (C) gesteuert wird.
(Ausführungsbeispiele)
Eine Kältemittelkreisvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel wird Bezug nehmend auf 1 beschrieben. Die Kältemittelkreisvorrichtung kann geeigneterweise zur Klimatisierung in einem Fahrzeug verwendet werden. Zum Beispiel wird Kohlendioxid (CO₂) als in einem Kältemittelkreis der Kältemittelkreisvorrichtung zirkulierendes Kältemittel verwendet. Ein Druck des CO₂ auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression kann höher als ein kritischer Druck des CO₂ eingestellt sein, d.h. CO₂ auf einer Hochdruckseite kann in einen überkritischen Zustand gesetzt sein.
Die Kältemittelkreisvorrichtung enthält den Kältemittelkreis und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 10. Der Kältemittelkreis enthält einen Kompressor 1, einen Kühler 2, einen Innenwärmetauscher 3, ein Expansionsventil 4, einen Verdampf apparat 5 und einen Speicher 8, die in einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind.
Der Kompressor 1 ist zum Komprimieren des Kältemittels in einem überkritischen Zustand mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck vorgesehen. Der Kompressor 1 hat eine elektromagnetische Kupplung 1a. Der Kompressor 1 kann ein Typ fester Kapazität oder ein Typ variabler Kapazität sein, der durch einen Fahrzeugmotor (nicht dargestellt) durch die elektromagnetische Kupplung 1a angetrieben wird. Alternativ kann der Kompressor 1 ein elektrischer Kompressor sein.
Der Kühler 2 ist ein Gaskühler zum Kühlen des Kältemittels und ist auf einer Seite eines Auslasses des Kompressors 1 angeordnet. Der Kühler 2 ist ein Wärmetauscher, in dem das vom Kompressor 1 ausgegebene Kältemittel Wärme mit Außenluft austauscht, sodass das Kältemittel gekühlt wird. Ein elektrischer Kühllüfter 2a ist zum Blasen von Außenluft zum Kühler 2 angeordnet.
Der Innenwärmetauscher 3 enthält einen hochdruckseitigen Durchgang 3a und einen niederdruckseitigen Durchgang 3b. Der hochdruckseitige Durchgang 3a ist auf einer Seite eines Kältemittelauslasses des Kühlers 2 angeordnet und das Expansionsventil 4 ist auf einer Seite eines Kältemittelauslasses des hochdruckseitigen Durchgangs 3a angeordnet. Das Expansionsventil 4 ist ein elektrisches Expansionsventil, in dem ein Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 elektrisch so gesteuert wird, dass ein Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite einen Solldruck erreicht.
Insbesondere enthält das Expansionsventil 4 einen elektrischen Stellantrieb 4a mit einem Schrittmotor und ein durch den elektrischen Stellantrieb 4a angetriebenes Ventilelement 4b. Ein Öffnungsgrad des Ventilelements 4b wird entsprechend einem Betätigungswinkel des Stellantriebs 4a exakt gesteuert.
Der Verdampfapparat 5 ist auf einer Seite eines Kältemittelauslasses des Expansionsventils 4 angeordnet. Eine Klimaeinheit für das Fahrzeug besitzt ein Gehäuse 6, das einen Luftdurchgang definiert, durch den Luft in einen Fahrzeugraum strömt. Der Verdampfapparat 5 ist in dem Gehäuse 6 zum Kühlen der Luft im Gehäuse 6 angeordnet.
Ein elektrisches Gebläse 7 ist auf einer luftstromaufwärtigen Seite des Verdampfapparats 5 angeordnet. Das Gebläse 7 bläst von einem Innenluft/Außenluft-Wechselkasten (nicht dargestellt) eingeleitete Luft zum Gehäuse 6, sodass die Luft durch den Verdampfapparat 5 strömt.
Ein Heizerkern (nicht dargestellt) ist in dem Gehäuse 6 angeordnet und ist auf einer luftstromabwärtigen Seite des Verdampfapparats 5 zum Heizen der aus dem Verdampfapparat 5 strömenden Luft angeordnet. Eine Temperatur der in den Fahrzeugraum zu blasenden Luft wird durch einen Heizgrad des Heizerkerns gesteuert und Klimaluft bläst von wenigstens einem Auslass des Gehäuses 6 in den Fahrzeugraum.
Der Speicher 8 ist auf einer Seite eines Kältemittelauslasses des Verdampfapparats 5 angeordnet. Der Speicher 8 ist eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung, in welcher das aus dem Verdampfapparat 5 ausströmende Kältemittel in Gaskältemittel und Flüssigkältemittel getrennt wird. Der Speicher 8 speichert überschüssiges Kältemittel in der Kältemittelkreisvorrichtung darin und gibt das getrennte Gaskältemittel zu einem Kältemitteleinlass des Kompressors 1 aus.
Der niederdruckseitige Durchgang 3b des Innenwärmetauschers 3 ist auf einer Seite eines Kältemittelauslasses des Speichers 8 angeordnet. Ein Auslassrohr des Speichers 8 ist mit dem Kältemitteleinlass des Kompressors 1 durch den niederdruckseitigen Durchgang 3a gekoppelt.
Im Wärmetauscher 3 tauscht das aus dem Speicher 8 ausströmende Niederdruck-Gaskältemittel Wärme mit dem aus dem Kühler 2 ausströmenden Hochdruckkältemittel aus. Dadurch wird die Enthalpie des in den Verdampfapparat 5 strömenden Kältemittels reduziert und eine Differenz zwischen der Kältemittelenthalpie an einem Kältemitteleinlass des Verdampfapparats und einer Kältemittelenthalpie am Kältemittelauslass des Verdampfapparats 5 wird erhöht. So steigt eine Kühlleistung des Kältemittelkreises.
Die ECU 10 zum Steuern des Kältemittelkreises enthält einen Mikrocomputer und eine Peripherieschaltung. Die ECU 10 führt eine vorbestimmte Rechenverarbeitung basierend auf einem vorbestimmten Programm zum Steuern der Elemente in der Kältemittelkreisvorrichtung (z.B. Klimaelement) durch.
Insbesondere sind die Klimaelemente wie beispielsweise die elektromagnetische Kupplung 1a des Kompressors 1, der elektrische Kühllüfter 2a des Kühlers 2, das Expansionsventil 4 und das Gebläse 7 mit einer Ausgabeseite der ECU 10 verbunden, sodass die ECU 10 die Klimaelemente steuert.
Die Kältemittelkreisvorrichtung enthält ferner einen Drucksensor 12, einen Kältemitteltemperatursensor 13, einen Verdampfapparattemperatursensor 14 und einen Außenlufttemperatursensor 15, die mit einer Eingabeseite der ECU 10 verbunden sind.
Zum Beispiel ist der Drucksensor 12 auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2 zum Erfassen eines Drucks des aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittels angeordnet, wie in 1 dargestellt. Alternativ kann der Drucksensor 12 auch zwischen dem Kompressor 1 und dem Kühler 2 zum Erfassen eines Drucks des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels angeordnet sein und die ECU 10 kann einen Druckverlust im Kühler 2 abschätzen.
Außerdem liest die ECU 10 Messsignale von einer Gruppe von Sensoren 16, die zum Beispiel einen Innentemperatursensor, einen Sonnenstrahlungssensor, einen Motorkühlwassertemperatursensor enthält. Ferner empfängt die ECU 10 Klimasteuersignale von einer Klimabedientafel 17, die zum Beispiel neben einer Instrumententafel im Fahrzeugraum angeordnet ist.
Insbesondere empfängt die ECU 10 die Klimasteuersignale einschließlich eines Temperatureinstellsignals zum Einstellen einer Temperatur im Fahrzeugraum, eines Betriebssignals des Kompressors 1, eines Luftvolumenänderungssignals des Gebläses 7, eines Auslassmoduswechselsignals der Klimaeinheit und eines Lufteinlassmoduswechselsignals des Innenluft/Außenluft-Wechselkastens.
Es wird nun eine Funktionsweise der Kältemittelkreisvorrichtung des Ausführungsbeispiels beschrieben. Zuerst wird ein Basisbetrieb der Kältemittelkreisvorrichtung beschrieben. Wenn die ECU 10 ein Betriebssignal des Kompressors 1 vom Steuerelement der Klimatafel 17 empfängt, führt die ECU 10 der elektromagnetischen Kupplung 1a Strom zu, sodass die elektromagnetische Kupplung 1a in einen Verbindungszustand gelangt. Dadurch wird eine Antriebskraft des Fahrzeugmotors durch die elektromagnetische Kupplung 1a auf den Kompressor 1 übertragen.
Dann komprimiert der Kompressor 1 das Kältemittel in einen Hochtemperatur/Hochdruckzustand, wodurch ein Kältemitteldruck höher als ein kritischer Druck wird, d.h. das Kältemittel gelangt in den überkritischen Zustand. Das überkritische Kältemittel strömt in den Kühler 2 und tauscht Wärme mit der vom Kühllüfter 2a blasenden Außenluft aus, wodurch das überkritische Kältemittel Wärme an die Außenluft abgibt.
Das Kältemittel strömt aus dem Kühler 2 durch den hochdruckseitigen Durchgang 3a des Innenwärmetauschers 3 zum Expansionsventil 4. Wenn das Kältemittel durch den hochdruckseitigen Durchgang 3a gelangt, tauscht das Kältemittel Wärme mit dem Niederdruckkältemittel im niederdruckseitigen Durchgang 3b aus, wodurch das aus dem Kühler 2 ausströmende Kältemittel Wärme an das Niederdruckkältemittel abgibt.
Das durch den hochdruckseitigen Durchgang 3a strömende Kältemittel strömt zum Expansionsventil 4 und wird durch einen Drosseldurchgang des Ventilelements 4b in einen Gas/Flüssigkeit-Zustand mit einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck dekomprimiert. Das Gas/Flüssigkeit-Kältemittel strömt zum Verdampfapparat 5 und verdampft durch Aufnehmen von Wärme von der durch das Gebläse 7 geblasenen Luft. So wird die durch das Gebläse 7 geblasene Luft durch den Verdampfapparat 5 gekühlt und Kühlluft strömt zum Fahrzeugraum.
Das Niederdruckkältemittel aus dem Verdampfapparat 5 strömt zum Speicher 8. Der Speicher 8 trennt das Niederdruckkältemittel in ein gesättigtes flüssiges Kältemittel und ein gesättigtes Gaskältemittel und gibt das gesättigte Gaskältemittel zum Kompressor 1 aus.
Das Niederdruck-Gaskältemittel (d.h. vom Kompressor angesaugtes Kältemittel) strömt vom Speicher 8 zum niederdruckseitigen Durchgang 3b und absorbiert Wärme aus dem aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittel. So steigt die Enthalpie des vom Kompressor angesaugten Kältemittels und das vom Kompressor angesaugte Kältemittel gelangt in einen überhitzten Zustand. Das überhitzte Kältemittel wird durch den Kompressor 1 angesaugt und wieder komprimiert.
Der Druck des aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittels kann durch Steuern des Öffnungsgrades des Expansionsventils 4 so geregelt werden, dass der COP maximiert wird. Insbesondere bestimmt, wie in 2 dargestellt, die ECU 10 einen Solldruck P₁ für eine Optimaldrucksteuerung entsprechend einer Temperatur des aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittels, sodass der COP maximiert wird.
Wenn ein durch den Drucksensor 12 erfasster Istdruck P_h höher als der Solldruck P₁ ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 erhöht. Wenn dagegen der Istdruck P_h niedriger als der Solldruck P₁ ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 verkleinert.
So kann der aktuelle Hochdruck P_h auf den Solldruck P₁ für die Optimaldrucksteuerung durch Steuern des Öffnungsgrades des Expansionsventils 4 geregelt werden. Dadurch wird der COP maximiert und die Kältemittelkreisvorrichtung wird effizient betrieben.
Der Solldruck P₁ für die Optimaldrucksteuerung ist ein stationärer Solldruck P₁ und wird größer, wenn die Temperatur des Kältemittels steigt, wie in 3 dargestellt. Ein Startzeit-Solldruck P₂ wird niedriger als der stationäre Solldruck P₁ eingestellt.
Ein Steuerprozess des Expansionsventils 4 wird nun Bezug nehmend auf 4 beschrieben. Der Steuerprozess startet, wenn die Kältemittelkreisvorrichtung gestartet und betrieben wird (d.h. der Kompressor 1 gestartet wird).
Zuerst liest Schritt S1 die Messsignale von den Sensoren 12-16 und die Klimasteuersignale von der Klimabedientafel 17. Schritt S2 bestimmt, ob eine verstrichene Zeit „t" nach dem Start des Kompressors 1 kleiner als eine vorbestimmte Zeit t₁ ist.
Die vorbestimmte Zeit t₁ kann zum Beispiel 10 Minuten betragen. Wenn Schritt 2 bestimmt, dass die verstrichene Zeit „t" kleiner als die vorbestimmte Zeit t₁ ist (Y), bestimmt Schritt S2, dass sich die Kältemittelkreisvorrichtung unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 in einem Übergangszustand befindet. Dann bestimmt Schritt S3, ob ein Wärmelastzustand des Kältemittelkreises ein Hochlastzustand ist oder nicht.
Insbesondere liest Schritt S3 die Messsignale vom Außenlufttemperatursensor 15 und bestimmt, ob die erfasste Außenlufttemperatur nicht niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (z.B. etwa 35°C) ist oder nicht. Wenn Schritt S3 bestimmt, dass die erfasste Außenlufttemperatur nicht niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist, bestimmt Schritt S3, dass sich der Kältemittelkreis im Hochlastzustand befindet (Y), und Schritt S4 stellt den Startzeit-Solldruck P₂ als den Solldruck ein.
Wenn dagegen Schritt S2 bestimmt, dass die verstrichene Zeit „t" nicht geringer als die vorbestimmte Zeit t₁ ist (N), bestimmt Schritt S2, dass der Kältemittelkreis vom Übergangszustand in einen stationären Zustand übergeht. Dann stellt Schritt S5 den stationären Solldruck P₁ als den Solldruck ein.
Wenn Schritt S3 bestimmt, dass der Kältemittelkreis sich im Niederlastzustand befindet (N), stellt Schritt S5 den stationären Solldruck P₁ als den Solldruck ein.
Wenn der Kältemittelkreis im Hochlastzustand ist, steuert Schritt S6 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 so, dass der durch den Drucksensor 12 erfasste Istdruck P_h des Kältemittels den Startzeit-Solldruck P₂ erreicht. D.h. in Schritt S6 wird eine Druckverminderungssteuerung durchgeführt. Im Gegensatz dazu steuert Schritt S7 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 so, dass der Istdruck P_h den stationären Solldruck P₁ erreicht. D.h. in Schritt S7 wird eine Optimaldrucksteuerung durchgeführt.
Insbesondere wird, wenn der Istdruck P_h höher als der Solldruck P₁ oder P₂ ist, der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 vergrößert. Wenn dagegen der Istrdruck P_h niedriger als der Solldruck P₁ oder P₂ ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 verkleinert.
Der stationäre Solldruck P₁ ist der Kältemitteldruck, der entsprechend der Kältemitteltemperatur bestimmt ist, bei welcher der COP maximiert wird, wie in 2 dargestellt. D.h. in 2 wird in der entsprechend der Kältemitteltemperatur veränderten Drucksteuerlinie ein optimaler Kältemitteldruck, bei welchem der COP maximiert wird, als der stationäre Solldruck P₁ verwendet. Wenn sich der Wärmelastzustand des Kältemittelkreises ändert und sich die Kältemitteltemperatur ändert, wird der optimale Kältemitteldruck, der basierend auf der Kältemitteltemperatur eingestellt ist, als der stationäre Solldruck P₁ benutzt.
Daher wird, wenn der Kältemittelkreis sich im stationären Zustand befindet, der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 so gesteuert, dass der Istdruck P_h den stationären Solldruck P₁ erreicht. Deshalb wird der Istrdruck P_h so gesteuert, dass der COP konstant hoch ist, wodurch die Kältemittelkreisvorrichtung mit der höchsten Effizienz betrieben wird.
Im Gegensatz dazu ist der Startzeit-Solldruck P₂ niedriger als der stationäre Solldruck P₁ eingestellt, wie in 3 dargestellt. Daher ist, selbst wenn sich die Kältemitteltemperatur ändert, der Startzeit-Solldruck P₂ immer niedriger als der stationäre Solldruck P₁.
In einem in 3 dargestellten Beispiel wird, wenn die Temperatur des aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittels ansteigt, eine Differenz zwischen dem stationären Solldruck P₁ und dem Startzeit-Solldruck P₂ größer. Außerdem wird der Startzeit-Solldruck P₂ auf einen konstanten Druck (z.B. etwa 12 MPa) eingestellt, wenn die Temperatur des Kältemittels höher als eine vorbestimmte Temperatur (z.B. etwa 60°C) ist.
Eine Temperaturveränderung des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels, wenn die Kältemittelkreisvorrichtung durch ein Verfahren entsprechend einem Beispiel des Ausführungsbeispiels gesteuert wird, wird nun Bezug nehmend auf 5 mit Fällen verglichen, in denen die Kältemittelkreisvorrichtung durch Verfahren entsprechend einem ersten Vergleichsbeispiel bzw. einem zweiten Vergleichsbeispiel gesteuert wird.
In dem Beispiel des durch die Linie A gezeigten Ausführungsbeispiels führt die ECU 10 die Druckverminderungssteuerung unter Verwendung des Startzeit-Solldrucks P₂ für die vorbestimmte Zeit t₁ (z.B. etwa 10 Minuten) nach dem Start des Kompressors 1 durch und führt die Optimaldrucksteuerung unter Verwendung des stationären Solldrucks P₁ nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit t₁ durch.
In dem durch die Linie B gezeigten ersten Vergleichsbeispiel steuert die ECU 10 den Kältemitteldruck unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 auf den stationären Solldruck P₁.
Im Gegensatz dazu setzt die ECU 10 in dem durch die Linie C gezeigten zweiten Vergleichsbeispiel einen Solldruck entsprechend dem Startzeit-Solldruck P₂ und steuert den Kältemitteldruck unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 auf den niedrigen Solldruck.
Im ersten Vergleichsbeispiel (B) kann die Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels über einer Grenztemperatur T_L eines Konstruktionselements des Kompressors 1 im Übergangszustand unmittelbar nach dem Kompressorstart liegen. Dadurch kann eine Haltbarkeit des Kompressors 1 reduziert werden. Die Grenztemperatur T_L ist aus einer Haltbarkeit eines Nicht-Metallelements im Kompressor 1, z.B. eines Gummielements zum Abdichten, bestimmt. In einem Beispiel in 5 beträgt die Grenztemperatur T_L etwa 150°C.
Im zweiten Vergleichsbeispiel (C) führt die ECU 10 die Druckverminderungssteuerung unter Verwendung des niedrigen Solldrucks im Übergangszustand unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 durch, ähnlich dem Beispiel des Ausführungsbeispiels. Daher wird verhindert, dass die Kältemitteltemperatur zur Zeit unmittelbar nach dem Betriebsstart des Kompressors 1 über die Grenztemperatur T_L ansteigt. Im zweiten Vergleichsbeispiel (C) hält jedoch die ECU 10 die Druckverminderungssteuerung, selbst wenn sich der Kältemittelkreis im stationären Zustand befindet. Daher wird der Kältemitteldruck auf den niedrigen Solldruck gesteuert, der niedriger als ein basierend auf der COP bestimmter optimaler Druck (d.h. der stationäre Solldruck P₁) ist. Dadurch kann der COP des Kältemittelkreises im stationären Zustand verringert werden und die Kältemittelkreisvorrichtung kann mit einer niedrigen Effizient betrieben werden.
Im Gegensatz dazu führt im Beispiel (A) des Ausführungsbeispiels die ECU 10 die Druckverminderungssteuerung unter Verwendung des Startzeit-Solldrucks P₂ im Übergangszustand unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 durch. Dadurch wird verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenztemperatur T_L ansteigt, und eine Reduzierung der Haltbarkeit des Kompressors 1 wird eingeschränkt.
Außerdem führt im Beispiel (A) des Ausführungsbeispiels die ECU 10 die Optimaldrucksteuerung unter Verwendung des stationären Solldrucks P₁ durch, nachdem der Kältemittelkreis in den stationären Zustand gewechselt ist. Deshalb optimiert die ECU 10 den Istdruck P_h derart, dass der COP konstant maximiert ist, wodurch die Kältemittelkreisvorrichtung mit der höchsten Effizienz betrieben wird.
So wird im Beispiel (A) des Ausführungsbeispiels verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenztemperatur T_L ansteigt, wenn sich die Kältemittelkreisvorrichtung im Übergangszustand befindet. Außerdem wird die Kältemittelkreisvorrichtung mit der höchsten Effizienz betrieben, wenn sich der Kältemittelkreis im stationären Zustand befindet.
Im Beispiel des Ausführungsbeispiels setzt Schritt S5, wenn Schritt S3 in 4 bestimmt, dass der Wärmelastzustand niedrig ist (N), den stationären Solldruck P₁ als den Solldruck.
Wenn der Wärmelastzustand ein Niederlastzustand ist, hat die Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels keine Möglichkeit, über die Grenztemperatur T_L des Kompressors 1 zu steigen. Daher führt die ECU 10 die Optimaldrucksteuerung unter Verwendung des stationären Solldrucks P₁ unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 durch. Dadurch wird die Kältemittelkreisvorrichtung unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 mit der höchsten Effizienz betrieben.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sein werden.
Zum Beispiel bestimmt im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Schritt S3 den Wärmelastzustand des Kältemittelkreises basierend nur auf der Außenlufttemperatur. Alternativ kann Schritt S3 den Wärmelastzustand des Kältemittelkreises basierend auf einer Sonnenstrahlungsmenge und/oder der Temperatur im Fahrzeugraum zusätzlich zur Außenlufttemperatur bestimmen.
Alternativ kann Schritt S3 ein Messsignal der Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels von einem Temperatursensor empfangen und kann eine Erhöhungsrate der Temperatur berechnen. Die Erhöhungsrate der Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels wird größer, wenn die Wärmelast größer wird. So kann Schritt S3 den Wärmelastzustand basierend auf der Erhöhungsrate der Kältemitteltemperatur anstelle der Außenlufttemperatur bestimmen.
In einem in 3 dargestellten Beispiel ändert sich der Startzeit-Solldruck P₂ entsprechend der Temperatur des aus dem Kühler 2 ausströmenden Kältemittels analog zum stationären Solldruck P₁. Jedoch wird der Startzeit-Solldruck P₂ nur in der Druckverminderungssteuerung verwendet, die vorübergehend unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 durchgeführt wird. Daher kann der Startzeit-Solldruck P₂ ein vorbestimmter fester Wert sein.
In dem Steuerprozess in 4 setzt Schritt S4 den Startzeit-Solldruck P₂ und Schritt S6 führt die Druckverminderungssteuerung durch, wenn Schritt S2 bestimmt, dass die verstrichene Zeit „t" geringer als die vorbestimmte Zeit t₁ ist (Y), und Schritt S3 bestimmt, dass der Wärmelastzustand des Kältemittelkreises der Hochlastzustand ist (Y). Alternativ kann Schritt S3 weggelassen werden und die ECU 10 kann die Druckverminderungssteuerung unter Verwendung des Startzeit-Solldrucks P₂ für die vorbestimmte Zeit t₁ nach dem Start des Kompressors durchführen und führt die Optimaldrucksteuerung unter Verwendung des stationären Solldrucks P₁ nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit t₁ durch.
In diesem Fall führt die ECU 10 die Druckverminderungssteuerung unter Verwendung des Startzeit-Solldrucks P₂ im Übergangszustand unmittelbar nach dem Start des Kompressors 1 durch und führt die Optimaldrucksteuerung unter Verwendung des stationären Solldrucks P₁ nach Verschieben des Kältemittelkreises in den stationären Zustand durch. Dadurch wird verhindert, dass die Kältemitteltemperatur über die Grenztemperatur T_L ansteigt, wenn sich der Kältemittelkreis im Übergangszustand befindet. Außerdem wird die Kältemittelkreisvorrichtung mit der höchsten Effizienz betrieben, wenn sich der Kältemittelkreis im stationären Zustand befindet.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird CO₂ als Kältemittel für die Kältemittelkreisvorrichtung verwendet. Alternativ kann auch ein anderes Kältemittel wie beispielsweise Ethylen und Ethan für die Kältemittelkreisvorrichtung verwendet werden, in welcher der Kältemitteldruck auf den kritischen Druck des Kältemittels oder höher erhöht werden kann.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Kältemittelkreisvorrichtung zum Beispiel zur Klimatisierung im Fahrzeug verwendet. Alternativ kann die Kältemittelkreisvorrichtung auch für ein Haus oder dergleichen verwendet werden.
Solche Änderungen und Modifikationen liegen selbstverständlich im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Kältemittelkreisvorrichtung, mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels höher als ein kritischer Druck des Kältemittels; einem Kühler (2) zum Kühlen des vom Kompressor (1) ausgegebenen Hochdruckkältemittels; einem Expansionsventil (4) zum Dekomprimieren des aus dem Kühler (2) ausströmenden Kältemittels; einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des aus dem Expansionsventil (4) ausströmenden Kältemittels und Leiten des Gaskältemittels zum Kompressor (1); und einer Steuerung (10) zum Steuern eines Öffnungsgrades des Expansionsventils (4) derart, dass der Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression einen Solldruck erreicht, der aus einem ersten Solldruck (P₁) und einem zweiten Solldruck (P₂) ausgewählt ist, wobei der erste Solldruck (P₁) ein optimaler Druck ist, der basierend auf einer Temperatur des aus dem Kühler (2) ausströmenden Kältemittels bestimmt ist, und der zweite Solldruck (P₂) niedriger als der erste Solldruck (P₁) ist, wobei die Steuerung (10) für eine vorbestimmte Zeit (t₁) nach dem Start des Kompressors (1) den zweiten Solldruck (P₂) als den Solldruck setzt und nach Verstreichen der vorbestimmten Zeit (t₁) den ersten Solldruck (P₁) als den Solldruck setzt.
Kältemittelkreisvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Bestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen eines Wärmelastzustandes eines Kältemittelkreises, wobei die Steuerung (10) den zweiten Solldruck (P₂) als den Solldruck setzt, wenn eine verstrichene Zeit (t) nach dem Start des Kompressors (1) geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) ist und die Bestimmungseinrichtung (10) bestimmt, dass der Wärmelastzustand des Kältemittelkreises ein Hochlastzustand ist; und die Steuerung (10) den Solldruck zum ersten Solldruck (P₁) wechselt, wenn die Bestimmungseinrichtung (10) bestimmt, dass der Wärmelastzustand ein Niederlastzustand ist, selbst wenn die verstrichene Zeit (t) geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) ist.
Kältemittelkreisvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Bestimmungseinrichtung (10) den Wärmelastzustand basierend auf einer Außenlufttemperatur bestimmt.
Kältemittelkreisvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Bestimmungseinrichtung (10) den Wärmelastzustand basierend auf einer Erhöhungsrate einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels nach dem Start des Kompressors (1) bestimmt.
Kältemittelkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der zweite Solldruck (P₂) basierend auf einer Temperatur des aus einem Kältemittelauslass des Kühlers (2) ausströmenden Kältemittels bestimmt ist.
Kältemittelkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der zweite Solldruck (P₂) auf einen vorbestimmten festen Wert gesetzt ist.
Kältemittelkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der erste Solldruck (P₁) so bestimmt ist, dass ein Wirkungsgrad eines Kältemittelkreises einen Maximalwert erreicht.
Verfahren zum Steuern einer Kältemittelkreisvorrichtung, die einen Kompressor (1), einen Kühler (2) und ein Expansionsventil (4) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen (S2), ob eine verstrichene Zeit (t) nach dem Start des Kompressors (1) geringer als eine vorbestimmte Zeit (t₁) ist; Einstellen (S5) eines ersten Solldrucks (P₁) basierend auf einer Temperatur des aus dem Kühler (2) ausströmenden Kältemittels so, dass ein Wirkungsgrad eines Kältemittelkreises einen Maximalwert erreicht; Einstellen (S4) eines zweiten Solldrucks (P₂) niedriger als der erste Solldruck (P₁); Steuern (S6) eines Öffnungsgrades des Expansionsventils (4) derart, dass ein Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil (4) den zweiten Solldruck (P₂) erreicht, wenn die verstrichene Zeit (t) geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) bestimmt wird; und Steuern (S7) des Öffnungsgrades des Expansionsventils (4) derart, dass der Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil (4) den ersten Solldruck (P1) erreicht, wenn die verstrichene Zeit (t) nicht geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit einem Bestimmen (S3), ob ein Wärmelastzustand ein Hochlastzustand ist, wobei der Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) so gesteuert wird, dass ein Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil (4) den zweiten Solldruck (P₂) erreicht, wenn die verstrichene Zeit (t) geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) bestimmt wird und der Wärmelastzustand als der Hochlastzustand bestimmt wird; und der Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) so gesteuert wird, dass der Kältemitteldruck vor der Dekompression durch das Expansionsventil (4) den ersten Solldruck (P₁) erreicht, wenn der Wärmelastzustand als ein Niederlastzustand bestimmt wird, selbst wenn die verstrichene Zeit (t) geringer als die vorbestimmte Zeit (t₁) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Wärmelastzustand basierend auf einer Außenlufttemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Wärmelastzustand basierend auf einer Erhöhungsrate einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels nach dem Start des Kompressors (1) bestimmt wird.
Kältemittelkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher der zweite Solldruck (P₂) basierend auf einer Temperatur des aus einem Kältemittelauslass des Kühlers (2) ausströmenden Kältemittels bestimmt wird.
Kältemittelkreisvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher der zweite Solldruck (P₂) auf einen vorbestimmten festen Wert gesetzt wird.