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Die
Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit
an einem Kühlaggregat
einer Kfz-Klimaanlage und ein Kühlaggregat für eine Kfz-Klimaanlage
mit einem derartigen Sensor.
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Zur
Kühlung
und/oder Entfeuchtung der dem Innenraum eines Fahrzeuges zuzuführenden
Luft weisen moderne Fahrzeuge Kühlaggregate
auf, die mit Kühlelementen
versehen sind, an denen die dem Innenraum zuzuführende Luft entlang strömt. Je nach
Länge der
Standzeit des Fahrzeuges nach Betrieb des Kühlaggregats verbleibt auf diesem
immer noch Feuchtigkeit, die bei einem Neustart des Fahrzeuges zu
einem kurzzeitigen Beschlagen der Windschutzscheibe führen kann.
Dies wird mitunter als unangenehm und wenig komfortabel empfunden.
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Aus
DE 100 62 824 A1 ist
es bekannt, an der Oberfläche
des Kühlaggregats
einer Kfz-Klimaanlage einen Feuchtesensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit
vorzusehen.
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In
DE 10 2007 039 990
A1 ist ein Sensor zur Erfassung von Oberflächenfeuchtigkeit
bekannt, der thermisch mit einer Messoberfläche gekoppelt ist und ein Element
aufweist, das sowohl zum Erwärmen
der Messoberfläche
als auch zum Messen der Temperatur der Messoberfläche verwendet
wird. Zur Ansteuerung dieses Elements zwecks Erwärmung der Messoberfläche und
zur Auswertung der von dem Element gelieferten Temperaturmesssignale
dient eine Ansteuer- und
Auswerteeinheit.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, insbesondere beim Start eines Fahrzeuges erkennen
zu können, ob
noch (Rest-)Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Kühl aggregats vorhanden ist,
und zwar unter Verwendung eines Standardbauteils.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Sensor zur Erfassung einer
Oberflächenfeuchtigkeit
an einem Kühlaggregat
einer Kfz-Klimaanlage vorgeschlagen, wobei der Sensor versehen ist
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bei
der Erfindung wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Dynamik eines
Aufheizvorganges bei einem Element, das eine trockene Oberfläche aufweist,
anders ist als dann, wenn das Element auf seiner Oberfläche befeuchtet
ist. Das trockene Element heizt sich nämlich schneller bzw. stärker auf
als das an seiner Oberfläche
nasse Element.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor
wird also eine Sensorfläche
mit Hilfe eines Heizelements erwärmt.
Dabei wird in die Sensorfläche
eine definierte Heizenergie, d. h. z. B. eine definierte Heizleistung innerhalb
einer definierten Heizzeit eingebracht. Der Unterschied der Temperaturen
der Sensorfläche
vor und nach der Aufheizung gibt Aufschluss darüber, ob die Sensorfläche trocken
oder feucht ist. Alternativ kann auch das Temperaturabklingverhalten
detektiert werden, um eine feuchte Sensorfläche von einer trockenen zu
unterscheiden. Schließlich
kann auch anhand der Aufheiz- bzw. Abkühldynamik detektiert werden,
ob die Sensorfläche
vereist ist.
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Erfindungsgemäß ist das
Heizelement und den Temperaturmessfühler als kombiniertes Heiz- und
Messelement auszuführen,
das seine unterschiedlichen Funktionen in Abhängigkeit von der Größe der ihm
zugeführten
Versorgungsspannung ausübt,
wobei das kombinierte Heiz- und Messelement als Leistungstransistor
mit integriertem Temperatursensor ausgeführt ist und wobei der Leistungstransistor
bei entsprechender Ansteuerung im halbleitenden Bereich infolge
seiner Verlustleistung zum Heizen der Sensorfläche eingesetzt werden kann, während der
integrierte Chiptemperatur-Sensor der Temperaturmessung der Sensorfläche dient.
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Grundsätzlich kann
die Sensorfläche
Teil eines Kühlelementes
des Kühlaggregats
oder an einem davon getrennt ausgebildeten Element ausgebildet sein.
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Um
mit Hilfe der Sensorfläche
den Grad der Oberflächenfeuchtigkeit
des Kühlaggregats
messtechnisch erfassen zu können,
sollte die Sensorfläche
zwischen den Kühlelementen
des Kühlaggregats angeordnet
und damit letztendlich derjenigen Luft ausgesetzt sein, die auch
an den Kühlflächen und Kühlelementen
des Kühlaggregats
entlang strömt. Andererseits
darf die Sensorfläche
aber auch nicht zu stark an die thermische Masse des Kühlaggregats angekoppelt
sein, da ihr Aufheizverhalten andernfalls maßgeblich durch das thermische
Verhalten des Kühlaggregats
bestimmt wäre.
Insoweit zweckmäßig ist
es daher, wenn die Sensorfläche
lediglich linien- bzw. punktförmig
an dem Kühlaggregat
angekoppelt und somit von dem Kühlaggregat
bzw. in dem Kühlaggregat
fixiert ist. Dies wird beispielsweise zweckmäßig dadurch erreicht, dass
die Sensorfläche
als Oberfläche
eines Materialstreifens ausgebildet ist, dessen Ränder lokale
Vorsprünge
aufweisen, an denen der Metallstreifen das Kühlaggregats kontaktiert und
dadurch an diesem fixiert ist. Zweckmäßigerweise ist der Metallstreifen
zwischen den bei Kühlaggregaten
im Regelfall anzutreffenden Kühllamellen
angeordnet.
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe dient aber erfindungsgemäß auch ein
Kühlaggregat für eine Klimaanlage
eines Fahrzeuges zur Kühlung von
dem Innenraum des Fahrzeuges zuzuführender Luft, wobei das Kühlaggregat
versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensorik zur Erfassung
der Oberflächenfeuchtigkeit eines
Kühlaggregats
einer Kfz-Klimaanlage ist darin zu sehen, dass der Temperaturmessfühler nicht
nur zur Detektion der Dynamik des Aufheiz- und/oder Abkühlvorgangs
der Sensorfläche
genutzt werden kann, sondern auch dazu dienen kann, die Temperatur
des Kühlaggregats
zu ermit teln. Derartige Temperaturfühler sind bei Kühlaggregaten
von Kfz-Klimaanlagen zwingend erforderlich, wenn die Kühlaggregate temperaturgeregelt
sind bzw. um bei den Kühlaggregaten
eine Vereisung zu verhindern. Insoweit kann also für die Implementierung
der erfindungsgemäßen Sensorik
die bisherige Infrastruktur im Fahrzeug (Verkabelung, Montage) beibehalten
bleiben, wobei bei der erfindungsgemäßen Ausführung von Heizelement und Temperaturmessfühler als
kombiniertes Element auf zusätzliche
Kabel verzichtet werden kann. Mit dem oder den Kabeln ist dann beispielsweise
im Klimasteuergerät
die Ansteuer- und Auswerteeinheit verbunden, die für die kontrollierte
und definierte Aufheizung der Sensorfläche und für die Auswertung der messtechnisch
erfassten Aufheiz- bzw. Abkühldynamik
der Sensorfläche
sorgt.
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Was
das thermische Dynamikverhalten der Sensorfläche anbelangt, so kann unter
Umständen die
Temperatur der Sensorfläche
vor ihrer Erwärmung
und gegebenenfalls die Umgebungstemperatur mitentscheidend, also
nicht allein die Temperaturdifferenz zu Beginn und zum Ende der
Aufheizphase entscheidend sein. Eine entsprechende Sensorik ist aber
einerseits in dem erfindungsgemäßen Sensor selbst
bereits in Form des Temperaturmessfühlers vorhanden bzw. bei Kfz-Klimaanlagen
durch den Außentemperaturfühler gegeben.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Oberflächenfeuchtigkeitssensorik
kann eine Kfz-Klimaanlage nach einem (Neu-)Start des Fahrzeuges
derart betrieben werden, dass bei detektierter Oberflächenfeuchte
die dem Innenraum zuzuführende
Luft nicht direkt gegen die Windschutzscheibe, sondern z. B. in dem
Fußraum
und/oder über
die Mannanströmer ausgelassen
wird. Wenn bzw. sobald auf dem Kühlaggregat
keine Oberflächenfeuchte
(mehr) vorhanden ist, kann die Luft (auch) über die Defrost-Öffnungen
nahe der Windschutzscheibe ausgegeben werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im
einzelnen zeigen dabei:
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1 eine
Ansicht auf ein von Luft durchströmbares Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage,
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2 eine
ausschnittsweise Darstellung des Kühlaggregats gemäß 1 in
vergrößertem Maßstab,
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3 und 4 zwei
Ausführungsbeispiele der
Beschattung des Sensors für
die Oberflächenfeuchtigkeitsdetektion
und
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5 zwei
Diagramme zur Verdeutlichung der in die Sensorfläche eingebrachten Heizenergie und
der unterschiedlichen Aufheizdynamiken der Sensorfläche in Abhängigkeit
davon, ob diese trocken oder feucht ist.
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In
den 1 und 2 sind (Teil-)Ansichten auf
ein Kühlaggregat 10 einer
Kfz-Klimaanlage
gezeigt. Das Kühlaggregat 10 ist
hierbei als Verdampfer ausgebildet, der Teil eines Kältemittelkreislaufes
ist und in dem sich das zuvor verdichtete Kältemittel entspannt und dabei
der Umgebung Wärme
entzieht. Das Kühlaggregat 10 weist
ein Rohrregister 12 mit zwei Sammelrohren und zwischen
diesen verlaufenden Verbindungsrohren 14 zum Leiten des
Kühlmediums
auf. Zwischen den Rohren befinden sich sogenannte Kühllamellen
oder Kühlelemente 16,
die in diesem Ausführungsbeispiel
als zick-zack-förmige Bleche 18 ausgeführt sind.
Zwischen benachbarten Abschnitten einer der Kühllamellen 18 befindet
sich ein Sensor 20 zur Detektion einer möglichen
Oberflächenfeuchtigkeit
des Kühlaggregats 10.
Der Sensor 20 weist einen Materialstreifen 22 aus
beispielsweise Metall auf, der zwischen die Kühllamelle 18 geschoben
ist und an seinen Lateralrändern örtliche
Klemmvorsprünge 24 aufweist, über die
der Sensor 20 linien- bzw. punktförmig in Kontakt mit dem Kühlaggregat 10 steht
und in diesem fixiert ist. Die Oberfläche des Materialstreifens 22 bildet
eine Sensorfläche 26, auf
der sich Feuchtigkeit niederschlägt,
wenn das Kühlaggregat 10 auf
seiner Oberfläche
befeuchtet ist, was beispielsweise durch die Kondensatbildung auf
Grund der Luftfeuchtigkeit bei Abkühlung der Luft zurückzuführen ist.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
des Sensors 20 ist in 3 gezeigt.
Auf der Sensorfläche 26 befinden
sich in thermischem Kontakt mit dieser ein elektrisches Heizelement 28 sowie
ein Temperaturmessfühler 30.
Beide Elemente sind mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 elektrisch
verbunden. Der Temperaturmessfühler 30 dient
der Erfassung der Temperatur der Sensorfläche 26 und erfasst die
Aufheizdynamik der Sensorfläche 26,
wenn diese durch das Heizelement 28 (kurzzeitig) aufgeheizt wird.
Hierzu wird innerhalb einer definierten Zeit eine definierte Heizleistung
und damit insgesamt eine definierte Heizenergie in die Sensorfläche 26 bzw.
den Materialstreifen 22 eingebracht, wie es in dem unteren
Diagramm der 5 dargestellt ist. In Abhängigkeit
davon, ob die Sensorfläche
trocken oder feucht ist, stellt sich eine unterschiedliche Temperaturdifferenz
zwischen der Temperatur zu Beginn und zum Ende des Aufheizvorgangs
ein.
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Wenn
die Sensorfläche 26 trocken
ist, wird sie sich (bei gleicher Empfangstemperatur zu Beginn der
Aufheizung) auf eine höhere
Temperatur aufheizen als in dem Fall, in dem die Sensorfläche 26 befeuchtet
ist. Dies ist in dem oberen Diagramm der 5 mit ΔTtr und ΔTfe kenntlich gemacht, wobei mit T0 die Anfangstemperatur vor bzw. bei Beginn
der Aufheizung und mit T1fe und T1tr die Temperaturen zum Ende der Aufheizung
bei feuchter bzw. bei trockener Sensorfläche 26 gemeint ist.
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Die
thermische Masse des Materialstreifens 22 sollte so gering
wie angesichts der erforderlichen mechanischen Stabilität möglich sein,
so dass eine Betauung des Materialstreifens zu einer spürbaren Erhöhung der
thermischen Gesamtmasse aus Materialstreifen und Betauung führt, womit
sich das dynamische thermische Verhalten des Materialstreifens ohne
Betauung von demjenigen Verhalten des Materialstreifens mit Betauung
determinierbar unterscheidet.
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Die
Temperaturdifferenz wird nun in der Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 ausgewertet,
um eine Aussage darüber
zu treffen, ob die Sensorfläche 26 trocken
ist oder nicht bzw. ob die Sensorfläche 26 feucht ist
oder nicht. Um diese Aussagen mit größerer Genauigkeit treffen zu
können,
kann in die Bewertung noch die Anfangstemperatur T0 bzw.
die Umgebungstemperatur eingehen. In 4 ist ein
zweites Ausführungsbeispiels
eines Sensors 20' gezeigt,
wobei in dieser Figur für
Elemente, die den Elementen des Sensors 20 gemäß 3 entsprechen
bzw. mit diesen gleich sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet
sind.
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Der
Unterschied der Sensoren 20 und 20' der 3 und 4 ist
darin zu sehen, dass im Ausführungsbeispiel
gemäß 4 der
Sensor 20' über ein
kombiniertes Element 34 verfügt, das je nach seiner Ansteuerung
durch die Ansteuer- und
Auswerteeinheit 32 die Funktion des Aufheizens oder die Funktion
der Temperaturmessung der Sensorfläche 26 übernimmt.
Bei diesem Element 34 handelt es sich beispielsweise um
ein PTC-Widerstandselement, das bei Anlegen einer relativ kleinen
Versorgungs-(Mess-)Spannung der Temperaturmessung und bei Anlegen
einer großen
Versorgungsspannung der Aufheizung der Sensorfläche 26 dient. Als
kombiniertes Element 34 wird erfindungsgemäß ein Leistungs-MOSFET
mit integriertem Chiptemperatur-Sensor verwendet.
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In
den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Sensors sind
die Heizelemente sowie Temperaturmessfühler bzw. das kombinierte Element
jeweils als direkt in thermischem Kontakt mit dem Materialstreifen 22 stehend
dargestellt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es
nicht notwendigerweise eines direkten thermischen Kontaktes dieser
Elemente mit dem Materialstreifen 22 bedarf. Ebenso ist
es möglich,
dass die besagten Elementen in thermischem Kontakt mit Zwischenelementen
stehen, die ihrerseits mit dem Materialstreifen 22 thermisch
gekoppelt sind.
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- 10
- Kühlaggregat
- 12
- Rohrregister
- 14
- Verbindungsrohr
- 16
- Kühlelement
- 18
- Kühllamelle
- 20
- Sensor
- 20'
- Sensor
- 22
- Materialstreifen
- 24
- Klemmvorsprünge
- 26
- Sensorfläche
- 28
- Heizelement
- 30
- Temperaturmessfühler
- 32
- Auswerteeinheit
- 34
- kombiniertes
Heiz- und Messelement