DE102015007564A1 - Klimaanlage und Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage - Google Patents

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Abstract

Klimaanlage (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdichter (2), einen Kondensator oder Gaskühler (3), einen inneren Wärmeübertrager (4), mindestens ein Expansionsorgan (5), mindestens einen Verdampfer (6) sowie einen nachgeschalteten Akkumulator für das Kältemittel, wobei dem Akkumulator (7) ein Drucksensor (8) und ein Temperatur-sensor (9) nachgeschaltet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdichter, einen Kondensator oder Gaskühler, einen inneren Wärmeübertrager, mindestens ein Expansionsorgan, mindestens einen Verdampfer sowie einen nachgeschalteten Speicher für das Kältemittel, dem sogenannten Akkumulator
  • Eine derartige Klimaanlage ist aus der DE 101 38 202 C1 bekannt. Diese Klimaanlage ist insbesondere für den Betrieb mit R744 (CO2) als Kältemittel geeignet. Zur Überwachung des Hochdrucks ist zumeist ein Drucksensor nach dem Verdichter vorgesehen. In der erwähnten Veröffentlichung ist zudem ein niederdruckseitiger Drucksensor vor dem Verdichter vorgesehen, um eine an den Niederdruck gekoppelte kältemittelseitige Verdampfungstemperatur zu regeln. Bei einer solchen R744 (CO2) als Kältemittel verwendeten Klimaanlage wird ein Gaskühler eingesetzt. In Klimaanlagen mit anderem Kältemittel wird ein Kondensator verwendet.
  • Klimaanlagen, die mit R744 als Kältemittel betrieben werden, zeichnen sich durch einen teilweise überkritischen Prozessverlauf aus. Daher und aufgrund eines geringen Innenvolumens des Gesamtsystems ist es schwierig, eine Lebensdauerpufferfüllmenge für das Kältemittel zur Kompensation möglicher auftretender Leckagen, die die optimale Füllmenge z. B. zwischen 50 g bis 100 g überschreitet, unterzubringen, ohne die aktuell definierte spezifische bzw. maximal zulässige Füllmenge von maximal 250 g/l zu überschreiten. In ungünstigen Fällen kann daher eine Unterfüllung auftreten, die erkannt werden muss, damit eine entsprechende Information oder Warnung für den Fahrer ausgegeben werden kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage anzugeben, die eine Detektion einer Unterfüllung mit Kältemittel ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Klimaanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Akkumulator ein Drucksensor und ein Temperatursensor nachgeschaltet sind.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Vorsehen eines weiteren Drucksensors und eines weiteren Temperatursensors nach dem Speicher eine Überwachung relevanter Parameter erfolgen kann, wodurch die Erkennung einer Unterfüllung möglich ist. Der Drucksensor und der Temperatursensor sind bevorzugt als ein Kombinationssensor ausgebildet. Je nach verwendetem Kältemittel ist entweder ein Gaskühler (Kältemittel R744) oder ein Kondensator (anderes Kältemittel) vorgesehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist es auch möglich, dass der Akkumulator und der innere Wärmetauscher oder Wärmeübertrager als kombiniertes Bauteil ausgebildet sind und der Drucksensor und der Temperatursensor in das kombinierte Bauteil integriert werden, so dass erneut der Kältemittelzustand am Austritt des Akkumulators detektiert werden kann.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem Verdichter ein (weiterer) Drucksensor und ein (weiterer) Temperatursensor nachgeschaltet sind. Dadurch können der Betrieb der Klimaanlage besser geregelt und kritische Systemgrenzen überwacht werden.
  • Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass dem Kondensator oder Gaskühler ein Drucksensor und optional ein Temperatursensor nachgeschaltet ist beziehungsweise sind.
  • Auch werden die beiden zuletzt erwähnten Sensorpaarungen nach Verdichter und Kondensator bzw. Gaskühler idealerweise als Kombinationssensoren ausgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Klimaanlage kann ein Steuergerät aufweisen, das dazu ausgebildet ist, mittels des erfassten Drucks eine Sättigungstemperatur zu berechnen und mit der erfassten Temperatur zu vergleichen und eine gegebenenfalls vorhandene Abweichung festzustellen bzw. Differenz zu ermitteln.
  • Vorzugsweise kann das Steuergerät dazu ausgebildet sein, eine vorhandene Abweichung, die einen festgelegten Betrag überschreitet und/oder länger als einen festgelegten Zeitraum andauert, als Unterfüllung zu detektieren und einen Warnhinweise zu senden bzw. ein entsprechendes Signal auszugeben.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdichter, einen Kondensator oder Gaskühler, einen inneren Wärmeübertrager, ein Expansionsorgan, einen Verdampfer sowie einen dem Verdampfer nachgeschalteten, als Speicher zu bezeichnenden, Akkumulator für das Kältemittel.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Steuergerät mittels eines Drucksensors und eines Temperatursensors, die dem Akkumulator nachgeschaltet sind, über das Drucksignal eine Sättigungstemperatur berechnet und mit der erfassten Temperatur vergleicht und eine gegebenenfalls vorhandene Abweichung feststellt. Eine festgestellte dauerhafte Abweichung ist ein Indiz für eine Unterfüllung des Kältemittels.
  • Vorzugsweise kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Steuergerät eine vorhandene Abweichung, die einen festgelegten Betrag überschreitet und/oder länger als ein festgelegter Zeitraum andauert, als Unterfüllung detektiert und ein Signal ausgibt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass bei unterkritischem Betrieb des Systems durch Verstellen (Drosseln/Entdrosseln) des Expansionsorgans als Effizienzmaßnahme eine Unterkühlung am Austritt des Gaskühlers oder Kondensators anhand eines Drucksensors und eines Temperatursensors, die dem Gaskühler bzw. Kondensator nachgeschaltet sind, geregelt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Regelung der Unterkühlung eine Überhitzung am Verdampfer und/oder am Akkumulator berücksichtigt und eine permanente Überhitzung wird als Unterfüllung detektiert.
  • Die Umsetzung der Effizienzmaßnahme bei überkritischem Betrieb geschieht nach der Methode der Einstellung des optimalen Systemhochdrucks nach dem Kondensator bzw. Gaskühler als Funktion der Austrittstemperatur des Kältemittels am Kondensator bzw. Gaskühler, ebenso per Verstellen des Expansionsorgans.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Klimaanlage.
  • Die Klimaanlage 1 umfasst einen Verdichter 2, einen Kondensator oder Gaskühler 3 (je nach verwendetem Kältemittel), einen inneren Wärmetauscher oder Wärmeübertrager 4, mindestens ein Expansionsorgan 5, mindestens einen Verdampfer 6 sowie einen nachgeschalteten Akkumulator 7, der auch als Speicher bezeichnet wird, für das Kältemittel. In der Figur erkennt man, dass dem Akkumulator 7 ein Drucksensor 8 und ein Temperatursensor 9 zugeordnet sind. Die beiden Sensoren können auch als kombinierte Baueinheit ausgebildet sein.
  • Ferner umfasst die Klimaanlage 1 einen Drucksensor 10 und einen Temperatursensor 11, die nach dem Verdichter 2 angeordnet sind und auch als kombinierte Baueinheit ausgebildet sein können. Zusätzlich sind auch nach dem Kondensator oder Gaskühler 3, ein Drucksensor 12 und ein Temperatursensor 13 angeordnet. Diese Sensoren dienen zur Regelung eines optimalen Hochdrucks für den überkritischen Anlagenbetrieb und zur Regelung einer optimalen Unterkühlung für den unterkritischen Anlagenbetrieb. Auch diese Sensoren können als kombinierte Baueinheit ausgebildet sein. Optional kann der nach dem Kondensator oder Gaskühler 3 vorgesehene Drucksensor 12 auch entfallen, so dass an dieser Stelle lediglich mittels des Temperatursensors 13 die Temperatur überwacht wird, wenn man davon ausgeht, dass bei einer optimalen Regelung des Hochdrucks der Druckverlust über den Kondensator bzw. Gaskühler 3 vernachlässigbar ist, so dass der Druck nach dem Verdichter 2 direkt als Referenzwert herangezogen werden kann. Ein weiterer Temperaturfühler 17 dient zur Erfassung der Umgebungstemperatur.
  • Mit dem Drucksensor 8 und dem Temperatursensor 9, die nach dem Akkumulator 7 positioniert sind, werden Druck und Temperatur während des Betriebs der Klimaanlage 1 gemessen. Mit dem erfassten Druckwert wird kontinuierlich eine korrespondierende Sättigungstemperatur bestimmt. Zwischen dieser berechneten Sättigungstemperatur und der tatsächlichen, gemessenen Temperatur wird ständig die Differenz berechnet. Die Klimaanlage 1 weist dazu ein Steuergerät 14 auf, das mit den verschiedenen erwähnten Druck- und Temperatursensoren verbunden ist. Das Steuergerät berechnet permanent die Differenz zwischen einer Sättigungstemperatur, die zu einem Druck korrespondiert, der durch den Drucksensor 8 gemessen wurde. Zwischen dieser Sättigungstemperatur und der durch den Temperatursensor 9 gemessenen Temperatur wird die Differenz berechnet. Solange diese Abweichung der beiden Temperaturen unterhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt, wird durch das Steuergerät 14 entschieden, dass eine ausreichende Füllung des Systems mit Kältemittel vorhanden ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Grenzwert für die Abweichung 5 K. Ferner wird in den Fällen davon ausgegangen, dass eine ausreichende Füllung vorhanden ist, wenn lediglich kurzfristig Temperaturdifferenzen von mehr als 5 K auftreten. Beispielsweise können derartige Temperaturdifferenzen toleriert werden, wenn sie maximal fünf Minuten andauern. Derartige instationäre Temperaturverläufe können beispielsweise bei einem Lastwechsel während des Betriebs der Klimaanlage 1 auftreten.
  • Andererseits entscheidet das Steuergerät, dass eine Unterfüllung vorhanden ist, wenn die Abweichung zwischen der Sättigungstemperatur, die dem Druckwert entspricht, und der tatsächlichen Temperatur permanent 5 K oder mehr beträgt. In diesem Zustand wird davon ausgegangen, dass eine Unterfüllung des Systems, d. h. Kältemittelmangel, vorliegt. Das Steuergerät 14 gibt dann ein Signal aus, beispielsweise ein optisches und/oder akustisches Signal für den Benutzer des Fahrzeugs, so dass dieser aufgefordert werden kann, eine Werkstatt aufzusuchen. Wenn der Betrag der Temperaturdifferenz einen festgelegten Grenzwert überschreitet, wird die Klimaanlage 1 aus Gründen des Bauteilschutzes dauerhaft deaktiviert.
  • Ein aus dem Drucksensor 8 und dem Temperatursensor 9 bestehender Kombinationssensor könnte grundsätzlich auch nach dem Verdampfer positioniert werden, allerdings ist stets der Akkumulator 7 für die Einstellung eines optimalen Dampfgehalts, der typischerweise 95% beträgt, verantwortlich, so dass die Überwachung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur am Austritt des Akkumulators 7 die zuverlässigere Variante zur Bewertung des Systemzustands der Klimaanlage 1 hinsichtlich der Befüllung ist.
  • Für den unterkritischen Betrieb der Klimaanlage 1 ist die Regelung des optimalen Hochdrucks aufgrund des durch die Kondensationstemperatur vorgegebenen Kondensationsdrucks jedoch nicht zweckmäßig. Stattdessen wird in diesem Fall die Unterkühlung des Kältemittels nach dem Kondensator oder Gaskühler 3 geregelt. Dies erfolgt über das Expansionsorgan 5, das solange angedrosselt bzw. entdrosselt wird, bis sich ein optimaler Betrag der Unterkühlung, das heißt eine Temperaturdifferenz zur eigentlichen Kondensationstemperatur, am Austritt des Kondensators oder Gaskühler 3 einstellt. Dieser Wert wird analog zur Ermittlung der Überhitzungstemperatur nach dem Akkumulator 7 ermittelt. Die Unterkühlungstemperatur wird mittels der aus dem Drucksensor 12 und dem Temperatursensor 13 bestehenden Sensorkombination, die nach dem Kondensator oder Gaskühler 3 angeordnet ist, ermittelt. Wenn auf diese Weise z. B. eine Temperaturdifferenz von 0 K ermittelt wird, wird das Expansionsorgan 5 angedrosselt. Wenn z. B. eine Temperaturdifferenz von 2 bis 5 K gemessen wird, ist der Zielwert der Unterkühlung erreicht, so dass die Einstellung des Expansionsorgans 5 konstant bleibt. Wenn hingegen- der Temperaturwert erheblich größer als 0 ist, wird das Expansionsventil geöffnet bzw. entdrosselt.
  • Es kann jedoch der Fall eintreten, dass zum Erreichen einer optimalen Unterkühlung das Expansionsorgan 5 zu stark angedrosselt werden muss, wodurch innerhalb der Klimaanlage 1 eine Umverlagerung des Kältemittels auf die Hochdruckseite erfolgt und die Niederdruckseite, insbesondere jedoch der Akkumulator entleert wird. In diesem Fall tritt am Verdampfer 6 und auch am Akkumulator 7 eine Überhitzung auf. Mit dem zusätzlich vorgesehenen Drucksensor 12 und dem Temperatursensor 13 kann wie beschrieben eine Unterkühlung detektiert und das Expansionsorgan 5 solange entdrosselt werden, bis die Überhitzung unterhalb eines idealen Grenzwerts liegt und ggf. sogar verschwindet, so dass im selben Zug am Akkumulatoraustritt die ursprünglich gemessene Überhitzung verschwindet Diese Regelung ist ein Kompromiss aus Effizienz und Leistung (Lufttemperaturverteilung nach Verdampfer dar). Wenn auch in diesem Fall permanent eine Überhitzung nach dem Akkumulator 7 gemessen wird und die Unterkühlung nach dem Gaskühler 3 zu gering bzw. nicht vorhanden ist, erkennt das Steuergerät 14, dass eine Unterfüllung an Kältemittel und damit Kältemittelmangel vorliegt.
  • Da die R744-Systeme generell einen inneren Wärmeübertrager aufweisen, könnte analog zu einer Unterkühlungsregelung nach dem Kondensator oder Gaskühler 3 zu einer Unterkühlungsregelung nach dem inneren Wärmeübertrager (Hochdruckseite) übergegangen werden, da der zusätzliche systeminterne Wärmeaustausch über den inneren Wärmetauscher von Hochdruck zu Niederdruck einen zusätzlichen Sprung der Unterkühlung bewirkt. Dadurch wird auch die Umverlagerung von Kältemittel von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite unterstützt. Zudem kann eine Unterkühlungsregelung nach dem inneren Wärmetauscher stabiler umgesetzt werden, da die Betriebspunkte gegenüber dem Austritt des Gaskühlers einfacher und eindeutiger zu bilanzieren sind. Um diese Maßnahme umzusetzen, ist in der Figur ein weiterer kombinierter Sensor vorgesehen, umfassend einen Drucksensor 15 und einen Temperatursensor 16. Grundsätzlich wäre lediglich der Temperatursensor 16 ausreichend, da der Druckwert (Hochdruck) bereits am Austritt des Verdichters 2 erfasst wird und im idealen Fall auf alle Positionen stromabwärts des Verdichters 2 auf der Hochdruckseite übertragen werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass Druckverluste vernachlässigbar sind.
  • Die beschriebene Klimaanlage weist den Vorteil auf, dass eine Erkennung einer Unterfüllung an Kältemittel anhand einer Druckmessung und einer Temperaturmessung sowie durch korrekte Verknüpfung und Verarbeitung der Messwerte möglich ist. Bei einer erkannten Unterfüllung kann die Notwendigkeit eines Werkstattbesuchs dem Kunden effektiv signalisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Design einer an sich bekannten Klimaanlage praktisch unverändert beibehalten werden kann, abgesehen von den zusätzlichen Sensoren, die jedoch leicht integriert werden können. Auch die Tatsache, dass keine Zusatzvolumina für Kältemitteleinlagerung bzw. Füllmengenerhöhung erforderlich sind, ist vorteilhaft. Bei einer Klimaanlage, die einen Drucksensor oder einen mit einem Temperatursensor kombinierten Drucksensor am Eintritt des Verdichters 2 im Einsatz haben, kann dieser durch den Drucksensor 8 und den Temperatursensor 9, die nach dem Akkumulator 7 angeordnet sind, ersetzt werden, ohne dass sich daraus für den Systembetrieb funktionale Nachteile ergeben. Beim unterkritischen Betrieb der Klimaanlage kann ein effizienzoptimierter Betrieb sicher durchgeführt werden. Die Unterkühlung kann – sofern erforderlich – maximal ausgereizt werden, während die luftseitige Temperaturverteilung gleichzeitig davon unberührt bleibt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Luftstrom nach Verdampfer keine Inhomogenität zeigt, wodurch sich eine gleichmäßige Ausblastemperaturverteilung an Innenraumluftdüsen ergibt. Zudem kann die beschriebene Klimaanlage sowohl bei Ausführungen mit kombinierten Akkumulator und Wärmetauscher als auch für separate Akkumulator und Wärmetauscher genutzt werden.
  • Die beschriebene Klimaanlage ist sowohl für mechanische als auch für elektrische Verdichter geeignet. Neben dem beschriebenen Einsatz für das Kältemittel R744 kann diese Maßnahme auch für Kältekreisläufe mit anderen Kältemittel eingesetzt werden, die analog zur R744-Anlage, auch mit einem Akkumulator arbeiten. Während eine mit R744 als Kältemittel arbeitende Klimaanlage einen Gaskühler aufweist, verwendet eine ein anderes Kältemittel nutzende Klimaanlage einen Kondensator.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10138202 C1 [0002]

Claims (14)

  1. Klimaanlage (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdichter (2), einen Kondensator oder Gaskühler (3), einen inneren Wärmeübertrager (4), mindestens ein Expansionsorgan (5), mindestens einen Verdampfer (6) sowie einen nachgeschalteten Akkumulator für das Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass dem Akkumulator (7) ein Drucksensor (8) und ein Temperatursensor (9) nachgeschaltet sind.
  2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (7) und der innere Wärmeübertrager (4) als kombiniertes Bauteil ausgebildet sind und der Drucksensor (8) und der Temperatursensor (9) stromabwärts vom Akkumulator in das kombinierte Bauteil eingebunden sind.
  3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (2) ein Drucksensor (10) und ein Temperatursensor (11) nachgeschaltet sind.
  4. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator oder Gaskühler (3) ein Temperatursensor (13) und optional ein Drucksensor (12) nachgeschaltet sind.
  5. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuergerät (14) aufweist, das dazu ausgebildet ist, mittels des erfassten Drucks eine Sättigungstemperatur zu berechnen und mit der erfassten Temperatur zu vergleichen und eine gegebenenfalls vorhandene Abweichung festzustellen.
  6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) dazu ausgebildet ist, eine vorhandene Abweichung, die einen festgelegten Betrag überschreitet und/oder länger als einen festgelegten Zeitraum andauert, als Unterfüllung zu detektieren und ein Signal auszugeben.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdichter (2), einen Kondensator oder Gaskühler (3), einen inneren Wärmeübertrager (4), mindestens ein Expansionsorgan (5), mindestens einen Verdampfer (6), sowie einen nachgeschalteten Akkumulator für das Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (14) mittels eines Drucksensors (8) und eines Temperatursensors (9), die dem Akkumulator (7) nachgeschaltet sind, eine Sättigungstemperatur berechnet und mit der erfassten Temperatur vergleicht und eine gegebenenfalls vorhandene Abweichung feststellt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) eine vorhandene Abweichung, die einen festgelegten Betrag überschreitet und/oder länger als ein festgelegter Zeitraum andauert, als Unterfüllung detektiert und ein Signal ausgibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drosseln oder Entdrosseln des Expansionsorgans (5) eine Unterkühlung am Austritt des Kondensators oder Gaskühlers (3), deren Bestimmung anhand eines Drucksensors (12) und eines Temperatursensors (13) erfolgt, die dem Kondensator oder Gaskühler (3) nachgeschaltet sind, geregelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung der Unterkühlung eine Überhitzung am Verdampfer (6) und/oder am Akkumulator (7) berücksichtigt wird und eine permanente Überhitzung als Unterfüllung detektiert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Unterkühlung nach dem Kondensator oder Gaskühler (3) und gleichzeitiger Detektion einer dauerhaften Überhitzung nach dem Verdampfer (6) und/oder dem Akkumulator (7) zunächst eine Entdrosselung des Expansionsorgans (5) erfolgt, bevor über das Steuergerät (14) ein Kältemittelmangel signalisiert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass dem hochdruckseitigem Abschnitt des inneren Wärmeübertragers (4) ein Temperatursensor (16) und optional ein Drucksensor (15) nachgeschaltet sind.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kombinationsbauteile, in denen Druck- und Temperatursensoren (12, 13, 15, 16) integriert sind, verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen der Druck- und Temperatursensoren (15, 16) am Austritt des inneren Wärmeübertragers (4) analog zu den Informationen der Druck- und Temperatursensoren (12, 13) nach dem Kondensator oder Gaskühler (3) verarbeitet werden.
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