DE102018209769A1 - Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit- einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1), ein erstes Expansionsorgan (AE1) und einen ersten Druck-Temperatursensor (pT1) aufweist,- wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist,- einem Kältemittelverdichter (3) und einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei- in einem Single-Chiller-Modus der Betriebspunkt des Kältemittelkreislaufs (10) am Kältemittelaustritt des Chillers (1) nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt wird,- der Niederdruck und die zugehörige Temperatur des Kältemittels mittels des ersten Druck-Temperatursensors (pT1) des Chillers (1) detektiert wird, und- der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters (3) auf einen von Umgebungsbedingungen und der benötigten Kühlleistung des Chillers (1) abhängigen maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Reduzierung der Kühlleistung an dem Chiller (1) abgesenkt wird, wenn eine Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter (3) detektiert wird oder eine vorgegebene Abweichung der Temperatur von der Tauline des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) detektiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit wenigstens zwei Verdampfern, nämlich wenigstens einem Innenraum-Verdampfer und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer.
  • Der Innenraum-Verdampfer kann als Frontverdampfer und/ oder als Heckverdampfer des Fahrzeuginnenraums ausgeführt werden und dient zur Konditionierung eines in den Fahrzeuginnenraum eintretenden Zuluftstroms.
  • Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben dem Innenraum- bzw. Frontverdampfer zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers einen separaten Kühlmittelkreislauf. Ein solcher Kühlmittelkreislauf wird mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen eines Kühlmittels ausgebildet ist wie dies bspw. aus der DE 10 2017 108 809 A1 , der DE 10 2016 108 468 A1 oder der DE 10 2009 015 658 A1 bekannt ist.
  • Die DE 10 2016 117 075 A1 beschreibt ein System, bei welchem eine Hochvoltbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs mittels eines Kühlmittelkreislaufs gekühlt wird, welcher einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher aufweist, welcher mit einem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Um die Notwendigkeit kältemittelbasierter Verdampfer zu reduzieren, wird das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf auch für eine Kühlung einer hinteren Zone des Fahrgastraums unter Verwendung eines Kühlmittel-Luft-Wärmetauschers eingesetzt. Zusätzlich wird auch ein passiver Kühlmodus mittels eines der Umgebungsluft des Fahrzeugs ausgesetzten passiven Kühlers für die Hochvoltbatterie bereitgestellt.
  • In ähnlicher Weise beschreibt auch die DE 10 2014 001 022 A1 einen Kühlmittelkreislauf für eine Hochvoltbatterie, die über einen Wärmetauscher mit einem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Dieser Kühlmittelkreislauf weist einen Kühler auf, der mittels der Umgebungsluft des Fahrzeugs beaufschlagt wird. Dieser Kühler kann mittels einer Bypass-Leitung umgangen werden.
  • Aus der DE 10 2009 021 530 A1 ist ein Kühlmittelkreislauf für eine Hochvoltbatterie bekannt, in welchem sowohl ein Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher als auch ein mit einem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelter Chiller angeordnet ist. Der Kühlmittelkreislauf ist derart aufgebaut, dass das Kühlmittel entweder nur durch den Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher oder nur durch den Chiller oder durch beide Komponenten geleitet werden kann.
  • Schließlich sei noch auf die DE 10 2011 118 162 B4 verwiesen, aus welcher ein mehrere Verdampfer aufweisender Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpenfunktion bekannt ist. Für diesen Kältemittelkreislauf ist neben einem Innenraum-Verdampfer auch ein erster und zweiter Chiller vorgesehen, wobei diesen Verdampfern jeweils ein Expansionsorgan stromaufwärts vorgeschaltet ist. Zusätzlich ist dem Innenraum-Verdampfer ein weiteres Expansionsorgan stromabwärts nachgeschaltet, wodurch dieser Innenraum-Verdampfer auf einem Zwischendruckniveau betreibbar ist. Schließlich wird ein für den Kältebetrieb vorgesehener Kondensator zur Realisierung einer Luftwärmepumpe als Wärmepumpenverdampfer mit einem zugehörigen Expansionsorgan eingesetzt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs mit wenigstens zwei Verdampfern, nämlich wenigstens einem Innenraum-Verdampfer und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer anzugeben, mit welchem im Single-Chiller-Modus, also bei einem ausschließlichen Betrieb des Chillers ein funktionssicherer und damit fehlerfreier Betrieb des Kältemittelkreislaufs sichergestellt wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Bei diesem Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit
    • - einem Chiller-Zweig, welcher einen Chiller, ein erstes Expansionsorgan und einen stromabwärts des Chillers nachgeschalteten Druck-Temperatursensor aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist,
    • - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig, welcher einen Innenraum-Verdampfer und ein zweites Expansionsorgan aufweist und dem Chiller-Zweig parallel geschaltet ist,
    • - einem Kältemittelverdichter, und
    • - einem Kondensator oder Gaskühler, wird
    • - in einem Single-Chiller-Modus der Betriebspunkt des Kältemittelkreislaufs am Kältemittelaustritt des Chillers nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt,
    • - der Niederdruck und die zugehörige Temperatur des Kältemittels mittels des Druck-Temperatursensors des Chillers detektiert, und
    • - der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters auf einen von Umgebungsbedingungen und der benötigten Kälteleistung des Chillers abhängigen maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Reduzierung der Kälteleistung an dem Chiller abgesenkt, wenn eine Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter oder eine vorgegebene Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers detektiert wird.
  • Um die bei einem hohen Niederdruck im Single-Chiller-Modus und damit bei einer hohen Verdampfungstemperatur des Kältemittels drohenden Nachteile zu vermeiden, wird der mit dem Betreiben des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an der Taulinie verbundene effiziente Betrieb des Kältemittelkreislaufs, welcher insbesondere für Systeme mit hochdruckseitig angeordnetem Kältemittelspeicher signifikant ist, nur geringfügig verschlechtert, indem bei einer Detektion einer Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter oder bei einer vorgegebenen Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers entweder der Niederdruck auf einen maximalen zulässigen Niederdruckwert beschränkt oder der Niederdruck bei zumindest gleichbleibender Kälteleistung, jedoch Einbuße in der System effizienz, an dem Chiller abgesenkt wird.
  • Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels, i.d.R. ist dieser auch an eine zunehmende Kühlmitteleintrittstemperatur in den Chiller gekoppelt, steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, d.h. es nimmt die Gefahr einer Kältemittelunterfüllung zu, die letztlich in einer Kältemittelunterfüllung münden kann. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers nicht mehr nahe der Taulinie betrieben werden, das Kältemittel überhitzt zunehmend. Idealerweise wird bei einer geforderten Kälteleistung der Niederdruck nur so lange angehoben, bis erstmalig ein Anstieg im Wert der Überhitzung des Kältemittel detektiert wird und von diesem Zeitpunkt an erfolgt tendenziell eher eine geringfügige Absenkung des Niederdrucks. Es ist zu berücksichtigen, dass die gewünschte Kälteleistung aus dem Zusammenspiel Niederdruck über den Kältemittelverdichter und Tauliniennähe über das erste Expansionsorgan eingestellt werden.
  • Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur reduziert. Hierbei wird der Niederdruck mittels einer Regelung des Kältemittelverdichters auf einen solchen Wert reduziert, bei welchem der Anlagenbetriebspunkt für einen effizienten Systembetrieb wiederum nahe der Taulinie eingestellt wird. Da nun die Option im Raum stehen kann, mehr Kälteleistung bereitzustellen, als letztlich systemseitig gefordert ist, wäre ein (hochfrequenter) On-Off-Betrieb oder Zwei-Punkt-Regelbetrieb der Kälteanlage denkbar. Darüber hinaus könnte das System längere Zeit mit Überschusskälteleistung arbeiten, bevor für einen längeren Zeitraum der Kältekreis im Sinne eines niederfrequenten Zwei-Punkt-Regelbetriebs ruht.
  • Ein dritte Option stellt die Einstellung eines typischen maximalen Niederdrucks des Kältemittelkreislaufs dar, bspw. 4,5 bar bei einem R1234yf-System, bei dann zunehmender Überhitzung aufgrund der Reduktion des Kältemittelmassenstroms über das erste Expansionsorgan.
  • Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung und der aktuellen Kälteleistung des Chillers bestimmt. Die Umgebungsbedingungen betreffen bspw. die Umgebungstemperatur, d.h. als Verdampfungstemperatur sollte bei Anlauf des Kältemittelkreislaufs ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden, damit mit der Dauer des Betriebs unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor wieder der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden kann. Die aktuelle Kälteleistung des Chillers bestimmt den maximalen Niederdruckwert derart, dass mit abnehmendem Kälteleistungsbedarf auf der Kühlmittelseite des Chillers tendenziell ein immer weiter ansteigender Wert des Niederdruckniveaus sich abzeichnet.
  • Die Detektion der Drehmomentüberlast an dem Kältemittelverdichter wird bei einem elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter dadurch realisiert, dass ein solcher Kältemittelverdichter bei einer Drehmomentüberlast ein Fehlersignal erzeugt, welches einer Steuereinheit des Kältemittelkreislaufs, bspw. einem Klimasteuergerät zugeführt wird. Bei einem mechanisch, bspw. durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Kältemittelverdichter wird eine Drehmomentüberlast dadurch detektiert, dass die kraftschlüssige Verbindung der Magnetkupplung ins Rutschen versetzt wird.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Anschluss an die Absenkung des Niederdrucks die Kälteleistung am Chiller mittels einer Regelung des ersten Expansionsorgans zusammen mit dem Kältemittelverdichter wieder auf die Sollkälteleistung angepasst. Damit wird wieder diejenige Kälteleistung von dem Chiller erzeugt, die von demselben vor der Absenkung des Niederdrucks erzeugt wurde, jedoch in einem Betriebspunkt mit geringerer Effizienz im Vergleich zu dem vor der Absenkung des Niederdrucks eingestellten Betriebspunkt. Systemseitig wird die Druckdifferenz zwischen der Nieder- und Hochdruckseite und damit das Druckverhältnis angehoben.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass
    • - der Kältemittelkreislauf mit einem Niederdruck-Kältemittelsammler ausgebildet wird, mit welchem definierte Kältemitteldampfgehalte einstellbar sind, und
    • - das Kältemittel zur Einstellung auf dessen Taulinie oder nahe der Taulinie im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers auf einen Überhitzungsgrad von 0 K eingestellt wird.
  • Hierbei wird die Eigenschaft des niederdruckseitigen Akkumulators genutzt, dass dieser im Single-Chiller-Modus einen konstanten Dampfgehalt damit eine definierte Kältemittelgüte einstellt, sich also am Kältemittelaustritt des Chillers eine Überhitzung mit einem Wert Null einstellt, d. h. der Zustand des Kältemittels wird auf dessen Taulinie oder links von dieser im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels liegend, eingestellt. Mit dem ersten, dem Chiller zugehörigen Expansionsorgan erfolgt für den unterkritischen Betrieb der Kälteanlage eine Unterkühlungsregelung des Kältemittels am Austritt des Kondensators bzw. Gaskühler auf Basis der erfassten Werte für Druck und Temperatur oder für den überkritischen Betrieb der Kälteanlage eine Regelung auf einen optimalen Hochdruck auf Basis der gemessenen Kältemitteltemperatur am Austritt des Gaskühlers, die wiederum als Eingangsgröße für den Sollhochdruck zur Einstellung des Betriebspunkts zum Erzielen der optimalen Systemeffizienz dient..
  • Tritt im Single-Chiller-Modus ein Anstieg des Niederdrucks auf undwird hierbei einer der nachteiligen Folgen (Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter oder zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers) detektiert, wird durch entsprechende Steuerung des Kältemittelverdichters der Niederdruck entweder auf den maximalen Niederdruckwert beschränkt oder auf einen Wert unterhalb von diesem maximalen Niederdruckwert abgesenkt. Anschließend wird die Kälteleistung des Chillers wieder auf den vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Wert durch entsprechendes Zusammenwirken von Kältemittelverdichter durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Expansionsorgan i.d.R. durch weiteres Androsseln eingestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen der Kältemittelkreislauf als System losgelöst von Unterkühlungsregelung bzw. Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann. Hierbei stellt sich ein Betriebspunkt mit, gegenüber dem vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Betriebspunkt, geringeren Effizienz ein.
  • Damit kann mit steigendem Niederdruck die Chillerleistung bei fester Kühlmittelvorlauftemperatur und gleichzeitig durch eine mittels des ersten Expansionsorgans eingestellter Unterkühlung oder eingestelltem optimalem Hochdruck reduziert werden bis hin zu einem Betriebspunkt an dem mögliche kritische Betriebsgrenzen (Überhitzung, Drehmoment) erreicht werden. Von diesem Zeitpunkt an ist keine weitere Leistungsreduktion mehr möglich, das System hat eine Grenze erreicht.
  • Eine alternative und vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass
    • - der Kältemittelkreislauf mit einem Hochdruck-Kältemittelsammler ausgebildet wird, und
    • - das Kältemittel zur Einstellung auf oder nahe dessen Taulinie mittels des ersten erstes Expansionsorgans auf einen Überhitzungsgrad mit einem Wert zwischen 3 und 5 K geregelt wird.
  • Bei einem solchen Kältemittelkreislauf mit einem hochdruckseitigen Kältemittelsammler wird der Betriebspunkt des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers auf oder nahe dessen Taulinie dadurch eingestellt, dass mittels des ersten, d.h. dem Chiller zugehörigen Expansionsorgans ein Überhitzungsgrad mit einem Wert zwischen 3 und 5 K eingeregelt wird. Die Niederdrucklage wird hierbei mit dem Kältemittelverdichter eingestellt. Sinkt die von dem Chiller zu erbringende Kälteleistung, insbesondere bei gleichbleibender Kühlmittelvorlauftemperatur an, steigt gleichzeitig der Niederdruck an, und zwar nicht unerheblich über Standardbetriebsdruckwerte eines Kälteanlagenbetriebs zur Innenraumklimatisierung, bis entweder eine Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters detektiert wird, oder aufgrund der ansteigende Dichte des Kältemittels und der damit verbundenen fehlenden Kältemittelfüllmenge der Überhitzungsgrad ansteigt, also nicht mehr auf den Wert zwischen 3 und 5 K regelbar ist und infolgedessen durch entsprechende Steuerung des Kältemittelverdichters der Niederdruck entweder auf den maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Anhebung der Kälteleistung des Chillers, bei angenommener gleichbleibender Kühlmittelvorlauftemperatur, abgesenkt wird. Anschließend wird die Kälteleistung des Chillers wieder auf den vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Wert durch entsprechendes Zusammenwirken von Kältemittelverdichter durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Expansionsorgan, i.d.R. durch weiteres Androsseln angehoben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von der Einstellung des optimalen Überhitzungsgrades arbeiten kann oder ggf. mehr Kälteleistung bereitstellt als gefordert wird. Hierbei stellt sich ein Betriebspunkt mit gegenüber dem vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Betriebspunkt geringeren Effizienz ein.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in einem Chiller- und Verdampferbetrieb dem Innenraum-Verdampfer ein drittes Expansionsorgan stromabwärts nachgeschaltet, wobei
    • - der Innenraum-Verdampfer auf einem Mitteldruckniveau-Niveau betrieben wird, und
    • - der Chiller in Abhängigkeit der angeforderten Kühlleistung durch Regelung des Kältemittelverdichters und des ersten Expansionsorgans auf einem Niederdruck-Niveau betrieben wird.
  • Bei einem solchen Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum-Verdampfer zur Führungsgröße des Kältemittelprozesses und gibt das Niederdruckniveau und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Wenn der Kältemittelkreislauf einen Niederdruck-Kältemittelsammler, also einen niederdruckseitigen Akkumulator aufweist, regelt ein solcher Akkumulator den Dampfgehalt des Kältemittels am Austritt desjenigen Verdampfers, welcher die höchste Kühlleistung erzeugt und damit den größten Kältemittelmassenstrom liefert. Der durch diesen niederdruckseitigen Akkumulator aktiv eingestellte Dampfgehalt stellt sich hierbei im eingeschwungenen Zustand des Kältemittelkreislaufs sowohl am Austritt des Verdampfers mit der höchsten Kühlleistung als auch am Kältemittelaustritt des Akkumulators ein.
  • Bei einem solchen Dualbetrieb wird dem Innenraum-Verdampfer ein elektrisches oder mechanisch regelbares drittes Expansionsorgan nachgeschaltet, welches dafür sorgt, dass im Innenraum-Verdampferzweig keine Unterschreitung eines zur Vereisung führenden Niederdruckdrucks erfolgt. Mit diesem dritten Expansionsorgan wird im Innenraum-Verdampferzweig ein Mitteldruckniveau eingestellt, während im Chiller ein beliebiges Niederdruckniveau mittels des Verdichters in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chillers eingestellt wird. Mit dem ersten, dem Chiller zugeordneten Expansionsorgan wird der Überhitzungsgrad eingestellt, wobei die Kälteleistung des Chillers in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades beim jeweiligen Niederdruck variiert werden kann. Hierbei wird die maximale Kälteleistung des Chillers dann erzielt, wenn das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers nahe der Taulinie betrieben wird, indem mittels des Expansionsorgans der Überhitzungsgrad auf einen Wert zwischen 3 und 5 K eingeregelt wird. Tatsächlich wird die maximale Kälteleistung für einen bestimmten Niederdruck dann erzielt, wenn der Austrittszustand des Kältemittels am Chiller eher knapp unterhalb der Taulinie zu liegen kommt, jedoch ist aufgrund der Kopplung von Druck und Temperatur weder dieser Punkt noch die Taulinie an sich präzise einstellbar und daher wird der Systembetrieb auf die erwähnten geringen Überhitzungswerte ausgerichtet.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mehrverdampferbetriebes wird bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers kleineren Niederdruck des Chillers zur Erhöhung der Kühlleistung des Chillers
    • - der Kältemittelzustand am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an dessen Taulinie eingestellt, und
    • - der Innenraum-Verdampfer mittels des dritten Expansionsorgans auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben.
  • Vorzugsweise wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zur Reduzierung der Kühlleistung des Chillers durch Regelung des Kältemittelverdichters der Niederdruck des Chillers bis an den Niederdruck des Verdampfers angehoben. Damit wäre dieselbe Betriebssituation gegeben wie ohne des dritten Expansionsorgans.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers entsprechenden Niederdruck des Chillers eine maximale Kühlleistung am Chiller erzeugt, wenn der Zustand des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an dessen Taulinie eingestellt wird. Die maximale Leistung des Chillers wird also bei minimaler Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers erreicht, tendenziell sogar noch eher in Richtung des Zwei-Phasen-Gebiets des Kältemittels verschoben, jedch sind diese Punkte systemseitig nicht erfassbar und damit nicht stabil einstellbar
  • Vorzugsweise wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers entsprechenden Niederdruck des Chillers die Kühlleistung des Chillers durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer reduziert.
  • Wird ein System mit hochdruckseitigem Kältemittelsammler eingesetzt ist für den parallelen Betrieb der mindestens zwei Verdampfer (Innenraum-Verdampfer, Chiller) jeweils ein Druck-Temperatursensor den entsprechenden Verdampfern nachzuschalten, um auf diese Weise getrennt voneinander die jeweiligen Kältemittelzustände erfassen und aktiv beeinflussen zu können. Sollte es ausgeschlossen sein, dass die jeweiligen Verdampfer parallel betrieben werden, so kann auf einen der beiden Druck-Temperatursensoren verzichtet werden und ein verbleibender Druck-Temperatursensor stromabwärts im Bereich des Verbindungspunktes der beiden Verdampferzweige eingebracht werden.
  • Beim System mit niederdruckseitigem Kältemittelsammler sind neben dem Druck-Temperatursensor nach dem Kältemittelsammler zur Leckagedetektion jeweils ein weiterer Druck-Temperatursensor nach den mindestens zwei Verdampfern (Innenraum-Verdampfer, Chiller) vorgesehen, jedoch mindestens so viele Druck-Temperatur-Sensoren entsprechend der Anzahl der Verdampfer reduziert um eine Zähleinheit, damit werden in einem Zwei-Verdampfer-System mindestens ein weiterer Druck-Temperatursensor eingesetzt. Ist auch hier ausgeschlossen, dass die mindestens zwei Verdampfer parallel betrieben werden, so kann vorzugsweise allein auf den einen Druck-Temperatursensor stromabwärts des niederdruckseitigen Kältemittelsammlers zurückgegriffen werden. Folglich ist immer nur ein Verdampfer (Chiller oder Innenraum-Verdampfer) aktiv in Betrieb.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine Schaltungsanordnung eines Kältemittelkreislaufs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers,
    • 2 eine zur Schaltungsanordnung nach 1 alternative Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines hochdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers, und
    • 3 eine weitere zur Schaltungsanordnung nach 1 alternative Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet mit einem dritten Expansionsorgan.
  • Die 1 bis 3 zeigen der Einfachheit halber jeweils einen für den reinen AC-Betrieb (Kühlbetrieb) vorgesehenen Kältemittelkreislauf 10 einer Kälteanlage eines Fahrzeugs. Auf die funktionale Erweiterung hinsichtlich eines Wärmepumpenbetriebs wurde verzichtet, da der Grundgedanke zur Beschreibung des Verfahrens bereits mit dem einfachen Verschaltungskonzept vollumfänglich darstellbar ist. Diese Kältemittelkreisläufe 10 sind in einer identischen Grundstruktur aufgebaut und unterscheiden sich jeweils in der Anordnung eines Kältemittelsammlers als Niederdruck- oder Hochdruck-Kältem ittelsamm ler.
  • Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß den 1 bis 3 besteht aus folgenden Komponenten:
    • - einem Kältemittelverdichter 3,
    • - einem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, welcher mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 3 fluidverbunden ist,
    • - einem Chiller-Zweig 1.0 mit einem zur Kühlung einer elektrischen Komponente (bspw. eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Antriebskomponente usw.) des Fahrzeugs vorgesehenen Chiller 1, einem dem Chiller 1 vorgeschalteten und als elektrisches Expansionsventil ausgebildeten ersten Expansionsorgan AE1 und einem dem Chiller 1 nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor pT1, wobei der Chiller 1 mit einem Kühlmittelkreislauf 1.1 zur Kühlung der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt ist,
    • - einem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 mit einem Innenraum-Verdampfer 2 und einem demselben vorgeschalteten und mit einer Absperrfunktion ausgeführten zweiten Expansionsorgan AE2 wobei der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 dem Chiller-Zweig 1.0 parallel geschaltet ist,
    • - einem Kältemittelsammler 6.1 bzw. 6.2, der gemäß den 1 und 3 als Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 mit einem nachgeschalteten zweiten Druck-Temperatursensor pT2 dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 stromabwärts nachgeschaltet ist und der gemäß 2 als Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 stromabwärts nachgeschaltet ist,
    • - einem inneren Wärmeübertrager 5, dessen Hochdruckseite den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 mit dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 fluidverbindet, während dessen niederdruckseitiger Abschnitt gemäß den 1 und 3 zwischen dem Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 und dem Kältemittelverdichter 3 in den Kältemittelkreislauf 10 und gemäß 2 zwischen dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Kältemittelverdichter 3 eingebunden ist,
    • - einem dem Kondensator 4 oder Gaskühler 4 nachgeschalteten dritten Druck-Temperatursensor pT3,
    • - einem dem Kältemittelverdichter 3 nachgeschalteten vierten Druck-Temperatursensor pT4,
    • - einem gemäß den 2 und 3 dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschalteten fünften Druck-Temperatursensor pT5, und
    • - einem gemäß 2 der Parallelschaltung des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraumverdampfers 2.0 stromabwärts optional in Abhängigkeit der Betriebsstrategie nachgeschalteten sechsten Druck-Temperatursensor pT6.
  • Ist der Hochdruck-Kältesammler 6.2 in den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 integriert ist, so ist der dritte Druck-Temperatursensor pT3 stromabwärts des Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 vorzusehen. Da es sich bei solchen Anlagen jedoch in der Regel um Systeme handelt, die ausschließlich für den unterkritischen Anlagenbetrieb vorgesehen sind, kann der dritte Druck-Temperatursensor pT3 entfallen.
  • Schließlich ist für den Kältemittelkreis 10 gemäß den 1 bis 3 ein Klimasteuergerät als Steuereinheit vorgesehen (in den Figuren nicht dargestellt), welchem zu verarbeitende Eingangssignale, wie bspw. Istwerte von Druck-Temperatursensoren zugeführt werden, um hieraus Steuersignale bzw. Sollwerte als Ausgangssignale zur Steuerung der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 10 zu erzeugen.
  • Der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 weist gemäß den 1 und 2 ein Rückschlagventil 7 auf. An dieser Position ist der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 gemäß 3 mit einem dritten Expansionsorgan AE3 ausgebildet.
  • Zunächst wird der Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß den 1 bis 3 beschrieben, bei welchem nur der Chiller 1 zur ausschließlichen Komponentenkühlung (bspw. der Hochvoltbatterie) betrieben wird und hierzu der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 mittels des zweiten Expansionsorgans AE2 gesperrt wird.
  • In einem solchen Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 1 und 3 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 3 in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, anschließend in den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 und wird dann mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den Chiller-Zweig 1.0 entspannt. Aus dem Chiller-Zweig 1.0 strömt das Kältemittel über den Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 zurück zum Kältemittelverdichter 3. Hierbei wird die von dem Kühlmittelkreislauf 1.1 auf das Kältemittel übertragene Wärme mittels des Kondensators 4 oder des Gaskühlers 4 auf die Umgebungsluft des Fahrzeugs übertragen.
  • Der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 des Kältemittelkreislaufs 10 hat die Aufgabe, die gasförmige und die flüssige Phase des eintretenden Kältemittels voneinander zu trennen und das flüssige Kältemittel im Sinne eines Volumenpuffers zu speichern oder in Umlauf zu bringen, je nach systemseitig benötigter Kältemittelmenge. Das aus dem Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 in den nachgeschalteten niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 zum Kältemittelverdichter 3 abgesaugte Kältemittel soll einen möglichst hohen und definierten Dampfgehalt aufweisen. Praxisnahe Werte bewegen sich zwischen 80-95%. Werte darunter bedeuten zu nasses Kältemittel und damit Gefahr der Ölauswaschung am Kältemittelverdichter 3, Werte darüber können den Ölrücktransport zum Kältemittelverdichter 3 beeinträchtigen.
  • Ferner soll mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 das von dem Kältemittelverdichter 3 in den Kältemittelkreislauf 10 eingebrachte und u.a. im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 eingelagertes Schmieröl wieder zum Kältemittelverdichter 3 zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck ist bspw. im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 ein U-förmiges (Austritts-) Rohr integriert, welches am tiefsten Punkt eine Ölbohrung (auch Schnüffelbohrung genannt) aufweist. Ein offenes Ende des U-Rohres reicht in den über dem flüssigen Kältemittel liegenden Dampfraum des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1, das andere (Eintritts-) Rohr führt stromaufwärts in die Saugleitung zum Chiller 1. Bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit im U-Rohr erfolgt durch die Sogwirkung ein Aufsaugen von Öl bzw. Öl-Kältemittelflüssigkeitsgemisch aus dem unteren Bereich des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1. In Abhängigkeit der Größe der Innenbohrung stellt sich ein Dampfgehalt von bspw. 90% am Ausgang des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein. Ist die Ölbohrung zu klein, steigt der Dampfgehalt, verbleibt verstärkt Öl und sammelt sich Öl im unteren Bereich des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 an, während bei einer zu großen Ölbohrung der Dampfgehalt sinkt und ausgeworfenen Flüssigkeitsanteile ansteigen.
  • Ein solcher Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 regelt bei einer Inbetriebnahme des Kältemittelkreislaufs 10 oder bei einem Lastwechsel von einem Dual-Betrieb der Verdampfer (also Chiller 1 und Innenraum-Verdampfer 2) auf den Single-Chiller-Betrieb den Dampfgehalt am Kältemittelaustritt des Chillers 1 auf einen konstanten Wert. Der durch den Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 eingestellte Dampfgehalt stellt sich hierbei im eingeschwungenen Zustand des Kältemittelkreislaufs 10 sowohl am Austritt des Chillers 1 als auch am Kältemittelaustritt des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein. Damit wird der Kältemittelzustand am Kältemittelaustritt des Chillers 1 aufgrund der erläuterten Eigenschaft des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 auf der Kurve des konstanten Dampfgehalts (bspw. 90%), nahe der Taulinie betrieben. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Wert der Überhitzung bei regulärem Systembetrieb Null ist. Mittels des ersten Expansionsorgans AE1 erfolgt daher entweder eine Unterkühlungsregelung mittels des dritten Druck-Temperatursensors pT3 oder eine Regelung auf einen optimalen Hochdruck, in Abhängigkeit von einem unter- bzw. überkritischen Systembetrieb.
  • Die Unterkühlungsregelung erfolgt derart, dass über den dritten Druck-Temperatursensor pT3 Druck und Temperatur am Austritt des Kondensators 4 oder Gaskühler 4 erfasst und aus den Werten der Betrag der Unterkühlung ermittelt wird. Bewegt sich der Istwert oberhalb des Sollwertes, so öffnet das erste Expansionsorgan AE1 bis der Sollwert erreicht wurde. Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, so wird das erste Expansionsorgan AE1 geschlossen, bis der Sollwert sich einstellt.
  • Die Regelung auf einen optimalen Hochdruck bedeutet, dass über den dritten Druck-Temperatursensor pT3 Druck und Temperatur am Austritt des Kondensators 4 oder Gaskühler 4 erfasst und aus den Werten der Betrag des Sollhochdruckes ermittelt wird. Bewegt sich der Istwert oberhalb des Sollwertes, so öffnet das erste Expansionsorgan AE1 bis der Sollwert erreicht wird. Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, so wird erste Expansionsorgan AE1 geschlossen, bis der Sollwert sich einstellt. (!).
  • Wird in dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 die Funktion einer Unterfüllungserkennung mittels des zweiten Druck-Temperatursensors pT2 realisiert, ist im Single-Chiller-Modus der erste Druck-Temperatursensor pT1 nicht erforderlich, da wie oben ausgeführt am Ausgang des Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 und am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahezu gleiche Druck-Temperaturverhältnisse vorliegen. Wird darüber hinaus der Betrieb des Chillers 1 immer strikt vom Betrieb eines weiteren Verdampfers, also des Innenraum-Verdampfers 2 getrennt, so kann durchgängig für einen Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 auf den ersten Druck-Temperatursensor pT1 verzichtet werden. Der Einsatz dieses ersten Druck-Temperatursensors pT1 ist zwingend erforderlich, falls ein paralleler Betrieb von mindestens zwei Verdampfern, also des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 vorgesehen ist. Die Mindestanzahl der erforderlichen Druck-Temperatursensoren stromabwärts der eingesetzten Verdampfer entspricht der Anzahl der Verdampfer reduziert um den Zählwert 1.
  • Im Single-Chiller-Modus stellen sich, insbesondere auch in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur des Kühlmittels in den Chiller 1, bei einer Regelung auf Unterkühlung oder auf einen optimalen Hochdruck deutlich höhere Niederdrücke im Kältemittelkreislauf 10 im Vergleich zu einem Mehrverdampferbetrieb mittels des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 ein. Speziell bei hohen Vorlauftemperaturen im Kühlwasser des Kühlmittelkreislaufs 1.1 des Chillers 1 werden hohe Werte im Niederdruck erzielt, die mit fallender Vorlauftemperatur oder mit Zunahme des Abkühlwunsches (Differenztemperatur Wasservorlauf zu Rücklauf) sinken. Insbesondere bei zunehmender Vorlauftemperatur des Kühlmittels am Chiller 1 steigt der Niederdruck im Kältemittelkreislauf 10 an.
  • Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs 10, d. h. es liegt eine Kältemittelunterfüllung vor. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nicht mehr im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels und damit nahe der Taulinie betrieben werden, wenn der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 leer, also kein Kältemittel mehr nachliefern kann und dessen Reservoir ausgeschöpft ist. Der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 leert sich, es kommt zu einer zunehmenden Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1,und damit auch am Austritt des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1.
  • Mit der ansteigenden Dichte des Kältemittels und damit des Massenstroms, kann auch eine Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter 3 auftreten.
  • Sobald eine solche Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 und/oder eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 mittels des ersten Druck-Temperatursensors pT1 (oder gegebenenfalls mittels des zweiten Druck-Temperatursensors pT2) detektiert wird, erfolgt durch einen Regeleingriff an dem als elektrischer Verdichter ausgeführten Kältemittelverdichter 3 eine Absenkung des Niederdrucks, indem die Drehzahl des Kältemittelverdichters 3 und damit die Kühlleistung angepasst wird. Die Absenkung des Niederdrucks erfolgt in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung und des Lastfalles am Chiller 1, d.h. der Niederdruck im System wird so lange reduziert, bis die Überhitzungs- bzw. Drehmomentproblematik nicht mehr detektiert werden. Mit dieser Limitierung des maximal zulässigen Niederdrucks nach oben wird der Freiheitsgrad des Niederdrucks, nämlich in beliebiger Weise anzusteigen, eingeschränkt.
  • Die Detektion der Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 erfolgt durch eine Eigendiagnose, wenn der Kältemittelverdichter 3 als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt ist. Hierzu wird von einem solchen elektrischen Kältemittelverdichter ein entsprechendes Diagnosesignal zur Verfügung gestellt, welches von einer Steuereinheit, bspw. einem Klimasteuergerät ausgewertet wird.
  • Eine weitere negative Eigenschaft, die in Verbindung mit einer zunehmenden Überhitzung auftreten kann, äußert sich in der Verschlechterung des Ölrücktransports zum Kältemittelverdichter 3, da sich das Öl nun verstärkt im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 einlagern wird und aufgrund der fehlenden flüssigen Kältemittelphase, mit der das Öl eine Mischung eingeht, das Transportmedium hin zum Kältemittelverdichter 3 nicht mehr zur Verfügung steht
  • Alternativ wird der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters 3 auf einen maximalen Niederdruckwert beschränkt, so dass ein weiterer Anstieg des Niederdrucks am Kältemittelausgang des Chillers 1 verhindert wird. Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen und der Kühlleistung des Chillers 1 festgelegt, d. h. die Verdampfungstemperatur sollte bei einem Anlauf des Kältemittelkreislaufs 10 ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden oder sich anfangs an dieser orientieren und mit Dauer des Betriebs wieder unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor pT1 der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden.
  • Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Chiller 1 reduziert. Um die vor der Reduzierung des Niederdrucks erzeugte Kälteleistung des Chillers 1 wiederherzustellen, wird durch ein Zusammenwirken von Kältemittelverdichter 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 diese Kälteleistung wieder eingestellt, indem durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Verfahren des ersten Expansionsorgans AE1, d. h. in der Regel durch weiteres Androsseln auf die neuen Randbedingungen reagiert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von Unterkühlungsregelung oder Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann. und muss, da ansonsten ein Kälteleistungsüberschuss nicht vermieden werden kann. Die vor der Absenkung des Niederdrucks durchgeführte effiziente Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 mittels der Unterkühlungsregelung oder der Regelung auf den optimalen Hochdruck wird daher ausgesetzt, bis insbesondere aufgrund geänderter, speziell jedoch gesunkener Kühlmittelvorlauftemperaturen am Chiller 1 sich neue Niederdrucklagen einstellen und dadurch die Rückkehr zum effizienten Systembetrieb ermöglicht wird, d.h. der Kältemittelverdichter 3 sorgt für den Hub bzw. den Betrag der Kühlmittelabkühlung, das erste Expansionsorgan AE1 stellt die Unterkühlung bzw. den optimalen Hochdruck ein..
  • In einem Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß 2 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 3 in den äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, anschließend in den Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 und danach in den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 5, um dann mittels des ersten Expansionsorgans AE1 in den Chiller-Zweig 1.0 entspannt zu werden. Aus dem Chiller-Zweig 1.0 strömt das Kältemittel über den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 zurück zum Kältemittelverdichter 3. Hierbei wird die von dem Kühlmittelkreislauf 1.1 auf das Kältemittel übertragene Wärme gemeinsam mit der verdichterseitig eingebrachten Energie mittels des Kondensators 4 oder des Gaskühlers 4 auf die Umgebungsluft des Fahrzeugs übertragen.
  • Der Kondensator 4 kann auch mit integriertem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 ausgeführt sein, in der Regel folgt dem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 stromabwärts noch ein aus wenigen Flachrohren bestehender in den Umgebungswärmeübertrager integrierter Unterkühlungsabschnitt, an dessen Ausgang stromabwärts der hochdruckseitige Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 anschließt.
  • In diesem Single-Chiller-Modus wird die Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1 bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 2 ebenso nahe an der Taulinie des Kältemittels betrieben, indem die Überhitzung auf einen Wert zwischen 3 und 5 K mittels des ersten Expansionsorgans AE1 geregelt wird, wobei der Überhitzungsgrad mittels des ersten Druck-Temperatursensors pT1 detektiert wird. Bei einer maximalen Kälteleistungsanforderung für den Chiller 1 wird das als elektrisches Expansionsventil ausgeführte erste Expansionsorgan AE1 auf einen minimalen, jedoch noch sicheren detektierbaren Überhitzungswert eingestellt.
  • Im Single-Chiller-Modus stellen sich bei einer solchen Regelung deutlich höhere Niederdrücke im Kältemittelkreislauf 10 im Vergleich zu einem Mehrverdampferbetrieb mittels des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 ein. Insbesondere bei zunehmender Kühlmittelvorlauftemperatur am Eintritt des Chillers 1 steigt der Niederdruck im Kältemittelkreislauf 10 an.
  • Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, d.h. es liegt eine Kältemittelunterfüllung vor. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nicht mehr nahe der Taulinie betrieben werden, da wegen der Kältemittelunterfüllung eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 auftritt.
  • Mit der ansteigenden Dichte des Kältemittels kann auch eine Drehmoment-überlast am Kältemittelverdichter 3 auftreten.
  • Sobald eine solche Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 und/oder eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 mittels des ersten Druck-Temperatursensors pT1 detektiert wird, erfolgt durch einen Regeleingriff an dem als elektrischer Verdichter ausgeführten Kältemittelverdichter 3 eine Absenkung des Niederdrucks, indem die Drehzahl des Kältemittelverdichters 3 und damit die Kühlleistung reduziert wird. Die Absenkung des Niederdrucks erfolgt in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung und des Lastfalles am Chiller 1, d.h. der Niederdruck im System wird so lange reduziert, bis die Überhitzungserscheinung und/oder die Drehmomentüberlast nicht mehr detektiert werden. Mit der Limitierung des maximal zulässigen Niederdrucks nach oben wird der Freiheitsgrad des Niederdrucks, in beliebiger Weise anzusteigen, eingeschränkt.
  • Am Austritt des Innenraum-Verdampfers 2 ist der Druck-Temperatursensor pT5 dafür verantwortlich die Überhitzungsregelung des Kältemittels am Austritt des Innenraum-Verdampfers 2 zu überwachen.
  • Die Detektion der Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 erfolgt durch eine Eigendiagnose, wenn der Kältemittelverdichter 3 als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt ist. Hierzu wird von einem solchen elektrischen Kältemittelverdichter ein entsprechendes Diagnosesignal zur Verfügung gestellt, welches von einer Steuereinheit, bspw. einem Klimasteuergerät ausgewertet wird.
  • Alternativ wird der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters 3 auf einen maximalen Niederdruckwert beschränkt, so dass ein weiterer Anstieg des Niederdrucks am Kältemittelausgang des Chillers 1 verhindert wird. Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen und der Kühlleistung des Chillers 1 festgelegt, d. h. die Verdampfungstemperatur sollte bei einem Anlauf des Kältemittelkreislaufs 10 ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden oder sich anfangs an dieser orientieren und mit Dauer des Betriebs wieder unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor pT1 der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden.
  • Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Chiller 1 reduziert. Um die vor der Reduzierung des Niederdrucks erzeugte Kälteleistung des Chillers 1 wiederherzustellen, wird durch ein Zusammenwirken von Kältemittelverdichter 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 diese Kälteleistung wieder eingestellt, indem durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Verfahren des ersten Expansionsorgans AE1, d. h. in der Regel durch weiteres Androsseln auf die neuen Randbedingungen reagiert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von Unterkühlungsregelung bzw. Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann und muss, da ansonsten ein Kälteleistungsüberschuss nicht vermieden werden kann. Die vor der Absenkung des Niederdrucks durchgeführte effiziente Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 mittels der Unterkühlungsregelung oder der Regelung auf den optimalen Hochdruck wird daher ausgesetzt, bis insbesondere aufgrund geänderter, speziell jedoch gesunkener Kühlmittelvorlauftemperaturen am Chiller 1 sich neue Niederdrucklagen einstellen und dadurch die Rückkehr zum effizienten Systembetrieb ermöglicht wird, d.h. der Kältemittelverdichter 3 sorgt für den Hub oder den Betrag der Kühlmittelabkühlung, das erste Expansionsorgan AE1 stellt die Unterkühlung oder den optimalen Hochdruck ein.
  • Es sei ergänzt, dass für den Fall des stets getrennten Betriebs von Chiller 1 und Innenraum-Verdampfer 2, d.h. beide Wärmeübertrager werden nie gleichzeitig betrieben, die beiden Druck-Temperatursensoren pT1 und pT5 entfallen und durch einen Druck-Temperatursensor pT6 stromabwärts des Knotenpunkts des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraum-Verdampferzweiges 2.0 ersetzt werden können.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Absenkung des Niederdrucks bei einer Detektion einer Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter 3 und/oder einer zunehmender Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 liegt nicht nur in einer Vermeidung des Abschaltens des Kältemittelverdichters 3 bei einer Drehmomentüberlast sondern auch in einer Sicherstellung des Öltransportes und einer ausreichenden Schmierung des Kältemittelverdichters 3 und damit auch einer erhöhten Bauteillebensdauer des Kältemittelverdichters 3.
  • Schließlich wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 im Bereich einer kritischen Füllmenge im Sinne einer potentiellen Kältemittelunterfüllung vermieden.
  • Das in den 1 und 2 dem Innenraum-Verdampfer 2 nachgeschaltete Rückschlagventil 7verhindert im Single-Chiller-Modus eine Verlagerung von Kältemittel in den Innenraum-Verdampfer 2. Bei dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 3 übernimmt diese Funktion das dritte Expansionsorgan AE2. Im Folgenden wird ein Mehrverdampferbetrieb, also ein paralleler Betrieb des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 der Kältemittelkreisläufe 10 gemäß den 1 bis 3 beschrieben.
  • Bei einem solchen Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum-Verdampfer 2 zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niveau des Niederdrucks und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 bedeutet dies, dass mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein bestimmter konstanter Dampfgehalt am Ausgang des Niederdruck-Kältemittel-sammlers 6.1 und damit auch am Kältemittelaustritt des Innenraum-Verdampfers 2 eingestellt wird. Mittels des ersten Expansionsorgans AE1 wird stets eine vom Leistungsbedarf abhängige Überhitzung oder eine Mindestüberhitzung für maximale Leistung am Kältemittelausgang des Chillers 1 zur Einstellung eines bestimmten den Chiller 1 durchströmenden Kältemittelmassenstrom eingestellt, um damit eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 zu erzielen.
  • Auch bei dem Kältemittelkreislauf 10 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 wird über das erste Expansionsorgan AE1 des Chillers 1 eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur eingeregelt, die über den den Chiller 1 durchströmenden Kältemittelmassenstrom eingestellt wird.
  • Alternativ kann der Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 auch mit einem dritten Expansionsorgan AE3 betrieben werden, wie dies die 3 zeigt. Dieses dritte Expansionsorgan AE3 gehört zum Innenraum-Verdampferzweig 2.0 und ist dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschaltet. Der Kältemittelzustand innerhalb des Innenraum-Verdampferzweiges 2.0 kann über einen stromabwärts des Innenraum-Verdampfers 2 vorgesehenen Druck-Temperatursensor pT5 detektiert werden, alternativ kann auch ein dem Innenraum-Verdampfer 2 luftaustrittsseitig nachgeschaltete Lufttemperaturfühler TLuft_ hierfür herangezogen werden.
  • Dieses als elektrisch oder mechanisch regelbares Expansionsventil ausgeführte dritte Expansionsorgan AE3 sorgt dafür, dass im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 keine Unterschreitung eines zur Vereisung führenden Niederdrucks erfolgt.
  • Damit kann im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 ein Mitteldruckniveau eingestellt werden, während am Chiller 1 ein beliebiges Niederdruckniveau unterhalb des Niederdruckniveaus im Verdampferzweig 2.0 mittels des Kältemittelverdichters 3 in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chillers 1 eingestellt wird. Hierzu wird mittels des ersten Expansionsorgans AE1 die Überhitzung am Kältemittelaustritt des Chillers 1 eingestellt, wodurch die Kälteleistung am Chiller 1 in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades am Kältemittelaustritt des Chillers 1 beim jeweiligen herrschenden Niederdruck variierbar wird. Hierbei wird die maximale Kälteleistung des Chillers 1 erzielt, wenn an dessen Kältemittelaustritt das Kältemittel nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt wird.
  • Bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 kleineren Niederdruck des Chillers 1 wird zur Erhöhung der Kühlleistung des Chillers 1 das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, d. h. mit einer geringen Überhitzung betrieben und der Innenraum-Verdampfer 2 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben. Zur Reduzierung der Kühlleistung des Chillers 1 wird durch Regelung des Kältemittelverdichters 3 der Niederdruck des Chillers 1 bis an den Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 angehoben. Durch weiteres Androsseln des ersten Expansionsorgans AE1 kann zusätzlich die Kälteleistung am Chiller 1 reduziert werden.
  • Bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 entsprechenden Niederdruck des Chillers 1 wird eine maximale Kühlleistung am Chiller 1 erzeugt, wenn das Kältemittel im Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, also mit minimaler Überhitzung betrieben wird. Die Kühlleistung des Chillers 1 wird durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans AE1 bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer 2 reduziert.
  • Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß den 1 bis 3 kann mindestens ein weiterer Innenraum-Verdampfer, bspw. als Heckverdampfer zum Einsatz kommen, welcher mittels eines separaten, elektrisch oder mechanisch regelbaren Expansionsventils auf einem Mitteldruckniveau gehalten wird. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dieses weitere Expansionsorgan bereits stromaufwärts an das zweite Expansionsorgan AE2 des Innenraum-Verdampfers 2 anzubinden.
  • Bei dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß den 1 bis 3 kann anstelle des als elektrisches Expansionsventil ausgebildeten ersten Expansionsorgans AE1 im Single-Chiller-Modus dieses auch als abschaltbares thermisches Expansionsorgan oder als abschaltbares Orifice Tube mit definierten Öffnungsquerschnitt ausgeführt werden. Die genaue Einstellung der Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 des Chillers 1 muss daher mittels eines Taktbetriebes des Expansionsorgans um den Sollwert der Kühlmittel-Ausdruckstemperatur am Chiller eingestellt werden.
  • Im Zusammenhang mit dem Hochdruck Kältemittelsammler 6.2 sei vermerkt, dass die Sammlerflasche auch in den Kondensator 4 integriert werden kann, bevor stromabwärts die in den Kondensator 4 integrierte Subcoolstrecke durchströmt wird. In dieser Konstellation, die in dieser Aufbauweise nicht einsetzbar ist für die Ausführung als Luftwärmepumpe, kann der dritte Druck-Temperatursensorsensor pT3 entfallen, da mittels des Kondensators 4, in welchem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 und Subcoolstrecke integriert sind bereits selbständig eine Unterkühlung des Kältemittels eingestellt wird.
  • Ferner können die beschriebenen Verfahren auch bei einem Kältemittelkreislauf 10 mit Wärmepumpenfunktion realisiert werden.
  • Schließlich können die beschriebenen Verfahren für alle bekannten Kältemittel, wie R744, R134a, R1234yf usw. eingesetzt werden, wobei speziell für R744-System ausschließlich der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 Berücksichtigung findet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Chiller des Kältemittelkreislaufs 10
    1.0
    Chiller-Zweig
    1.1
    Kühlmittelkreislauf des Chillers 1
    2
    Innenraum-Verdampfer
    2.0
    Innenraum-Verdampferzweig
    3
    Kältemittelverdichter
    4
    Kondensator oder Gaskühler
    5
    innerer Wärmeübertrager
    6.1
    Niederdruck-Kältemittelsammler
    6.2
    Hochdruck-Kältemittelsammler
    7
    Rückschlagventil
    10
    Kältem ittelkreislauf
    AE1
    erstes Expansionsorgan
    AE2
    zweites Expansionsorgan
    AE3
    drittes Expansionsorgan
    pT1
    Druck-Temperatursensor
    pT2
    Druck-Temperatursensor
    pT3
    Druck-Temperatursensor
    pT4
    Druck-Temperatursensor
    pT5
    Druck-Temperatursensor
    pT6
    Druck-Temperatursensor
    TLuft
    Lufttemperaturfühler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit - einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1), ein erstes Expansionsorgan (AE1) und einen stromabwärts des Chillers (1) nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor (pT1) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1) thermisch gekoppelt ist, - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist, - einem Kältemittelverdichter (3), und - einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei - in einem Single-Chiller-Modus der Betriebspunkt des Kältemittelkreislaufs (10) am Kältemittelaustritt des Chillers (1) nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt wird, - der Niederdruck und die zugehörige Temperatur des Kältemittels mittels des ersten Druck-Temperatursensors (pT1) des Chillers (1) detektiert wird, und - der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters (3) auf einen von Umgebungsbedingungen und der benötigten Kühlleistung des Chillers (1) abhängigen maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Reduzierung der Kühlleistung an dem Chiller (1) abgesenkt wird, wenn eine Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter (3) oder eine vorgegebene Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) detektiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem im Anschluss der Absenkung des Niederdrucks die Kühlleistung am Chiller (1) mittels einer Regelung des ersten Expansionsorgans (AE1) zusammen mit dem Kältemittelverdichter (3) wieder auf die Sollkühlleistung angepasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem - der Kältemittelkreislauf (10) mit einem Niederdruck-Kältemittelsammler (6.1) ausgebildet wird, mit welchem definierte Kältemitteldampfgehalte einstellbar sind, und - das Kältemittel zur Einstellung auf dessen Taulinie oder nahe der Taulinie im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers (6.1) auf einen Überhitzungsgrad von 0 K eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem - der Kältemittelkreislauf (10) mit einem Hochdruck-Kältemittelsammler (6.2) ausgebildet wird, und - das Kältemittel zur Einstellung auf oder nahe dessen Taulinie mittels des ersten erstes Expansionsorgans (AE1) auf einen Überhitzungsgrad mit einem Wert zwischen 3 und 5 K geregelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in einem Chiller- und Verdampferbetrieb dem Innenraum-Verdampfer (2) ein drittes Expansionsorgan (AE3) stromabwärts nachgeschaltet wird, wobei - der Innenraum-Verdampfer (2) auf einem Mitteldruckniveau-Niveau betrieben wird, und - der Chiller (1) in Abhängigkeit der angeforderten Kühlleistung durch Regelung des Kältemittelverdichters (3) und des ersten Expansionsorgans (AE1) auf einem Niederdruck-Niveau betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers (2) kleineren Niederdruck des Chillers (1) zur Erhöhung der Kühlleistung des Chillers (1) - der Kältemittelzustand am Kältemittelaustritt des Chillers (1) nahe an dessen Taulinie eingestellt wird, und - der Innenraum-Verdampfer (2) mittels des dritten Expansionsorgans (AE3) auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem zur Reduzierung der Kühlleistung des Chillers (1) durch Regelung des Kältemittelverdichters (3) der Niederdruck des Chillers (1) bis an den Niederdruck des Innenraum-Verdampfers (2) angehoben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers (2) entsprechenden Niederdruck des Chillers (1) eine maximale Kühlleistung am Chiller (1) erzeugt wird, wenn der Zustand des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) nahe an dessen Taulinie eingestellt wird.
  9. Verfahren einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welchem bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers (2) entsprechenden Niederdruck des Chillers (1) die Kühlleistung des Chillers (1) durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans (AE1) bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer (2) reduziert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei welchem bei einem ausschließlichen Betrieb des Innenraum-Verdampfers (2) oder des Chillers (1) auf einem identischen Niederdruckniveau nur ein Druck-Temperatursensor (pT6) stromabwärtsseitig des Chiller-Zweiges (1.0) und des Innenraum-Verdampferzweiges (2.0) angeordnet wird.
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