DE102019125072A1 - Ultraschallsensoranordnung, Kältekreislauf und Fahrzeug - Google Patents

Ultraschallsensoranordnung, Kältekreislauf und Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird ein eine Ultraschallsensoranordnung 1 zur Analyse von Flüssigkeiten angegeben, die einen an einem Senderhalteelement 2 angeordneten Ultraschallsender 3 und einen an einem Empfängerhalteelement 4 angeordneten Ultraschallempfänger 5 aufweist, wobei der Ultraschallsender 3 und der Ultraschallempfänger 5 in einem unveränderlichen Abstand 6 zueinander angeordnet sind. Das Senderhalteelement 2 und/oder das Empfängerhalteelement 4 sind mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet.Außerdem werden ein Kältekreislauf 12 und ein Fahrzeug 13 angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung zur Analyse von Flüssigkeiten, aufweisend einen an einem Senderhalteelement angeordneten Ultraschallsender und einen an einem Empfängerhalteelement angeordneten Ultraschallempfänger, wobei der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kältekreislauf, aufweisend einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer sowie ein Fahrzeug.
  • Zur Analyse einer Flüssigkeit, z. B. eines Kältemittels in einem Kältekreislauf, kann ein Ultraschallsensor genutzt werden ( EP 3 376 139 A1 ). Der Ultraschallsensor weist einen Ultraschallsender und einen korrespondierenden Ultraschallempfänger auf, die in einem bestimmten unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind.
  • Der Ultraschallsender sendet Ultraschallwellen aus, die vom Ultraschallempfänger empfangen werden. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger senden Sende- bzw. Empfangssignale an eine Verarbeitungseinheit, der aus diesen Signalen die Schallgeschwindigkeit berechnet.
  • Gemessene Werte für Druck und Temperatur der zu analysierenden Flüssigkeit werden in die Berechnung der Schallgeschwindigkeit mit einbezogen. Die berechnete Schallgeschwindigkeit kann mit tabellierten Werten verglichen werden, woraus sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit ziehen lassen. Beispielsweise kann ermittelt werden, wieviel Öl sich im Kältemittel befindet (engl. Oil-incirculation, OIC) oder ob das Kältemittel mit anderen Substanzen verunreinigt ist. Die Auswertung der Messergebnisse wird beispielsweise erläutert in MEYER, J. J.; JABARDO, J. M. S. An Ultrasonic Device for Measuring the Oil Concentration in Flowing Liquid Refrigerant, ACRC TR-24, September 1992, Seite 1 bis 10.
  • Üblicherweise sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger jeweils an Ende eines Stabes angeordnet, wobei die Stäbe in Form einer Gabel miteinander verbunden sind. Sowohl der Ultraschallsender als auch der Ultraschallempfänger sind in die zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht. Nach dem der Ultraschallsender die Ultraschallwelle emittiert hat, bewegt sich die Ultraschallwelle einerseits durch die Flüssigkeit und andererseits durch die miteinander verbundenen Stäbe. Da die Entfernung zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger durch die Flüssigkeit geringer ist als über die Stäbe, erreicht die Ultraschallwelle den Ultraschallempfänger durch die Flüssigkeit schneller als über die Stäbe.
  • Dieses bekannte Sensordesign hat den Nachteil, dass der Sensor viel Bauraum beansprucht. Verfügbare Sensoren weisen beispielsweise eine Länge von ca. 65 mm und einen Durchmesser von ca. 20 mm auf. Zusammen mit dem notwendigen Gehäuse zur Unterbringung des Sensors und unter Berücksichtigung der herrschenden hohen Drücke im Kältekreislauf ergibt sich eine Gesamteinbaulänge von ca. 150 mm bei einem Durchmesser von ca. 40 mm. Diese großen Abmessungen, das damit verbundene Gewicht sowie die Kosten führen dazu, dass Kältekreisläufe von Fahrzeugen lediglich für Testzwecke mit einem solchen Sensor bestückt werden. Eine kontinuierliche Analyse des Kältemittels und Überwachung des Kältekreislaufs ist hingegen nicht oder nur stark eingeschränkt möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten bereitzustellen, mit denen die vorgenannten Nachteile zumindest verringert werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung zur Analyse von Flüssigkeiten, die einen an einem Senderhalteelement angeordneten Ultraschallsender und einen an einem Empfängerhalteelement angeordneten Ultraschallempfänger aufweist, wobei der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind.
  • Bevorzugt sind der Ultraschallsender und er Ultraschallempfänger an einem Ende des Senderhalteelements bzw. Empfängerhalteelements angeordnet. Die Halteelemente dienen der Positionierung des Ultraschallsenders bzw. Ultraschallempfängers innerhalb der Ultraschallsensoranordnung. Gleichzeitig können sie zur signaltechnischen Verbindung des Ultraschallsenders bzw. -empfängers genutzt werden. Die Halteelemente können am dem Ultraschallsender bzw. -empfänger gegenüberliegenden Ende Verbindungseinrichtungen aufweisen, mit denen eine Fixierung an einem Gehäuse ermöglicht wird und/oder um eine Verarbeitungseinheit mit dem Ultraschallsender bzw. -empfänger zu verbinden.
  • Die Ultraschallsensoranordnung kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die Einrichtungen der Anordnung, also z. B. der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger samt Halteelementen, angeordnet sind. Über Öffnungen im Gehäuse kann die zu analysierende Flüssigkeit in die Ultraschallsensoranordnung ein- und ausströmen, wobei sich entsprechend der konkreten Einbausituation eine Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit ergibt. Wie üblich sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger derart angeordnet, dass die Entfernung zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger durch die Flüssigkeit geringer ist als über die Halteelemente.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Senderhalteelement, das Empfängerhalteelement oder sowohl das Senderhalteelement als auch das Empfängerhalteelement mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind.
  • Die Halteelemente können beispielsweise in Form eines längserstreckten Drahtes, z. B. aus rostfreiem Stahl, ausgebildet sein.
  • Mäanderförmige Ausbildung bedeutet, dass das Halteelement mehrere Biegungen aufweist, so dass sich Schleifen, eine gefaltete Struktur oder Ähnliches ergeben. Spiralförmige Ausbildung bedeutet, dass das Halteelement Windungen, bevorzugt mindestens zwei Windungen, aufweist.
  • Sowohl die mäanderförmige als auch die spiralförmige Ausbildung bewirken, dass der geradlinige Abstand zwischen dem einen Ende des Halteelements, an dem der Ultraschallsender bzw. -empfänger angeordnet ist, und dem anderen Ende des Halteelements, dass der Verbindung mit einer Verarbeitungseinheit dienen kann, deutlich kürzer ist als die Länge des Halteelements entlang der mäanderförmigen bzw. spiralförmigen Struktur. Folglich ist die für die Ultraschallwelle durch das Halteelement zurückzulegende Wegstrecke deutlich länger als bei einer herkömmlichen geradlinigen Ausbildung des Halteelements, so dass entsprechend mehr Zeit für das Zurücklegen der Wegstrecke durch das Halteelement benötigt wird.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung des oder der Halteelemente ermöglicht vorteilhaft eine Miniaturisierung der Ultraschallsensoranordnung, da durch die mäander- bzw. spiralförmige Ausbildung der geradlinige Abstand verringert werden kann, ohne dass sich die Zeitdauer für das Zurücklegen der Wegstrecke durch das Halteelement verkürzt. Materialbedarf und Baukosten können im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallsensoranordnungen verringert werden.
  • Die Ultraschallsensoranordnung kann zur Analyse von Flüssigkeiten, z. B. eines Kältemittels eines Kältekreislaufs, beispielsweise einer Klimaanlage eines Fahrzeugs, verwendet werden. Beispielsweise kann der Ölgehalt des Kältemittels (OIC) oder der Gehalt anderer Substanzen ermittelt werden. Abweichungen des Ölgehalts von einem vorgegebenen Wert können auf eine Fehlfunktion des Kältekreislaufs hinweisen. Beispielsweise kann bei einer Standardabweichung des Ölgehalts von mehr als 10 % des Mittelwerts innerhalb eines Zeitraums von z. B. einigen Millisekunden bis zu mehreren Minuten bei weitestgehend konstanten äußeren Bedingungen von einer Fehlfunktion ausgegangen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Unterkühlungsstatus des Kältemittels zu ermitteln. Bei fehlender Unterkühlung bilden sich Gasblasen, die zu einer geänderten Schallgeschwindigkeit führen und entsprechend detektiert werden können. Unterkühlung ist die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels zur Verdampfungstemperatur bei dem aktuellen Druck.
  • Wird beispielsweise eine Standardabweichung des OIC-Gehalts von mehr als 10 % festgestellt und wird keine Unterkühlung des Kältemittels bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 20 °C bei konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeugs festgestellt, so kann dies auf einen Mangel an Kältemittel hindeuten.
  • Bei ausreichender Unterkühlung unter stabilen Betriebsbedingungen kann eine Standardabweichung von mehr als 10 % hingegen auf eine Verunreinigung des Kältemittels hindeuten. Verändert sich der Ölgehalt langsam über einen gewissen Zeitraum, kann dies ein Indiz für Wasser im Kältekreislauf sein. Ändert sich der Ölgehalt schlagartig, kann dies ein Indiz für Probleme des Verdichters oder andere Verunreinigungen sein.
  • Durch die Möglichkeit der Miniaturisierung kann die Ultraschallsensoranordnung nicht nur für Testzwecke, z. B. Prüfstandsuntersuchungen genutzt werden, sondern auch für eine online-Analytik, d. h. eine fortlaufende oder periodische Überwachung, von Kältekreisläufen. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung zum Verbleib in jedes Fahrzeug eingebaut werden. Die erhältlichen Messwerte, z. B. der Ölgehalt des Kältemittels, können zur Regelung des Kältekreislaufs, z. B. des Verdichters, des Expansionsventils etc., genutzt werden, so dass eine höhere Leistung erreicht und die Betriebssicherheit erhöht sowie Schäden verringert werden können.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Ultraschallsensoranordnung Stabilisierungselemente aufweisen, die zur Fixierung der Haltelemente ausgebildet sind.
  • Mittels der Stabilisierungselemente können beispielsweise Vibrationen der Halteelemente verringert oder verhindert werden, so dass einer Beeinflussung der Messwerte entgegengewirkt werden kann und zuverlässigere Messergebnisse erlangt werden können. Die Stabilisierungselemente können bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Durchfluss und die Strömung der zu analysierenden Flüssigkeit durch die Ultraschallsensoranordnung möglichst wenig beeinflusst wird. Strömungsturbulenzen sollten weitgehend vermieden werden.
  • Beispielsweise kann ein ringförmiges Stabilisierungselement, dass mittig in der Ultraschallsensoranordnung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der zu analysierenden Flüssigkeit angeordnet ist, sternförmig mit weiteren Stabilisierungselementen mit dem Gehäuse der Ultraschallsensoranordnung verbunden sein.
  • Das Material der Stabilisierungselemente sollte so gewählt sein, dass die ausgesandten Ultraschallwellen den Ultraschallempfänger über die Stabilisierungselemente nicht schneller erreichen als auf dem Weg durch die Flüssigkeit. Mögliche Materialien können Kunststoffe, wie z. B. Polyethylen, oder Verbundwerkstoffe sein. Zudem können die Verbindungsstellen zwischen Stabilisierungselement und Halteelement entkoppelt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die Halteelemente und/oder die Stabilisierungselemente in einer Ebene angeordnet sein. Bevorzugt ist diese Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der zu analysierenden Flüssigkeit ausgerichtet. Die Ebene wird durch die Hauptausdehnungsrichtung der Halte- bzw. Stabilisierungselemente festgelegt.
  • Dadurch werden vorteilhaft der Durchfluss und die Strömung der zu analysierenden Flüssigkeit möglichst wenig beeinflusst, so dass zuverlässigere Messergebnisse erhalten werden. Außerdem können auch der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger in derselben Ebene wie die Halteelemente bzw. Stabilisierungselemente angeordnet sein.
  • Vorzugsweise kann die Ultraschallsensoranordnung derart ausgebildet sein, dass ein Druckabfall über die Ultraschallsensoranordnung möglichst gering ist, um einen möglichst geringen Einfluss auf die Unterkühlung des Kältemittels zu haben. Der konkret tolerierbare Druckabfall ist u. a. abhängig vom Kältemittel, da die Materialeigenschaften der verschiedenen Kältemittel sehr unterschiedlich sind.
  • Bei dem Kältemittel R744 kann der Druckabfall über die Ultraschallmessanordnung bis 15 104 Pa betragen. Für Kältemittel auf Kohlenwasserstoffbasis, z. B. R134a, R1234yf, R290, etc., sollte der Druckabfall nicht mehr als 5 104 Pa betragen.
  • Der Druckabfall kann beispielsweise durch den Querschnitt, die Anzahl und Anordnung der Halte- und ggf. Stabilisierungselemente beeinflusst werden. Der konkrete Druckabfall kann beispielsweise mittels Strömungssimulation ermittelt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Ultraschallsensoranordnung einen Drucksensor aufweisen.
  • Mittels des Drucksensors kann der Druck der zu analysierenden Flüssigkeit direkt innerhalb der Ultraschallsensoranordnung ermittelt werden. Da der Druck als Parameter zur Berechnung der Schallgeschwindigkeiten benötigt wird, können durch die Druckermittlung innerhalb der Ultraschallsensoranordnung die Schallgeschwindigkeiten besonders genau berechnet werden.
  • Vorzugsweise kann der Drucksensor senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung einer zu analysierenden Flüssigkeit angeordnet sein, weiter bevorzugt stromaufwärts des Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers. Eine Anordnung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ist bevorzugt, da dann keine dynamischen Drück berücksichtigt werden müssen. Eine stromaufwärtige Anordnung ist bevorzugt, da hierbei ein Druckabfall über die Ultraschallsensoranordnung nicht berücksichtigt werden muss. Eine Beeinflussung der Druckmessung durch Strömungserscheinungen, die z. B. durch Ultraschallsender und Ultraschallempfänger und die jeweiligen Halteelemente hervorgerufen werden, können dadurch verringert werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann im Bereich des Ultraschallsenders und/oder Ultraschallempfängers ein Temperatursensor angeordnet sein.
  • Neben dem Druck beeinflusst auch die Temperatur die Schallgeschwindigkeit und wird in deren Berechnung mit einbezogen. Indem der oder die Temperatursensoren im Bereich des Ultraschallsenders und/oder Ultraschallempfängers angeordnet sind, kann die Temperaturmessung in dem Bereich erfolgen, in dem die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden soll, nämlich in der Flüssigkeit zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger. Folglich können die Schallgeschwindigkeiten besonders genau berechnet werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Ultraschallsender zum Aussenden von Schallwellen mit einer Phasenverschiebung und/oder einer Frequenzmodulation ausgebildet sein, um Schallwellen mit einer Wellenlänge im hörbaren Bereich zu eliminieren. Eine solche Eliminierung kann auch als „Active-Noise-Cancellation“ bezeichnet werden.
  • Werden Schallwellen im hörbaren Bereich, z. B. mit einer Frequenz zwischen 16 Hz und 20 Hz, detektiert, die z. B. vom Verdichter des Kältekreislaufs hervorgerufen werden können, kann der Ultraschallsender Schallwellen mit einer derartigen Phasenverschiebung, z. B. einer Phasenverschiebung von 180°, und geeigneter Frequenzmodulation aussenden, so dass die Schallwellen im hörbaren Bereich eliminiert werden.
  • Eine hörbare Geräuschentwicklung beim Betreiben des Ultraschallsensors kann vermieden werden. Dadurch kann die Nutzerakzeptanz erhöht werden.
  • Die Detektion der Schallwellen im hörbaren Bereich kann z. B. mittels des Ultraschallempfängers erfolgen, der neben der Detektion von Ultraschallwellen auch zur Detektion von Schallwellen im hörbaren Bereich ausgebildet sein kann. Werden Schallwellen im hörbaren Bereich detektiert, so kann ein Steuersignal generiert und ausgegeben werden, das ein Aussenden von Schallwellen mit einer Phasenverschiebung zur Eliminierung der Schallwellen im hörbaren Bereich bewirkt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kältekreislauf, der einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kältekreislauf zudem eine Ultraschallsensoranordnung gemäß vorstehender Beschreibung aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Kältekreislauf sind daher die vorstehend genannten Vorteile der Ultraschallsensoranordnung entsprechend verbunden.
  • Optional kann der Kältekreislauf des Weiteren einen internen Wärmeüberträger mit einer Kammer für flüssiges Kältemittel und einer Kammer für gasförmiges Kältemittel aufweisen.
  • Der Kältekreislauf weist außerdem Leitungen, z. B. in Form von Schläuchen, Rohren etc., auf, mit denen die genannten Einrichtungen des Kältekreislaufs verbunden sind. Im Betriebszustand wird der Kältekreislauf von einem Kältemittel, z. B. R1234yf, R134a oder R744, durchströmt. Eigenschaften des Kältemittels, z. B. Ölgehalt, können mittels der Ultraschallsensoranordnung einfach und zuverlässig ermittelt werden. Es besteht die Möglichkeit einer online-Analytik, d. h. die Ultraschallsensoranordnung ist fester Bestandteil des Kältekreislaufs, so dass die Analyse des Kältemittels fortlaufend oder periodisch erfolgen kann, ohne dass Kältemittelproben entnommen oder Veränderungen am Kältekreislauf durchgeführt werden müssen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Ultraschallsensoranordnung stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Expansionsventils angeordnet sein.
  • Vorteilhaft ist das Kältemittel in diesem Bereich flüssig, so dass stabile und zuverlässige Messergebnisse erhalten werden können.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Kältekreislauf einen internen Wärmeüberträger mit einer Kammer für flüssiges Kältemittel und einer Kammer für gasförmiges Kältemittel aufweisen, wobei die Ultraschallsensoranordnung stromaufwärts oder stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel des internen Wärmeüberträgers angeordnet ist. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel angeordnet sein, wobei die Kammer für flüssiges Kältemittel wiederum stromaufwärts des Expansionsventils angeordnet ist.
  • Eine Anordnung stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel hat den Vorteil, dass das Kältemittel in diesem Bereich mit höherer Wahrscheinlichkeit in flüssiger Form vorliegt und folglich stabile und zuverlässige Messergebnisse erhalten werden können. Unter Normalbedingungen ist aber auch eine Anordnung stromaufwärts funktionstüchtig.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann dem Kondensator eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung zugeordnet sein, wobei die Ultraschallsensoranordnung in einem unteren Bereich der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung, bezogen auf die Einbausituation im Kältekreislauf, angeordnet ist. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung in einem Filter der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung integriert sein.
  • Dies ermöglicht vorteilhaft eine platzsparende Unterbringung der Ultraschallsensoranordnung bei bereits vorhandener Sammlungs- und Trocknungseinrichtung. Zudem ist die Trocknerpatrone der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung einfach austauschbar, so dass eine einfache Nachrüstung des Kältekreislaufs mit der Ultraschallsensoranordnung sowie eine einfache Wartung der Ultraschallsensoranordnung möglich sind.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Kältekreislauf gemäß vorstehender Beschreibung. Folglich sind mit einem solchen Fahrzeug die Vorteile des Kältekreislaufs und der Ultraschallsensoranordnung entsprechend verbunden.
  • Unter einem Fahrzeug ist dabei jedes mobile Verkehrsmittel, d. h. sowohl ein Landfahrzeug als auch ein Wasser- oder Luftfahrzeug, z. B. ein Personenkraftwagen, zu verstehen. Das Fahrzeug kann als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein.
  • Der Kältekreislauf kann Teil einer Klimaanlage des Fahrzeugs sein. Aufgrund der Möglichkeit der online-Analytik, welche durch die erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung ermöglicht wird, kann eine verbesserte Regelung der Klimaanlage erfolgen, so dass der Energieverbrauch über der Lebensdauer verringert werden kann. Dies kann sich insbesondere bei Elektrofahrzeugen positiv auswirken, da für die Klimaanlage der Batterie weniger Energie entnommen werden muss und folglich die Reichweite verlängert werden kann.
  • Eine verbesserte Regelung kann außerdem zu einer höheren Lebensdauer und zuverlässigeren Betriebsbedingungen führen. Ein Kältemittelverlust kann frühzeitig festgestellt werden und die Klimaanlage bzw. der Kältekreislauf können entsprechend geregelt oder abgeschaltet werden.
  • Die durch die Erfindung ermöglichte Miniaturisierung der Ultraschallsensoranordnung wirkt sich zudem im Fahrzeugbereich besonders positiv aus, da der Bauraum in Fahrzeugen meist stark beschränkt ist und herkömmliche Ultraschallsensoranordnungen aufgrund ihrer großen Abmessungen für einen serienmäßigen Einbau mit ständigem Verbleib der Ultraschallsensoranordnung im Fahrzeug nicht geeignet sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Ultraschallsensoranordnung gemäß dem Stand der Technik;
    • 2 eine beispielhafte Ultraschallanordnung;
    • 3 einen Querschnitt der beispielhaften Ultraschallanordnung;
    • 4 eine weitere beispielhafte Ultraschallanordnung;
    • 5 einen Querschnitt der weiteren beispielhaften Ultraschallanordnung;
    • 6 einen beispielhaften Kältekreislauf;
    • 7 einen weiteren beispielhaften Kältekreislauf;
    • 8 einen weiteren beispielhaften Kältekreislauf;
    • 9 eine beispielhafte Sammlungs- und Trocknungseinrichtung; und
    • 10 ein beispielhaftes Fahrzeug.
  • 1 zeigt eine Ultraschallsensoranordnung 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Ultraschallsensoranordnung 1 weist einen Ultraschallsender 3 auf, der an einem Ende eines Senderhalteelement 2 angeordnet ist, und einen Ultraschallempfänger 5, der an einem Ende eines Empfängerhalteelement 4 angeordnet ist, auf. Beide Halteelemente 2, 4 sind miteinander verbunden, um einen konstanten Abstand 6 zwischen Ultraschallsender 3 und Ultraschallempfänger 5 zu gewährleisten. Der Ultraschallsender 3 und der Ultraschallempfänger 5 sind als Piezoelemente ausgebildet.
  • Sowohl das Senderhalteelement 2 als auch das Empfängerhalteelement 4 sind geradlinig ausgebildet und bilden zusammen eine gabelähnliche Form.
  • Der Ultraschallsender 3 sendet Ultraschallwellen in die zu analysierende Flüssigkeit 10 aus. Der Ultraschallempfänger 5 empfängt die Ultraschallwellen, nachdem diese die Flüssigkeit 10 passiert haben. Aus der benötigten Zeitdauer, die die Ultraschallwellen vom Aussenden bis zum Empfangen benötigen, kann die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit 10 ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit gibt wiederum Hinweise auf Eigenschaften der Flüssigkeit 10, da sich die Schallgeschwindigkeit beispielsweise mit der Zusammensetzung der Flüssigkeit 10 ändert.
  • An Senderhalteelement 2 und am Empfängerhalteelement 4 sind zudem zwei Temperatursensoren 11 angeordnet, die als Platintemperaturmesselemente, z. B. PT1000, ausgebildet sind. Mittels der Temperatursensoren 11 kann die Temperatur der Flüssigkeit 10 ermittelt und bei der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit berücksichtigt werden, da diese u. a. von der Temperatur abhängt.
  • Die Abmessungen der Halteelemente 2, 4 müssen so gewählt sein, dass die Zeitdauer zwischen Aussenden und Empfangen der Ultraschallwellen auf dem Weg durch die Flüssigkeit 10 geringer ist als auf dem Weg durch die Halteelemente 2, 4. Dies führt dazu, dass die Halteelemente 2, 4 eine gewisse Mindestlänge aufweisen müssen.
  • Nachteilig an der Ultraschallsensoranordnung 1 der 1 ist, dass ein großer Bauraum aufgrund der geradlinig ausgebildeten Halteelemente 2, 4 benötigt wird und die Ultraschallsensoranordnung 1 daher für Anwendungen, in denen nur wenig Platz für den Einbau der Ultraschallsensoranordnung 1 vorhanden ist, nicht oder nur eingeschränkt genutzt werden können.
  • Um dieses Problem zu beheben, zeigt 2 eine beispielhafte Ultraschallanordnung 1 in einer schematischen Darstellung. Die Ultraschallsensoranordnung 1 der 2 weist ebenfalls einen Ultraschallsender 3 und einen Ultraschallempfänger 5 auf, die in einem unveränderlichen Abstand 6 zueinander angeordnet sind. Als Abstand 6 kann beispielsweise die kürzeste Entfernung zwischen dem Ultraschallsender 3 und dem Ultraschallempfänger 5 angesehen werden, aber auch jede andere Entfernung kann als Referenz genutzt werden. Entscheidend ist, dass die von den Ultraschallwellen zurückgelegte Wegstrecke vom Ultraschallsender 3 zum Ultraschallempfänger 5 konstant bleibt.
  • Der Ultraschallsender 3 ist an einem Senderhalteelement 2 angeordnet, mit dem der Ultraschallsender 3 am Gehäuse 22 der Ultraschallsensoranordnung 1 mittels einer Verbindungseinrichtung 23 befestigt ist. Außerdem dient das Senderhalteelement 2 der Datenübertragung zum und vom Ultraschallsender 3.
  • Der Ultraschallempfänger 5 ist an einem Empfängerhalteelement 4 angeordnet, mit dem der Ultraschallempfänger 5 am Gehäuse 22 der Ultraschallsensoranordnung 1 mittels einer Verbindungseinrichtung 23 befestigt ist. Außerdem dient das Empfängerhalteelement 4 der Datenübertragung zum und vom Ultraschallempfänger 5.
  • Sowohl das Senderhalteelement 2 als auch das Empfängerhalteelement 4 sind spiralförmig ausgebildet. Beide Halteelemente 2, 4 weisen jeweils 2,5 Windungen auf, wobei die Anzahl der Windungen als beispielhaft anzusehen ist und die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl an Windungen beschränkt ist. Durch die spiralförmige Ausbildung der Halteelemente 2, 4 ist die Wegstrecke durch das Halteelement 2, 4 im Vergleich zu einem geradlinig ausgebildeten Halteelement (s. 1) bei gleichen Außenabmessungen deutlich verlängert. Folglich ermöglicht die spiralförmige Ausbildung der Halteelemente 2, 4 eine Miniaturisierung der Ultraschallsensoranordnung 1, da für dieselbe Wegstrecke durch die Halteelemente 2, 4 geringere Außenabmessungen ausreichend sind.
  • Außerdem weist die Ultraschallsensoranordnung 1 Stabilisierungselemente 7 auf. Mittig ist ein ringförmiges Stabilisierungselement 7 angeordnet, das mittels vier weiteren Stabilisierungselementen 7 sternförmig mit dem Gehäuse 22 verbunden ist.
  • Die Stabilisierungselemente 7 dienen der Fixierung der Halteelemente 2, 4, so dass Vibrationen verhindert werden und der Abstand 6 mit höherer Zuverlässigkeit stets konstant bleibt. Die Stabilisierungselemente 7 sind derart angeordnet, dass eine Einschränkung der Strömung möglichst weitgehend vermieden wird und keine Turbulenzen entstehen.
  • Die Halteelemente 2, 4 und die Stabilisierungselemente 7 sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 der zu analysierenden Flüssigkeit 10 angeordnet ist.
  • Außerdem weist die Ultraschallsensoranordnung 1 zwei Temperatursensoren 11, die im Bereich des Ultraschallsenders 3 und des Ultraschallempfängers 5 angeordnet sind, sowie einen Drucksensor 8 (siehe 3) auf, wobei der Drucksensor senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 angeordnet ist.
  • 3 zeigt die Ultraschallsensoranordnung der 2 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 2. Das Gehäuse 22 weist einen Einlass 24 und einen Auslass 25 auf, durch den die zu analysierende Flüssigkeit 10 ein- bzw. ausströmen kann. Innerhalb der Ultraschallsensoranordnung 1 strömt die Flüssigkeit 10 mit der Hauptströmungsrichtung 9.
  • In 3 ist außerdem ersichtlich, dass der Drucksensor 8 am Gehäuse 22 stromaufwärts des Ultraschallsenders 3 und des Ultraschallempfängers 5 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 angeordnet ist.
  • Die 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsvariante einer Ultraschallsensoranordnung 1. Im Unterschied zu der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsvariante ist lediglich der Ultraschallsender 3 an einem spiralförmig ausgebildeten Senderhalteelement 2 angeordnet, während der Ultraschallempfänger 5 an einem geradlinig ausgebildeten Empfängerhalteelement 4 angeordnet ist. Alternativ kann auch der Ultraschallempfänger 5 an einem spiralförmig ausgebildeten Empfängerhalteelement 4 angeordnet sein, während der Ultraschallsender 3 an einem geradlinig ausgebildeten Senderhalteelement 2 angeordnet ist. Außerdem sind in dieser Ausführungsvariante keine Stabilisierungselemente 7 vorhanden, die jedoch optional implementiert werden könnten.
  • 5 zeigt die Ultraschallsensoranordnung der 4 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 4.
  • 6 zeigt einen beispielhaften Kältekreislauf 12 in einer schematischen Darstellung. Der Kältekreislauf 12 weist einen Verdichter 13 und, entlang der Hauptströmungsrichtung 9 betrachtet, einen Kondensator 14, ein Expansionsventil 15 und einen Verdampfer 16 auf. Dem Kondensator 14 ist eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 zugeordnet, wobei Sammler und Trocken auch als separate Bauteile ausgebildet sein können.
  • Ein weiteres optionales Bauteil ist der interne Wärmeüberträger 17. Der interne Wärmeüberträger verfügt über eine Kammer für flüssiges Kältemittel 18, die stromabwärts des Kondensators 14 und stromaufwärts des Expansionsventils 15 von flüssigem Kältemittel durchströmt wird, und eine Kammer für gasförmiges Kältemittel 19, die stromabwärts des Verdampfers 16 und stromaufwärts des Verdichters 13 von gasförmigem Kältemittel durchströmt wird.
  • Weiterhin weist der Kältekreislauf 12 eine Ultraschallsensoranordnung 12 auf, die gemäß den 2 und 3 oder 4 und 5 ausgebildet sein kann. Das Senderhalteelement und/oder das Empfängerhalteelement 4 der Ultraschallsensoranordnung 1 ist mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet.
  • In der in 6 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel 18 des internen Wärmeüberträgers 17 und stromaufwärts des Expansionsventils 15 angeordnet.
  • In einer weiteren, in 7 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 im Unterschied zur 6 stromabwärts des Kondensators 14 und stromaufwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel 18 des internen Wärmeüberträgers 17 angeordnet.
  • In einer weiteren, in 8 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 im Unterschied zu den 6 und 7 in der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 angeordnet. Beispielsweise kann, wie in 9 gezeigt, die Ultraschallsensoranordnung 20 in einem unteren Bereich (gestrichelt dargestellt) der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 angeordnet sein.
  • 10 zeigt ein Fahrzeug 21 mit einem Kältekreislauf 12, der eine Ultraschallsensoranordnung 1 aufweist. Der Kältekreislauf 12 kann beispielsweise wie zu den 6, 7 oder 8 beschrieben, ausgebildet sein. Bei dem Fahrzeug 21 kann es sich um einen Personenkraftwagen handeln, der optional als Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ultraschallsensoranordnung
    2
    Senderhalteelement
    3
    Ultraschallsender
    4
    Empfängerhalteelement
    5
    Ultraschallempfänger
    6
    Abstand
    7
    Stabilisierungselement
    8
    Drucksensor
    9
    Hauptströmungsrichtung
    10
    Flüssigkeit
    11
    Temperatursensor
    12
    Kältekreislauf
    13
    Verdichter
    14
    Kondensator
    15
    Expansionsventil
    16
    Verdampfer
    17
    interner Wärmeüberträger
    18
    Kammer für flüssiges Kältemittel
    19
    Kammer für gasförmiges Kältemittel
    20
    Sammlungs- und Trocknungseinrichtung
    21
    Fahrzeug
    22
    Gehäuse
    23
    Verbindungseinrichtung
    24
    Einlass
    25
    Auslass
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3376139 A1 [0002]

Claims (13)

  1. Ultraschallsensoranordnung (1) zur Analyse von Flüssigkeiten, aufweisend einen an einem Senderhalteelement (2) angeordneten Ultraschallsender (3) und einen an einem Empfängerhalteelement (4) angeordneten Ultraschallempfänger (5), wobei der Ultraschallsender (3) und der Ultraschallempfänger (5) in einem unveränderlichen Abstand (6) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Senderhalteelement (2) und/oder das Empfängerhalteelement (4) mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind.
  2. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoranordnung (1) Stabilisierungselemente (7) ausgebildet zur Fixierung der Halteelemente (2, 4) aufweist.
  3. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (2, 4) und/oder die Stabilisierungselemente (7) in einer Ebene angeordnet sind.
  4. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckabfall über die Ultraschallsensoranordnung (1) nicht mehr als 15 104 Pa, bevorzugt nicht mehr als 5 104 Pa beträgt.
  5. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoranordnung (1) einen Drucksensor (8) aufweist.
  6. Ultraschallsensoranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (8) senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung (9) einer zu analysierenden Flüssigkeit (10) angeordnet ist.
  7. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Ultraschallsenders (3) und/oder Ultraschallempfängers (5) ein Temperatursensor (11) angeordnet ist.
  8. Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (3) zum Aussenden von Schallwellen mit einer Phasenverschiebung und/oder einer Frequenzmodulation ausgebildet ist, um Schallwellen mit einer Wellenlänge im hörbaren Bereich zu eliminieren.
  9. Kältekreislauf (12), aufweisend einen Verdichter (13), einen Kondensator (14), ein Expansionsventil (15) und einen Verdampfer (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (12) eine Ultraschallsensoranordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
  10. Kältekreislauf (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoranordnung (1) stromabwärts des Kondensators (14) und stromaufwärts des Expansionsventils (15) angeordnet ist.
  11. Kältekreislauf (12) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (12) einen internen Wärmeüberträger (17) mit einer Kammer für flüssiges Kältemittel (18) und einer Kammer für gasförmiges Kältemittel (19) aufweist, wobei die Ultraschallsensoranordnung (1) stromaufwärts oder stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel (18) angeordnet ist.
  12. Kältekreislauf (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (14) eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung (20) zugeordnet ist, wobei die Ultraschallsensoranordnung (1) in einem unteren Bereich der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung (20) angeordnet ist.
  13. Fahrzeug (21) mit einem Kältekreislauf (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 12.
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