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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher beschriebenen Art.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren
ist beispielsweise aus der
DE
199 25 744 A1 bekannt. Dabei sind auf der Hochdruckseite
des Kältekreislaufs ein
Verdichter, ein Gaskühler
und ein Hochdruckbereich eines inneren Wärmetauschers angeordnet. Die
Niederdruckseite des Kältekreislaufs
weist ein Expansionsventil, einen Verdampfer, einen Sammelbehälter und
einen Niederdruckbereich des inneren Wärmetauschers auf. In dem Verdichter
wird das Kältemittel
verdichtet, was zu einer Temperaturerhöhung desselben führt. Nachfolgend
gibt das Kältemittel Wärme an die
Umgebung ab und kühlt
in dem inneren Wärmetauscher
weiter ab. Im Expansionsventil wird es auf einen niedrigeren Druck
entspannt und verdampft im Verdampfer unter Wärmeaufnahme aus der Zuluft.
In dem inneren Wärmetauscher
muss das Kältemittel
die Wärme
der Hochdruckseite aufnehmen und gelangt wieder in den Verdichter,
wodurch ein geschlossener Kältekreislauf
entsteht.
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Bereits
im bekannten Stand der Technik wurde festgestellt, dass für einen
effizienten Betrieb der Klimaanlage ein transkritischer bzw. überkritischer Kältekreislauf
vorteilhaft ist, da nur durch die hierbei auftretende hohe Temperatur
des Kältemittels
eine hohe Wärmeabgabe
an die Umgebung stattfinden kann. Aus diesem Grund ist es bei derartigen überkritischen
Prozessverläufen,
bei denen zwischen dem Verdichterausgang und dem Eingang des Expansionsventils
kein Phasenübergang
zwischen der gasförmigen
und der flüssigen
Phase stattfindet, erforderlich, das Kältemittel auf möglichst
hohe Verdichtungstemperaturen zu komprimieren.
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Die
Grenzen einer solchen Erhöhung
der Kältemitteltemperatur
sind insbesondere die zulässige
Temperatur des Verdichters, jedoch auch die Temperatur des Kältemittels
selbst. Hierbei hängt
die Temperatur des Verdichters im wesentlichen von der Eintrittstemperatur
des Kältemittels
in den Verdichter, dem Verdichterdruckverhältnis, den dynamischen Eigenschaften
des Verdichters und dem polytropen Wirkungsgrad ab. Zur Erhöhung der
Effizienz und somit auch der Leistung wird bei dem bekannten transkritischen
Kältekreislauf
ein innerer Wärmetauscher verwendet,
dessen Leistungsfähigkeit
die Eintrittstemperatur in den Verdichter stark beeinflusst. Nimmt die
Drehzahl der mit dem Verdichter verbundenen Brennkraftmaschine zu,
so wird bei konstanter Kälteleistung
der Massenstrom des Kältemittels
geregelt, was beispielsweise durch das Verstellen des Verdichters
vorgenommen werden kann. Wird der Verdichterhub reduziert, so nimmt
der polytrope Wirkungsgrad des Verdichters ab, so dass die Verdichtungstemperatur
bei konstant bleibendem Verdichterdruckverhältnis stark ansteigt.
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Um
eine Schädigung
der gesamten Anlage zu verhindern, wird bei bekannten Klimaanlagen
bislang eine druck- oder temperaturabhängige Abschaltung der Anlage
vorgenommen. Problematisch dabei ist jedoch, dass nach dem Abschlagen
der Anlage keine Kälteleistung
mehr zur Verfügung
gestellt werden kann. Dies ist um so problematischer, als gerade bei
hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und hohen Außentemperaturen
oftmals auch eine entsprechende Kälteleistung von der Klimaanlage
gefordert wird.
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Weitere ähnliche
Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung von Klimaanlagen sind auch
in der
DE 198 13 673
A1 oder der
DE
101 40 630 A1 beschrieben. Jedoch sind auch diese Lösungen nicht
in der Lage, das beschriebene Problem zu beseitigen.
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Aus
der
DE 692 19 621
T2 ist eine Dampfkompressionszyklus-Einrichtung mit einem Kompressor, einem
Wärmetauscher,
einem Expansionsventil und einem Verdampfer bekannt, bei der eine Steuer/Regeleinrichtung
mit einem Element mit veränderbarem
Volumen vorgesehen ist, wodurch der Druck auf der Hochdruckseite
des Systems gesteuert werden soll.
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Die
DE 197 06 663 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug,
gemäß welchem
eine Regelung der Überhitzung
des Kältemittels
im Verdampfer erfolgt, in dem für
die Berechnung der Ausgangssignale zur Ansteuerung des Expansionsventils
der Abregelgrad des Kompressors und die jeweilige Verdampferlast berücksichtigt
werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung
einer Klimaanlage zur Verfügung
zu stellen, welches auch im überkritischen Betrieb
mit einer geeigneten Strategie betrieben werden kann, ohne dass
bei einer drohenden Temperaturüberschreitung
des Kältemittels
die gesamte Klimaanlage abgeschaltet werden muss.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die
Leistung des inneren Wärmetauschers
durch eine Verringerung des Drucks in dem Kältekreislauf derart begrenzt,
dass die Temperatur des Verdichters einen kritischen Wert, bei dem
Schäden
an dem Verdichter entstehen, nicht übersteigt. Damit ergibt sich
eine Regelung des Kältekreislaufs,
bei der sich die maximale Temperatur des Kältemittels in Betriebszuständen mit entsprechender
Belastung stets entlang der kritischen Temperatur bewegt und diese
nicht überschreitet.
Dadurch wird eine Überhitzung
des Ver dichters sowie eine Beschädigung
von Bauteilen aufgrund einer zu starken Druckerhöhung mit einfachen Mitteln
vermieden.
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Zur
Begrenzung der Leistung des inneren Wärmetauschers und somit zur
Verhinderung des Überschreitens
des kritischen Werts der Temperatur des Kältemittels ergeben sich mehrere
Möglichkeiten,
die gegebenenfalls auch in Kombination eingesetzt werden können.
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Zum
einen ist es möglich,
dass der durch den Verdichter erzeugte Druck durch eine Verringerung des
Hubs des Verdichters reduziert wird. Zum anderen kann das Expansionsventil
geöffnet
und der Druck in dem Kältekreislauf
verringert werden. Eine weitere Lösung kann darin bestehen, dass über eine Bohrung
des Sammelbehälters
zusätzliches
Kühlmittel
angesaugt und dem Kältekreislauf
zugeführt
wird.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 einen Kältekreislauf
einer Klimaanlage, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann; und
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2 ein Diagramm, in dem der
Druck des Kältemittels über der
spezifischen Enthalpie desselben aufgetragen ist.
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1 zeigt einen Kältekreislauf 1 einer
in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Klimaanlage, welche zur
Kühlung
eines Innenraums eines ebenfalls nicht dargestellten Kraftfahrzeugs
vorgesehen ist. Innerhalb des Kältekreislaufs 1 zirkuliert
in an sich bekannter Weise ein Kältemittel,
im vorliegenden Fall vorzugsweise CO2. Das
Kältemittel
wird in einem Verdichter 2 verdichtet und anschließend einem
Gaskühler 3 zugeführt. Dort
gibt das Kältemittel
Wärme an
die Umgebung ab, wodurch die Temperatur des Kältemittels verringert wird.
Eine weitere Temperaturverringerung des Kältemittels wird durch einen
inneren Wärmetauscher 4 erreicht,
welcher sich an den Gaskühler 3 anschließt. Der
Verdichter 2, der Gaskühler 3 und
der innere Wärmetauscher 4 sind
durch Kältemittelleitungen 5 miteinander
verbunden und bilden die Hochdruckseite des Kältekreislaufs 1. Die Kältemittelleitungen 5 verbinden
auch die nachfolgend beschriebenen Bauteile des Kältekreislaufs 1.
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Nach
Durchlaufen des inneren Wärmetauschers 4,
der einen Hochdruckbereich 4a und einen Niederdruckbereich 4b aufweist,
gelangt das Kältemittel
zu einem Expansionsventil 6, in dem es auf einen niedrigeren
Druck entspannt wird. Anschließend strömt das Kältemittel
wiederum durch die Kühlmittelleitungen 5 in
einen Verdampfer 7, wo es unter Wärmeaufnahme aus der Zuluft
zu dem Innenraum des Kraftfahrzeugs verdampft.
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An
den Verdampfer 7 schließt sich ein Sammelbehälter 8 an,
in den das Kältemittel
einströmt. Von
dem Sammelbehälter 8,
auf den zu einem späteren
Zeitpunkt näher
eingegangen wird, gelangt das Kältemittel über den
Niederdruckbereich 4b des inneren Wärmetauschers 4, an
dem Wärme
aus dem Hochdruckbereich 4b entnommen wird, wieder zu dem
Verdichter 2, so dass der Kältekreislauf 1 geschlossen
ist. Das Expansionsventil 6, der Verdampfer 7,
der Sammelbehälter 8 sowie
der Niederdruckbereich 4b des inneren Wärmetauschers 4 bilden
die Niederdruckseite des Kältekreislaufs 1.
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Der
beschriebene Kältekreislauf 1 wird
in an sich bekannter Weise im sogenannten überkritischen bzw. transkritischen
Prozess betrieben, bei dem kein Übergang
zwischen der gasförmigen
und der flüssigen
Phase des Kältemittels
stattfindet und das Kältemittel
somit in dem Gaskühler 3 im
gasförmigen
Zustand verbleibt und in dem Expansionsventil 6 als Nassdampf
vorliegt. Durch diesen transkritischen Betrieb des Kältekreislaufs 1 wird
bei hoher Temperatur des Kältemittels
eine hohe Wärmeabgabe
an die Umgebung erreicht. Durch die Verdich tung des Kältemittels
in dem Verdichter 2 steigt zusätzlich zu dem Druck auch die
Temperatur des Kältemittels
an, bevor es im nachfolgenden Gaskühler 3 die Wärme abgibt.
Diese Temperatur kann bei sehr hohen Außentemperaturen und entsprechend
hohen Drehzahlen des Verdichters 2 Werte erreichen, die
sowohl das Kältemittel
schädigen
als auch den Verdichter 2 sehr stark beanspruchen, sodass
der Temperatur des Kältemittels
insbesondere aufgrund der zulässigen
Temperatur des Verdichters 2 nach oben Grenzen gesetzt sind.
Gleiches gilt auch für
die Höhe
des Drucks in dem Kühlkreislauf 1,
der durch die Festigkeit der Bauteile des Kühlkreislaus 1 nach
oben begrenzt ist.
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Um
die Überschreitung
der beschriebenen kritischen Temperatur des Verdichters 2 sowie
die Überschreitung
eines kritischen Drucks innerhalb des Kältekreislaufs 1 zu
verhindern, wird bei dem vorliegenden Kältekreislauf 1 die
Leistung des inneren Wärmetauschers 4 reduziert,
so dass das Temperaturlimit am Austritt des Verdichters 2 im
kritischen Betriebspunkt, beispielsweise bei Leerlauf oder bei sehr hohen
Drehzahlen der Brennkraftmaschine und hohen Außen- bzw. Umgebungstemperaturen,
eingehalten werden kann. Um in anderen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine
und der Klimaanlage nicht auf Leistungs- und Effizienzpotentiale
verzichten zu müssen,
wird die Klimaanlage bei einem geringen Luftstrom durch die wärmeabgebende
Komponente des Kältekreislaufs 1 sowie
bei hohen Umgebungstemperaturen mit maximalem Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite
des Kältekreislaufs 1 betrieben,
wobei der innere Wärmetauscher 4 so
ausgeführt
ist, dass die maximale Temperatur soweit wie möglich erreicht werden kann,
ohne diese zu überschreiten. Falls
in einem anderen Betriebspunkt die kritische Temperatur überschritten
wird, so wird der durch den Verdichter 2 erzeugte Druck
durch eine Verringerung des Hubs desselben soweit reduziert, dass
die kritische bzw. zulässige
Temperatur nicht überschritten werden
kann. Diese Hubverringerung des Verdichters 2 kann in an
sich bekannter und daher nicht näher
beschriebener Art und Weise erfolgen.
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Die
beschriebene Regelung des Kältekreislaufs 1 kann
dabei über
zwei unterschiedlich hohe Temperaturen des Kühlmittels als Regelgrößen vorgenommen
werden. Beispielsweise ist es möglich, das Überschreiten
einer bestimmten Temperatur für eine
bestimmte Zeit zu erlauben und spätestens bei Erreichen einer
zweiten, höheren
Temperatur auf die beschriebene Art und Weise in den Kältekreislauf 1 einzugreifen.
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Zur
Ermittlung der für
die Regelung erforderlichen Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter 2 ist
zwischen dem Verdichter 2 und dem Gaskühler 3 in der Kältemittelleitung 5 ein
Temperatursensor 9 angeordnet, der über eine Verbindungsleitung 10 mit
dem Verdichter 2 und über
eine Verbindungsleitung 11 mit dem Expansionsventil 6 verbunden
und so in der Lage ist, den Betrieb derselben zu steuern.
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Statt
der Verringerung des Drucks an dem Verdichter 2 ist es
auch möglich,
zur Begrenzung der Leistung des inneren Wärmetauschers 4 bzw.
zur Verhinderung des Überschreitens
des kritischen Werts der Temperatur des Kältemittels das Expansionsventil 6 zu öffnen und
so den Druck in dem Kältekreislauf 1 zu
verringern, wodurch sich entsprechend auch die Temperatur des Kältemittels
verringert.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Temperatur in dem Kältekreislauf 1 unterhalb
einer kritischen Temperatur zu halten, besteht darin, über eine
Bohrung 12 an der Unterseite des Sammelbehälters 8 zusätzliches
Kühlmittel
anzusaugen und dem Kältekreislauf 1 zuzuführen.
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In 2 ist der Druck p des Kältemittels
innerhalb des Kältekreislaufs 1 über der
spezifischen Enthalpie h desselben aufgetragen. Dieser Verlauf ist durch
die mit „A" bezeichnete Linie
dargestellt. Ausgehend von dem mit I bezeichneten Zustand bzw. Punkt
wird das Kältemittel
auf den Druck p gemäß dem Punkt
II verdichtet, wo die kritische Temperatur Tkrit er reicht
wird. In dem Gaskühler 3 erfolgt
die Abkühlung
des Kältemittels
auf den Punkt III und mittels des Hochdruckbereichs 4a des
inneren Wärmetauschers 4 auf
den Punkt IV. Durch das Expansionsventil 6 wird das Kältemittel
auf den Zustand gemäß Punkt
V entspannt. Schließlich
gelangt das Kältemittel
durch das Verdampfen innerhalb des Verdampfers 7 zu dem
Punkt VI und von dort durch die Wärmeaufnahme des Niederdruckbereichs 4b des
inneren Wärmetauschers 4 zurück auf den
Punkt I am Eintritt in den Verdichter 2. Es wird also deutlich,
dass durch den Einsatz des inneren Wärmetauschers 4 eine
Verbesserung des Kälteprozesses
in dem Kältekreislauf 1 erreicht
wird. Durch den mit dem Bezugszeichen B bezeichneten Doppelpfeil
ist dieser Austausch von Wärme
innerhalb des inneren Wärmetauschers 4 dargestellt.
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In 2 sind weitere Linien C,
D und E eingezeichnet, welche zwischen den Punkten I und II sowie
den Punkten II und IV parallel zu der Kurve A verlaufen. Dabei wird
deutlich, dass durch eine Absenkung des Drucks innerhalb des Kühlkreislaufs 1 die kritische
Temperatur Tkrit erst sehr viel später erreicht wird. Die Linie
F zeigt in an sich bekannter Weise die Grenze zwischen den Zuständen gasförmig, flüssig und
Nassdampf des Kältemittels.