WO2002042101A1 - Klimaanlage - Google Patents

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Frank Obrist
Tilo SCHÄFER
Georg Weber
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    • B60H1/32—Cooling devices
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    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F25B41/22—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves between evaporator and compressor
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    • F25B2700/19—Pressures
    • F25B2700/193—Pressures of the compressor
    • F25B2700/1933—Suction pressures

Definitions

  • the invention relates to an air conditioning system or an air conditioning circuit with a variable stroke compressor, the stroke of the compressor being regulated by the inflow of a refrigerant from the outlet pressure chamber into an engine room and / or by the outflow of a refrigerant from the engine room into the intake pressure chamber.
  • air conditioning systems are 'known and have been valves with an internal mechanical suction pressure regulator with and without external setting by a magnet.
  • Other air conditioning systems in turn have a four / two-way valve, which either pressurizes the drive room or relieves the pressure in the drive room.
  • valves with internal suction pressure regulators can only regulate suction pressure, that these valves are subject to a noticeable hysteresis that worsens the control quality, and that such valves offer no possibility of specifically influencing the oil balance.
  • Air-conditioning systems with four / two-way valves for the compressor control offer no possibilities to independently operate the outflow and the inflow simultaneously.
  • Valves constant pressure in the air conditioning circuit, either a constant compressor outlet pressure or a constant valve inlet pressure, adjustable.
  • the amount to be dosed in this way can be measured individually for each operating point. This prevents refrigerants from flowing in unnecessarily, which lowers the efficiency of the machine and can lead to unwanted swiveling back of the swivel plate.
  • the lubricant is added to the refrigerant.
  • An air conditioning system is also preferred in which the pressure conditions can be stabilized by simultaneously opening both valves and the control quality can thereby be improved.
  • Another air conditioning system according to the invention is characterized in that an increase in performance can be achieved by minimizing the valve opening, in particular by virtue of the fact that one valve always remains closed while the other is open.
  • the refrigerant flow moved by the vehicle-side components can be minimized, in order to avoid icing of the evaporator if the system is not to deliver any cooling capacity.
  • an effective high-pressure limitation can be achieved by improved control quality and good dynamics, in particular when the swivel plate is pivoted back, which allows pressures to be set in the vicinity of the permissible operating pressure.
  • the outlet pressure or the suction pressure can be used as a control variable.
  • the setpoint which the electrical control device regulates with the aid of the two valves, can be adjusted over a wide range, so that suitable pressure levels can be set for both the refrigeration system operation and the heat pump operation.
  • An air conditioning system is preferred in which the cycle time of the valves can be increased in order to increase the service life of the valves during stationary operation. The timing of the valves can also be suspended when the compressor is off-mode.
  • valves In a preferred air conditioning system, a large number of possible control characteristic curves can be implemented via the valves. This enables situation-based control strategies based on two independent valves.
  • FIG. 1 shows schematically the circuit of an air conditioning system.
  • a schematically represented compressor 2 has arranged in its suction area 3 a schematically represented valve 4. which can connect the suction area 3 of the compressor with a schematically represented drive chamber 7 of the compressor.
  • the valve 4 itself is brought into a closed position by a spring force 5 and can be controlled by a pilot device 6, such as. B. an electromagnet can be opened against the spring force 5.
  • the electromagnet 6 can either be actuated by a current signal which is proportional to the valve lift, that is to say as a so-called proportional magnet, or by pulse width modulation.
  • the drive chamber 7 can be connected by a second valve 8, which can be actuated independently of the valve 4, to a device 11 which is connected to the high-pressure outlet side 12 of the compressor.
  • the valve 8 can also be opened by a spring force 9 in the closed position and by a magnetic device 10 against the spring force.
  • the device 11 schematically represents a lubrication device that in
  • Lubricant contained in the compression medium conducts from the high pressure side 12 to the drive chamber side 7 and thus lubricates the drive chamber and thereby prevents lubricant from being transported in larger quantities into the further circuit.
  • the processing electronics in turn give the corresponding control signals to the control lines 16 and 17 Electromagnetic devices 6 and 10 further.
  • the air conditioning system is shown schematically with its system part 18, which is intended to represent all other components of the air conditioning system or a heat pump system.
  • a particular advantage of the system according to the invention is that situation-based control strategies of all kinds can be operated with the variable-stroke compressor on the basis of two independent valves.

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Abstract

Klimaanlage oder Klimakreislauf mit hubvariablem Verdichter, wobei der Hub des Verdichters durch Zufluss des Kältemittels vom Auslassdruckraum in den Triebraum und/oder durch Abfluss des Kältemittels vom Triebraum in den Ansaugdruckraum geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander zu betätigende Ventile mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, wobei ein Ventil im Triebraumzufluss und ein Ventil im Triebraumabfluss angeordnet ist.

Description

Klimaanlage
Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage bzw. einen Klimakreislauf mit hubvariablem Verdichter, wobei der Hub des Verdichters durch Zufluß eines Kältemittels vom Auslaßdruckraum in einen Triebraum und/oder durch Abfluß eines Kältemittels vom Triebraum in den Ansaugdruckraum geregelt wird. Derartige Klimaanlagen sind' bekannt und weisen bisher Ventile mit einem internen mechanischen Saugdruckregler mit und ohne externer Sollwertvorgabe über einen Magneten auf. Andere Klimaanlagen wiederum besitzen ein Vier/Zwei-Wegeventil, welches entweder eine Druckbeaufschlagung des Triebraums oder eine Druckentlastung des Triebraums bewirkt. Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, daß die Ventile mit internen Saugdruckreglern nur Saugdruck regeln können, daß diese Ventile mit einer nennenswerten Hysterese behaftet sind, die die Regelgüte verschlechtert, und daß derartige Ventile keine Möglichkeit bieten, den Ölhaushalt gezielt zu beeinflussen. Klimaanlagen mit Vier/Zwei Wegeventilen für die Verdichterregelung bieten keine Möglichkeiten, den Abstrom und den Zustrom gleichzeitig unabhängig zu betätigen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Klimaanlage bereitzustellen, mit hubvariablem Verdichter, wobei der Hub des Verdichters durch Zufluß des Kältemittels vom Auslaßdruckraum in den Triebraum und/oder durch Abfluß des Kältemittels vom Triebraum in den Ansaugdruckraum geregelt wird, wobei zwei unabhängig voneinander zu betätigende Ventile, mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, wobei ein Ventil im Triebraumzufluß und ein Ventil im Triebraumabfluß angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist bei der Klimaanlage durch die Regeleinrichtung mittels der beiden
Ventile ein . konstanter Druck im Klimakreislauf, entweder ein konstanter Verdichterauslaßdruck oder ein konstanter Ventileinlaßdruck, einstellbar.
Eine weitere erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich dadurch aus, daß das Triebraumzuflußventil regelmäßig aufsteuerbar ist, um eine sichere
Schmiermittelversorgung des Verdichters' zu gewährleisten. Die so zu dosierende Menge kann individuell für jeden Betriebspunkt bemessen werden. Dadurch wird vermieden, unnötig Kältemittel zuströmen zu lassen, was den Wirkungsgrad der Maschine senkt und zu ungewolltem Zurückschwenken der Schwenkscheibe führen kann. Das Schmiermittel ist dem Kältemittel beigefügt.
Bevorzugt wird weiterhin eine Klimaanlage, bei der durch eine gleichzeitige Öffnung beider Ventile die Druckverhältnisse stabilisierbar sind und dadurch die Regelgüte verbesserbar ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich dadurch aus, daß durch eine Minimierung der Ventilöffnung, insbesondere dadurch, daß das eine Ventil immer geschlossen bleibt, während das andere geöffnet ist, eine Leistungssteigerung bewirkt werden kann.
Weiterhin kann erfindungsgemäß bei der Klimaanlage durch eine gleichzeitige Öffnung beider Ventile der durch die fahrzeugseitigen Komponenten bewegte Kältemittelstrom minimiert werden, um so eine Vereisung des Verdampfers zu vermeiden, wenn die Anlage keine Kälteleistung liefern soll.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung der Klimaanlage kann durch eine verbesserte Regelgüte und gute Dynamik, insbesondere beim Zurückschwenken der Schwenkscheibe, eine effektive Hochdruckbegrenzung realisiert werden,, welche es erlaubt, Drücke in der Nähe des zulässigen Betriebsdrucks einzustellen.
Erfindungsgemäß kann abhängig davon, ob die Anlage als Wärmepumpe oder Kälteanlage betrieben wird, der Auslaßdruck oder der Saugdruck als Regelgröße verwendet werden. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Klimaanlage kann der Sollwert, den die elektrische Regeleinrichtung mit Hilfe der beiden Ventile einregelt, über einen großen Bereich verstellt werden, so daß sowohl für den Kälteanlagenbetrieb als auch für den Wärmepumpenbetrieb geeignete Druckniveaus einstellbar sind. Bevorzugt wird eine Klimaanlage, bei der zur Erhöhung der Lebensdauer der Ventile bei stationärem Betrieb die Taktzeit der Ventile erhöht werden kann. Die Taktung der Ventile kann auch beim Off-Mode des Kompressors ausgesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Klimaanlage kann über die Ventile eine Vielzahl möglicher Ansteuerkennlinien realisiert werden. Dadurch sind situationsbezogene Regelstrategien auf der Basis zweier unabhängiger Ventile möglich.
Die Erfindung wird an einem Beispiel anhand der Figur beschrieben. Die Figur zeigt schematisch den Kreislauf einer Klimaanlage. Ein schematisch dargestellter Verdichter 2 hat in seinem Ansaugbereich 3 ein schematisch dargestelltes Ventil 4. angeordnet, welches den Ansaugbereich 3 des Verdichters mit einem schematisch dargestellten Triebraum 7 des Verdichters verbinden kann. Das Ventil 4 selbst wird durch eine Federkraft 5 in eine geschlossene Position gebracht und kann durch eine Vorsteuereinrichtung 6, wie z. B. einen Elektromagneten, gegen die Federkraft 5 geöffnet werden. Der Elektromagnet 6 kann entweder durch ein Stromsignal, das dem Ventilhub proportional ist, also als ein sogenannter Proportionalmagnet, oder pulsweitenmoduliert betätigt werden. Weiterhin ist der Triebraum 7 durch ein zweites, unabhängig vom Ventil 4 betätigbares Ventil 8 mit einer Einrichtung 11 verbindbar, die mit der Hochdruckauslaßseite 12 des Verdichters in Verbindung steht. Das Ventil 8 ist ebenfalls durch eine Federkraft 9 in geschlossener Stellung und durch eine Magneteinrichtung 10 gegen die Federkraft zu öffnen. Die Einrichtung 11 stellt schematisch eine Schmiereinrichtung dar, die das im
Verdichtermittel enthaltene Schmiermittel von der Hochdruckseite 12 zur Triebraumseite 7 leitet und so den Triebraum schmiert und dabei verhindert, daß Schmiermittel in den weiteren Kreislauf in größeren Mengen transportiert wird. Auf der Hochdruckseite 12 der weiteren Klimaanlage befindet sich ein Drucksensor 13, der die Höhe des Drucks auf der Hochdruckseite an eine Verarbeitungselektronik 14 weiterleitet. Ebenso ist . auf der Saugdruckseite 3 ein Saugdrucksensor 15 installiert, der die Höhe des Saugdrucks an die Verarbeitungselektronik 14 weiterleitet. Die Verarbeitungselektronik wiederum gibt über Steuerleitungen 16 und 17 die entsprechenden Steuersignale an die Elektromagneteinrichtungen 6 und 10 weiter. Weiterhin ist schematisch die Klimaanlage mit ihrem Anlagenteil 18 dargestellt, welcher alle anderen Komponenten des Klimasystems oder eines Wärmepumpensystems darstellen soll. Aus diesem System werden noch über eine Steuerleitung 19 Signale wie z. B. die Lufttemperatur hinter dem Verdampfer als Istwert in die Verarbeitungselektronik eingegeben und ein Sollwert für die Lufttemperatur . hinter dem Verdampfer über eine Steuerleitung 20. Entsprechend den einprogrammierten Regelstrategien der Bearbeitungselektronik werden dann über die Ventile 8 und 4 die Drücke im Triebraum 7 des Kompressors 2 so eingeregelt, daß alle in den Ansprüchen genannten Regelmerkmale realisierbar sind, je nach Bedarf.
Besonderer Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Anlage, daß auf der Basis zweier unabhängiger Ventile situationsbezogene Regelstrategien aller Art mit dem hubvariablem Kompressor gefahren werden können.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmeiderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen offenbarte Merkmalskombinationen zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand Unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegens- fänden der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe ent-. nehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims

Patentansprüche
1. Klimaanlage oder Klimakreislauf mit hubvariablem Verdichter, wobei der Hub des Verdichters durch Zufluß des Kältemittels vom Auslaßdruckraum in den Triebraum und/oder durch Abfluß des Kältemittels vom Triebraum in den Ansaugdruckraum geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unabhängig voneinander zu betätigende Ventile mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, wobei ein Ventil im Triebraumzufluß und ein Ventil im Triebraumabfluß angeordnet ist.
2. Klimaanlage, insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regeleinrichtung mittels der beiden Ventile ein konstanter Druck im Klimakreislauf als Verdichterauslaßdruck oder Verdichtereinlaßdruck einstellbar ist.
3. Klimaanlage, insbesondere nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Triebraumzuflußventil regelmäßig aufsteuerbar ist, um eine sichere Ölversorgung des Verdichters zu gewährleisten.
4. Klimaanlage, insbesondere nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, daß durch eine gleichzeitige Öffnung beider Ventile die Druckverhältnisse stabilisierbar sind und dadurch die Regelgüte verbesserbar ist.
5. Klimaanlage, insbesondere nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeich- . net, daß durch eine Minimierung der Ventilöffnung, insbesondere dadurch, daß das ei- ne Ventil immer geschlossen bleibt, während das andere geöffnet ist, eine Leistungssteigerung bewirkt werden kann.
6. Klimaanlage, insbesondere nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine gleichzeitige Öffnung beider Ventile der durch die fahrzeugseitigen Komponenten bewegte Kältemittelstrom minimiert werden kann, um so eine Vereisung des Verdampfers zu vermeiden, wenn die Anlage keine Kälteleistung liefern soll.
7. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die verbesserte Regelgüte und gute Dynamik, insbesondere beim Zurückschwenken der Schwenkscheibe, eine effektive Hochdruckbegrenzung re- alisierbar ist, welche es erlaubt, Drücke in der Nähe des zulässigen Betriebsdrucks einzustellen.
8. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdruck oder der Saugdruck als Regelgröße verwendet werden kann, abhängig davon, ob die Anlage als Wärmepumpe oder als Kälteanlage betrieben wird.
9. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert, den die elektrische Regeleinrichtung mit Hilfe der bei- den Ventile einregeln kann, über einen großen Bereich verstellbar ist, so daß sowohl für den Kälteanlagenbetrieb als auch für den Wärmepumpenbetrieb geeignete Druckniveaus eingestellt werden können..
10. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß zur Erhöhung der Lebensdauer der Ventile bei stationärem Betrieb die Taktzeit der Ventile erhöht werden kann.
11. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktung der Ventile beim „Off" Mode des Kompressors ausge- setzt werden kann.
12. Klimaanlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl möglicher Ansteuerkennlinien der Ventile realisierbar ist.
3. Klimaanlage oder Klimakreislauf, mit hubvariablem Verdichter, wobei der Hub des Verdichters durch Zufluß des Kältemittels vom Auslaßdruckraum in den Triebraum und/oder durch Abfluß des Kältemittels vom Triebraum in den Ansaugdruckraum geregelt wird, gekennzeichnet durch mindestens ein in den Anmeldeunterlagen offenbartes erfinderisches Merkmal.
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