CN101353006A - 机动车空调系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

用于机动车的空调系统(10，110，210)，具有由用于压缩冷却剂的压缩机(12，112)、用于冷却压缩的冷却剂的冷凝器(14)、用于减小冷却剂压力的膨胀装置(16)以及用于蒸发冷却剂的蒸发器(18)形成的冷却剂回路，还具有控制单元(20)，其连接到至少一个冷却剂回路组件，并被设置为使冷却剂回路组件的运行特性适合于至少两种不同的冷却剂。

Description

机动车空调系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的空调系统，其具有冷却剂回路，该冷却剂回路至少由压缩冷却剂的压缩机、冷却压缩的冷却剂的冷凝器、减小冷却剂压力的膨胀装置和蒸发冷却剂的蒸发器形成，还涉及一种运行空调系统的方法。

背景技术

EP 1647428A1号专利公开了一种具有冷却剂回路的空调系统。该空调系统允许低温冷却介质的供应，该冷却介质被提供给热交换器，用于冷却机动车周围的高温空气或者车厢内的高温空气。冷却的空气随后被提供给机动车的室内空间，以便冷却该处，具体是将温度控制到预定的目标温度。

目前广泛使用氟化烃-1，1，1，2-四氟乙烷作为R134a型的冷却剂回路的冷却剂，与以前使用的氯氟烃(CFCs)相比，其不会破坏地球大气中的臭氧层。

发明内容

本发明的目的在于创造一种空调系统，其可以以简单的方式适应不同国家的法规。

上述目的通过具有权利要求1的特征的空调系统和通过具有权利要求13的特征的方法达成。本发明的有益改进是从属权利要求的内容。

利用根据本发明的控制单元，其连接到至少一个冷却剂回路组件且被设置为使组件的运行特性适合于至少两种不同的冷却剂，空调系统可以使用至少两种不同的冷却剂，而在向冷却剂回路填充一种或另一种冷却剂时不必对冷却剂回路或控制单元做根本的改变。冷却剂可以是纯物质或混合物，具体为多种不同的冷却剂。

上述用于控制单元的至少两种不同的冷却剂最好具有相似的特性，例如密度，传热性能，粘性和热容。

在本发明的另一有益实施例中，控制单元被设置为是可编程的，并且可以在填充冷却剂后利用冷却剂特性曲线、特性图谱或计算算法编程。

冷却剂回路中的膨胀装置最好是毛细管(“孔”)，因为上述类型的毛细管可使用多种冷却剂，而不必为不同的冷却剂改变毛细管。

本发明一实施例中，控制单元连接到压缩机，并被设置为以冷却剂依赖型的形式影响压缩机压力和/或压缩机功率。压缩机的压力指可以通过压缩压缩机中的冷却剂获得的最大压力。由于压缩不同的冷却剂的的困难程度不相同，并且必须为上述不同的冷却剂在膨胀装置中获得不同的压力差以便使空调系统获得实质上相同的冷却功率，所以可以用可调压缩机具体地通过调整压缩机行程预定义压缩机压力。可替换地或另外地，由控制装置通过节流待供给的动力或通过间歇运行压缩机-也就是说启动持续时间不到100％，控制或调节压缩机处提供的功率。如果压缩机由机动车的内燃机驱动，则可以在内燃机和压缩机之间提供可控制的离合器，该离合器可以受控制单元的影响，以通过滑动减小功率或通过分离停止功率供应。

本发明的另一实施例中，蒸发器上提供连接到控制单元的温度传感器，控制单元被设置为作为冷却剂的函数和作为温度传感器的温度信号的函数影响压缩机压力和/或压缩机功率。利用安装到蒸发器的温度传感器，如果蒸发器温度低至可导致蒸发器结冰的话，控制单元可以减小功率或停止压缩机，以暂时在蒸发器中不膨胀冷却剂。这样，蒸发器可以利用周围的空气或机动车车厢内的空气，返回到可以除去结冰的温度。压缩机压力和/或压缩机功率可以作为冷却剂的函数和作为测得的蒸发器温度的函数被区别地影响。

本发明的进一步实施例中，压力传感器连接到压缩机，控制单元被设置为作为冷却剂的函数和作为压力传感器压力信号的函数影响压缩机压力和/或压缩机功率。由压力传感器确定的压力信号可以使控制单元得知所使用的冷却剂的情况，用以得出关于蒸发器的温度的结论，并且如果蒸发器将要结冰，则可以对压缩机实施减小功率或减压。压力传感器可以被配置到压缩机的吸气侧或压力侧。

本发明的进一步实施例中，控制单元连接到安装到冷凝器的冷却装置，上述控制单元被设置为作为冷却剂的函数或作为冷却剂与蒸发器的温度和/或压缩机的压力的函数启动冷却装置。冷凝器是热交换器，由压缩机压缩而加热的冷却剂在流入其中，其周围的空气绕其流动以使冷却剂冷却。为了增加冷凝器的效率，周围空气通过风扇形式的冷却装置直接导向冷凝器。这样可以将更多的热量从冷凝器中散发，因而冷却剂在流出冷凝器时温度较低，从而可以给予其更多的冷却能力。如果适当考虑蒸发器的温度和/或压缩机的压力，冷却装置就作为所用的冷却剂的函数被启动，以便能够使冷凝器中的冷却剂充分的更加冷却。

本发明的另一实施例中，膨胀装置具有适应冷却剂的可替换的毛细管。膨胀装置中的毛细管还被称作“孔”，并且它是限制冷却剂的容积流量并因而确保压缩机出口侧与毛细管之间的冷却剂回路为高压并确保毛细管与压缩机入口侧之间的冷却剂回路为低压的喷嘴或节流缝隙。由于毛细管的节流作用和以该方法带来的冷却剂压力的减小，并且由于蒸发器中提供的热量，冷却剂被蒸发并因而从周围空气或从绕蒸发器流动的车厢空气中提取可预定量的热量。这样便冷却了周围的空气或车厢空气，并且冷却剂实质上以气态聚集状态沿压缩机的入口侧方向流出。毛细管的节流特性实质上由其内径和长度决定，其可以组合表示为规范的有效截面。有效截面的需求可以随不同的冷却剂而变化，从而通过替换结构简单的毛细管实现冷却剂回路适应不同的冷却剂。

本发明的进一步实施例中，控制单元具有至少两条不同的特性曲线或特性图或计算算法，用于作为冷却剂和/或压缩机的压力和/或蒸发器的温度的函数启动压缩机和/或冷凝器的风扇。特性曲线是第一参数与第二参数之间关系的二维表示，第一参数例如是压缩机的输出功率或冷凝器风扇的启动持续时间，第二参数例如是压缩机的压力或冷凝器的温度。特性图是至少三个参数之间的关系的三维或多维表示。算法是计算公式，知道一个参数便可以通过其计算至少另一个参数。根据本发明，控制单元可以通过选择两个特性曲线、特性图或算法中的一个，方便地适应第一或第二冷却剂。

在本发明的进一步实施例中，控制单元设置成使其可以基于存储的压缩机压力与蒸发器温度的相互关系，具体考虑如周围温度的其他参数，确定冷却剂回路中填充的冷却剂。因而确保空调系统可以在填充允许的冷却剂之后以最佳运行状态运行，即使该冷却剂与初始填充的冷却剂不同。具体说，在维修空调系统时，为了可用性的原因或者考虑到变化的法规，如果填充的新的冷却剂与原始填充的冷却剂不同，情况即会如此。冷却剂的改变可以由于原始填充的冷却剂效果退化，或者由于具体在重新填充空调系统时由于冷却剂的混合而发生。冷却剂成分选择性的泄漏也能导致冷却剂性质的改变，其可以根据本发明，依靠相应的参数或适当的控制单元中的基础算法，通过配置控制单元由控制单元部分或全部补偿。

本发明的一较佳实施例中，在控制单元中提供至少一个可自由编程的存储区域，该存储区域能存储至少一个特性曲线和/或特性图和/或一个或多个矫正因子和/或计算算法。因而可以在将至少一种其他冷却剂填充冷却剂回路之前或之后，通过编程确保控制单元灵活适应相应的冷却剂。因为空调系统可以适用于空调系统生产时未提供的冷却剂，这便特别确保了空调系统的灵活维修。

在本发明的进一步实施例中，压缩机具有可调行程，控制单元被设置为调整压缩机行程。通过压缩机的可调行程，可以用简单的方式影响压缩机压力，而不必为受影响的压缩机供应功率，也不必为功率限制而重复启动和停止压缩机。这特别有利于由内燃机直接驱动的压缩机，因为压缩机的负载变化较低时仅对内燃机起作用。

在本发明的另一实施例中，提供一种用于分离液态和气态冷却剂的储液器。该储液器防止未完全蒸发的冷却剂被压缩器吸入而导致可能的损坏。

在本发明的另一实施例中，控制单元连接到可调压力调节阀，该阀安装到压缩机，用以影响蒸发器的目标温度。压力调节阀用以调节吸入压力目标值，该值可以具体地由控制单元的PWM(脉宽调制，pulse widthmodulated)信号启动压力调节阀来调节。根据所使用的制冷剂，蒸发器的目标温度与吸入压力目标值相关；上述目标温度具体地由控制单元中的PID(比例-积分-微分，proportional-integral-differential)调节器为压力调节阀调整。

本发明的进一步实施例中，热交换器被置于冷凝器的出口接头和压缩机的入口接头之间。这使得压缩机吸入的冷却剂得以预热并且使冷却剂在进入膨胀装置前再冷却。这样，在某些冷却剂的情况下可以增加空调系统的效率。

根据本发明的另一方面，提供一种运行空调系统的方法，其中，在空调系统的静止状态下，冷却剂的静止压力和冷却剂的静止温度和/或周围温度是确定的。确定的冷却剂的静止压力和冷却剂的静止温度和/或周围温度的值可以存储在数值表中，并/或馈给控制单元用作确定空调系统组件的固有特性和/或空调系统中使用的冷却剂的计算基础。空调系统的静止状态可以具体地通过安装空调系统的机动车的发动机温度确定，该发动机温度可以通过总线系统查询，并且必须低于可预定的阈值，以便能够进行正确的静止压力的测定。

本发明的一个方面，在空调系统的运行状态，确定冷却剂的运行压力和冷却剂的运行温度和/或周围温度。运行压力和运行温度也存储在数值表中，并/或馈给控制单元，与静止温度和静止压力一样，用于表征空调系统的特性。

本发明的另一实施例中，在空调系统的运行状态下，用于冷却冷凝器的冷却装置的冷却功率由控制单元调整，冷却剂的运行压力作为调整的冷却功率的函数确定。冷却装置可以具体实施为例如配置到冷凝器的风扇，其冷却功率最好以持续或逐级的形式从最小冷却功率增加到最大冷却功率，冷却剂的运行压力以持续或逐级测定方式确定。确定的一对值(与冷却功率相关的运行压力)存储在数值表中。

本发明的另一实施例中，用于排出蒸发器提供的制冷功率的通风装置被控制单元调整到最小空气流量，冷却剂的运行压力作为调整的空气流量的函数确定。通风装置从空气流量并作为供气温度的函数确定在蒸发器中提供多少能量来蒸发冷却剂。气温低(特别是装有空调系统的车厢内温度低)且空气流量小时，蒸发器中仅提供很少的能量来蒸发冷却剂，气温高且空气流量大时，蒸发器中提供较高的能量。知道了每种情况下通风装置供应空气的当前温度，并已知空气流量时，可以确定一个阈值，高于该阈值时，即使用于冷却冷凝器的冷却装置的冷却功率还在增加，冷却剂的运行压力也不再减小。提供给冷却装置的冷却功率值的范围、蒸发器的空气流量和气温以及产生的最小制冷压力存储在数值表中和/或馈给控制单元。通风装置具体地可以是风扇，用于在机动车车厢内循环空气，和/或向机动车车厢提供新鲜空气。

本发明的另一实施例中，冷却剂的静止压力，冷却剂的运行压力，其具体地作为控制装置的冷却功率的函数和/或作为通风装置的空气流量的函数确定，冷却剂的运行温度和/或周围温度被提供给控制单元，以确定冷却剂的至少一个特性曲线，具体为冷却剂的蒸汽压曲线。该特性曲线可以在重新启动装有空调系统的机动车时或者随机地或以预定间隔产生，用于测量冷却剂性质的改变。如果冷却剂的高挥发性成分挥发、或在维修工作过程中在第一种冷却剂中加入第二种冷却剂时、或冷却剂的成分经过一定时间发生变化-例如分解时，上述类型的性质能发生改变。考虑到冷却剂的性质变化，可以较好地调整空调系统的运行，以便在现有有限条件范围内在最小能量输入下获得最大冷却功率。本发明的一个有益实施例中，可以基于冷却剂的特性曲线对每种情况下的现有冷却剂组份的冷却性能进行判断，如果未达到最小冷却能力，则向空调系统的用户指明该情况。

在本发明的进一步实施例中，控制单元通过影响压缩机功率，特别是通过影响压缩机的启动持续时间或通过启动配置到压缩机的压力调节阀，作为冷却剂的确定特性曲线的函数，对吸入压力和/或蒸发器温度进行调整。因而确保空调系统作为冷却剂组份的函数节能运行。

附图说明

下面基于附图通过实例更详细地说明本发明，其中：

图1表示具有带固定行程的电驱动压缩机的本发明第一实施例的示意图；

图2表示具有带可变行程的内燃机直接驱动的压缩机的本发明第二实施例的示意图；

图3表示具有可替换的节流毛细管和冷凝器出口与压缩机入口之间的附加热交换器的本发明第三实施例的示意图；

图1、2和3的实施例中，同样的附图标记用于功能相同的组件。

具体实施方式

用于机动车的空调系统10具有冷却剂回路，其有压缩冷却剂的压缩机12；冷却压缩的冷却剂的冷凝器14；具体实施为节流毛细管的用于减小冷却剂压力的膨胀装置16以及用于蒸发冷却剂的蒸发器18。冷却剂回路中还配置有与用以驱动压缩机12的电机22连接的控制单元20。该控制单元20还连接到安装于蒸发器18并且提供与蒸发器18的温度成比例的温度信号的温度传感器24。

压缩机12具有固定的、不可调的行程，以至于必须通过冷却剂的循环或非循环压缩获得冷却剂回路中冷却剂压力的改变。由于所示实施例中未提供用于冷却剂的压力传感器，所以压缩机12提供的冷却剂压力基于蒸发器18上的温度传感器21使用至少两个冷却剂依赖型的特性曲线40a、40b中的一个确定，特性曲线存储在控制单元20中并如示意图一样被配置到控制单元20。根据特性曲线，还可以通过存储在控制单元中的计算算法获得电机22的功率供应和/或启动持续时间，通过电机获得所需的冷却剂压力。

本发明一未示出的实施例中，压缩机通过可变换的离合器和V带连接到内燃机的机轴。可变换的离合器由控制单元启动，根据调节压缩机平均功率的需求启动或停止压缩机。

压缩机12运行时，压缩冷却剂，上述冷却剂还被压缩时产生的能量加热。热量的一部分从用作与周围空气进行热交换的热交换器的冷凝器14中的冷却剂中散发，所以上述冷却剂就具有高压和降低的能量，并且进入聚集液态。置于冷凝器14下游的节流毛细管内径和其长度实质上适合于所使用的冷却剂的性质，使得上述节流毛细管为液体冷却剂形成可预定的流动阻力。由于压缩机12吸入的冷却剂可以多于流过节流毛细管16的冷却剂，所以压缩机12和节流毛细管16之间构成了冷却剂依赖型的压力。冷却剂依赖型的压力具体由冷却剂的蒸汽压力和其液态粘度决定，并以相应的特征曲线40a，40b存储在控制单元20中。

流过节流毛细管16的冷却剂进入低压区并膨胀。由于膨胀和蒸发器18的热供应，冷却剂在蒸发所需的相当多的能量的作用下至少实质上从聚集液态变为聚集气态。上述能量从蒸发器18区域的周围空气中提取，而后冷却空气并可以将其提供给机动车内部空间(图中未示)。现在实质上为气体的冷却剂流过储液器26以便分离任何可能存在的流体成分，而后返回压缩机12以便再次压缩和液化。

基于安装到蒸发器18的温度传感器24并考虑两个冷却剂依赖型的特性曲线40a，40b，控制单元20可以作出关于目前的冷却指令是什么和压缩机12是否必须压缩其他冷却剂的结论。

根据图2的空调系统110的实施例与根据图1的实施例的不同之处在于，机动车(未更详细的表示)的内燃机28用于驱动具体实施为可调压缩机112的压缩机112，可调压缩机具有可由控制单元20和启动装置(未更详细的表示)外部调整的行程，该行程可以影响冷却剂回路中的冷却剂压力。控制单元20连接到置于储液器26和压缩机112之间的冷却剂回路中并能确定气体冷却剂压力的压力传感器30。

本发明一未示出的实施例中，除了安排在储液器和压缩机之间的压力传感器或作为替换，还将压力传感器置于压缩机的出口的高压侧或冷凝器的下游。

控制单元20还连接到配置到冷凝器14的风扇32以便使冷凝器14与周围空气进行进一步的热交换。分别配置的用于多种冷却剂的多维特性图42a、42b存储在控制单元20中，其中特性图42a、42b是压力传感器30的冷却剂压力、蒸发器18的温度与压缩机112要提供的冷却剂压力和风扇32要提供的用以冷却冷凝器的空气流量之间确定的关系。因而特性图42a、42b限定了启动可调压缩机112和风扇32所需的信号电平，以确保空调系统110的有效运行。

根据图3的空调系统210的实施例中，除了根据图2的组件以外，还提供热交换器34，其使热量在冷凝器14的出口接头与压缩机212的入口接头之间流动。连接到压缩机212的下游并且可以由控制单元20启动的压力调节阀36调节压缩机212压缩的冷却剂的压力，并从而通过调整可调压缩机212的行程调节压缩机212吸入的冷却剂的吸入压力。上述情况通过由控制单元20向压力调节阀36指定压力值而发生，阀本身通过控制线影响压缩机212。

由于吸入压力和蒸发器18的温度相关，所以可以通过作为所使用的冷却剂的函数调整调节阀36来调节蒸发器温度。用于节流毛细管16的节流管38设计为可替换的，以便能够良好地适应不同的冷却剂。多个多维特性图42a，42b存储在控制单元20中，该特性图42a、42b除了如图2的实施例中得知的启动压缩机212和风扇32之外，还允许压力调节阀36的启动以便使空调系统10能够良好运行。

本发明一未示出的实施例中，根据图3的实施例的变型中，没有可替换的节流管，而是提供可通过控制单元电调整的膨胀阀，通过该膨胀阀可以调整节流动作达到空调系统的要求。为达该目的，膨胀阀的相应的特性曲线存储在控制单元中，该特性曲线表示冷却剂的组份与性质之间的关系和各种情况下需要的节流阀。

根据图1至3的实施例的空调系统10、110、210对不同冷却剂的适应可以例如在生产流程结束时对机动车的其他控制单元编程的过程中，通过选择控制单元20中存储的特性曲线或特性图或计算算法进行。或者还可以在冷却剂回路填充冷却剂后用相应的特性曲线、特性图或计算算法对控制单元20编程。

本发明的另一实施例中，控制单元20基于冷却剂回路在运行时产生的温度和压力对冷却剂进行自动探测，并随后使用相应的冷却剂的特性值运行空调系统。

Claims (18)

1.用于机动车的空调系统(10，110，210)，具有至少由以下组件构成的冷却剂回路：

用于压缩冷却剂的压缩机(12，112，212)；

用于冷却压缩的冷却剂的冷凝器(14)；

用于减小冷却剂压力的膨胀装置(16)以及

用于蒸发冷却剂的蒸发器(18)，

其特征在于还具有控制单元(20)，其连接到至少一个冷却剂回路组件，并被设置为使冷却剂回路组件的运行特性适合于至少两种不同的冷却剂。

2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于

控制单元(20)连接到压缩机(12，112，212)并被设置为以冷却剂依赖型的方式影响压缩机压力和/或压缩机功率。

3.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于

在蒸发器(18)上提供连接到控制单元(20)的温度传感器(24)，其中控制单元(20)被设置为作为冷却剂的函数和作为温度传感器(24)的温度信号的函数影响压缩机压力和/或压缩机功率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的空调系统，其特征在于

在压缩机(12，112，212)上，具体说在吸入侧，提供压力传感器(30)，其中控制单元(20)被设置为作为冷却剂的函数和作为压力传感器(30)的压力信号的函数影响压缩机压力和/或压缩机功率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的空调系统，其特征在于

控制单元(20)连接到安装于冷凝器(14)的冷却装置(32)，其中上述控制单元被设置为作为冷却剂的函数或作为冷却剂和蒸发器(18)的温度和/或压缩机(12，112，212)的压力的函数启动冷却装置(32)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的空调系统，其特征在于

膨胀装置(16)具有适合于冷却剂的可替换的节流管(38)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的空调系统，其特征在于

控制单元(20)具有至少两个不同的特性曲线(40a，40b)或特性图(40a，40b)或计算算法，用于作为冷却剂的函数和/或压缩机(12，112)的压力和/或蒸发器(18)的温度的函数启动压缩机(12，112)和/或冷凝器(14)的风扇(32)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的空调系统，其特征在于

控制单元(20)被设置为可以基于存储的压缩机(12，112，212)的压力与蒸发器(18)的温度之间的关系，具体地考虑如周围温度的其他参数，确定填充到冷却剂回路中的冷却剂。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的空调系统，其特征在于

压缩机(12，112，212)具有可调行程，控制单元(20)被设置为调整压缩机行程。

10.根据权利要求1至9中任一个所述的空调系统，其特征在于

提供用于分离液态和气态冷却剂的储液器(26)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的空调系统，其特征在于

控制单元(20)连接到安装于压缩机(12，112，212)的可调压力调节阀(36)，其用于影响蒸发器(18)的目标温度。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的空调系统，其特征在于

热交换器(34)安排在冷凝器(14)的出口接头和压缩机(12，112，212)的入口接头之间。

13.运行具体为如权利要求1至12中任一项设计的空调系统的方法，其特征在于

在空调系统的静止状态，冷却剂的静止压力与冷却剂的静止温度和/或周围温度是确定的。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于

在空调系统的运行状态，冷却剂的运行压力与冷却剂的运行温度和/或周围温度是确定的。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于

在空调系统的运行状态，用于冷却冷凝器(14)的冷却装置(32)的冷却功率由控制单元(20)调整，冷却剂的运行压力作为调整后的冷却功率的函数确定。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于

用于排出蒸发器(18)提供的制冷功率的通风装置被控制单元(20)调整为最小空气流量，冷却剂的运行压力作为调整后的空气流量的函数确定。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于

具体地作为冷却装置(32)的冷却功率的函数和/或作为通风装置的空气流量的函数确定的冷却剂的静止压力、冷却剂的运行压力以及冷却剂的运行温度和/或周围温度被提供给控制单元(20)，以便确定冷却剂的至少一个特性曲线，具体为冷却剂的蒸汽压力曲线。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于

控制单元(20)通过影响压缩机(12，112，212)的功率，具体说通过影响压缩机(12，112，212)的启动持续时间或通过启动设置于压缩机(12，112，212)的压力调节阀(36)，作为冷却剂的确定特性曲线的函数调整吸入压力和/或蒸发器温度。

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