DE102004019929A1

DE102004019929A1 - Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei einer Klimaanlage und Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage

Info

Publication number: DE102004019929A1
Application number: DE102004019929A
Authority: DE
Inventors: Markus Gilch; Stephan Heinrich; Manfred Glehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: DE102004019929B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei einer Klimaanlage umfasst einen Schallsensor (34) und eine Auswerteeinheit (36), die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Gasleckagesignals abhängig von einem Messsignal des Schallsensors (34). Eine Klimaanlage hat einen Kältemittelkreislauf (1). Der Schallsensor (34) ist akustisch gekoppelt mit dem Kältemittelkreislauf (1). Der Schallsensor kann auch akustisch gekoppelt sein mit einem Luftkanal (30), der an einem Verdampfer (12) des Kältemittelkreislaufs (1) vorbeigeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei einer Klimaanlage und eine Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage. Klimaanlagen, die sich derzeit im Einsatz befinden, weisen regelmäßig als Kältemittel R134A auf, einen Fluorkohlenwasserstoff. Obwohl R134A die Ozonschicht der Atmosphäre der Erde nicht beeinträchtigt, trägt es dennoch zur globalen Erwärmung der Erde bei. Aufgrund strengerer diesbezüglicher gesetzlicher Vorschriften werden in zukünftigen Klimaanlagen andere Kältemittel zum Einsatz kommen müssen. Eine Alternative zu R134A ist Kohlendioxid (CO₂). Der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel in Klimaanlagen hat jedoch aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu R134A höhere Betriebsdrücke in der Klimaanlage zur Folge. Der Betriebsdruck kann bis zum 10-fachen dessen betragen, was bei Klimaanlagen mit R134A üblich ist. Durch den höheren Druck wird eine höhere Dichte des Kohlendioxids bewirkt und somit ist ein geringerer Volumenstrom notwendig, um eine gewünschte Kälteleistung zu erbringen. Dies ermöglicht gegebenenfalls auch eine kompaktere Ausbildung der Klimaanlage und gleichzeitig ein Senken von Leitungsverlusten in einem Kältekreislauf der Klimaanlage.

Aufgrund der schädlichen Eigenschaften hoher Kohlendioxidkonzentrationen in der Luft, die sich insbesondere für die Fahrzeuginsassen gefährlich auswirken können, muss sichergestellt werden, dass Undichtigkeiten in dem Kältekreislauf der Klima anlage, die auch als Leckagen bezeichnet werden, sicher erkannt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage einer Klimaanlage zu schaffen, die einfach ist. Ferner ist die Aufgabe der Erfindung, eine Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage zu schaffen, die einfach ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch eine Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei einer Klimaanlage mit einem Schallsensor und mit einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Gasleckagesignals abhängig von einem Messsignal des Schallsensors.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Gase beim Ausströmen aus Lecks, insbesondere eines Kältekreislaufs einer Klimaanlage, charakteristische Schallschwingungen erzeugen. Durch ein Erfassen dieser Schallschwingungen mittels des Schallsensors und entsprechendes Auswerten in der Auswerteeinheit kann so einfach das Gasleckagesignal ermittelt werden. Schallsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie kostengünstig sein können.

Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Klimaanlage mit der Vorrichtung zum Erfassen der Gasleckage und mit einem Kältemittelkreislauf, wobei der Schallsensor akustisch gekoppelt ist mit dem Kältemittelkreislauf. Es hat sich gezeigt, dass so Gasleckagen in der Klimaanlage präzise erkannt werden und gleichzeitig vorzugsweise als Schallsensor ein einfacher Körperschallsensor mit einem Piezoaufnehmer eingesetzt werden kann. Derartige Körperschallsensoren sind besonders kostengünstig verfügbar.

Gemäß eines dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Klimaanlage mit der Vorrichtung zum Erfassen der Gasleckage und mit dem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer aufweist, und mit einem Luftkanal, der an dem Verdampfer vorbeigeführt ist. Der Schallsensor ist akustisch gekoppelt mit dem Luftkanal. Auf diese Weise können insbesondere einfach Gasleckagen erfasst werden, die zu einem Strömen des Leckagegases hin zu dem Luftkanal führen und somit gegebenenfalls zum Einströmen von schädlichen Gasen in den durch die Klimaanlage zu kühlenden Raum führen, der z.B. ein Fahrzeuginnenraum eines Kraftfahrzeugs sein kann. Ferner kann so ein einfaches Mikrofon eingesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die Auswerteeinheit ein Filter, das ausgebildet ist zum Wegfiltern von Frequenzanteilen des Messsignals, die kleiner sind als eine vorgegebene erste Frequenz. Ferner ist dann die Auswerteeinheit ausgebildet zum Filtern des Messsignals des Schallsensors mittels des Filters. Auf diese Weise können Störeinflüsse, die z.B. durch Motorschwingungen bei einem Kraftfahrzeug hervorgerufen werden, einfach eliminiert werden und so kann ein sicheres Erkennen einer Gasleckage gewährleistet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Integratoreinheit vorgesehen, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Zwischensignals durch Gleichrichten und Integrieren des Messsignals. Ferner umfasst die Auswerteein heit eine Vergleichseinheit, die das Gasleckagesignal erzeugt, wenn das Zwischensignal einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise ist eine einfache und präzise Erkennung einer Gasleckage gewährleistet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Filter auch ausgebildet ist zum Wegfiltern von Frequenzanteilen des Messsignals, deren Frequenz höher ist als eine vorgegebene zweite Frequenz, wobei die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz. Bei geeigneter Wahl der zweiten Frequenz können so auch Rauschanteile des Messsignals sehr sicher herausgefiltert werden und somit eine Gasleckage noch präziser erfasst werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage,
2 eine detailliertere Darstellung der Vorrichtung zum Erfassen der Gasleckage und
3 ein Frequenzspektrum eines Messsignals eines Schallsensors der Vorrichtung zum Erfassen der Gasleckage.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Klimaanlage (1) hat einen Kältemittelkreislauf 1. Der Kältemittelkreislauf 1 umfasst einen Verdichter 2, einen Gaskühler 4, dem ein erstes Gebläse 6 zugeordnet ist, einen internen Wärmetauscher 8, ein Expansionsventil 10, einen Verdampfer 12 und einen Sammelbehälter 14. Ferner umfasst der Kältemittelkreislauf 1 noch erste bis siebte Leitungen 16 – 28.
Der Kompressor 2 ist ausgangsseitig über die erste Leitung 16 mit einem Eingang des Gaskühlers 4 gekoppelt. Der Gaskühler 4 ist ausgangsseitig über die zweite Leitung 18 mit dem internen Wärmetauscher 8 gekoppelt und zwar über einen Hochdruckeingang des internen Wärmetauschers 8. Ein Hochdruckausgang des internen Wärmetauschers ist mittels der dritten Leitung 20 mit dem Expansionsventil 10 gekoppelt. Das Expansionsventil ist ausgangsseitig über die vierte Leitung mit einem Eingang des Verdampfers 12 gekoppelt. Ausgangsseitig ist der Verdampfer 12 über die siebte Leitung 24 mit einem Sammelbehälter 14 gekoppelt. Der Sammelbehälter 14 ist ausgangsseitig mit einem Niederdruckeingang des internen Wärmetauschers 8 gekoppelt. Ein Niederdruckausgang des internen Wärmetauschers ist über die siebte Leitung 28 mit einem Eingang des Kompressors 2 gekoppelt. Als Kältemittel ist Kohlendioxid vorgesehen.
Der Kompressor 2 komprimiert das einströmende Gas auf einen druck von beispielsweise maximal 135 bar. Dabei steigt die Temperatur des Kältemittels. In dem Gaskühler 4 wird das Kältemittel dann mittels vorbeiströmender Umgebungsluft gekühlt. Über den internen Wärmetauscher 8 wird das komprimierte Kältemittel weiter gekühlt und strömt dann hin zu dem Expansionsventil 10. Stromabwärts des Expansionsventils 10 wird das Kältemittel dann expandiert, d.h. der Druck verringert und somit sinkt seine Temperatur stark ab. Durch das Expansionsventil 10 wird bei der Expansion des ein Teil des Kohlendioxids verflüssigt infolge von adiabatischer Expansion.
Das dann sehr kalte, teilweise flüssige Kältemittel strömt in den Verdampfer 12, indem es dann verdampft und so die durch den Luftkanal 30 strömende Luft kühlt.
Ferner nimmt das Kältemittel beim Rückströmen durch den internen Wärmetauscher 8 hin zu dem Verdichter 2 weiter Wärme auf und kühlt so das Kältemittel, das durch die zweite Leitung 18 in den internen Wärmetauscher einströmt.
Dem Luftkanal 30 ist ein zweites Gebläse zugeordnet, mittels dessen der Luftstrom durch den Luftkanal 30 einstellbar ist. Der Luftkanal 30 ist bevorzugt hin zu einem Innenraum des zu kühlenden Raumes, insbesondere eines Fahrzeuginnenraumes eines Kraftfahrzeugs geführt, in dem die Klimaanlage angeordnet ist.
Eine Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei der Klimaanlage umfasst einen Schallsensor 34 und eine Auswerteeinheit 36. Der Schallsensor 34 ist bevorzugt so angeordnet, dass er akustisch gekoppelt ist mit dem Kältemittelkreislauf 1. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schallsensor 34 so angeordnet ist, dass eine besonders gute akustische Kopplung mit der ersten Leitung 16 und/oder der zweiten Leitung 18 und/oder der dritten Leitung 20 besteht. In den ersten bis dritten Leitungen 16 – 20 herrscht der höchste Druck und ein Auftreten eines Lecks, welches eine Gasleckage zur Folge hat, ist hier am wahrscheinlichsten.
Bevorzugt ist der Schallsensor 34 in diesem Fall als ein Körperschallsensor ausgebildet, und hat als Sensorelement ein Piezoelement. Derartige Körperschallsensoren sind kostengüns tig verfügbar und werden im Bereich von Brennkraftmaschinen auch als Klopfsensoren eingesetzt.
Alternativ kann der Schallsensor 34 auch an oder in dem Luftkanal 30 angeordnet sein und die Schallschwingungen der in dem Luftkanal 30 strömenden Luft erfassen. Er ist in diesem Fall bevorzugt als Mikrofon ausgebildet.
Die Auswerteeinheit 36 (2) umfasst einen Verstärker 38, der das Messsignal MS des Schallsensors 34 verstärkt und das so verstärkte Messsignal einem Filter 40 zuführt. Das Filter 40 ist bevorzugt als Bandpassfilter ausgeführt. In einer einfacheren Ausführungsform kann es jedoch auch als Hochpassfilter ausgebildet sein. Das Filter 40 filtert Frequenzanteile des verstärkten Messsignals MS weg, wenn deren Frequenz kleiner ist als eine erste Frequenz f1 oder größer ist als eine zweite Frequenz f2. Die erste Frequenz f1 und die zweite Frequenz f2 sind so gewählt, dass der für eine Gasleckage charakteristische Frequenzanteil des verstärkten Messsignals MS in einem gefilterten Messsignal MS-FIL erhalten bleibt. Schwingungen des Messsignals MS, die hervorgerufen sind durch Schwingungen einer Brennkraftmaschine, in der die Klimaanlage gegebenenfalls angeordnet ist, haben in der Regel eine Frequenz, die kleiner ist als die erste Frequenz f1.
Das gefilterte Messsignal MS-FIL wird anschließend einer Integratoreinheit 42 zugeführt, die bevorzugt einen Gleichrichter umfasst und einen nachgeschalteten Integrator. Ausgangsseitig erzeugt die Integratoreinheit 42 ein Zwischensignal ZS. Das Zwischensignal ZS kann beispielsweise jeweils nach einer vorgegebenen Zeitdauer wieder auf einen neutralen Wert zurückgesetzt werden. Bevorzugt ist jedoch in der Integratoreinheit 42 eine Entladeschaltungsanordnung vorgesehen, die dafür sorgt, dass dem Zwischensignal quasi kontinuierlich ein vorgebbarer Wert abgezogen wird. Dies hat dann zur Folge, dass das Zwischensignal ZS sich nur dann deutlich von seinem neutralen Wert entfernt, wenn das gefilterte Messsignal MS-FIL im Bereich der für eine Gasleckage charakteristischen Frequenzen eine vorgebbare für Gasleckagen charakteristische Amplitude aufweist.
Eine Vergleichereinheit 44 ist ausgebildet zum Vergleichen des Zwischensignals ZS mit einem vorgegebenen Schwellenwert THD. Der Schwellenwert THD ist geeignet so gewählt, dass eine Gasleckage in der Klimaanlage vorliegt, wenn das Zwischensignal ZS größer ist als der Schwellenwert THD. Der Schwellenwert THD ist bevorzugt vorab durch entsprechende Versuche mit der Klimaanlage oder durch Simulationen ermittelt.
Wenn das Zwischensignal ZS größer ist als der Schwellenwert THD, erzeugt die Vergleichereinheit 44 ein Gasleckagesignal GLS. Das Gasleckagesignal kann beispielsweise einer optischen Anzeigeeinheit in einem Kraftfahrzeug zugeführt werden und führt dann dort zur Signalisierung einer Gasleckage. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise auch abhängig von dem Gasleckagesignal GLS ein oder mehrere Fenster des Kraftfahrzeugs heruntergefahren werden, um sicherzustellen, dass die Kohlendioxidkonzentration in dem Fahrzeuginnenraum keine unzulässig hohen Werte überschreitet.
3 zeigt den Verlauf der Amplitude des Messsignals MS aufgetragen über die Frequenz f beispielhaft für einen Fall, in dem eine Gasleckage in der Klimaanlage auftritt. Die Frequenzen f1 und f2 bezeichnen die ersten und zweiten Frequenzen des Filters 40 im Bereich zwischen dritten und vierten Frequenzen f3 und f4 sind die Schwingungen des Messsignals MS im wesentlichen bedingt durch Schwingungen der Brennkraftmaschine.

1: Kältemittelkreislauf
2: Verdichter
4: Gaskühler
6: Gebläse
8: interner Wärmetauscher
10: Expansionsventil
12: Verdampfer
14: Sammelbehälter
16-28: 1.bis7. Leitung
30: Luftkanal
32: weiteres Gebläse
34: Schallsensor
36: Auswerteeinheit
38: Verstärker
40: Filter
42: Integrators
44: Vergleichereinheit
MS: Messsignal
MS-FIL: gefiltertes Messsignal
ZS: Zwischensignal
THD: Schwellenwert
GLS: Gasleckagesignal
f1,f2,f3,f4: erste .. vierte Frequenz

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage bei einer Klimaanlage, – mit einem Schallsensor (34), – mit einer Auswerteeinheit (36), die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Gasleckagesignals (GLS) abhängig von einem Messsignal (MS) des Schallsensors (34).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswerteeinheit (36) ein Filter (40) hat, das Frequenzanteile kleiner als eine vorgegebene erste Frequenz (f1) wegfiltert, und bei der die Auswerteeinheit (36) ausgebildet ist zum Filtern des Messsignals (MS) des Schallsensors (34) mittels des Filters (40).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit (36) eine Integratoreinheit (42) umfasst, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Zwischensignals (ZS) durch Gleichrichten und Integrieren des Messsignals (MS), und eine Vergleichereinheit (44) aufweist, die ausgebildet ist zum Erzeugen des Gasleckagesignals (GLS), wenn das Zwischensignal (ZS) einen vorgegebenen Schwellenwert (THD) überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der das Filter (40) ausgebildet ist, zum Wegfiltern von Frequenzanteilen des Messsignals (MS), deren Frequenz höher ist als eine vorgegebene zweite Frequenz (f2).
Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage nach einem der vorstehenden Ansprüche und mit einem Kältemittelkreislauf (1), wobei der Schallsensor (34) akustisch gekoppelt ist mit dem Kältemittelkreislauf (1).
Klimaanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und mit einem Kältemittelkreislauf (1), der einen Verdampfer (12) umfasst, und einen Luftkanal (30), der an dem Verdampfer (12) vorbeigeführt ist, wobei der Schallsensor (34) akustisch gekoppelt ist mit dem Luftkanal (30).