-
Die
Erfindung betrifft 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 Klimaanlage, die auch als Leckagen bezeichnet werden, sicher erkannt
werden.
-
Aus
der
DE 199 59 439
A1 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt.
Sie umfasst einen Kältemittelkreislauf
mit einem Verdichter, einem Gaskühler
oder Verflüssiger,
einer Druckwellenmaschine, welche eine Expansionsvorrichtung bildet,
und einem Verdampfer. Als Kältemittel
wird Kohlendioxid eingesetzt. Das Kältemittel wird in dem Kältemittelkreislauf in
einen Nassdampf-Zustand gebracht.
-
Aus
der
DE 102 54 120
B3 ist ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen
bekannt, bei dem die zu prüfenden
Anlage mit einem Gas unter Überdruck
beaufschlagt wird. Nach einer Beruhigungsphase wird der Überdruck gemessen
und gespeichert. Nach einer Zeit wird der Überdruck erneut gemessen und
gespeichert. Aus der Differenz der gespeicherten Werte wird der
Grad der Dichtigkeit abgeleitet. Nach der ersten Messung werden
Adapter einer Füll-
und Messeinrichtung von der Klimaanlage getrennt. Nach einem längeren Zeitraum
werden die Adapter einer zweiten Messeinrichtung mit der Klimaanlage
verbunden und deren Messwerte mit den Messwerten der ersten Messung verglichen.
Anschließend
wird die Klimaanlage entlüftet
und von den Adaptern der zweiten Messeinrichtung getrennt.
-
Aus
der
DE 197 37 869
A1 ist ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von Kfz-Klimaanlagen bekannt,
bei dem die Klimaanlage mit einem Gas unter Überdruck beaufschlagt wird
und ein Auftretender Druckabfall detektiert wird. Ein dichtes Referenzvolumen
wird mit dem gleichen Druck wie die Klimaanlage beaufschlagt. Eine
Druckdifferenz zwischen Klimaanlage und dem Referenzvolumen wird
detektiert.
-
Aus
der
GB 2 269 900 A ist
ein Verfahren zur akustischen Leckerkennung für große Flüssigkeitstanks bekannt. Zum
Testen eines Tanks wird ein akustischer Sensor an eine äußere Oberfläche des zu
testenden Tanks angebracht. Der Druck in dem Tank wird dann erhöht oder
erniedrigt und zwar derart, dass der Druck in dem Tank nicht dem
atmosphärischen
Druck entspricht und ein Differenzdruck über der Wand des Tanks abfällt. Dadurch
wird Luft zum Strömen
durch jegliche Löcher
die möglicherweise
in der Tankwand existieren angeregt. Der akustische Sensor erfasst
den Schall, der durch die durch das entsprechende Loch strömende Luft
erzeugt wird.
-
Aus
der
DE 197 57 581
C2 ist eine Armatur, das heißt ein Überflurhydrant, zum Anschluss
an ein erdverlegtes Leitungssystem für Medien bekannt. Die Armatur
hat einen verschließbaren
Raum zur permanenten Aufnahme einer Messeinrichtung zum Detektieren
eines Lecks in dem Leitungssystem. Die Messeinrichtung umfasst einen
Magneten an einem Sensor.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klimaanlage zu schaffen, die
ein einfaches Erfassen einer Gasleckage ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Klimaanlage
mit einem Kältemittelkreislauf
umfassend einen Gaskühler
und mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Gasleckage. Die Vorrichtung
zum Erfassen der Gasleckage umfasst einen Schallsensor, dessen Sensorelement ein
Piezoelement ist, und eine Auswerteeinheit die ausgebildet ist zum
Erzeugen eines Gasleckagesignals abhängig von einem Messsignal des
Schallsensors. Der Schallsensor ist so angeordnet, dass er akustisch
gekoppelt ist mit einer ersten Leitung, die einen Kompressor ausgangsseitig
mit einem Eingang des Gaskühlers
koppelt, und/oder mit einer zweiten Leitung, die den Gaskühler ausgangsseitig mit
einem internen Wärmetauscher
koppelt, und/oder mit einer dritten Leitung, die den Wärmetauscher
mit einem Expansionsventil koppelt. Das Kältemittel ist in der ersten
beziehungsweise zweiten beziehungsweise dritten Leitung gasförmig.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung
zum Erfassen einer Gasleckage bei der Klimaanlage mit einem Schallsensor
und mit einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zum Erzeugen
eines Gasleckagesignals abhängig
von einem Messsignal des Schallsensors. Ferner umfasst die Klimaanlage
einen Kältemittelkreislauf,
der einen Verdampfer aufweist, und einen Luftkanal, der an dem Verdampfer
vorbeigeführt
ist. Der Schallsensor ist akustisch gekoppelt mit dem Luftkanal.
-
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.
-
Bezüglich des
ersten Aspekts hat es 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.
-
Bezüglich des
zweiten Aspekts hat es sich gezeigt, dass so insbesondere einfach
Gasleckagen erfasst werden können,
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.
bis 7. Leitung
- 30
- Luftkanal
- 32
- weiteres
Gebläse
- 34
- Schallsensor
- 36
- Auswerteeinheit
- 38
- Verstärker
- 40
- Filter
- 42
- Integrator
- 44
- Vergleichereinheit
- MS
- Messsignal
- MS_FIL
- gefiltertes
Messsignal
- ZS
- Zwischensignal
- THD
- Schwellenwert
- GLS
- Gasleckagesignal
- f1,
f2, f3, f4
- erste
.. vierte Frequenz