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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungsanlage
für ein
Kraftfahrzeug, die einen Kältemittelkreis
mit Kompressor, Kondensator und einen Verdampfer aufweisendem Hauptverbraucherzweig
sowie wenigstens einen parallel angeschlossenen Nebenverbraucherzweig
mit einem Kältespeicher
und einem eigenen Verdampfer aufweist, wobei vor jedem Verdampfer
ein Absperrventil angeordnet ist. Eine solche Klimatisierungsanlage
ist gewöhnlich
Bestandteil einer Heiz-, Belüftungs-
und Luftkonditionieranlage, die in der Fachliteratur oft mit dem
Akronym HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) bezeichnet
wird.
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Klimatisierungssysteme
mit Kältespeicher ermöglichen
den Klimatisierungsbetrieb auch bei stillstehendem Fahrzeug. Ein
Bedarf für
Klimatisierung im Stillsand besteht besonders bei Nutzfahrzeugen
wie LKWs oder Bussen und auch beispielsweise bei Wohnmobilen. Kältespeicher
sind aber auch nützlich
als Ergänzung
zu Heiz- und Klimatisierungssystemen in gewöhnlichen Fahrzeugen, indem
sie bei Spitzenbedarf an Kühlleistung
die verfügbare
Kühlkapazität vergrößern. Solche
Systeme können
mit kleineren Kompressoren ausgestattet werden.
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Im
Betrieb von Klimatisierungsanlagen mit Kältespeicher treten allerdings
einige Probleme auf. Der Kältespeicher
benötigt
einen eigenen Verbraucherzweig, der parallel zu dem Hauptverbraucherzweig
aus demselben Kältemittelkreislauf
betrieben wird. Die bekannten Systeme kennen nur zwei Schaltzustände. Im
ersten Schaltzustand ist nur das Absperrventil zum Verbraucherzweig
des Kältespeichers
geöffnet
und das Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges geschlossen. In diesem
Schaltzustand, der kurz als „Aufladen” bezeichnet
werden kann, wird der Kältespeicher
aus dem Kältemittelkreis
geladen. Kriterium für
diesen ersten Schaltzustand ist, daß die Lufttemperatur am Auslaß des Verdampfers
im Hauptverbraucherzweig unter einen unteren Grenzwert absinkt,
der im Bereich von 1°C
bis 5°C
liegt. Bei niedrigeren Temperaturen besteht die Gefahr der Vereisung
des Verdampfers. Deshalb wird der Hauptverbraucherzweig abgesperrt,
und die verfügbare
Kühlleistung
wird zum Aufladen des Kältespeichers
genutzt. Im zweiten Schaltzustand, der kurz als „Kühlen” bezeichnet werden kann, ist
das Absperrventil zum Verbraucherzweig des Kältespeichers geschlossen und
das Absperrventil zum Hauptverbraucherzweig geöffnet. Kriterium für diesen
zweiten Schaltzustand ist, daß die
Lufttemperatur am Auslaß des
Verdampfers im Hauptverbraucherzweig über einen oberen Grenzwert
ansteigt, der bei 4°C
bis 10°C
liegt. Bei höheren
Temperaturen nimmt die Kühlkapazität ab, und
es besteht die Möglichkeit,
daß Feuchtigkeitsgeruch
auftritt.
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Mit
den genannten Temperaturwerten für
die Umschaltung zwischen den zwei Schaltzuständen „Aufladen” und „Kühlen” wird zwar eine gute Kühlkapazität gewährleistet
und das Auftreten von Feuchtigkeitsgeruch vermieden, jedoch ist
es dann bei höherer
abverlangter Kühlleistung
im Hauptverbraucherzweig nicht möglich,
den Kältespeicher
zu 100% aufzuladen. Um zu erreichen, daß der Kältespeicher zu 100% aufgeladen
wird, müßte die
Temperaturgrenze für
den Wechsel von „Kühlen” nach „Aufladen” auf beispielsweise
7 bis 10°C
erhöht
werden. Gleichzeitig müßte die
Temperaturgrenze für
den Wechsel von „Aufladen” zu „Kühlen” erhöht werden auf
etwa 9 bis 12°C.
Das führt
aber zu hohen Lufttemperaturen am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges
und einer entsprechend schlechten Kühlkapazität.
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Ein
weiteres Problem ist die verzögerte
Beendigung des Verdampfungsprozesses am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges
beim Wechsel in den Schaltzustand „Aufladen”. Der Verdampfer ist zu diesem
Zeitpunkt mit flüssigem
Kältemittel
angefüllt.
Da die Saugwirkung aus dem Kältemittelkreis andauert,
wird das flüssige
Kältemittel
weiter verdampft. Im Schaltzustand „Aufladen” sinkt aber die Verdampfertemperatur
auf Werte um –18°C oder gar –20°C ab. Dabei
besteht verstärkt
die Gefahr der Vereisung. Um dem vorzubeugen, kann der Wechsel von „Kühlen” zu „Aufladen” nicht
bei der eigentlich vorteilhaften niedrigen Temperatur von 1°C bis 5°C erfolgen,
sondern muß bei
wesentlich höheren
Temperaturen von 8 bis 12°C
erfolgen. Dies führt
nicht nur zu einer geringeren Kühlleistung,
sondern auch zu einer unhomogenen Temperaturverteilung der Luftströmung am Verdampfer,
wodurch auch die sichere Temperaturerfassung zur Vermeidung von
Eisbildung erschwert wird. Diese Schwierigkeiten bestehen besonders
bei niedrigen bis mittleren Kühlleistungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
vermeidet diese Schwierigkeiten und ermöglicht zugleich eine Aufladung
des Kältespeichers
bis auf 100%. Gemäß der Erfindung
ist das Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gekennzeichnet,
dass das Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges in Betriebsphasen
mit Aufladung des Kältespeichers
regelmäßig nur
für eine
vorbestimmte Öffnungszeit
geöffnet wird,
die von den jeweiligen Betriebsparametern abhängt. Die wichtigsten Betriebsparameter
sind die Lufteintrittstemperatur und der Luftmassendurchfluß am Verdampfer
des Kältemittelkreises.
Insbesondere werden bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens die
Absperrventile der Verbraucherkreise wie folgt gesteuert:
- a) das Absperrventil des Nebenverbraucherzweiges
ist geschlossen und das Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges
geöffnet,
wenn die Luftauslasstemperatur am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges
eine obere Grenztemperatur im Bereich von etwa 3°C bis 10°C, bevorzugt 5°C, überschreitet.
Weiter bevorzugt ist eine Steuerung der Absperrventile wie folgt:
- b) das Absperrventil des Nebenverbraucherzweiges ist geöffnet und
das Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges ist geschlossen, wenn
entweder
- b1) die Luftauslasstemperatur am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges
eine untere Grenztemperatur im Bereich von etwa 0°C bis 6°C, bevorzugt
3°C, unterschreitet
oder
- b2) die vorbestimmte Öffnungszeit
für das
Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges überschritten wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit den alternierenden Ladebetrieb des Kältespeichers parallel zu dem
Kühlbetrieb
bei niedrigeren Lufttemperaturen am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges.
Zugleich werden Inhomogenitäten
der Lufttemperatur und zeitliche Temperaturschwankungen vermindert.
Durch die Begrenzung der Öffnungszeit
für das
Absperrventil des Hauptverbraucherzweiges sammelt sich in dessen
Verdampfer nicht mehr als eine geeignete Menge von flüssigem Kältemittel an.
Infolgedessen sinkt die Lufttemperatur am Verdampfer nicht weiter
ab, nachdem das Absperrventil im Hauptverbraucherzweig geschlossen
wurde. Aus diesem Grund ist es möglich,
den unteren Grenzpunkt von 3°C
als Kriterium zum Schließen
dieses Absperrventils zu wählen.
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Als
weitere Folge dieser niedrigen Temperaturgrenze wird eine niedrigere
mittlere Auslaßtemperatur
von 5 bis 7°C
erreicht. Dadurch wird auch die Homogenität am Auslaß des Verdampfers verbessert.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß ein örtlich festgelegter
kältester
Punkt für
die Temperaturerfassung zur Vermeidung von Eisbildung nicht notwendig
ist, weil der Verdampfer auch zeitgesteuert abgeschaltet wird. Durch
diese Zeitbegrenzung werden auch die Zykluszeiten kürzer, so
daß die
zeitlichen Schwankungen der Lufttemperatur am Auslaß des Verdampfers
reduziert werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform bleibt
das Absperrventil zum Nebenverbraucherzweig des Kältespeichers
permanent geöffnet, solange
der Kältespeicher
nicht vollständig
aufgeladen ist und die Bedingung eingehalten bleibt, daß die Luftauslasstemperatur
am Verdampfer des Hauptverbraucherzweiges die obere Grenztemperatur
im Bereich von etwa 4°C
bis 10°C
nicht überschreitet.
In einer Variante dieser Ausführungsform
wird das Absperrventil zum Verbraucherzweig mit Kältespeicher unabhängig vom Öffnungs- und Schließzustand
des Absperrventils des Hauptverbraucherzweiges gesteuert, z. B.
alternierend geöffnet
und geschlossen. Diese Betriebsart kann je nach erforderlicher Kühllast und
je nach Drehzahl des Kompressors vorteilhaft sein, um den Kältespeicher
ohne Abstriche bei der Kühlleistung
möglichst
vollständig
aufzuladen.
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Nach
längerer
permanenter Aufladung kann es zweckmäßig sein, den Kompressor etwa
5 bis 30 Sekunden vor dem Öffnen
des Absperrventils zum Hauptverbraucherzweig ganz abzuschalten,
um einer Vereisung des Verdampfers in diesem Verbraucherkreis vorzubeugen.
In dieser Zeitspanne kann die sehr niedrige Temperatur, die zum
Aufladen des Kältespeichers
erforderich ist, auf einen unkritischen Wert ansteigen.
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Die
limitierte Öffnungszeit
des Absperrventils zu dem Hauptverbraucherzweig kann geschätzt, berechnet
oder auch aus Speichertabellen entnommen werden. In die Bestimmung
gehen insbesondere die folgenden Größen ein:
- – Luftmassendurchfluß am Verdampfer
des Kühl-Verbraucherkreises,
- – Lufteintrittstemperatur.
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Weitere
Größen, die
vorteilhaft berücksichtigt
werden, sind:
- – Motor- bzw. Kompressordrehzahl,
- – verschiedene
Druck- und Temperaturwerte am Kühlkreislauf
und in den Verbraucherkreisen.
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Zweckmäßige Öffnungszeiten
liegen in einem Bereich von einigen Sekunden bis einigen zehn Sekunden
bei Tendenz zu längeren
Zeiten sowohl mit zunehmender Lufteintrittstemperatur als auch mit
zunehmendem Luftmassendurchfluß.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 das
Prinzipschema einer Klimatisierungsanlage mit Kältespeicher;
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2 ein
Diagramm, das die Öffnungszeit des
Absperrventils zum Verbraucherkreis mit Kühl-Wärmetauscher in Abhängigkeit
vom Luftmassendurchfluß am
zugehörigen
Verdampfer zeigt; und
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3 ein
Zeitdiagramm der Öffnungs-
und Schließzustände der
Absperrventile zu den Verbraucherkreisen.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Klimatisierungsanlage
mit Kältespeicher
ist Bestandteil einer HVAC-Anlage für Nutzfahrzeuge. In einem Kühlkreislauf
befinden sich ein Kompressor 10, ein Kondensator 12,
ein Kältemittel-Sammler 14,
ein Absperrventil 16, eine thermostatische Entspannungsdüse 18 und
ein Verdampfer 20, von dem das Kältemittel über eine Saugleitung 22 zurück zum Kompressor 10 gelangt.
Der Verdampfer 20 wird von der zu klimatisierenden Luft
der Fahrerkabine durchströmt
und ist somit Bestandteil eines Hauptverbraucherzweiges.
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Parallel
zu dem Hauptverbraucherzweig ist über ein weiteres Absperrventil 24 ein
Nebenverbraucherkreis mit Entspannungsdüse 26 und Verdampfer 28 angeschlossen.
Der Verdampfer 28 ist Bestandteil eines Kältespeichers 30,
der einen Wärmetauscher
bildet, in dem der Verdampfer thermisch mit einem Strömungsweg 32 für ein Wärmeträgermedium
in einem Nebenklimatisierungskreis gekoppelt ist. Dieser Nebenklimatisierungskreis
enthält
einen Wärmetauscher 34,
einen Ausgleichsbehälter 36 und eine
Zirkulationspumpe 38 und ist z. B. einer Ruhekabine im
Nutzfahrzeug (LKW) zugeordnet.
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Die
Steuerung der Absperrventile 16 und 24 erfolgt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dessen
Besonderheit besteht vor allem darin, dass die Öffnungszeit für das Absperrventil 16 des
Hauptverbraucherzweiges begrenzt wird. Das Absperrventil wird somit
jeweils nur während
einer begrenzten Zeitspanne geöffnet.
Dadurch wird verhindert, dass sich im Verdampfer 20 zu
viel flüssiges
Kältemittel ansammelt
und dann durch die niedrige Temperatur am Verdampfer 28 des
Nebenverbraucherzweiges, die bis zu –20°C betragen kann, der Verdampfer 20 vereist,
wenn das Absperrventil 16 schon geschlossen ist. Die optimale
Dauer der Öffnungszeit
für das Absperrventil 16 hängt von
verschiedenen Faktoren ab. Die wichtigsten Faktoren sind die Lufteintrittstemperatur
und der Luftmassenstrom am Verdampfer 20 des Kältemittelkreises. 2 zeigt
beispielhaft, aber durchaus typisch, die optimalen Werte für drei verschiedene
Luftmasseströme
in einem Umgebungstemperaturbereich von 22°C bis 40°C. Die vorbestimmten Öffnungszeiten
für das
Absperrventil 16 liegen dann im Bereich von 3 bis 12 Sekunden
für einen Durchfluß von 180
kg/h, 4 bis 16 Sekunden für
einen Durchfluß von
240 kg/h und 8 bis 26 Sekunden für
einen Durchfluß von
400 kg/h. Die Dauer nimmt tendenziell zu sowohl mit zunehmender
Temperatur als auch mit zunehmendem Durchfluß.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
die Öffnungszeit
D
op wie folgt bestimmt:
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Darin
ist Tein die Lufteintrittstemperatur und Qaf der Luftmassenstrom.
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Zusätzliche
Parameter zur Bestimmung der optimalen Öffnungszeit sind die Drehzahl
oder Förderleistung
des Kompressors sowie die verschiedenen im System gemessenen Temperaturen
und/oder Drücke.
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Grundsätzlich ist,
wie in 3 dargestellt, das Absperrventil 16 (3a) geöffnet,
wenn das Absperrventil 24 (3b) geschlossen ist, und umgekehrt.
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Das
Absperrventil 24 kann aber auch unabhängig vom Zustand des Absperrventils 16 gesteuert werden.
Bei ausreichender Kühlkapazität kann es permanent
geöffnet
bleiben, bis der Kältespeicher 30 zu
100% aufgeladen ist. Dies ist in 3c mit
durchgezogener Linie verdeutlicht. Alternativ kann das Absperrventil 24 vorübergehend
geschlossen werden, wie in 3c punktiert
verdeutlicht, beispielsweise wenn der Kühlbedarf im Hauptverbraucherzweig kurzfristig
stark ansteigt.
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Die
Schaltzustände
der Anlage berücksichtigen
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
außer dem
Ladezustand des Kältespeichers
vor allem die relevanten Temperaturen zur Gewährleistung einer ausreichenden
Klimatisierung des Hauptverbrauchers, in der Regel die Fahrerkabine
im Fall eines Nutzfahrzeugs (LKW), und zur Vermeidung einer Vereisung
am Verdampfer des Kältemittelkreises.
Allerdings ist es nun möglich,
das Temperaturniveau am Luftaustritt des Verdampfers gegenüber herkömmlichen
Lösungen
erheblich abzusenken. So wird das Absperrventil 24 des
Nebenverbraucherzweiges geschlossen, wenn der Kältespeicher 30 zu
100% aufgeladen ist. Im Betrieb mit Aufladung des Kältespeichers
wird das Absperrventil 16 des Hauptverbraucherzweiges geöffnet, wenn
die Luftauslasstemperatur am Verdampfer 14 des Hauptverbraucherzweiges
eine obere Grenztemperatur im Bereich von etwa 3°C bis 10°C, bevorzugt 5°C, überschreitet.
In diesem Fall besteht Bedarf für
Kühlung im
Hauptverbraucherzweig. Das Absperrventil 24 des Nebenverbraucherzweiges
wird geöffnet
und das Absperrventil 16 des Hauptverbraucherzweiges ist geschlossen,
wenn entweder
- – die Luftauslasstemperatur
am Verdampfer 14 des Hauptverbraucherzweiges eine untere Grenztemperatur
im Bereich von etwa 0°C
bis 6°C,
vorzugsweise 1°C
bis 5°C
und bevorzugt 3°C,
unterschreitet oder
- – die
vorbestimmte Öffnungszeit
für das
Absperrventil 16 des Hauptverbraucherzweiges überschritten
wird.
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In
beiden Fällen
kann die Kühlleistung
ganz zum Laden des Kältespeichers 30 genutzt
werden.
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Vor
dem Öffnen
des Absperrventils 16 im Anschluß an einen permanent oder alternierend
geöffneten
Zustand des Absperrventils 24 wird der Kompressor 10 vorzugsweise
für eine
Dauer von 5 bis 30 Sekunden deaktiviert. Während dieser Zeitspanne kann
die sehr niedrige Temperatur von bis zu –20°C, die zum Laden des Kältespeichers
erforderlich ist, auf einen unkritischen Wert ansteigen, um ein
Vereisen des Verdampfers 20 sicher zu verhindern.
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Auch
bei Verwendung eines Kompressors mit variabler Verdrängung erfolgt
die Steuerung der Absperrventile nach dem beschriebenen Verfahren. Es
ist nämlich
nicht möglich,
allein durch Steuerung des Kompressorfördervolumens ein Einfrieren
des Verdampfers 20 im Kältemittelkreis
zu verhindern, und die Steuerung allein auf Grundlage der Luftaustrittstemperatur
am Verdampfer 20 ist ungeeignet, weil das Temperaturniveau
von 0°C
bis 4°C
viel zu hoch liegt, um den Kältespeicher
aufzuladen. Die einzige zusätzliche
Maßnahme
bei Verwendung eines Kompressors mit variabler Verdrängung ist
eine Begrenzung des minimalen Verdampferdrucks auf etwa 2 bar, um
einen zu niedrigen Saugdruck im Fall höchster Kompressorgeschwindigkeit
und niedriger Lufteintrittstemperatur zu vermeiden.