DE102008046622B4

DE102008046622B4 - Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit an einem Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage und Kühlaggragat für eine Kfz-Klimaanlage mit einem derartigen Sensor

Info

Publication number: DE102008046622B4
Application number: DE200810046622
Authority: DE
Inventors: Otto Knittel
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: DE102008046622A1

Abstract

Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit an einem Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage, mit
– einer mit einem Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10) thermisch koppelbaren Sensorfläche (26) oder einer als Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10) ausgebildeten Sensorfläche (26) oder einem eine Sensorfläche (26) aufweisenden Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10),
– einem Heizelement zur Erwärmung der Sensorfläche (26),
– einem Temperaturmessfühler zur Ermittlung der Temperatur der Sensorfläche (26) und
– einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (32) zur Ansteuerung des Heizelements (28) zwecks Erwärmung der Sensorfläche (26) und zur Auswertung der von dem Temperaturmessfühler (30) gelieferten Messsignale,
– wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit (32) anhand der Temperaturveränderung der Sensorfläche (26) während einer Erwärmung derselben und/oder anhand der Temperatur und/oder der Temperaturveränderung nach einer Erwärmung der Sensorfläche Feuchtigkeit auf der Sensorfläche (26) erkennt und/oder erkennt, ob die Sensorfläche (26) im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist, und
– wobei das Heizelement und...

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit an einem Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage und ein Kühlaggregat für eine Kfz-Klimaanlage mit einem derartigen Sensor.
Zur Kühlung und/oder Entfeuchtung der dem Innenraum eines Fahrzeuges zuzuführenden Luft weisen moderne Fahrzeuge Kühlaggregate auf, die mit Kühlelementen versehen sind, an denen die dem Innenraum zuzuführende Luft entlang strömt. Je nach Länge der Standzeit des Fahrzeuges nach Betrieb des Kühlaggregats verbleibt auf diesem immer noch Feuchtigkeit, die bei einem Neustart des Fahrzeuges zu einem kurzzeitigen Beschlagen der Windschutzscheibe führen kann. Dies wird mitunter als unangenehm und wenig komfortabel empfunden.
Aus DE 100 62 824 A1 ist es bekannt, an der Oberfläche des Kühlaggregats einer Kfz-Klimaanlage einen Feuchtesensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit vorzusehen.
In DE 10 2007 039 990 A1 ist ein Sensor zur Erfassung von Oberflächenfeuchtigkeit bekannt, der thermisch mit einer Messoberfläche gekoppelt ist und ein Element aufweist, das sowohl zum Erwärmen der Messoberfläche als auch zum Messen der Temperatur der Messoberfläche verwendet wird. Zur Ansteuerung dieses Elements zwecks Erwärmung der Messoberfläche und zur Auswertung der von dem Element gelieferten Temperaturmesssignale dient eine Ansteuer- und Auswerteeinheit.
Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere beim Start eines Fahrzeuges erkennen zu können, ob noch (Rest-)Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Kühl aggregats vorhanden ist, und zwar unter Verwendung eines Standardbauteils.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit an einem Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage vorgeschlagen, wobei der Sensor versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei der Erfindung wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Dynamik eines Aufheizvorganges bei einem Element, das eine trockene Oberfläche aufweist, anders ist als dann, wenn das Element auf seiner Oberfläche befeuchtet ist. Das trockene Element heizt sich nämlich schneller bzw. stärker auf als das an seiner Oberfläche nasse Element.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor wird also eine Sensorfläche mit Hilfe eines Heizelements erwärmt. Dabei wird in die Sensorfläche eine definierte Heizenergie, d. h. z. B. eine definierte Heizleistung innerhalb einer definierten Heizzeit eingebracht. Der Unterschied der Temperaturen der Sensorfläche vor und nach der Aufheizung gibt Aufschluss darüber, ob die Sensorfläche trocken oder feucht ist. Alternativ kann auch das Temperaturabklingverhalten detektiert werden, um eine feuchte Sensorfläche von einer trockenen zu unterscheiden. Schließlich kann auch anhand der Aufheiz- bzw. Abkühldynamik detektiert werden, ob die Sensorfläche vereist ist.
Erfindungsgemäß ist das Heizelement und den Temperaturmessfühler als kombiniertes Heiz- und Messelement auszuführen, das seine unterschiedlichen Funktionen in Abhängigkeit von der Größe der ihm zugeführten Versorgungsspannung ausübt, wobei das kombinierte Heiz- und Messelement als Leistungstransistor mit integriertem Temperatursensor ausgeführt ist und wobei der Leistungstransistor bei entsprechender Ansteuerung im halbleitenden Bereich infolge seiner Verlustleistung zum Heizen der Sensorfläche eingesetzt werden kann, während der integrierte Chiptemperatur-Sensor der Temperaturmessung der Sensorfläche dient.
Grundsätzlich kann die Sensorfläche Teil eines Kühlelementes des Kühlaggregats oder an einem davon getrennt ausgebildeten Element ausgebildet sein.
Um mit Hilfe der Sensorfläche den Grad der Oberflächenfeuchtigkeit des Kühlaggregats messtechnisch erfassen zu können, sollte die Sensorfläche zwischen den Kühlelementen des Kühlaggregats angeordnet und damit letztendlich derjenigen Luft ausgesetzt sein, die auch an den Kühlflächen und Kühlelementen des Kühlaggregats entlang strömt. Andererseits darf die Sensorfläche aber auch nicht zu stark an die thermische Masse des Kühlaggregats angekoppelt sein, da ihr Aufheizverhalten andernfalls maßgeblich durch das thermische Verhalten des Kühlaggregats bestimmt wäre. Insoweit zweckmäßig ist es daher, wenn die Sensorfläche lediglich linien- bzw. punktförmig an dem Kühlaggregat angekoppelt und somit von dem Kühlaggregat bzw. in dem Kühlaggregat fixiert ist. Dies wird beispielsweise zweckmäßig dadurch erreicht, dass die Sensorfläche als Oberfläche eines Materialstreifens ausgebildet ist, dessen Ränder lokale Vorsprünge aufweisen, an denen der Metallstreifen das Kühlaggregats kontaktiert und dadurch an diesem fixiert ist. Zweckmäßigerweise ist der Metallstreifen zwischen den bei Kühlaggregaten im Regelfall anzutreffenden Kühllamellen angeordnet.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe dient aber erfindungsgemäß auch ein Kühlaggregat für eine Klimaanlage eines Fahrzeuges zur Kühlung von dem Innenraum des Fahrzeuges zuzuführender Luft, wobei das Kühlaggregat versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensorik zur Erfassung der Oberflächenfeuchtigkeit eines Kühlaggregats einer Kfz-Klimaanlage ist darin zu sehen, dass der Temperaturmessfühler nicht nur zur Detektion der Dynamik des Aufheiz- und/oder Abkühlvorgangs der Sensorfläche genutzt werden kann, sondern auch dazu dienen kann, die Temperatur des Kühlaggregats zu ermit teln. Derartige Temperaturfühler sind bei Kühlaggregaten von Kfz-Klimaanlagen zwingend erforderlich, wenn die Kühlaggregate temperaturgeregelt sind bzw. um bei den Kühlaggregaten eine Vereisung zu verhindern. Insoweit kann also für die Implementierung der erfindungsgemäßen Sensorik die bisherige Infrastruktur im Fahrzeug (Verkabelung, Montage) beibehalten bleiben, wobei bei der erfindungsgemäßen Ausführung von Heizelement und Temperaturmessfühler als kombiniertes Element auf zusätzliche Kabel verzichtet werden kann. Mit dem oder den Kabeln ist dann beispielsweise im Klimasteuergerät die Ansteuer- und Auswerteeinheit verbunden, die für die kontrollierte und definierte Aufheizung der Sensorfläche und für die Auswertung der messtechnisch erfassten Aufheiz- bzw. Abkühldynamik der Sensorfläche sorgt.
Was das thermische Dynamikverhalten der Sensorfläche anbelangt, so kann unter Umständen die Temperatur der Sensorfläche vor ihrer Erwärmung und gegebenenfalls die Umgebungstemperatur mitentscheidend, also nicht allein die Temperaturdifferenz zu Beginn und zum Ende der Aufheizphase entscheidend sein. Eine entsprechende Sensorik ist aber einerseits in dem erfindungsgemäßen Sensor selbst bereits in Form des Temperaturmessfühlers vorhanden bzw. bei Kfz-Klimaanlagen durch den Außentemperaturfühler gegeben.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Oberflächenfeuchtigkeitssensorik kann eine Kfz-Klimaanlage nach einem (Neu-)Start des Fahrzeuges derart betrieben werden, dass bei detektierter Oberflächenfeuchte die dem Innenraum zuzuführende Luft nicht direkt gegen die Windschutzscheibe, sondern z. B. in dem Fußraum und/oder über die Mannanströmer ausgelassen wird. Wenn bzw. sobald auf dem Kühlaggregat keine Oberflächenfeuchte (mehr) vorhanden ist, kann die Luft (auch) über die Defrost-Öffnungen nahe der Windschutzscheibe ausgegeben werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
1 eine Ansicht auf ein von Luft durchströmbares Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage,
2 eine ausschnittsweise Darstellung des Kühlaggregats gemäß 1 in vergrößertem Maßstab,
3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele der Beschattung des Sensors für die Oberflächenfeuchtigkeitsdetektion und
5 zwei Diagramme zur Verdeutlichung der in die Sensorfläche eingebrachten Heizenergie und der unterschiedlichen Aufheizdynamiken der Sensorfläche in Abhängigkeit davon, ob diese trocken oder feucht ist.
In den 1 und 2 sind (Teil-)Ansichten auf ein Kühlaggregat 10 einer Kfz-Klimaanlage gezeigt. Das Kühlaggregat 10 ist hierbei als Verdampfer ausgebildet, der Teil eines Kältemittelkreislaufes ist und in dem sich das zuvor verdichtete Kältemittel entspannt und dabei der Umgebung Wärme entzieht. Das Kühlaggregat 10 weist ein Rohrregister 12 mit zwei Sammelrohren und zwischen diesen verlaufenden Verbindungsrohren 14 zum Leiten des Kühlmediums auf. Zwischen den Rohren befinden sich sogenannte Kühllamellen oder Kühlelemente 16, die in diesem Ausführungsbeispiel als zick-zack-förmige Bleche 18 ausgeführt sind. Zwischen benachbarten Abschnitten einer der Kühllamellen 18 befindet sich ein Sensor 20 zur Detektion einer möglichen Oberflächenfeuchtigkeit des Kühlaggregats 10. Der Sensor 20 weist einen Materialstreifen 22 aus beispielsweise Metall auf, der zwischen die Kühllamelle 18 geschoben ist und an seinen Lateralrändern örtliche Klemmvorsprünge 24 aufweist, über die der Sensor 20 linien- bzw. punktförmig in Kontakt mit dem Kühlaggregat 10 steht und in diesem fixiert ist. Die Oberfläche des Materialstreifens 22 bildet eine Sensorfläche 26, auf der sich Feuchtigkeit niederschlägt, wenn das Kühlaggregat 10 auf seiner Oberfläche befeuchtet ist, was beispielsweise durch die Kondensatbildung auf Grund der Luftfeuchtigkeit bei Abkühlung der Luft zurückzuführen ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors 20 ist in 3 gezeigt. Auf der Sensorfläche 26 befinden sich in thermischem Kontakt mit dieser ein elektrisches Heizelement 28 sowie ein Temperaturmessfühler 30. Beide Elemente sind mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 elektrisch verbunden. Der Temperaturmessfühler 30 dient der Erfassung der Temperatur der Sensorfläche 26 und erfasst die Aufheizdynamik der Sensorfläche 26, wenn diese durch das Heizelement 28 (kurzzeitig) aufgeheizt wird. Hierzu wird innerhalb einer definierten Zeit eine definierte Heizleistung und damit insgesamt eine definierte Heizenergie in die Sensorfläche 26 bzw. den Materialstreifen 22 eingebracht, wie es in dem unteren Diagramm der 5 dargestellt ist. In Abhängigkeit davon, ob die Sensorfläche trocken oder feucht ist, stellt sich eine unterschiedliche Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur zu Beginn und zum Ende des Aufheizvorgangs ein.
Wenn die Sensorfläche 26 trocken ist, wird sie sich (bei gleicher Empfangstemperatur zu Beginn der Aufheizung) auf eine höhere Temperatur aufheizen als in dem Fall, in dem die Sensorfläche 26 befeuchtet ist. Dies ist in dem oberen Diagramm der 5 mit ΔT_tr und ΔT_fe kenntlich gemacht, wobei mit T₀ die Anfangstemperatur vor bzw. bei Beginn der Aufheizung und mit T_1fe und T_1tr die Temperaturen zum Ende der Aufheizung bei feuchter bzw. bei trockener Sensorfläche 26 gemeint ist.
Die thermische Masse des Materialstreifens 22 sollte so gering wie angesichts der erforderlichen mechanischen Stabilität möglich sein, so dass eine Betauung des Materialstreifens zu einer spürbaren Erhöhung der thermischen Gesamtmasse aus Materialstreifen und Betauung führt, womit sich das dynamische thermische Verhalten des Materialstreifens ohne Betauung von demjenigen Verhalten des Materialstreifens mit Betauung determinierbar unterscheidet.
Die Temperaturdifferenz wird nun in der Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 ausgewertet, um eine Aussage darüber zu treffen, ob die Sensorfläche 26 trocken ist oder nicht bzw. ob die Sensorfläche 26 feucht ist oder nicht. Um diese Aussagen mit größerer Genauigkeit treffen zu können, kann in die Bewertung noch die Anfangstemperatur T₀ bzw. die Umgebungstemperatur eingehen. In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiels eines Sensors 20' gezeigt, wobei in dieser Figur für Elemente, die den Elementen des Sensors 20 gemäß 3 entsprechen bzw. mit diesen gleich sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.
Der Unterschied der Sensoren 20 und 20' der 3 und 4 ist darin zu sehen, dass im Ausführungsbeispiel gemäß 4 der Sensor 20' über ein kombiniertes Element 34 verfügt, das je nach seiner Ansteuerung durch die Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 die Funktion des Aufheizens oder die Funktion der Temperaturmessung der Sensorfläche 26 übernimmt. Bei diesem Element 34 handelt es sich beispielsweise um ein PTC-Widerstandselement, das bei Anlegen einer relativ kleinen Versorgungs-(Mess-)Spannung der Temperaturmessung und bei Anlegen einer großen Versorgungsspannung der Aufheizung der Sensorfläche 26 dient. Als kombiniertes Element 34 wird erfindungsgemäß ein Leistungs-MOSFET mit integriertem Chiptemperatur-Sensor verwendet.
In den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Sensors sind die Heizelemente sowie Temperaturmessfühler bzw. das kombinierte Element jeweils als direkt in thermischem Kontakt mit dem Materialstreifen 22 stehend dargestellt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es nicht notwendigerweise eines direkten thermischen Kontaktes dieser Elemente mit dem Materialstreifen 22 bedarf. Ebenso ist es möglich, dass die besagten Elementen in thermischem Kontakt mit Zwischenelementen stehen, die ihrerseits mit dem Materialstreifen 22 thermisch gekoppelt sind.

10: Kühlaggregat
12: Rohrregister
14: Verbindungsrohr
16: Kühlelement
18: Kühllamelle
20: Sensor
20': Sensor
22: Materialstreifen
24: Klemmvorsprünge
26: Sensorfläche
28: Heizelement
30: Temperaturmessfühler
32: Auswerteeinheit
34: kombiniertes Heiz- und Messelement

Claims

Sensor zur Erfassung einer Oberflächenfeuchtigkeit an einem Kühlaggregat einer Kfz-Klimaanlage, mit – einer mit einem Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10) thermisch koppelbaren Sensorfläche (26) oder einer als Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10) ausgebildeten Sensorfläche (26) oder einem eine Sensorfläche (26) aufweisenden Kühlelement (16) des Kühlaggregats (10), – einem Heizelement zur Erwärmung der Sensorfläche (26), – einem Temperaturmessfühler zur Ermittlung der Temperatur der Sensorfläche (26) und – einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (32) zur Ansteuerung des Heizelements (28) zwecks Erwärmung der Sensorfläche (26) und zur Auswertung der von dem Temperaturmessfühler (30) gelieferten Messsignale, – wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit (32) anhand der Temperaturveränderung der Sensorfläche (26) während einer Erwärmung derselben und/oder anhand der Temperatur und/oder der Temperaturveränderung nach einer Erwärmung der Sensorfläche Feuchtigkeit auf der Sensorfläche (26) erkennt und/oder erkennt, ob die Sensorfläche (26) im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist, und – wobei das Heizelement und der Temperaturmessfühler als ein ein Gehäuse aufweisender Transistor mit im Gehäuse integriertem Temperatursensor ausgeführt sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor mit der Sensorfläche (26) oder einem mit dieser thermisch gekoppelten Element mechanisch verbunden ist,
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein die Sensorfläche (26) aufweisendes Plattenelement (22), das von einem Rand begrenzt ist, der zwecks linien- bzw. punktförmiger Kontaktierung eines Kühlelements des Kühlaggregats mit Randvorsprüngen (24) versehen ist.
Kühlaggregat für eine Klimaanlage eines Fahrzeuges zur Kühlung von dem Innenraum des Fahrzeuges zuzuführender Luft, mit – einem Rohrregister (12), das mehrere nebeneinander angeordnete Rohre (14) aufweist, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind, – von Luft umströmbaren Kühlelementen (16), die in thermischem Kontakt mit den Rohren (14) stehen, und – einem Sensor (20; 20') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorfläche (26) des Sensors (20; 20') zwischen benachbarten Kühlelementen (16) angeordnet ist.
Kühlaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20; 20') ein die Sensorfläche (26) aufweisendes Plattenelement (22) aufweist, das von einem Rand begrenzt ist, und dass der Rand des Plattenelements (22) Randvorsprünge (24) zur linien- bzw. punktförmigen Kontaktierung eines Kühlelements (16) und/oder eines der Rohre (14) des Rohrregisters (12) aufweist.