DE102014223956B4 - Verfahren zur Überwachung einer Füllmenge eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Füllmenge eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (46) einer Kälteanlage (10), mit einem Kompressor (12), einem Kondensator oder einem Gaskühler (14), einer Entspannungsvorrichtung (16) und einer Verdampfereinrichtung (18), wobei eine Füllmengenüberwachung bei ausgeschaltetem Kompressor (12) folgende Schritte umfasst:- Messen mindestens einer Temperatur des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (46) an der Verdampfereinrichtung (18) und einer Temperatur des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (46) an dem Kondensator oder dem Gaskühler (14);- Messen eines Drucks des Kältemittels in der Kälteanlage (10);- Ermitteln einer Kältemittelfehlfüllung, insbesondere einer Unterfüllung an Kältemittel, wenn der gemessene Druck außerhalb eines Solldruckbereichs liegt, wobei ein Solldruck des Kältemittels, ausgehend von der niedrigsten gemessenen Temperatur, bestimmt wird, und der Solldruckbereich Druckwerte umfasst, welche von dem Solldruck höchstens um eine vorgegebene Toleranz abweichen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage, insbesondere für ein Fahrzeug.
• Kompressionskälteanlagen, bzw. Klimatisierungssysteme, werden beispielsweise zur Klimatisierung von Fahrzeugen wie Personenkraftwagen oder Bussen als Klimaanlagen eingesetzt, um die Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs herabzusetzen. Eine gattungsgemäße Kompressionskälteanlage umfasst ein kältemittelführendes System mit einer Kondensatoreinheit, die mindestens einen Kondensator oder mindestens einen Gaskühler umfasst, ferner eine Entspannungsvorrichtung, eine Verdampfereinheit sowie einen Kompressor, die über kältemittelführende Leitungen miteinander verbunden sind. In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel.
• Unter dem Gesichtspunkt der Umweltverträglichkeit wird als Alternativmedium für Kompressionskälteanlagen Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel eingesetzt. Das natürlich vorkommende Kohlendioxid weist im Vergleich zu anderen Kältemitteln ein sehr geringes klimaschädigendes Treibhauspotenzial auf. Ein Nachteil von CO₂ liegt in seiner niedrigen kritischen Temperatur von nur 31°C, weshalb die Wärmeabgabe oberhalb des kritischen Druckes und ohne Kondensation/Verflüssigung erfolgen muss. Der kritische Druck von CO₂ beträgt etwa 74 bar. In bekannten Kompressionskälteanlagen mit CO₂ als Kältemittel liegt die Anlagenfüllung bezogen auf das Anlagenvolumen, auch als Füllgrad bezeichnet, zwischen 50 % und 100% der kritischen Dichte. Kondensation tritt im Hochdruckteil nicht auf, da ein Hochdruck über dem kritischen Druck liegt.
• Im Betrieb einer derartigen Kompressionskälteanlage herrscht stromab des Kompressors ein verhältnismäßig hoher Betriebsdruck, und stromauf des Kompressors herrscht ein verhältnismäßig geringer Druck. Im Stillstand findet ein Druckausgleich statt, und es stellt sich ein immer noch verhältnismäßig hoher Stillstanddruck in dem Kreislauf der Kompressionskälteanlage ein. Der Kompressor muss dabei für den verhältnismäßig hohen Stillstanddruck ausgelegt und entsprechend abgesichert sein. Bei einer Systemtemperatur von 40°C und einem Füllgrad von etwa 50% der kritischen Dichte des Kältemittels Kohlendioxid liegt der Anlagendruck bei etwa 75 bar, bei einem Füllgrad im Bereich der kritischen Dichte des Kältemittels bei etwa 89 bar. Bei einer Systemtemperatur von 60°C und einem Füllgrad von 50% der kritischen Dichte des Kältemittels beträgt der Anlagendruck etwa 89 bar und bei einem Füllgrad von 100% der kritischen Dichte des Kältemittels etwa 124 bar.
• In dem Kältemittelkreislauf ist es notwendig, den Füllgrad des Kältemittelkreislaufs, d.h. die in dem Kältemittelkreislauf befindliche Kältemittelmenge, zuverlässig zu ermitteln, um insbesondere eine Kältemittelunterfüllung zu erkennen. Die für eine jeweilige Klimaanlage bzw. eine Kälteanlage festgelegte Füllmenge an Kältemittel ist in sehr engen Toleranzen einzuhalten, da eine Über- oder Unterfüllung der Anlage zu Verlusten an Kälteleistung, bis hin zu Schädigungen derselben führen kann. Insbesondere kann es bei einer Unterfüllung zu instabilen Verhältnissen kommen, wobei es auch zu teilweise kurzzeitigem Zusammenbruch des Kreislaufes kommen kann. Der Füllgrad von Kompressionskälteanlagen wird im Allgemeinen im Rahmen von Ruhezustandsanalysen ermittelt, wobei mittels eines Drucksensors der Druck des Kältemittels gemessen und mit einer Temperatur des Kältemittels in Relation gesetzt wird.
• In einer Weiterbildung bekannter Kompressionskältemittelanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel, welches ein nicht-brennbares, bei einer Verbrennung inertes, ungiftiges Medium und unter Normalbedingungen in gasförmigem Aggregatzustand unbedenklich ist, kann Kohlendioxid der Kompressionskälteanlage als Löschmedium in entsprechenden Löschanlagen von Fahrzeugen genutzt werden. So hat sich das Kältemittel CO₂ als ein geeignetes Feuerlöschmittel erwiesen, um eventuell auftretende und/oder durch Verkehrsunfälle verursachte Brandherde zu löschen. Das Löschmedium CO₂ zeigt gegenüber in vergleichbarer Weise eingesetztem Kühlwasser Vorteile.
• Aus US 5,481,884 ist ein Verfahren zur Stillstands- und auch zur Füllmengenüberwachung während des Betriebs einer Klima- und Wärmepumpenanlage bekannt. Im laufenden Anlagenbetrieb werden Temperatur und Druck des Kältemittels an der Saugseite des Kompressors gemessen. Zum gemessenen Druck wird die zugehörige Sättigungstemperatur ermittelt und als Referenztemperatur herangezogen, mit welcher die gemessene Kältemitteltemperatur verglichen wird. Wenn die gemessene Temperatur über der Referenztemperatur liegt, wird auf eine Unterfüllung geschlossen.
• DE 100 61 545 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf einer Klima- oder Wärmepumpenanlage mit Kompressor und betriebspunktabhängig im überkritischen Bereich betriebenen Kältemittel im Stillstand und/oder im Betrieb. Bei der Inbetrieb-Füllmengenüberwachung wird eine Kältemittelüberhitzung, d.h. einen Temperaturanstieg am Verdampfer der Anlage, erfasst und die erfasste Überhitzung mit einem Grenzwert verglichen. Überschreitet die Überhitzung einen vorgebbaren Maximalwert, so wird auf eine Unterfüllung geschlossen und eine entsprechende Warninformation generiert.
• Die aus US 5,481,884 und DE 100 61 545 A1 bekannten Verfahren sind zwar grundsätzlich auf alle Kältemittel anwendbar und somit auch auf CO₂, allerdings werden mit diesen Verfahren nur fehlerhafte Zustände des Kältemittels am Eintritt des Kompressors erkannt, d.h. auf der Niederdruckseite. Ein fehlerhafter Zustand kann jedoch auch beispielsweise durch ein defektes Expansionsorgan oder eine Blockade des Kältemittelkreislaufs entstehen. Beide Fehlermöglichkeiten stellen ernste Gefahren für den Kompressor dar.
• Aus DE 44 11 281 B4 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches CO₂ als Kreislaufmedium einsetzt, wobei das Kreislaufmedium CO₂ der Klimaanlage im Brandfall gezielt als Feuerlöschmittel genutzt wird. In der Klimaanlage wird das Kreislaufmedium in Druckleitungen im Kreislauf geführt, wobei von diesen Feuerlöschleitungen mit daran angeordneten und über eine Steuereinheit steuerbare Magnetventile abzweigen und in Löschdüsen enden. Das der Löscheinrichtung zur Verfügung gestellte CO₂ beinhaltet im Allgemeinen ein Schmiermittel, welches in dem im Kreislauf geführten Medium zur Schmierung der bewegten Teile eingesetzt wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage vorgeschlagen, wobei das Kältemittel als Löschmedium verwendet werden kann. Insbesondere wird durch die Erfindung eine zuverlässige Überwachung ermöglicht. Das Verfahren zur Überwachung der Kältemittelfüllmenge in dem Kältemittelkreislauf wird für eine Kälteanlage in Form einer Kompressionskälteanlage vorgeschlagen.
• Eine zu überwachende Kompressionskälteanlage, welche zum Temperieren von Luft in Fahrzeugen eingesetzt wird, umfasst ein kältemittelführendes System mit einer Kondensatoreinheit, die mindestens einen Kondensator oder mindestens einen Gaskühler umfasst, eine Entspannungsvorrichtung, eine Verdampfereinheit und einen Kompressor, die über kältemittelführende Leitungen miteinander verbunden sind. Ein separates Expansionsgefäß kann über ein Ventil mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein, wobei insbesondere das Expansionsgefäß stromab der Entspannungsvorrichtung auf der Niederdruckseite angeordnet ist. Zur Überwachung der Zustände innerhalb des Kreislaufes werden beispielsweise Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur und des Drucks benötigt. In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel. Eine derartige Anlage ist als transkritische Anlage ausgebildet, d.h. sie ist transkritisch ausgelegt, wobei als Kältemittel Kohlendioxid eingesetzt ist.
• Bei einer Veränderung der im Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittelfüllmenge ändern sich an unterschiedlichen Positionen im Kältemittelkreislauf Werte diverser Parameter, wobei derartige Parameter füllmengensensitive Messgrößen darstellen. Bei transkritischen Kompressionskälteanlagen steht eine Änderung der Kältemittelfüllmenge in Beziehung zu einer Änderung des Drucks an vorgegebenen Positionen des Kältemittelkreislaufs, sodass der Druck als füllmengensensitiver Parameter betrachtet werden kann. Auch eine Änderung der Kältemitteltemperatur an vorgegebenen Positionen im Kältemittelkreislauf steht in Zusammenhang mit einer Änderung der Kältemittelfüllmenge. Auch kann eine Änderung der Unterkühlung des Kältemittels am Ausgang der Kondensatoreinheit ebenfalls als ein füllmengensensitiver Parameter angesehen werden. Zum Erfassen des Drucks wird ein entsprechend positionierter Drucksensor und zum Erfassen der Temperatur ein entsprechend positionierter Temperatursensor in der Kälteanlage angeordnet. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, kann ein Temperatursensor innerhalb der Kälteanlage zwischen dem Ausgang des Kondensators bzw. des Gaskühlers und dem Eingang des Expansionsorganes angeordnet sein.
• Für eine eindeutige Feststellung einer Unterfüllung ist die Ermittlung des Zustandes des Füllgrads auf der Hochdruckseite vorteilhaft. Besonders vorteilhaft ist, wenn beide Zustände, d.h. auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite, in Betracht gezogen werden, insbesondere in Kombination mit dem in der DE 100 61 545 A1 beschriebenen Verfahren.
• Die jeweiligen Werte der füllmengensensitiven Parameter ermöglichen eine Bewertung der in dem Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittelfüllmenge. Um eine gute Kälteleistung zu erzielen, sollte die Kältemittelfüllmenge, auch in Form eines Füllgrads darstellbar, sich innerhalb enger Grenzen bewegen. Der Füllgrad des Kältemittels ist definiert als der Quotient aus Kältemittelfüllmenge zum Gesamtvolumen der Anlage.
• Die Füllmengenüberwachung kann bei ausgeschaltetem Kompressor erfolgen. Der ausgeglichene Anlagendruck folgt dann dem Verdampfungsdruck, so lange noch flüssiges Kältemittel nicht verdampft ist. Bezugstemperatur ist die niedrigste Temperatur im System. $$\text{p}\left(\text{T}\right)={\text{p}}_{\text{krit}}\cdot {\left(\left({\text{T/T}}_{\text{krit}}+\text{a}\right)\cdot \text{b}\right)}^{\text{c}}+\text{d}$$

  
• Wenn man für das Kältemittel CO₂ entsprechenden Werte einsetzt ergibt sich: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\mathrm{73,834}\cdot {\left(\left(\left(\text{T+273}\text{,15}\right)/\mathrm{304,21}-\mathrm{0,350042}\right)\cdot \mathrm{1,54159}\right)}^{\mathrm{4,31458}}-\mathrm{0,810014.}$$

  
• Dabei ist T in °C einzusetzen, und p ergibt sich in bar_absolut.
• Nach vollständiger Verdampfung folgt der Druck bei steigender Temperatur der dem Füllgrad entsprechenden Isochore. Hierzu ist der entsprechende Wert in die thermische Zustandsgleichung einzusetzen. Dieser Druck ist niedriger als der Verdampfungsdruck bei gleicher Temperatur. Einfache thermische Zustandsgleichungen sind beispielsweise die von van-der-Waals-Gleichung sowie die von Redlich-Kwong-Gleichung.
• Die van-der-Waals-Gleichung lautet: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\text{R*T/}\left(\text{v-b}\right)-{\text{a/v}}^2$$

  

  $$\text{mit a=27/64*}{\left({\text{R*T}}_{\text{krit}}\right)}^2/{\text{p}}_{\text{krit}}{\text{ und b=R*T}}_{\text{krit}}/\left(8*{\text{p}}_{\text{krit}}\right)$$

  
• Setzt man die Werte von CO₂ und einen Füllgrad von 260kg/m³ ein, erhält man: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=189*\text{T/}\left(\left(1/260\right)-\mathrm{0,0009732}\right)-\mathrm{188,81}/{\left(1/260\right)}^2$$

  

  mit p in Pa und T in K
  oder $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\left(\left(\text{T+273}\text{,15}\right)*65773-12763586\right)/100000$$

  

  
  mit p in bar_absolut und T in °C.
• Die Redlich-Kwong-Gleichung lautet: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\text{R*T/}\left(\text{v-b}\right)-\text{a}\left(\text{T}\right)/\left({\text{v}}^2+\text{bv}\right)$$

  

  $$\text{mit a=0}\text{,42748*}{\left({\text{T/T}}_{\text{krit}}\right)}^{-\mathrm{0,5}}*{\left({\text{R*T}}_{\text{krit}}\right)}^2/{\text{p}}_{\text{krit}}\text{ und b=0}{\text{,08664*R*T}}_{\text{krit}}{\text{/p}}_{\text{krit}}$$

  
• Setzt man die Werte von CO₂ und einen Füllgrad von 260kg/m³ ein, erhält man: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=189*\text{T/}\left(\left(1/260\right)-\mathrm{0,00067454}\right)-\mathrm{191,32}*{\left(\text{T/304}\text{,21}\right)}^{-\mathrm{0,5}}/\left({\left(1/260\right)}^2+\mathrm{0,00067454}/260\right)$$

  

  mit p in Pa und T in K
  oder $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\left(\left(\text{T+273}\text{,15}\right)*59580-191916760*{\left(\text{T+273}\text{,15}\right)}^{-\mathrm{0,5}}\right)/100000$$

  

  mit p in bar_absolut und T in °C.
• Als Bezugstemperatur kann eine Temperatur außerhalb des Kältemittelkreislaufs verwendet werden, beispielsweise eine Innentemperatur des Fahrzeugs oder eine Außentemperatur. Aber auch eine in dem Kältemittelkreislauf gemessene Temperatur, wie beispielsweise eine über einen Vereisungssensor gemessene Verdampfertemperatur, kann verwendet werden. Werden mehrere Temperaturen gemessen, so wird vorteilhaft die niedrigste der gemessenen Temperaturen verwendet.
• Insbesondere erfolgt die Füllmengenüberwachung bei eingeschaltetem Kompressor, d.h. im laufenden Betrieb, mittels entsprechender Sensoreinrichtungen, wobei von der Kältemittelfüllmenge abhängige Messgrößen ermittelt werden. Hierbei werden auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs, d.h. stromab eines Kompressors und einer Kondensatoreinheit, insbesondere eines Gaskühlers, und stromauf einer Entspannungsvorrichtung, der Druck und die Temperatur des Kältemittels von einem entsprechend positionierten Drucksensor und einem Temperatursensor erfasst. Die erfassten Werte werden dahingehend ausgewertet, dass auf eine Fehlfüllung geschlossen wird, wenn der gemessene Druck des Kältemittels außerhalb eines der erfassten Temperatur zugeordneten, vorgegebenen Solldruckbereichs liegt. Unterschreitet der gemessene Druck den vorgegebenen Solldruckbereich, bzw. einen basierend auf den Solldruck vorgebbaren Mindestdruck, der einer vorgegebenen Mindestdichte und folglich einer vorgegebenen Mindestfüllmenge des Kältemittels entspricht und von der aktuellen Kältemitteltemperatur abhängig ist, wird auf eine Unterfüllung von Kältemittel in dem System geschlossen und ein entsprechendes Signal generiert, welches weitere Schritte in Gang setzt. Beispielsweise erfolgt die Ausgabe eines Warnsignals, welches als eine Service-Meldung in akustischer und/oder optischer Form ausgegeben werden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein weiterer Schritt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens eine automatische Befüllung der Kältemittelanlage mit Kältemittel, wobei beispielsweise in einem in dem System integriertem Vorratsbehälter Kältemittel bevorratet ist und mittels einer gesteuerten Dosiereinrichtung zugeführt wird. Die Dosiereinrichtung umfasst unter anderem eine gesteuerte Ventileinheit mit einem Magnetventil und einem Rückschlagventil, die solange geöffnet sind, bis der nach der Kondensatoreinheit bzw. dem Gaskühler oder Kondensator angeordnete Drucksensor einen Druck des Kältemittels detektiert, der innerhalb des Solldruckbereichs liegt, welcher zu dem zur detektierten Temperatur am Ausgang der Kondensatoreinheit basierenden Solldruck korrespondiert.
• Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff Solldruckbereich derjenige Druckbereich verstanden, welcher Druckwerte umfasst, die um höchstens eine Toleranz von beispielsweise +/- 10% von demjenigen Solldruck abweichen, bzw. auch als Grenzdruckwert bezeichnet, der basierend auf der Temperatur bestimmt wird, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dieser Solldruck ergibt sich aus einer Optimierung der Kühlkapazität in Zusammenhang mit einer Kompressorwellenleistung. Ein Parameter der Optimierung ist die Kältemitteltemperatur am Ausgang des wärmeabführenden Gaskühlers, wobei aus den thermodynamischen Daten des eingesetzten Kältemittels oder durch entsprechende Messungen der Solldruck bestimmt wird, der zum Erzielen des maximalen Wirkungsgrades erforderlich ist.
• Ausgehend von der ermittelten Temperatur am Ausgang des Kondensators oder des Gaskühlers wird ein Solldruck des Kältemittels näherungsweise bestimmt. Dieser kann beispielsweise im einfachsten Falle aus einer Geradengleichung oder einer abschnittsweisen Geradengleichung bestimmt werden, gemäß den folgenden Zusammenhängen: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=90+2\cdot \left(\text{T-35}\right),$$

  

  mit p in bar und T in °C einzusetzen, oder $$\text{p}\left(\text{T}\right)=74+2\cdot \left(\text{T-31+5}\right),$$

  

  mit p in bar und T in °C einzusetzen.
• Beim Einsetzen des kritischen Druckes von 74 bar, der kritischen Temperatur 31 °C und einer Unterkühlung von angenommenen 5°C erhält man etwas höhere Solldrücke.
• Eine Alternative für eine bessere Ergebnisse herbeiführende Bestimmung liegt in der Verwendung der Dampfdruckkurve und deren Extrapolation über die kritische Temperatur hinaus, wobei eine bestimmte Unterkühlung, beispielsweise in der Größenordnung von 5 K, vorgegeben wird. Eine praktische Beziehung für den Dampfdruck ist: $$\text{p}\left(\text{T}\right)={\text{p}}_{\text{krit}}\cdot {\left(\left({\text{T/T}}_{\text{krit}}+\text{a}\right)\cdot \text{b}\right)}^{\text{c}}+\text{d}$$

  
• Für das Kältemittel CO₂ setzt man die entsprechenden Werte ein und erhält: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\mathrm{73,834}\cdot {\left(\left(\left(\text{T+273}\text{,15}\right)/\mathrm{304,21}-\mathrm{0,350042}\right)\cdot \mathrm{1,54159}\right)}^{\mathrm{4,31458}}-\mathrm{0,810014.}$$

  
• Dabei ist T in °C einzusetzen und p ergibt sich in bar_absolut. Bei 5°C Unterkühlung erhält man als Solldruck: $$\text{p}\left(\text{T}\right)=\mathrm{73,834}\times {\left(\left(\left(\text{T+278}\text{,15}\right)/\mathrm{304,21}-\mathrm{0,350042}\right)\cdot \mathrm{1,54159}\right)}^{\mathrm{4,31458}}-\mathrm{0,810014.}$$

  
• Eine exakte Bestimmung des optimalen Solldrucks würde eine Bestimmung der erzielten Kälteleistung und der dafür aufgewendeten Verdichterleistung erfordern. Dazu wären jedoch weitere Druck- und Temperatursensoren an Ein- und Ausgang des Verdichters notwendig, welches mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden ist. Aus den genannten Gründen wird eine einfache, näherungsweise Bestimmung über eine Geradengleichung oder über eine Dampfdruckextrapolation im vorliegenden Falle bevorzugt. Auf der Hochdruckseite einer transkritischen Kompressionskälteanlage kann der Dampfdruck bei 5 K Unterkühlung nach dem Gaskühler gut extrapoliert werden. Bei einer Temperatur von 30°C herrscht ein Druck von etwa 80 bar, bei einer Temperatur von 35°C herrscht ein Druck von etwa 90 bar und bei einer Temperatur von 40°C herrscht etwa ein Druck von 100 bar.
• Anhand des ermittelten Temperaturwerts und einer in einem Temperaturdruckdiagramm festgelegten Grenzdruckkurve kann der Wert des Solldrucks festgelegt werden, mit welchem der gemessene Druck vergleichbar ist. Durch den Vergleich des gemessenen Druckes mit dem Solldruck wird auf eine Fehlfüllung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf geschlossen. Insbesondere kann auf eine Unterfüllung geschlossen werden, wenn der gemessene Druck außerhalb eines vorgegebenen Solldruckbereichs liegt, welcher sich bestimmt aus dem Solldruck und einer vorgebbaren Toleranz bei der erfassten Temperatur.
• Bei einer detektierten Unterfüllung kann bei einer im Betrieb befindlichen Kompressionskälteanlage eine gesteuerte Befüllung auf der Saugseite des Kompressors aus einem Vorratsbehälter über einen vorgesehenen Füllanschluss erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Befüllung der Kältemittelanlage über eine externe Quelle, beispielsweise im Rahmen eines Werkstattaufenthalts.
• Der in das System integrierte Vorratsbehälter, zum Beispiel als Nachfüllflasche ausgestaltet, ist in einer Ausführungsform ortsfest in einem Fahrzeug angeordnet, beispielsweise im Kofferraum oder im Tank eines Fahrzeugs und damit nicht im Bereich des Motorraums, wo erhöhte Temperaturen herrschen. Insbesondere kann ein Füllanschluss mit einem Magnetventil und einem Rückschlagventil auf der Saugseite des Kompressors vorgesehen sein, über welchen eine definierte Kältemittelmenge in den Kältemittelkreislauf eingebracht wird. Die Position des Füllanschlusses des Vorratsbehälters auf der Niederdruckseite liegt bei Zuführung von gasförmigem Kältemittel vor oder nach der Verdampfereinrichtung. Wird jedoch ein flüssiges Kältemittel zugeführt, liegt die Position des Füllanschlusses vor der Verdampfereinrichtung.
• Bei einer detektierten Unterfüllung der Kältemittelanlage ist der Druck des Kältemittels zu niedrig und es wird eine Auffüllung der Kältemittelanlage mit Kältemittel vorgenommen, wobei beispielsweise bei eingeschaltetem Kompressor bis zu einem vorbestimmten Solldruck aufgefüllt wird.
• Allerdings könnte auch der Fall eintreten, dass der Druck innerhalb der Kältemittelanlage so niedrig ist, dass der Kompressor über den Niederdruckschalter ausgeschaltet wurde. Bei Stillstand der Kompressionskälteanlage findet nun ein Druckausgleich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Kälteanlage statt, welche den Bereich von der Entspannungsvorrichtung, der Verdampfereinrichtung bis zum Eingang des Kompressors umfasst, und es stellt sich ein Ausgleichsdruck in dem Kältemittelkreislauf des Systems ein. In diesem Fallen erfolgt zunächst ein Auffüllen der Kältemittelanlage aus dem Vorratsbehälter mit Kältemittel, ohne dass der Kompressor eingeschaltet ist, bis zum Erreichen des Ausgleichsdruck zwischen Anlage und Vorratsbehälter oder bis zum Einschaltdruck des Niederdruckschalters des Kompressors und ferner ein weiteres Befüllen bei eingeschaltetem Kompressor bis der Druck innerhalb des Solldruckbereichs liegt.
• Über die Beziehung zwischen dem Druck des Kältemittels und der Temperatur des Kältemittels oder einer vergleichbaren Temperatur, erfolgt eine Bewertung des Füllgrads des Kältemittelkreislaufs derart, dass eine Fehlfüllmenge ermittelt wird. Die Beurteilung der Füllmenge basiert auf den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Füllmenge. Das Ergebnis der Bewertung der Fehlfüllmenge kann als Auslöseereignis für die Befüllung des Kältemittelkreislaufs aus einem integrierten Vorratsbehälter eingesetzt werden, wobei eine Überprüfung der Befüllung möglich ist. Die Befüllung und damit der Ausgleich einer Fehlfüllmenge erfolgt bei eingeschaltetem Kompressor über eine mittels einer Ventileinheit geregelte Leitung, wobei die füllmengensensitiven Parameter Druck und Temperatur mit den entsprechenden Sensoren gemessen werden. Liegen die füllmengensensitiven Parameter Druck und Temperatur wieder innerhalb der vorgegebenen Solldruckbereiche, wird die Zufuhr an Kältemittel aus dem Vorratsbehälter beendet, beispielsweise durch ein entsprechendes Steuersignal an die Ventileinheit und ein eventuell ausgegebener Warnhinweis gelöscht. Somit ist ein Einhalten einer vorgeschriebenen Füllmenge möglich, welche eine Voraussetzung für eine möglichst verlustfreie Kälteleistung der Kälteanlage ist.
• Der Vorratsbehälter ist an den Kältemittelkreislauf angeschlossen, wobei er an der Niederdruckseite der Kompressionskälteanlage an der Leitung stromab der Verdampfereinrichtung und stromauf der Saugseite des Kompressors über die Ventileinheit angeordnet ist. Der das Kältemittel bevorratende Vorratsbehälter umfasst in einer Ausführungsform eine Heizeinrichtung, um im Vorratsbehälter die Temperatur und damit auch den Druck zu erhöhen, so dass der Füllvorgang der Kältemittelanlage erheblich beschleunigt und verkürzt werden kann.
• Ferner kann das im Vorratsbehälter bevorratete Kältemittel, insbesondere CO₂, als Löschmedium für eine Löschanlage des Fahrzeuges verwendet werden. Für an einem Fahrzeug eventuell auftretende bzw. durch einen Verkehrsunfall verursachte Brandherde, insbesondere in einem Motorraum, sind Löscheinrichtungen vorgesehen, welche im Bedarfsfall das Kältemittel CO₂ als Löschmedium bereitstellen. Dieses Kältemittel kann erfindungsgemäß in dem Vorratsbehälter bevorratet sein und sowohl zur Befüllung der Kälteanlage als auch der Löscheinrichtungen zur Verfügung stehen. Die Löscheinrichtung umfasst Löschmittelleitungen sowie Düsen, die an möglichen Brandherden in sensiblen Bereichen des Fahrzeugs enden. Im Crash- und/oder Feuerfall kann über eine entsprechende Sensorik ein automatischer Löschvorgang erfolgen, wobei das bevorratete CO₂, welches insbesondere ölfrei ist, den Luftsauerstoff derart aus den feuergefährdeten Bereichen verdrängt, dass eine präventive Maßnahme zur Vermeidung eines Brandes erreicht wird. Insbesondere ist das in dem Vorratsbehälter bevorratete Kohlendioxid ölfrei im Gegensatz zu dem im Kältemittelkreislauf geführten Kältemittel, welches bedingt durch die hohe Löslichkeit des im Kompressor eingesetzten Schmieröls auf der Hochdruckseite Öl mitführt.
• Im Crash- und/oder Feuerfall erfolgt die Auslösung eines automatischen Löschvorganges, wobei das austretende Kältemittel den Luftsauerstoff verdrängt, der an der Brandentstehung beteiligt ist, ohne dass zusätzlich brandgefährdendes Öl an die überhitzte Stelle transportiert wird.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Kälteanlage mit dem Kältemittel CO₂ und eine Überwachung der Kältemittelfüllmenge sowie einer Löscheinrichtung;
• 2 ein Flussdiagramm einer Überwachung der Kältemittelfüllmenge der Kälteanlage von 1 im laufenden Betrieb mit einer geregelten Befüllung,
• 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und zugehörigem Solldruck des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei verschiedenen Verdampfungstemperaturen,
• 4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Druck des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei einer Unterkühlung von 5 K im Vergleich zu einer über den kritischen Punkt des Kältemittels hinaus extrapolierten Dampfdruckkurve,
• 5 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Kälteleistungszahl des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei einer Unterkühlung von 5 K bei verschiedenen Verdampfungstemperaturen,
• 6 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Füllgrad des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei optimaler Kälteleistungszahl,
• 7 eine Skala eines Manometers mit Temperaturskala zur Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels bei ausgeschaltetem Kompressor und
• 8 eine Skala eines Manometers mit Temperaturskala zur Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels bei eingeschaltetem Kompressor.
• Ausführungsvarianten
• 1 zeigt schematisch eine Kälteanlage 10, welche mit dem Kältemittel CO₂ arbeitet und in einem Fahrzeug einsetzbar ist. CO₂ wird auch als Kohlendioxid sowie als R-744 bezeichnet. Die Kälteanlage 10 umfasst einen geschlossenen Kältemittelkreislauf 46 mit einem Kompressor 12, dem hochdruckseitig ein Gaskühler 14 nachgeschaltet ist. Letzterem schließt sich eine Entspannungsvorrichtung 16 an, durch die das im Kreislauf geführte Kältemittel beim Durchtritt entspannt und abgekühlt einer Verdampfereinrichtung 18 zugeführt wird, welche an einer Saugseite 20 an den Kompressor 12 angeschlossen ist. Die einzelnen Komponenten 12, 14, 16, 18 der Kälteanlage 10 sind durch Druckleitungen 19 miteinander verbunden.
• An der Saugseite 20 bzw. an der entsprechenden Druckleitung 19 zwischen Ausgangsseite der Verdampfereinrichtung 18 und Eingang bzw. Saugseite 20 des Kompressors 12 ist ein Vorratsbehälter 22 angeschlossen, in dem eine bestimmte Kältemittelmenge bevorratet ist. Der Vorratsbehälter 22 ist mit der Druckleitung 19 über eine Ventileinheit 24 verbunden, welche beispielsweise ein Magnetventil und ein Rückschlagventil (nicht dargestellt) umfasst. Ferner kann der Vorratsbehälter 22 eine Heizeinrichtung 48 umfassen, wobei mit steigender Temperatur der Druck des in dem Vorratsbehälter 22 bevorrateten Kältemittels ansteigt, was zu einer beschleunigten Befüllung beiträgt.
• Über die Verdampfereinrichtung 18 wird ein zu kühlender Luftstrom 26 geführt, der z.B. in einen Innenraum eines Fahrzeugs eingeblasen wird. Der Gaskühler 14 wird von einem über diesen hinweggeführten Luftstrom 28 gekühlt. Ferner ist mindestens eine Steuereinheit 30 dargestellt, die den Betrieb der Kälteanlage 10 in herkömmlicher Weise steuert. Darüber hinaus steuert die mindestens eine Steuereinheit 30 zusammen mit Erfassungsmitteln eine Überwachung der Kältemittelfüllmenge, wie dies noch erläutert wird.
• Der 1 kann entnommen werden, dass von der mindestens einen Steuereinheit 30 ein Signal an eine Warneinrichtung 31 ergehen kann im Falle einer detektierten Fehlfüllmenge des Kältemittels in der Kälteanlage 10, wobei die an der Warneinrichtung 31 ausgegebene Information über die Fehlfüllung der Kälteanlage 10 informiert.
• Die Erfassungsmittel umfassen einen Kältemitteltemperatursensor 32 und einen Kältemitteldrucksensor 34, welche an einer Ausgangsseite 35 des Gaskühlers 14 vorgesehen sind. Die mindestens eine Steuereinheit 30 empfängt Messsignale der erwähnten Sensoren 32, 34 und wertet diese gemäß einem Verfahren zur Überwachung der Kältemittelfüllmenge aus, wobei dies im laufenden Betrieb der Kälteanlage erfolgt.
• In 1 ist ausgehend von dem Vorratsbehälter 22 stellvertretend für mehrere eine Feuerlöschleitung 36 dargestellt, welche an brandgefährdeten Stellen eines Motorraums eines Fahrzeuges enden. An der Endstelle der Feuerlöschleitung 36 ist eine Löschdüse 38 vorgesehen. In der Feuerlöschleitung 36 ist ein Magnetventil 40 angeordnet, das über eine Steuerleitung 42 mit der mindestens einen Steuereinheit 30 verbunden ist. In der mindestens einen Steuereinheit 30 werden Signale von Sensoren 44 verarbeitet, welche einen Crash- und/oder Brandfall detektieren. Beispielsweise können die Sensoren 44 Crash-Sensoren sein, die als Gurtstraffer und/oder Airbag oder separate Crash-Sensoren ausgebildet sein können. Alternativ oder zusätzlich können entsprechende Sensoren 44 auch Temperaturfühler umfassen, die an potentiellen Brandstellen als Brandsensoren angeordnet sind. Ferner können Deformationssensoren umfasst sein, welche eine Beschädigung detektieren können. Im Falle eines durch einen Unfall bedingten Brandes oder einer Beschädigung werden über die mindestens eine Steuereinheit 30 die Magnetventile 40 in den Feuerlöschleitungen 36 angesteuert, diese öffnen, so dass das Kältemittel CO₂ aus dem Vorratsbehälter 22 über die Feuerlöschleitungen 36 aus den Löschdüsen 38 kontrolliert austritt und gezielt den Brandherd löscht oder vorbeugend leicht entflammbare Bereiche mit CO₂ beaufschlagt.
• 2 zeigt ein Flussdiagramm einer Überwachung der Kältemittelfüllmenge der Kälteanlage 10 von 1 im laufenden Betrieb mit einer geregelten Befüllung.
• Bei Start der Überwachung der Kältemittelfüllung der Kälteanlage 10 werden der Steuereinheit 30 in einem ersten Schritt 100 über den an der Ausgangsseite 35 des Gaskühlers 14 angeordneten Kältemitteltemperatursensor 32 die Kältemitteltemperatur T_KMmess und mittels des ebenfalls an dieser Position angeordneten Kältemitteldrucksensors 34 den Kältemitteldruck p_KMmess übermittelt. Anschließend wird in einem Schritt 102 überprüft, ob der Kompressor 12 der Kälteanlage 10 eingeschaltet ist. Im Folgenden wird Bezug auf den Fall genommen, dass der Kompressor 12 eingeschaltet ist.
• Ist der Kompressor 12 ausgeschaltet, beispielsweise da der gemessene Druck so niedrig war, dass der Kompressor 12 über einen Niederdruckschalter automatisch ausgeschaltet wurde, erfolgt in einem Schritt 101 ein Druckausgleich zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite. Die Steuereinheit 30 kann in diesem Fall die Ventileinheit 24 öffnen, wodurch aus dem Vorratsbehälter 22 Kältemittel in den Kältemittelkreislauf 46 bis zu einem gewissen Grad einströmt. Eine darüber hinaus gehende Befüllung des Kältemittelkreislaufs 46 erfolgt dann weiter mit eingeschaltetem Kompressor 12, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
• Bei eingeschaltetem Kompressor 12 wird in einem Schritt 104 ein der gemessenen Temperatur T_KMmess zuordenbarer Solldruck p_soll(T) ermittelt, wobei unterschiedliche Approximationen verwendet werden können. Aus der ermittelten Kältemitteltemperatur und dem ermittelten Kältemitteldruck und anhand eines Vergleichs mit dem temperaturabhängigen Grenzdruckwert bzw. Solldruck ist eine Verifizierung der Kältemittelfehlfüllmenge möglich. Hierbei werden die gemessenen Druck- und Temperaturwerte mit einer Grenzdruckkurve verglichen, welche zu den zugehörigen Referenztemperaturwerten den Wert des Grenzdrucks wiedergibt und somit als eine Basis für eine Verifizierung der Kältemittelfehlfüllmenge herangezogen wird.
• In einem Schritt 106 stellt die Steuereinheit 30 fest, ob der gemessene Kältemitteldruck p_KMmess außerhalb eines Solldruckbereichs liegt, welcher zwischen einem Mindestdruck p_min und einem Maximaldruck p_max liegt. Insbesondere bestimmt sich der Mindestdruck p_min aus dem Solldruck p_soll(T) und einem um eine Toleranz von diesem abweichenden Δp, beispielsweise unter Berücksichtigung einer Toleranz von +/-10% von dem Solldruck p_soll(T). Der Solldruck p_soll(T) entspricht einer vorgegebenen Mindestdichte des Kältemittels und damit einer vorgegebenen Mindestfüllmenge und ist abhängig von der aktuellen Kältemitteltemperatur T_KMmess.
• Im Falle, dass der gemessene Druck p_KMmess innerhalb des aufgespannten Toleranzbereichs liegt, ist der Vorgang der Überwachung beendet. Wenn der gemessene Kältemitteldruck p_KMmess den unteren vorgebbaren Mindestdruck p_min unterschreitet, erkennt die Steuereinheit 30 dies als eine Kältemittelfehlfüllung bzw. eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs 46 und generiert weitere Schritte. Ein Schritt 108 ist die Generierung eines Warnhinweises, welcher in geeigneter Weise ausgegeben wird.
• Ein weiterer Schritt 110 bezieht sich auf eine automatische und geregelte Befüllung der Kälteanlage 10 mit dem in dem Vorratsbehälter 22 bevorratetem Kältemittel.
• Die Steuereinheit 30 öffnet die Ventileinheit 24, so dass an der Saugseite 20 des Kompressors 12 über die Druckleitung 19 Kältemittel aus dem Vorratsbehälter 22 dem Kältemittelkreislauf 46 solange zugeführt wird, bis die Unterfüllung von Kältemittel in der Kälteanlage 10 ausgeglichen ist. Die Befüllung der Kälteanlage 10 wird begleitet von einem Vergleich des gemessenen Kältemitteldrucks p_KMmess mit dem Solldruck p_soll (T) in einem Schritt 112. Im Falle, dass der gemessene Kältemitteldruck im Bereich des Solldrucks +/- einer bestimmbaren Toleranz, beispielsweise 2%, vom Solldruck abweicht, gibt die Steuereinheit 30 in Schritt 114 ein Signal zur Beendigung der Befüllung und zur Löschung des Warnhinweises aus.
• In 3 ist der Zusammenhang zwischen der gemessenen Kältemitteltemperatur T_KMmess und zugehörigem Solldruck p_soll (T) des Kältemittels Kohlendioxid nach Austritt aus dem Gaskühler 14 graphisch dargestellt. Ein Kurve zeigt dabei den besagten Zusammenhang bei einer Verdampfungstemperatur t0 von +10°C, und die andere Kurve zeigt den besagten Zusammenhang bei einer Verdampfungstemperatur t0 von -10°C.
• Der Zusammenhang zwischen der gemessenen Kältemitteltemperatur T_KMmess und dem Druck p des Kältemittels Kohlendioxid nach Austritt aus dem Gaskühler 14 bei einer konstanten Füllung des Kältemittelkreislaufs 46 mit einer Unterkühlung von 5 K ist in 4 graphisch dargestellt. Zum Vergleich ist ferner eine über den kritischen Punkt PC des Kältemittels Kohlendioxid hinaus extrapolierte Dampfdruckkurve in das Diagramm eingezeichnet.
• In 5 ist der Zusammenhang zwischen der gemessenen Kältemitteltemperatur T_KMmess des Kältemittels Kohlendioxid nach Austritt aus dem Gaskühler 14 und der Kälteleistungszahl ε bei einer Unterkühlung von 5 K beispielhaft graphisch dargestellt. Ein Kurve zeigt dabei den besagten Zusammenhang bei einer Verdampfungstemperatur t0 von +10°C, und die andere Kurve zeigt den besagten Zusammenhang bei einer Verdampfungstemperatur t0 von -10°C.
• 6 zeigt in einer graphischen Darstellung beispielhaft den Zusammenhang zwischen der gemessenen Kältemitteltemperatur T_KMmess des Kältemittels Kohlendioxid nach Austritt aus dem Gaskühler 14 und dem Füllgrad des Kältemittels bei optimaler Kälteleistungszahl ε. Im gewählten Beispiel beträgt die Verdampfungstemperatur t0 0°C, der Kompressor 12 hat einen Wirkungsgrad von 0,8 und das Volumen des Gaskühlers 14 ist etwa doppelt so groß wie das Volumen der Verdampfereinrichtung 18.
• Eine Skala eines Manometers mit einer Temperaturskala zur Messung des Kältemitteldrucks p_KMmess und der Kältemitteltemperatur T_KMmess des Kältemittels Kohlendioxid bei ausgeschaltetem Kompressor 12 ist in 7 beispielhaft dargestellt. In dem gezeigten Beispiel beträgt der Füllgrad etwa 260 g/l. Das Kältemittel Kohlendioxid liegt in diesem Fall im flüssigen Zustand vor.
• Eine Skala eines Manometers mit einer Temperaturskala zur Messung des Kältemitteldrucks p_KMmess und der Kältemitteltemperatur T_KMmess des Kältemittels Kohlendioxid bei eingeschaltetem Kompressor 12 ist in 8 beispielhaft dargestellt. In dem gezeigten Beispiel liegt eine Unterkühlung von etwa 5 K vor. Das Kältemittel Kohlendioxid liegt in diesem Fall im überkritischen Zustand vor.
• Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
• Bezugszeichenliste

10

Kälteanlage

12

Kompressor

14

Gaskühler

16

Entspannungsvorrichtung

18

Verdampfereinrichtung

19

Druckleitung

20

Saugseite

22

Vorratsbehälter

24

gesteuerte Ventileinheit

26

zu kühlender Luftstrom

28

über den Gaskühler hinweggeführter Luftstrom

30

Steuereinheit

31

Warneinrichtung

32

Kältemitteltemperatursensor

34

Kältemitteldrucksensor

35

Ausgangsseite des Gaskühlers

36

Feuerlöschleitung

38

Löschdüse

40

Magnetventil

42

Steuerleitung

44

Sensoren zur Detektion eines Crash- und/oder Brandfalls

46

Kältemittelkreislauf

48

Heizeinrichtung

100...114

Schritte

PC

kritischer Punkt

t0

Verdampfungstemperatur

ε

Kälteleistungszahl

Claims (6)

1. Verfahren zur Überwachung einer Füllmenge eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (46) einer Kälteanlage (10), mit einem Kompressor (12), einem Kondensator oder einem Gaskühler (14), einer Entspannungsvorrichtung (16) und einer Verdampfereinrichtung (18), wobei eine Füllmengenüberwachung bei ausgeschaltetem Kompressor (12) folgende Schritte umfasst: - Messen mindestens einer Temperatur des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (46) an der Verdampfereinrichtung (18) und einer Temperatur des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (46) an dem Kondensator oder dem Gaskühler (14); - Messen eines Drucks des Kältemittels in der Kälteanlage (10); - Ermitteln einer Kältemittelfehlfüllung, insbesondere einer Unterfüllung an Kältemittel, wenn der gemessene Druck außerhalb eines Solldruckbereichs liegt, wobei ein Solldruck des Kältemittels, ausgehend von der niedrigsten gemessenen Temperatur, bestimmt wird, und der Solldruckbereich Druckwerte umfasst, welche von dem Solldruck höchstens um eine vorgegebene Toleranz abweichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur außerhalb des Kältemittelkreislaufs (46) gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck des Kältemittels das Minimum aus Verdampfungsdruck und Gasdruck des Kältemittels bei einer vorgegebenen Gasdichte in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Gasdichte 260 g/l beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterfüllung bei einer Unterschreitung des Solldrucks um mehr als 10 Prozent angezeigt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel CO₂ ist.

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