DE102015010593B4 - Operating procedure for a refrigeration system and associated refrigeration system - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einstellen eines optimalen Betriebspunkts einer Kälteanlage (1), mit den folgenden Schritten:
a) Überprüfen, ob eine geforderte Temperatur an einem Verdampfer (12) erreicht wird;
b) falls die geforderte Temperatur nicht erreicht wird, Erhöhen der Leistung eines Verdichters (2) bis zur Leistungsgrenze;
c) iteratives Einstellen des Expansionsventils (11) bis die Kälteanlage (1) an einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem die geforderte Temperatur am Verdampfer (12) erreicht wird.

Figure DE102015010593B4_0000
Method for setting an optimum operating point of a refrigeration system (1), comprising the following steps:
a) checking whether a required temperature is reached at an evaporator (12);
b) if the required temperature is not reached, increasing the power of a compressor (2) to the power limit;
c) iteratively adjusting the expansion valve (11) until the refrigeration system (1) is operated at an optimum operating point at which the required temperature at the evaporator (12) is reached.
Figure DE102015010593B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines optimalen Betriebspunkts einer Kälteanlage.The invention relates to a method for setting an optimal operating point of a refrigeration system.

Gegenwärtig werden Kälteanlagen für Kraftfahrzeuge entwickelt, die mit R744 (CO2) als Kältemittel betrieben werden. Eine derartige Kälteanlage umfasst einen Verdichter, einen Gaskühler, einen inneren Wärmetauscher, ein einstellbares Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Akku (Sammelbehälter). In Abhängigkeit des verwendeten Kältemittels wird der Gaskühler auch als Kondensator bezeichnet. Bei überkritischer Prozessführung erfolgt im Gaskühler eine Kühlung des Kältemittels, bei unterkritischer Prozessführung kondensiert das Kältemittel in diesem, analog zum bekannten Kondensator.Cooling systems are currently being developed for motor vehicles that use R744 (CO 2 ) as the refrigerant. Such a refrigeration system comprises a compressor, a gas cooler, an internal heat exchanger, an adjustable expansion valve, an evaporator and a battery (collecting container). Depending on the refrigerant used, the gas cooler is also referred to as a capacitor. In the case of supercritical process control, cooling of the refrigerant takes place in the gas cooler, in the case of subcritical process control, the refrigerant condenses therein, analogously to the known condenser.

Derzeit werden unterschiedliche Expansionsorgane eingesetzt. Dazu zählen Fixed Orifice Tubes (FOT), gegebenenfalls mit einem Bypass. Es handelt sich dabei um ein Expansionsventil mit einem festen Öffnungsquerschnitt. Alternativ sind auch thermische Expansionsorgane oder elektronische Expansionsorgane gebräuchlich. Die Regelung der Kälteanlage erfolgt durch entsprechende Ansteuerung des Expansionsorgans, dazu werden die einzustellenden Werte anhand einer Kennlinie, eines Kennfelds oder durch ein parallel berechnetes Modell vorgegeben.Currently, different expansion organs are used. These include Fixed Orifice Tubes (FOT), possibly with a bypass. It is an expansion valve with a fixed opening cross-section. Alternatively, thermal expansion devices or electronic expansion devices are also common. The regulation of the refrigeration system is carried out by appropriate control of the expansion device, for this purpose, the values to be set on the basis of a characteristic curve, a map or by a model calculated in parallel.

Wenn eine derartige Kälteanlage mit R744 als Kältemittel betrieben wird, gibt es zwei einzustellende Parameter, nämlich einen Hochdruck als Funktion der Austrittstemperatur des Kältemittels am Gaskühler für den überkritischen Bereich, der vorzugsweise nach dem Gaskühler gemessen wird, sowie eine Temperatur beziehungsweise die aus Druck und Temperatur ermittelbare Unterkühlung des Kältemittels für den unterkritischen Bereich, die vorzugsweise ebenfalls nach dem Gaskühler gemessen wird.If such a refrigeration system is operated with refrigerant R744, there are two parameters to be set, namely a high pressure as a function of the outlet temperature of the refrigerant at the gas cooler for the supercritical region, which is preferably measured after the gas cooler, and a temperature or the pressure and temperature detectable subcooling of the refrigerant for the subcritical region, which is preferably also measured after the gas cooler.

Die Regelung derartiger Kälteanlagen gestaltet sich jedoch schwierig, insbesondere wenn ein energieeffizienter Betrieb erforderlich ist. Die Kennfelder für die beiden einzustellenden Parameter Hochdruck und Unterkühlung sind aufwendig zu ermitteln. Sie sind mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet und können sich mit dem Systemaufbau der Kälteanlage ändern. Bei einer Änderung einer einzelnen Komponente der Kälteanlage müssen dann jeweils auch die Kennfelder neu ermittelt werden. Zusätzlich spielen Messungenauigkeiten bei Druck- und Temperatursensoren eine große Rolle, wodurch sich weitere Effizienzeinbußen ergeben können. Schließlich beeinflusst auch die mögliche Genauigkeit der Einstellung eines elektronischen Expansionsorgans einen optimalen Betrieb. Üblicherweise wird bei derartigen Kälteanlagen ein Wert für den optimalen Hochdruck anhand der nach dem Gaskühler gemessenen Temperatur bestimmt. Der Hochdruck ist somit eine Funktion der Temperatur, durch Variation des Öffnungsquerschnitts eines elektronischen Expansionsorgans wird der optimale Hochdruck eingestellt. In ungünstigen Fällen können sich Messfehler der Sensoren für Temperatur und Druck sowie Ungenauigkeiten bei der Einstellung des Öffnungsquerschnitts addieren. Daher können auch geringe Messabweichungen noch eine große Auswirkung auf die energetische Effizienz haben.However, the control of such refrigeration systems is difficult, especially when energy-efficient operation is required. The maps for the two parameters to be set high pressure and subcooling are consuming to determine. They are subject to a certain degree of inaccuracy and can change with the system structure of the refrigeration system. When changing a single component of the refrigeration system then also the maps must be determined again. In addition, measurement inaccuracies in pressure and temperature sensors play a major role, which can result in further efficiency losses. Finally, the possible accuracy of setting an electronic expansion device also influences optimal operation. Usually, in such refrigeration systems, a value for the optimum high pressure is determined on the basis of the temperature measured after the gas cooler. The high pressure is thus a function of the temperature, by varying the opening cross-section of an electronic expansion element, the optimum high pressure is set. In unfavorable cases, measurement errors of the sensors for temperature and pressure as well as inaccuracies in the adjustment of the opening cross-section can add up. Therefore, even small deviations can still have a major impact on the energy efficiency.

Aus der Druckschrift US 5 735 134 A ist ein Verfahren zur Optimierung eines Arbeitspunkts in Gasverdichtungszyklen bekannt. Hierbei werden Umgebungsbedingungen, beispielsweise eine Innen- und Außentemperatur, und eine Wärmebelastung ausgewertet, um Betriebsparameter für einen Betrieb mit einer optimalen Energieeffizienz zu bestimmen. Zusätzlich überwacht das System in Echtzeit Systemeigenschaften und koppelt diese im Rahmen der Bestimmung des Betriebszustandes zurück.From the publication US 5,735,134 For example, a method for optimizing a working point in gas compression cycles is known. Environmental conditions, such as indoor and outdoor temperature, and heat load are evaluated to determine operating parameters for optimum energy efficiency operation. In addition, the system monitors system properties in real time and links them back as part of the determination of the operating state.

Die Druckschrift US 2009/0241566 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines Expansionsventils. Hierbei wird ein Expansionsventil einer Kühleinrichtung gesteuert, die einen abgeschlossenen Bereich kühlt, wozu ein Parameter des abgeschlossenen Bereiches erfasst wird und das Verdampfungsventil in Abhängigkeit eines in Abhängigkeit des Parameters bestimmten Verdampferdrucks gesteuert wird.The publication US 2009/0241566 A1 discloses an apparatus for controlling an expansion valve. In this case, an expansion valve of a cooling device is controlled, which cools a closed area, for which purpose a parameter of the closed area is detected and the evaporation valve is controlled in dependence of an evaporator pressure determined as a function of the parameter.

Eine Klimaanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf ist aus der Druckschrift US 2005/0198980 A1 bekannt. Durch eine Steuereinrichtung werden ein Kompressor und ein Expansionsventil des Kühlkreislaufs gesteuert, um den Eingangsdruck des Expansionsventils zu steuern. Die Steuerung erfolgt derart, dass die Eingangstemperatur des Expansionsventils auf einen Sollwert geregelt wird.An air conditioner with a closed cooling circuit is from the document US 2005/0198980 A1 known. By a controller, a compressor and an expansion valve of the refrigeration cycle are controlled to control the input pressure of the expansion valve. The control is such that the inlet temperature of the expansion valve is controlled to a desired value.

Ein Verfahren zur Steuerung einer Leistung eines Gaskompressionskreislaufes ist aus der Druckschrift WO 03/019085 A1 bekannt. In Abhängigkeit der abzugebenden Leistung wird die Drehzahl eines Verdichters gesteuert. Eine Strömungssteuereinrichtung wird in Abhängigkeit der Temperatur und/oder des Drucks des Kühlmittels gesteuert, wobei die Temperatur bzw. der Druck auf der Hochdruckseite gemessen werden.A method for controlling a performance of a gas compression cycle is disclosed in the document WO 03/019085 A1 known. Depending on the power to be delivered, the speed of a compressor is controlled. A flow control device is controlled as a function of the temperature and / or the pressure of the coolant, wherein the temperature or the pressure are measured on the high pressure side.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen eines optimalen Betriebs einer Kälteanlage anzugeben, durch das einerseits die erforderliche Unterkühlung sichergestellt und andererseits ein energetisch effizienter Betrieb ermöglicht wird.The invention is therefore based on the object to provide a method for setting an optimal operation of a refrigeration system, on the one hand ensures the required supercooling and on the other hand, an energy efficient operation is possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 vorgesehen. To solve this problem, a method with the method steps of claim 1 is provided.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Überprüfen, ob eine geforderte Temperatur an einem Verdampfer erreicht wird; falls die geforderte Temperatur nicht erreicht wird, Erhöhen der Leistung des Verdichters bis zur Leistungsgrenze; iteratives Einstellen des Expansionsventils, bis die Kälteanlage an einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem die geforderte Temperatur am Verdampfer erreicht wird.The method according to the invention comprises the following steps: checking whether a required temperature is reached at an evaporator; if the required temperature is not reached, increase the power of the compressor to the power limit; iteratively adjusting the expansion valve until the refrigeration system is operated at an optimum operating point at which the required temperature is reached at the evaporator.

Abweichend von herkömmlichen Regelverfahren erfolgt die Regelung erfindungsgemäß anhand relativer Änderungen der Messwerte. Entscheidend sind dabei Tendenzen der Messwerte. Auf diese Weise kann iterativ ermittelt werden, wie sich eine geänderte Einstellung des Öffnungsquerschnitts des elektronischen Expansionsorgans und/oder eine Variation der Leistung des Verdichters auswirkt. Dabei wird einerseits beachtet, dass der Sollwert der Unterkühlung erreicht wird, andererseits wird beim Erreichen des Sollwerts versucht, die Antriebsleistung des Verdichters zu reduzieren.Deviating from conventional control methods, the control is carried out according to the invention by means of relative changes in the measured values. Decisive are tendencies of the measured values. In this way it can be iteratively determined how a changed adjustment of the opening cross section of the electronic expansion element and / or a variation of the power of the compressor has an effect. On the one hand, it is noted that the setpoint value of the subcooling is achieved, on the other hand, when the setpoint value is reached, it is attempted to reduce the drive power of the compressor.

Erfindungsgemäß wird ein optimaler Betriebspunkt durch gezieltes Ansteuern des elektronischen Expansionsorgans bei gleichzeitiger Überwachung der Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe der Kälteanlage eingestellt. Die Ermittlung des optimalen Betriebspunkts erfolgt dabei nicht primär anhand der absoluten Messwerte, sondern anhand relativer Änderungen der Messwerte. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass statistische Messfehler der einzelnen Sensoren keine Relevanz haben. Für die Regelung ist es nicht erforderlich, dass die Leistung der Kälteanlage direkt gemessen wird, vielmehr kann die Leistung über indirekte Messgrößen oder Kennfelder ermittelt werden. Wesentlich für die Regelung ist jeweils die Tendenz einer Änderung.According to the invention, an optimum operating point is set by targeted activation of the electronic expansion element with simultaneous monitoring of the power consumption and power output of the refrigeration system. The determination of the optimal operating point is not primarily based on the absolute measured values, but on the basis of relative changes in the measured values. This has the advantage that statistical measurement errors of the individual sensors have no relevance. For the control, it is not necessary that the performance of the refrigeration system is measured directly, but rather the power can be determined via indirect measured variables or maps. Essential for the regulation is the tendency of a change.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die Kältemitteltemperatur (Unterkühlung) nach dem Gaskühler gemessen wird, um die Funktion der Regelung zu überwachen, aber auch um einen ersten Arbeitspunkt der Anlage einzustellen, von dem ausgehend iterativ der ideale Betriebspunkt des Systems dann angefahren und eingestellt wird. Dabei kann anhand der gemessenen Kältemitteltemperatur ein optimaler Hochdruckwert berechnet und mit dem aktuellen Betriebspunkt abgeglichen werden.In the method according to the invention, it can be provided that the refrigerant temperature (subcooling) is measured after the gas cooler in order to monitor the function of the control, but also to set a first operating point of the system, then iteratively approached the ideal operating point of the system and is set. In this case, based on the measured refrigerant temperature, an optimal high-pressure value can be calculated and compared with the current operating point.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass dann, wenn die geforderte Temperatur am Verdampfer erreicht ist, das Expansionsventil iterativ eingestellt wird, bis die Kälteanlage an einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem die von dem Verdichter aufgenommene Leistung minimal ist. In diesem Teil der Regelung erfolgt eine Optimierung der Leistung am Verdampfer. Durch Verstellen des Expansionsventils wird ein optimaler Betriebspunkt eingestellt, bei dem der geforderte Betrag der Unterkühlung oder der optimale Hochdruck genau erreicht wird.A development of the method according to the invention provides that when the required temperature is reached at the evaporator, the expansion valve is iteratively adjusted until the refrigeration system is operated at an optimum operating point at which the power consumed by the compressor is minimal. In this part of the scheme, the performance of the evaporator is optimized. By adjusting the expansion valve, an optimum operating point is set, in which the required amount of subcooling or the optimum high pressure is reached exactly.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass zum Minimieren der Leistungsaufnahme des Verdichters der erzeugte Hochdruck reduziert wird. Auch dieser Regelungsvorgang erfolgt iterativ, wobei selbstverständlich überwacht wird, ob die geforderte Kälteleistung oder der geforderte Setpoint der Lufttemperatur am Verdampfer nach wie vor erreicht wird. In dem Fall, wenn nach dem Einstellen des Expansionsventils die Temperatur am Verdampfer höher als die geforderte Temperatur (Setpoint/Sollwerteingabe) ist, wird das Verfahren mit dem Erhöhen der Leistung des Verdichters fortgesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit zwei unterschiedliche Abschnitte. Einerseits erfolgt eine Leistungsoptimierung am Verdampfer, bis eine geforderte Ausblastemperatur erreicht ist, andererseits wird nach Erreichen des geforderten Sollwerts eine Effizienzoptimierung vorgenommen, um die Bereitstellung der Kälteleistung energieeffizient zu erzeugen.In a further embodiment of the method according to the invention, it can be provided that the generated high pressure is reduced in order to minimize the power consumption of the compressor. This control process also takes place iteratively, whereby, of course, it is monitored whether the required cooling capacity or the required setpoint of the air temperature at the evaporator is still reached. In the case where, after adjusting the expansion valve, the temperature at the evaporator is higher than the required temperature (set point / set point input), the process continues with increasing the capacity of the compressor. The method according to the invention thus comprises two different sections. On the one hand, a performance optimization takes place on the evaporator until a required blow-off temperature is reached, on the other hand, after reaching the required setpoint, an efficiency optimization is carried out in order to produce the provision of the refrigerating capacity in an energy-efficient manner.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die aufgenommene Leistung bei einem durch einen elektrischen Antrieb angetriebenen Verdichter als Produkt aus Spannung und Stromstärke und bei einem mechanisch angetriebenen Antrieb anhand eines Kennfelds bestimmt wird. Bevorzugt wird dabei ein Verdichter mit elektrischem Antrieb, da dessen Leistung besonders einfach bestimmt werden kann.According to a further embodiment of the method, it can be provided that the recorded power is determined in a driven by an electric drive compressor as a product of voltage and current and in a mechanically driven drive based on a map. Preference is given to a compressor with electric drive, since its performance can be determined very easily.

Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass es entweder während eines Kühlbetriebs oder während eines Heizbetriebs durchgeführt wird. Der Kühlbetrieb dient zur Abkühlung und Entfeuchtung des Zuluftstroms zum Innenraum eines Kraftfahrzeugs, im Heizbetrieb wird die Kälteanlage als Wärmepumpe verwendet, um Wärme zu erzeugen. Die Wärmepumpenfunktion kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet werden, bei denen keine Abwärme eines Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.A particularly preferred variant of the method according to the invention provides that it is carried out either during a cooling operation or during a heating operation. The cooling operation is used for cooling and dehumidifying the supply air to the interior of a motor vehicle, in the heating mode, the refrigeration system is used as a heat pump to generate heat. The heat pump function can be used for example in electric vehicles or hybrid vehicles in which no waste heat of a cooling circuit of an internal combustion engine is available.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Kälteanlagen, die mit Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel betrieben werden. Grundsätzlich kommen allerdings auch alle anderen Kältemittel in Frage, beispielsweise HFC (wie beispielsweise R134a oder R1234yf), die mit einem elektrischen oder mechanischen Verdichter betrieben werden, wobei, wie bereits beschrieben, Leistungsdaten des Antriebsaggregats verfügbar bzw. messbar sein müssen und die gleichzeitig über mindestens ein extern per Steuergerät ansteuerbares Expansionsorgan verfügen, welches die Grundvoraussetzung zur Einstellbarkeit des optimalen Anlagenbetriebspunktes ist. Die jeweiligen Regelparameter können jedoch in diesem Fall variieren oder denen von R744 ähneln. Weitere Zielwerte können neben optimalem Hochdruck, optimaler Unterkühlung (nach Kondensator/Gaskühler/innerem Wärmeübertrager) auch die Überhitzung (nach Verdampfer/nach innerem Wärmeübertrager) darstellen. Das Konzept der Einstellbarkeit des optimalen Betriebspunkts kann mit unterschiedlichen bzw. beliebigen Kältemitteln realisiert werden, das heißt es ist nicht auf R744 (CO2) begrenzt. Allerdings sind bei anderen Kältemitteln Betriebsparameter des Verfahrens entsprechend anzupassen oder einzustellen.The inventive method is particularly suitable for refrigeration systems that are operated with carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant. In principle, however, all other refrigerants come into question, for example HFC (such as R134a or R1234yf), which are operated with an electric or mechanical compressor, wherein, as already described, Performance data of the drive unit must be available or measurable and at the same time have at least one externally controllable by the control unit expansion device, which is the basic requirement for adjustability of the optimal system operating point. However, the respective control parameters may vary in this case or resemble those of R744. Other target values can be optimal high pressure, optimal subcooling (after condenser / gas cooler / internal heat exchanger) and overheating (after evaporator / internal heat exchanger). The concept of adjustability of the optimal operating point can be realized with different or any refrigerants, that is it is not limited to R744 (CO 2 ). However, with other refrigerants operating parameters of the process must be adjusted or adjusted accordingly.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass beim Anlaufen der Kälteanlage ein Startwert für das Expansionsventil gewählt wird, der entweder ein fester Wert ist oder anhand einer Kennlinie oder anhand eines Kennfelds gewählt wird.In the method according to the invention, it may be provided that when starting the refrigeration system, a start value for the expansion valve is selected, which is either a fixed value or is selected based on a characteristic curve or on the basis of a characteristic diagram.

Ausgehend von diesem Startwert wird in einem nächsten Schritt ein erster Arbeitspunkt für das System ermittelt und eingestellt, das heißt der Start-Hochdruck beziehungsweise die Start-Unterkühlung. Dies erfolgt analog per Kennlinienzusammenhang etc.Starting from this starting value, a first operating point for the system is determined and set in a next step, that is, the starting high pressure or the starting supercooling. This takes place analogously by means of a characteristic relationship, etc.

Daneben betrifft die Erfindung eine Kälteanlage, mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem inneren Wärmetauscher, einem einstellbaren Expansionsventil, einem Verdampfer und einem Akku als Sammelbehälter.In addition, the invention relates to a refrigeration system, with a compressor, a gas cooler, an inner heat exchanger, an adjustable expansion valve, an evaporator and a battery as a reservoir.

Die erfindungsgemäße Kälteanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Steuerungseinrichtung aufweist, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.The refrigeration system according to the invention is characterized in that it has a control device which is designed to carry out the method described.

Ein innerer Wärmeübertrager ist nicht zwangsläufig für ein Kälteanlagensystem gefordert.An internal heat exchanger is not necessarily required for a refrigeration system.

Die erfindungsgemäße Kälteanlage kann entweder in einem Kältekreislauf zur Erzeugung von Kälte oder in einem Heizkreislauf als Wärmpumpe zur Erzeugung von Wärme betrieben werden.The refrigeration system according to the invention can be operated either in a refrigeration cycle for generating cold or in a heating circuit as a heat pump for generating heat.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und zeigt die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to the drawing. The drawing is a schematic representation and shows the essential components of a refrigeration system according to the invention.

Die in der 1 gezeigte Kälteanlage 1 umfasst einen Verdichter 2, der elektrische oder mechanisch angetrieben wird. Dem Verdichter 2 nachgeschaltet sind ein Drucksensor 3 und ein Temperatursensor 4, die Druck und Temperatur des Kältemittels messen. Der Drucksensor 3 und der Temperatursensor 4 sind mit einer Steuerungseinrichtung 5 verbunden, der die Messgrößen als Eingangsgrößen zugeführt werden.The in the 1 shown refrigeration system 1 includes a compressor 2 which is driven electrically or mechanically. The compressor 2 Downstream are a pressure sensor 3 and a temperature sensor 4 , which measure the pressure and temperature of the refrigerant. The pressure sensor 3 and the temperature sensor 4 are with a control device 5 connected, the measured variables are supplied as input variables.

Die Kälteanlage 1 ist mit Kältemittel gefüllt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um R744. Nach dem Passieren des Verdichters 2 gelangt das Kältemittel, das in Abhängigkeit der am System anliegenden Last einen unter- oder überkritischen Druck aufweist, zu einem Gaskühler 6. Der Gaskühler 6 wird häufig auch als Kondensator bezeichnet, wobei eine Kondensation im unterkritischen Betriebszustand stattfindet. An dem Gaskühler 6 befindet sich ein Temperatursensor 7, der die Temperatur der Umgebungsluft misst. Dem Gaskühler 6 sind ein weiterer Drucksensor 8 und ein weiterer Temperatursensor 9 nachgeschaltet, die über entsprechende Leitungen mit der Steuerungseinrichtung 5 verbunden sind. Beim Passieren des dem Gaskühler 6 nachgeschalteten inneren Wärmeübertragers 10 erfolgt eine weitere Abkühlung des Kältemittels. Nach dem hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 10 gelangt das Kältemittel zu einem Expansionsorgan, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als elektronisch steuerbares Expansionsventil 11 ausgebildet ist. Beim Passieren des Expansionsventils 11 erfolgt eine isenthalpe Expansion ins Nassdampfgebiet. Die flüssige Phase des Kältemittels wird anschließend im Verdampfer 12 verdampft, wodurch die gewünschte Kühlwirkung des den Verdampfer durchströmenden Luftstroms eintritt. Ein Temperatursensor 13, der am Verdampfer 12 angeordnet ist, misst die Temperatur der Luft nach dem Verdampfer 12.The refrigeration system 1 is filled with refrigerant. In the illustrated embodiment, this is R744. After passing the compressor 2 the refrigerant, which has a subcritical or supercritical pressure depending on the load applied to the system, reaches a gas cooler 6 , The gas cooler 6 is often referred to as a capacitor, wherein a condensation takes place in the subcritical operating condition. At the gas cooler 6 there is a temperature sensor 7 that measures the temperature of the ambient air. The gas cooler 6 are another pressure sensor 8th and another temperature sensor 9 downstream, via appropriate lines with the control device 5 are connected. When passing the gas cooler 6 downstream internal heat exchanger 10 there is a further cooling of the refrigerant. After the high pressure side section of the internal heat exchanger 10 the refrigerant reaches an expansion element, which in the illustrated embodiment as an electronically controllable expansion valve 11 is trained. Passing the expansion valve 11 an isenthalpe expansion takes place into the wet steam area. The liquid phase of the refrigerant is then in the evaporator 12 evaporates, whereby the desired cooling effect of the evaporator flowing through the air flow occurs. A temperature sensor 13 , the evaporator 12 is arranged, the temperature of the air after the evaporator measures 12 ,

Ein dem Verdampfer 12 nachgeschalteter Akku 14 dient als Speicher für das Kältemittel, anschließend nimmt das Kältemittel beim Passieren des niederdruckseitigen Abschnitts des inneren Wärmeübertragers 10 Wärme auf, überhitzt und gelangt wieder zum Verdichter 2, wodurch der Kältemittelkreislauf geschlossen wird.A the evaporator 12 downstream battery 14 serves as storage for the refrigerant, then takes the refrigerant when passing the low pressure side portion of the internal heat exchanger 10 Heat up, overheats and gets back to the compressor 2 , whereby the refrigerant circuit is closed.

Es versteht sich, dass die einzelnen Komponenten der Kälteanlage 1 über Rohrleitungen oder Schlauchleitungen miteinander verbunden sind, die erwähnten Drucksensoren und Temperatursensoren sind über entsprechende elektrische Leitungen mit der Steuerungseinrichtung 5 verbunden. Zudem ist die Steuerungseinrichtung 5 mit dem Expansionsventil 11 verbunden und kann dessen Öffnungsquerschnitt steuern. Daneben ist die Steuerungseinrichtung 5 mit dem Verdichter verbunden, um dessen Ansteuerung zu gewährleisten beziehungsweise mit diesem zu kommunizieren.It is understood that the individual components of the refrigeration system 1 are connected to each other via pipes or hose lines, the pressure sensors and temperature sensors mentioned are via corresponding electrical lines with the control device 5 connected. In addition, the control device 5 with the expansion valve 11 connected and can control the opening cross-section. Next to it is the control device 5 connected to the compressor to ensure its control or to communicate with this.

Das Verfahren zum Einstellen eines optimalen Betriebspunkts der Kälteanlage 1 wird im Folgenden erläutert. The procedure for setting an optimal operating point of the refrigeration system 1 is explained below.

Nach dem Start wird in einem ersten Schritt geprüft, ob eine geforderte Temperatur erreicht ist. Diese Temperatur wird auch als „set point“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um einen Sollwert für die Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12. An dieser Stelle tritt die gewünschte Kühlwirkung ein, das heißt ein Luftstrom wird abgekühlt und mittels eines Gebläses dem Innenraum eines Kraftfahrzeugs zugeführt. Im ersten Schritt wird mit dem Temperatursensor 13 geprüft, ob die geforderte Temperatur erreicht ist, das heißt ob die Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12 gleich groß oder kleiner als die geforderte Temperatur ist. Falls diese Bedingung erfüllt ist, wird das Verfahren mit einem ersten Zweig des Verfahrens fortgesetzt, falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird das Verfahren mit einem zweiten Zweig des Verfahrens fortgesetzt.After the start, in a first step it is checked whether a required temperature has been reached. This temperature is also called a "set point". It is a setpoint for the air temperature after the evaporator 12 , At this point, the desired cooling effect occurs, that is, a stream of air is cooled and fed by means of a blower to the interior of a motor vehicle. The first step is with the temperature sensor 13 checked whether the required temperature is reached, that is, whether the air temperature after the evaporator 12 is equal to or less than the required temperature. If this condition is met, the method continues with a first branch of the method, if this condition is not met, the method continues with a second branch of the method.

Ein zweiter Schritt wird erreicht, wenn die einzustellende Verdampfertemperatur, das heißt die geforderte Kälteleistung, nicht erreicht wird. Es wird dann geprüft, ob der Verdichter 2 an seiner Leistungsgrenze betrieben wird. Die Leistung kann durch Erhöhung der Drehzahl vergrößert werden, eine Erhöhung der Drehzahl geht einher mit einer Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme. Falls der Verdichter 2 nicht an seiner Leistungsgrenze betrieben wird, wird in einem dritten Schritt die Leistung erhöht, anschließend wird zum ersten Schritt verzweigt.A second step is achieved if the evaporator temperature to be set, ie the required cooling capacity, is not reached. It is then checked if the compressor 2 is operated at its power limit. The power can be increased by increasing the speed, an increase in speed is accompanied by an increase in electrical power consumption. If the compressor 2 is not operated at its power limit, the power is increased in a third step, then the first step is branched.

Andernfalls, wenn der Verdichter 2 bereits an seiner Leistungsgrenze betrieben wird, werden in einem vierten Schritt die aktuellen Betriebsparameter gespeichert. Diese umfassen zumindest die mittels des Temperatursensors 13 gemessene Temperatur der Luft nach dem Verdampfer und die von dem Verdichter 2 aufgenommene Leistung.Otherwise, if the compressor 2 is already operated at its power limit, the current operating parameters are stored in a fourth step. These include at least the means of the temperature sensor 13 measured temperature of the air after the evaporator and that of the compressor 2 recorded performance.

Anschließend wird versucht, die Kühlleistung am Verdampfer 12 bei konstanter Leistung des Verdichters 2 zu erhöhen. Dazu wird in einem fünften Schritt das Expansionsventil 11 gezielt angesteuert, anschließend wird die sich dadurch einstellende Änderung der Kühlleistung in Bezug auf vorangegangene Werte erfasst und verglichen. Die sich tatsächlich einstellende minimale Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12 ist dabei ein Maß für die Kälteleistung.Subsequently, the cooling performance at the evaporator is tried 12 at constant power of the compressor 2 to increase. In addition, in a fifth step, the expansion valve 11 selectively controlled, then the resulting change in cooling capacity is recorded with respect to previous values and compared. The actually set minimum air temperature after the evaporator 12 is a measure of the cooling capacity.

In einem sechsten Schritt wird geprüft, ob sich nach der Ansteuerung des Expansionsventils 11 in dem fünften Schritt die Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen Temperatur der Luft nach dem Verdampfer und dem Sollwert (set point) verringert hat. Falls dies nicht der Fall ist, wird wieder zum ersten Schritt verzweigt, sodass das Verfahren erneut durchlaufen wird. In a sixth step it is checked whether after the activation of the expansion valve 11 in the fifth step has reduced the temperature difference between the actual temperature of the air after the evaporator and the set point. If this is not the case, the system branches back to the first step, so that the procedure is run through again.

Andernfalls, wenn die gezielte Ansteuerung des Expansionsventils 11 zu der gewünschten Verringerung geführt hat, wird in einem siebten Schritt geprüft, ob die geforderte Temperatur (set point) bereits erreicht ist. Falls das nicht der Fall ist, wird von dort zum zweiten Schritt verzweigt, sodass der zweite Zweig des Verfahrens wieder durchlaufen wird, um die Kälteleistung zu optimieren.Otherwise, if the targeted control of the expansion valve 11 has led to the desired reduction is tested in a seventh step, if the required temperature (set point) is already reached. If this is not the case, the process branches to the second step from there, so that the second branch of the process is run through again in order to optimize the cooling capacity.

Andernfalls wenn im siebten Schritt festgestellt worden ist, dass der Sollwert für die Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12 erreicht ist, wird in den ersten Zweig des Verfahrens verzweigt, um den Betrieb der Kälteanlage 1 energieeffizient durchzuführen. Dazu werden in einem achten Schritt die Betriebsparameter gespeichert. Die Systemdaten umfassen die aktuelle Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12, die mittels des Temperatursensors 13 gemessen wird. Ferner umfassen die Betriebsparameter die von dem Verdichter 2 aufgenommene Leistung.Otherwise, if in the seventh step it has been determined that the setpoint for the air temperature after the evaporator 12 is reached, is branched to the first branch of the process to the operation of the refrigeration system 1 energy efficient. For this, the operating parameters are stored in an eighth step. The system data includes the current air temperature after the evaporator 12 , which by means of the temperature sensor 13 is measured. Further, the operating parameters include those of the compressor 2 recorded performance.

Anschließend wird in einem neunten Schritt das Expansionsventil 11 gezielt angesteuert, das heißt geöffnet oder geschlossen. Durch Variation des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils 11 ändert sich der in der Kälteanlage 1 herrschende Hochdruck. Das Öffnen des Expansionsventils 11 reduziert den Hochdruck, das Schließen des Expansionsventils 11 hat dessen Steigerung zur Folge. Gleichzeitig wird die Leistungsaufnahme des Verdichters 2 überwacht und mit früheren Werten verglichen. Ändert sich die Leistung „positiv“, das heißt im Sinne einer Reduktion der Antriebsleistung des Verdichters 2, so wird das Expansionsventil 11 weiter in der gleichen Betätigungsrichtung angesteuert. In einem Betriebszustand kann das Expansionsventil 11 geöffnet werden, in einem anderen Betriebszustand kann es geschlossen werden. Wenn eine „negative“ Änderung der aufgenommenen Leistung im Sinne einer Zunahme der Antriebsleistung des Verdichters 2 detektiert wird, so wird die „Richtung“ der Ansteuerung umgekehrt, das heißt wenn das Expansionsventil 11 bisher geschlossen wurde, wird es nun geöffnet und umgekehrt. Im Einzelnen wird in einem zehnten Schritt geprüft, ob der Sollwert für die Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12, der set point, erreicht ist. Bejahendenfalls wird in einem elften Schritt geprüft, ob die Leistung des Verdichters 2 durch die Ansteuerung des Expansionsventils 11 verringert wurde. Falls dies der Fall ist, wird das Verfahren beginnend ab dem achten Schritt erneut durchgeführt. Andernfalls wenn die Ansteuerung des Expansionsventils 11 nicht dazu geführt hat, dass sich die Leistung des Verdichters verringert hat, wird die Richtung der Ansteuerung umgekehrt und das Verfahren wird ebenfalls ab dem achten Schritt erneut durchlaufen.Subsequently, in a ninth step, the expansion valve 11 targeted, ie open or closed. By varying the opening cross-section of the expansion valve 11 it changes in the refrigeration system 1 ruling high pressure. Opening the expansion valve 11 reduces the high pressure, the closing of the expansion valve 11 has its increase. At the same time, the power consumption of the compressor 2 monitored and compared with previous values. If the power changes "positively", ie in the sense of reducing the drive power of the compressor 2 , so will the expansion valve 11 further controlled in the same direction of actuation. In an operating condition, the expansion valve 11 it can be closed in another operating state. If a "negative" change in the absorbed power in the sense of an increase in the drive power of the compressor 2 is detected, the "direction" of the control is reversed, that is, when the expansion valve 11 has been closed, it will now open and vice versa. In detail, it is checked in a tenth step, if the setpoint for the air temperature after the evaporator 12 , which is set point, reached. If so, it is checked in an eleventh step if the performance of the compressor 2 by controlling the expansion valve 11 was reduced. If so, the procedure is repeated from the eighth step. Otherwise, if the control of the expansion valve 11 has not led to the performance of the compressor has decreased, the direction of the drive is reversed and the procedure is also run again from the eighth step.

Wenn die Prüfung im zehnten Schritt ergeben hat, dass der Sollwert für die Lufttemperatur nach dem Verdampfer 12 (set point) nicht erreicht worden ist, wird von dort zum zweiten Schritt in den zweiten Zweig des Verfahrens verzweigt.If the test in the tenth step has revealed that the setpoint for the air temperature after the evaporator 12 (set point) has not been reached, is branched from there to the second step in the second branch of the method.

Da der Verdichter 2 einen elektrischen Antriebsmotor besitzt, kann eine Änderung der Antriebsleistung einfach detektiert werden. Anhand des Antriebsmotors kann die anliegende Spannung sowie die Stromaufnahme ermittelt und der Steuerungseinrichtung 5 zugeführt werden. Das Produkt aus Strom und Spannung entspricht der aufgenommenen elektrischen Leistung zum Betrieb des elektrischen Verdichters 2 im aktuellen Betriebspunkt. Der erste Zweig des Verfahrens dient dazu, bei unveränderter, das heißt konstanter Leistung des Verdampfers 12 die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters 2 zu minimieren, wodurch die Gesamteffizienz der Kälteanlage 1 optimiert wird.Because the compressor 2 has an electric drive motor, a change in the drive power can be easily detected. Based on the drive motor, the applied voltage and the current consumption can be determined and the control device 5 be supplied. The product of current and voltage corresponds to the absorbed electrical power for operation of the electric compressor 2 at the current operating point. The first branch of the method is used, with unchanged, that is, constant performance of the evaporator 12 the electrical power consumption of the compressor 2 minimize, thereby reducing the overall efficiency of the refrigeration system 1 is optimized.

Bei einem mechanisch angetriebenen Verdichter kann stattdessen auf ein Kennfeld zurückgegriffen werden, in dem das benötigte Antriebsmoment in Abhängigkeit der Drehzahl des Motors angegeben ist. Über das jeweilige Übersetzungsverhältnis und das Druckverhältnis kann eine Berechnung der Leistung erfolgen.In the case of a mechanically driven compressor, it is possible instead to resort to a characteristic diagram in which the required drive torque is specified as a function of the rotational speed of the engine. About the respective transmission ratio and the pressure ratio, a calculation of the power can be done.

Für alle Typen von Verdichter gilt, das die Drücke der Niederdruckseite und der Hochdruckseite über integrierte Drucksensoren erfasst werden können. Falls an der Niederdruckseite kein derartiger Sensor vorhanden ist, kann eine indirekte Druckermittlung anhand des gemessenen Werts der Luftaustrittstemperatur nach dem Verdampfer und eine Umrechnung auf einen korrespondierenden Verdampfungsdruck erfolgen, wodurch der gesuchte Niederdruck erhalten werden kann.For all types of compressors, the pressures of the low pressure side and the high pressure side can be detected by integrated pressure sensors. If no such sensor is present on the low-pressure side, an indirect pressure determination can take place on the basis of the measured value of the air outlet temperature downstream of the evaporator and a conversion to a corresponding evaporation pressure, whereby the low pressure sought can be obtained.

Die in 1 gezeigte Kälteanlage kann nach erfolgten Modifikationen im Systemdesign auch als Wärmpumpe betrieben werden. Über die Rückmeldung der Leistungsaufnahme des Verdichters kann ebenso ein optimaler Betriebspunkt mit geringster Antriebsleistung erfasst und eingestellt werden.In the 1 shown refrigeration system can also be operated as a heat pump after modifications in the system design. On the feedback of the power consumption of the compressor can also be detected and adjusted an optimal operating point with the lowest drive power.

Durch das iterative Vorgehen findet das Verfahren stets den optimalen Betriebspunkt, unabhängig von verbauten oder zum Einsatz kommenden Komponenten oder unterschiedlichen Systemdesigns. Es ist nicht unbedingt erforderlich, aufwendige Kennlinien oder Kennfelder zu ermitteln, stattdessen ist ein Rückgriff auf Näherungsformeln für Kennlinien möglich, die aus Versuchen oder der Literatur bekannt sind, die für einen temporären Betrieb der Kälteanlage, insbesondere jedoch für das Anlaufverhalten und gegebenenfalls für einen instationären Betrieb hinreichend genau sind. Bei der beschriebenen Kälteanlage wirken sich statistische Messfehler der Drucksensoren und der Temperatursensoren weniger stark auf die Effizienz des Systems aus. Die Leistungsfähigkeit der Kälteanlage wird gesteigert, sodass auch bei höheren Temperaturen die erforderliche Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Bereitgestellte Botschaften der zum Einsatz kommenden Verdichter können genutzt und direkt für eine Steigerung des Systemeffizienz eingesetzt werden.Thanks to the iterative procedure, the process always finds the optimum operating point, regardless of components installed or used, or different system designs. It is not absolutely necessary to determine elaborate characteristics or maps, but a recourse to approximate formulas for characteristics is possible, which are known from experiments or the literature, for a temporary operation of the refrigeration system, but especially for the tarnish and possibly for a transient Operation are sufficiently accurate. In the described refrigeration system, statistical measurement errors of the pressure sensors and the temperature sensors have less of an effect on the efficiency of the system. The performance of the refrigeration system is increased, so that even at higher temperatures, the required cooling capacity can be provided. Delivered messages from the compressors that are used can be used and used directly to increase system efficiency.

Claims (10)

Verfahren zum Einstellen eines optimalen Betriebspunkts einer Kälteanlage (1), mit den folgenden Schritten: a) Überprüfen, ob eine geforderte Temperatur an einem Verdampfer (12) erreicht wird; b) falls die geforderte Temperatur nicht erreicht wird, Erhöhen der Leistung eines Verdichters (2) bis zur Leistungsgrenze; c) iteratives Einstellen des Expansionsventils (11) bis die Kälteanlage (1) an einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem die geforderte Temperatur am Verdampfer (12) erreicht wird.Method for setting an optimum operating point of a refrigeration system (1), comprising the following steps: a) checking whether a required temperature is reached at an evaporator (12); b) if the required temperature is not reached, increasing the power of a compressor (2) to the power limit; c) iteratively adjusting the expansion valve (11) until the refrigeration system (1) is operated at an optimum operating point at which the required temperature at the evaporator (12) is reached. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die geforderte Temperatur am Verdampfer (12) erreicht ist, das Expansionsventil (11) iterativ eingestellt wird, bis die Kälteanlage (1) an einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, bei dem die von dem Verdichter (2) aufgenommene Leistung minimal ist.Method according to Claim 1 characterized in that, when the required temperature at the evaporator (12) is reached, the expansion valve (11) is iteratively adjusted until the refrigeration system (1) is operated at an optimum operating point at which the pressure from the compressor (2) recorded power is minimal. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Minimieren der Leistungsaufnahme des Verdichters (2) der erzeugte Hochdruck insbesondere für einen überkritischen Anlagenbetrieb erhöht oder reduziert wird, wobei zum Minimieren der Leistungsaufnahme des Verdichters (2) die erzeugte Unterkühlung nach Gaskühler (6) oder Kondensator insbesondere für einen unkritischen Anlagenbetrieb erhöht oder reduziert wird und/oder dass zum Minimieren der Leistungsaufnahme des Verdichters (2) die erzeugte Überhitzung nach Verdampfer (12) erhöht oder reduziert wird.Method according to Claim 2 characterized in that for minimizing the power consumption of the compressor (2) the generated high pressure is increased or reduced in particular for supercritical plant operation, wherein to minimize the power consumption of the compressor (2) the generated subcooling to the gas cooler (6) or condenser in particular for a uncritical system operation is increased or reduced, and / or that to minimize the power consumption of the compressor (2), the generated superheat after evaporator (12) is increased or reduced. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nach dem Einstellen des Expansionsventils (11) die Temperatur am Verdampfer (12) höher ist als die geforderte Temperatur, das Verfahren mit dem Schritt b) des Anspruchs 1 fortgesetzt wird.Method according to Claim 2 or 3 , characterized in that, if after the setting of the expansion valve (11), the temperature at the evaporator (12) is higher than the required temperature, the method with the step b) of Claim 1 will continue. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommene Leistung bei einem durch einen elektrischen Antrieb angetriebenen Verdichter (2) als Produkt aus Spannung und Stromstärke und bei einem mechanisch angetriebenen Antrieb anhand eines Kennfelds bestimmt wird oder dass die Leistungsaufnahme als direkter Ausgabewert vom elektrisch angetriebenen Verdichter (2) bereitgestellt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power absorbed in a driven by an electric drive compressor (2) is determined as a product of voltage and current and in a mechanically driven drive based on a map or that the power consumption as a direct output value of electrically driven compressor (2) is provided. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es entweder während eines Kühlbetriebs oder während eines Heizbetriebs durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is carried out either during a cooling operation or during a heating operation. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that carbon dioxide (CO 2 ) is used as the refrigerant. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anlaufen der Kälteanlage (1) ein Startwert für das Expansionsventil (11) gewählt wird, der entweder ein fester Wert ist oder anhand einer Kennlinie oder anhand eines Kennfelds gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when starting the refrigeration system (1), a starting value for the expansion valve (11) is selected, which is either a fixed value or is selected based on a characteristic or based on a map. Kälteanlage (1), mit einem Verdichter (2), einem Gaskühler (6), einem inneren Wärmeübertrager (10), einem einstellbaren Expansionsventil (11), einem Verdampfer (12) und einem Akku (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (1) eine Steuerungseinrichtung (5) aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.Refrigeration system (1), with a compressor (2), a gas cooler (6), an internal heat exchanger (10), an adjustable expansion valve (11), an evaporator (12) and a battery (14), characterized in that the refrigeration system (1) a control device (5), which for carrying out the method according to one of Claims 1 to 8th is trained. Kälteanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Heizkreislauf als Wärmepumpe betreibbar ist.Refrigeration system after Claim 9 , characterized in that it is operable in a heating circuit as a heat pump.
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