DE102015104464A1

DE102015104464A1 - Regelanordnung und Verfahren zur Regelung für einen R744-Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102015104464A1
Application number: DE102015104464.1A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Peter Heyl; Engelbert Schmitz; Roberto Della Rovere; Daniel Zens; Jörg Bodewig
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: KR101749430B1; KR20160115674A; DE102015104464B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung für einen R744-Kältemittelkreislauf, enthaltend einen mechanisch oder elektrischen angetriebenen Verdichter (1), einen Gaskühler (2), einen Akkumulator-Innerer Wärmeübertrager (3), ein elektrisch regelbares Expansionsorgan (4) und einen Verdampfer (5) sowie eine Regeleinrichtung mit Sensoren (7, 8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur- und Drucksensor (7) zur Messung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter (1), der Temperatursensor (8) zur Messung der Temperatur des Kältemittels nach dem Gaskühler (2) und der Temperatursensor (9) zur Messung der Temperatur der gekühlten Luft im Verdampfer (5) ausgebildet sind und dass die Regeleinrichtung als Kaskadenregelung derart ausgebildet ist, dass ein Führungsregler (10) den Soll-Regelstrom oder den Soll-Saugdruck und ein Folgeregler (11) den Regelstrom oder die Drehzahl des Verdichters (1) regeln, wobei die Reglerstruktur als kombinierte Komfort- und Komponentenschutzregelung ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung und ein Verfahren zur Regelung eines R744-Kältemittelkreislaufes. Derartige Kältemittelkreisläufe mit Kohlendioxid als Kältemittel werden beispielsweise für die Kraftfahrzeuginnenraumklimatisierung eingesetzt.
Die Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel führt zu Besonderheiten des Kältemittelkreislaufes und seiner Regelung, die im Vergleich zu anderen herkömmlichen Kältemitteln sich durch das hohe Druckniveau signifikant unterscheiden.
Im Stand der Technik sind diverse Kältemittelkreisläufe mit Kohlendioxid als Kältemittel bekannt. Weiterhin sind auch Regelanordnungen und Verfahren zur Regelung für derartige Kältemittelkreisläufe bekannt.
Aus der KR 101206201 B1 ist beispielsweise ein Kältemittelkreislauf mit einem Verdampferregler bekannt.
Nachteilig bei Systemen nach dem Stand der Technik ist jedoch, dass die besonderen Maßnahmen zur Absicherung des Hochdruckniveaus häufig zu einer Verminderung des Komforts bei derartigen Kältemittelkreisläufen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Regelanordnung und ein Verfahren zur Regelung für einen R744-Kältemittelkreislauf zur Verfügung zu stellen, der sowohl hinsichtlich des Komponentenschutzes als auch hinsichtlich des Komforts Verbesserungen hervorbringt. Dabei soll die Regelanordnung einen effizienten und den Sollvorgaben entsprechenden Betrieb des R744-Kältemittelkreislaufes gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch eine Regelanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Regelanordnung für einen R744-Kältemittelkreislauf gelöst, welcher einen mechanisch angetriebenen Verdichter, einen Gaskühler, einen Akkumulator und inneren Wärmeübertrager, ein elektrisch regelbares Expansionsorgan und einen Verdampfer sowie eine Regeleinrichtung mit Sensoren für Temperatur und Druck aufweist. Die Regelanordnung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur- und Drucksensor zur Messung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kältemittels nach dem Gaskühler und ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der gekühlten Luft im Verdampfer vorgesehen. Die Regeleinrichtung ist als Kaskadenregelung derart ausgebildet, dass ein Führungsregler den Sollregelstrom und ein Folgeregler den Regelstrom des Verdichters regeln, wobei die Reglerstruktur als kombinierte Komfort- und Komponentenschutzregelung ausgebildet ist.
Der mechanisch angetriebene Kältemittelverdichter hat über den Antrieb vom Fahrzeug, beispielsweise mittels Riementrieb, eine vom Fahrzeug vorgegebene Drehzahl. Von der Regelungssoftware wird dann der Hub der Schwungscheibe beeinflusst. Dies erfolgt aber nicht direkt, sondern im Falle eines R744 Verdichters über den Regelstrom, über ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM, dass in dem Regelventil des Verdichters mit Variation des Tastverhältnisses einen Strom einregelt und so eine definierte Druckdifferenz eingestellt wird. Die Regelungssoftware berechnet beispielsweise, dass eine Differenz von 100 bar nötig ist. Dies entspricht laut Kennlinie einem Regelstrom von 650 mA. Dieser Strom wird dann durch die Regelungssoftware eingeregelt und die geforderten 100 bar Druckdifferenz stellen sich am Verdichter selbstständig ein.
Alternativ wird die Aufgabe der Erfindung insbesondere durch eine Regelanordnung für einen R744-Kältemittelkreislauf gelöst, welcher einen elektrisch angetriebenen Verdichter, einen Gaskühler, einen Akkumulator und inneren Wärmeübertrager, ein elektrisch regelbares Expansionsorgan und einen Verdampfer sowie eine Regeleinrichtung mit Sensoren für Temperatur und Druck aufweist. Die Regelanordnung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur- und Drucksensor zur Messung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter sowie ein Saugdrucksensor vorgesehen sind. Weiterhin ist ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kältemittels nach dem Gaskühler und ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der gekühlten Luft im Verdampfer vorgesehen. Die Regeleinrichtung ist als Kaskadenregelung derart ausgebildet, dass ein Führungsregler den Soll-Saugdruck und ein Folgeregler die Drehzahl des Verdichters regeln, wobei die Reglerstruktur als kombinierte Komfort- und Komponentenschutzregelung ausgebildet ist.
Bei dem elektrischen Kältemittelverdichter, beispielsweise einem Scrollverdichter, wird von der Regelungssoftware eine Drehzahl gefordert. Die Vorgabe erfolgt meist über LIN oder CAN Bus. Die Berechnung des Soll-Saugdruckes und der Regler, der über die Variation der Drehzahl diesen Saugdruck einregelt, werden über die Regelungssoftware realisiert. Im Ergebnis der Regelung fährt der elektrisch angetriebene Kältemittelverdichter immer die geforderte Drehzahl.
Der Unterschied zwischen mechanisch und elektrisch angetriebenem Kältemittelverdichter liegen in der Regelgröße des Kältemittelverdichters. Beim mechanisch angetriebenen Kältemittelverdichter ist dies der Regelstrom des Verdichterregelventils und eine Messung des Stromes am Verdichterregelventil ist dafür erforderlich. Beim elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter ist die Regelgröße der Saugdruck und ein Saugdrucksensor ist dafür erforderlich. Dabei erfolgt die Berechnung meist mittels Kennlinie um den auch berechneten Soll-Saugdruck in die entsprechende Führungsgröße für den Folgeregler beim mechanisch angetriebenen Kältemittelverdichter umzurechnen. Die Kennlinie ordnet einem bestimmten Regelstrom entweder einen bestimmten Saugdruck oder eine Druckdifferenz von Hochdruck zu Niederdruck zu, wodurch eine direkte Messung des Saugdruckes nicht mehr erforderlich ist. Im Fall des elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichters kann die Umrechnung entfallen, da der Soll-Saugdruck schon die Führungsgröße des Folgereglers ist.
Die Erfindung wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass der Führungsregler mit einem PI-Regler ausgeführt ist, wobei die aktuelle Regelabweichung mittels eines Schalters auf den Führungsregler aufschaltbar ist.
Alternativ dazu wird die Erfindung dadurch realisiert, dass der Führungsregler mit drei parallelen PI-Reglern als PI-Temperaturreglerverdampfer, PI-Temperaturreglerverdichter und PI-Druckreglerverdichter ausgeführt ist. In besonders vorteilhafter Weise wird dadurch ein Teil der Logik zur Ermittlung der zu priorisierenden Regelabweichung ersetzt durch die Parallelschaltung der drei PI-Regler.
Die Regelanordnung enthält weiterhin bevorzugt ein Rückschlagventil nach dem Verdampfer für das Kältemittel.
Das elektrisch regelbare Expansionsorgan ist bevorzugt als Expansionsventil ausgebildet und über einen separaten Expansionsorganregler regelbar ausgeführt.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Regelung eines R744-Kältemittelkreislaufes gelöst, wobei

a) mit der Kältemitteltemperatur des Temperatursensors nach dem Gaskühler der optimale Hochdruck des Kältemittelsystems bestimmt wird,
b) im überkritischen Zustand regelt das elektrisch regelbare Expansionsorgan einen optimalen Hochdruck des Kältemittelsystems mittels des Drucksensors ein,
c) im unterkritischen Zustand fährt das elektrisch regelbare Expansionsorgan einen minimalen Hochdruck mittels eines minimal erlaubten Öffnungsquerschnitts, wobei
d) die Lufttemperatur des Temperatursensors am Verdampfer einem gegebenen Sollwert nachgeführt wird und dazu die Leistung des Verdichters geregelt wird, wobei
e) der Drucksensor fortlaufend den maximal zulässigen Betriebsdruck nach dem Verdichter überwacht und bei Überschreiten der Verdichter abgeregelt wird und dass bei Überschreiten eines kritischen Betriebsdruckes der Kältekreislauf abgeschaltet wird,
f) der Temperatursensor fortlaufend die maximal zulässige Betriebstemperatur des Kältemittels nach dem Verdichter überwacht und die Kältemitteltemperatur geregelt wird.

Bevorzugt wird zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter der Querschnitt des Expansionsorgans vergrößert.
Zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter wird der optimale Hochdruck des Kältemittelsystems solange abgesenkt, bis die Kältemitteltemperatur am Temperatursensor des Verdichters wieder im zulässigen Bereich ist.
Zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem dem Verdichter wird die Leistung des Verdichters bevorzugt verringert.
Der maximale Wert des Hochdruckes wird in den Regelparametern bevorzugt auf 130 bar festgesetzt. Der minimale Wert des Hochdruckes wird auf 74 bar festgesetzt. Der maximal zulässige Betriebsdruck wird auf 132 bar und der kritische Betriebsdruck auf 140 bar festgesetzt.
Die Regelungskonzeption besteht vorteilhaft darin, dass der Sollregelstrom für den Verdichter mittels eines Führungsreglers bestimmt wird und das ein Folgeregler den Regelstrom mittels Pulsweitenmodulation einregelt. Diese serielle Schaltung von Führungsregler und Folgeregler wird auch als Kaskadenregelung bezeichnet.
Besonders vorteilhaft wird der Führungsregler als PI-Regler ausgebildet. Das Umschalten der Regelabweichung wird dabei mittels eines Schalters je nach den Bedingungen der Regelung zur Lufttemperatur im Verdampfer, zum Kältemitteldruck nach dem Verdichter oder zur Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter vorgenommen.
Alternativ zur vorangehend beschriebenen Wirkungsweise ist der Führungsregler durch drei parallel geschaltete PI-Regler ausgebildet. Die Komfortregelung über die Lufttemperatur im Verdampfer erfolgt mittels eines PI-Temperaturreglersverdampfer als Komfortregler permanent. Bei zu hohem Kältemitteldruck nach dem Verdichter wird der Komfortregler bei seinem aktuellen Wert angehalten und der Komponentenschutzregler zieht von dem Wert etwas ab, wobei bei zu hoher Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter der Komfortregler bei seinem aktuellen Wert angehalten wird und der Komponentenschutzregler von dem Wert wiederum etwas abzieht, wodurch bei zu hohem Druck und zu hoher Temperatur am Verdichter abgeregelt wird.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, das eine übergeordnete Reglerstruktur zunächst eine Komfortregelung realisiert, die unter bestimmten Bedingungen von einer Komponentenschutzregelung überlagert wird, ohne die Komfortregelung gänzlich aufzugeben. Der R744-Kältemittelkreislauf wird mit einem regelbaren Expansionsorgan betrieben. Zusammengefasst bestimmt die Regelung den optimalen Hochdruck in der überkritischen Betriebsweise des Kältemittelkreislaufes und die Verdichterleistung wird in einer effektiven Weise geregelt. Das System kann schnell auf veränderte Bedingungen reagieren und von einem Komfortmodus in einen Komponentenschutzmodus übergehen.
Die Verdichterregelung gliedert sich somit in zwei Elemente, einmal in die Komfortregelung und ein andermal in den Komponenten- und Systemschutz. Die Komfortregelung besteht darin, dass die gewünschte Lufttemperatur am Ausgang des Verdampfers mittels einer Kaskadenregelung geregelt wird. Der Verdampferregler ist dabei der Mastercontroller, der auch als Führungsregler bezeichnet wird, wohingegen der Verdichterregler als abhängiger Regler, auch als Folgeregler bezeichnet, vom Verdampferregler ausgeführt ist. Der Verdichterregler, dass heißt der Folgeregler, regelt anhand der Verdichterkennlinie einen Regelstrom ein, indem ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) mit fester Frequenz in seinem Tastverhältnis variiert wird.
Die Komponenten- und Systemschutzregelung überlappt die Komfortregelung. Wird der maximale Hochdruck im normalen Betrieb überschritten, so ist das Expansionsventil vollständig geöffnet, da der maximale Wert des optimalen Hochdrucks unterhalb des maximalen Hochdruckes liegt. Mit Überschreiten des Hochdruckes oder der Heißgastemperatur wird die Komfortregelung deaktiviert und der Verdichter wird derart geregelt, dass der Sollwertbereich wieder erreicht wird. Der Hochdruckschutzregler erhält dabei die höchste Priorität und der Heißgasschutz erhält die zweithöchste Priorität. Die Lufttemperatur am Verdampfer, welche Gegenstand der Komfortregelung ist, wird auf die niedrigste Priorität gesetzt, wobei der Vorgabewert weiterhin aktiviert ist. Im Falle einer der Komponenten- beziehungsweise Systemschutzabregelung wird der Sollwert des Verdichterreglers, dem Folgeregler, durch den Führungsregler modifiziert.
Die Expansionsventilregelung regelt den optimalen Hochdruck des Systems im überkritischen Zustand. Der maximale Wert des optimalen Hochdrucks wird begrenzt nach oben durch den maximalen Druck für den Komponentenschutz abzüglich eines Offsets. Wird dieser überschritten wird das Expansionsventil geöffnet, so ergibt sich ein offenes beziehungsweise öffnendes Expansionsorgan wenn eine Hochdruckschutzregelung für den Verdichter erforderlich ist. Der optimale Hochdruck des Systems wird bestimmt als eine Funktion der Kältemitteltemperatur am Gaskühlerausgang und der gewünschten Lufttemperatur am Verdampfer.
Die Komponentenschutzregelung ist folgendermaßen charakterisiert: Hier handelt es sich um eine Alternative zu dem zuvor beschriebenen. Die Funktion von Führungsregler und Folgeregler ist grundsätzlich gleich, es werden immer noch dieselben Größen geregelt und überwacht. Jedoch gibt es für den Verdampferregler, den Komfortregler, und die beiden Komponentenschutzregler für Hochdruck und Heißgas jeweils einen eigenen Regler, die wie nachfolgend beschrieben arbeiten. Die aktive Überwachung und Aufschaltung der aktuellen Regelabweichung entfällt hier. Die Regelung des optimalen Hochdrucks durch das Expansionsorgan ist dabei genauso wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel beschrieben.
Während der Regelung der Lufttemperatur am Verdampfer ist die Hochdruck- und die Heißgaskontrolle aktiviert.
Beide Regler arbeiten invers, dies heißt, die positive Regelabweichung des Ausgangs geht gegen Null. Im Falle einer negativen Regelabweichung von einem der Schutzregler wird der Ausgang positiv und der Wert vom Komfortregler abgezogen. Dieser geringere Wert geht zurück in den Komfortregler, welcher dann seinen integralen Teil beendet. Der proportionale Teil des Reglers arbeitet jedoch weiterhin, kann aber auch je nach Ausführung ebenfalls angehalten werden. Der Ausgangswert des Komfortreglers begrenzt den maximalen Ausgang der beiden Schutzregler.
Alternativ kann die Regelung im Komfortmodus darin bestehen, dass das Expansionsventil die Temperatur nach dem Verdampfer bestimmt und die Kompressorregelung den optimalen Hochdruck. Bei dieser Alternative werden die oben beschriebenen Aufgaben, erstens die Regelung des optimalen Hochdrucks und zweitens die Komfortregelung in ihren Stellgrößen getauscht, dass heißt der Verdichter regelt dann den optimalen Hochdruck und das Expansionsorgan die Lufttemperatur nach Verdampfer.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein geringerer CO₂-Ausstoß durch den effizienten Betrieb des Systems an seinem optimalen Hochdruckniveau erfolgt. Dies ist möglich durch die bedarfsorientierte Regelung des Systems. Ein weiterer Vorteil ist der geringere klimaschädliche Einfluss durch den Einsatz von Kohlendioxid als natürlichem Kältemittel verglichen mit anderen synthetischen Kältemitteln, wie R134a und R1234yf. Ein wirtschaftlicher Vorteil besteht zudem darin, dass konsequenterweise geringere Kosten durch einen geringeren Treibstoffverbrauch in Folge der effizienten Regelung beim Betrieb von Kraftfahrzeugen mit diesem System entstehen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Kältemittelkreislauf
2: Regelungsschaltbild mit einem Führungsregler
3: Regelungsschaltbild mit drei parallelen PI-Reglern als Führungsregler
In 1 ist ein R744-Kältemittelkreislauf mit den wesentlichen Komponenten exemplarisch dargestellt. Der Verdichter 1 verdichtet das Kältemittel auf das Hochdruckniveau des Kältekreislaufes. Nachfolgend wird das heiße Kältemittel bei Hochdruck durch den Gaskühler 2 geführt und kühlt sich dort ab. Im Inneren Wärmeübertrager 3 gibt das Kältemittel Wärme an den Niederdruckstrom Wärme ab und wird im Expansionsorgan 4 auf Niederdruck entspannt. Das Expansionsorgan ist als elektrisch regelbares Expansionsventil ausgeführt. Im Verdampfer 5 nimmt das Kältemittel Wärme von der gekühlten Luft auf, durchströmt das Rückschlagventil 6 und den Inneren Wärmeübertrager 3 auf der Niederdruckseite und gelangt zum Verdichter 1, wo sich der Kältekreislauf schließt. Im Kreislauf sind Sensoren zur Regelung des Kreislaufes angeordnet. Nach dem Verdichter 1 ist ein Temperatur- und Drucksensor 7 angeordnet, der die Temperatur und den Druck des Kältemittels nach dem Verdichter 1 misst und an die nicht dargestellte Regeleinrichtung weitergibt. Nach dem Gaskühler 2 ist ein Temperatursensor 8 angeordnet, der die Kältemitteltemperatur nach dem Gaskühler 2 misst. Schließlich ist am Verdampfer 5 ein Temperatursensor 9 angeordnet, der die Temperatur der gekühlten Luft am Verdampfer 5 misst. Gegebenenfalls ist am Verdichter 1 bei der Ausgestaltung als elektrisch angetriebener Verdichter ein hier nicht dargestellter Saugdrucksensor vorgesehen.
In 2 ist ein Regelungsschaltbild mit einem Führungsregler 10 als Verdichterregler dargestellt. Dem Führungsregler 10 nachgeschaltet ist der Folgeregler 11 der mittels Pulsweitenmodulation PWM den Verdichterstrom eines mechanisch angetriebenen Verdichters regelt. Aus der Regelstrecke 13 werden die Temperatur am Verdichter gemäß 1 mittels dem Temperatursensor 7, der Druck nach dem Verdichter mittels dem Drucksensor 7 und die Temperatur der Luft am Verdampfer mittels dem Temperatursensor 9 an die Regeleinrichtung übermittelt, wonach die entsprechenden Regelabweichungen für das Heizgas und den Hochdruck des Verdichters sowie die Lufttemperatur am Verdampfer ermittelt werden. Die Regelabweichungen werden über eine Logik ausgewertet und überwacht und die Regelabweichung mit höchster Priorität wird mit dem Schalter 17 aufgeschalten. Diese aktuelle Regelabweichung wird dann dem Führungsregler 10 übermittelt und der Soll-Regelstrom dann von diesem ausgegeben. Das elektronische Expansionsventil wird mittels dem Expansionsorganregler 12 geregelt, welcher den Verdichtungsenddruck vom Drucksensor 7 bezieht. Alternativ wird bei der Ausführung der Kälteanlage mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter der Saugdruck gemessen und analog zu vorbeschriebenem Ablauf vom Führungsregler 10 der Soll-Saugdruck ausgegeben und vom Folgeregler 11 die Drehzahl des elektrisch angetriebenen Verdichters eingestellt.
In 3 ist ein Regelungsschaltbild mit drei parallelen PI-Reglern 14, 15, 16 als Führungsregler 10 dargestellt. Die Regelung des Expansionsorgans erfolgt wie in der Ausgestaltung nach 2 über den Expansionsorganregler 12. Der Führungsregler 10 als Kombination der einzelnen PI-Regler enthält drei parallel geschaltete Regler. Der auch als Komfortregler bezeichnete PI-Temperaturreglerverdampfer 14 erhält die Regelabweichung zur Solltemperatur und ist als Besonderheit des Ausführungsbeispiels immer als Komfortregler aktiv. Parallel dazu ist der Komponentenschutzregler für das Heißgas als PI-Regler für das Heizgas als PI-Temperaturreglerverdichter 15 geschaltet, welcher die Temperatur nach dem mechanisch angetriebenen Verdichter gemäß 1 vom Sensor 7 erhält. Den vorgenannten parallel geschalteten PI-Temperaturreglern 14, 15 ist der Komponentenschutzreglerhochdruck als PI-Druckregler 16 zusätzlich parallel geschaltet. Der PI-Druckregler 16 erhält den Druck nach dem Verdichter gleichfalls vom Sensor 7, der als kombinierter Temperatur- und Drucksensor ausgeführt ist. Die Besonderheit dieser Regelungsstrategie besteht darin, dass die Komponentenschutzregler für das Heißgas und den Hochdruck sowie der Komfortregler für die Temperatur der Luft am Verdampfer parallel geschalten sind, wobei wie bereits erwähnt, besonders vorteilhafterweise der PI-Temperaturreglerverdampfer 14 als Komfortregler immer, weil parallel geschaltet, aktiv ist. Im Unterschied zur Ausgestaltung nach 2 wird die Logik mit der Auswahl der primären Regelungsabweichung ersetzt durch die Parallelschaltung der drei PI-Regler 14, 15 und 16, welche gemeinsam als Führungsregler 10 agieren.
In der Ausgestaltung der Kälteanlage mit elektrisch angetriebenem Verdichter ändert sich wieder lediglich die Regelgröße des Folgereglers 11 vom Regelstrom des mechanisch angetriebenen Verdichters zum Saugdruck des elektrisch angetriebenem Verdichters.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Gaskühler
3: Akkumulator-Innerer Wärmeübertrager
4: Expansionsorgan
5: Verdampfer
6: Rückschlagventil
7: Temperatur- und Drucksensor
8: Temperatursensor
9: Temperatursensor
10: Führungsregler
11: Folgeregler
12: Expansionsorganregler
13: Regelstrecke
14: PI-Temperaturregler Verdampfer
15: PI-Temperaturregler Verdichter
16: PI-Druckregler Verdichter
17: Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 101206201 B1 [0004]

Claims

Regelanordnung für einen R744-Kältemittelkreislauf, enthaltend einen mechanisch angetriebenen Verdichter (1), einen Gaskühler (2), einen Akkumulator-Innerer Wärmeübertrager (3), ein elektrisch regelbares Expansionsorgan (4) und einen Verdampfer (5) sowie eine Regeleinrichtung mit Sensoren (7, 8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur- und Drucksensor (7) zur Messung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter (1), der Temperatursensor (8) zur Messung der Temperatur des Kältemittels nach dem Gaskühler (2) und der Temperatursensor (9) zur Messung der Temperatur der gekühlten Luft im Verdampfer (5) ausgebildet sind und dass die Regeleinrichtung als Kaskadenregelung derart ausgebildet ist, dass ein Führungsregler (10) den Soll-Regelstrom und ein Folgeregler (11) den Regelstrom des Verdichters (1) regeln, wobei die Reglerstruktur als kombinierte Komfort- und Komponentenschutzregelung ausgebildet ist.
Regelanordnung für einen R744-Kältemittelkreislauf, enthaltend einen elektrisch angetriebenen Verdichter (1), einen Gaskühler (2), einen Akkumulator-Innerer Wärmeübertrager (3), ein elektrisch regelbares Expansionsorgan (4) und einen Verdampfer (5) sowie eine Regeleinrichtung mit Sensoren (7, 8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur- und Drucksensor (7) zur Messung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter (1) sowie ein Saugdrucksensor, der Temperatursensor (8) zur Messung der Temperatur des Kältemittels nach dem Gaskühler (2) und der Temperatursensor (9) zur Messung der Temperatur der gekühlten Luft im Verdampfer (5) ausgebildet sind und dass die Regeleinrichtung als Kaskadenregelung derart ausgebildet ist, dass ein Führungsregler (10) den Soll-Saugdruck und ein Folgeregler (11) die Drehzahl des Verdichters (1) regeln, wobei die Reglerstruktur als kombinierte Komfort- und Komponentenschutzregelung ausgebildet ist.
Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler (10) mit einem PI-Regler ausgeführt ist, wobei die aktuelle Regelabweichung mittels eines Schalters (17) auf den Führungsregler aufschaltbar ist.
Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler (10) mit drei parallelen PI-Reglern als PI-Temperaturregler Verdampfer (14), PI-Temperaturregler Verdichter (15) und PI-Druckregler Verdichter (16) ausgeführt ist.
Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (6) nach dem Verdampfer (5) angeordnet ist.
Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch regelbare Expansionsorgan (4) als Expansionsventil ausgebildet und über einen separaten Expansionsorganregler (12) regelbar ausgeführt ist.
Verfahren zur Regelung eines R744-Kältemittelkreislaufes, wobei a) mit der Kältemitteltemperatur des Temperatursensors (8) nach dem Gaskühler (2) der optimale Hochdruck des Kältemittelsystems bestimmt wird, b) im überkritischen Zustand regelt das elektrisch regelbare Expansionsorgan (4) einen optimalen Hochdruck des Kältemittelsystems mittels des Drucksensors (7) ein, c) im unterkritischen Zustand fährt das elektrisch regelbare Expansionsorgan (4) einen minimaler Hochdruck mittels eines minimal erlaubten Öffnungsquerschnitts, wobei d) die Lufttemperatur des Temperatursensors (9) am Verdampfer (5) einem gegebenen Sollwert nachgeführt wird und dazu die Leistung des Verdichters (1) geregelt wird, wobei e) der Drucksensor (7) fortlaufend den maximal zulässigen Betriebsdruck nach dem Verdichter (1) überwacht und bei Überschreiten der Verdichter (1) abgeregelt wird und dass bei Überschreiten eines kritischen Betriebsdruckes der Kältekreislauf abgeschaltet wird, f) der Temperatursensor (7) fortlaufend die maximal zulässige Betriebstemperatur des Kältemittels nach dem Verdichters (1) überwacht und die Kältemitteltemperatur geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter (1) der Querschnitt des Expansionsorgans (4) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter (1) der optimale Hochdruck des Kältemittelsystems so lange abgesenkt wird, bis die Kältemitteltemperatur am Temperatursensor (7) nach dem Verdichter (1) wieder im zulässigen Bereich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter (1) die Leistung des Verdichters verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Wert des Hochdruckes auf 130 bar festgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Wert des Hochdruckes auf 74 bar festgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der maximal zulässige Betriebsdruck auf 132 bar festgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der kritische Betriebsdruck auf 140 bar festgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Regelstrom oder der Soll-Saugdruck für den Verdichter (1) mittels eines Führungsreglers (10) bestimmt wird und dass ein Folgeregler (11) den Regelstrom mittels Pulsweitenmodulation oder die Drehzahl einregelt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler (10) als PI-Regler ausgebildet ist und dass das Umschalten der Regelabweichung mittels des Schalters (17) je nach Bedingung mit der Regelung zur Lufttemperatur im Verdampfer (5), zum Kältemitteldruck nach dem Verdichter (1) oder zur Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler (10) als drei parellele PI-Regler (14, 15, 16) ausgebildet ist und dass die Komfortregelung über die Lufttemperatur im Verdampfer (5) mittels dem PI-Temperaturregler Verdampfer (14) als Komfortregler permanent erfolgt, wobei bei zu hohem Kältemitteldruck nach dem Verdichter (1) der Komfortregler (14) bei seinem aktuellen Wert angehalten wird und der Komponentenschutzregler (15) von dem Wert etwas abzieht, wobei bei zu hoher Kältemitteltemperatur nach dem Verdichter (1) der Komfortregler (14) bei seinem aktuellen Wert angehalten wird und der Komponentenschutzregler (16) von dem Wert etwas abzieht, wodurch bei zu hohem Druck und zu hoher Temperatur am Verdichter (1) abgeregelt wird.