DE102018215024A1

DE102018215024A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug sowie Kälteanlage

Info

Publication number: DE102018215024A1
Application number: DE102018215024.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeder; Helmut Rottenkolber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-09-05
Also published as: US11325446B2; US20200070629A1; DE102018215024B4; CN110873474A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage (10) für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager (2) aufweisenden Kältemittelkreislauf (1), bei welchem der Wärmeübertrager (2) mittels eines steuerbaren Umgebungsluftstromes (L) durchströmt wird und als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb betreibbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen dass zur Einstellung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge des Umgebungsluftstroms (L) mittels einer Vorrichtung (7) in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwertes der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs gesteuert wird, wobei oberhalb des Temperaturgrenzwertes die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) erhöht wird, und bei einer höchstens dem Temperaturgrenzwert entsprechenden Umgebungstemperatur die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) erniedrigt wird. Eine alternative Lösung sieht vor, dass anstelle des Temperaturgrenzwertes der Umgebungstemperatur ein Differenzdruckgrenzwert eines Differenzdruckes zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) verwendet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Ein gattungsbildendes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Wärmeübertrager ist aus der EP 2 072 296 B1 bekannt, bei welchem zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs ein mit diesem Energiespeicher in thermischen Kontakt stehender äu-ßerer Kondensator als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs von einem Luftstrom durchströmt wird. Die Beströmung des Kondensators mit Luft wird mittels einer Stellklappe wählbar eingestellt. Im Betrieb bei niedrigen Außentemperaturen kann damit die Durchströmung des Kondensators mit kalter Außenluft verringert werden, wodurch das Temperaturniveau des Kältemittels im Kondensator ansteigt. Die Stellklappe kann so ausgeführt werden, dass diese eine luftbeströmbare Oberfläche des Kondensators zumindest teilweise überdeckt. Durch Freigabe oder Verschließen der Oberfläche kann die Menge an den Kondensator durchströmender Luft wählbar variiert werden, wodurch ein Anheben des Temperaturniveaus bewirkt wird. Die Stellklappe kann in der Art einer wählbar verstellbaren Jalousie ausgebildet werden, mit welcher zumindest ein Teil der Oberfläche des Kondensators für die Luftdurchströmung verschlossen werden kann.
Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit einer verstellbaren Luftklappenanordnung in Form eines Kühlergrills an der Frontseite auszustatten, mit welcher die Durchströmung mit Kühlluft eines Kühlerpaketes in Abhängigkeit der Stellung der Luftklappen steuerbar ist. Ein solches Kühlerpaket umfasst neben einem Luft-Kältemittel-Wärmetauscher eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage weitere Wärmetauscher, wie bspw. einen Niedertemperaturkühler, einen Ladeluftkühler und gegebenenfalls einen Kühler bei einem Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine.
Derartige Luftklappenanordnungen weisen in der Regel mehrere Luftklappen auf, die bedarfsmäßig geöffnet oder geschlossen werden können.
Aus der EP 2 360 440 A1 ist ein Kältemittelkreislauf mit einem aus einem Kältemittelverdichter, einem Kondensator und einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsventil bestehenden Hauptkreislauf und einem Nebenkreislauf mit einem Kältemittelverdichter und wenigstens einem Wärmetauscher bekannt. Eine Wärmetauschereinheit des Hauptkreislaufs umfasst den Verdampfer und einen Unterkühlungs-Wärmetauscher sowie eine Luftstromregelung mit einem Prallblech oder mit einer Jalousie, mittels welcher ein Luftstrom möglichst gleichmäßig den Wärmetauscher durchströmt. Zum Abtauen einer unteren Verdampferhälfte wird der Luftstrom nur durch die obere Verdampferhälfte geführt, während zum Abtauen der oberen Verdampferhälfte der Luftstrom durch die untere Verdampferhälfte geführt wird.
Bei einem reinen Kälteanlagen-Betrieb (auch AC-Betrieb genannt), insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen des Fahrzeugs kann das Problem auftreten, dass die Kälteanlage nicht anläuft, d. h. das Ruhedruckniveau des Systems stellt sich bereits auf dem für einen Anlagenbetrieb zielführenden Niederdruckniveau ein oder dass sich kein stabiler Dauerbetrieb einstellt, d. h aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur wird der Hochdruck im System soweit abgesenkt, dass der Verdichter nicht in der Lage ist eine dauerhaft stabile Druckdifferenz zwischen Nieder- und Hochdruckseite zu gewährleisten, indem sich der Hochdruck stark dem Niederdruck annähert. Dies bedeutet, dass das resultierende Hochdruckniveau so gering ist, dass sich kein ausgeprägtes Druckverhältnis zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite der Kälteanlage einstellt, d.h. der Hochdruck stellt sich nahezu auf dem Wert des Niederdrucks ein, was wiederum mit einem Druckverhältnis von gerinfügig größer als 1 gleichbedeutend ist Die Ursache hierfür besteht darin, dass der über den Umgebungs-Wärmeübertrager (Kondensator oder Gaskühler des Kältemittelkreislaufs der Kälteanlage) sich einstellende Kühleffekt zu dominant, ist, damit eine starke Auskühlung des Kältemittels resultiert und sich letztlich ein niedriges Kondensationsdruckniveau einstellt.
Dieses Problem löst die DE 10 2004 046 459 B3 mit einer Klimaanlage für ein Fahrzeug dadurch, dass in Abhängigkeit der Umgebungslufttemperatur ein Stellelement betätigt wird, mit welchem ein vorgegebenes Druckverhältnis zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage eingestellt oder aufrechterhalten werden soll. Als Stellelement ist ein in einer Bypassleitung angeordnetes Bypassventil vorgesehen, so dass Kältemittel entweder durch den Wärmeübertrager oder durch die Bypassleitung unter Umgehung des Wärmeübertragers strömt. Ein solches Bypassventil kann auch mit einer Mehrzahl von Zwischenstellungen ausgeführt werden, wodurch eine Aufteilung des Kältemittels in einen Teilstrom über den Wärmeübertrager und einen Teilstrom über die Bypassleitung ermöglicht wird. Alternativ kann anstelle des Bypassventils als Stellelement auch ein bspw. als Expansionsorgan ausgebildetes Druckaufbauorgan zwischen einem Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs und dem Wärmeübertrager eingesetzt werden, mit welchem ein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck des Kältemittelkreislaufs einstellbar ist. Eine solche Stellelement wird aktiviert, wenn die Umgebungstemperatur unter einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert sinkt.
Hauptaufgabe des Kälteanlagen-Betriebs ist es bei niedrigen Umgebungslasten den Entfeuchtungsmodus für die Kabinenluft zu ermöglichen und aufrecht zu erhalten, um speziell den kritischen Fall von Scheibenbeschlagneigung zu umgehen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Wärmeübertrager als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb anzugeben, mit welchem, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit dem Anlaufen der Kälteanlage, ein ansteigendes Hochdruckniveau im Kältemittelkreislauf der Kälteanlage erzeugt und damit ein stabiler Kälteanlagen-Betrieb, insbesondere zur Konditionierung eines in den Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs zuzuführenden Zuluftstroms sichergestellt wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Bei diesem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Kältemittelkreislauf, bei welchem der Wärmeübertrager mittels eines steuerbaren Umgebungsluftstromes durchströmt wird und als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb betreibbar ist, ist erfindungsgemäß nach der zweitgenannten Lösung vorgesehen, dass

- zur Einstellung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge des Umgebungsluftstroms mittels einer Vorrichtung in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwertes der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs gesteuert wird, wobei
- oberhalb des Temperaturgrenzwertes die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung erhöht wird, und
- bei einer höchstens dem Temperaturgrenzwert entsprechenden Umgebungstemperatur die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung reduziert wird.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mit einer hohen Kondensationsleistung oder Kühlleistung am Wärmeübertrager verbundener Abfall des Hochdrucks im Kältemittelkreislauf dadurch vermieden bzw. umgekehrt ein Anstieg des Hochdrucks dadurch erreicht, dass die den Wärmeübertrager kühlende Luftmenge des Umgebungsluftstromes mittels der Vorrichtung reduziert wird. Damit wird anstelle einer kompletten luftseitigen Durchströmung des Wärmeübertragers entsprechend in der ersten Kälteanlagen-Betriebsart nur eine Teilfläche des Wärmeübertragers mit einem Umgebungsluftstrom beaufschlagt bzw. in Kontakt gebracht. Die Steuerung der Luftmenge des den Wärmeübertrager durchströmenden Umgebungsluftstromes erfolgt in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur, nämlich einem Temperaturgrenzwert, welcher bspw. 6 °C für die Reduzierung der Luftmenge und auf 8 °C für die Erhöhung der Luftmenge gesetzt werden kann, da in diesem Temperaturbereich in der Regel nur geringe Leistungen umgesetzt werden und damit am Wärmeübertrager nur geringe Wärmemengen abzuführen sind.
Die zweitgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

- die den Wärmeübertrager durchströmenden Luftmenge des Umgebungsluftstromes mittels einer Vorrichtung in Abhängigkeit eines Differenzdruckgrenzwertes eines Differenzdruckes zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs gesteuert wird, wobei
- bei einem Differenzdruck oberhalb des Differenzdruckwertes die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung erhöht wird, und
- bei einem Differenzdruck unterhalb oder gleich dem Differenzdruckgrenzwert zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung reduziert wird.

Zur Bildung des Differenzdruckes zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs wird der Betrag des über einen Druck-(Temperatur-)Sensor erfassten Hochdruckwertes herangezogen und die Differenz zum Betrag des Niederdruckwertes bestimmt. Stellt sich bei chemischen Kältemitteln bspw. ein Hochdruck von größer als 1 bar oberhalb des Niederdrucks ein, so wird die den Wärmeübertrager durchströmenden Luftmenge erhöht, ansonsten bzw. unter diesem Wert erfolgt eine Reduzierung der Luftmenge. Bei R744 als Kältemittel kann als Grenzwert für einen Druckdifferenzgrenzwert ein Betrag von bspw. 5bar angesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der erst- als auch der zweitgenannten Lösung wird vorzugsweise zur Konditionierung eines in den Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs zuzuführenden Zuluftstroms, d. h. zur Kühlung und/oder Entfeuchtung eines solchen Zuluftstroms eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorrichtung weiterbildungsgemäß als steuerbare Luftzufuhreinrichtung ausgebildet wird.
Hierzu wird weiterbildungsgemäß die Luftzufuhreinrichtung mit einer Vielzahl von schwenkbaren Luftklappen versehen, welche einzeln, gemeinsam oder in Gruppen zwischen einer Offenstellung oder Schließstellung schwenkbar sind. Eine solche Luftzufuhreinrichtung kann in der Art einer Jalousie ausgeführt werden. Hierbei können die Luftklappen gemeinsam zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung motorisch verschwenkt werden und mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit der Parameter, wie beispielsweise eines Ruhedruckniveaus oder eines Differenzbetrages eines Niederdrucks zu einem Hochdruck umgesetzt bzw. eingestellt werden . In Abhängigkeit der Umgebungstemperatur oder in Abhängigkeit des Differenzdruckwertes zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs werden die Luftklappen bzw. Lamellen in eine öffnende oder in eine schließende Position verschwenkt, so dass die Luftmenge entweder erhöht oder reduziert wird.
Die Luftklappen können auch in wenigstens zwei Gruppen zusammengefasst werden, so dass die Luftklappen jeweils gruppenweise gemeinsam motorisch und gesteuert von einer Steuereinheit verstellt werden. So können die von den jeweiligen Gruppen erzeugten Teilluftströme des Umgebungsluftstromes hinsichtlich deren Luftmenge von einer Steuereinheit gesteuert werden.
Die Luftklappen einer solchen Luftzufuhreinrichtung können auch einzeln motorisch eingestellt und in Abhängigkeit einer Steuereinheit verstellt werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine quasi stufenlos verstellbare Einstellung der Zuluftmenge auf den Wärmeübertrager erreicht und damit, vergleichbar mit einer Feinjustierung, der Hochdruckwert beeinflusst werden kann.
Damit die vollständige Kühlfläche des Wärmeübertragers nutzbar ist, wird mittels der Vorrichtung ein Kühlluftstrom aus dem Umgebungsluftstrom mit einem Querschnitt eingestellt, welcher der maximalen Kühlfläche des Wärmeübertragers entspricht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung mit wenigstens zwei Teilvorrichtungen ausgebildet wird, wobei die Teilvorrichtungen disjunkten Kühlflächen des Wärmeübertragers derart entsprechen, dass der von einer Teilvorrichtung aus dem Umgebungsluftstrom erzeugte Teilkühlluftstrom die derselben zugeordnete Kühlfläche des Wärmeübertragers beaufschlagt. Die Teilvorrichtungen werden jeweils unabhängig voneinander mittels einer Steuereinheit angesteuert, so dass von diesen Teilvorrichtungen jeweils ein Teilkühlluftstrom aus dem Umgebungsluftstrom erzeugt und dessen Luftmenge gesteuert wird.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Eine solche Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager aufweisenden Kältemittelkreislauf zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

- der Wärmeübertrager als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist,
- der Wärmeübertrager von einem steuerbaren Umgebungsluftstrom durchströmbar ist,
- dem Wärmeübertrager zur Erzeugung des steuerbaren Umgebungsluftstromes eine die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge beeinflussende Vorrichtung zugeordnet ist, und
- der Kältemittelkreislauf neben dem Wärmeübertrager einen Kältemittelverdichter, einen Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsventil und einen Kältemittelverdichter aufweist.

Weiterbildungsgemäß ist die Vorrichtung als steuerbare Luftzufuhreinrichtung ausgebildet, wobei diese Luftzufuhreinrichtung eine Vielzahl von schwenkbaren Luftklappen aufweist, welche einzeln, gemeinsam oder in Gruppen zwischen einer Offenstellung oder Schließstellung sowie Zwischenstellungen schwenkbar sind.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausgebildet, einen Kühlluftstrom aus dem Umgebungsluftstrom mit einem Querschnitt einzustellen, welcher der maximalen Kühlfläche des Wärmeübertragers entspricht. Damit kann die gesamte Kühlfläche des Wärmeübertrages angeströmt werden.
Schließlich wird nach einer letzten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Vorrichtung mit wenigstens zwei Teilvorrichtungen derart ausgebildet, dass die Teilvorrichtungen disjunkten Kühlflächen des Wärmeübertragers entsprechen und der von einer Teilvorrichtung erzeugte Umgebungsluftstrom die derselben zugeordneten Kühlfläche des Wärmeübertragers beaufschlagt. Der Vorteil eines solchen Vorrichtung gesteht darin, dass einzelne Fluten des Wärmeübertragers je nach Bedarf vollständig vom Luftstrom abgetrennt werden, insbesondere bei Kondensatoren bzw. Gaskühlern mit selektiv mit Kältemittel beaufschlagten Fluten. Ein weiteres Kriterium stellt die Luftbeaufschlagung von dem als Kondensator oder Gaskühler fungierenden Wärmeübertrager vor-und/oder luftseitig nachgeschalteten Wärmeübertragern dar. Diese werden auf diese Weise nicht vollständig vom Luftstrom abgeschnitten und statt dessen lokal mit einem Teilluftstrom durchströmt, um eine erforderliche Kühlleistung auf diese Weise zu realisieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä-ßen Kälteanlage mit einem Wärmeübertrager und einer Vorrichtung zur Zeugung eines den Wärmeübertrager durchströmenden Kühlluftstromes, und
2 eine Detaildarstellung eines Wärmeübertragers mit einer alternativen Ausführung der Vorrichtung zur Zeugung eines den Wärmeübertrager durchströmenden Kühlluftstromes.

Zu Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst vorab die hierfür eingesetzte und in 1 dargestellte Kälteanlage 10 für ein Fahrzeug erläutert.
Die in 1 dargestellte Kälteanlage 10 besteht aus einem Kältemittelkreislauf 1 mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel oder mit einem sonstigen geeigneten Kältemittel. Dieser Kältemittelkreislauf 1 wird in einem Kälteanlagen-Betrieb, im folgenden AC-Betrieb genannt, betrieben, wobei dieser Kältemittelkreislauf 1 für einen Wärmepumpen-Betrieb zur Konditionierung eines in den Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs zuzuführenden Zuluftstroms mit den für einen Fachmann bekannten Komponenten ergänzt werden kann.
Der Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 weist einen Wärmeübertrager 2 auf, welcher als Gaskühler oder als Kondensator für den AC-Betrieb betrieben wird.
Ferner umfasst der Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 neben dem Wärmeübertrager 2 einen Kältemittelverdichter 3, einen Verdampfer 4, dem ein zugehöriges Expansionsorgan 4.0 vorgeschaltet ist, einen Kältemittelsammler 5 und einen inneren Wärmeübertrager 6. Diese Komponenten werden in Strömungsrichtung S von dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 1 in bekannter Weise durchströmt.
Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 3 verdichtete Kältemittel in Strömungsrichtung S in den Wärmeübertrager 2, in welchem das Kältemittel in Abhängigkeit der Luftmenge eines Umgebungsluftstromes L1 abkühlt bzw. abkühlt und kondensiert und Kondensationswärme an die Fahrzeugumgebung abgegeben wird.
Nachdem das Kältemittel den Wärmeübertrager 2 verlassen hat, wird es über den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 mittels des Expansionsorgans 4.0 in den Verdampfer 4 entspannt, um Wärme aus dem Kabinenzuluftstrom aufzunehmen. Anschließend wird das Kältemittel über den Kältemittelsammler 5 sowie den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 zum Kältemittelverdichter 3 zurückgeführt.
Auf das Einzeichnen der für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems erforderlichen Sensoren (Druck-, Temperatur-, Drucktemperatur-Sensor) wird verzichtet, da diese dem Fachmann bekannt sind.
Dem Wärmeübertrager 2 ist eine als Luftzufuhreinrichtung 7.0 ausgebildete Vorrichtung 7 zugeordnet, mittels welcher ein Umgebungsluftstrom L in einen Kühlluftstrom L1 umgesetzt wird und damit der Wärmeübertrager 2 zur Kühlung des Kältemittels im Bereich desselben beaufschlagt wird.
Diese Luftzufuhreinrichtung 7.0 ist als verschließbare Kühlluftjalousie mit schwenkbaren Luftklappen 7.01 (auch Lamellen genannt) ausgeführt, die gemeinsam zwischen einer Offenstellung, bei welcher die gesamte Kühlfläche des Wärmeübertragers 2 mit dem gesamten Umgebungsluftstrom L als Kühlluftstrom L1 beaufschlagt wird, und einer Schließstellung, bei welcher die Luftklappen 7.01 geschlossen sind, so dass die Kühlfläche des Wärmeübertragers 2 nicht mit Kühlluft beaufschlagt wird, verschwenkbar sind. Des Weiteren ist jede Zwischenstellung möglich, in der die Luftmenge des über die Luftklappen 7.01 geführten Zuluftstroms L1 gegenüber der Luftmenge des gesamten Umgebungsluftstromes L mehr oder weniger reduziert ist.
Der Querschnitt des von der Luftzufuhreinrichtung 7.0 erzeugten Kühlluftstrom L1 entspricht in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) bis maximal der gesamten wirksamen Kühlfläche des Wärmeübertragers 2 ebenso in Fahrzeughochrichtung.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Kühlluftkanäle, aber auch der unterschiedlichen Positioniermöglichkeit der Luftzufuhreinrichtung 7 in x-Richtung, kann deren beanspruchte Fläche variieren, bis hin zu Werten, die der gesamten wirksamen Kühlfläche des Wärmeübertragers 2 entsprechen. Der Wärmeübertrager 2 als Teil eines gesamtheitlichen Kühlerpakets, das weitere Komponenten wie Hoch- und/oder Niedertemperaturkühler aufweisen kann, kann seinerseits auch in unterschiedlichen Neigungspositionen ausgereichtet sein.
Die Steuerung der Luftklappen 7.01 der Luftzufuhreinrichtung 7.0 erfolgt mittels einer Steuereinheit 8 in Abhängigkeit von Parametern, wie bspw. der Drucklagen, d.h. der Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf 1. Das Ruhedruckniveau des Kältemittelkreislaufs 1 stellt sich bereits auf dem für einen Anlagenbetrieb zielführenden Niederdruckniveau ein, so dass sich kein stabiler Dauerbetrieb einstellt, d. h aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur wird der Hochdruck im System soweit abgesenkt, dass der Kältemittelverdichter 3 nicht in der Lage ist eine dauerhaft stabile Druckdifferenz zwischen Nieder- und Hochdruckseite zu gewährleisten und sich dabei der Hochdruck stark dem Niederdruck annähert. Dies bedeutet, dass das resultierende Hochdruckniveau so gering ist, dass sich kein ausgeprägtes Druckverhältnis zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite der Kälteanlage 10 einstellt, d.h. der Hochdruck stellt sich nahezu auf dem Wert des Niederdrucks ein, was wiederum mit einem Druckverhältnis von geringfügig größer als 1 gleichbedeutend ist Die Ursache hierfür besteht darin, dass der über den Wärmeübertrager 2 sich einstellende Kühleffekt zu dominant, ist, wodurch eine starke Auskühlung des Kältemittels resultiert und sich letztlich ein niedriges Kondensationsdruckniveau einstellt.
Bei einem AC-Betrieb werden die Luftklappen 7.01 in Abhängigkeit von bspw. einer erfassten Umgebungstemperatur oder ermittelten Druckdifferenz in eine vorgegebene Schwenkposition gesteuert, die der Offen- oder Schließstellung oder einer Zwischenstellung zwischen der Offen- und Schließstellung entspricht.
Für den AC-Betrieb werden in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs die Luftklappen 7.01 ausgehend von einer aktuellen Position mittels der Steuereinheit 8 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs verschwenkt. Die Umgebungstemperatur wird mittels eines geeigneten Temperatursensors erfasst und der Steuereinheit 8 zur Auswertung zugeführt, wobei in der Steuereinheit 8 hierzu ein Temperaturgrenzwert abgelegt ist.
Wird eine Umgebungstemperatur detektiert, die größer als der Temperaturgrenzwert ist, wird die Luftzufuhreinrichtung 7.0 von der Steuereinheit 8 derart gesteuert, dass die Luftklappen 7.01 in Richtung ihrer Offenstellung verschwenkt werden, wodurch die Luftmenge des Kühlluftstromes L1 um ein vorgegebenes Maß vergrößert wird. Damit erfolgt ein maximaler Wärmeaustausch mittels des dem Wärmeübertrager 2 zugeführten Kühlluftstromes mit maximaler Luftmenge.
Erreicht dagegen die Umgebungstemperatur den Temperaturgrenzwert oder fällt die Umgebungstemperatur unter diesen Temperaturgrenzwert wird die Luftzufuhreinrichtung 7.0 von der Steuereinheit 8 derart gesteuert, dass die Luftklappen 7.01 in Richtung ihrer Schließstellung verschwenkt werden, so dass die Luftmenge des Kühlluftstromes L1 um ein vorgegebenes Maß reduziert wird.
Damit steht für den Wärmeaustausch des Wärmeübertragers 2 mit der Umgebungsluft des Fahrzeugs eine kleinere Luftmenge zur Verfügung, wodurch auch die Kondensationsleistung bei einem als Kältemittelkondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 oder die Kühlleistung bei einem als Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 2 gegenüber einer Durchströmung des Wärmeübertragers 2 mit dem vollständigen Umgebungsluftstrom L reduziert ist. Dadurch wird bei einem Anlauf der Kälteanlage 10 bei niedrigen Außentemperaturen ein Anstieg des Hochdrucks des Kältemittelkreislaufs zur Erzielung eines ausreichenden Druckverhältnisses zwischen der Niederdruck- und Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 zur Sicherstellung eines stabilen Dauerbetriebes erreicht oder dass während des Betriebs der Kälteanlage ein ausreichender Hochdruck zur Sicherstellung eines stabilen Dauerbetriebes erzeugt wird.
Der Temperaturgrenzwert kann auf bspw. 6°C für die Reduzierung der Luftmenge des Kühlluftstromes L1 und auf 8°C für die Erhöhung der Luftmenge des Kühlluftstromes L1 gesetzt werden kann, da in diesem Bereich bereits davon ausgegangen werden kann, dass systemseitig, d. h. durch den Kältemittelkreislauf 1 nur geringe Leistungen umgesetzt werden und damit am Wärmeübertrager 2 nur geringer Wärmemengen abzuführen sind.
Alternativ oder zusätzlich zum Temperaturgrenzwert kann in dem Steuergerät 8 ein Druckdifferenzgrenzwert abgelegt werden. Hierzu wird der Betrag des über einen Druck-(Temperatur-)Sensor erfassten Hochdruckwertes mit herangezogen. Stellt sich bei chemischen Kältemittel bspw. ein Hochdruck von größer als 1 bar zum Niederdrucks ein, so wird die Luftmenge des den Wärmeübertrager 2 durchströmenden Kühlluftstromes L1 vergrößert, ansonsten bzw. unter diesem Wert erfolgt eine Reduzierung der Luftmenge des den Wärmeübertrager 2 durchströmenden Kühlluftstromes L1. Bei dem Kältemittel R744 bspw. kann als Grenzwert für einen Differenzdruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs 1 ein Betrag von 5 bar angesetzt werden.
Wird ein Differenzdruck detektiert, der größer als der Differenzdruckschwellwert ist, wird die Luftzufuhreinrichtung 7.0 von der Steuereinheit 8 derart gesteuert, dass die Luftklappen 7.01 in Richtung ihrer Offenstellung verschwenkt werden, so dass die Luftmenge des Kühlluftstromes L1 um ein vorgegebenes Maß vergrößert wird. Damit erfolgt ein maximaler Wärmeaustausch mittels des dem Wärmeübertrager 2 zugeführten Kühlluftstromes mit maximaler Luftmenge.
Erreicht dagegen der Differenzdruck den Differenzdruckgrenzwert oder fällt der Differenzdruck unter diesen Differenzdruckwert wird die Luftzufuhreinrichtung 7.0 von der Steuereinheit 8 derart gesteuert, dass die Luftklappen 7.01 in Richtung ihrer Schließstellung verschwenkt werden, so dass die Luftmenge des Kühlluftstromes L1 um ein vorgegebenes Maß reduziert wird.
Damit steht für den Wärmeaustausch des Wärmeübertragers 2 mit der Umgebungsluft des Fahrzeugs eine kleinere Luftmenge zur Verfügung, wodurch auch die Kondensationsleistung bei einem als Kältemittelkondensator betriebenen Wärmeübertrager 2 oder die Kühlleistung bei einem als Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 2 gegenüber einer Durchströmung mit dem vollständigen Umgebungsluftstrom L reduziert ist. Dadurch wird bei einem Anlauf der Kälteanlage 10 bei niedrigen Außentemperaturen ein Anstieg des Hochdrucks des Kältemittelkreislaufs zur Erzielung eines ausreichenden Druckverhältnisses zwischen der Niederdruck- und Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 zur Sicherstellung eines stabilen Dauerbetriebes erreicht oder dass während des Betriebs der Kälteanlage ein ausreichender Hochdruck zur Sicherstellung eines stabilen Dauerbetriebes erzeugt wird.
Im Gegensatz zur gemeinsamen Steuerung der Luftklappen 7.01 ist es alternativ auch möglich, jede einzelne Luftklappe 7.01 individuell durch die Steuereinheit 8 ansteuern zu lassen. Dadurch ist es möglich, dass einzelne Fluten des Wärmeübertragers 2 je nach Bedarf vollständig vom Luftstrom abgetrennt werden können, speziell auch bei als Kondensatoren oder Gaskühlern fungierenden Wärmeübertragern 2 mit selektiv mit Kältemittel beaufschlagten Fluten. Ein weiteres Kriterium stellt die Luftbeaufschlagung von dem als Kondensator oder Gaskühler fungierenden Wärmeübertrager 2 vor-und/oder luftseitig nachgeschalteten Wärmeübertragern dar. Diese werden auf diese Weise nicht vollständig vom Luftstrom abgeschnitten und statt dessen lokal mit einem Teilluftstrom durchströmt, um eine erforderliche Kühlleistung auf diese Weis e zu realisieren.
Die Luftzufuhreinrichtung 7.0 kann auch so ausgeführt werden, dass die Luftklappen 7.01 gruppenweise zusammengefasst werden und jede Gruppe solcher Luftklappen 7.01 jeweils gemeinsam von der Steuereinheit 8 gesteuert und damit unabhängig von der anderen Gruppe von Luftklappen verschwenkt werden. Jede dieser Gruppe von Luftklappen erzeugt einen Teilluftstrom des Umgebungsluftstromes, dessen Luftmenge unabhängig von derjenigen des anderen Teilluftstromes erzeugt wird.
Eine hierzu äquivalente Ausführung der als Luftzufuhreinrichtung 7.0 ausgeführten Vorrichtung 7 besteht darin, diese in wenigstens zwei Teilvorrichtungen 7.1 und 7.2 aufzuteilen, wie dies schematisch in 2 dargestellt ist. Jede dieser Teilvorrichtungen 7.1 und 7.2 ist als Luftzufuhreinrichtung 7.10 und 7.20 mit Luftklappen 7.11 und 7.21 ausgebildet. Ein auf eine solche Vorrichtung 7 auftreffender Umgebungsluftstrom L wird durch die beiden Teilvorrichtungen 7.1 und 7.2 in zwei Teilkühlluftströme L11 und L12 aufgeteilt, die ihrerseits zwei disjunkte Kühlflächen A1 und A2 des Wärmeübertragers 2 beaufsch lagen.
Bei einer solchen in zwei Teilvorrichtungen 7.1 und 7.2 geteilten Luftzufuhreinrichtung 7 kann ein Wärmeübertrager 2 eingesetzt werden, welcher zweiflutig mit einer ersten Flut 2.1 und einer zweiten Flut 2.2 ausgeführt ist. Die erste Flut 2.1 ist in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung unterhalb der zweiten Flut 2.2 angeordnet und korrespondiert damit mit der Kühlfläche A1, während die zweite Flut 2.2 mit der Kühlfläche A2 korrespondiert.
Eine zweiflutige Durchströmung des Wärmeübertragers 2 erfolgt dann, wenn die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs größer als der Temperaturgrenzwert oder der Differenzdruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs 1 größer als der Differenzdruckschwellwert ist. In diesem Fall werden die beiden Luftzufuhreinrichtungen 7.10 und 7.20 gleichzeitig von einer Steuereinheit 8 angesteuert, indem deren Luftklappen 7.11 und 7.21 aus einer vorgegebenen Position in Richtung ihrer Offenposition um ein vorgegebenes Maß verschwenkt werden, wodurch die Luftmenge jeder der beiden Teilkühlluftströme L11 und L12 vergrößert wird.
Eine einflutige Durchströmung, nämlich der ersten Flut 2.1 des Wärmeübertragers 2 erfolgt dann, wenn die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs gleich oder kleiner als der Temperaturgrenzwert oder der Differenzdruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs 1 gleich oder kleiner als der Differenzdruckschwellwert ist. Bei diesem mit Kältemittel teilflächenbeaufschlagten Wärmeübertrager 2 wird die untere Luftzufuhreinrichtung 7.20, also deren Luftklappen 7.21 geschlossen oder die Luftmenge des von dieser Luftzufuhreinrichtung 7.20 erzeugten Teilkühlluftstromes von der Steuereinheit 8 auf einen vorgegebenen Wert in Richtung deren Schließstellung gesteuert. In diesem Fall trifft der Teilkühlluftstrom L11 der oberen Luftzufuhreinrichtung 7.10 auf die Kühlfläche A1 der nicht von Kältemittel durchströmten zweiten Flut 2.2 des Wärmeübertragers 2. Falls der Wärmeübertrager 2 in einem Kühlerpaket mit zumindest einem Kühler bspw. eines Wasserkühlkreislaufes zur Kühlung einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, kann dieser Kühler mit dem Teilkühlluftstrom L11 beaufschlagt werden, oder dessen Luftmenge gesteuert werden.
Aus aerodynamischen Gründen ist es jedoch sinnvoll, die Vorrichtung 7 möglichst nahe in die Richtung des Kühllufteintrittes des Fahrzeugs zu verlegen, d. h. in den Bereich Fahrzeugaußenhaut des Fahrzeugs, was jedoch zur Folge hat das mit einem Verfahren der Luftklappen 7.01 das gesamte Kühlerpaket in gleicher Weise von einer Reduktion des Gesamtluftstroms L1 betroffen ist und nicht nur einzelne Sektoren der Kühlerpaktes, wie es die Ausführung nach 2 erlaubt.
Das mit einer solchen Kälteanlage gemäß den 1 und 2 durchgeführte Verfahren zur Konditionierung des Zuluftstroms in das Fahrzeuginnere, insbesondere zur Kühlung und/oder Entfeuchtung dieses Zuluftstroms bei einer Umgebungstemperatur um den Gefrierpunkt oder geringfügig darüber, gewährleistet einen stabilen Kälteanlagen-Betrieb.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelkreislauf
2: Wärmeübertrager
3: Kältemittelverdichter
4: Verdampfer
4.0: Expansionsorgan
5: Kältemittelsammler
6: innerer Wärmeübertrager
7: Vorrichtung
7.0: Luftzufuhreinrichtung
7.01: schwenkbare Luftklappe der Luftzufuhreinrichtung 7.1
7.1: Teilvorrichtung der Vorrichtung 7
7.10: Luftzufuhreinrichtung
7.11: schwenkbare Luftklappe der Luftzufuhreinrichtung 7.10
7.2: Teilvorrichtung der Vorrichtung 7
7.20: Luftzufuhreinrichtung
7.21: schwenkbare Luftklappe der Luftzufuhreinrichtung 7.20
8: Steuereinheit
10: Kälteanlage
A1: Kühlfläche des Wärmeübertragers 1
A2: Kühlfläche des Wärmeübertragers 1
L: Umgebungsluftstrom
L1: Kühlluftstrom
L11: Teilkühlluftstrom
L12: Teilkühlluftstrom
S: Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2072296 B1 [0002]
EP 2360440 A1 [0005]
DE 102004046459 B3 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage (10) für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager (2) aufweisenden Kältemittelkreislauf (1), wobei der Wärmeübertrager (2) mittels eines steuerbaren Umgebungsluftstromes (L) durchströmt wird und als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb betreibbar ist, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - zur Einstellung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge des Umgebungsluftstroms (L) mittels einer Vorrichtung (7) in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwertes der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs gesteuert wird, wobei - oberhalb des Temperaturgrenzwertes die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) erhöht wird, und - bei einer höchstens dem Temperaturgrenzwert entsprechenden Umgebungstemperatur die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) reduziert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage (10) für ein Fahrzeug mit einem Wärmeübertrager (2) aufweisenden Kältemittelkreislauf (1), wobei der Wärmeübertrager (2) mittels eines steuerbaren Umgebungsluftstromes (7) durchströmt wird und als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb betreibbar ist, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge des Umgebungsluftstromes (L) mittels einer Vorrichtung (7) in Abhängigkeit eines Differenzdruckgrenzwertes eines Differenzdruckes zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) gesteuert wird, wobei - bei einem Differenzdruck oberhalb des Differenzdruckwertes die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) erhöht wird, und - bei einem Differenzdruck unterhalb oder gleich dem Differenzdruckgrenzwert zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) die den Wärmeübertrager durchströmende Luftmenge mittels der Vorrichtung (7) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung (7) als steuerbare Luftzufuhreinrichtung (7.0, 7.1, 7.2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Luftzufuhreinrichtung (7.0, 7.1, 7.2) mit einer Vielzahl von schwenkbaren Luftklappen (7.01, 7.11, 7.21) ausgebildet wird, welche einzeln, gemeinsam oder in Gruppen zwischen einer Offenstellung oder Schließstellung schwenkbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels der Vorrichtung (7) ein Kühlluftstrom (L1) aus dem Umgebungsluftstrom (L) mit einem Querschnitt eingestellt wird, welcher der maximalen Kühlfläche des Wärmeübertragers (2) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur c h g e k e n n z e ich n e t, dass die Vorrichtung (7) mit wenigstens zwei Teilvorrichtungen (7.1, 7.2) ausgebildet wird, wobei die Teilvorrichtungen (7.1, 7.2) disjunkten Kühlflächen (A1, A2) des Wärmeübertragers (2) derart entsprechen, dass der von einer Teilvorrichtung (7.1, 7.2) aus dem Umgebungsluftstrom (L) erzeugte Teilkühlluftstrom (L11, L12) die derselben zugeordnete Kühlfläche (A1, A2) des Wärmeübertragers (2) beaufschlagt.
Kälteanlage (10) für ein Fahrzeug mit einem einen Wärmeübertrager (2) aufweisenden Kältemittelkreislauf (1), wobei - der Wärmeübertrager (2) als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für einen Kälteanlagen-Betrieb zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche betreibbar ist, - der Wärmeübertrager (2) von einem steuerbaren Umgebungsluftstrom (L) durchströmbar ist, - dem Wärmeübertrager (2) zur Erzeugung des steuerbaren Umgebungsluftstromes (L) eine die den Wärmeübertrager (2) durchströmende Luftmenge beeinflussende Vorrichtung (7) zugeordnet ist, und - der Kältemittelkreislauf (1) neben dem Wärmeübertrager (2) einen Kältemittelverdichter (3) und einen Verdampfer (4) mit zugeordnetem Expansionsventil (4.0) aufweist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 7, d a dur c h g e k e n n z e ich n e t, dass - die Vorrichtung (7) als steuerbare Luftzufuhreinrichtung (7.0) ausgebildet ist, - die Luftzufuhreinrichtung (7.0) eine Vielzahl von schwenkbaren Luftklappen (7.01) aufweist, welche einzeln, gemeinsam oder in Gruppen zwischen einer Offenstellung oder Schließstellung schwenkbar sind.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 7 oder 8, d a dur c h g e k e n n z e ich n e t, dass die Vorrichtung (7) ausgebildet ist, einen Kühlluftstrom (L1) aus dem Umgebungsluftstrom (L) mit einem Querschnitt zu einzustellen, welcher der maximalen Kühlfläche des Wärmeübertragers (2) entspricht.
Kälteanlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a dur c h g e k e n n z e ich n e t, dass - die Vorrichtung (7) mit wenigstens zwei Teilvorrichtungen (7.1, 7.2) derart ausgebildet ist, dass die Teilvorrichtungen (7.1, 7.2) disjunkten Kühlflächen (A1, A2) des Wärmeübertragers (2) entsprechen und der von einer Teilvorrichtung (7.1, 7 2 aus dem Umgebungsluftstrom (L) erzeugte Teilkühlluftstrom (L11, L12) die derselben zugeordneten Kühlfläche des Wärmeübertragers beaufschlagt.