DE102019125070A1

DE102019125070A1 - Verfahren zur Steuerung eines Kältekreislaufs, Kältekreislauf, Wärmemanagementsystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019125070A1
Application number: DE102019125070.6A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Nestler; Bernd Dienhart; Ferit Oezenir; Marco Schnichels; Viktor Bergmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: DE102019125070B4; CN112611142A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Kältekreislaufs 12 mit einem Verdichter 13, einem Kondensator 14, einem Expansionsventil 15 und einem Verdampfer 16, wobei in dem Kältekreislauf 12 ein Kältemittel-Öl-Gemisch 10 strömt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorgeben eines Sollwertbereichs für eine Ölumlaufrate OCR, Ermitteln der Ölumlaufrate OCR an einer Messstelle im Kältekreislauf 12, Prüfen, ob die ermittelte Ölumlaufrate OCR im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate OCR liegt, und, falls die ermittelte Ölumlaufrate OCR nicht im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate OCR liegt, Ändern der Ölumlaufrate OCR.
Daneben werden ein Kältekreislauf 12, ein Wärmemanagementsystem 29 und ein Fahrzeug 21 angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kältekreislaufs mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, wobei in dem Kältekreislauf ein Kältemittel-Öl-Gemisch strömt, sowie einen Kältekreislauf, ein Wärmemanagementsystem und ein Fahrzeug.
Kompressionskälteanlagen werden in unterschiedlichen Bereichen zur Kühlung eingesetzt. In solchen Anlagen strömt ein Kältemittel in einem Kältekreislauf, in dem es abwechselnd durch Verdampfen und Kondensieren Wärme aufnimmt und wieder abgibt. Auf diesem Prinzip beruht ebenfalls die Funktionsweise einer Wärmepumpe. Zur technischen Umsetzung weist der Kältekreislauf einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer auf.
Zur Schmierung des Verdichters wird dem Kältemittel ein Kältemaschinenöl, nachfolgend lediglich als Öl bezeichnet, zugegeben. Ein hoher Ölgehalt, d. h. die Gesamtmasse Öl im Verhältnis zur Gesamtmasse Kältemittel im gesamten Kältekreislauf, ist in Hinblick auf eine gute Schmierung vorteilhaft, wirkt sich jedoch nachteilig auf den Wirkungsgrad der Kälteanlage aus. Daher ist ein bestimmter Wert für den Ölgehalt anzustreben bzw. sollte der Ölgehalt in einem bestimmten Bereich liegen, wobei der konkrete Wert bzw. Bereich u. a. von der konkreten Kombination aus Kältemittel und Öl abhängig ist.
Zur Analyse eines Kältemittels in einem Kältemitelkreislauf kann ein Ultraschallsensor genutzt werden ( EP 3 376 139 A1 ). Der Ultraschallsensor weist einen Ultraschallsender und einen korrespondierenden Ultraschallempfänger auf, die in einem bestimmten unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind.
Der Ultraschallsender sendet Ultraschallwellen aus, die vom Ultraschallempfänger empfangen werden. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger senden Sende- bzw. Empfangssignale an eine Verarbeitungseinheit, der aus diesen Signalen die Schallgeschwindigkeit berechnet.
Gemessene Werte für Druck und Temperatur der zu analysierenden Flüssigkeit werden in die Berechnung der Schallgeschwindigkeit mit einbezogen. Die berechnete Schallgeschwindigkeit kann mit tabellierten Werten verglichen werden, woraus sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit ziehen lassen.
Beispielsweise kann ermittelt werden, wieviel Öl sich im Kältemittel befindet oder ob das Kältemittel mit anderen Substanzen verunreinigt ist. Die Auswertung der Messergebnisse wird beispielsweise erläutert in MEYER, J. J.; JABARDO, J. M. S. An Ultrasonic Device for Measuring the Oil Concentration in Flowing Liquid Refrigerant, ACRC TR-24, September 1992, Seite 1 bis 10.
Die Steuerung oder Regelung eines Kältekreislaufs erfolgt üblicherweise temperatur- und/oder druckabhängig. Dies ist allerdings häufig nicht ausreichend, da sowohl Unterkühlung als auch Ölumlauf wesentlich für die Stabilität des Kältekreislaufs und dessen Ausfallwahrscheinlichkeit sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zur verbesserten Steuerung eines Kältekreislaufs bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kältekreislaufs. Der Kältekreislauf weist einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einem Verdampfer auf. Im Betriebszustand strömt im Kältekreislauf ein Kältemittel-Öl-Gemisch. Als Kältemittel kann beispielsweise R1234yf, R134a oder R744 eingesetzt werden.
Der Kältekreislauf kann zudem einen internen Wärmeüberträger mit einer Kammer für flüssiges Kältemittel und einer Kammer für gasförmiges Kältemittel aufweisen. Dem Kondensator kann optional eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung zugeordnet sein. Der Kältekreislauf weist außerdem Leitungen, z. B. in Form von Schläuchen, Rohren etc., auf, mit denen die genannten Einrichtungen des Kältekreislaufs verbunden sind.
Der Kältekreislauf kann zum Kühlen, z. B. als Teil einer Kompressionskälteanlage, und/oder zum Erwärmen, z. B. als Teil einer Wärmepumpe, genutzt werden. Beide Funktionen, Kühlen und Erwärmen, können auch in einer Anlage miteinander kombinierbar sein.
Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren sieht folgende Schritte vor: Vorgeben eines Sollwertbereichs für eine Ölumlaufrate, Ermitteln der Ölumlaufrate an einer Messstelle im Kältekreislauf, Prüfen, ob die ermittelte Ölumlaufrate im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate liegt, und, falls die ermittelte Ölumlaufrate nicht im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate liegt, Ändern der Ölumlaufrate.
Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren kann bevorzugt als Teil eines Regelungsverfahrens durchgeführt werden, bei dem die Ölumlaufrate nach der Änderung erneut ermittelt und mit dem Sollwertbereich für die Ölumlaufrate verglichen wird. Die Ermittlung der Ölumlaufrate kann fortlaufend oder in zeitlichen Abständen erfolgen. Regelgröße ist also die Ölumlaufrate.
Der Sollwertbereich für die Ölumlaufrate wird durch eine minimale und eine maximale Ölumlaufrate vorgegeben. Minimale und maximale Ölumlaufrate können auch denselben Wert, ggf. mit Angabe eines Toleranzbereichs, aufweisen, so dass ein Sollwert für die Ölumlaufrate als Spezialfall des Sollwertbereichs vorgegeben werden kann.
Die Ölumlaufrate ist als Masseanteil des Öls im Kältemittel zu einem bestimmten Zeitpunkt an der Messstelle, z. B. am Sensor zur Ermittlung der Ölumlaufrate, definiert. Sie ist folglich ein Maß dafür, wieviel Öl tatsächlich im Kältekreislauf zirkuliert. Im Gegensatz dazu gibt der Ölgehalt des Kältemittels lediglich die Gesamtmasse des Öls im Verhältnis zur Gesamtmasse des Kältemittels im gesamten Kältekreislauf an. Für die Stabilität des Kältekreislaufs hat der Ölgehalt im Gegensatz zur Ölumlaufrate daher zumeist eine geringere Aussagekraft, da hierfür die tatsächlich zirkulierende Ölmenge von Bedeutung ist.
Die Ölumlaufrate kann bevorzugt mittels einer Ultraschallsensoranordnung ermittelt werden, weiter bevorzugt mittels einer speziellen Ultraschallsensoranordnung, die eine Minimierung des Bauraums und damit eine online-Überwachung auch in Kältekreisläufen mit geringen Abmessungen, z. B. in Fahrzeugen ermöglicht. Diesbezüglich wird auf die unten stehende nähere Erläuterung geeigneter Ultraschallsensoranordnungen verwiesen.
Neben der Ölumlaufrate können wie üblich der Druck und/oder die Temperatur als zu steuernde Größe bzw. Regelgröße verwendet werden. Das Steuerungsverfahren kann ganz oder teilweise computerimplementiert durchgeführt werden, d. h. einige oder alle Verfahrensschritte werden mittels einer Steuereinheit automatisiert durchgeführt.
Die Steuerung bzw. Regelung und Überwachung der Ölumlaufrate ermöglicht vorteilhaft eine Verbesserung der Stabilität des Kältekreislaufs und eine Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit. Folglich kann der Kältekreislauf auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig betrieben werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Ölumlaufrate mittels Änderung eines Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils und/oder Änderung einer Drehzahl des Verdichters geändert werden.
Beide Maßnahmen können in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig genutzt werden, um die Ölumlaufrate zu beeinflussen. Vorteilhaft sind beide Maßnahmen einfach durchführbar, indem das Expansionventils geöffnet bzw. geschlossen wird, sowie die Drehzahl des Verdichter verringert oder erhöht wird. Die Ölumlaufrate kann mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, da sowohl der Öffnungsquerschnitt als auch die Drehzahl präzise einstellbar sind.
Eine Erhöhung der Ölumlaufrate kann mittels Reduzieren des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils, also einer Druckerhöhung, und eine Verringerung der Ölumlaufrate kann mittels Vergrößern des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils, also einer Druckverringerung, erreicht werden.
Zudem kann die Ölumlaufrate mittels Erhöhen der Drehzahl des Verdichters erhöht oder mittels Reduzieren der Drehzahl des Verdichters verringert werden, da sich die Ölumlaufrate üblicherweise mit steigender Drehzahl erhöht. Hierbei ist zu beachten, dass die Änderung der Ölumlaufrate wesentlich von der Bauart des Verdichters und verschiedenen Betriebspunkten abhängt. Um dies zu berücksichtigen, kann die Änderung der Ölumlaufrate mittels eines Kennfelds erfolgen, in dem ein Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verdichters und der Ölumlaufrate hinterlegt ist. Hierdurch kann die Einstellung der Ölumlaufrate mit höherer Genauigkeit erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln des Unterkühlungsstatus umfassen. Unterkühlung ist die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels zur Verdampfungstemperatur bei dem aktuellen Druck.
Hierfür werden die folgenden Schritte durchgeführt: Vorgeben eines druckabhängigen Sollwertbereichs für eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs und einer Verdampfungstemperatur des Kältemittels, Ermitteln der Temperatur und des Drucks des Kältemittel-ÖI-Gemischs, Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei dem ermittelten Druck des Kältemittel-ÖI-Gemischs und Prüfen, ob die ermittelte Temperaturdifferenz im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz liegt. Die Ölumlaufrate wird nur ermittelt, falls die ermittelte Temperaturdifferenz im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz liegt. Mit anderen Worten kann eine ausreichende Unterkühlung als Vorbedingung für die Ermittlung der Ölumlaufrate und die nachfolgenden Verfahrensschritte angesehen werden.
Bei fehlender Unterkühlung können sich Gasblasen bilden, die sich negativ auf die Ermittlung der Ölumlaufrate auswirken können oder diese sogar unmöglich machen können. Dies trifft beispielsweise auf eine Ermittlung der Ölumlaufrate mittels einer Ultraschallsensoranordnung zu, da die Gasblasen zu einer geänderten Schallgeschwindigkeit führen und folglich die Messergebnisse verfälschen können. Durch die Vorab-Ermittlung des Unterkühlungsstatus kann daher die Ölumlaufrate zuverlässiger ermittelt werden und die Messgenauigkeit kann erhöht werden. Zudem kann die ermittelte Unterkühlung für weitere Steuerungsverfahren oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Kältekreislaufs genutzt werden, z. B. um einen Mangel an Kältemittel oder eine Verunreinigung des Kältemittels zu detektieren.
Wird bei der Ermittlung des Unterkühlungsstatus festgestellt, dass die ermittelte Temperaturdifferenz nicht im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz liegt, kann die Temperaturdifferenz durch Ändern der Temperatur und/oder des Drucks des Kältemittel-ÖI-Gemischs geändert werden, z. B. derart, dass sie nach Änderung der Temperatur und/oder des Drucks im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz liegt. Mit anderen Worten kann der Unterkühlungsstatus eingestellt werden.
Die Änderung der Temperatur und/oder des Drucks des Kältemittel-ÖI-Gemischs kann beispielsweise mittels Änderung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils und/oder Änderung der Drehzahl des Verdichters geändert werden. Wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils erhöht führt dies zu einer Erhöhung der Temperaturdifferenz. Umgekehrt führt ein Reduzieren des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils zu einer Verringerung der Temperaturdifferenz. Ein Reduzieren der Drehzahl des Verdichters führt zu einer Erhöhung der Temperaturdifferenz, während ein Erhöhen der Drehzahl des Verdichters eine Verringerung der Temperaturdifferenz bewirkt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemischs auch durch eine Temperierungseinrichtung, z. B. einen Lüfter im vorderen Teil des Fahrzeugs oder ein Gebläse zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums, geändert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Ölumlaufrate mittels einer Ultraschallsensoranordnung ermittelt werden.
Ultraschallsensoranordnungen weisen einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger auf, die in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Der Ultraschallsender sendet Ultraschallwellen in das zu analysierende Kältemittel-Öl-Gemisch aus. Der Ultraschallempfänger empfängt die Ultraschallwellen, nachdem diese das Kältemittel-Öl-Gemisch passiert haben. Aus der benötigten Zeitdauer, die die Ultraschallwellen vom Aussenden bis zum Empfangen benötigen, kann die Schallgeschwindigkeit in dem Kältemittel-Öl-Gemischermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit gibt wiederum Hinweise auf Eigenschaften des Kältemittel-Öl-Gemischs, da sich die Schallgeschwindigkeit beispielsweise mit der Zusammensetzung des Kältemittel-ÖI-Gemischs ändert.
Vorteilhaft lässt sich mit der Ultraschallsensoranordnung die Ölumlaufrate präzise und zuverlässig ermitteln, ohne dass das Kältemittel-Öl-Gemisch negativ beeinflusst wird.
Mit der nachfolgend beschriebenen speziellen Ausgestaltung der Ultraschallsensoranordnung kann zudem eine kontinuierliche Überwachung der Ölumlaufrate auch bei geringem Bauraum ermöglicht werden, da sich diese Ultraschallsensoranordnung durch eine besonders platzsparende Gestaltung auszeichnet. Beispielsweise kann die kontinuierliche Überwachung der Ölumlaufrate im Kältekreislauf eines Fahrzeugs, z. B. einer Klimaanlage eines Personenkraftwagens, ermöglicht werden.
Die Ultraschallsensoranordnung weist einen an einem Senderhalteelement angeordneten Ultraschallsender und einen an einem Empfängerhalteelement angeordneten Ultraschallempfänger auf, wobei der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind und wobei das Senderhalteelement und/oder das Empfängerhalteelement mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind.
Bevorzugt sind der Ultraschallsender und er Ultraschallempfänger an einem Ende des Senderhalteelements bzw. Empfängerhalteelements angeordnet. Die Halteelemente dienen der Positionierung des Ultraschallsenders bzw. Ultraschallempfängers innerhalb der Ultraschallsensoranordnung. Gleichzeitig können sie zur signaltechnischen Verbindung des Ultraschallsenders bzw. -empfängers genutzt werden. Die Halteelemente können am dem Ultraschallsender bzw. -empfänger gegenüberliegenden Ende Verbindungseinrichtungen aufweisen, mit denen eine Fixierung an einem Gehäuse ermöglicht wird und/oder um eine Steuereinheit mit dem Ultraschallsender bzw. -empfänger zu verbinden.
Die Ultraschallsensoranordnung kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die Einrichtungen der Anordnung, also z. B. der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger samt Halteelementen, angeordnet sind. Über Öffnungen im Gehäuse kann die zu analysierende Flüssigkeit, also das Kältemittel-Öl-Gemisch, in die Ultraschallsensoranordnung ein- und ausströmen, wobei sich entsprechend der konkreten Einbausituation eine Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit ergibt. Wie üblich sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger derart angeordnet, dass die Entfernung zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger durch die Flüssigkeit geringer ist als über die Halteelemente. Die Halteelemente können beispielsweise in Form eines längserstreckten Drahtes, z. B. aus rostfreiem Stahl, ausgebildet sein.
Mäanderförmige Ausbildung bedeutet, dass das Halteelement mehrere Biegungen aufweist, so dass sich Schleifen, eine gefaltete Struktur oder Ähnliches ergeben. Spiralförmige Ausbildung bedeutet, dass das Halteelement Windungen, bevorzugt mindestens zwei Windungen, aufweist.
Sowohl die mäanderförmige als auch die spiralförmige Ausbildung bewirken, dass der geradlinige Abstand zwischen dem einen Ende des Halteelements, an dem der Ultraschallsender bzw. -empfänger angeordnet ist, und dem anderen Ende des Halteelements, dass der Verbindung mit einer Verarbeitungseinheit dienen kann, deutlich kürzer ist als die Länge des Halteelements entlang der mäanderförmigen bzw. spiralförmigen Struktur. Folglich ist die für die Ultraschallwelle durch das Halteelement zurückzulegende Wegstrecke deutlich länger als bei einer herkömmlichen geradlinigen Ausbildung des Halteelements, so dass entsprechend mehr Zeit für das Zurücklegen der Wegstrecke durch das Halteelement benötigt wird.
Diese Ausbildung des oder der Halteelemente ermöglicht vorteilhaft eine Miniaturisierung der Ultraschallsensoranordnung, da durch die mäander- bzw. spiralförmige Ausbildung der geradlinige Abstand verringert werden kann, ohne dass sich die Zeitdauer für das Zurücklegen der Wegstrecke durch das Halteelement verkürzt. Materialbedarf und Baukosten können im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallsensoranordnungen verringert werden.
Durch die Möglichkeit der Miniaturisierung kann die Ultraschallsensoranordnung nicht nur für Testzwecke, z. B. Prüfstandsuntersuchungen genutzt werden, sondern auch für eine online-Analytik, d. h. eine fortlaufende oder periodische Überwachung, von Kältekreisläufen. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung zum Verbleib in jedes Fahrzeug eingebaut werden. Die erhältlichen Messwerte werden zur Steuerung oder Regelung des Kältekreislaufs genutzt, so dass eine höhere Leistung erreicht und die Betriebssicherheit erhöht sowie Schäden verringert werden können.
Optional kann die Ultraschallsensoranordnung Stabilisierungselemente aufweisen, die zur Fixierung der Haltelemente ausgebildet sind.
Mittels der Stabilisierungselemente können beispielsweise Vibrationen der Halteelemente verringert oder verhindert werden, so dass einer Beeinflussung der Messwerte entgegengewirkt werden kann und zuverlässigere Messergebnisse erlangt werden können. Die Stabilisierungselemente können bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Durchfluss und die Strömung der zu analysierenden Flüssigkeit durch die Ultraschallsensoranordnung möglichst wenig beeinflusst wird. Strömungsturbulenzen sollten weitgehend vermieden werden.
Beispielsweise kann ein ringförmiges Stabilisierungselement, dass mittig in der Ultraschallsensoranordnung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der zu analysierenden Flüssigkeit angeordnet ist, sternförmig mit weiteren Stabilisierungselementen mit dem Gehäuse der Ultraschallsensoranordnung verbunden sein.
Das Material der Stabilisierungselemente sollte so gewählt sein, dass die ausgesandten Ultraschallwellen den Ultraschallempfänger über die Stabilisierungselemente nicht schneller erreichen als auf dem Weg durch die Flüssigkeit. Mögliche Materialien können Kunststoffe, wie z. B. Polyethylen, oder Verbundwerkstoffe sein. Zudem können die Verbindungsstellen zwischen Stabilisierungselement und Halteelement entkoppelt werden.
Die Halteelemente und/oder die Stabilisierungselemente können in einer Ebene angeordnet sein. Bevorzugt ist diese Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der zu analysierenden Flüssigkeit ausgerichtet. Die Ebene wird durch die Hauptausdehnungsrichtung der Halte- bzw. Stabilisierungselemente festgelegt.
Dadurch werden vorteilhaft der Durchfluss und die Strömung der zu analysierenden Flüssigkeit möglichst wenig beeinflusst, so dass zuverlässigere Messergebnisse erhalten werden. Außerdem können auch der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger in derselben Ebene wie die Halteelemente bzw. Stabilisierungselemente angeordnet sein.
Vorzugsweise kann die Ultraschallsensoranordnung derart ausgebildet sein, dass ein Druckabfall über die Ultraschallsensoranordnung möglichst gering ist, um einen möglichst geringen Einfluss auf die Unterkühlung des Kältemittels zu haben. Der konkret tolerierbare Druckabfall ist u. a. abhängig vom Kältemittel, da die Materialeigenschaften der verschiedenen Kältemittel sehr unterschiedlich sind.
Bei dem Kältemittel R744 kann der Druckabfall über die Ultraschallmessanordnung bis 15 10⁴ Pa betragen. Für Kältemittel auf Kohlenwasserstoffbasis, z. B. R134a, R1234yf, R290, etc., sollte der Druckabfall nicht mehr als 5 10⁴ Pa betragen.
Der Druckabfall kann beispielsweise durch den Querschnitt, die Anzahl und Anordnung der Halte- und ggf. Stabilisierungselemente beeinflusst werden. Der konkrete Druckabfall kann beispielsweise mittels Strömungssimulation ermittelt werden.
Optional kann die Ultraschallsensoranordnung einen Drucksensor aufweisen. Mittels des Drucksensors kann der Druck des Kältemittel-ÖI-Gemischs direkt innerhalb der Ultraschallsensoranordnung ermittelt werden. Da der Druck als Parameter zur Berechnung der Schallgeschwindigkeiten benötigt wird, können durch die Druckermittlung innerhalb der Ultraschallsensoranordnung die Schallgeschwindigkeiten besonders genau berechnet werden.
Vorzugsweise kann der Drucksensor senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung einer zu analysierenden Flüssigkeit angeordnet sein, weiter bevorzugt stromaufwärts des Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers. Eine Anordnung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ist bevorzugt, da dann keine dynamischen Drück berücksichtigt werden müssen. Eine stromaufwärtige Anordnung ist bevorzugt, da hierbei ein Druckabfall über die Ultraschallsensoranordnung nicht berücksichtigt werden muss. Eine Beeinflussung der Druckmessung durch Strömungserscheinungen, die z. B. durch Ultraschallsender und Ultraschallempfänger und die jeweiligen Halteelemente hervorgerufen werden, können dadurch verringert werden.
Außerdem kann im Bereich des Ultraschallsenders und/oder Ultraschallempfängers ein Temperatursensor angeordnet sein. Neben dem Druck beeinflusst auch die Temperatur die Schallgeschwindigkeit und wird in deren Berechnung mit einbezogen. Indem der oder die Temperatursensoren im Bereich des Ultraschallsenders und/oder Ultraschallempfängers angeordnet sind, kann die Temperaturmessung in dem Bereich erfolgen, in dem die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden soll, nämlich in der Flüssigkeit zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger. Folglich können die Schallgeschwindigkeiten besonders genau berechnet werden.
Weiterhin kann der Ultraschallsender zum Aussenden von Schallwellen mit einer Phasenverschiebung und/oder einer Frequenzmodulation ausgebildet sein, um Schallwellen mit einer Wellenlänge im hörbaren Bereich zu eliminieren. Eine solche Eliminierung kann auch als „Active-Noise-Cancellation“ bezeichnet werden.
Werden Schallwellen im hörbaren Bereich, z. B. mit einer Frequenz zwischen 16 Hz und 20 Hz, detektiert, die z. B. vom Verdichter des Kältekreislaufs hervorgerufen werden können, kann der Ultraschallsender Schallwellen mit einer derartigen Phasenverschiebung, z. B. einer Phasenverschiebung von 180 °, und geeigneter Frequenzmodulation aussenden, so dass die Schallwellen im hörbaren Bereich eliminiert werden.
Eine hörbare Geräuschentwicklung beim Betreiben des Ultraschallsensors kann vermieden werden. Dadurch kann die Nutzerakzeptanz erhöht werden.
Die Detektion der Schallwellen im hörbaren Bereich kann z. B. mittels des Ultraschallempfängers erfolgen, der neben der Detektion von Ultraschallwellen auch zur Detektion von Schallwellen im hörbaren Bereich ausgebildet sein kann. Werden Schallwellen im hörbaren Bereich detektiert, so kann ein Steuersignal generiert und ausgegeben werden, das ein Aussenden von Schallwellen mit einer Phasenverschiebung zur Eliminierung der Schallwellen im hörbaren Bereich bewirkt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kältekreislauf mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Sensoranordnung zur Ermittlung der Ölumlaufrate und einer Steuereinheit, umfassend Mittel zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Mit dem erfindungsgemäßen Kältekreislauf sind daher die vorstehend genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend verbunden.
Die Sensoranordnung ist fester Bestandteil des Kältekreislaufs, so dass die Analyse des Kältemittels fortlaufend oder periodisch erfolgen kann, ohne dass Kältemittelproben entnommen oder Veränderungen am Kältekreislauf durchgeführt werden müssen. Die Sensoranordnung ist bevorzugt als Ultraschallsensoranordnung, weiter bevorzugt als Ultraschallsensoranordnung, bei der das Senderhalteelement und/oder das Empfängerhalteelement mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind, ausgebildet. Diesbezüglich wird auf die vorstehende Beschreibung der Ultraschallsensoranordnung verwiesen.
Bevorzugt kann die Ultraschallsensoranordnung stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Expansionsventils angeordnet sein.
Vorteilhaft ist das Kältemittel in diesem Bereich flüssig, so dass stabile und zuverlässige Messergebnisse erhalten werden können.
Weiterhin kann der Kältekreislauf einen internen Wärmeüberträger mit einer Kammer für flüssiges Kältemittel und einer Kammer für gasförmiges Kältemittel aufweisen, wobei die Ultraschallsensoranordnung stromaufwärts oder stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel des internen Wärmeüberträgers angeordnet sein kann. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel angeordnet sein, wobei die Kammer für flüssiges Kältemittel wiederum stromaufwärts des Expansionsventils angeordnet ist.
Eine Anordnung stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel hat den Vorteil, dass das Kältemittel in diesem Bereich mit höherer Wahrscheinlichkeit in flüssiger Form vorliegt und folglich stabile und zuverlässige Messergebnisse erhalten werden können. Unter Normalbedingungen ist aber auch eine Anordnung stromaufwärts funktionstüchtig.
Weiterhin kann dem Kondensator eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung zugeordnet sein, wobei die Ultraschallsensoranordnung in einem unteren Bereich der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung, bezogen auf die Einbausituation im Kältekreislauf, angeordnet ist. Beispielsweise kann die Ultraschallsensoranordnung in einem Filter der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung integriert sein.
Dies ermöglicht vorteilhaft eine platzsparende Unterbringung der Ultraschallsensoranordnung bei bereits vorhandener Sammlungs- und Trocknungseinrichtung. Zudem ist die Trocknerpatrone der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung einfach austauschbar, so dass eine einfache Nachrüstung des Kältekreislaufs mit der Ultraschallsensoranordnung sowie eine einfache Wartung der Ultraschallsensoranordnung möglich sind.
Die Steuereinheit empfängt Sensorsignale von Sensoren, wie z. B. der Ultraschallsensoranordnung, einem Temperatursensor, einem Drucksensor etc., und verarbeitet diese Sensorsignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in der Steuereinheit der Sollwertbereich für die Ölumlaufrate hinterlegt sein, so dass dieser vorgegeben werden kann. Anschließend ermittelt die Steuereinheit die Ölumlaufrate aus den Sensorsignalen der Sensoranordnung und prüft, ob die ermittelte Ölumlaufrate im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate liegt. Falls die ermittelte Ölumlaufrate nicht im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate liegt, wird die Ölumlaufrate geändert, indem die Steuereinheit Steuersignale an Aktuatoren, wie z. B. den Verdichter, das Expansionsventil etc.., in Reaktion auf die verarbeiteten Sensorsignale aussendet.
Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise Teil einer Motorsteuerung eines Fahrzeugs sein oder in diese integriert sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem mit einem Kältekreislauf gemäß vorstehender Beschreibung. Folglich sind mit einem solchen Fahrzeug die Vorteile des Kältekreislaufs entsprechend verbunden.
Das Wärmemanagementsystem kann zum Kühlen und/oder Beheizen einer Zielumgebung, z. B. eines Fahrzeuginnenraums, ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Wärmemanagementsystem um eine Kompressionskälteanlage oder eine Wärmepumpe handelt. Beide Funktionen können auch miteinander kombiniert sein.
Der Kältekreislauf ermöglicht ein zuverlässiges Betreiben des Wärmemanagementsystems. Die Lebensdauer des Wärmemanagementsystems kann verlängert werden. Zudem kann Energie zum Betreiben des Wärmemanagementsystems eingespart werden, da die Steuerung oder Regelung mit der Ölumlaufrate als zu steuernde Größe bzw. Regelgröße ein energieeffizientes Betreiben ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Wärmemanagementsystems gemäß vorstehender Beschreibung. Folglich sind mit einem solchen Fahrzeug die Vorteile des Wärmemanagementsystems entsprechend verbunden.
Unter einem Fahrzeug ist dabei jedes mobile Verkehrsmittel, d. h. sowohl ein Landfahrzeug als auch ein Wasser- oder Luftfahrzeug, z. B. ein Personenkraftwagen, zu verstehen. Das Fahrzeug kann als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein.
Das Wärmemanagementsystem kann als Klimaanlage des Fahrzeugs ausgebildet sein. Aufgrund der Möglichkeit der online-Analytik, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren und dessen erzeugnisseitige Umsetzung ermöglicht wird, kann eine verbesserte Steuerung oder Regelung der Klimaanlage erfolgen, so dass der Energieverbrauch über der Lebensdauer verringert werden kann. Dies kann sich insbesondere bei Elektrofahrzeugen positiv auswirken, da für die Klimaanlage der Batterie weniger Energie entnommen werden muss und folglich die Reichweite verlängert werden kann.
Eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung kann außerdem zu einer höheren Lebensdauer und zuverlässigeren Betriebsbedingungen führen. Ein Kältemittelverlust kann frühzeitig festgestellt werden und die Klimaanlage bzw. der Kältekreislauf können entsprechend geregelt oder abgeschaltet werden.
Das Wärmemanagementsystem kann auch als Wärmepumpe ausgebildet sein, um insbesondere bei Elektrofahrzeugen ein energieeffizientes Beheizen des Fahrzeuginnenraums und ggf. zu erwärmender Bauteile zu ermöglichen und damit die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen.
Die durch die Verwendung der speziellen Ultraschallsensoranordnung mit mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildetem Senderhalteelement und/oder Empfängerhalteelement ermöglichte Miniaturisierung der Sensoranordnung wirkt sich zudem im Fahrzeugbereich besonders positiv aus, da der Bauraum in Fahrzeugen meist stark beschränkt ist und herkömmliche Ultraschallsensoranordnungen aufgrund ihrer großen Abmessungen für einen serienmäßigen Einbau mit ständigem Verbleib der Ultraschallsensoranordnung im Fahrzeug nicht geeignet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaubild zur Veranschaulichung eines beispielhaften Regelungsverfahrens;
2 ein beispielhaftes Ablaufschema;
3 eine beispielhafte Ultraschallsensoranordnung;
4 einen Querschnitt der beispielhaften Ultraschallsensoranordnung;
5 eine weitere beispielhafte Ultraschallsensoranordnung;
6 einen Querschnitt der weiteren beispielhaften Ultraschallsensoranordnung;
7 einen beispielhaften Kältekreislauf;
8 einen weiteren beispielhaften Kältekreislauf;
9 einen weiteren beispielhaften Kältekreislauf;
10 eine beispielhafte Sammlungs- und Trocknungseinrichtung; und
11 ein beispielhaftes Fahrzeug.

In 1 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines beispielhaften Regelungsverfahren gezeigt, das das erfindungsgemäße Steuerverfahren aufweist. Das Verfahren dient der Reglung eines Kältekreislaufs 12, der einen Verdichter 13, einen Kondensator 14, ein Expansionsventil 15 und einen Verdampfer 16 aufweist (siehe 7 bis 9). In dem Kältekreislauf 12 strömt ein Kältemittel-Öl-Gemisch 10. Die Regelung erfolgt anhand der Ölumlaufrate OCR als Regelgröße. Weitere Regelgrößen, z. B. die Temperatur, der Druck etc. können in die Regelung mit einbezogen werden.
Es wird eine Ziel-Ölumlaufrate (Ziel-OCR) als Führungsgröße vorgegeben und mit der aktuellen Ölumlaufrate OCR, deren Ermittlung an einer Messstelle im Kältekreislauf 12 erfolgt, verglichen. Es können tolerierbare Abweichungen vorgesehen sein, so dass sich ein Sollwertbereich für die Ölumlaufrate OCR ergibt.
Wird bei dem Vergleich von Ziel-OCR und aktueller Ölumlaufrate OCR eine Abweichung aufgrund von Störeinflüssen festgestellt, so wird die Ölumlaufrate OCR. Dazu werden in einer Steuereinheit 27 Steuersignale 28a, 28b erzeugt, die eine Änderung der Drehzahl RPM des Verdichters 13 und/oder eine Änderung des Öffnungsquerschnitts TXV des Expansionsventils 15 bewirken, wodurch sich die Ölumlaufrate OCR ebenfalls ändert.
Vorab kann der Unterkühlungsstatus geprüft werden, indem die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemischs 10 und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei dem aktuellen Druck des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 ermittelt und mit einem Sollwert für die Temperaturdifferenz ΔT verglichen wird. Die Ölumlaufrate OCR wird nur ermittelt wird, falls die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz ΔT liegt.
2 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines Regelungsverfahren gezeigt, das das erfindungsgemäße Steuerverfahren aufweist. Ausgehend vom Start wird in einem ersten Schritt S1 der Unterkühlungsstatus ermittelt, d. h. es wird geprüft, ob die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels ausreichend hoch ist und im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz ΔT liegt. Ist dies der Fall geht das Verfahren weiter zu Schritt S2.
Im Schritt S2 wird die Ölumlaufrate OCR gemessen, z. B. mittels einer Ultraschallsensoranordnung 1. Nachfolgend wird im Schritt S3 geprüft, ob die Ölumlaufrate OCR ausreichend ist, d. h. ob die ermittelte Ölumlaufrate OCR ausreichend hoch ist und im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate OCR liegt. Ist dies der Fall, wird das Verfahren beendet. Optional kann das Verfahren auch zurück zu Schritt S1 gehen, d. h. der Unterkühlungsstatus und die Ölumlaufrate OCR werden fortlaufend überwacht.
Wird im Schritt S3 hingegen festgestellt, dass die Ölumlaufrate OCR nicht ausreichend ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt S4. Im Schritt S4 wird geprüft, ob der Öffnungsquerschnitt TXV des Expansionsventils 15 größer als der minimale Öffnungsquerschnitt TXV_min ist. Der minimale Öffnungsquerschnitt TXV_min ist derjenige Öffnungsquerschnitt TXV des Expansionsventils 15, der nicht unterschritten werden darf. Bei Anlagen mit R1234yf oder R134a als Kältemittel kann der minimale Öffnungsquerschnitt TXV_min einem freien Querschnitt von ca. 0,3 - 0,4 mm entsprechen, bei R744 ca. 0,2 mm.
Nur für den Fall, dass TXV > TXV_min gilt, kann der Öffnungsquerschnitt TXV im Schritt S5 reduziert werden. Dies führt zu einer Druckerhöhung und zur gewünschten Erhöhung der Ölumlaufrate OCR. Ist die Bedingung TXV > TXV_min hingegen nicht erfüllt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6.
Im Schritt S6 wird geprüft, ob die Drehzahl RPM des Verdichters 13 kleiner als die maximale Drehzahl RPM_max des Verdichters 13 ist. Nur für den Fall, dass RPM < RPM_max gilt, kann die Drehzahl RPM im Schritt S7 erhöht werden. Ein Erhöhen der Drehzahl RPM führt zu einer Erhöhung der Ölumlaufrate. Zusätzlich können weitere Optionen, z. B. weitere Schaltventile, angesteuert werden, um die Ölumlaufrate OCR zu erhöhen. Anschließend geht das Verfahren wieder zurück zu Schritt S1.
Wird im Schritt S1 festgestellt, dass die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels nicht ausreichend hoch ist und nicht im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz ΔT liegt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S8.
Im Schritt S8 wird geprüft, ob die Drehzahl RPM des Verdichters 13 größer als die minimale Drehzahl RPM_min ist. Die minimale Drehzahl RPM_min ist diejenige Drehzahl RPM, die nicht unterschritten wird bzw. werden darf. Bei Verbrennungsmotoren befindet sich der Verbrennungsmotor bei RPM ≤ RPM_min im ausgeschalteten Betriebszustand. Bei einem elektrischen Verdichter 13 wird die minimale Drehzahl RPM_min vom Hersteller vorgegeben. Gilt RPM > RPM_min kann die Drehzahl RPM im Schritt S9 reduziert werden. Dadurch wird die Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 verringert, so dass sich die Temperaturdifferenz ΔT erhöht.
Wird im Schritt S8 festgestellt, dass RPM > RPM_min nicht gilt, kann die Drehzahl RPM nicht reduziert werden und das Verfahren geht weiter zu Schritt S10. Im Schritt S10 wird geprüft, ob der Öffnungsquerschnitt TXV des Expansionsventils 15 größer als der minimale Öffnungsquerschnitt TXV_min ist. Ist dies der Fall, gilt also TXV > TXV_min, geht das Verfahren weiter zu Schritt S11 und der Öffnungsquerschnitt TXV wird vergrößert. Dies führt ebenfalls zu einer Verringerung der Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10, so dass sich die Temperaturdifferenz ΔT erhöht.
Wird im Schritt S10 hingegen festgestellt, dass TXV > TXV_min nicht gilt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S12. Im Schritt S12 wird geprüft, ob die Drehzahl eines Lüfters Lüfter-RPM größer als eine maximale Drehzahl des Lüfters RPM_max (Lüfter) ist. Gilt Lüfter-RPM < RPM_max (Lüfter), kann im Schritt S13 die Drehzahl des Lüfters Lüfter-RPM erhöht werden. Dies führt zu einer Kühlung des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 und folglich zu einer Erhöhung der Temperaturdifferenz ΔT. Zusätzlich können weitere Optionen, z. B. Gebläse, genutzt werden, um die Temperaturdifferenz ΔT zu erhöhen. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
3 zeigt eine beispielhafte Ultraschallsensoranordnung 1, die zur Durchführung des Steuerungs- oder Regelungsverfahrens genutzt werden kann, in einer schematischen Darstellung. Die Ultraschallsensoranordnung 1 der 3 weist einen Ultraschallsender 3 und einen Ultraschallempfänger 5 auf, die in einem unveränderlichen Abstand 6 zueinander angeordnet sind. Als Abstand 6 kann beispielsweise die kürzeste Entfernung zwischen dem Ultraschallsender 3 und dem Ultraschallempfänger 5 angesehen werden, aber auch jede andere Entfernung kann als Referenz genutzt werden. Entscheidend ist, dass die von den Ultraschallwellen zurückgelegte Wegstrecke vom Ultraschallsender 3 zum Ultraschallempfänger 5 konstant bleibt.
Der Ultraschallsender 3 ist an einem Senderhalteelement 2 angeordnet, mit dem der Ultraschallsender 3 am Gehäuse 22 der Ultraschallsensoranordnung 1 mittels einer Verbindungseinrichtung 23 befestigt ist. Außerdem dient das Senderhalteelement 2 der Datenübertragung zum und vom Ultraschallsender 3.
Der Ultraschallempfänger 5 ist an einem Empfängerhalteelement 4 angeordnet, mit dem der Ultraschallempfänger 5 am Gehäuse 22 der Ultraschallsensoranordnung 1 mittels einer Verbindungseinrichtung 23 befestigt ist. Außerdem dient das Empfängerhalteelement 4 der Datenübertragung zum und vom Ultraschallempfänger 5.
Sowohl das Senderhalteelement 2 als auch das Empfängerhalteelement 4 sind spiralförmig ausgebildet. Beide Halteelemente 2, 4 weisen jeweils 2,5 Windungen auf, wobei die Anzahl der Windungen als beispielhaft anzusehen ist und die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl an Windungen beschränkt ist. Durch die spiralförmige Ausbildung der Halteelemente 2, 4 ist die Wegstrecke durch das Halteelement 2, 4 im Vergleich zu einem geradlinig ausgebildeten Halteelement bei gleichen Außenabmessungen deutlich verlängert. Folglich ermöglicht die spiralförmige Ausbildung der Halteelemente 2, 4 eine Miniaturisierung der Ultraschallsensoranordnung 1, da für dieselbe Wegstrecke durch die Halteelemente 2, 4 geringere Außenabmessungen ausreichend sind.
Außerdem weist die Ultraschallsensoranordnung 1 Stabilisierungselemente 7 auf. Mittig ist ein ringförmiges Stabilisierungselement 7 angeordnet, das mittels vier weiteren Stabilisierungselementen 7 sternförmig mit dem Gehäuse 22 verbunden ist.
Die Stabilisierungselemente 7 dienen der Fixierung der Halteelemente 2, 4, so dass Vibrationen verhindert werden und der Abstand 6 mit höherer Zuverlässigkeit stets konstant bleibt. Die Stabilisierungselemente 7 sind derart angeordnet, dass eine Einschränkung der Strömung möglichst weitgehend vermieden wird und keine Turbulenzen entstehen.
Die Halteelemente 2, 4 und die Stabilisierungselemente 7 sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 des zu analysierenden Kältemittel-Öl-Gemischs 10 angeordnet ist.
Außerdem weist die Ultraschallsensoranordnung 1 zwei Temperatursensoren 11, die im Bereich des Ultraschallsenders 3 und des Ultraschallempfängers 5 angeordnet sind, sowie einen Drucksensor 8 (siehe 4) auf, wobei der Drucksensor senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 angeordnet ist.
Der Ultraschallsender 3 sendet Ultraschallwellen in das zu analysierende Kältemittel-Öl-Gemisch 10 aus. Der Ultraschallempfänger 5 empfängt die Ultraschallwellen, nachdem diese das Kältemittel-Öl-Gemisch 10 passiert haben. Aus der benötigten Zeitdauer, die die Ultraschallwellen vom Aussenden bis zum Empfangen benötigen, kann die Schallgeschwindigkeit in dem Kältemittel-Öl-Gemisch 10 ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit gibt wiederum Hinweise auf Eigenschaften des Kältemittel-Öl-Gemischs 10, da sich die Schallgeschwindigkeit beispielsweise mit der Zusammensetzung des Kältemittel-ÖI-Gemischs 10 ändert.
4 zeigt die Ultraschallsensoranordnung der 3 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3. Das Gehäuse 22 weist einen Einlass 24 und einen Auslass 25 auf, durch den das zu analysierende Kältemittel-Öl-Gemisch 10 ein- bzw. ausströmen kann. Innerhalb der Ultraschallsensoranordnung 1 strömt das Kältemittel-Öl-Gemisch 10 mit der Hauptströmungsrichtung 9.
In 4 ist außerdem ersichtlich, dass der Drucksensor 8 am Gehäuse 22 stromaufwärts des Ultraschallsenders 3 und des Ultraschallempfängers 5 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 angeordnet ist.
Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsvariante einer Ultraschallsensoranordnung 1. Im Unterschied zu der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsvariante ist lediglich der Ultraschallsender 3 an einem spiralförmig ausgebildeten Senderhalteelement 2 angeordnet, während der Ultraschallempfänger 5 an einem geradlinig ausgebildeten Empfängerhalteelement 4 angeordnet ist. Alternativ kann auch der Ultraschallempfänger 5 an einem spiralförmig ausgebildeten Empfängerhalteelement 4 angeordnet sein, während der Ultraschallsender 3 an einem geradlinig ausgebildeten Senderhalteelement 2 angeordnet ist. Außerdem sind in dieser Ausführungsvariante keine Stabilisierungselemente 7 vorhanden, die jedoch optional implementiert werden könnten.
6 zeigt die Ultraschallsensoranordnung der 5 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 5.
7 zeigt einen beispielhaften Kältekreislauf 12 in einer schematischen Darstellung. Der Kältekreislauf 12 weist einen Verdichter 13 und, entlang der Hauptströmungsrichtung 9 betrachtet, einen Kondensator 14, ein Expansionsventil 15 und einen Verdampfer 16 auf. Dem Kondensator 14 ist eine Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 zugeordnet, wobei Sammler und Trocken auch als separate Bauteile ausgebildet sein können.
Ein weiteres optionales Bauteil ist der interne Wärmeüberträger 17. Der interne Wärmeüberträger verfügt über eine Kammer für flüssiges Kältemittel 18, die stromabwärts des Kondensators 14 und stromaufwärts des Expansionsventils 15 von flüssigem Kältemittel durchströmt wird, und eine Kammer für gasförmiges Kältemittel 19, die stromabwärts des Verdampfers 16 und stromaufwärts des Verdichters 13 von gasförmigem Kältemittel durchströmt wird.
Weiterhin weist der Kältekreislauf 12 eine Ultraschallsensoranordnung 12 auf, die gemäß den 2 und 3 oder 4 und 5 ausgebildet sein kann. Das Senderhalteelement und/oder das Empfängerhalteelement 4 der Ultraschallsensoranordnung 1 ist mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet.
In der in 7 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 stromabwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel 18 des internen Wärmeüberträgers 17 und stromaufwärts des Expansionsventils 15 angeordnet.
In einer weiteren, in 8 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 im Unterschied zur 7 stromabwärts des Kondensators 14 und stromaufwärts der Kammer für flüssiges Kältemittel 18 des internen Wärmeüberträgers 17 angeordnet.
In einer weiteren, in 9 gezeigten Ausführungsvariante ist die Ultraschallsensoranordnung 1 im Unterschied zu den 7 und 8 in der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 angeordnet. Beispielsweise kann, wie in 10 gezeigt, die Ultraschallsensoranordnung 20 in einem unteren Bereich (gestrichelt dargestellt) der Sammlungs- und Trocknungseinrichtung 20 angeordnet sein.
11 zeigt ein Fahrzeug 21 mit einem Wärmemanagementsystem 29, das einen Kältekreislauf 12 aufweist. Der Kältekreislauf 12 kann beispielsweise wie zu den 7, 8 oder 9 beschrieben ausgebildet sein. Bei dem Fahrzeug 21 kann es sich um einen Personenkraftwagen handeln, der optional als Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallsensoranordnung
2: Senderhalteelement
3: Ultraschallsender
4: Empfängerhalteelement
5: Ultraschallempfänger
6: Abstand
7: Stabilisierungselement
8: Drucksensor
9: Hauptströmungsrichtung
10: Kältemittel-Öl-Gemisch
11: Temperatursensor
12: Kältekreislauf
13: Verdichter
14: Kondensator
15: Expansionsventil
16: Verdampfer
17: interner Wärmeüberträger
18: Kammer für flüssiges Kältemittel
19: Kammer für gasförmiges Kältemittel
20: Sammlungs- und Trocknungseinrichtung
21: Fahrzeug
22: Gehäuse
23: Verbindungseinrichtung
24: Einlass
25: Auslass
26: Steuereinheit
27: Sensorsignal
28a, 28b: Steuersignale
29: Wärmemanagementsystem
S1 bis S13: Verfahrensschritte
OCR: Ölumlaufrate, engl. oil circulation rate
RPM: Drehzahl des Verdichters, engl. rounds per minute
RPM_min: minimale Drehzahl des Verdichters
RPM_max: maximale Drehzahl des Verdichters
Lüfter_RPM: Drehzahl des Lüfters
RPM_max (Lüfter): maximale Drehzahl des Lüfters
TXV: Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils
TXV_min: minimaler Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils
ΔT: Temperaturdifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3376139 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

MEYER, J. J.; JABARDO, J. M. S. An Ultrasonic Device for Measuring the Oil Concentration in Flowing Liquid Refrigerant, ACRC TR-24, September 1992 [0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Kältekreislaufs (12) mit einem Verdichter (13), einem Kondensator (14), einem Expansionsventil (15) und einem Verdampfer (16), wobei in dem Kältekreislauf (12) ein Kältemittel-Öl-Gemisch (10) strömt, aufweisend: - Vorgeben eines Sollwertbereichs für eine Ölumlaufrate (OCR), - Ermitteln der Ölumlaufrate (OCR) an einer Messstelle im Kältekreislauf (12), - Prüfen, ob die ermittelte Ölumlaufrate (OCR) im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate (OCR) liegt, und - falls die ermittelte Ölumlaufrate (OCR) nicht im Sollwertbereich für die Ölumlaufrate (OCR) liegt, Ändern der Ölumlaufrate (OCR).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ölumlaufrate (OCR) mittels Änderung eines Öffnungsquerschnitts (TXV) des Expansionsventils (15) und/oder Änderung einer Drehzahl (RPM) des Verdichters (13) geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ölumlaufrate (OCR) mittels Reduzieren des Öffnungsquerschnitts (TXV) des Expansionsventils (15) erhöht oder mittels Vergrößern des Öffnungsquerschnitts (TXV) des Expansionsventils (15) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ölumlaufrate (OCR) mittels Erhöhen der Drehzahl (RPM) des Verdichters (13) erhöht oder mittels Reduzieren der Drehzahl (RPM) des Verdichters (13) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Änderung der Ölumlaufrate (OCR) mittels eines Kennfelds erfolgt, in dem ein Zusammenhang zwischen der Drehzahl (RPM) des Verdichters (13) und der Ölumlaufrate (OCR) hinterlegt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Vorgeben eines druckabhängigen Sollwertbereichs für eine Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen einer Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemischs (10) und einer Verdampfungstemperatur des Kältemittels, - Ermitteln der Temperatur und des Drucks des Kältemittel-ÖI-Gemischs (10), - Ermitteln der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemischs (10) und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei dem ermittelten Druck des Kältemittel-ÖI-Gemischs (10) und - Prüfen, ob die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz (ΔT) liegt, wobei die Ölumlaufrate (OCR) nur ermittelt wird, falls die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz (ΔT) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend: - falls die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) nicht im Sollwertbereich für die Temperaturdifferenz (ΔT) liegt, Ändern der Temperatur und/oder des Drucks des Kältemittel-ÖI-Gemischs (10).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ölumlaufrate (OCR) mittels einer Ultraschallsensoranordnung (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ultraschallsensoranordnung (1) einen an einem Senderhalteelement (2) angeordneten Ultraschallsender (3) und einen an einem Empfängerhalteelement (4) angeordneten Ultraschallempfänger (5) aufweist, wobei der Ultraschallsender (3) und der Ultraschallempfänger (5) in einem unveränderlichen Abstand (6) zueinander angeordnet sind und wobei das Senderhalteelement (2) und/oder das Empfängerhalteelement (4) mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ultraschallsensoranordnung (1) Stabilisierungselemente (7) ausgebildet zur Fixierung der Halteelemente (2, 4) aufweist.
Kältekreislauf (12) mit einem Verdichter (13), einem Kondensator (14), einem Expansionsventil (15), einem Verdampfer (16), einer Sensoranordnung (1) zur Ermittlung der Ölumlaufrate (OCR) und einer Steuereinheit (26), umfassend Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Wärmemanagementsystem (29) mit einem Kältekreislauf (12) nach Anspruch 11.
Fahrzeug (21) mit einem Wärmemanagementsystem (29) nach Anspruch 12.