DE10318504B3

DE10318504B3 - Leckageüberwachung von Klimaanlagen

Info

Publication number: DE10318504B3
Application number: DE10318504A
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt; Gerd Lorenz; Thomas Sperlich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: US20040250983A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Leckage bei einer mit Kohlendioxid als Kühlmittel betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage, bestehend aus DOLLAR A - wenigstens einem Sensor, welcher zur besonders raschen Detektion besonders hoher Anstiegsgeschwindigkeiten der Kohlendioxidkonzentration und/oder besonders hoher Kohlendioxidkonzentration in der Innenluft im Fahrzeug ausgebildet ist, DOLLAR A - einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der ermittelten Anstiegsgeschwindigkeit und/oder Konzentration und DOLLAR A - wenigstens einem Aktor zur Durchführung von Zwangsdurchlüftungsmaßnahmen des Fahrzeugs bzw. Abschottungsmaßnahmen für den Fall, dass die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder Konzentration einen Grenzwert überschreitet.

Description

Durch die beabsichtige Umstellung der Kühlmittel von R134a (Frigen) auf R744 (Kohlendioxid = CO₂) bei Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen tritt bei einer Leckage im Kühlmittelkreislauf eine erhöhte, gesundheitsgefährdende CO₂-Konzentration im Fahrzeuginnenraum auf. Die Leckagewahrscheinlichkeit ist gegenüber R134a-Klimanalagen höher, da im Kühlmittelkreislauf wesentlich höhere Drücke (bis ca. 130 bar) vorherrschen. Im Leckagefall entstehen daher in sehr kurzer Zeit hohe CO₂-Konzentrationenen (bis ca. 30 Volumenprozent) im Fahrzeuginnenraum.

Untersuchungen haben gezeigt, dass auch im Normalbetrieb einer Klimaanlage durch Schließung der Umluftklappe bei hoher Insassenzahl hohe CO₂-Konzentrationen im Innenraum entstehen können. Da CO₂ in höheren Konzentrationen eine Beeinträchtigung der Fahrtüchtigkeit des Fahrers hervorrufen kann, sollte der CO₂-Pegel im Fahrzeug überwacht werden. Diese Überwachung ist auch als „Lufthygieneüberwachung" bekannt. Mit der Lufthygieneüberwachung befasst sich die in der DE 196 29 940 A1 beschriebene Zwangsbelüftung von bewohnbaren Freizeitfahrzeugen. Dort ist wenigstens ein zur Außenseite des Freizeitfahrzeugs führender Belüftungskanal so ausgebildet, dass für jeden Belüftungskanal eine steuerbare Verschlusseinrichtung vorgesehen ist, die als Verschlusskappe oder Jalousie ausgebildet ist und bei Bewegung des Freizeitfahrzeugs automatisch schließbar ist.

Weiter ist aus der DE 197 45 645 A1 eine Klimaanlage für ein Fahrzeug bekannt, welche zwischen einer Innenluft-Umwälzbetriebsart und einer Außenluft-Einführungsbetriebsart auf der Grundlage der Verunreinigung der Außenluft umschaltet. Die Aufrechterhaltung der Innenluft-Umwälzbetriebsart für eine zu lange Zeitspanne wird eingeschränkt.

Aus der DE 198 50 914 A1 sind eine Klimaanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Klimaanlage zum Einsatz in Kraftfahrzeugen mit einem Kühlkreislauf und einem Lüftungssystem bekannt, wobei der Kühlkreislauf einen im Lüftungssystem angeordneten Wärmetauscher aufweist und wobei als Kältemittel im Kühlkreislauf Kohlendioxid vorgesehen ist. Dadurch, dass

– im Lüftungssystem in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher ein Kohlendioxidsensor angeordnet ist,
– im Lüftungssystem in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher eine die Luftzufuhr aus dem Lüftungssystem in den Innenraum des Kraftfahrzeugs unterbrechende Klappe vorgesehen ist und
– eine die Klappe abhängig vom Ausgangssignal des Kohlendioxidsensors steuernde Steuerung vorgesehen ist,

ist gewährleistet, dass keine überhöhten Konzentrationen von Kohlendioxid in den Innenraum des Kraftfahrzeuges gelangen können.

Aus der DE 42 17 393 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung der Belüftungseinrichtung eines Kfz-Innenraums bekannt, bei dem die Belüftungseinrichtung in Abhängigkeit von den Schadstoffkonzentrationen der Außenluft und der Innenluft betätigt wird. Dabei wird als Maß für die Schadstoffkonzentration der Innenluft die CO₂-Innenraumkonzentration bestimmt und die CO₂-Innenraumkonzentration mit der Schadstoffkonzentration der Außenluft verglichen.

Die zum Anmeldetag nicht vorveröffentlichte DE 102 36 712 A1 greift völlig neue Überlegungen auf, um ein Leckage-Gas, insbesondere ist dabei an Wasserstoff gedacht, aus einem vorzugsweise Kfz-Raum in die freie Umgebung abzuleiten. Zur energiefreien Ableitung wird vorgeschlagen, dass einer der Gas-Ableitung dienenden Durchbrechung in einer Raumbegrenzung eine gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Abdeckung zugeordnet ist.

Diesen Entgegenhaltungen sind keine Hinweise zu entnehmen, die Kombination eines Warnsignals mit sofortiger Zwangsbelüftung, die unabhängig vom bestehenden Lüftungssystem der Klimaanlage ausgelegt ist, vorzusehen.

Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der DE 198 50 914 A1 entnommen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage bei einer mit Kohlendioxid als Kühlmittel betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage und Durchführung von Zwangsbelüftungsmaßnahmen, bei dem

– eine Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit ermittelt wird und
– die Kohlendioxidkonzentration und deren Anstiegsgeschwindigkeit auf Überschreiten eines Grenzwerts abgefragt wird.

Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet,

– eine Warninformation an den Fahrer ausgegeben wird und
– Zwangsbelüftungsmaßnahmen des Fahrzeuginnenraums durchgeführt werden, wobei wenigstens ein Fenster über einen Fensterheber geöffnet wird oder das Schiebedach des Fahrzeugs geöffnet wird oder das Verdeck des Fahrzeugs geöffnet wird, und
– die in den Innenraum des Fahrzeugs führenden Lüftungskanäle an einer solchen Stelle verschlossen werden, dass ein mit einem Lüftungskanal in Berührung stehender Verdampfer der Klimaanlage nicht mehr in Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums steht.

Der Vorteil besteht darin, dass damit die Folgen einer Leckage bei einer mit Kohlendioxid als Kühlmittel betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage wesentlich gemildert werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen fotometrischen Sensor handelt. Damit kann eine besonders hohe Messgenauigkeit und einer besonders hohen Ansprechgeschwindigkeit erreicht werden.

In einer alternativen Ausgestaltung kann es sich bei dem Sensor auch um einen mikromechanischen Wärmeleitfähigkeitssensor handeln. Dieser Wärmeleitfähigkeitssensor nutzt die einfache physikalische Tatsache aus, dass die Wärmeleitfähigkeit der Luft vom Kohlendioxidanteil in der Luft abhängt, denn die Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxid ist um ungefähr den Faktor 1.6 geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Luft. Deshalb führt eine erhöhte Kohlendioxidkonzentration in der Luft zu einer verringerten Wärmeleitfähigkeit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen mikromechanisch ausgeführten Sensor handelt. Damit wird ein geringes Gewicht sowie eine kleine Baugröße erreicht, beide Kriterien spielen für Anwendungen im Automobilbereich eine wesentliche Rolle.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor so ausgebildet ist, dass damit innerhalb von 10 Sekunden eine Kohlendioxidkonzentration von 0.5 Volumenprozent in der Luft im Fahrzeuginnenraum erfasst werden kann. Diese Forderung übertrifft die an Lufthygienesensoren gestellten Forderungen bei weitem. Damit wird die Anpassung des Sensors an typische Leckagefälle erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor so ausgebildet ist, dass damit eine Kohlendioxidkonzentration von wenigstens bis zu 3 Volumenprozent in der Luft im Fahrzeuginnenraum erfasst werden kann. Auch diese Forderung übertrifft die an Lufthygienesensoren gestellten Forderungen bei weitem. Damit wird die Anpassung des Sensors an typische Leckagefälle erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Zwangsbelüftungsmaßnahmen um Zwangsbelüftungsmaßnahmen mit sehr großer Wirkung handelt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen wie Umstellung der Klimaanlage auf Außenluftzuführung bieten bei einer Leckage der Klimaanlage keine wirkungsvolle Abhilfe, da es zu lange dauert, bis damit die gesamte Luft des Fahrzeuginnenraums ausgetauscht ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist folglich dadurch gekennzeichnet, dass die in den Innenraum des Fahrzeugs führenden Lüftungskanäle an einer solchen Stelle verschlossen werden, dass ein mit einem Lüftungskanal in Berührung stehender Verdampfer der Klimaanlage nicht mehr in Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums steht. Beim Verdampfer handelt es sich um den wahrscheinlichsten Leckageort. Die Abtrennung kann beispielsweise durch eine federgespannte Klappe erfolgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist folglich dadurch gekennzeichnet,

– dass es sich bei demjenigen Teil der Klimaanlage, welcher mit der Luft um Fahrzeuginnenraum in Verbindung steht, um den Verdampfer handelt
– dass der Verdampfer durch wenigstens ein Schaltventil segmentiert ist und
– dass der Verdampfer durch Schließen dieses Schaltventils vom nicht mit der Luft im Fahrzeuginnenraum in Verbindung stehenden Teil der Klimaanlage abtrennt wird.

Dadurch wird die Kohlendioxidmenge, welche in den Fahrzeuginnenraum gelangen kann, vermindert bzw. die Menge des austretenden Kohlendioxids wird minimiert.

Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des geschilderten Verfahrens, enthaltend

– einen Sensor sowie eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit,
– Mittel zur Ausgabe einer Warninformation an den Fahrer,
– Mittel zur Durchführung von Zwangsbelüftungsmaßnahmen des Fahrzeuginnenraums und
– Mittel zum Verschließen der in den Innenraum des Fahrzeugs führenden Lüftungskanäle an einer solchen Stelle verschlossen werden, dass ein mit einem Lüftungskanal in Berührung stehender Verdampfer der Klimaanlage nicht mehr in Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums steht.

Die Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung äußern sich selbstverständlich auch in entsprechenden Ausgestaltungen des endungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.

Zeichnung

Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 2.

1 zeigt den grundlegenden Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

2 zeigt den grundlegenden Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Durch diese Erfindung besteht die Möglichkeit, eine Leckage im Kühlmittelkreislauf zu erkennen und es erfolgt eine angemessene Reaktion zur weitgehenden Beseitigung von dadurch entstehenden Sicherheitsrisiken. Zusätzlich kann die Anordnung auch genutzt werden, um im Normalbetrieb den CO₂-Pegel im Fahrzeuginnenraum zu überwachen. Dies erfolgt insbesondere vor dem Hintergrund, dass hohe CO₂-Konzentrationen für die Fahrzeuginsassen als lebensbedrohlich einzustufen sind.
Der grundsätzliche Aufbau dieses Systems ist in 1 dargestellt. Dabei enthält Block 100 einen oder mehrere CO₂-Sensoren, welche sich zur Erkennung von besonders hohen CO₂-Anstiegsgeschwindigkeiten und CO₂-Konzentrationen eignen. Die Ausgangssignale von Block 100 werden an Block 101 weitergegeben, welcher eine oder mehrere Auswerteschaltungen enthält. Deren die gemessenen CO₂-Pegel oder CO₂-Anstiegsraten repräsentierenden Ausgangssignale werden an ein Steuergerät 102 weitergegeben. Dieses löst bei erhöhter CO₂-Konzentration eine Zwangslüftung über die Aktoren 103 und 104 aus. Zusätzlich wird über Block 105 ein Warnsignal oder eine Warninformation ausgegeben. Ebenso kann eine Abschottungsvorrichtung bzw. Absperrvorrichtung beispielsweise im Lüftungskanal oder im Verdampfer geschlossen werden.
Zur Messung des CO₂-Pegels gibt es verschiedene Messprinzipien. Die wichtigsten sind:

– Fotometrische Gassensoren (CO₂-wellenlängenspezifische Absorptionsfilter mit einem Bandpass bei ca. 4.3μm).
– Chemische Gassensoren (Metalloxid-Halbleiter, potentiometrisch, amperometrisch).
– Wärmeleitfähigkeitssensoren (Änderung der Wärmeleitfähigkeit durch CO₂)

Wegen Ihrer Messstabilität, hohen Empfindlichkeit und Selektivität sind insbesondere fotometrische Gassensoren für das vorgeschlagene System geeignet.
Neben einer Kühlmittelleckageüberwachung bei R744-Klimaanlagen für den Kfz-Einsatz kann mit den vorhandenen CO₂-Sensoren eine zusätzliche Luftqualitätsüberwachung im Innenraum des Kfz durchgeführt werden. Für die Luftqualitätsüberwachung (Lufthygieneüberwachung) genügt es im allgemeinen, CO₂-Konzentrationen zwischen 500 ppm und 10000 ppm (ppm = „parts per million", 10000 ppm = 1 Volumenprozent) mit einer Auflösung zwischen 500 ppm und 1000 ppm zu messen.
Als Schwellenwerte werden laut MAK-Richtlinien (MAK = „maximale Arbeitsplatzkonzentration") folgende CO₂-Konzentationen zugrunde gelegt:

1. 5000 ppm CO₂: Langzeit-MAK, diese Konzentration ist über 7 Stunden hinweg erlaubt.
2. 15000 ppm CO₂: Kurzzeit-MAK, diese Konzentration ist über 30 Minuten hinweg erlaubt.
3. 30000 ppm CO₂: höchste erlaubte Konzentration, diese Konzentration ist bis zu 30 Sekunden lang erlaubt.

Die MAK ist die Konzentration eines Stoffes in der Luft am Arbeitsplatz, bei der im allgemeinen die Gesundheit der Arbeitnehmer nicht beeinträchtigt wird.
Ein Kohlendioxidanteil von 3% in der Luft entspricht der Menge von 54 Gramm Kohlendioxid in einem Kubikmeter Luft.
Bei Überschreitung vorgegebener Grenzwerte wird über die Aktoren 103 und 104 eine Zwangslüftung durchgeführt, dazu eignen sich beispielsweise die Umluftklappe oder die Fensterheber des Fahrzeugs. Parallel oder Alternativ dazu können auch Abschottungsmaßnahmen durchgeführt werden.
In 2 ist das Verfahren zur Detektion einer Leckage bei einer mit Kohlendioxid als Kühlmittel betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage dargestellt.
Dabei wird in Block 200 die Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit in der Luft im Fahrzeuginnenraum ermittelt. Anschließend wird in Block 201 abgefragt, ob die Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit einen jeweiligen Grenzwert überschreitet. Lautet die Antwort nein („n"), dann wird zu Block 200 zurückverzweigt. Lautet die Antwort dagegen ja („y"), dann werden in Block 202 Zwangsbelüftungsmaßnahmen des Fahrzeuginnenraums bzw. Abschottungsmaßnahmen durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch eine Warninformation an die Fahrzeuginsassen ausgegeben werden.

Claims

Verfahren zur Detektion einer Leckage bei einer mit Kohlendioxid als Kühlmittel betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage und Durchführung von Zwangsbelüftungsmaßnahmen, bei dem – eine Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit ermittelt wird, – die Kohlendioxidkonzentration bzw. deren Anstiegsgeschwindigkeit auf Überschreiten eines Grenzwerts abgefragt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet, – eine Warninformation an den Fahrer ausgegeben wird und – Zwangsbelüftungsmaßnahmen des Fahrzeuginnenraums durchgeführt werden, wobei wenigstens ein Fenster über einen Fensterheber geöffnet wird oder das Schiebedach des Fahrzeugs geöffnet wird oder das Verdeck des Fahrzeugs geöffnet wird, und – die in den Innenraum des Fahrzeugs führenden Lüftungskanäle an einer solchen Stelle verschlossen werden, dass ein mit einem Lüftungskanal in Berührung stehender Verdampfer der Klimaanlage nicht mehr in Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums steht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend – einen Sensor (100) sowie eine Auswerteeinrichtung (101) zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit, – Mittel zur Ausgabe einer Warninformation an den Fahrer, – Mittel zur Durchführung von Zwangsbelüftungsmaßnahmen des Fahrzeuginnenraums und – Mittel zum Verschließen der in den Innenraum des Fahrzeugs führenden Lüftungskanäle an einer solchen Stelle, dass ein mit einem Lüftungskanal in Berührung stehender Verdampfer der Klimaanlage nicht mehr in Kontakt mit der Luft des Fahrzeuginnenraums steht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, enthaltend einen fotometrischen Sensor (100) zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration und/oder deren Anstiegsgeschwindigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (100) um einen mikromechanisch ausgeführten Sensor handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) so ausgebildet ist, dass damit innerhalb von 10 Sekunden eine Kohlendioxidkonzentration von 0.5 Volumenprozent in der Luft im Fahrzeuginnenraum erfasst werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) so ausgebildet ist, dass damit eine Kohlendioxidkonzentration von wenigstens bis zu 3 Volumenprozent in der Luft im Fahrzeuginnenraum erfasst werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (100) um einen mikromechanischen Wärmeleitfähigkeitssensor handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass es sich bei demjenigen Teil der Klimaanlage, welcher mit der Luft um Fahrzeuginnenraum in Verbindung steht, um den Verdampfer handelt, – dass der Verdampfer durch wenigstens ein Schaltventil segmentiert ist und – dass der Verdampfer durch Schließen dieses Schaltventils vom nicht mit der Luft im Fahrzeuginnenraum in Verbindung stehenden Teil der Klimaanlage abtrennt wird.