DE19537871A1 - Klimagerät, das durch eine einen Meßwert bezüglich des verwendeten Kühlfluids liefernde Vorrichtung gesteuert wird - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Klimageräte, insbesondere solche hoher Zuverlässigkeit aufgrund des besonderen Anwen­ dungsfalls.

Diese Klimageräte sind beispielsweise für lufttrans­ portfähige Kabinen für technische Geräte bestimmt, die wäh­ rend langer Perioden unüberwacht arbeiten sollen. Sie können auch in Führerkabinen und/oder Fahrgasträumen von öffentli­ chen Verkehrsmitteln auf der Erde verwendet werden und un­ terliegen dann einer erheblichen Abnutzung.

Solche Klimageräte müssen also lange Zeit und/oder ggf. sehr intensiv ohne Ausfall betrieben werden können. Außerdem sollen die für die Betriebsfähigkeit erforderlichen Wartungsoperationen einerseits eingeschränkt sein und ande­ rerseits in möglichst großen Zeitabständen erfolgen.

Dies legt es nahe, die derzeit bekannten Klimageräte zu verbessern, indem neue Elemente mit höherer Wirksamkeit und Zuverlässigkeit die bisher verwendeten Bauelemente er­ setzen. Weiter möchte man den Betrieb dieser Klimageräte durch Einsatz von wirkungsvolleren Kontrollprozessen und insbesondere Regelprozessen besser beherrschen.

Die Erfindung hat also ein Klimagerät zum Gegenstand, das insbesondere einen Verdampfer-Luftkühler, einen luftge­ kühlten Kondensator und einen Kompressor enthält, die in einem geschlossenen Kreis angeordnet sind, in dem ein Kühl­ fluid umläuft. Die Zufuhr dieses Fluids vom Kondensator zum Verdampfer wird über ein Entspannungsorgan kontrolliert, das zwischen den Kondensator und den Verdampfer eingefügt ist und von mindestens einer Vorrichtung gesteuert wird, die einen Meßwert bezüglich des in dem Kreis umlaufenden Fluids liefert.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthält das Klima­ gerät mindestens ein Wärmeflußmeßgerät, das in einer be­ stimmten Zone des Kreises liegt, um mindestens teilweise das Entspannungsorgan aufgrund des ermittelten Meßwerts zu steu­ ern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält es ein Wärmeflußmeßgerät, das in einer bestimmten Zone des Kühlfluidkreises zwischen dem Kompressor und dem Kondensator liegt und sich in Höhe einer Zone des Kreises befindet, in der das Fluid einen hohen Druck aufweist, wenn das Klimagerät in Betrieb ist.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante enthält es ein Wärmeflußmeßgerät, das in einer bestimmten Zone des Kühl­ fluidkreises am Ausgang des Verdampfers zwischen diesem und dem Kompressor liegt.

Vorzugsweise ist das Wärmeflußmeßgerät in einer be­ stimmten Zone des Kühlfluidkreises gegen die äußere Oberflä­ che eines Leitungsabschnitts des Kreises angedrückt, in dem das Kühlfluid für diese Zone fließt.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Klimagerät ein Wärmeflußmeßgerät, das eine Differentialmes­ sung des Wärmeflusses zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leitungsabschnitten des Verdampfers durchführt, die sich diesseits und jenseits des Verdampfungsendes dieses Verdamp­ fers befinden und an die dieser Wärmeflußmesser thermisch gekoppelt ist.

Schließlich ist es günstig, wenn das Klimagerät einen doppelten Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher am Ausgang des Ver­ dampfers und daher vor dem Kompressor aufweist, der aus zwei Wärmetauscherelementen in Reihe besteht, wobei diese Elemen­ te je einen ersten Teil und einen zweiten Teil besitzen, die thermisch miteinander gekoppelt und ansonsten voneinander getrennt sind, wobei die beiden ersten Teile in Reihe zwi­ schen dem Kondensator und dem Verdampfer vor letzterem und die beiden zweiten Teile in Reihe zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor liegen.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Struktur eines bekannten Klimage­ räts.

Fig. 2 zeigt die Struktur eines erfindungsgemäßen Klimageräts.

Das in Fig. 1 gezeigte bekannte Klimagerät enthält einen Verdampfer-Luftkühler 1, einen luftgekühlten Kondensa­ tor 2 und einen Kompressor 3, die zu einem Kreis zusammen­ gefügt sind, in dem ein Kühlfluid umläuft. Diesem Kreis sind Steuer- und Meßgeräte sowie nachfolgend erläuterte Hilfsein­ richtungen zugeordnet. Der Verdampfer 1 ist beispielsweise vom Rippentyp und empfängt das Kühlfluid im flüssigen Zu­ stand vom Kondensator 2 über ein Entwässerungsfilter 4. Dem Verdampfer ist ein Ventilator 5 zugeordnet, der die abge­ kühlte Luft in den zu klimatisierenden Raum drücken soll.

Der Kondensator 2 ist hier vom Zwangsumlauftyp, d. h. ihm ist ein Ventilator 6 zugeordnet, der dem Zwangsumlauf der Luft bewirkt, die die Kalorien des Kühlfluids abführen soll, die dieses beim Durchströmen des Verdampfers 1 und durch den Kompressor 3 aufgenommen hat. Der Kompressor ist hier ein drehender Kompressor und komprimiert das mit gerin­ gem Druck und in Gasform vom Verdampfer 1 kommende Kühlfluid bis zu einem hohen Druck. Eine Trennflasche 7 zur Trennung zwischen Flüssigkeit und Gas liegt zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor und soll die ggf. im vom Verdampfer kom­ menden Gasstrom vorhandenen Tröpfchen zurückhalten, so daß diese Tröpfchen den Kompressor nicht erreichen.

Eine Messung, üblicherweise eine Temperaturmessung, erfolgt über einen Fühler 8, der zwischen dem Verdampfer 1 und die Trennflasche 7 eingefügt ist. Dieser Meßwert wird von einem Stellglied ausgewertet, das mindestens ein Ent­ spannungsorgan 9 enthält, welches zwischen dem Kondensator 2 und dem Verdampfer 1 liegt und eine kontrollierte Entspan­ nung des Kühlfluids, das den Verdampfer füllt, und eine ho­ mogene Füllung des Verdampfers bewirken soll. Der Meßfühler 8 sitzt beispielsweise auf einem Kopf 0, der an der den Aus­ gang des Verdampfers 1 und den Auslaß in die Trennflasche 7 verbindenden Leitung an. Dieser Kopf 0 kann die Temperatur­ änderungen des in Höhe des Fühlers 8 gemessenen Kühlfluids in Fluiddruckänderungen umwandeln.

Das Entspannungsorgan 9 ist beispielsweise ein ther­ mostatisch gesteuertes Ventil, das auf die von den Tempera­ turänderungen des Kühlfluids in Höhe des Kopfes induzierten Druckänderungen anspricht. Gegebenenfalls wird dieses Organ auch über eine nicht dargestellte elektronische Steuerung des Klimageräts gesteuert.

Das Entspannungsorgan 9 ist einerseits an den Eingang des Verdampfers, an den es das Kühlfluid im flüssigen Zu­ stand abgibt, und andererseits an den Ausgang dieses Ver­ dampfers über eine Rohrleitung 17 zum Fluiddruckausgleich angeschlossen, wobei dieses Fluid dann gasförmig ist.

Ein Einfüllstutzen 10 ist im allgemeinen in der Lei­ tung zwischen dem Kopf 0 und der Trennflasche 7 vorgesehen, um das Klimagerät bei Bedarf mit Kühlflüssigkeit zu füllen.

Druckregler 11 und 12 sind zwischen den Kompressor 3 und einerseits die Trennflasche 7 sowie andererseits den Kondensator 2 in die Leitungen eingefügt, die den Kompressor mit diesen beiden Elementen verbinden, um den Eingangsdruck und den Ausgangsdruck des Kompressors zu regeln. Der oben erwähnte Manometeranschluß 13 sitzt auf der Leitung zwischen dem Kompressor und dem Kondensator 2.

Das Entspannungsorgan 9 wird vom Kondensator 2 mit Kühlfluid ggf. über ein üblicherweise in Regelanordnungen enthaltenes Füllventil, beispielsweise ein digital gesteuer­ tes Elektroventil gespeist. Es ist an den Kondensator 2 über das Entwässerungsfilter 4 und eine Akkumulatorflasche 15 angeschlossen, die eine Reserve für unter Druck stehendes und flüssiges Kühlfluid am Ausgang des Kondensators bildet.

Mindestens ein Schauglas 16 erlaubt die Überprüfung des Zustands des umlaufenden Kühlfluids an der Stelle, an der das Schauglas sitzt, d. h. hier vor dem Entspannungsorgan und zwischen dem Entwässerungsfilter und dem Regelventil.

Ein Beispiel für ein Klimagerät gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Es enthält einen Verdampfer-Luftküh­ ler 1′, einen luftgekühlten Kondensator 2′ und einen Kom­ pressor 3′, die den entsprechenden Elementen des anhand von Fig. 1 gezeigten Klimageräts entsprechen. Ventilatoren 5′ und 6′ sind dem Verdampfer 1′ bzw. dem Kondensator 2′ mit den gleichen Funktionen wie die der Ventilatoren 5 und 6 in Fig. 1 zugeordnet.

Der Verdampfer 1′ empfängt das Kühlfluid im flüssigen Zustand vom Kondensator 2′ über eine Leitung, die insbeson­ dere und nacheinander eine Akkumulatorflasche 15′, ein Ent­ wässerungsfilter 4′ sowie eine Regelanordnung enthält, zu der ein Entspannungsorgan 9′ und ggf. ein Elektroventil 14′ gehören, je nachdem, ob das Entspannungsorgan zur Überwa­ chung des Füllzustands des Verdampfers vorgesehen ist oder nicht. In der dargestellten Ausführungsform sitzt ein Schau­ glas 16′ hinter dem Entwässerungsfilter 4′ bezüglich des Kondensators. Die oben erwähnten Elemente 4′, 9′, 15′ und 16′ entsprechen den Elementen 4, 9, 15 und 16 nach Aufbau und Funktion. Das Entspannungsorgan 9′ und/oder das Ventil 14′ können wie oben beschrieben gesteuert werden, es ist jedoch vorzugsweise eine Steuerung über ein Wärmeflußmeßge­ rät, z. B. ein Gerät 18′, vorgesehen. Mit diesem Wärmefluß­ meßgerät kann man schnell und genau den Zustand des Kühl­ fluids an der Stelle erfassen, an der das Wärmeflußmeßgerät auf der von diesem Fluid durchflossenen Leitung sitzt. Das Wärmeflußmeßgerät 18′ ist beispielsweise eine Vorrichtung, wie sie in der Druckschrift FR-A-2 598 803 beschrieben ist. Es liefert eine Angabe in Form einer elektromotorischen Kraft, die vom Steuerkreis des Klimageräts berücksichtigt wird, um die Regelanordnung zu steuern. Diese Wärmeflußmes­ sung wird hier in einer Hochdruckzone des Kühlfluidkreises des Klimageräts, also hinter dem Kompressor 3 und beispiels­ weise an einem Gleichgewichtspunkt vorgenommen, der prak­ tisch in Höhe des mit Rippen versehenen Kondensators 2′ liegt. Das Wärmeflußmeßgerät 18′ wird hier als ein Zylinder symbolisch dargestellt, der die Kühlfluidleitung 19′ zwi­ schen dem Kompressor 3′ und dem Kondensator 2′ umgibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Wärmeflußmeßgerät 18′ aus einer elastischen Druckschaltung, die um den für die Messung vorgesehenen Bereich der Leitung 19′ herumgelegt und befestigt werden kann. Dann ist es nicht mehr nötig, eine ins Innere des Kühlfluidkreises hineinra­ gende Sonde für ein Manometer zu verwenden, da der Druck bereits bei der Messung durch das Wärmeflußmeßgerät 18′ be­ rücksichtigt wurde. Daher kann man einen vollständig ge­ schlossenen Kühlmittelumlauf vorsehen, wie er üblicherweise in Kühlgeräten für den Heimbedarf vorgesehen ist, wobei dann die in Hinblick auf die Wartung und Zuverlässigkeit eines solchen Umlaufkreises bekannten Vorteile auftreten.

In einer nicht im einzelnen gezeigten ersten erfin­ dungsgemäßen Variante des Klimageräts wird ein Flußmeßgerät 20′ aus Gründen der Steuerung und/oder Analyse und Diagno­ stik an einer anderen Stelle des Kühlflüssigkeitskreislaufs des Klimageräts zusätzlich oder anstatt des Geräts 18′ vor­ gesehen. Diese andere Stelle ist beispielsweise die Leitung 21′ zwischen dem Ausgang des Verdampfers und dem Eingang des Kompressors 3′. Dann kann man mit erhöhter Genauigkeit die physikalischen Wirkungen auf das Kühlfluid bestimmen, die den Betrieb des Klimageräts stören können, insbesondere Vi­ brationen und Beschleunigungskräfte, denen dieses Gerät ggf. unterworfen ist, damit man sich gegen die unerwünschten Er­ scheinungen dieser Wirkungen wappnen kann.

In einer Ausführungsform sitzt das Wärmeflußmeßgerät 20′ des Verdampfers vorzugsweise in Höhe des Verdampfungs­ endes an der Schnittstelle zwischen Gas und Flüssigkeit die­ ses Verdampfers. Thermisch ist dieses Wärmeflußmeßgerät an zwei aufeinanderfolgende Abschnitte der den Verdampfer bil­ denden Leitung gekoppelt. Diese Abschnitte liegen beispiels­ weise zu beiden Seiten der Stelle, an der sich die Schnitt­ stelle in dieser Verdampferleitung befindet. Der Wärmefluß­ messer 20′ mißt also einen Differenzwert zwischen den Wärme­ flüssen an zwei betrachteten Leitungsabschnitten. In einer besonders für Klimageräte geeigneten Variante, die im Be­ trieb Beschleunigungskräften und Vibrationen ausgesetzt sind, also z. B. in Fahrzeugen, sind Maßnahmen speziell dazu bestimmt, die Wirkungen der Vibrationen und Beschleunigungs­ kräfte in Grenzen zu halten. Eine erste bekannte Maßnahme besteht natürlich darin, vibrationsdämpfende Schellen für die Befestigung des Klimageräts und derjenigen Elemente die­ ses Geräts zu verwenden, die ggf. Vibrationen erzeugen kön­ nen und/oder besonders vibrationsempfindlich sind.

Bekanntlich kann der Kühlfluiddurchsatz in flüssiger Form, der dem Verdampfer in einem Klimagerät zugeführt wird, durch äußere Beschleunigungen störend verändert werden, bei­ spielsweise bei der Bewegung des Fahrzeugs, in dem sich die­ ses Klimagerät befindet. Es kann sich daher entweder ein Überlaufen oder ein Mangel an Flüssigkeit am Ausgang dieses Verdampfers ergeben, was entweder zu einem Flüssigkeitsstoß oder zu einer Überhitzung der in Höhe des Kompressors ange­ saugten Gase führen kann, der hiergegen sehr empfindlich ist. Außerdem können Vibrationen und/oder störende Beschleu­ nigungskräfte zu Verschiebungen der Flüssigkeit in den Roh­ ren des Verdampfers und zu den erwähnten störenden Erschei­ nungen führen. Außerdem besteht die Gefahr einer Fehlfunk­ tion des Entspannungsorgans, wenn das ihm zugeführte Steuer­ signal fehlerbehaftet ist.

Eine andere bekannte Maßnahme zur Begrenzung der Wirkung der Beschleunigungen und Vibrationen auf das Klima­ gerät besteht darin, eine Trennflasche 7′ zur Trennung von flüssigen und gasförmigen Anteilen vor dem Saugeingang des Kompressors 3′ einzufügen, um das Kühlfluid in flüssiger Form zurückzuhalten, insbesondere im Fall von Flüssigkeits­ stößen.

Eine andere einfache Maßnahme besteht darin, einen Kompressor 3′ vom volumetrischen Typ vorzusehen, der weniger empfindlich gegenüber Flüssigkeitsstößen als die Kolbenkom­ pressoren ist.

Schließlich wird erfindungsgemäß ein doppelter Gas- Flüssigkeits-Wärmetauscher in den Kreis für das Kühlfluid am Ausgang des Verdampfers eingefügt, um bestmöglich die Folgen eines eventuellen Flüssigkeitsüberlaufs in diesen Verdampfer zu begrenzen.

In dem vorgeschlagenen Beispiel, das in Fig. 2 ge­ strichelt angedeutet ist, besteht der doppelte Wärmetauscher aus zwei Gas-Flüssigkeits-Wärmetauschern 22′ und 23′, bei­ spielsweise koaxialen Wärmetauschern, die in Reihe so ange­ ordnet sind, daß sie ohne Einfluß auf die Energiebilanz sind, da die dort erzeugte Überhitzung durch Unterkühlung des Kühlfluids in flüssiger Form wiedergewonnen wird. Hierzu fließt das Kühlfluid vom Kondensator 2′ hier insbesondere über das Schauglas 16′ in Richtung zum Verdampfer 1′ durch je einen ersten Teil der beiden in Reihe liegenden Wärmetau­ scher 22′ und 23′. Das vom Verdampfer 1′ über die Leitung 21′ kommende Kühlfluid verläuft durch einen zweiten Teil jedes der Wärmetauscher 22′ und 23′, der vom ersten Teil getrennt ist, wobei die zweiten Teile vor der Trennflasche 7′ und dem Kompressor 3′ zu beiden Seiten des Kopfes 0′ in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann das Kühlfluid in flüssi­ ger Form, das ggf. bis zum Wärmetauscher 23′ gelangt, bei einem Überlauf in diesem Wärmetauscherelement verdampfen. Dadurch wird die erforderliche Überhitzung des Kühlfluids am Ausgang des Verdampfers 1′ durch das Wärmetauscherelement 22′ und nicht durch den Verdampfer 1′ selbst bewirkt, was die Wirksamkeit der Rippenkühlung des Verdampfers erhöht. Parallel dazu kompensiert eine Unterkühlung der Flüssigkeit des Kondensators die Überhitzung, die an anderer Stelle er­ zeugt wurde. Dann kann man einen Wärmeflußmesser 24′ vorse­ hen, um Messungen im Differentialmodus zu beiden Seiten des Wärmetauscherelements 22′, beispielsweise in Höhe der Lei­ tung 21′, wie wenn ein Wärmeflußmesser 20′ vorgesehen wäre, sowie in Höhe des Kopfes 0′ durchzuführen. Das Wärmeflußmeß­ gerät 24′ ermöglicht dann die Steuerung des Stellglieds, das aus dem Entspannungsorgan 9′ und/oder dem Elektroventil 14′ besteht.

Claims (6)

1. Klimagerät mit insbesondere einem Verdampfer-Luftkühler (1′), einem luftgekühlten Kondensator (2′) und einem Kom­ pressor (3′), die in einen Kreis zusammengefügt sind, in dem ein Kühlfluid zirkuliert, wobei der Zufluß dieses vom Kon­ densator kommenden Fluids zum Verdampfer durch mindestens eine Vorrichtung gesteuert wird, die einen Meßwert bezüglich des in dem Kreis umlaufenden Fluids liefert und auf minde­ stens ein Stellglied (14′ oder 9′) einwirkt, das zwischen den Kondensator und den Verdampfer eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein Wärmeflußmeßgerät (18′, 20′ oder 24′) aufweist, das sich in einer bestimmten Zone des Kreises befindet und zumindest teilweise das Stell­ glied ausgehend von dem ermittelten Meßwert steuert.

2. Klimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Wärmeflußmeßgerät (18′) besitzt, das in einer be­ stimmten Zone des Kühlfluidkreises zwischen dem Kompressor (3′) und dem Kondensator (2′) liegt und sich in Höhe einer Zone des Kreises befindet, in der das Fluid einen hohen Druck aufweist, wenn das Klimagerät in Betrieb ist.

3. Klimagerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Wärmeflußmeßgerät (20′) aufweist, das in einer be­ stimmten Zone des Kühlfluidkreises am Ausgang des Verdamp­ fers (1′) zwischen diesem und dem Kompressor (3′) liegt.

4. Klimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeflußmeßgerät (18′ oder 20′) in einer bestimmten Zone des Kühlfluidkreislaufs gegen die äußere Oberfläche eines Leitungsabschnitts des Kreises angedrückt ist, in dem das Kühlfluid für diese Zone fließt.

5. Klimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Wärmeflußmeßgerät (20′) aufweist, das eine Differen­ tialmessung des Wärmeflusses zwischen zwei aufeinanderfol­ genden Leitungsabschnitten des Verdampfers durchführt, die sich diesseits und jenseits des Verdampfungsendes dieses Verdampfers befinden und an die dieser Wärmeflußmesser ther­ misch gekoppelt ist.

6. Klimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen doppelten Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher am Ausgang des Verdampfers (1′) und daher vor dem Kompressor (3′) auf­ weist, der aus zwei Wärmetauscherelementen (22′, 23′) in Reihe besteht, wobei diese Elemente je einen ersten Teil und einen zweiten Teil besitzen, die thermisch miteinander ge­ koppelt und ansonsten voneinander getrennt sind, wobei die beiden ersten Teile in Reihe zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer vor letzterem und die beiden zweiten Teile in Reihe zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor liegen.