DE2748484C2

DE2748484C2 - Kältemittelanlage

Info

Publication number: DE2748484C2
Application number: DE2748484A
Authority: DE
Inventors: Kenneth John Hoffman Estates Ill. Kountz
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1986-02-20
Also published as: AU3002877A; JPS5357634A; CA1087278A; FR2369522B1; IT1088178B; US4102150A; JPS6025285B2; AU512578B2; GB1586808A; MX144590A; DE2748484A1; FR2369522A1; BR7707268A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemittelanlage mit einem Verdampfer, einem Kompressor mit veränderbarer Verdrängung, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einer Regeleinrichtung zur Regelung des Kältemitteldurchsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur in einem temperaturgesteuerten Raum, wobei die Regeleinrichtung aufweist: einen Temperaturfühler, der ein Raumtemperatur-Istwertsignal liefert einen Sollwertgeber, der ein Raumtemperatur-Süllwertsignal liefert, eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von dem Ist- und Sollwertsignal ein Temperaturkontrollpunktsignal liefert, einen Temperaturfühler, der ein Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal liefert, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die in Abhängigkeit von diesen Signalen ein Fehlersignal liefert, von dem ein Steuersignal zur Regelung der Kompressorverdrängung abgeleitet wird.

Bei einer vorbekannten Kältemittelanlage dieser Gattung (US-PS 38 03 863) wird das Temperaturkontrollpunktsignal aus dem Unterschied zwischen dem Raumtemperatur-Istwertsignal und dem Raumtemperatur-Sollwertsignal gebildet, während aus einem Vergleich der Verdampfereinlaßtemperatur und der Verdampferauslaßtemperatur ein Überhitzungssignal gebildet wird. Das Fehlersignal wird dann in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesem Temperaturkontrollpunktsignal und dem Überhitzungssignal gebildet.

Diese Art der Regelung hat zur Folge, daß die Überhitzung im Verdampfer von Durchsatzänderungen im wesentlichen unabhängig ist. So ändert sich beispielsweise bei der vorbekannten Kältemittelanlage die Überhit-

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zung nur um 3° bei einer Änderung des Durchsatzes zum Einlaß des Kompressors 10. Dadurch, daß die Speivom kleinsten bis zum größten Durchsatzwert Der sung der Solenoidwicklung 24 (über ein impulsbreiten-Zweck dieser Regelung ist, den Verdampfer bei kon- moduliertes Signal, wie noch näher beschrieben wirdj stanter Überhitzung und somit bei optimalem Wir- kontrolliert wird, kann das Regelventil 21 so moduliert kungsgrad zu betreiben. 5 werden, daß im Effekt eine variable Öffnung zwischen

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- die Leitungen 22, 23 gelegt ist Die Wicklung 24 wird gründe, eine Kältemittelanlage der angegebenen Gat- abwechselnd unter Strom gesetzt und abgeschaltet, das tung so weiterzubilden, daß ihr Energiebedarf verrin- heißt ein- und ausgeschaltet, je nach dem impulsbreitengert wird. modulierten Signal. Je mehr die Wicklung 24 gespeist

Diese Aufgabe wird bei einer KältemiUelanlage mit io wird, (d. h„ je größer das Tastverhältnis ist), desto weniden eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsge- ger Drosselung wird vom Regelventil 21 bewirkt und maß dadurch gelöst daß die Signalverarbeitungsein- desto niedriger ist der Kurbelgehäusedruck. Demzufolrichtung ein eine Verdampferauslaß-Sollmindesttempe- ge sind die Verdrängung des Kompressors 10 und somit ratur darstellendes Referenzsignal erzeugt wobei das der Kältemitteldurchsatz direkt proportional zur Ein-Temperaturkontrollpunktsignal die auf das Referenzsi- 15 schaltdauer der Wicklung 24.

gnal bezogene Verdampferauslaß-Solltemperatur dar- Bevor das Regelsystem für die Wicklung 24 erörtert

stellt daß die Signalverarbeitungseinrichtung das Feh- wird, wird die Kurve 25 von Fi g. 2 betrachtet Dort ist lersignal in Abhängigkeit von dem Unterschied zwi- der Verdampfer-Wirkungsgrad (auf der Ordinate oder sehen der Kontrollpunkt-Solltemperatur und der Ver- y-Achse) als Funktion der Temperatur des Kältemittels dampferauslaß-Isttemperatur bildet und daß das Ex- 20 am Verdampferauslaß (auf der Abszisse oder x-Achse) pansionsventil so ausgebildet ist, daß es den Verdamp- aufgetragen. Wie durch die Kurve 25 dargestellt wird, ferdruck konstant hält sind die beiden Größen invers miteinander verknüpft.

Aufgrund dieser Signalverknüpfung ergibt sich eine Wenn die Kältemittel-Auslaßtemperatur des Verdamp-Änderung der Überhitzung in Abhängigkeit von dem fers anwächst, verringert sich die Kapazität des VerDurchsatz. Der Kältemitteldurchsatz wird hierbei so ge- 25 dampfers. Der Wärmeübertragungskoeffizient eines regelt daß er gerade ausreicht um den Kältebedarf zu Verdampfers ist nämlich viel größer, wenn Wärme aus decken, wobei eine Änderung der Überhitzung in Kauf der zu kühlenden Luft auf eine zweiphasige Flüssiggenommen wird. Hierdurch ergibt sich ein an die Last- Gas-Kältemittelmischung übertragen wird, als wenn die Verhältnisse wesentlich besser angepaßter Kältemittel- Wärme allein auf Kältemittelgas übertragen wird, durchsatz, was zu einer entsprechenden Energieeinspa- 30 Nachdem die Flüssigkeit-Gas-Mischung vollständig rung führt verdampft ist und auf dem Weg durch den Verdampfer

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in zu Gas geworden ist, überhitzt zusätzliche, aus der Luft den Unteransprüchen angegeben. genommene Wärme das Gas: der Wirkungsgrad des

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfol- Verdampfers wird verringert. Je geringer der Kältemitgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt 35 teldurchsatz durch den Verdampfer ist, desto größer ist F i g. 1 schemetisch eine erfindungsgemäß ausgebil- die Überhitzung und die Verdampferauslaßtemperatur, dete Kältemittelanlage für ein Kraftfahrzeug; Um also die Verdampferkapazität zu maximieren, sollte

Fig. 2 ein Schaubild, in dem der Verdampfer-Wir- die Flußrate so hoch sein,daß das Kältemittel eine zweikungsgrad über der Verdampferauslabtemperatur auf- phasige Flüssigkeits-Gasmischung über nahezu den gegetragen ist. 40 samten Verdampfer hinweg bleibt. Vorzugsweise sollte Die Kältemittelanlage enthält einen Kompressor 10 das Kältemittel in Gas vollständig umgewandelt wermit geregelter Verdrängung, einen Kondensator 12, ein den, bevor es das Ende des Verdampfers erreicht; dann selbsttätig geregeltes Expansionsventil 13 sowie einen sollte ein kleiner, minimaler Betrag Überhitzung zuge-Verdampfer 15. Kältemittelgas wird im Kompressor 10 fügt werden. Die Auslaßtemperatur des Verdampfers komprimiert und dem Kondensator 12 zugeliefert, wo 45 sollte nicht unter einen bestimmten Minimalwert absines zu flüssigem Kältemittel kondensiert wird. Dieses ken. Andernfalls könnte flüssiges Kältemittel über die wird dann zum Expansionsventil 13 gebracht. Das Kai- Saugleitung in den Kompressor fließen und diesen betemittel expandiert im Expansionsventil 13 und tritt als schädigen.

zweiphasige Mischung aus Flüssigkeit und Gas, vor- Die gestrichelte Linie 26 in Fig.2 bezeichnet die ge-

zugsweise jedoch Flüssigkeit, aus. Während die zwei- 50 wünschte Auslaßmindesttemperatur des Verdampfers phasige Mischung dann durch den Verdampfer 15 fließt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Der Schnitt der in Wärmetausch mit Luft steht, die dem zu kühlen- dieser gestrichelten Linie mit der Kurve 25 zeigt somit den Fahrzeugraum zugeführt wird, wird Wärme von der den maximalen Verdampfer-Wirkungsgrad, bei dem das Luft auf das Kältemittel übertragen: die Gesamtheit des System arbeitet. Wenn der Kältemitteldurchsatz so einKältemittels verdampft und nimmt den Gaszustand ein. 55 gestellt wird, daß die Auslaßtemperatur des Verdamp-Das Kältemittelgas am Auslaß des Verdampfers wird fers sich auf dem Sollmindestwert befindet, wird im Käldann zum Einlaß des Kompressors 10 geleitet Die Lei- temittelgas am Verdampferauslaß die gewünschte minitung 17 bildet eine externe Druck-Rückspeisung vom male Überhitzung aufrecht erhalten. Wenn man die Auslaß des Verdampfers zum Expansionsventil 13. Da- Auslaßtemperatur unter die Sollmindesttemperatur durch wird ein konstanter Verdampferdruck aufrecht 60 (d. h. auf die ünke Seite der gestrichelten Linie 26) abfalerhalten. len läßt, gibt es keine ausreichende Überhitzung mehr;

Zur Regelung des Kältemitteldurchsatzes wird die flüssiges Kältemittel würde in den Kompressor strömen Verdrängung des Kompressors 10 geregelt. Wie noch deutlich wird, wird die Verdampfer-Auslaß-

Zu diesem Zweck wird der Kurbelgehäusedruck im temperatur automatisch so gewählt, daß die Kühlkapa-Kompressor 10 mitteis eines solenoidbetätigten Regel- 65 zität zu allen Zeiten der Wärmelast angepaßt wird, woventils 21 eingestellt. Der Einlaß des Regelventils 21 ist durch sich die wirksamste Betriebsweise ergibt und die über die Leitung 22 mit dem Kurbelgehäuse verbunden; geringste Energie aufgewendet wird. Der Einfachheit der Auslaß des Regelventils 21 führt über die Leitung 23 halber wird die gewählte und gewünschte Auslaßtempe-

ratur des Verdampfers auf der Abszisse in Fig.2 als Kontrollpunkt-Soli-Temperatur bezeichnet Auf eine noch zu beschreibende Weise wird die Kältemittelströmung durch den Verdampfer automatisch so eingestellt, daß sich die Auslaßtemperatur des Verdampfers auf den entsprechenden Kontrollpunkt an der Abszisse bringt, der erforderlich ist, den Fahrzeugraum auf der erwünschten Raumtemperatur zu halten. Zur Regeleinrichtung: Ein Temperaturfühler 28 in

ratur-Sollwertsignals) ist der Thermostateinstellung direkt proportional. Je höher der Raumtemperatur-Sollwert ist, umso größer ist der Strom, der in den (—)-Eingang fließt.

Der Verstärker 32 arbeitet als Differenzverstärker, d. h. die Ausgangsspannung ist proportional zur Differenz zwischen den beiden Strom-Eingangssignalen. Aufgrund des polarisierten Kondensators 37 dient der Verstärker 32 außerdem als Integrator. Wenn der Form eines Thermistors ist in dem zu klimatisierenden io Strom, welcher am (+)-Eingang des Verstärkers 32 ein-Fahrzeugraum angeordnet. Zum Beispiel kann der Tem- tritt, größer ist als derjenige, der in den (—)-Eingang peraturfühler 28 in der Nähe des Armaturenbrettes angebracht sein. Ein Anschluß des Temperaturfühlers 28
ist mit Erde verbunden; der andere Anschluß ist über
einen Widerstand 29 mit einer positiven Gleichspan- 15
nungsquelle verbunden, die mit V+ bezeichnet ist. Vorzugsweise liegt die Größe dieser Gleichspannung ca. bei
+10 V; die Erde liegt dann bei 0 V. Alle Anschlüsse, die
in der Zeichnung mit » V+ « markiert sind, sind selbst-

fließt, wächst die Ausgangsspannung allmählich in positiver Richtung an (sie integriert nämlich nach oben und ergibt eine rampenförmige Wellenform) auf einen Amplitudenwert, der von der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen bestimmt ist. Wenn eine Veränderung in einem der Eingangssignale derart stattfindet, daß der dem (—)-Eingang zugeführte Strom größer wird als der in den ( + )-Eingang fließende Strom, sinkt die Ausgangsspannung allmählich in negativer Richtung ab (d. h. sie integriert nach unten) auf Null- bzw. Erdpotential zu. Wie erwähnt, kann die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 nie unter die Spannung an den beiden Eingängen abfallen, die sich im wesentlichen auf

Raumtemperatur-Istwertsignal und Sollwertsignal und erzeugt hieraus eine Ausgangsspannung, die als Funktion der Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Temperatur variiert. Dieses Spannungssignal wird über den Reihenwiderstand 38 in ein Stromsignal umgewandelt, welches dem (—)-Eingang des Verstärkers 39 zugeführt wird. Wie noch deutlich wird, stellt das Stromsignal, welches über den Widerstand 38 in den (—)-Eingang fließt im Effekt die auf die Sollmindesttemperatur bezogene Solltemperatur am Auslaß des Verdampfers dar. Dieses Signal wird Temperatufkontrolipunktsignal genannt, da es für den gewünschten Kontrollpunkt auf der Abszisse von F i g. 2 steht, an dem die Anlage zur richti-

verständlich mit derselben Gleichspannungsquelle verbunden. Der Temperaturfühler 28 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, so daß sein Widerstand eine inverse Funktion des Istwertes der Raumtemperatur ist, die zu regeln ist. Mit anderen Worten: Wenn z. B. die

Raumtemperatur anwächst, sinkt der Widerstand des 25 Erdpotential befinden.

Temperaturfühlers 28, und die Spannung am Verbin- Der Verstärker 32 vergleicht auf diese Weise das

dungspunkt von Temperaturfühler 28 und Widerstand 29 fällt ab.

Der Verbindungspunkt des Temperaturfühlers 28 und des Widerstands 29 ist über einen Widerstand 31 mit dem nicht invertierenden ( + )-Eingang eines integrierten Operationsverstärkers 32 verbunden. Obwohl dies nicht eigens dargestellt ist, ist jeder Operationsverstärker mit der V+-Spannungsquelle so verbunden, daß seine Arbeitsspannung +10 V beträgt.

Derartige Operationsverstärker benötigen an ihren Eingängen anstelle von Eingangsspannungen Eingangsströme. Aus diesem Grund werden der Widerstand 31 und al! die anderen entsprechenden bzw. äquivalenten

Widerstände in Reihe mit den Eingängen der integrier- 40 gen Kühlung des geregelten Raumes arbeiten soll. Mit ten Operationsverstärker benötigt; diese wandeln Ein- anderen Worten: die Kontrollpunkttemperatur ist eine gangsspannungen in Eingangsströme um. Wie: ebenfalls Funktion des Ausgangs von Verstärker 32. für einen derartigen Verstärker charakteristisch ist, er- Ein Temperaturfühler 41 in Form eines Thermistors

gibt sich eine gute Signalisolierur.g für Summationster- ist am Verdampferauslaß befestigt oder in dessen Nähe me, da sich praktisch beide Eingänge auf Erd- bzw. 45 angeordnet; er erfaßt di; Temperatur des Kältemittels, 0-Potential befinden. Ein derartiger Verstärker bildet nachdem es den Verdampfer verläßt Der Temperaturaußerdem, wenn ein polarisierter Kondensator zwi- fühler 41 ähnelt dem Temperaturfühler 28 insofern, als sehen seinen Ausgang und seinen invertierenden bzw. auch er einen negativen Temperaturkoeffizienten auf-(—)-Eingang gelegt wird, einen Integrator, bei dem die weist Sein Widerstand ist somit umgekehrt proportio-Ausgangsspannung immer, bezogen auf die Spannun- 50 nal zur Kältemittel-Auslaßtemperatur des Verdampfers, gen an den Eingängen, positiv ist Alle Signalspannun- Wenn z.B. die Temperatur des Kältemittels sinkt gen im Regelsystem sind also positiv gegenüber Erde. wächst der Widerstand des Temperaturfühlers 41 und

Da die Spannung am Verbindungspunkt des Tempe- die Spannung am Verbindungspunkt von Widerstand 42 raturfühlers 28 und des Widerstandes 29 umgekehrt mit und Temperaturfühler 41 steigt an. Das an diesem Verdem Istwert der Raumtemperatur variiert variiert das 55 bindungspunkt erzeugte Spannungssignal stellt somit dem (+ )-Eingang des Verstärkers 32 zugeführte Strom- die Verdampferauslaß-Isttemperatur dar; die Amplitusignal ebenfalls als inverse Funktion der Raumtempera- de dieses Spannungssignals variiert umgekehrt mit der tür,- es stellt somit den Raumtemperatur-Isiwert dar. Temperatur. Aufgrund des Reihenwiderstandes 43 wird Der Raumtemperatur-Sollwert kann, gewöhnlich vom das Spannungssignal in ein Stromsignal umgewandelt Fahrzeugführer, einfach dadurch eingestellt werden, 60 und in den (—)-Eingang des Verstärkers 39 eingespeist, daß ein Einstellgerät in Form eines Potentiometers 34 Der Strom, der durch den Widerstand 43 fließt wird

betätigt wird. Dieses ist selbstverständlich vorzugsweise am Armaturenbrett angebracht. Die Kombination aus Temperaturfühler 28 und Potentiometer 34 bildet somit im Effekt einen Thermostat. Ein Stromsignal wird auf diese Weise über den Reihenwiderstand 35 an den invertierenden (—)-Eingang des Verstärkers .32 gelegt Die Amplitude des Eingangsstromes (des Raiumtempe-

daher als Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal bezeichnet werden. Da zwei Signale in den (—)-Eingang des Verstärkers 39 geleitet werden. Findet an diesem Eingang eine Addition dieser Signale statt Ob der Fahrzeugraum kühler als gewünscht oder die Verdampfer-Auslaßtemperatur niedriger als der Kontrollpunkt wird, der Effekt auf den Verstärker 39 ist der gleiche.

Der Spannungsteiler, der die Widerstände 44,45 umfaßt, liefert am Verbindungspunkt dieser Widerstände eine Referenzspannung, die durch den Reihenwiderstand 46 in einen Eingangsstrom für den ( + )-Eingang des Verstärkers 39 umgewandelt wird. Das Stromsignal dient als Referenzsignal, dessen Amplitude die Sollmindcsttemperatur des Kältemittels am Verdampferauslaß darstellt. Im dargestellten Fall ist die Größe des Referenzsignales derart, daß bei Normalbetrieb die Kältemitteltemperatur am Verdampferauslaß nicht unter die Sollmindesttemperatur abfallen kann, welche durch die gestrichelte Linie 26 in F i g. 2 bezeichnet ist.

Der Verstärker 39 arbeitet primär als Differenzverstärker; seine Ansprechcharakteristik wird dabei durch einen Rückkopplungswiderstand 47 bestimmt. Außer wenn die Regeleinrichtung im Kontrollpunkt arbeitet, der durch die gestrichelte Linie 26 angegeben ist, bewegt sich die Ausgangsspannung des Verstärkers, die immer eine positive Spannung zwischen 0 und 10 V ist und Fehlerspannungssignal genannt werden kann, oberhalb (in positiver Richtung) und unterhalb (in negativer Richtung) eines Referenzniveaus, welches von der Referenz zwischen den beiden Eingangsströmen abhängt. Das Fehlerspannungssignal variiert also als Funktion der Differenz zwischen der Kontrollpunkt-Solltemperatur, der Verdampferauslaß-Isttemperatur und der Verdampferauslaß-Sollmindesttemperatur. Das Referenzniveau des Fehlersignals am Ausgang des Verstärkers 39 variiert, wenn sich die Kontrollpunkttemperatur verändert. Jedes Mal, wenn ein neuer Kontrollpunkt auf der Abszisse in Fig.2 gewählt wird, stabilisiert sich somit das Fehlersignal um ein neues Referenzniveau.

Wenn die Regeleinrichtung am Kontrollpunkt, der durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet ist, arbeitet, sind die Eingangssignale am Verstärker 39 so, daß die Referenzspannung ihre maximale Amplitude hat und das Fehlersignal auf diese Amplitude beschränkt ist. Wenn zu anderen Zeiten die Regeleinrichtung an einem Kontrollpunkt rechts der gestrichelten Linie 26 arbeitet, kann sich das Fehlersignal oberhalb und unterhalb des Referenzniveaus bewegen.

Unter stationären Bedingungen sind die Eingangsströme, die dem Verstärker 39 zugeführt werden, konstant Sie stehen in einer festen Beziehung und halten das Fehlersignal auf dem erforderlichen Referenzniveau. Wenn dann der Strom, der in den (—)-Eingang des Verstärkers 39 eintritt anwächst, sinkt das Fehlersignal unter den Referenzwert ab. Wenn andererseits der Eingangsstrom am (—)-Eingang sinkt, wächst die Ausgangsspannung des Verstärkers 39 über das Referenzniveau an.

Zwei in Serie geschaltete Widerstände 48,49 wandeln das Fehlerspannungssignal in ein Fehlerstromsignal um, welches dem invertierenden (—)-Eingang des Verstärkers 51 zugeführt wird. Dieser dient aufgrund des polarisierten Kondensators 52 als Integrator. Über die Widerstände 53,54,55,56 wird Strom in den (+)-Eingang gespeist, der die Vorspannung des Verstärkers 51 einstellt Das Ausgangssignal des Verstärkers 51 bewegt sich zwischen im wesentlichen Nullpotential und V+ (+10 V im dargestellten Beispiel), je nach der Amplitude des Fehlersignals, welches dem (—)-Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Da der Verstärker 51 ein Integrator ist, ändert sich das Ausgangssignal des Verstärkers nicht abrupt sondern wächst allmählich an bzw. fällt allmählich ab, wenn eine Veränderung in der Größe des Fehlersignals auftritt

Ein impulsbreitenmoduliertes Signal wird erzeugt dessen Wellenform vom Ausgangssignal des Verstärkers 51 abhängt. Dieses Signal ist rechteckig und enthält periodisch auftretende, ins Positive gehende Impulskomponenten mit zwischenliegenden, ins Negative gehenden Impulskomponenten. Die Frequenz ist konstant: die relativen Breiten der ins Positive gehenden und ins Negative gehenden Impulskomponenten variiert jedoch je nach dem Ausgangssignal des Verstärkers 51. Wenn die Breite bzw. Dauer der positiven Impulskomponente anwächst, verringert sich die negative Impulskomponente entsprechend und umgekehrt. Mit anderen Worten: Da die Periode bzw. Zeitdauer eines kompletten Zyklus konstant ist, muß sich die Breite der negativen Impulskomponente im einen Sinn verändern, wenn sich die Dauer der unmittelbar vorhergehenden positiven Impulskomponente im anderen Sinn verändert. Das impulsbreitenmodulierte Signal besitzt eine charakteristische Einschaltdauer, die gleich dem Verhältnis aus der Breite des ins Positive gehenden Impulses zu der Dauer eines kompletten Zyklus ist. Wie noch deutlich wird, ist die Einschaltdauer des impulsbreitenmodulierten Signales dieselbe wie die Betriebseinschaltdauer der Solenoidwicklung 24.

Das impulsbreitenmodulierte Signal wird am Ausgang des Verstärkers 57 entwickelt. Dieser arbeitet als Komparator. Die Verstärker 58,59 und die zugehörigen Schaltelemente bilden einen bekannten Dreieckwellengenerator bzw. -oszillator, der ein dreieckförmiges Stromsignal über den Reihenwiderstand 61 an den (—)-Eingang des Verstärkers 57 legt. Vorzugsweise liegt die Frequenz dieses Signals bei 4 Hz. Außerdem wird das Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers 51 über den Widerstand 62 als Stromsignal an dem (—)-Eingang gelegt. An diesem (—)-Eingang findet eine Summation der beiden Stromsignale statt Mit anderen Worten: Die Dreieckswelle wird im wesentlichen dem Ausgangssignal des Verstärkers 51 überlagert. Ein festes Referenzsignal wird am ( + )-Eingang des Verstärkers 57 eingestellt. Der Nettostrom, der in den (—)-Eingang fließt, variiert abwechselnd (mit der Frequenz der Dreieckswelle) oberhalb und unterhalb des Wertes des Referenzstromes, der in den (+ )-Eingang eintritt. Jedes Mal, wenn der Eingangsstrom am (—)-Eingang unter dem Eingangsstrom am (+ )-Eingang abfällt schaltet die Ausgangsspannung des Verstärkers 57 abrupt von Erdbzw. Nullpotential auf V+ bzw. +10 V. Dort bleibt sie, bis der Strom am (—)-Eingang größer wird als der Referenzstrom am ( + )-Eingang. In diesem Augenblick schaltet die Ausgangsspannung von ihrem hohen Wert zurück auf den niedriger. Wert bzw. 0. Je ^rößer der Strom ist, der aus dem Ausgang des Verstärkers 51 fließt umso größer sind die Zeitintervalle, während derer der Ausgang des Verstärkers 57 auf Nullpotential liegt, und desto kleiner sind die Zeitintervalle, in denen der Ausgang sich auf hohem Potential befindet Auf diese Weise liefert der Ausgang des Verstärkers 57 ein impulsbreitenmoduliertes rechteckigförmiges Signal mit einer Spitzenamplitude von 10 V. Die relativen Breiten der sich abwechselnden, ins Positive und ins Negative gehenden Impulse werden dabei unter der Kontrolle des Verstärkers 51 moduliert Die Einschaltdauer des impulsbreitenmodulierten Signales ist gleich dem Verhältnis des Zeitintervalls einer positiven Impulskomponente zu einem kompletten Zyklus, d. h. der gesamten

Zeitdauer einer positiven Impulskomponente und einer negativen Impulskomponente.

Das impulsbreitenmodulierte Signal dient als Steuersignal für die Solenoidtreiberschahung, welche die

Transistoren 64, 65 und deren zugehörige Schaltelemente umfaßt und welche dieses Signal im wesentlichen an die Solenoidwicklung 24 legt. Vorzugsweise werden die +12 V am linken Anschluß der Wicklung 24 vom Spannungsregler des Fahrzeugs abgeleitet. Wenn der Ausgang des Verstärkers 57 bei jedem ins Positive gehenden Impuls sich auf seinen hohen Wert einstellt, leiten die Transistoren 64,65, und der rechte Anschluß der Wicklung 24 wird im wesentlichen geerdet. Dabei wird eine Gleichspannung von im wesentlichen vollen 12 V an die Wicklung gelegt. Wenn während der dazwischenliegenden, ins Negative gehenden Impulse der Ausgang des Verstärkers 57 sich auf dem niedrigen Wert (0) befindet, werden die Transistoren 64,65 nicht leitend, und die Wicklung 24 wird entregt. Da die Wicklung 24 nur durch die ins Positive gehenden Impulse erregt wird, folgt, daß die Einschaltdauer der Wicklung 24 dieselbe ist wie die Einschaltdauer des impulsbreitenmodulierten Signals und durch letztere bestimmt wird. Je größer die Einschaltdauer, umso geringer ist die Drosselung, die vom Regelventil 21 zwischen den Leitungen 22,23 bewirkt wird. Umso geringer ist weiter der Kurbelwellendruck und umso größer die Kompressorverdrängung. Da die Dauer der Intervalle, in denen sich das Ausgangssignal des Verstärkers 57 auf hohem Niveau befindet, umgekehrt proportional zum Ausgangssignal des Verstärkers 51 ist, variieren auch die Einschaltdauer und demzufolge die Kompressorverdrängung umgekehrt proportional mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 51.

Unternormalen Bedingungen verhindert der Eingangsstrom am ( + )■ Eingang des Verstärkers 39, daß Kältemittel am Verdampferauslaß unter die Sollmindesttemperatur absinkt, welche durch die gestrichelte Linie 26 in F i g. 2 angedeutet ist. Da der Kompressor einer Fahrzeug-Kältemittelanlage üblicherweise vom Fahrzeugmotor angetrieben bzw. gedreht wird, wächst im Hochdrehzahlbetrieb (z. B. beim Herabschalten, wenn ein rasches Anwachsen der Motordrehzahl stattfindet) der Kältemitteldurchsatz an. Die Temperatur am Verdampferauslaß kann dann unter die Sollmindesttemperatur abfallen. Um zu verhindern, daß die Temperatur so tief abfällt, daß flüssiges Kältemittel in den Einlaß des Kompressors gelangt, ist in der Regeleinrichtung ein Schutzkreis enthalten. Im einzelnen ist der nicht invertierende (+)-Eingang eines Verstärkers 57, der als Komparator arbeitet, über einen Reihenwiderstand 68 so geschaltet, daß er das Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal empfängt Die Widerstände 71,72,73 führen dem invertierenden (—)-Eingang ein Referenzstroüisigrial zu, welches einen absoluten Minimalwert darstellt, der für das Kältemittel am Verdampferauslaß zulässig ist. Diese Temperatur liegt selbstverständlich unterhalb der Sollmindesttemperatur; sie befindet sich daher links von der gestrichelten Linie 26 in F i g. 2, ist jedoch noch immer so hoch, daß das gesamte flüssige Kältemittel, welches durch den Verdampfer fließt verdampft

Unter normalen Bedingungen ist der Strom, welcher in den ( + )-Eingang des Verstärkers 67 eintritt geringer als der Referenzstrom, der in den (—)-Eingang fließt; der Ausgang des Verstärkers befindet sich im wesentlichen auf Null- bzw. Erdpotential. Wenn die Verdampferauslaßtemperatur auf den absoluten Minimalwert abfällt wird der Strom in den (-f-)-Eingang größer als derjenige, der in den (—)-Eingang gespeist wird; die Ausgangsspannung des Verstärkers 67 schaltet dann abrupt von 0 auf V+ bzw. +10 V. Diese Ausgangsspannung wird über die Widerstände 74,75 an die Basen der Transistoren 76 bzw. 77 gelegt. Die Widerstände 78,79, 81 wandeln die Ausgangsspannung in einen Eingangsstrom für den ( + )-Eingang des Verstärkers 51 um.

Wenn der Ausgang des Verstärkers 67 auf V+ liegt, werden die Transistoren 76, 77 leitend und erden dadurch den Verbindungspunkt der Widerstände 55, 56 und den Verbindungspunkt der Widerstände 48, 49. Gleichzeitig wird Strom dem (-l-)-Eingang des Verstärkers 51 mit einer solchen Amplitude zugeführt, die ausreicht, den Ausgang des Verstärkers nach oben (bzw. ins Positive) auf V+ zu integrieren, wo er sich weiterbewegt.
Zur Beschreibung des Funktionsweise der Regeleinrichtung sei folgendes angenommen: Wenn die Klimaanlage anfänglich angestellt wird, liege die Isttemperatur in dem zu klimatisierenden Fahrzeugraum wesentlich höher als die Solltemperatur, die durch die Thermostateneinstellung gewählt ist, d. h., durch die Einstellung des Potentiometers 34. In diesem Zeitpunkt ist der Strom, der in den (—)-Eingang des Verstärkers 32 eintritt, wesentlich größer als der Strom in den ( + )-Eingang. Dadurch bleibt der Ausgang des Verstärkers im wesentlichen auf der Spannung 0. Da die Kältemitteltemperatur am Verdampferausgang beim Starten verhältnismäßig warm ist, liegt die Spannung am Verbindungspunkt des Temperaturfühlers 41 und des Widerstands 42 verhältnismäßig niedrig. Somit sind sowohl das Temperaturkontrollpunktsignal (welches über den Widerstand 38 fließt) als auch das Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal (welches über den Widerstand 43 fließt) von geringer Amplitude, wesentlich kleiner als das Referenzsignal (das die Verdampferauslaß-Sollmindestemperatur darstellt), welches in den ( + )-Eingang des Verstärkers 39 eintritt. Im Ergebnis wird das Fehlerspannungssignal, das am Ausgang des Verstärkers 39 erzeugt wird, auf seinen Maximalwert eingestellt. Dadurch wird das Fehlerstromsignal, welches in den (—)-Eingang des Verstärkers 51 eintritt wesentlich größer als der Strom in den ( + )-Eingang. Zu dieser Zeit sind selbstverständlich die Transistoren 76, 77 nicht leitend, da die Ausgangsspannung des Verstärkers 67 Null ist. Der Ausgang des Verstärkers 51 bleibt somit auf Nullpotential; demzufolge zeigt das impulsbreitenmo-

dulierte Signal, welches am Ausgang des Verstärkers 57 entwickelt wird, seine maximale Einschaltdauer. Wiederum arbeitet der Kompressor 10 mit maximaler Verdrängung, was den Kältemitteldurchsatz maximal macht Der hohe Kältemitteldurchsatz läßt die Verdampferauslaßtemperatur absinken, bis diese das gewünschte Minimum erreicht das durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet ist Wenn dies passiert, stellt sich der Strom, der in den (—)-Eingang des Verstärkers 39 eintritt automatisch so ein, daß die Verdampferauslaßtemperatur auf dem gewünschten Minimum gehalten wird. Wenn die Verdampferauslaß-Isttemperatur niedriger als die Sollmindesttemperatur zu werden sucht, wächst der Eingangsstrom am (—)-Eingang an, wodurch das Fehlersignal abnimmt und die Einschaltdauer so reduziert wird, wie dies erforderlich ist damit die Verdampferauslaßtemperatur wieder auf den Sollmindestwert zurückkehrt

Die Regeleinrichtung arbeitet weiter am Kontrollpunkt der durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet ist.

Die Luft welche dem kontrollierten Raum zugeführt wird, wird so lange gekühlt bis dieser Raum auf die Solltemperatur abkühlt. Die Abkühlperiode wird manchmal »pull-down-Periode« genannt. Wenn schließ-

lieh die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist, sind die beiden Eingangsströme am Verstärker 32 gleich; in diesem Moment wird das Ausgangssignal 0. Wenn jedoch der kontrollierte Raum geringfügig kalter wird, überschreitet der Strom, der in den ( + )-Eingang des Verstärkers 32 eintritt, denjenigen, der in den (—)-Eingang eintritt; der Ausgang integriert nach oben, wodurch der Strom, der über den Widerstand 38 in den (—)-Eingang des Verstärkers fließt, anwächst. Das Fehlerspannungssignal am Ausgang des Verstärkers 39 verringert sich daher auf ein neues Referenzniveau, wodurch die Einschaltdauer kleiner wird und der Kältemitteldurchsatz so abfällt, daß der kontrollierte Raum nicht kalter als der Sollwert wird.

Nun ist ein stationärer Zustand erreicht; die Regeleinrichtung befindet sich im Gleichgewicht. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 hat sich von 0 auf einen konstanten positiven Wert nach oben integriert, auf dem sie so lange verbleibt, wie die Raumisttemperatur der Raumsolltemperatur entspricht Da der Kältemitteldurchsatz durch den Verdampfer nun geringer ist als derjenige, der während der »pull-down«-Zeit herrschte, wächst die Verdampfer-Auslaßtemperatur an; der Kontrollpunkt verschiebt sich nun entlang der Abszisse in F i g. 2 nach rechts. Zu Illustrationszwecken sei angenommen, daß die neue Kontrollpunkttemperatur diejenige ist, die durch die gestrichelte Linie 84 angedeutet wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 stellt somit im Effekt die Verdampferauslaß-Solltemperatur des Kältemittels dar, bezogen auf die Verdampferauslaß-Sollmindesttemperatur. Die Verdampferauslaß-Isttemperatur ist nämlich eine Funktion der Amplitude der Ausgangsspannung, die vom Verstärker 32 erzeugt wird. Demzufolge kann das Ausgangssignal des Verstärkers 32 als Temperaturkontrollpunktsignal bezeichnet werden.

Der neue Kontrollpunkt (gestrichelte Linie 84) paßt die Wärmelasterfordernisse an; die Regeleinrichtung stabilisiert sich um diesen Kontrollpunkt und hält den Raum automatisch auf der eingestellten Solltemperatur. Gleichzeitig bleiben Kompressorkapazität und Kältemittelfluß nur so hoch, wie dies notwendig ist, um der Wärmelast zu genügen. Somit wird Energie gespart; der Treibstoffverbrauch des Fahrzeugs, welcher der Speisung der Klimaanlage zuzurechnen ist, wird minimalisierL Solange die Wärmelast konstant ist und der Thermostat gleich eingestellt bleibt, ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 konstant; das Fehlersignal bleibt auf demselben Referenzwert Wenn etwas den stationären Zustand zerstören bzw. aus dem Gleichgewicht zu bringen sucht, stellt sich die Regeleinrichtung automatisch so ein, daß dieser Zustand aufrecht erhalten wird.

Wenn nun eine Steigerung der Wärmelast stattfindet (z. B. weil die Außentemperatur anwächst) und der Raum wärmer zu werden beginnt als gewünscht ist, beginnt die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 allmählich kleiner zu werden (d. h. sie integriert nach unten). Das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers 39 wächst auf einen neuen Referenzwert und erhöht dabei den Einschaltzyklus und demzufolge den Kältemitteldurchsatz. Dies verringert die Verdampferauslaß-Isttemperatur, wodurch der Raum auf die Solltemperatur zurückgeführt wird. Der Kontrollpunkt stellt sich nun links von der gestrichelten Linie 84 ein; die positive Ausgangsspannung des Verstärkers 32 bewegt sich auf einer neuen Amplitude und hält so die Verdampferauslaß-Isttemperatur am notwendigen Kontrollpunkt Selbstverständlich findet dieselbe Folge statt, wenn der Fahrzeugfahrer den Thermostat niedriger stellt.

Wenn andererseits eine Verringerung der Wärmelast stattfindet, oder der Fahrer den Thermostat höher stellt, integriert der Ausgang des Verstärkers 32 nach oben auf einen neuen Amplitudenwert; der Kältemittelfluß nimmt ab, wodurch die Vercampferauslaß-Isttemperatur ansteigt (der Kontrollpunkt bewegt sich nach rechts). Dies hat eine geringere Kühlung des Raumes zur Folge, wodurch der Raum auf der Solltemperatur gehalten wird.

Wenn im stationären Zustand die Thermostateinstellung nicht verändert wird und die Wärmelast konstant bleibt, das Temperaturkontrollpunktsignal, welches vom Verstärker 32 erzeugt wird, also konstant bleibt, wird die Verdampferauslaß-Isttemperatur am gewünschten Kontrollpunkt festgehalten. Dies wird bei der Regeleinrichtung dadurch erzielt, daß der Kältemittelfluß so reguliert wird, daß der Kontrollpunkt immer fest bleibt, wenn die vom Verstärker 32 empfangene Information konstant ist. Wenn z. B. die Verdampferauslaßtemperatur zu wachsen beginnt, verringert sich der Strom, welcher über den Widerstand 43 in den (—)-Eingang des Verstärkers 39 fließt; das Ausgangssignal dieses Verstärkers wächst an und erhöht den Kältemittelfluß. Dadurch wird die Verdampferauslaß-Isttemperatur am gewünschten Kontrollpunkt gehalten. Wenn die Verdampferauslaß-Isttemperatur zu niedrig zu werden beginnt, verringert sich in entsprechender Weise das Ausgangssignal des Verstärkers 39; der Kältemittelfluß wird so abgesenkt, daß die Verdampferauslaß-Isttemperatur auf dem gewünschten Kontrollpunkt verbleibt Wenn somit die Wärmelast, welcher vom Verdampfer genügt werden muß, im wesentlichen konstant ist, hält die Regeleinrichtung automatisch sowohl die Verdampfer-Auslaßtemperatur als auch die Raumtemperatur auf konstanten gewünschten Werten. Die Kompressorkapazität und der Kältemitteldurchsatz sind nur so hoch, wie dies zur Aufrechterhaltung dieser konstanten Temperaturen erforderlich ist. Da der Kompressor 10 üblicherweise vom Fahrzeugmotor gedreht wird, ist selbstverständlich die Drehzahl des Kompressors eine Funktion der Motordrehzahl; der Kältemitteldurchsatz sucht sich zu verändern, wenn die Motordrehzahl variiert Die Regeleinrichtung kompensiert jedoch automatisch jede Drehzahlveränderung. Wenn z. B. der Kältemittelfluß anzuwachsen beginnt, sinkt die Auslaßtemperatur des Verdampfers ab. Dadurch verringert sich das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers 39; als Ergeb-

nis wird die Kompressorverdrängung in dem Ausmaß reduziert, wie dies notwendig ist, um den Durchsatz auf einen Wert abzusenken, bei dem die Raumtemperatur auf dem Sollwert gehalten wird. Umgekehrt wird bei einer Verringerung der Motordrehzahl der Kompressor automatisch so geregelt, daß der Kältemittelfluß in einer Weise anwächst, in der die gewünschte Raumtemperatur aufrecht erhalten wird.

Wenn unter abnormalen Bedingungen ein plötzliches Anwachsen der Motordrehzahl stattfindet, wenn z. B.

der Motor heruntergeschaltet wird, verhindert der Schutzkreis, daß der Kältemittelfluß so weit anwächst, daß nasser Dampf in den Einlaß des Kompressors gelangt Wenn der Kompressor so rasch angetrieben wird, daß die Verdampferauslaßtemperatur auf den absoluten Minimalwert absinkt (links von der gestrichelten Linie 26), übersteigt der Eingangsstrom am (+ )-Eingang des Verstärkers 67 den Strom, der in den (—)-Eingang eintritt; im Ergebnis schaltet der Ausgang des Verstärkers

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67 abrupt von 0 auf V+ bzw. +10 V. Die Transistoren 67,77 leiten sofort und erden den Verbindungspunkt der Widerstände 55,56 und den Verbindungspunkt der Widerstände 48,49 (dabei wird das Fehlersignal übersteuert und unwirksam gemacht). Gleichzeitig wird Strom dem (H-)-Eingang des Verstärkers 51 zugeführt, wodurch dessen Ausgangssignal nach oben integriert und den Anschaltzyklus verringert Der Kältemitteldurchsatz wird auf diese Weise beträchtlich reduziert, so daß kein unverdampftes Kältemittel den Saugeinlaß erreicht. Wenn die Verdampferauslaßtemperatur über das absolute Minimum anwächst, kehrt der Verstärker 67 in seinen Normalzustand zurück (in dem sein Ausgang auf 0 liegt); es findet eine normale Funktion der Regeleinrichtung statt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

20

25 Φ

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Claims

Patentansprüche:

1. Kältemittelanlage mit einem Verdampfer, einem Kompressor mit veränderbarer Verdrängung, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einer Regeleinrichtung zur Regelung des Kältemitteldurchsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur in einem temperaturgesteuerten Raum, wobei die Regeleinrichtung aufweist: einen Temperaturfühler, der ein Raumtemperatur-Istwertsignal liefert, einen Sollwertgeber, der ein Raumtemperatur-SoHwertsignal liefert, eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von dem ist- und Sollwertsignal ein Temperaturkontrollpunktsignal liefert, einen Temperaturfühler, der ein Verdampferauslaßtemperctur-Istwertsignal liefert, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die in Abhängigkeit von diesen Signalen ein Fehlersignal liefert, von dem ein Steuersignal zur Regelung der Kompressorverdrängung abgeleitet wird, dadurchgekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (32, 37—39, 44—48) ein eine Verdampferauslaß-Sollmindesttemperatur darstellendes Referenzsignal erzeugt, wobei das Temperaturkontrollpunktsignal die auf das Referenzsignal bezogene Verdampferauslaß-Solltemperatur darstellt, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (32, 37—39, 44—48) das Fehlersignal in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der Kontrollpunkt-Solltemperatur und der Verdampferauslaß-Isttemperatur bildet, und daß das Expansionsventil (13) so ausgebildet ist, daß es den Verdampferdruck konstant hält.

2. Kältemittelanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Begrenzungseinrichtung (44—46), die ein Absinken der Verdampferauslaßtemperatur unter die vorgegebene Mindesttemperatur verhindert.

3. Kältemittelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung (44—46) das die Verdampferauslaß-Mindesttemperatur darstellende Referenzsignal erzeugt, das in der Zeit, in der die Raum-Isttemperatur wesentlich größer als die Raum-Solltemperatur ist, das Fehlersignal so begrenzt, daß die Verdrängung des Kompressors (10) auf einen der Verdampferauslaß-Mindesttemperatur entsprechenden Wert verringert.

4. Kältemittelanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Fehlersignals ein Differenzverstärker (39) vorgesehen ist, an dessen einen Eingang das Referenzsignal und an dessen anderen Eingang die Summe aus dem Temperaturkontrollpunktsignal und dem Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal angelegt wird.

5. Kältemittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Temperaturkontrollpunktsignals ein Integrator (32,37) vorgesehen ist, der das Raumtemperatur-Istwertsignal mit dem Raumtemperatur-Sollwertsignal vergleicht.

6. Kältemittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängung des Kompressors (10) und somit der Kältemitteldurchsatz in Übereinstimmung mit dem Unterschied zwischen dem Ist- und Sollwert der Verdampferauslaßtemperatur so gesteuert wird, daß im stationären Betriebsbereich die Verdampferauslaß-Isttemperatur selbsttätig auf der Kontrollpunkt-Solltemperatur gehalten wird.

7. Kältemittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schutzkreis (67—81), der ein Absinken der Verdampf era uslaß-lsttemperatur unter einen vorgegebenen absoluten Minimalwert durch Verringern der Verdrängung des Kompressors (10) verhindert

8. Kältemittelanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzkreis (67—81) bei

to Abfallen der Verdampferauslaß-Isttemperatur auf den absoluten Minimalwert das Fehlersignal übersteuert

9. Kältemittelanlage nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzkreis (67—81) einen Komparator (67) enthält, der ein den absoluten Minimalwert darstellenden zweites Referenzsignal mit dem Verdampferauslaßtemperatur-Istwertsignal vergleicht, um ein das Fehlersignal übersteuerndes Regelsignal zu erzeugen.

10. Kältemittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal an einen Integrator (51,52) gelegt wird, dessen Ausgangssignal einem Komparator (57) zugeführt wird, der außerdem ein Dreieckssignal empfängt wobei am Ausgang des Korcparators (57) ein impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt wird, dessen Einschaltdauer von dem Fehlersignal bestimmt wird.

11. Kältemittelanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsbreitenmodulierte Signal ein Regelventil (21) steuert das einen die Kompressorverdrängung bestimmenden Druck innerhalb des Kompressors (10) ändert