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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Klimaanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus Recknagel-Sprenger, Taschenbuch für Heizung, Lüftung, Klimatechnik 1970, Verlag Oldenburg München, Wien, Seiten 1205 und 1206 ist eine Klimaanlage der in Rede stehenden Art bekannt. Bei dieser Klimaanlage wird der Verdampfungsdruck in der Saugleitung des Verdampfers gemessen, wobei dieses Signal dazu verwendet wird, mit Hilfe eines Saugdruckreglers in der Saugleitung einen konstanten Verdampfungsdruck des Kältemittels einzustellen. Hierdurch wird erreicht, daß die aus dem Verdampfer strömende und in den Raum gelangende Luft im wesentlichen konstante Temperatur zeigt.
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Abgesehen davon, daß eine Saugdruckregelung kompliziert ist, wird bei dieser bekannten Klimaanlage der Verdampferdruck nicht in Abhängigkeit von unterschiedlichen Wärmebelastungen des Verdampfers geändert. Insbesondere bei niedrigen Saugdrücken muß der Kompressor das Kältemittel über relativ hohe Druckanstiege pumpen, was energiezehrend ist.
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Aus der US-PS 38 03 863 ist eine Klimaanlage bekannt, bei der die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslaß des Verdampfers variiert wird, um den Raum zu klimatisieren. Diese Temperaturdifferenz, auch als Wärmeüberschuß in dem Verdampfer zu bezeichnen, wird angehoben, wenn die Kapazität der Klimaanlage abgesenkt werden soll, und gesenkt, wenn diese angehoben werden soll. Hierzu ist ein automatisches Expansionsventil vorgesehen, mit dem der Siededruck im Verdampfer und die Temperatur an dessen Einlaß automatisch konstant gehalten werden. Auch die Regelung dieser Klimaanlage ist relativ aufwendig.
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Insbesondere Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, so Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Bussen, sind stark veränderlichen Betriebsbedingungen unterworfen. Besonders bei derartigen Klimaanlagen muß die Kapazität rasch diesen unterschiedlichen Betriebsbedingungen angepaßt werden können. Dieses sollte mit einem möglichst geringen Energieverbrauch gekoppelt sein. Die bekannten Klimaanlagen erfüllen jedoch diese Maßstäbe nicht.
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Aus der US-PS 38 61 829 der Anmelderin ist ein Kolben- -kompressor bekannt, bei dem der Druck im Kurbelgehäuse, das mit dem Saugeinlaß des Kolbenkompressors in Verbindung steht, den Hub einer Vielzahl von Kolben bestimmt, durch den das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressors festgelegt wird. Im Kurbelgehäuse entsteht durch das Vorbeiströmen von Gas hohen Drucks neben den Kolben ein Druck, wobei dieser Druck im Kurbelgehäuse und der Kolbenhub, d. h. das Kompressionsvolumen durch ein Steuerventil in der Entlüftungsleitung gesteuert werden können. Je größer der Druck im Kurbelgehäuse durch entsprechendes Einstellen des Steuerventiles eingestellt wird, um so niedriger ist der Kolbenhub und damit das Kompressionsvolumen. Das Kompressionsvolumen ist somit eine umgekehrte Funktion des Druckes im Kurbelgehäuse. Gemäß diesem Patent soll der Druck im Kurbelgehäuse vorzugsweise zwischen 5% und 10% des Unterschiedes zwischen Saugdruck und Verdichtungsdruck betragen. Ein derartiger Kolbenkompressor mit veränderlichem Kompressionsvolumen kann auch in einer Klimaanlage verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für Klimaanlagen der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der eine einfache Regelung auch bei stark veränderlichen Betriebsbedingungen möglich ist, um so gleichzeitig den Energieverbrauch der Klimaanlage zu minimieren.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demgemäß wird die Kapazität der Klimaanlage dadurch verändert, daß der Siededruck im Verdampfer angehoben bzw. abgesenkt wird, je nachdem ob die Kapazität abgesenkt bzw. angehoben werden soll. Dieser Siededruck wird indirekt durch den Thermistor am Verdampfereinlaß gemessen. An dieser Stelle liegt das Kältemittel innerhalb der Verdampferrohre in zwei Phasen vor. Auf diese Weise herrscht eine definierte Beziehung zwischen dem Kältemitteldruck und der Kältemitteltemperatur.
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Die Regelung ist sehr einfach aufgebaut und vermeidet auch, daß der Kolbenkompressor das Kältemittel über relativ hohe Druckdifferenzen pumpen muß, so daß auch der Energieverbrauch minimiert ist.
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Als Kompressor wird hierbei ein Kolbenkompressor der oben genannten Art verwendet, dessen Kompressionsvolumen durch ein pulsdauermoduliert geschaltetes Steuerventil verändert wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch eine Regeleinrichtung und deren Anordnung in einer Klimaanlage, die insbesondere für ein Kraftfahrzeug geeignet ist;
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Figr 2 eine Kennlinie einer Klimaanlage zum Verständnis des Betriebes der Regeleinrichtung.
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Eine Klimananlage weist einen steuerbaren Kolbenkompressor 10, einen Kondensator 12, ein Expansionsventil 13 und einen Verdampfer 15 auf, die zu einem geschlossenen Dampf-Kühlkreislauf hintereinander geschaltet sind. Das gasförmige Kältemittel wird im Kolbenkompressor 10 komprimiert und dem Kondensator 12 zugeführt, in dem es kondensiert, wonach es dem Expansionsventil 13 zugeleitet wird. Das Kältemittel expandiert beim Strömen durch das Expansionsventil 13 und tritt als zweiphasige Mischung von Flüssigkeit und Gas, jedoch im wesentlichen als Flüssigkeit aus. Wenn die Mischung danach durch den Verdampfer 15 strömt, der im Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft steht, wird die Wärme aus der Umgebungsluft an das Kältemittel abgegeben, wodurch das gesamte Kältemittel verdampft. Das jetzt gasförmige Kältemittel wird dann vom Verdampferauslaß dem Saugeinlaß des Kolbenkompressors zugeführt.
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Am Auslaß des Verdampfers ist eine Küvette 16 angeordnet, die mit dem Expansionsventil 13 über eine Kapillarröhre 17 in Verbindung steht. Hierdurch wird in herkömmlicher Weise die Öffnung des Expansionsventiles 13 so gesteuert, daß das Kältemittel, bevor es den Auslaß des Verdampfers erreicht, vollständig verdampft ist.
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Als Kompressor wird ein Kolbenkompressor 10 gemäß der oben erwähnten US-PS 38 61 829 der Anmelderin verwendet. Dessen Kolbenhub bzw. Kompressionsvolumen wird durch ein von einem Solenoid 24 betätigtes Steuerventil 21 eingestellt, dessen Einlaß über eine Leitung 22 mit dem Kurbelgehäuse des Kolbenkompressors 10 verbunden ist. Der Auslaß des Steuerventiles ist über eine Leitung 23 mit dem Saugeinlaß des Kolbenkompressors verbunden. Das Steuerventil 21 wird über eine weiter unten beschriebene Steuerschaltung 28 bis 69 betätigt.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise der Steuerschaltung sei zunächst die Kennlinie der Fig. 2 betrachtet, in der die Kapazität des Verdampfers als Funktion des Siededruckes des Kältemittels im Verdampfer aufgetragen ist. Diese Kennlinie 25 zeigt, daß bei Zu- bzw. Abnahme des Siededruckes im Verdamfer dessen Kapazität verringert bzw. erhöht wird. Die Siedetemperatur des Kältemittels im Verdampfer, die dem Siededruck direkt proportional ist, ist die kälteste Temperatur des Systems. Die Kühlwirkung auf die den Verdampfer passierende Luft ist eine Funktion dieser Siedetemperatur. Je niedriger diese Siedetemperatur und damit der Siededruck ist, umso größer ist der Kühleffekt auf die Luft.
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Der Siededruck im Verdampfer ist abhängig von der Durchflußrate des Kältemittels. Je größer dieser Durchfluß ist, umso geringer ist der Siededruck. Um den Kühleffekt des Verdampfers zu maximieren, muß also die Durchflußrate des Kältemittels ebenfalls maximiert werden. Es besteht jedoch ein gegebener Minimalwert für den Siededruck im Verdampfer. Die Durchflußrate des Kältemittels muß so eingestellt werden, daß der Siededruck nicht unter diesen Minimalwert absinkt, da sonst der Verdampfer derart abgekühlt werden würde, daß ein Gefrieren auftreten könnte. Andererseits muß ein Maximalwert als obere zulässige Grenze für den Siededruck im Verdampfer eingehalten werden, damit die gekühlte Luft ausreichend entfeuchtet wird, auch wenn die Wärmebelastung des Systems relativ klein ist. Die gestrichelt gezeichnete Linie 26 in Fig. 2 bezeichnet für das dargestellte Ausführungsbeispiel den gegebenen Minimalwert für den Siededruck. Der Schnittpunkt dieser Linie mit der Kennlinie 25 stellt somit den Maximalwert für die Kapazität des Verdampfers dar, bei dem die Klimaanlage noch arbeitet. Wird die Durchflußrate des Kältemittels so eingestellt, daß der Siededruck im Verdampfer diesen Minimalwert einnimmt, erhält man einen maximalen Kühleffekt unter Vermeidung des Einfrierens des Verdampfers.
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Die gestrichtelt gezeichnete Linie 27 stellt den Maximalwert des Siededruckes dar, bei dem eine minimale Kühlung auftritt, der jedoch ausreicht, um die Luft ausreichend zu entfeuchten.
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Mit der Steuerschaltung wird die Klimaanlage so betrieben, daß sich das System zwischen dem erwähnten Minimal- und Maximalwert auf der Kennlinie 25 befindet. Im Folgenden wird die Regeleinrichtung mit der Steuerschaltung näher beschrieben.
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Ein Thermistor 28 liefert ein Raumtemperatursignal, daß der IST-Temperatur in dem zu klimatisierenden Raum entspricht. Dieser Raum ist z. B. ein Fahrgastraum innerhalb eines Personenkraftwagens. Der Thermistor kann dann beispielsweise in der Nähe des Armaturenbrettes angeordnet sein. Ein Anschluß des Thermistors 28 ist mit Masse als Bezugspotential verbunden, während der andere Anschluß über einen Widerstand 29 mit einer positiven Gleichspannungsquelle V+ verbunden ist, die z. B. eine Spannung von + 10 V hat. Die Masse liegt auf der Spannung Null. Der Thermistor 28 weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.
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Die Verbindungsstelle des Thermistors 28 und des Widerstandes 29 ist über einen Widerstand 31 mit dem (+)-Eingang eines Operationsverstärkers 32 verbunden. Dieser Verstärker ist ein Stromverstärker, etwa vom Typ 3401 der Firma Norton. Auch die übrigen, noch zu behandelnden Operationsverstärker 39, 51, 57, 58, 59, 67 und 82 können solche Stromverstärker gleichen Typs sein, die jeweils zur Spannungsversorgung mit der Gleichspannungsquelle V+ verbunden sind.
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Da sich die Spannung an der Verbindung des Thermistors 28 mit dem Widerstand 29 umgekehrt zur tatsächlichen Raumtemperatur ändert, ändert sich auch das dem (+)-Eingang des Operationsverstärkers 32 zugeführte Stromsignal entsprechend. Dieses Stromsignal stellt ein Raumtemperatursignal dar. Die gewünschte Raumtemperatur kann durch einfaches Verdrehen eines Potentiometers 34 eingestellt werden, dessen Abgriff über einen Widerstand 35 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 verbunden ist. Durch das Potentiometer 34 wird demnach die SOLL-Raumtemperatur eingestellt, das dem Verstärker zugeführte Signal ist dann ein Raumtemperatureinstellsignal. Der Ausgang des Operationsverstärkes 32 ist über einen gepolten Kondensator 37 mit dem invertierenden Eingang verbunden. Demnach vergleicht der Operationsverstärker 32 das Raumtemperatursignal mit dem Temperatureinstellsignal und erzeugt am Ausgang ein Differenzsignal, daß über einen Widerstand 38 als Stromsignal an den invertierenden Eingang eines weiteren Verstärkers 39 geleitet wird.
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Ein weiterer Thermistor 41 ist als Signalgeber für ein Verdampferdrucksignal am Einlaß des Verdampfers 15 bzw. in dessen Nähe angeordnet. Mit diesem Thermistor 41 wird die Temperatur des Kältemittels vor dessen Eintritt in den Verdampfer gemessen, so daß das Kältemittel hier noch als zweiphasiges Fluid vorliegt. Durch den Thermistor wird durch die Temperaturmessung auch der Druck im Verdampfer gemessen, d. h. der Druck des Kältemittels beim Durchfließen des Verdampfers. Der Thermistor 41 weist wie der Thermistor 28 eine negativen Temperaturkoeffizienten auf, so daß der Widerstand des Thermistors zunimmt, wenn die Temperatur abnimmt. Der eine Anschluß des Thermistors 21 ist mit Masse verbunden, der andere Anschluß über einen Widerstand 42 mit der Gleichspannungsquelle V+. Zwischen Thermistor 41 und dem Widerstand 42 zweigt eine Leitung ab, die über einen Reihenwiderstand 43 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 39 verbunden ist. Das durch den Reihenwiderstand 43 fließende Stromsignal ist demnach das Verdampferdrucksignal, das mit dem Stromsignal des Widerstandes 38 summiert wird.
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Ein Abgriffspunkt eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen 44 und 45 ist über einen Reihenwiderstand 46 mit dem (+)-Eingang des Verstärkers 39 verbunden. Dieses hier anliegende Stromsignal dient als Referenzsignal, dessen Wert dem Minimalwert des Siededruckes entsprechend der Linie 26 in Fig. 2 für das durch den Verdampfer 15 strömende Kältemittel entspricht.
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Bei einer normalen Betriebsweise der Klimaanlage kann daher der Siededruck des Verdampfers 15 nicht unter den erwähnten Minimalwert fallen.
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Der Verstärker 39 arbeitet wiederum als Differentialverstärker, dessen Ansprechcharakteristik über einen Rückkopplungswiderstand 47 zwischen seinem Ausgang und dem invertierenden Eingang bestimmt wird. Solange das System sich nicht auf dem Punkt der Kennlinie 25 beim Minimalwert des Siededruckes befindet, ist das Ausgangssignal des Verstärkers 39 ein Fehlersignal, das sich entsprechend der Stromsingale auf der Eingangsseite als Funktion des Unterschiedes zwischen dem gewünschten anzusteuernden Siededruck, dem tatsächlichen Siededruck im Verdampfer und dem eingestellten Minimalwert des Druckes im Verdampfer ändert. Die Änderung erfolgt gegenüber einer Referenzgröße, die durch den Unterschied der Eingangsströme am Eingang des Verstärkers festgelegt wird. Die Referenzgröße für das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers ändert sich somit auch mit der Anderung des angesteuerten Siededrucks im Verdampfer, so daß jedesmal, wenn ein neuer Steuerpunkt entsprechend der Kennlinie 25 in Fig. 2 gewählt wird, das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers 39 sich auf eine neue Referenzgröße stabilisiert.
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Arbeitet die Regeleinrichtung an dem Punkt der Kennlinie entsprechend dem erwähnten Minimalwert des Siededruckes, so nimmt die Referenzgröße entsprechend der eingangsseitigen Stromsignale am Verstärker den maximalen Wert an und das Fehlersignal ist auf diesen Maximalwert begrenzt. Arbeitet der Regelkreis an Steuerpunkten auf der Kennlinie, die in Fig. 2 rechts von dem erwähnten Minimalwert liegen, so kann das Fehlersignal nach oben und nach unten von der Referenzgröße abweichen.
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Unter stationären Bedingungen sind die dem Verstärker 39 zugeführten Eingangsströme konstant, so daß das Fehlersignal auf der vorgegebenen Referenzgröße gehalten wird. Nimmt der dem invertierenden Eingang des Verstärkers 39 zugeführte Strom zu, so sinkt das Fehlersignal unter diese Referenzgröße, steigt der Strom am invertierenden Eingang, so steigt entsprechend das Fehlersignal des Verstärkers 39 über diese Referenzgröße.
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Zwei mit dem Ausgang des Verstärkers 39 in Reihe geschaltete Widerstände 48 und 49 wandeln das Fehlersignal in ein Stromsignal um, das dem invertierenden Eingang eines weiteren Verstärkers 51 zugeführt wird. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über einen gepolten Kondensator 52 mit dem invertierenden Eingang verbunden, so daß dieser Verstärker als Integrator arbeitet. Dem (+)-Eingang des Verstärkers 51 wird ein Stromsignal zugeführt, das mit Hilfe eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen 53 und 54 und zwei in Serie mit dem Abgriff des Spannungsteilers verbundenen Widerständen 55 und 56 erzeugt wird. Der Ausgang des Verstärkers 51 kann demnach zwischen der Spannung Null und der Versorgungsspannung der Gleichspannungsquelle V+ schwanken. Da der Verstärker 51 als Integrator arbeitet, ändert sich das Ausgangssignal nicht plötzlich, sondern nimmt allmählich zu oder ab.
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Im Folgenden wird ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal erzeugt, dessen Pulsbreite vom Ausgangssignal des Verstärkers 51 abhängt. Die Frequenz dieses Steuersignales ist konstant, jedoch ändert sich das Tastverhältnis. Am Ausgang des Verstärkers 57 liegt ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal mit einer Scheitel-zu-Scheitel-Spannung von 10 V an, wobei die relativen Breiten der abwechselnd positiven und negativen Rechteckimpulse durch den Verstärker 51 moduliert werden.
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Die Pulsbreitenmodulation in Abhängigkeit des Ausgangssignales des Verstärkers 51 wird mit Hilfe eines Oszillators erzeugt, der aus zwei Verstärkern 58 und 59 mit zugehörigen Schaltungsteilen besteht. Dieser Oszillator liefert ein dreieckiges Stromsignal, das über einen Reihenwiderstand 61 dem (-)-Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Die Frequenz des Oszillatorsignales beträgt ungefähr vier Hz.
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Das Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers 51 wird zusätzlich über einen Widerstand 62 als Stromsignal an den (-)-Eingang des Verstärkers 57 gelegt, so daß das Dreieckssignal des Oszillators dem Stromsignal vom Verstärker 51 überlagert wird.
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Dem (+)-Eingang des Verstärkers 57 wird ein Referenzstrom zugeführt, der aus der Gleichspannung V+ über einen Reihenwiderstand abgeleitet wird.
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Der am (-)-Eingang des Verstärkers 57 anliegende Strom schwankt demnach abwechselnd mit der Frequenz des Dreiecksignales nach oben und unten in bezug auf den Wert des Referenzstromes. Jedesmal, wenn der Eingangsstrom am (-)-Eingang unter diesen Referenzstrom absinkt, ändert sich die Ausgangsspannung am Verstärker 57 von null V auf die Versorgungsspannung V+, d. h. in diesem Falle auf +10 V. Auf diesem Wert bleibt die Augangsspannung so lange, bis das Stromsignal am (-)-Eingang des Verstärkers größer als der Referenzstrom wird. Die Ausgangsspannung am Verstärker fällt jetzt auf Null zurück. Je größer der Ausgangsstrom des Verstärkers 51 ist, desto größer sind die Zeiträume, während derer am Ausgang des Verstärkers 57 die Spannung Null anliegt und umso kleiner sind entsprechend die Zeiträume, während derer das Ausgangssignal auf dem hohen Potential gehalten wird.
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Mit dem Ausgang des Verstärkers 57 ist ein an Masse gelegter Spannungsteiler verbunden, an dessen Abgriff die Basis eines Transistors 64 liegt. Der Transistor 64 ist mit einem weiteren Transistor 65 verbunden, so daß sich eine Darlington-Schaltung ergibt. Der Ausgang der Darlington-Schaltung ist mit dem Solenoid 24 zur Ansteuerung des Steuerventiles 21 verbunden, wobei zu den beiden Anschlüssen des Solenoids 24 eine Diode parallel geschaltet ist. An den anderen Anschluß des Solenoids ist eine Versorgungsspannung angelegt, hier von +12 V, die z. B. einer Batterie des Kraftfahrzeuges entnommen wird.
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Ist das pulbsbreitenmodulierte Signal am Ausgang des Verstärkers 57 auf positivem Niveau, so leiten die Transistoren 64 und 65, so daß der erste Anschluß des Solenoides dadurch mit Masse verbunden wird. Zwischen den beiden Anschlüssen des Solenoids liegt dann die Gleichspannung von in diesem Falle + 12 V: das Solenoid 24 ist damit erregt. Fällt die Spannung des pulsbreitenmodulierten Signales am Ausgang des Verstärkers 57 ab, so sperren die Tansistoren 64 und 65: das Solenoid wird nicht erregt. Die Erregung und Entregung des Solenoids erfolgen daher mit dem Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signales. Je länger die Erregungsphase des Solenoids 24 ist, desto geringer ist der Strömungswiderstand des Steuerventils 21 zwischen den Leitungen 22 und 23, so daß der Druck im Kurbelgehäuse des Kolbenkompressors 10 entsprechend gering und das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressors entsprechend hoch ist. Ist die Dauer der Erregungsphase geringer als die Entregungsphase des Solenoids 24, so steigt der durch die entsprechenden Schaltungen des Steuerventiles 21 bestimmte Widerstand in den Leitungen 22 und 23 an, so daß der Druck im Kurbelgehäuse des Kolbenkompressors entsprechend erhöht und das Kompressionsvolumen entsprechend verringert wird.
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Unter normalen Bedingungen der beschriebenen Klimaanlage wird durch das Stromsignal am (+)-Eingang des Verstärkers 38 verhindert, daß der Siededruck des Verdampfers 15 unter den erwähnten Minimalwert auf der Kennlinie 25 abfällt. Ist die Klimaanlage z. B. in einem Kraftfahrzeug eingebaut, so kann bei hohen Drehzahlen, z. B. beim Herunterschalten des Motors, die Durchflußmenge des Kältemittels durch den Verdampfer so erhöht werden, daß der Druck innerhalb des Verdampfers unter den Minimalwert absinkt. Um die Gefahr des dabei möglichen Einfrierens im Verdampfer zu verhindern oder zu verhindern, daß noch flüssiges Kältemittel in den Saugeinlaß des Kolbenkompressors gelangt, ist in der Regeleinrichtung eine Schutzschaltung vorgesehen.
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Diese Schutzschaltung weist einen als Komparator wirkenden Verstärker 67 auf, dessen (+)-Eingang das Ausgangssignal des Thermistors 41 über einen Widerstand 68 zugeführt wird. Dem invertierenden Eingang des Verstärkers 67 wird ein Stromsignal zugeführt, das mit Hilfe eines zwischen Masse und der Gleichspannung V+ liegenden Spannungsteilers und eines mit dessen Abgriffpunkt verbundenen Widerstand 73 erzeugt wird. Dieses Stromsignal stellt ein Referenz- Stromsignal dar, welches einen untersten Wert für den zulässigen Siededruck im Verdampfer festlegt. Dieser unterste Wert liegt noch unterhalb des erwähnten Minimalwertes und damit links von der gestrichelten Linie 26 in Fig. 2. Dieser unterste Wert ist so eingestellt, daß mit Hilfe des Expansionsventiles 13 das Kältemittel bei der Expansion gerade noch ständig überhitzt ist, so daß das gesamte Kältemittel, das durch den Verdampfer strömt, dampfförmig bleibt.
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Unter normalen Bedingungen ist der dem (+)-Eingang des Verstärkers 67 zugeführte Strom demgemäß geringer als der Referenzstrom, so daß der Ausgang des Verstärkers 67, der nur positive Signale hindurch läßt, Null ist. Sinkt jedoch der Siededruck im Verdampfer durch etwa die oben erwähnten Umstände auf den oder unter den untersten Wert, so wird der dem (+)-Eingang zugeführte Eingang größer als der Referenzstrom, und die Ausgangsspannung des Verstärkers 67 ändert sich von Null auf die Versorgungsspannung V+, d. h. in diesem Falle auf + 10 V. Diese Ausgangsspannung wird über Widerstände 74 und 75 den Basiselektroden zweier Transistoren 76 bzw. 77 zugeführt. Mit dem Ausgang des Verstärkers 67 ist noch ein an Masse anliegender Spannungsteiler aus zwei Widerständen 78 und 79 verbunden, dessen Abgriffspunkt über einen weiteren Widerstand 81 mit dem (+)-Eingang des Verstärkers 51 verbunden ist. Auf diese Weise wird an diesen Eingang ein zusätzliches Stromsignal gelegt.
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Die Kollektoren der Transistoren 76 und 77 sind mit Verbindungspunkten zwischen den Widerständen 48 und 49 bzw. 55 und 56 verbunden, deren Emitter liegen jeweils an Masse.
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Tritt der erwähnte Fall ein, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers positiv entsprechend V+ wird, so leiten die Transistoren 76 und 77, wodurch die Verbindungspunkte zwischen den Winderständen 55 und 56 und den Widerständen 48 und 49 auf Masse geschaltet werden. Zur selben Zeit wird dem (+)-Eingang des Verstärkers 51 über den Widerstand 81 ein Strom zugeführt, der ausreichend groß ist, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 51 in diesem Falle bis auf den Wert der Versorgungsspannug V+ ansteigt. Entsprechend ändert sich das Tastverhältnis für das Solenoid 24 so, daß das Steuerventil 21 mehr und mehr geschlossen wird, wodurch dann auch das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressors und mittelbar auch die Durchflußmenge des Kältmittels durch den Verdampfer 15 verringert wird. Der Arbeitspunkt der Klimaanlage bewegt sich somit auf der Kennlinie 25 gemäß Fig. 2 nach rechts wieder in den normalen Arbeitsbereich.
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Weist die Klimaanlage nur eine relativ geringe Wärmebelastung auf, so sorgt eine andere Schutzschaltung dafür, daß der Siededruck in dem Verdampfer 15 den erwähnten Maximalwert nicht überschreitet, der durch den Schnittpunkt zwischen der Linie 27 und der Kennlinie 25 in Fig. 2 bestimmt wird. Bei diesem Maximalwert wird die am Verdampfer vorbeistreichende Luft noch ausreichend entfeuchtet. Diese zusätzliche Schutzschaltung weist einen Verstärker 82 auf, der als Komparator arbeitet und dessen invertierender Eingang über einen Reihenwiderstand 83 wiederum mit dem Verbindungspunkt zwischen Thermistor 41 und Widerstand 42 verbunden ist. Diesem invertierenden Eingang wird somit das Verdampferdrucksignal zugeführt. Über Widerstände 85, 86 und 87 wird dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 82 ein Referenz-Stromsignal zugeführt, welches den erwähnten Maximalwert für den Siededruck in den Verdampfer darstellt. Dieses Referenzstromsignal kann ähnlich wie bei der ersten Schutzschaltung so eingestellt sein, daß der vorgegebene Wert etwas oberhalb des durch die Linie 27 in Fig. 2 dargestellten Maximalwertes liegt. Der Verstärker 82 arbeitet ähnlich wie der Verstärker 67, so daß unter normalen Betriebsbedingungen das Ausgangssignal Null ist. Erst wenn der Druck im Verdampfer den Maximalwert überschreitet, so wird der Strom am invertierenden Eingang des Verstärkers 82 kleiner als der Referenzstrom: Die Ausgangsspannung des Verstärkers 82 ändert sich sprungartig von Null auf die Versorgungspannung V+, d. h. in diesem Falle + 10 V. Diese Ausgangsspannung wird über Widerstände 88 bzw. 89 an die Basiselektroden der erwähnten Transistoren 76 bzw. 77 gelegt. Widerstände 91, 92 und 93 wandeln das Ausgangssignal des Verstärkers 82 ähnlich wie die Widerstände 78, 79 und 81 das Ausgangssignal des Verstärkers 67 in ein Stromsignal um, das an den invertierenden Eingang des Verstärkers 51 gelegt wird.
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Wird das Ausgangssignal des Verstärkers 82 aus den geschilderten Umständen positiv, so werden die Transistoren 76 und 77 leitend, die Verbindungspunkte zwischen den Widerständen 55 und 56 sowie den Widerständen 48 und 49 werden wiederum an Masse gelegt. Zur gleichen Zeit wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers 51 das erwähnte Stromsignal über den Widerstand 93 zugeführt, so daß die Differenz der an diesem Verstärker anliegenden Eingangsstromsignale negativ wird. Dementsprechend wird das Tastverhältnis so geändert, daß jetzt das Solenoid 24 das Steuerventil 21 mehr und mehr öffnet. Dadurch erhöht sich das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressors und damit die Durchflußrate des Kältemittels durch den Verdampfer, so daß der Siedepunkt im Verdampfer auf dem Maximalwert bleibt, und zwar so lange, bis sich die Betriebsbedingungen wieder ändern, d. h. bis die Wärmebelastung der Klimaanlage wieder steigt.
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Die Funktion der Regeleinrichtung für die Klimaanlage sei anhand eines normalen Arbeitszyklus erläutert:
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Es sei angenommen, daß beim Einschalten der Klimaanlage die Raumtemperatur wesentlich höher ist als die durch das Potentiometer 34 eingestellte SOLL-Temperatur. In diesem Fall ist der Eingangsstrom am invertierenden Eingang des Verstärkers 32 wesentlich größer als der Eingangsstrom am (+)-Eingang, so daß die Ausgangsspannung dieses Verstärkers im wesentlichen auf 0 Volt bleibt. Da anfangs der Siededruck im Verdampfer relativ hoch ist, ist die Spannung an der Verbindungsstelle des Thermistors 41 und des Widerstandes 42 relativ niedrig. Dadurch weisen sowohl das am invertierenden Eingang des Verstärkers 39 anliegende Stromsignal am Widerstand 38 und das am Widerstand 43 anliegende Verdampferdrucksignal niedrige Werte auf und sind erheblich kleiner als der am (+)-Eingang des Verstärkers 39 anliegende Referenzstrom, durch den der Minimalwert für den Siededruck festgelegt ist. Am Ausgang des Verstärkers 39 liegt ein Fehlersignal maximaler Größe an, so daß der dem invertierenden Eingang des Verstärkers 51 zugeführte Strom wesentlich größer ist als der am (+)-Eingang anliegende Strom. Der Ausgang des Verstärkers 51 bleibt damit auf Null-Potential, so daß das pulsbreitenmodulierte Signal, das am Ausgang des Verstärkers 57 entsteht, ein maximales Tastverhältnis aufweist: Der Kolbenkompressor 10 arbeitet dann entsprechend mit maximalem Kolbenhub, wodurch ein maximaler Durchfluß des Kältemittels durch den geschlossenen Dampf-Kühlkreislauf erzielt wird. Durch den hohen Kältemitteldurchfluß nimmt der Siededruck im Verdampfer entsprechend ab, bis er den entsprechenden Minimalwert erreicht, der durch die Linie 26 in Fig. 2 bezeichnet ist.
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Sobald dies erreicht ist, wird der Arbeitspunkt der Klimaanlage entsprechend der SOLL-Einstellung des Verstärkers 39 durch die Widerstände 44, 45 und 46 auf diesem Minimalwert gehalten. Die Klimaanlage arbeitet solange an diesem Arbeitspunkt, bis der Raum die gewünschte SOLL-Temperatur eingenommen hat. Zu diesem Zeitpunkt werden die beiden Eingangsströme am Verstärker 32 gleich groß, das Ausgangssignal wird zu Null. Sollte die Temperatur in dem Raum noch niedriger werden, so übersteigt der Eingangsstrom am nicht invertiertenden Eingang des Verstärkers 32 denjenigen am nicht invertierenden Eingang, wodurch der durch den Widerstand 38 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 39 fließende Strom zunimmt. Dadurch fällt jedoch das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkrs 39 auf eine neue Referenzgröße ab, wodurch das Tastverhältnis und damit die Durchflußrate des Kältemittels in dem Dampf- Kühlkreislauf verringert wird: ein weiteres Absinken der Temperatur unter den eingestellten SOLL-Wert wird auf diese Weise verhindert.
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Hiermit ist eine stationäre Betriebsweise erreicht, so daß der Regelkreis im Gleichgewichtszustand ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 ist von Null auf einen konstanten positiven Wert aufintegriert worden, auf dem sie auch verbleibt, solange die tatsächliche Raumtemperatur der SOLL-Temperatur entspricht. Da die Durchflußrate des Kältemittels durch den Verdampfer jetzt geringer ist als diejenige während der ersten Phase zur Absenkung der Raumtemperatur, nimmt der Siededruck im Verdampfer zu und der Arbeitspunkt verschiebt sich auf der Kennlinie 25 in Fig. 2 nach rechts. Es sei nun angenommen, daß der neue Arbeitspunkt derjenige sei, der durch die gestrichelte Linie 84 bezeichnet ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 stellt dann den gewünschten Siededruck im Verdampfer dar, da ja der tatsächliche Siededruck im Verdampfer eine Funktion des Wertes der Ausgangsspannung des Verstärkers 32 ist. Dieses Ausgangssignal kann demnach als Steuersignal für den Verdampferdruck angesehen werden.
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Der neue Arbeitspunkt der Klimaanlage entsprechend dem Schnittpunkt zwischen der Linie 84 und der Kennlinie 85 ist den Wärmebelastungen der Klimaanlage angepaßt, und der Regelkreis stabilisiert sich um diesen neuen Arbeitspunkt. Dadurch wird der zu klimatisierende Raum automatisch auf der eingestellten SOLL-Temperatur gehalten, während gleichzeitig das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressors und der Kältemittelfluß durch den Dampf-Kühlkreislauf nur so groß wie nötig sind. Der Energieverbrauch ist dadurch minimal. Zudem ist der Siededruck im Verdampfer so groß wie möglich. Hierdurch ist das Verhältnis von Verdichtungsdruck zu Saugdruck am Kolbenkompressor minimal, wodurch dessen Wirkungsgrad verbessert wird. Solange die Wärmebelastung konstant ist und die SOLL-Temperatur nicht verändert wird, ist auch die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 konstant und das Fehlersignal bleibt auf dem gleichen Referenzwert. Bei jeglicher Störung der stationären Bedingungen stellt sich der Regelkreis automatisch so ein, daß diese Bedingungen aufrechterhalten werden.
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Nimmt dagegen die Wärmebelastung der Klimaanlage zu, beispielsweise durch steigende Außentemperaturen, und der Raum wird wärmer als durch die SOLL-Temperatur vorgegeben, so nimmt die Ausgangsspannung am Verstärker allmählich ab und das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers 39 steigt auf einen neuen Referenzwert an, wodurch das Tastverhältnis erhöht wird und damit auch die Durchflußrate des Kältemittels. Hierdurch erniedrigt sich der Siedepunkt im Verdampfer, um den Raum wieder auf die Soll-Temperatur zurückzubringen. Der Arbeitspunkt der Klimaanlage wird in Fig. 2 nach links von der gestrichelten Linie 84 verschoben, und die positive Ausgangsspannung am Verstärker 32 nimmt einen neuen Wert an, um den Siededruck im Verdampfer dem neuen Arbeitspunkt anzupassen. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn die Soll-Temperatur auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird.
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Nimmt dagegen die Wärmebelastung der Klimaanlage ab oder wird die SOLL-Temperatur höher eingestellt, so wird entsprechend das Ausgangssignal des Verstärkers 32 " aufintegriert", und zwar auf einen neuen Wert. Hierdurch nimmt die Durchflußmenge des Kältemittels ab, der Siededruck des Verdampfers wird entsprechend erhöht. Dies entspricht einer Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Kennlinie 25 nach rechts, so daß der Raum geringer gekühlt wird und auf der gewünschten Temperatur verbleibt.
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Bei stationären Bedingungen der Klimaanlage wird der Siededruck im Verdampfer auf dem vorgegebenen Arbeitspunkt festgehalten, und zwar durch die geschilderte Regelung des Kältemittelflusses in dem Dampf-Kühlkreislauf. Steigt der Siededruck im Verdampfer durch Störeinflüsse an, so nimmt der Stromfluß durch den Widerstand 43 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 39 ab und das Ausgangssignal dieses Verstärkers steigt an. Dadurch wird der Kältemittelfluß durch den Dampf-Kühlkreislauf erhöht und der Siededruck des Verdampfers auf dem gewünschten Arbeitspunkt gehalten. Entsprechend nimmt bei einem Abfallen des Siededruckes im Verdampfer das Ausgangssignal des Verstärkers 39 ab, wodurch der Kältemittelfluß verringert und der Siededruck im Verdampfer wiederum auf dem gewünschten Arbeitspunkt verbleibt. Bei im wesentlichen konstanten Wärmebelastungen der Klimaanlage, denen der Verdampfer angepaßt werden muß, werden durch den Regelkreis automatisch der Siededruck des Verdampfers und die Raumtemperatur auf den vorgegebenen SOLL-Werten gehalten, wobei das Kompressionsvolumen und der Kältemitteldurchfluß gerade so groß wie nötig sind, um diese konstanten Bedingungen einzuhalten.
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Auch wenn der Kolbenkompressor 10 nicht mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, wie dieses z.B. bei einer Klimaanlage in einem Personenkraftwagen der Fall ist, wo der Antrieb durch den Kraftfahrzeugmotor erfolgt, wird der dadurch bedingte an- oder absteigende Kältemitteldurchfluß durch den Dampf-Kühlkreislauf durch den Regelkreis kompensiert. Steigt der Kältemitteldurchfluß an, so nimmt der Verdampferdruck ab und dieses bewirkt, daß das am Ausgang des Verstärkers 39 anliegende Fehlersignal ebenfalls abnimmt, wodurch das Kompressionsvolumen des Kolbenkompressor so weit verringert wird, daß die Durchflußrate des Kältemittels auf einen Wert abnimmt, der die Raumtemperatur auf dem SOLL-Wert hält. Umgekehrt wird bei einer Verringerung der Antriebsgeschwindigkeit der Kolbenkompressor automatisch so nachgeregelt, daß die Durchflußrate des Kältemittels ansteigt, so daß wiederum die SOLL-Temperatur eingehalten wird. Durch die erwähnten Schutzschaltungen wird auch verhindert, daß der Verdampfer nicht einfrieren kann bzw. der Siededruck im Verdampfer nicht über einen Maximalwert steigt.