DE4006040A1 - Kaelteanlage und verfahren zur kontrolle und regelung der funktion einer kaelteanlage - Google Patents

Description

Im Hauptpatent ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln eines Ventils für die Zufuhr eines im wesentlichen flüssigen Kältemittelmassenstromes zum Kältemittelverdampfer einer Kälte­ anlage beschrieben, bei dem eine optimale Einstellung des maxima­ len Kältemittelmassenstromes und zugleich Freiheit von für den Kompressor der Kälteanlage schädlichen Flüssigkeitstropfen des Kältemittels im Saugrohr des Kompressors erreicht wird.

Im Prinzip werden bei der Erfindung nach dem Hauptpatent im Saugrohr des Kompressors auftretende Flüssigkeitstropfen des Kältemittels detektiert, indem im Weg des Sauggases ein Meßkörper wärmeisoliert angeordnet wird, der auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, daß die Kühlung des beheizbaren Meßkörpers beim Auftreffen von Flüssigkeitstropfen des Kältemittelmassenstromes einen deutlichen Meßeffekt liefert. Durch Kombination des Meßkör­ pers mit einem Temperaturmeßgerät oder -Fühler werden Flüssig­ keitstropfen des Kältemittelmassenstromes im Sauggas durch eine jähe Kühlung des Meßkörpers detektiert und dann zu Regelzwecken ausgenutzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Funktionsweise und die Qualität von Kälteanlagen zu verbessern und kontrol­ lierbar zu machen.

Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merk­ male gelöst.

Weiterbildungen der Kälteanlage und ein Verfahren zum Betrieb und zur Kontrolle der Kälteanlage sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen be­ schrieben. Diese zeigen in Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Kälteanlage mit geschlos­ senem Kältekreislauf mit Detektion von Flüssigkeits­ tropfen des Kältemittelmassenstromes im Sauggas und mit einer Einrichtung zur Kontrolle der ausreichenden Füllung des Systems,

Fig. 2 eine aus dem beheizbaren Meßkörper und dem Temperatur­ fühler gebildete Einheit in der Sauggasleitung.

In Fig. 1 ist ein Kältesystem 1 mit einem zu kühlenden Raum 2 dargestellt, z. B. einem Kühlschrank, dem Fahrgastraum eines Fahrzeugs oder dergleichen, in dem ein Kältemittelverdampfer 3 für einen Kältemittelmassenstrom 4 vorgesehen ist. Der Kälte­ mittelmassenstrom 4 durchläuft einen Kreislauf zwischen einem im Verdampfer 3 wirksamen niedrigen Druck und einem im Kondensator 5 wirksamen hohen Druck. Ein Kompressor 6 saugt am Ausgang 7 des Verdampfers 3 den zu einem sogenannten Sauggas verdampften Kälte­ mittelmassenstrom 4 ab. Das Sauggas sollte am Eingang des Kom­ pressors 6 im wesentlichen flüssigkeitsfrei sein. Durch die Wirkung des Kompressors 6 wird der am Ausgang des Verdampfers 3 abgesaugte Dampf zu hohem Druck komprimiert und im Kondensator 5 in einen im wesentlichen flüssigen Kältemittelmassenstrom hohen Drucks kondensiert, also verflüssigt. Um dem Verdampfer 3 den Kältemittelmassenstrom mit dem für die Verdampfung erniedrigten Druck zuführen zu können, ist in die Zuleitung zum Eingang 8 des Verdampfers 3 ein Drosselventil 9 eingeschaltet. Dieses Drossel­ ventil 9 kann eine bekannte Konstruktion für ein regelbares Ventil haben, mit dem der Druck oder die Größe des Kältemittel­ massenstromes auf einen solchen erwünschten Wert eingestellt wird, daß der Verdampfer weder überfüllt noch unterfüllt wird und der Kältemittelmassenstrom seine optimale Größe für das jeweilige Kältesystem 1 erhält. Im einfachsten Fall kann das Drosselventil 9 ein Kapillar-Rohr sein. Es kann aber auch ein elektrisch, elek­ tronisch oder elektromagnetisch regelbares Ventil verwendet werden oder ein thermostatisches Expansionsventil, Blockventil oder dergleichen. Damit der Kältemittelmassenstrom des Kälte­ systems 1 diesen erwünschten Wert des Massenstromes erhalten kann, ist in die Leitung 71 zwischen Verdampfer 3 und Kompressor 6 ein Meßsystem 11-13 eingefügt, das eine Präsenz von Flüssig­ keitstropfen im Sauggas detektiert und gestattet, den Zustand einzustellen, bei dem gerade noch keine Flüssigkeitstropfen des Kältemittels im Sauggas auftreten. Das Meßsystem 11-13 enthält einen beheizbaren Körper 11, der in den Innenraum der Leitung 71 eingefügt ist und zwar wärmeisoliert gegen die ortsfesten Teile seiner Umgebung wie z. B. gegen die Wandung der Leitung 71. Die Leitung 71 ist zur besseren Kenntlichmachung vergrößert darge­ stellt. Der beheizbare Körper 11 ist z. B. ein Heizwiderstand, der durch einen über eine Leitung 111 von außen zugeführten elek­ trischen Strom auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizbar ist. Der beheizbare Körper 11 ist mit einem Temperaturfühler 12 zu einer Einheit verbunden und meldet die jeweils detektierte Küh­ lung des Meßkörpers über eine Leitung 121 ohne Verzögerung nach draußen. Ein weiterer Temperaturfühler 13 ist getrennt von der Einheit 11, 12 innerhalb der Leitung 71 angeordnet und wird wie diese vom Sauggas umspült. Umspülen soll hier bedeuten, daß der Körper 1 auf möglichest vielen Oberflächen vom Sauggas umgeben ist. Der Körper 11 muß nicht in jedem Fall im Hauptstromweg des Sauggases liegen. Er kann also auch in einer Ausbuchtung der Sauggasleitung liegen, wenn das Sauggas mit evtl. Flüssigkeits­ partikeln in diese Ausbuchtung eindringen kann.

Der Meß- und Regelvorgang der soweit beschriebenen Anordnung läuft wie folgt ab: Der Körper 11 wird ununterbrochen mit konstanter Leistung, kon­ stantem Strom oder konstanter Spannung auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt, beispielsweise auf eine 30 K über der Temperatur des von Flüssigkeitstropfen des Kältemittels freien, also trockenen Sauggases. Die jeweils erreichte Temperatur des Körpers 11 wird von dem mit dem Körper 11 zu einer Einheit ver­ bundenen Temperaturfühler 12 direkt gemessen und ggf. angezeigt. Der weitere Temperaturfühler 13 mißt ständig die direkte Tempera­ tur des Sauggases selbst. Auch diese Temperatur wird ggf. ange­ zeigt. Das Auftreten von Flüssigkeitstropfen des Kältemittels auf den geheizten Körper verursacht einen Kühleffekt. Ein Grund für diesen Kühleffekt ist eine starke Vergrößerung des Wärmeübergan­ ges. Die Wärmeübergangszahl steigt.

Bei einer meßtechnischen Nutzung dieses Kühleffektes läßt man den Körper 11 abkühlen und mißt die Temperaturänderung z. B. als Absolutwert oder bezogen auf die Sauggastemperatur.

Bei einer anderen meßtechnischen Nutzung des Kühleffektes hält man die Temperatur des Körpers 11 oder die Temperaturdifferenz zum Sauggas praktisch konstant, indem bei konstanter Spannung der Heizstrom entsprechend erhöht wird oder, indem bei konstantem Strom die Heizspannung vergrößert wird oder, indem ohne Spezifi­ zierung von Spannung und Strom die Leistung erhöht wird. Strom, Spannung oder Leistung werden dann als Meßsignal verwendet.

Eine jähe Änderung des Meßsignals (das ist bei direkt gemessener Temperatur des Körpers 11 der Temperaturabfall und ein Anstieg von Spannung, Strom oder Leistung bei konstantgehaltener Tempe­ ratur) ist ein sicherer Hinweis für die Überfüllung des Ver­ dampfers 3. Sobald nämlich der Verdampfer überfüllt ist, treten in seinem Ausgang Flüssigkeitströpfchen des Kältemittels auf, treffen auf den Meßkörper 11, erzeugen einen Kühleffekt und bewirken eine entsprechende Meßgröße im Meß-, Regel- und/oder Anzeigekreis.

Im Hauptpatent wird das Meßergebnis als Maß für die optimale Grundeinstellung des Drosselorgans 9 benutzt. Für die Einstellung der durch Beheizung des Körpers 11 vorbestimmten Temperatur dieses Körpers 11 wird der Zustand genutzt, bei dem gerade noch kein meßbarer Kühleffekt durch den Einfluß von Flüssigkeitstrop­ fen des Kältemittels im Sauggas eintritt. Für die Einstellung des Drosselorgans 9 auf den Arbeitspunkt höchster Güte kann also der Meßwert ermittelt werden, bei dem der Temperaturfühler 12 die minimale Temperatur des Meßkörpers 11 für alle möglichen Einstel­ lungen des Drosselorgans 9 mißt, ohne dabei auf das sehr niedrige Temperaturniveau bei Präsenz von Flüssigkeitstropfen des Kälte­ mittels abzufallen, und das Drosselorgan entsprechend justiert. Bei dieser Einstellung wird dann ein maximaler Kältemittelmassen strom 4 in den Verdampfer 3 fließen und aus dem Verdampfer ein gerade flüssigkeitstropfenfreies Sauggas austreten. Wegen der unverzögerten Lieferung des Meßergebnisses wird eine unerwünschte Überfüllung des Verdampfers 3 sofort nach ihrem Auftreten rück­ gängig gemacht und im Effekt vermieden. Es kann also auch kein Pendeln zwischen Überfüllung und Unterfüllung auftreten. Bei einem Leck des Kältekreislaufs kann der Verdampfer im allgemeinen nicht überfüllt werden. Eine Unterfüllung des Verdampfers kann zwar nicht direkt angezeigt werden, doch kann eine ständige Unterfüllung ein Maß dafür sein, daß Kältemittel verloren gegan­ gen ist. Um eine Unterfüllung schnell feststellbar zu machen, ist in Fig 1 parallel zum regelbaren oder optimal eingestellten Drosselventil 9 ein auf maximale Durchlässigkeit schaltbares Ventil 91 angeordnet, welches von außen zur Kontrolle des Kälte­ kreislaufs mittels eines Schalters oder dergl. schaltbar ist. Wenn daher trotz der maximalen Zuführung des Kältemittels über das zusätzliche Ventil 91 das Meßergebnis keinen jähen Tempera­ turabfall anzeigt und daher keine Überfüllung des Verdampfers 3 erreichbar ist, muß entweder Kältemittel durch ein Leck ver­ lorengegangen oder nicht ausreichend vorhanden gewesen sein.

Zur Ermittlung der optimalen Füllmenge wird das Ventil 9 durch ein manuell betätigtes oder durch ein motorgetriebenes Regel­ ventil 92 ersetzt, falls das bereits vorhandene Ventil 9 nicht motorgetrieben ist. Um festzustellen, ob die Anlage im vorliegen­ den thermodynamischen Beharrungszustand genügend Kältemittel enthält, wird das manuell oder motorgetriebene Regelventil ein wenig geöffnet. Falls dann Flüssigkeitströpfchen des Kältemittels im Sauggas detektiert werden, ist genügend Kältemittel vorhanden.

Um einen eventuell aufgetretenen Kältemittelverlust der Anlage aufzudecken, wird in einer Testphase soviel Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt, daß dieser auf jeden Fall überfüllt werden muß. Zu diesem Zweck wird mittels einer elektronischen oder elektrischen Schaltung 93 , z. B. einen Mikroprozessor direkt oder über einen Aktuator, z. B. ein Relais 92 die Einspritzleis­ tung erhöht. Dies kann über einen Parallelweg 91 oder über ein selbst elektronisch oder elektrisch aktivierbares Drosselorgan 9 geschehen. Falls es während der Testphase nicht möglich ist, den Verdampfer zu überfüllen, also keine Flüssigkeitstropfen des Kältemittels im Sauggas zu detektieren, fehlt Kältemittel im Kreislauf. Eine solche Anordnung mit auslösbarer Testphase ist insbesondere auch für Kälteanlagen (Klimaanlagen) in Kraftfahr­ zeugen vorteilhaft. Die zusätzliche Vorrichtung kann beispiels­ weise eine Leitung mit Magnetventil enthaltem, die parallel zum üblichen Blockventil geschaltet wird, wobei das Magnetventil von außen für eine die vorbestimmte Testphase aktiviert und danach wieder abgeschaltet wird.

Die Meßeinrichtung kann auch zur Bestimmung der Kälteleistung benutzt werden. Durchflußmeßgeräte dieses Typs sind zwar an sich bekannt. Diese sind jedoch nur für die Verwendung bei Gasen und Dämpfen vorgesehen und nicht wie der hier beschriebene Sensor für eine Anwendung bei Gasen, Dämpfen und Fluiden mit Flüssigkeits­ gehalt. Bei der vorstehend beschriebenen Anwendnung wird zunächst festgestellt, ob das Sauggas Flüssigkeitstropfen des Kältemittels enthält oder nicht. Bei trockenem Sauggas kann dann ein kali­ brierter Tröpfchensensor den Kältemittelmassenstrom messen. Eine zusätzliche Messung der Kondensationstemperatur ermöglicht unter Benutzung der Enthalpiewerte des Kältemittels die Berechnung der Kälteleistung, da die Sauggastemperatur schon durch den Referenz­ fühler 13 bekannt ist.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einsatzes für eine Sauggasleitung mit einem Meß-Körper 11, 12 und dem daneben angeordneten Meßfühler 13. Der Einsatz ist als vorgefertigte und auswechselbare Baueinheit dicht in die Leitung 71 einsetzbar. Dabei ragen der Körper 11, 12 und der Meßfühler in den Innenraum der Sauggasleitung hinein und wird dort vom Sauggas umspült. Er steht also über seine Oberflächen mit dem Sauggas direkt in Verbindung. Die Sauggastemperatur kann mittels des dargestellten in der Leitung 71 angeordneten Fühlers 13 gemessen werden. Der Körper 11 detektiert mit seinem Fühler 12 jegliches Auftreten von Flüssigkeitstropfen im Sauggas.

Claims (9)

1. Kälteanlage, in der ein im wesentlichen flüssiger Kälte­ mittelmassenstrom zu einem im wesentlichen trockenen Sauggas verdampft wird, nach P 39 34 801.6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Detektieren von Kältemittel Flüssigkeitsanteilen im Sauggas in die Sauggasleitung (71) ein beheizbarer Körper (11, 12) so eingesetzt wird, daß er gegenüber benachbarten Bauteilen der Sauggasleitung oder der Kälteanlage wärme­ isoliert ist, daß der Körper (11, 12) vom Sauggas umspült wird, daß der Körper (11, 12) auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des trockenen, keine Flüssigkeitstropfen des Kältemittels aufweisenden Sauggases aufgeheizt wird und daß das Auftreffen von Flüssigkeitstropfen des Kältemittels auf den Körper durch Messung des Kühleffektes detektiert wird.

2. Verfahren zur Kontrolle der Funktion einer Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Detek­ tion der Kältemittelflüssigkeitsanteile im Sauggas gewonnene Meßergebnis zur Anzeige einer Überfüllung des Verdampfers genutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,­ daß bei der Füllung oder Nachfüllung der Kälteanlage mit Kältemittel der Verdampfer im thermodynamischen Beharrungs­ zustand der Kälteanlage über ein Ventil soweit gefüllt wird, bis Flüssigkeitstropfen des Kältemittels im Sauggas detek­ tiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßergebnis zur Anzeige einer Kältemittel­ unterfüllung verwendet wird, indem die Öffnungsweite des Drosselorgans (9, 91) vor dem Verdampfer (3) auf Überfüllung eingestellt und daß das Nichterreichen der Überfüllung angezeigt wird, insbesondere für eine Leckanzeige.

5. Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4 mit einem geschlossenen Kreis für das Kälte­ mittel, der einen Kompressor (6) für die Verdichtung des Kältemittels in einem Kondensor (5) zu einem Kältemittel­ massenstrom hohen Drucks, ein Drosselorgan (9) zur Anpassung und Zuführung des Kältemittelmassenstroms herabgesetzten Druckes zu einem Kältemittelverdampfer (3) und eine Leitung (71) zwischen dem Ausgang (7) des Kältemittelverdampfers (3) und dem Kompressor (6) zum Ansaugen des verdampften Kälte­ mittelmassenstromes (Sauggas) durch den Kompressor (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der beheizte Körper (11, 12) so in die Leitung (71) eingesetzt ist, daß er vom Sauggas umspült wird und evtl. im Sauggas enthaltene Flüssig­ keitstropfen des Kältemittels auf den Körper (11, 12) auf­ treffen, und daß der Körper (11, 12) zugleich Träger eines Temperaturfühlers (12) für die Messung der Temperatur des Körpers (11, 12) ist, und daß der gemessene Kühleffekt ange­ zeigt wird.

6. Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellvorrichtung (92) vorgesehen ist, mit der die Öffnungsweite des Drosselorgans (9, 91) willkürlich veränder­ bar, insbesondere vergrößerbar ist.

7. Kälteanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Abhängigkeit vom Meßergebnis regelbaren Drossel­ organ (9, 91) eine einstellbare Leitung (91) parallel ge­ schaltet ist, die zur Überfüllung des Verdampfers (3) will­ kürlich aktivierbar ist.

8. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßfühler (12, 13) mit einer Steuerelektro­ nik (93), einem Steuergerät, Mikroprozessor oder dergleichen verbunden sind, die über einen Aktuator, z. B. ein Relais 92 auf das Drosselorgan (9, 91) einwirken.

9. Bauteil mit einem Fühler (13) für die Sauggastemperatur und einem beheizbaren Körper (11, 12), der zugleich als Tempe­ raturfühler (12) ausgebildet ist, für eine Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (11, 12) und der Temperaturfühler (13) für die Saug­ gastemperatur nebeneinander in einem Sockel (14) gelagert sind, der von außen in die Sauggasleitung (7, 71) einsetzbar ist.