SE533145C2 - Metod och system för lagring av kyla i ett fordons AC-system. - Google Patents

Description

25 30 35 533 145 till kompressorsystemets föràngare via en med förángaren sammanbyggd vätskebaserad värmeväxlare. Kylvätskan, huvudsakligen vatten eller en blandning av vatten och glykol, kyls alltså i föràngaren och pumpas till hytten och till det däri anordnade kylelementet och kyler hyttens luft med hjälp av en fläkt. Normalt används ett AC-system av nämnt slag för att kyla hyttens luft medan ett separat vattenburet och ofta motorvärmt värmesystem används för att värma upp luften i hytten när så behövs.

Det kostar naturligtvis energi att driva ett AC-systems kompressor. Vanligen är kompressorn remdriven och drivs alltsá via en remskiva som i sin tur drivs av motorn. Drivningen av kompressorn ökar alltså fordonets bränsleförbrukning något.

Dà fordonet rullar för egen maskin, utan att motorn levererar något moment, t.ex. i sluttande terräng och nedförsbackar, eller dà fordonet bromsas, bidrar kompressorns drift inte till någon bränsleförbrukning. Den utövar istället en viss bromsande effekt pá fordonet. Det är därför önskvärt att köra AC- kompressorn maximalt under den tid motorn inte levererar ett positivt vridmoment, dvs vid nollmoment när föraren inte ger någon gas eller vid negativt moment då motorn motorbromsar och utövar ett bromsande moment.

Ett problem med detta är att om kompressorn tillåts gá för fullt under längre tidsperioder kyls kylvätskan i den sekundära kylkretsen ned till temperaturer under noll grader. Detta med- för att temperaturen i hyttens kylelement också sjunker till under fryspunkten vilket bl.a. leder till att luft med obehagligt lág temperatur strömmar ut i hytten men allvarligare är att kondensvatten, som i princip alltid uppstår i hyttens kylelement om inte luftfuktigheten i hytten är extremt làg, kommer att frysa i kylelementet. Mer och mer kondensvatten kommer efter hand att frysa vilket skapar is som så småningom hindrar luftflödet och äventyrar kylelementets funktion. 10 15 20 25 30 35 533 iäš Önskvärt är att kunna lagra kyla när fordonet framförs med nollmoment eller med negativt moment pà ett för kylsystemet oskadligt sätt och att därefter använda den lagrade kylan efter hand som den behövs. Eftersom antalet komponenter i ett fordon, bade av ekonomiska- och av utrymmestekniska skäl, bör minimeras är det fördelaktigt om man kan utnyttja befintliga komponenter i fordonets AC-system.

Nàgra olika system och lösningar där en AC-kompressor körs vid nollmoment från motorn är sedan tidigare kända.

EP1457676 beskriver exempelvis ett AC-system där en kylkompressor körs i nedförsbackar. Uppfinningen handlar huvudsakligen om hur deplacementet i en variabel kompressor kan ökas och minskas. Att lagra kyla och samtidigt undvika frysning beskrivs inte närmare.

US20070204640 visar också ett system med en kylkompressor som körs i nedförsbackar. Ett lager är anordnat och avsett för köldmedia vid högt och làgt tryck. Lagret "laddas" när fordonet körs i nedförsbackar. Om reservoaren töms för fort kommer det att orsaka frysning. En expansionsventil eller strypning till- sammans med en termostat används för att minska risken för frysning.

W00140005 beskriver en kylkompressor som körs i nedförsbackar.

En KER (kinetic energy regenerator) används som hjälper till att spara energi. Funktionen skiljer sig fràn föreliggande upp- finning.

US20050066669 beskriver ett system som aktiverar kylkompressorn när fordonets hastighet minskar även om inget kylbehov finns för ögonblicket. Detta görs för att spara bränsle. Systemet sänker inte kylvätsketemperaturen under frysnivàn, noll grader. 10 15 20 35 533 145 Besparingspotentialen är liten, om inte extra kylvätskemassa tillförs vilket ju bör undvikas för att spara vikt i fordonet.

Inget av de refererade patenten använder en sekundär kylkrets som köldlager och inget av de angivna patenten visar ett system där man utnyttjar temperaturer under den gräns som kan àstad- komma frysning i hyttens värmeväxlare/kylelement. Känd teknik visar inte hur man pà ett effektivt sätt kan utnyttja kompressorsystemet och en sekundär kylkrets i ett fordon för att lagra kyla och använda den efterhand som behov uppstår.

UPPFINNINGENS ÄNDÄMÅL OCH VIKTIGASTE KÃNNETECKEN Uppfinningens ändamål är att lösa nämnda problem och att påvisa en metod och ett system för kostnadseffektiv lagring av kyla i ett fordons kylvätskesystem.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att hålla ned kylvätskevolymen, massan, och antalet komponenter i fordonets kylsystem och ändà påvisa en lösning för att lagra kyla och spara bränsle.

Dessa och ytterligare ändamål uppnås enligt uppfinningen genom en metod och ett system enligt de i patentkraven l och 6 angivna särdragen.

Uppfinningen àstadkoms principiellt genom att AC-kompressorn tillåts köras extra mycket när fordonets motor inte levererar något moment eller då motorns moment är negativt, dvs när fordonet rullar för egen maskin i t.ex. sluttande terräng eller i nedförsbackar eller bromsas. Köldmediekretsen kyler därvid kylvätskan i AC-systemets sekundära kylkrets, som används för kylning av t.ex. fordonets hytt, extra mycket och ned till temperaturer under noll grader. Kylvätskans flödeshastighet regleras enligt uppfinningen med hjälp av en pump med 10 15 20 25 30 35 justerbart varvtal som styr flödet i kylkretsen på sådant sätt att en komfortabel lufttemperatur erhålls i hytten och frysning i kylelementet undviks. Genom uppfinningen uppnås att lagringskapaciteten av kyla i kylsystemet ökas och kompressorn medges att arbeta särskilt mycket dä fordonets motor inte levererar ett vridmoment, varigenom bränsle sparas.

Ytterligare särdrag och fördelar med uppfinningen framgår av den följande mer detaljerade beskrivningen av uppfinningen samt av bifogade ritningar och övriga patentkrav.

KORTFATTAD RITNINGSFÖRTECKNING Uppfinningen beskrivs härefter närmare i ett föredraget utföringsexempel med ledning av bifogade ritningar.

Figur 1 representerar känd teknik och visar schematiskt hur ett vanligt förekommande kompressordrivet kylsystem normalt är sammansatt.

Figur 2 visar hur ett vanligt förekommande kompressordrivet kylsystem, t.ex. enligt figur 1, normalt regleras.

Figur 3 visar schematiskt hur ett kompressordrivet kylsystem är utformat enligt uppfinningen.

Figur 4 visar ett flödesschema över hur kylvätskepumpen regleras i ett kylsystem enligt uppfinningen.

Figur 5 visar ett flödesschema över hur kompressorn regleras i ett kylsystem enligt uppfinningen.

Figur 6 visar ett övergripande flödesschema där processtegen enligt figurerna 4 och 5 sammanförts till en gemensam process. 10 15 20 25 30 35 533 Éåš BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UwröRINGsr-ommn Figur 1 visar alltsà hur ett enkelt och vanligt förekommande kompressordrivet kylsystem 1, försett med en sekundär kylkrets 2, kan vara sammansatt i ett fordon. En primär kompressordriven köldmediekrets 3 innefattar pá känt sätt en sluten flödeskrets som är fylld med ett köldmedium, vanligen en gas under tryck.

Köldmediekretsen 3 innefattar en kompressor 4, en luftkyld kondensor 5, en föràngare 6, ett torkfilter 7 samt ett expan- sionsorgan 8 och komponenterna är sammankopplade med varandra genom ett ledningssystem. Kompressorn 4 pumpar runt köldmediet i kretsen 3 så att värme pà känt sätt avges i kondensorn 5 och värme tas upp i föràngaren 6. Köldmediekretsens föràngare 6 är i detta exempel sammanbyggd med en vätskebaserad värmeväxlare som kyler vätskan i den sekundära kylkretsen 2. Systemets kondensor 5 avger överskottsvärmen till den omgivande luften.

Den sekundära kylkretsen 2 innefattar en kylvätskepump 9 som åstadkommer cirkulation av kylvätskan i kretsen så att den bl.a. passerar ett i fordonets hytt placerad värmeväxlare eller kylelement 10. Luft bláses genom kylelementet 10 med hjälp av en ej visad fläkt och luften som passerar genom kylelementet kyls i relation till kylvätskans temperatur. En temperatur- givare 11 är kopplad till en styrkrets 12 som reglerar kompressorns 4 till- och frànslag. Härigenom kan luften i hytten hållas vid en förinställd temperatur även dä fordonet framförs i varma omgivningar.

Figur 2 visar hur kompressorn 4 i köldmediekretsen 3 enligt figur l pà känt sätt kan regleras. Styrningen kan ske utifrån förutbestämda till- och frànslagstemperaturer för att tempera- turen i hytten skall bli sà jämn som möjligt och inte variera alltför mycket. När luften som passerat kylelementet 10, när en temperatur av över t.ex. plus 7 grader startar kompressorn 4 och köldmediekretsen 3 börjar aktivt kyla ned kylvätskan via förángaren 6. När luftens temperatur, kylelementet 10, efter passagen genom sjunkit ned till under plus 3 grader stoppas kompressorn 4. Kompressorn 4 kan alternativt köras med jämna intervall som typiskt innebär att kompressorn 4 arbetar ett visst antal sekunder per t.ex. 30-sekundersperiod. Regleringen 10 15 20 25 30 35 av kompressorn 4 utförs sä att lufttemperaturen i det hytt- placerade kylelementet 10 inte går under noll grader eftersom kondensvattnet, som i princip alltid bildas i kylelementet 10, dà riskerar att frysa vilket allvarligt skulle störa kyl- systemets 1 funktion. Styrförloppet upprepas tills kylsystemet manuellt stängs av.

Figur 3 visar schematiskt hur ett kompressordrivet kylsystem 1 enligt uppfinningen är utformat. En köldmediekrets 3 kyler, via en föràngare 6 med en sammanbyggd och vätskebaserad värmeväx- lare, kylvätskan i en sekundär kylkrets 2 som i sin tur kyler ett exempelvis hyttplacerat kylelemen 10. En första temperatur- givare 11 levererar en signal representativ mot temperaturen i den luft som passerat kylelementet 10, till en första styrenhet 13. Styrenheten 13 reglerar kylvätskepumpens 9 varvtal. En andra styrenhet 12 är anordnad att reglera kompressorns 4 till och frànslag bl.a. baserat på aktuellt moment fràn motorn och på kylvätskans temperatur efter föràngaren 6, vilken mäts med en andra temperaturgivare 15.

Figur 4 visar ett flödesschema över hur kylvätskepumpen 9, med hjälp av den första styrenheten 13, regleras i ett kylsystem 1 enligt uppfinningen. Luftens temperatur mäts av temperturgiva- ren 11 efter det att luften passerat hyttens kylelement 10. Den första styrenheten 13 är anordnad att reglera kylvátskepumpen 9 så att ett förutbestämt börvärde för luftens temperatur skall nås. Om börvärdet är satt till plus 3 grader höjer styrenheten 13 varvtalet pà kylvätskepumpen 9, och ökar flödet i kylkretsen 2, om lufttemperaturen är högre än plus 3 grader och sänker varvtalet, och flödet i kylkretsen 2, om lufttemperaturen är lägre än plus 3 grader. Om luften genom kylelementet 10 hålls vid ca 3 grader ger det en tillräcklig marginal mot frysning och det är som tidigare nämnts viktigt att lufttemperaturen inte sjunker till noll grader eller därunder. Börvärdet är naturligtvis valbart och kan anpassas till kylelementets 10 10 15 20 30 35 533 fiåš tekniska egenskaper, t.ex. om det är en korsströms eller en korsströms-motströms värmeväxlare. Av komfortskäl kan börvärdet också sättas till ett högre värde än plus 3 grader.

Styrningen av kylvätskepumpen 9 kan rent praktsikt utföras pá olika sätt. Exempelvis kan en återkopplad regulator användas eller också kan kylvätskepumpen 9 styras med hjälp av mapping, dvs varvtalen som kylvätskepumpen 9 skall arbeta med vid olika lufttemperaturer är förutbestämda och exempelvis uppförda i en tabell i styrenheten 13. Regulatorn kan också vara anordnad att styra kylvätskepumpen 9 så att varvtalet blir proportionellt mot felet, dvs mot den aktuella avvikelsen i temperatur fràn det satta börvärdet. Det är också tänkbart att regulatorn styr kylvätskepumpen 9 utifrån felets derivata. Om luftens tempera- tur exempelvis är 2.9 grader och derivatan sådan att det kan förutses att temperaturen kommer att ligga förhållandevis stabilt på 2,9 grader sänks varvtalet endast lite. Om luftens temperatur däremot är O grader och derivatan hög, dvs tempera- turen förändras snabbt, sänks kylvätskepumpens 9 varvtal kraftigt.

Figur 5 visar ett flödesschema över hur kompressorn 4 regleras, t.ex. i den andra styrenheten 12, i ett kylsystem 1 enligt uppfinningen och härigenom åstadkommer en eftersträvad köld- lagring i den sekundära kylkretsen 2. När motormomentet är nära noll eller negativt, dvs när föraren inte ger någon gas eller mycket lite gas eller då fordonet bromsas, arbetar kompressorn 4 så mycket som möjligt för att kyla den kylvätska som finns i den sekundära kylkretsen 2. Dessa situationer kan i första hand tänkas uppstà då fordonet körs i nedförsbackar då energi annars skulle bromsas bort. Kylvätskan, som exempelvis bestàr av en vatten- och glykolblandning, kan kylas ned till ca minus 20 grader. Vid lägre temperaturer kan vatten- och glykolbland- ningen bli alltför trögflytande för att systemet skall fungera tillfredställande. Om kylvätskans temperatur, efter att ha 10 15 20 25 30 35 533 145 passerat förángaren 6, är lägre än t.ex. minus 20 grader stoppas därför kompressorn 4. I syfte att reducera antalet till- och frànslag i kompressorn 4, och för att uppnå en viss eftersträvad hysteres-funktion, startas kompressorn 4 först vid en kylvätsketemperatur av t.ex. minus 17 grader.

Om motorns moment är positivt, dvs om föraren ger gaspådrag, skall kylsystemet 1 arbeta mindre och i huvudsak arbeta på normalt sätt, dvs inte kyla kylvätskan mer än dä behov verkligen föreligger, eftersom det påverkar fordonets bränsleförbrukning negativt. När temperaturen pà luften, efter dess passage genom hyttens kylelement 10, när ner till under plus 4 grader stoppas kompressorn 4 och när luftens temperatur när upp till över plus 7 grader startas kompressorn. Dessa temperaturgränser kan naturligtvis sättas till andra värden.

Styrningen av kompressorn 4 och kylvätskepumpen 9 sker oberoende av varandra.

I ett normalt driftfall, t.ex. när fordonet framförs på en läng rak landsväg, med väsentligen konstant fart och litet gaspå- drag, arbetar kylvätskepumpen 9 normalt pà maximalt varvtal hela tiden medan kompressorn 4 slàr till och frän pà normalt sätt, dvs kompressorn 4 startar när lufttemperaturen när över plus 7 grader och kompressorn stannar när lufttemperaturen sjunker till plus 4 grader eller därunder. Det är först när lufttemperaturen efter kylelementet 10 sjunker till under plus 3 grader som kylvätskepumpens 9 varvtal sänks.

Figur 6 visar ett övergripande flödesschema där flödena enligt figurerna 4 och 5 sammanförts till ett gemensamt flöde. Det är alltsà tänkbart att styrningen av kompressorn 4 och kylvätske- pumpen 9 sker i samma process även om regleringen av enheterna inte sker i någon direkt relation till varandra. 10 10 Uppfinningen har ovan beskrivits med hänvisning till olika möjliga utföringsformer. Naturligtvis är uppfinningen inte begränsad till dessa utan de skall endast betraktas som exempel. Även andra varianter av uppfinningen är alltså fullt möjliga inom ramen för bifogade patentkravs skyddsomfàng.

Sålunda kan flödet i kylkretsen 2 styras pà annat sätt än genom att reglera varvtalet på kylvätskepumpen 9. Exempelvis kan en reglerbar ventil (ej visad) användas som kan öppnas och stängas stegvis eller gradvis. Den första styrenheten 13 används i så fall för att styra ventilen i stället för kylvätskepumpen 9 som då alltså får gå pà ett konstant varvtal. De gradtal som används för styrningen av kylvätskepumpen 9 och kompressorn 4 och som anges i figurerna är naturligtvis endast exempel.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 533 145 11 PATENTKRAV

1. Metod för lagring av kyla i ett fordonsbaserat kylsystem (1), innefattande kylning av en vätska med hjälp av en kompressordriven köldmediekrets (3) (5) och en förángare (6), med åtminstone en kondensor där åtminstone föràngaren (6) är sammanbyggd med en vätskebaserad värmeväxlare, temperaturs kylkrets (2) samt en låg- försedd med en kylvätskepump (9) för transport av företrädesvis kall kylvätska till ett kylelement (10). kânnetecknad av, - kylning av den i kylkretsen (2) befintliga kylvätskan ned till en temperatur av under noll grader dä motorns levererade vridmoment är väsentligen noll eller negativt, och - reglering av kylvätskans flödeshastighet genom den sekundära kylkretsen (2) så att flödet till kylelementet lufttemperaturen efter kylelementet (10) ökar om (10) är högre än ett förutbestämt börvärde och flödet sjunker om lufttemperaturen efter kylelementet (10) är lägre än börvärdet.

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av, - styrning av kompressorn (4) så att kylvätskan kyls ned till åtminstone minus 15 grader och företrädesvis till ca minus 20 grader.

3. Metod enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av, - styrning av kylvätskans flödeshastighet i kylkretsen (2) med hjälp av en kylvätskepump (9) vars varvtal regleras utifrån ett förutbestämt börvärde pà mellan O och 15 grader och företrädes- vis ca 3 grader.

4. Metod enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknad av, 10 15 20 25 30 35 12 - styrning av kylvätskans flödeshastighet i kylkretsen (2) och kylvätskans temperatur nedströms föràngaren (6) så att frysning av kondensvatten i kylelementet (l0) undviks.

5. Metod enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknad av, - kylning av den i sekundära kylkretsen (2) befintliga kylvätskan med hjälp av en kompressordriven köldmediekrets (3).

6. System för att möjliggöra ökad lagring av kyla i ett fordonsbaserat kylsystem (l), köldmediekrets (3) (6), med en vätskebaserad värmeväxlare, krets (2) innefattande en kompressordriven försedd med àtminstone en kondensor (5) och en föràngare där åtminstone förángaren (6) är sammanbyggd samt en lågtemperaturs kyl- försedd med en kylvätskepump (9) för transport av företrädesvis kall kylvätska till ett kylelement (10), kännetecknad av, - att köldmediekretsen (3) är anordnad att kyla ned den i kylkretsen (2) befintliga kylvätskan till en temperatur under noll grader då motorns levererade vridmoment är väsentligen noll eller negativt, och - att en första styrenhet (13) är anordnad att styra kyl- vätskans flödeshastighet genom den sekundära kylkretsen (2) så att flödet till kylelementet (10) ökar om lufttemperaturen efter kylelementet (10) är högre än ett förutbestämt börvärde och flödet sjunker om.lufttemperaturen efter kylelementet (10) är lägre än börvärdet.

7. System enligt patentkrav 6, kännetecknad av, - att en andra styrenhet (12) är anordnad att styra kompressorn (4) sä att kylvätskan kyls ned till àtminstone minus 15 grader och företrädesvis till ca minus 20 grader.

8. System enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknad av, 10 15 20 533 145 13 - att kylvätskepumpen (9) är anordnad att styra kylvätskans flödeshastighet i kylkretsen (2) och genom kylelementet (lO) med hjälp av en kylvätskepump (9) vars varvtal regleras utifrån ett förutbestämt börvärde av mellan 0 och 15 grader och företrädesvis ca 3 grader.

9. System enligt nàgot av patentkraven 6-8, kännetecknad av, - att den andra styrenheten (l2) är anordnad att reglera kyl- vätskans flödeshastighet genom kylkretsen (2) och kylvätskans temperatur nedströms föràngaren (6) så att frysning av kondensvatten i kylelementet (10) undviks.

10. System enligt något av patentkraven 6-9, kännetecknad av, - att den kompressordrivna köldmediekretsens (3) föràngare (6) är anordnad att kyla kylvätskan i den sekundära kylkretsen (2).