WO2004065864A1 - Anordnung und betriebsverfahren zur überwachung von klimaanlagen mit kohlendioxid als kältemittel - Google Patents

Anordnung und betriebsverfahren zur überwachung von klimaanlagen mit kohlendioxid als kältemittel Download PDF

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WO2004065864A1
WO2004065864A1 PCT/EP2004/000262 EP2004000262W WO2004065864A1 WO 2004065864 A1 WO2004065864 A1 WO 2004065864A1 EP 2004000262 W EP2004000262 W EP 2004000262W WO 2004065864 A1 WO2004065864 A1 WO 2004065864A1
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WO
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carbon dioxide
sensor
arrangement according
air conditioning
conditioning system
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PCT/EP2004/000262
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Maximilian Fleischer
Anton Grabmaier
Hans-Peter Göttler
Hans Meixner
Bernhard Ostrick
Leif Reinhold
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
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    • G01N27/002—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage
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    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F24F11/32—Responding to malfunctions or emergencies
    • F24F11/36—Responding to malfunctions or emergencies to leakage of heat-exchange fluid

Definitions

  • the invention relates to a system for monitoring leaks in air conditioning systems with carbon dioxide as a refrigerant, in particular air conditioning systems for automobiles.
  • optical methods for carbon dioxide detection such as using the infrared adsorption band of carbon dioxide for a concentration detection.
  • An incandescent lamp is usually used as the light source and an interference filter and an infrared-sensitive semiconductor diode as the detector as the wavelength selector. Structures of this type represent a high cost factor for the motor vehicle sector and are impermissibly disturbed by the rapidly changing ambient temperatures and the associated fluctuations in the background infrared radiation and by condensation.
  • Electrochemical methods for carbon dioxide detection are also known. For one, it is the in the industrial gas monitoring used electrochemical cells with liquid electrolytes. However, these have a short lifespan for motor vehicle use, namely typically 2 years, and are relatively expensive.
  • the solid electrolytes operated at higher temperatures of more than 500 ° C, such as zirconium oxide or sodium ion conductors, may have sensitivity with regard to carbon dioxide detection with a surface modification from carbonate systems, but also instabilities and continuously very high heating outputs.
  • Known potential-controlled gas sensors for work function measurement such as, for example, gas-sensitive field effect transistors or microkelvin probes, can also be used for carbon dioxide detection.
  • the sensors based on the work function measurement principle can also be operated at temperatures well below 500 ° C.
  • the invention has for its object to ensure the detection of carbon dioxide in a ventilation system with air conditioning, the refrigerant of which is carbon dioxide, if there is a leak, in order to avoid critical values for people in appropriately ventilated common rooms.
  • the invention is based on the knowledge that the risk of poisoning in the leakage of an air conditioning system, the coolant of which is carbon dioxide, can be minimized by constant operation monitoring by gas sensors which detect carbon dioxide.
  • the cooling or air conditioning system there is a cooling air line in which the air conditioning system is integrated.
  • the cooling air line opens into a supply line that supplies a lounge with the conditioned air.
  • at least one sensor measuring carbon dioxide is positioned in the cooling system. niert, which works on the principle of reading the change in the work function of a gas-sensitive layer.
  • the sensor or sensors can advantageously either be positioned directly behind the air conditioning system, be accommodated in the supply line to the lounge, or be installed in front of and behind the air conditioning system, the sensor which detects behind the air conditioning system being positioned in the supply line 2.
  • a normal air line which generally runs parallel to the cooling air line, opens into the cooling air line in the flow direction before it merges into the supply line.
  • the advantage of installing a sensor in front of the air conditioning system is that a self-monitoring air conditioning module can be implemented.
  • a carbon dioxide leak can also be detected when the air conditioning system is switched off and the normal air line is in operation.
  • the advantage of positioning the sensor behind the air conditioning system is that an additional monitoring function of the sensor can be implemented.
  • a high concentration value occurs in the air conditioner when there is a carbon leak. If the high carbon dioxide signal disappears when the air conditioning system is switched off, the normal air line is activated and measured again, this is a clear indication of a leak.
  • gas sensors which work on the principle of reading the change in the work function, has the advantage that these sensors can also be operated at room temperature. To ensure compatibility with the required ambient temperatures, such as neighboring heated components, these sensors are heated to approx. 85 ° C to 130 ° C. Reliable sensor signals can be achieved at operating temperatures between 40 and 60 ° C.
  • Particularly advantageous materials for the sensitive layer of carbon dioxide sensors contain at least partially carbonate ions. Different carbonates and these in different modifications can be introduced into the gas-sensitive layer, it being particularly advantageous to use barium carbonate.
  • the use of mixed systems made of barium or strontium oxide is also advantageous, with the carbonate phase being formed in an aftertreatment.
  • gas sensors which only detect interfering gases is advantageous, so that cross-sensitivities based on the main detection signals of the carbon dioxide sensors can be eliminated.
  • FIG. 1 shows a partial diagram of a motor vehicle ventilation with air conditioning and without heating, as well as distributor slide for different air outlets,
  • FIG. 2 shows an arrangement corresponding to FIG. 1 with a different positioning of the carbon dioxide sensor
  • FIG. 3 shows an arrangement corresponding to FIG. 1 with two carbon dioxide sensors arranged at different positions
  • FIG. 4 shows a basic diagram of a field effect transistor for gas detection with a gas-sensitive layer
  • Figure 5 shows the carbon dioxide curve of barium carbonate as a sensor material in moist air, and their
  • the task of detecting carbon dioxide penetrating into an interior or lounge is achieved by an arrangement which is arranged in the area of the fresh air supply, for example a passenger cabin, before or after the air conditioning system and which contains at least one carbon dioxide sensor. The increase or change in the carbon dioxide content of the supplied air is detected.
  • Figure 1 shows a partial diagram of a motor vehicle ventilation with air conditioning and without a heating device.
  • fresh air is fed into the system via a fresh air line.
  • recirculation air can be supplied to the system from the passenger cabin via a recirculation line 9.
  • the corresponding operating states can be set by means of the air flap 8.
  • the blower 7 is provided within the air supply.
  • the air flap 6 the air flow can be conducted via the so-called normal air line 5 into the supply line 2, from where a lounge, a passenger compartment or the like is served.
  • the air flap 6 it can also be decided that at least partial quantities of the air are passed through the cooling line 3 so that they flow through an air conditioning system 1.
  • a carbon dioxide sensor 41 is positioned immediately behind the air conditioner 1. Its position is therefore before the normal air line 5 and the cooling air line 6 are brought together again.
  • the advantage of this installation variant, in which the sensor is attached directly after the cooling fins of the air conditioning system, is that a combined installation of the sensor in a self-monitoring climate module is possible, so that no constructive changes to the system of
  • Air supplies are necessary.
  • the additional and significant advantage is the detection of a carbon dioxide leak even when the lower airway is active, i.e. when the air conditioning system is switched off.
  • Theoretically there would also be an advantage in achieving an optimally quick response of the sensor to rising carbon dioxide values. However, this is put into perspective by the high flow velocities of the air in the system.
  • the carbon dioxide sensor 42 is positioned behind the junction of the normal air line 5 with the cooling air line 3, within the supply line 2. This positioning of the carbon dioxide sensor 42 offers the advantage that both air flows in the normal air line 5 and in the cooling air line 3 are monitored , This allows an additional monitoring function of the sensor to be implemented. If the air conditioning system is used and an alarm signal is generated due to the high carbon dioxide content at the sensor, it is possible to switch to the airway via the normal air line 5. If the alarm value of the carbon dioxide sensor then disappears, it can be clearly concluded that the air conditioning system is leaking. Countermeasures can then be triggered, for example. If the alarm value is not reset, it can be concluded that the sensor is malfunctioning and further actions are not taking place. Malfunctions of a sensor occur for example in the case of massive cross-sensitivities due to other interfering gases.
  • Figure 3 shows a variant with two carbon dioxide sensors 42, 43.
  • a sensor is arranged in front of the air conditioning system in the cooling air line 3 and a sensor behind the merging of the normal air line and cooling air line 3 within the supply line 2.
  • This variant of a two-sensor system wherein A sensor in any position in the air flow before and a sensor after the air conditioning system results in a much better information structure.
  • the ratio of the signals from the sensors 42, 43 is compared. If any disturbance due to environmental influences occurs, this will have a comparable effect on both sensors 42, 43. Only a leak in the air conditioning system 1 will generate a signal which is only detected by the sensor 42 in the supply line 2. In this way, environmental disturbances can be largely eliminated.
  • the air recirculation flap 8 is switched automatically.
  • the moisture and carbon dioxide content in the circulated air increases considerably.
  • the increase in air humidity which can be seen from the fogging of the windows, can be eliminated by air drying the air conditioning system.
  • the increase in the carbon dioxide concentration causes the dangers already mentioned.
  • a carbon dioxide sensor can be used to detect an unauthorized increase in the carbon dioxide concentration and, if necessary, it can also be switched to the supply of fresh air. In Figure A, this has only limited advantages with regard to the detection of a leak.
  • a combination of suitable gas sensors and suitable positioning of the sensors can accordingly be used to reliably detect a carbon dioxide leak in an air conditioning system 1. be used within the supply air system and suitable evaluation of the signals.
  • gas sensors as measuring transducers which are based on reading out the change in the work function.
  • the presence of carbon dioxide produces a change in the work function on a sensitive material, which changes the conductivity in the channel of a field effect transistor structure in the case of suitable geometric structures.
  • a change in a source-drain current can thus be easily coupled into a readout electronics.
  • a basic diagram of such a transducer is shown in FIG. 4.
  • the basic diagram of a field effect transistor is shown, which acts as a gas sensor, in particular for the detection of carbon dioxide.
  • the voltage .DELTA.U generated by the gas on the sensitive layer acts as an additional gate voltage on the field effect transistor structure.
  • a substrate is shown with a channel region positioned centrally or centrally, which is delimited by the source S and drain D doping.
  • the gas sensitive layer 11 is applied to the spaced gate electrode.
  • the sample gas passes through the passage between the gate electrode and substrate with the appropriate structure.
  • the voltage between gate and substrate V Q is varied by an additional voltage ⁇ U in the presence of a target gas.
  • a special selection of gas-sensitive materials is required for the gas-sensitive layer.
  • Compounds or connection stacks are used as sensitive layers or multilayer layer systems which contain ionic or nonionically bound carbon ions or hydrogen carbonate ions on at least one boundary surface. These carbonate ions or hydrogen carbonate ions can either be contained in the basic substances, the sensitive material being a carbonate directly, preferably barium carbonate, or they can only be removed by a subsequent aftertreatment. form. Aftertreatment consists, for example, of reactive tempering in a carbon dioxide-containing atmosphere.
  • mixed systems of barium or strontium oxide with other metal oxides are provided in particular as starting substances for a sensitive layer. Mixed oxides which contain barium or strontium in excess are particularly advantageous, so that a carbonate-containing phase can form as a result of aftertreatment.
  • Operation in which carbon dioxide sensors operate on the principle of measuring changes in work function when a target gas appears can be done in a particularly advantageous manner at room temperature.
  • the entire structure is heated at temperatures of typically 85 ° C to 130 ° C.
  • an electrical heating structure made of a material with a sufficiently high temperature response of the resistor must be provided in the construction. This can be achieved, for example, by a platinum thick or thin layer.
  • the entire sensor is optionally heated to a temperature of approx. 100 ° C., whereby regeneration of the sensor layer and thus ensuring the required sensor life is achieved.
  • the evaluation methods of different arrangements for monitoring an air conditioning system can be different.
  • Alarm triggering in a sensor system described is characterized in that the total carbon dioxide concentration is monitored, for example, in a passenger compartment by the absolute signal of at least one sensor.
  • the temporal rise and fall in carbon dioxide of the at least one sensor in the cooling air supply is evaluated.
  • Maximum threshold values for the coal Indoor dioxide concentration and for the increase in the carbon dioxide concentration in the air supply is used as a limit for triggering an alarm.
  • a zero point stability of the sensor is not necessary, since normally a basic value of the concentration is assumed which corresponds to the atmospheric carbon dioxide concentration of 400 ppm.
  • the carbon dioxide signal is determined by a sensor with one of the gas-sensitive layers described above and is possibly cleaned of signals from cross-sensitivities. This is done by using sensors with the same detection principle, which, however, only detect interfering gases.
  • a punctiform leakage of an evaporator of the air conditioning system 1 has the consequence that the carbon dioxide is primarily in flow threads (laminar) and is not distributed homogeneously.
  • the streak formation in the event of a leak in the air conditioning system can be evaluated during the detection.
  • high carbon dioxide concentrations in the outside air or in the exhaled air are mixed homogeneously.
  • this mixing only takes place with an increasing flow path of the air.
  • the fluctuation of the signal amplitudes of the carbon dioxide sensors can be advantageously evaluated by means of a carbon dioxide sensor system due to the formation of streaks with incomplete mixing. This fluctuation is based on the formation of streaks, which leads to rapidly changing carbon dioxide levels in succession past a sensor.
  • an array (neighboring Order of) several carbon dioxide sensors can be used. This should be positioned near a leak.
  • the streak detection on the basis of fluctuation amplitudes takes place via a single sensor.
  • a difference signal of two neighboring sensors of this array is formed, so that in the event that one sensor indicates a very high and one neighboring sensor a comparable low concentration of carbon dioxide, an alarm can be triggered at a determinable limit value.
  • Self-monitoring of such a carbon dioxide sensor system is a safety-relevant factor in motor vehicle operation. Self-monitoring of the functionality of the sensor system is therefore extremely advantageous. This can be guaranteed by the natural fluctuation of the carbon dioxide content in the surrounding atmosphere. It is monitored whether the display signal of one or more sensors has fluctuations that correspond to the natural fluctuation in the carbon dioxide content. If this is reflected in the sensor signal, the sensor is functional. If this is not the case, its function should be checked.
  • FIG. 5 shows the carbon dioxide characteristic curve for a sensitive layer of barium carbonate in moist air.
  • the temperature dependency of the sensor characteristic is specified.
  • a signal amplitude can be assigned to the ordinate in accordance with the logarithmic concentration of carbon dioxide in ppm given on the abscissa. At higher temperatures the characteristic curve shifts upwards.

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Abstract

Anordnung zur Überwachung von Klimaanlagen mit Kohlendioxid als Kühlmittel, bestehend aus: mindestens einer Klimaanlage (1), mindestens einer Zuführleitung (2) zu einem Aufenthaltsraum, mindestens einer Kühlluftleitung (3) zur Verbindung der Klimaanlage (1) mit der Zuführleitung (2), mindestens einem Sensor (41, 42, 43) zur Kohlendioxid-Messung innerhalb der Kühlluftleitung (3), wobei ein Kohlendioxid-Sensor durch einen Feldeffekttransistor mit einer gassensitiven Schicht dargestellt wird, deren Material bei Anwesenheit von Kohlendioxid eine messbare Änderung der Austrittsarbeit aufweist.

Description

Beschreibung
Anordnung und Betriebsverfahren zur Überwachung von Klimaanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung von Leckagen bei Klimaanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel, insbesondere Klimaanlagen für Automobile.
Heutige Klimaanlagen, auch die in Automobilen, werden größtenteils mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen als Kältemittel betrieben. Deren Freisetzung in einem Schadensfall bedeutet immer eine Schädigung der atmosphärischen Ozonschicht. Als umweltfreundliches, nicht korrosiv wirkendes und prinzipiell ungiftiges Kältemittel wird neuerdings Kohlendioxid eingesetzt. Falls es zu einer Undichtigkeit im Kühlsystem kommt,, kann jedoch auch hier der Fall eintreten, dass Kohlendioxid aus der Klimaanlage über die Belüftung in einen Aufenthaltsraum, beispielsweise eine Fahrgastkabine, eindringt.
Das in der natürlichen Umgebung und auch in der Raumluft mit Konzentrationen von meist 400 ppm vorhandene Kohlendioxid hat bei einem deutlichen Konzentrationsanstieg negative Folgen auf den Menschen. Bereits 1858 stellte Max von Pettenkofer fest, dass schon bei 1000 ppm Kohlendioxid zu Unwohlsein und Ermüdungserscheinungen beim Menschen führt. In verschiedenen Ländern werden deshalb 700 ppm bis 1000 ppm als maximale Kohlendioxidkonzentration für eine akzeptable Luftqualität empfohlen. Neben der Ermüdung der Menschen, die eine erhebliche Beeinträchtigung der Fahrsicherheit bewirkt, kann eine extrem Kohlendioxidkonzentration auch direkt zum Erstickungstod eines Menschen führen, so sind beispielsweise Unfälle im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Silos bekannt. Ernsthafte Schädigungen treten bei 10000 ppm auf, was 1% C02 entspricht .
Wenn von einem Kühlmittelvolumen von ca. 0,5 1 ausgegangen wird, entspricht dies bei vollständiger Verdampfung einem Gasvolumen von ca. 0,5 m^. Damit zu vergleichen ist das Volumen eines Aufenthaltsraumes, beispielsweise eine Fahrgastzel- le, welches ca. 3 m.3 betragen kann. Somit besteht die Gefahr, dass bei einem wesentlichen Leck an einer Klimaanlage die Kohlendioxidkonzentration im Fahrgastinnenraum stark ansteigen kann, selbst wenn das Ausströmen des Kohlendioxids zeitverzögert geschieht. Somit ist es wünschenswert, einen Kohlendioxidaustritt von einer Klimaanlage, die mit Kohlendioxid als Kältemittel betrieben wird, verlässlich zu bestimmen, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können. Besondere Gefahr besteht auch bei Umluftbetrieb.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit , einen Druck oder Füllstandssensor im Kühlkreislauf der Klimaanlage zu verwenden, um ein Leck anzuzeigen. Diese Methode ist sehr indirekt, da sie nicht detektiert, ob das Kohlendioxid in die Umgebung oder in eine Kühl- oder Zuführleitung zu einem Aufenthaltsraum bzw. einer Fahrgastzelle entweicht. Darüber hinaus wäre diese Methode sehr unempfindlich gegenüber einem Teilaustritt des Kohlendioxids, da hierdurch bereits inakzeptabel hohe Konzentrationen an Kohlendioxid in einem Fahrgastinnenraum erzeugt werden können.
Es ist möglich zur Kohlendioxiddetektion optische Verfahren zu verwenden wie beispielsweise die Infrarotadsorptionsbande des Kohlendioxids für einen Konzentrationsnachweis auszunutzen. Als Lichtquelle wird üblicherweise eine Glühlampe verwendet und als ellenlängenselektor ein Interferenzfilter und eine infrarotempfindliche Halbleiterdiode als Detektor. Der- artige Aufbauten stellen für den Kraftfahrzeugbereich einen hohen Kostenfaktor dar und werden durch die stark wechselnden Umgebungstemperaturen und damit verbundenen Schwankungen der Hintergrundinfrarotstrahlung sowie durch Betauung unzulässig gestört.
Weiterhin sind elektrochemische Verfahren zur Kohlendioxiddetektion bekannt. Zum einen handelt es sich dabei um die in der industriellen Gasüberwachung eingesetzten elektrochemischen Zellen mit Flüssigelektrolyten. Diese haben jedoch für den Kraftfahrzeugeinsatz zu kurze Lebensdauer, nämlich typischerweise 2 Jahre und sind relativ teuer. Die bei höheren Temperaturen von mehr als 500° C betriebenen Festelektrolyten wie bei Zirkonoxid oder Natriumionenleiter können mit einer Oberflächenmodifikation aus Karbonatsystemen hinsichtlich der Kohlendioxiddetektion zwar eine Sensitivität aufweisen, jedoch ebenso Instabilitäten und kontinuierlich sehr hohe Heiz- leistungen. Zur Kohlendioxiddetektion können ferner bekannte potentialgesteuerte Gassensoren zur Austrittsarbeitsmessung wie beispielsweise gassensitive Feldeffekttransistoren oder Mikrokelvinsonden herangezogen werden. Die Sensoren nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung können auch bei Tempera- turen weit unter 500° C betrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Detektion von Kohlendioxid in einem Belüftungssystem mit Klimaanlage, deren Kältemittel Kohlendioxid ist, bei vorhandener Undichtigkeit zu gewährleisten, um kritische Werte für Personen in entsprechend belüfteten Aufenthaltsräumen zu vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der Ansprüche 1, 13, 15, 16, 18, 20, 21. Vor- teilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Risiko von Vergiftungen bei der Leckage einer Klimaanlage, deren Kühlmittel Kohlendioxid ist, minimierbar ist, indem eine ständige Betriebsüberwachung durch Gassensoren, die Kohlendioxid detektieren, vorhanden ist. In dem Kühl- oder Klimatisierungssystem befindet sich eine Kühlluftleitung, in der die Klimaanlage integriert ist. Die Kühlluftleitung mündet in ei- ner Zuführleitung, die einen Aufenthaltsraum mit der klimatisierten Luft versorgt. Zur Kohlendioxidmessung wird im Kühlsystem mindestens ein Kohlendioxid messender Sensor positio- niert, der nach dem Prinzip der Auslesung der Änderung der Austrittsarbeit einer gassensitiven Schicht funktioniert.
Der oder die Sensoren können in vorteilhafter Weise entweder direkt hinter der Klimaanlage positioniert sein, in der Zuführleitung zum Aufenthaltsraum untergebracht sein, oder vor und hinter der Klimaanlage eingebaut sein, wobei der Sensor, der hinter der Klimaanlage detektiert, in der Zuführleitung 2 positioniert ist. Mit diesen drei vorteilhaften Ausgestaltun- gen sind jeweils unterschiedliche Zielsetzungen bezüglich der Kohlendioxiddetektion bzw. der Überwachung der Klimaanlage auf Leckage erzielbar. Eine in der Regel zur Kühlluftleitung parallel laufende Normalluftleitung mündet in Flussrichtung in die Kühlluftleitung, bevor diese in die Zuführleitung übergeht. Der Vorteil der Einbauvariante eines Sensors vor der Klimaanlage besteht darin, dass ein selbstüberwachendes Klimamodul realisierbar ist. Zudem kann eine Kohlendioxidleckage auch erkannt werden, wenn die Klimaanlage ausgeschaltet und die Normalluftleitung in Betrieb ist.
Der Vorteil einer Sensorpositionierung hinter der Klimaanlage liegt darin, dass eine zusätzliche Überwachungsfunktion des Sensors realisierbar ist. Wenn die Klimaanlage benutzt wird, tritt bei einem Kohlendioxidleck in der Klimaanlage ein hoher Konzentrationswert auf. Verschwindet das hohe Kohlendioxidsignal, wenn die Klimaanlage ausgeschaltet, die Normalluftleitung aktiviert und erneut gemessen wird, so ist dies ein eindeutiger Hinweis auf eine Leckage.
Die Überwachung einer Klimaanlage mit zwei Kohlendioxidsensoren, ein Sensor vor und ein Sensor nach der Klimaanlage, ergibt einen wesentlich verbesserten Informationsgehalt, indem eine Leckage dadurch erkennbar ist, dass das Verhältnis der Signale der beiden Sensoren ausgewertet wird. Von außen ein- wirkende Umwelteinflüsse mit veränderlichem Kohlendioxidgehalt, sowie eventuell Störsignale durch andere Gase, müssten sich an beiden Sensoren auswirken. Steigt lediglich der Koh- lendioxidgehalt hinter der Klimaanlage, so liegt eindeutig eine Leckage vor.
Der Einsatz von Gassensoren, die nach dem Prinzip der Ausle- sung der Änderung der Austrittsarbeit funktionieren, ist mit dem Vorteil verbunden, diese Sensoren auch bei Raumtemperatur betreiben zu können. Zur Kompatibilität mit geforderten Umgebungstemperaturen, wie beispielsweise benachbarter aufgeheizter Bestandteile, werden diese Sensoren jedoch auf ca. 85° C bis 130° C aufgeheizt. Zuverlässige Sensorsignale sind bereits bei Betriebstemperaturen zwischen 40 und 60 ° C erzielbar.
Besonders vorteilhafte Materialien für die sensitive Schicht von Kohlendioxidsensoren beinhalten zumindest teilweise Karbonationen. Es können verschiedene Karbonate und diese in verschiedenen Modifikationen in die gassensitive Schicht eingebracht werden, wobei es besonders vorteilhaft ist, Bariumkarbonat zu verwenden. Weiterhin ist der Einsatz von Misch- Systemen aus Barium oder Strontiumoxid vorteilhaft, wobei in einer Nachbehandlung die Karbonatphase entsteht.
Zur weiteren Detektionssicherheit ist der Einsatz von Gassensoren vorteilhaft, die ausschließlich Störgase detektieren, so dass Querempfindlichkeiten bezogen auf die hauptsächlichen Detektionssignale der Kohlendioxidsensoren eliminierbar sind.
Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrie- ben.
Figur 1 zeigt ein Teilschema einer Kraftfahrzeugbelüftung mit Klimaanlage und ohne Heizung, sowie Verteilerschieber für verschiedene Luftaustritte,
Figur 2 zeigt eine Anordnung entsprechend Figur 1 mit einer anderen Positionierung des Kohlendioxidsensors, Figur 3 zeigt eine Anordnung entsprechend Figur 1 mit zwei an unterschiedlichen Positionen angeordneten Kohlendioxidsensoren,
Figur 4 zeigt ein Prinzipbild eines Feldeffekttransistors zur Gasdetektion mit einer gassensitiven Schicht,
Figur 5 zeigt die Kohlendioxidkennlinie von Bariumkarbonat als Sensormaterial in feuchter Luft, sowie deren
Temperaturabhängigkeit .
Die Aufgabe der Detektion von in einem Innenraum bzw. Aufenthaltsraum eindringenden Kohlendioxid wird durch eine Anord- nung gelöst, welche im Bereich der Frischluftzufuhr beispielsweise einer Fahrgastkabine nach bzw. vor und nach der Klimaanlage angebracht ist und mindestens einen Kohlendioxidsensor enthält. Dabei wird der Anstieg bzw. die Veränderung des Kohlendioxidgehaltes der zugeführten Luft detektiert.
Zur Positionierung der Kohlendioxidsensoren werden drei unterschiedliche hauptsächliche Positionierungsarten der Sensoren innerhalb des Zuluftsystems beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Teilschema einer Kraftfahrzeugbelüftung mit Klimaanlage und ohne Heizvorrichtung. Entsprechend der allgemeinen Luftströmung von links nach rechts wird im System über eine Frischluftleitung Frischluft zugeführt. Für den allgemein bekannten Umluftbetrieb ist über eine Umluftleitung 9 dem System Umluft aus der Fahrgastkabine zuführbar. Mittels der Luftklappe 8 können die entsprechenden Betriebszustände eingestellt werden. In Anschluss an die Luftklappe 8 ist innerhalb der Luftzufuhr das Gebläse 7 vorgesehen. Durch die Luftklappe 6 kann der Luftstrom über die sogenannte Normal- luftleitung 5 in die Zuführleitung 2 geleitet werden, von wo ein Aufenthaltsraum, eine Fahrgastzelle oder ähnliches bedient wird. An der Luftklappe 6 kann auch entschieden werden, dass zumindest Teilmengen der Luft über die Kühlleitung 3 geführt werden, so dass sie durch eine Klimaanlage 1 strömen. In Figur 1 ist ein Kohlendioxidsensor 41 unmittelbar hinter der Klimaanlage 1 positioniert. Seine Position liegt somit vor der erneuten Zusammenführung von Normalluftleitung 5 und Kühlluftleitung 6. Der Vorteil dieser Einbauvariante, bei der der Sensor unmittelbar nach den Kühlrippen der Klimaanlage angebracht ist, liegt darin, dass ein kombinierter Einbau des Sensors in einem selbstüberwachenden Klimamodul möglich ist, so dass keine konstruktiven Abänderungen an dem System der
LuftZuführungen notwendig sind. Der zusätzliche und wesentliche Vorteil besteht in der Erkennung eines Kohlendioxidlecks auch, wenn der untere Luftweg aktiv ist, das heißt wenn die Klimaanlage ausgeschaltet ist. Theoretisch bestünde auch ein Vorteil darin, ein optimal schnelles Ansprechen des Sensors auf steigende Kohlendioxidwerte zu erzielen. Dies wird jedoch durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Luft in dem System relativiert.
In Fig. 2 ist der Kohlendioxidsensor 42 hinter der Zusammenführung der Normalluftleitung 5 mit der Kühlluftleitung 3 positioniert, innerhalb der Zuführleitung 2. Diese Positionierung des Kohlendioxidsensors 42 bietet den Vorteil, dass beide Luftströme sowohl in der Normalluftleitung 5 als auch in der Kühlluftleitung 3 überwacht werden. Hierdurch kann eine zusätzliche Überwachungsfunktion des Sensors implementiert werden. Wenn die Klimaanlage benutzt wird und aufgrund hoher Kohlendioxidgehalte am Sensor ein Alarmsignal generiert wird, kann auf den Luftweg über die Normalluftleitung 5 umgeschal- tet werden. Falls daraufhin der Alarmwert des Kohlendioxidsensors verschwindet, kann eindeutig auf eine Undichtigkeit der Klimaanlage geschlossen werden. Daraufhin können beispielsweise Gegenmaßnahmen ausgelöst werden. Wenn der Alarmwert nicht zurückgestellt wird, kann auf eine Fehlfunktion des Sensors geschlossen werden und es unterbleiben weiterführende Aktionen. Fehlfunktionen eines Sensors treten bei- spielsweise bei massiven Querempfindlichkeiten durch andere störende Gase auf.
Figur 3 zeigt eine Variante mit zwei Kohlendioxidsensoren 42, 43. Ein Sensor ist vor der Klimaanlage in der Kühlluftleitung 3 angeordnet und ein Sensor hinter der Zusammenführung von Normalluftleitung und Kühlluftleitung 3 innerhalb der Zuführleitung 2. Diese Variante eines Zwei-Sensor-Syste es, wobei ein Sensor in beliebiger Lage im Luftstrom vor und ein Sensor nach der Klimaanlage angeordnet ist, ergibt eine wesentlich bessere Informationsstruktur. Verglichen wird zur Erkennung einer Kohlendioxidleckage an der Klimaanlage 1 das Verhältnis der Signale der Sensoren 42, 43. Falls irgendeine Störung durch Umwelteinflüsse auftritt wird sich dies in vergleichba- rer Form an beiden Sensoren 42, 43 auswirken. Nur eine Leckage der Klimaanlage 1 wird ein Signal generieren, welches ausschließlich von dem Sensor 42 in der Zuführleitung 2 detek- tiert wird. Somit können Umwel Störungen weitgehend eliminiert werden.
Bei modernen mit einem Luftqualitätssensor ausgestatteten Fahrzeugen wird die Umluftklappe 8 automatisch geschaltet. Im Umluftbetrieb steigt in der umgewälzten Luft der Gehalt an Feuchte sowie an Kohlendioxid erheblich. Der Anstieg der Luftfeuchte, was am Beschlagen der Scheiben zu erkennen ist, kann durch die Lufttrocknung der Klimaanlage eliminiert werden. Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration bewirkt jedoch die bereits genannten Gefahren. Bei den Ausführungen nach Figur 2 und Figur 3 kann ein Kohlendioxidsensor zur Detektion eines unerlaubten Anstieges der Kohlendioxidkonzentration verwendet werden und es kann gegebenenfalls auch auf Frischluftzufuhr umgestellt werden. In Figur A hat dies nur begrenzte Vorteile hinsichtlich der Detektion einer Leckage.
Zur verlässlichen Detektion einer Kohlendioxidleckage in einer Klimaanlage 1 kann demnach eine Kombination aus geeigneten Gassensoren, geeigneter Positionierung der Sensoren in- nerhalb des Zuluftsystemes und geeigneter Auswertung der Signale eingesetzt werden. Bezüglich der relativ hohen Anforderungen in der Automobilindustrie ist dabei auf eine einwandfreie technische Funktionalität zu achten. Dies wird erfin- dungsgemäß dadurch gewährleistet, dass als Messwandler Gassensoren eingesetzt werden, die auf der Auslesung der Änderung der Austrittsarbeit basieren. Bei diesen Gassensoren erzeugt die Anwesenheit von Kohlendioxid eine Änderung der Austrittsarbeit an einem sensitiven Material, welches bei geeig- neten geometrischen Aufbauten die Leitfähigkeit im Kanal einer Feldeffekttransistorstruktur verändert. Somit kann eine Änderung eines Source-Drain-Stromes einfach in eine Auslese- elektronik eingekoppelt werden. Ein Prinzipbild eines derartigen Messwandlers gibt die Figur 4 wieder. Dargestellt ist das Prinzipbild eines Feldeffekttransistors, der als Gassensor insbesondere zur Detektion von Kohlendioxid wirkt. Die an der sensitiven Schicht durch das Gas entstehende Spannung ΔU wirkt als zusätzliche Gatespannung auf die Feldeffekttransistorstruktur. Dargestellt ist ein Substrat mit einem mittig oder zentral positionierten Kanalbereich, der durch die Dotierungen Source S und Drain D begrenzt wird. Die gassensitive Schicht 11 ist auf der beabstandeten Gateelektrode aufgebracht. Das Messgas passiert den Durchgang zwischen Gateelektrode und Substrat mit entsprechender Struktur. Die Span- nung zwischen Gate und Substrat VQ wird durch eine zusätzliche Spannung ΔU bei Vorhandensein eines Zielgases variiert.
Es bedarf einer besonderen Auswahl von gassensitiven Materialien für die gassensitive Schicht. Als sensitive Schichten oder Multilayer-Schichtsysteme werden Verbindungen oder Verbindungsstapel verwendet, die ionisch oder nichtionisch gebundene Karbonationen oder Hydrogenkarbonationen an mindestens einer Begrenzungsfläche enthalten. Diese Karbonationen oder Hydrogenkarbonationen können dabei entweder in den Grundsubstanzen enthalten sein, wobei das sensitive Material direkt ein Karbonat ist, vorzugsweise Bariumkarbonat, oder sie können sich erst durch eine spätere Nachbehandlung aus- bilden. Eine Nachbehandlung besteht beispielsweise in reaktivem Tempern an kohlendioxidhaltiger Atmosphäre. Im zweiten Fall werden insbesondere als Ausgangssubstanzen für eine sensitive Schicht Mischsysteme von Barium- oder Strontiumoxid mit anderen Metalloxiden vorgesehen. Insbesondere sind solche Mischoxide vorteilhaft, die Barium oder Strontium im Über- schuss enthalten, so dass sich durch Nachbehandlung eine kar- bonathaltige Phase ausbilden kann.
Der Betrieb, in der Kohlendioxidsensoren nach dem Prinzip der Messung von Änderungen der Austrittsarbeit bei Erscheinen eines Zielgases, kann in besonders vorteilhafter Weise bei Raumtemperatur geschehen. Um jedoch Einflüsse variierender Umgebungstemperaturen oder Feuchteschwankungen im Messsignal auszuschließen sowie kurze Ansprechzeiten sicherzustellen, wird der gesamte Aufbau bei Temperaturen von typischerweise 85° C bis 130° C geheizt. Dazu ist im Aufbau eine elektrische Heizstruktur aus einem Material mit ausreichend hohem Temperaturgang des Widerstandes vorzusehen. Dies kann beispiels- weise durch eine Platin-Dick- oder Dünnschicht realisiert werden.
In regelmäßigen Abständen, beispielsweise 1 bis 4 Wochen, erfolgt optional ein Aufheizen des gesamten Sensors auf eine Temperatur von ca. 100° C, wodurch eine Regeneration der Sensorschicht und damit die Sicherstellung der benötigten Sensorlebensdauer erreicht wird.
Die Auswerteverfahren verschiedener Anordnungen zur Überwa- chung einer Klimaanlage können unterschiedlich sein. Die
Alarmauslösung in einem beschriebenen Sensorsystem zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Kohlendioxidkonzentration beispielsweise in einem Fahrgastinnenraum durch das Absolutsignal mindestens eines Sensors überwacht wird. In einer ver- besserten Variante wird der zeitliche Kohlendioxidanstieg und -abfall des mindestens einen Sensor in der Kühlluftzufuhr ausgewertet. Dabei werden maximale Schwellwerte für die Koh- lendioxidkonzentration im Innenraum und für den Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Luftzufuhr als Grenzwert für die Auslösung eines Alarmes verwendet. Eine Nullpunktsstabilität des Sensors ist nicht notwendig, da im Normalfall von einem Grundwert der Konzentration ausgegangen wird, der der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration von 400 ppm entspricht.
Das Kohlendioxidsignal wird in allen beschriebenen Varianten von einem Sensor mit einer der oben beschriebenen gassensitiven Schichten bestimmt und wird eventuell von Signalen aus Querempfindlichkeiten bereinigt. Dies geschieht durch den Einsatz von Sensoren mit gleichartigem Detektionsprinzip, die jedoch ausschließlich Störgase detektieren.
Eine punktför ige Leckage eines Verdampfers der Klimaanlage 1 hat zur Folge, dass sich das Kohlendioxid vornehmlich in Strömungsfäden (Laminar) befindet und nicht homogen verteilt ist. Um eine sichere Detektion durch den Sensor zu gewähr- leisten kann daher die Anbringung eines Verwirblers im Gasstrom vor dem Sensor vorteilhaft sein. Dadurch wird vermieden, dass ein Sensor aufgrund dieser Gasschlierenbildung blind misst.
Alternativ kann gerade die Schlierenbildung bei einer Leckage an der Klimaanlage bei der Detektion ausgewertet werden. Hohe Kohlendioxidkonzentrationen in der Außenluft oder in der Ausatemluft sind beispielsweise homogen durchmischt. Diese Durchmischung findet bei einem Kohlendioxidleck an der Kli a- anläge erst mit zunehmendem Strömungsweg der Luft statt. Somit kann mittels eines Kohlendioxidsensorsystems aufgrund der Schlierenbildung bei nicht vollständiger Durchmischung die Fluktuation der Signalamplituden der Kohlendioxidsensoren vorteilhaft ausgewertet werden. Diese Fluktuation beruht auf der Schlierenbildung, die stark wechselnde Kohlendioxidgehalte hintereinander an einem Sensor vorbei führt. Zur räumlichen Auflösung kann beispielsweise ein Array (benachbarte An- Ordnung von) mehrerer Kohlendioxidsensoren eingesetzt werden. Diese sollte in der Nähe einer Leckage positioniert sein. Die Schlierendetektion auf der Grundlage von Fluktuationsamplituden geschieht über einen Einzelsensor. In einer Array-Lösung wird beispielsweise ein Differenzsignal zweier benachbarter Sensoren dieses Arrays gebildet, so dass für den Fall, dass ein Sensor eine sehr hohe und ein benachbarter Sensor eine vergleichbar tiefe Konzentration an Kohlendioxid angibt, bei einem bestimmbaren Grenzwert ein Alarm ausgelöst werden kann.
Die Selbstüberwachung eines derartigen Kohlendioxidsensorsystems stellt einen sicherheitsrelevanten Faktor im Kraftfahrzeugbetrieb dar. Eine Selbstüberwachung der Funktionsfähigkeit des Sensorsystems ist somit äußerst vorteilhaft. Diese kann durch die natürliche Fluktuation des Kohlendioxidgehaltes der Umgebungsatmosphäre gewährleistet werden. Dabei wird überwacht, ob das Anzeigesignal eines oder mehrere Sensoren Fluktuationen aufweist, die der natürlichen Fluktuation des Kohlendioxidgehaltes entspricht. Falls dies im Sensorsignal wiedergegeben wird, ist der Sensor funktionstüchtig. Falls dies nicht der Fall ist, sollte seine Funktion überprüft werden.
In Figur 5 wird die Kohlendioxidkennlinie bei einer sensiti- ven Schicht aus Bariumkarbonat an feuchter Luft wiedergegeben. Gleichzeitig ist noch die Temperaturabhängigkeit der Sensorkennlinie angegeben. Entsprechend der auf der Abzisse logarithmisch angegebenen Konzentration von Kohlendioxid in ppm kann auf der Ordinate jeweils eine Signalamplitude zuge- ordnet werden. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich die Kennlinie nach oben.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Überwachung von Klimaanlagen mit Kohlendioxid als Kühlmittel, bestehend aus:
- mindestens einer Klimaanlage (1) ,
- mindestens einer Zuführleitung (2) zu einem Aufenthaltsraum,
- mindestens einer Kühlluftleitung (3) zur Verbindung der Klimaanlage (1) mit der Zuführleitung (2) , mindestens einem Sensor (41, 42, 43) zur Kohlendioxid- Messung innerhalb der Kühlluftleitung (3) , wobei ein Kohlendioxid-Sensor durch einen Feldeffekttransistor mit einer gassensitiven Schicht dargestellt wird, deren Material bei Anwesenheit von Kohlendioxid eine messbare Änderung der Austrittsarbeit aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Sensor (41) zur Kohlendioxid-Messung in Luftstromrichtung unmittelbar hinter der Kühlanlage (1) positioniert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, bei dem ein Sensor (42) zur Kohlendioxid-Messung in Luftstromrichtung hinter der Klimaanlage (1) und hinter einer Einmündung einer Normal- luftleitung positioniert ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, bei der sowohl ein Sensor (42) zur Kohlendioxid-Messung in Luftstromrichtung hinter der Klimaanlage (1) und hinter einer Einmündung einer Normal- luftleitung (5) und ein weiterer vor der Klimaanlage in der Kühlluftleitung (3) positioniert ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die gassensitive Schicht eines Sensors (41, 42, 43) zumindest oberflächlich aus Carbonat-Ionen oder Hydrogenkarbonat-Ionen besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Material der gassensitiven Schicht ein Karbonat ist, welches in eine Grundsubstanz eingemischt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der das Karbonat Bariumkarbonat (BaCOß) ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6, bei der das Material der gassensitiven Schicht aus einem Mischsystem von Barium- oder Strontiumoxid mit einem anderen Metalloxid ist, bei dem eine karbonathaltige Phase durch Nachbehandlung generierbar ist.
9. Anordnung nach Anspruch 6, bei der das Material der gas- sensitiven Schicht aus Mischoxiden mit einem Überschuss von Barium oder Strontium besteht, so dass eine karbonathaltige Phase durch Nachbehandlung generierbar ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zusätzliche Sensoren nach dem gleichen Detekti- onsprinzip zur Messung von Störgasen vorgesehen sind.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Gasstrom vor einem Sensor ein Verwirbler vorgese- hen ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Sensoren zur C02-Messung zur Detektion von Schlieren gegenseitig benachbart angeordnet sind.
13. Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Cθ2-Messung in einer Anordnung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12, bei dem der Sensor (41, 42, 43) auf eine Temperatur von zwischen 40-130°C aufgeheizt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in regelmäßigen Abständen ein kurzzeitiges Aufheizen des gesamten Sensors auf ca. 150 - 200°C geschieht.
15. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen einer Anordnung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem zur Detektion von Schlieren die Fluktuationsamplituden und/oder Frequenzen eines Einzelsensors ausgewertet werden.
16. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen einer Anordnung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 12 , bei dem zur Detektion von Schlieren die gleichzeitige Auflösung mehrerer benachbarter Sensoren zur Kohlendioxid-Messung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Maximalgrenzwert für ein Differenzsignal zweier benachbarter Sensoren definiert ist, an dem ein Alarm ausgelöst wird.
18. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen einer Anordnung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem mit einem Sensor die Kohlendioxid-Konzentration in einem Aufenthaltsraum durch das Absolutsignal mindestens eines Sensor überwacht wird und weiterhin der zeitliche Kohlendioxidanstieg und -abfall durch mindestens einen Sensor in der Zuführleitung (2) ausgewertet wird, wobei jeweils maximale Schwellwerte sowohl für die Kohlendioxidkonzentration im Aufenthaltsraum als auch für den Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Luftzufuhr festgesetzt werden können.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem zur Selbstüberwachung der Funktionsfähigkeit eines Koh- lendioxidsensors dessen Sensorsignal dahingehend überwacht wird, ob die natürliche Fluktuation des Kohlendi- oxidgehaltes in der Umgebungsatmosphäre im Sensorsignal wiedergegeben wird oder nicht.
20. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen einer Anord- nung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein im Betrieb der Klimaanlage (1) auftretender maximaler Grenzwert des Kohlendioxidgehaltes vom Sensor (41, 42) detektiert wird, die Kühlluftleitung (3) daraufhin geschlossen wird und eine Normalluftleitung (5) aktiviert wird, wobei, falls das Sensorsignal danach stark absinkt, auf ein Leck an der Klimaanlage (1) geschlossen werden kann.
21. Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen einer Anord- nung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Sensor ohne Nullpunktsstabilität eingesetzt wird, wobei das Grundsignal interpretiert wird als eine Kohlendi- oxidkonzentration von 400 ppm und ein Anstieg des Sensorsignales auf 1% Kohlendioxidkonzentration in einem Zeit- räum von wenigen Minuten zur Alarmauslösung verwendet wird.
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