DE102015006189A1

DE102015006189A1 - Verfahren zur zulässigen Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage sowie Fahrzeugkälteanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102015006189A1
Application number: DE102015006189.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Rebinger; Dirk Schroeder; Hans Hammer; Helmut Rottenkolber; Matthias Meier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-05-16
Also published as: DE102015006189B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1) mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen von Komponenten eines Kältemittelkreislaufes und Verbinden derselben mittels Kältemittelleitungen, wobei der Kältemittelkreis ein aus den Komponenten und den Kältemittelleitungen bestehendes Gesamt-Anlagevolumen (VA) aufweist, Bestimmen einer optimalen Füllmenge (mopt) an Kältemittel für das gegebene Gesamt-Anlagevolumen (VA) in Abhängigkeit wenigstens einer der Parameter Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, Fahrgeschwindigkeit, Sonnenlast, zu konditionierende Luftmenge, Luftklappenstellung, Bereitstellen eines Zusatzvolumens (Vzu) als Puffervolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) in dem Kältemittelkreislauf (1) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3), Bestimmen einer optimalen Zusatzfüllmenge (mopt,zu) an Kältemittel für das Zusatzvolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6), welche unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes (1) das Zusatzvolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.1.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) ausfüllt, und Befüllen des Kältemittelkreislaufes (1) mit einer der Summe aus der optimalen Füllmenge (mopt) und der optimalen Zusatzfüllmenge (mopt,zu) entsprechenden neuen optimalen Füllmenge (mopt,neu) an Kältemittel. Die Erfindung betrifft ferner eine Fahrzeugkälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf sowie eine Fahrzeugkälteanlage zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Einsatz von Kältemittelkreisläufen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckanlagenverdampfer. Je nach Verschaltung und aktivem Betrieb der jeweiligen Wärmeübertragung variiert der Bedarf an benötigtem aktivem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben dem Frontverdampfer als mindestens einen Innenraumverdampfer eine separate Kühlvorrichtung zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Eine solche Kühlvorrichtung kann mittels des Kältemittelkreislaufs realisiert werden und wird als aktive Batteriekühlung bezeichnet. Eine solche Kühlvorrichtung wird als Wärmeübertrager realisiert, der als Verdampfer (durch Kühlen eines Luftstromes) bzw. als Chiller (durch Kühlen von Wasser) arbeitet.
Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs der Fahrzeugklimaanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In seiner Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt bzw. indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugklimaanlage, ob also geheizt bzw. gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertrager aktiv betrieben werden, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an aktivem bzw. tatsächlich benötigtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
Die unterschiedlichen Betriebsweisen einer solchen Kälteanlage können somit je nach Verschaltung der Komponenten unterschiedliche Kältemittelfüllmengen als Optimum benötigen.
Bei Kohlendioxid (R744) als Kältemittel wird für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Fahrzeugs im Rahmen einer Füllmengenbestimmung die für die jeweilige Prozessverschaltung optimale Füllmenge bestimmt. Bei diesem Kältemittel R744 besteht die Besonderheit, dass neben der optimalen Füllmenge auch eine Vorschrift für die maximal zulässige Füllmenge existiert, die direkt an das Anlagenvolumen gekoppelt ist. Gemäß DIN-Spec. bzw. Systemlastenheft beträgt der maximal zulässige Wert aktuell 250 g/l, d. h. pro Liter Anlagenvolumen dürfen maximal 250 g Kältemittel zugefüllt werden. Dieser Wert wird aktuell für den Ruhezustand der Anlage aus Druck und Temperatur von 93 bar bei 60°C definiert. Hintergrund ist der Schutz der Niederdruckseite bei hohen Umgebungslasten bei inaktiven Kälteanlagen gegenüber einer zu hohen mechanischen Belastung aufgrund eines zu hohen sich einstellenden Ruhedrucks.
Bei standardmäßig aufgebauten R744-Kälteanlagen ist allerdings die Differenz zwischen dem Wert der optimalen Füllmenge und der maximal zulässigen Füllmenge nicht groß. Üblicherweise liegt die Differenz zwischen beiden Werten bei 20 bis 50 g.
Werden einerseits die Puffermengen bei herkömmlichen Anlagen mit Beträgen von 50 bis 150 g (Lebensdauerfüllung) und andererseits mögliche Toleranzen an den Befüllapparaturen von Bandanlagen innerhalb der Produktion und Servicegeräten im Kundendienst und Werkstätten betrachtet, so ist die oben genannte zufüllbare Differenz von 20–50 g zu gering. Es können daher frühzeitige Werkstattaufenthalte für den Kunden wegen Kältemittel-Verlusten oder Kältemittel-Mangel sowie Überfüllungen und Überschreitungen der 250 g/l-Vorgabe auftreten.
Daher muss in einer Fahrzeugkälteanlage sowohl eine Überfüllung oder eine Unterfüllung als auch eine Überschreitung der 250 g/l-Vorgabe vermieden werden. Wenn zu wenig Kältemittel-Öl-Gemisch im Kältemittelkreislauf vorhanden ist, kann dies zu einer Schädigung des Verdichters durch Ölmangel führen. Aus dem Stand der Technik sind Konzepte zur Überwachung des Kältemittelfüllgrades bekannt, die jedoch eine aufwändige Sensorik benötigen und daher zu hohen Kosten führt. Beispielhaft sei hierzu auf die DE 10 2007 021 874 A1 verwiesen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Füllstandserhöhung einer Fahrzeugkälteanlage anzugeben, so dass ein ausreichender Abstand zwischen dem Wert der optimalen Füllmenge und der maximal zulässigen Füllmenge der Kälteanlage als Teil der Fahrzeugklimaanlage realisiert wird und damit gleichzeitig ein Puffer bereitgestellt wird, mit dem auch mögliche Leckagen und Betriebsmittelverluste über die Fahrzeuglebensdauer kompensierbar sind. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Fahrzeugkälteanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Füllstands- bzw. Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

– Bereitstellen folgender Komponenten: wenigstens einen Verdampfer, ein Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler, einen Akkumulator, er und ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsorgan,
– Verbinden der Komponenten mittels einer Kältemittelleitung zur Bildung des ein aus der Summe der Einzelvolumina aller Komponenten und Kältemittelleitungen gebildeten Gesamt-Anlagevolumen aufweisenden Kältemittelkreislaufs, wobei der Akkumulator in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Verdampfer nachgeschaltet wird,
– Bestimmen einer optimalen Füllmenge an Kältemittel für das gegebene Gesamt-Anlagevolumen in Abhängigkeit wenigstens einer der Parameter Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, Fahrgeschwindigkeit, Sonnenlast, zu konditionierende Luftmenge, Luftklappenstellung,
– Bereitstellen eines Zusatzvolumens als Puffervolumen in dem Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter,
– Bestimmen einer optimalen Zusatzfüllmenge an Kältemittel für das Gesamt-Zusatzvolumen, welche unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes das Zusatzvolumen ausfüllt, und
– Befüllen des Kältemittelkreislaufes mit einer der Summe aus der optimalen Füllmenge und der optimalen Zusatzfüllmenge entsprechenden neuen optimalen Füllmenge an Kältemittel.

Mit einem solchen Zusatzvolumen als Puffervolumen wird zum einen eine ausreichende Befüllung der Kälteanlage und somit Pufferung des Kältemittels, insbesondere bei kritischen vorliegenden Umgebungstemperaturen im Ruhezustand der Kälteanlage des Fahrzeugs erreicht, so dass ein verbessertes Kompensieren von möglichen Leckagen sichergestellt ist. Zum anderen ist aufgrund der Realisierung des Puffervolumens auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes weniger Kältemittel als optimale Zusatzfüllmenge zum Ausfüllen des Zusatzvolumens erforderlich als es dem Wert des Zusatzvolumens an einer anderen Stelle der Fahrzeugkälteanlage entsprechen würde, so dass die Summe aus dem gegebenen Anlagenvolumen und dem optimalen Zusatzvolumen im Vergleich zur neuen optimalen Füllmenge (Summe aus bisheriger optimaler Füllmenge und der optimalen Zusatzfüllmenge) überproportional ansteigt und infolgedessen die Grenze von aktuell 250 g/l deutlich unterschritten wird, d. h. es besteht ein hoher Abstand bzw. Differenz zwischen der neuen optimalen Füllmenge und der neuen sich ergebenden maximal zulässigen Füllmenge für das um das Zusatzvolumen vergrößerte Gesamt-Anlagenvolumen.
Ein Teil dieser Differenz kann weiterbildungsgemäß als Pufferfüllmenge gezielt eingesetzt werden, um zusätzlich Kältemittel für eine Lebensdauerbefüllung der Kälteanlage einzulagern, ohne mit den thermodynamischen Randbedingungen bzw. der zulässigen spezifischen Füllmenge in Konflikt zugeraten. Die neue optimale Füllmenge für den Kältemittelkreislauf mit dem Zusatzvolumen erhöht sich dann um diese Pufferfüllmenge.
Ein weiterer Vorteil bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass Toleranzen der Befüllapparaturen und Servicegeräte in Produktion und Service mittels einer solchen Pufferfüllmenge kompensiert werden bzw. dass die Fahrzeugkälteanlage jetzt unsensibler gegenüber diese Toleranzen ausgeführt ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein innerer Wärmeübertrager bereitgestellt, welcher einerseits auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zwischen dem Akkumulator und dem Verdichter und andererseits auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs zwischen dem Kondensator oder Gaskühler und dem Expansionsorgan angeordnet wird. Ein solcher innerer Wärmeübertrager wird im Gegenstromverfahren betrieben.
Das Zusatzvolumen wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch einen Zusatzbehälter gebildet, welcher mit einer Kältemittelleitung entweder zwischen dem Akkumulator und dem Verdichter oder zwischen dem Verdampfer und dem Akkumulator verbunden wird. Vorzugsweise wird der Zusatzbehälter auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes zwischen dem inneren Wärmeübertrager und dem Verdichter oder zwischen dem Akkumulator und dem inneren Wärmeübertrager oder dem Verdampfer und dem Akkumulator angeordnet. Hierbei kann der Zusatzbehälter entweder so angeordnet werden, dass er über eine Leitung an die Kältemittelleitung angeschlossen wird und dabei nicht aktiv vom Kältemittel durchströmt wird. Der Einbau und dessen Neigung bzw. Ausrichtung erfolgt dabei in der Weise, dass aufgrund der Einbaulage keine Ölfalle entsteht. Der Zusatzbehälter kann auch in der Weise eingebaut werden, dass dieser aktiv mit Kältemittel durchströmt wird. Gleichzeitig kann dieser Zusatzbehälter als Muffler (Schalldämpfer) designed werden, so dass akustische Störungen gedämpft und kompensiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Zusatzvolumen durch wenigstens eine bereichsweise Querschnittsvergrößerung der Kältemittelleitung zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter gebildet werden.
Des Weiteren sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Zusatzvolumen durch den inneren Wärmeübertrager gebildet wird.
Ferner kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Zusatzvolumen durch eine Erweiterung des Akkumulators gebildet werden.
Schließlich wird gemäß einer letzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Zusatzvolumen durch den Verdichter gebildet, wobei das Zusatzvolumen am Kältemitteleintritt des Verdichters realisiert wird.
Die aufgezeigten Möglichkeiten einer Realisierung des Zusatzvolumens können auch kombiniert werden, so dass das Zusatzvolumen in mehrere Teilvolumen aufgeteilt und im dafür vorgesehenen Systemabschnitt der Fahrzeugkälteanlage integriert wird.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 10
Eine solche Fahrzeugkälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator oder einen Gaskühler, einen Akkumulator sowie ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsorgan umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

– die Komponenten unter Bildung eines gegebenen Gesamt-Anlagenvolumens über Kältemittelleitungen verbunden sind und dem Verdampfer in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschaltet sind,
– zur Füllstandserhöhung des Kältemittelkreislaufs ein Zusatzvolumen als Puffervolumen auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zwischen dem wenigstens einen Verdampfer und dem Verdichter vorgesehen ist, und
– der Kältemittelkreislauf mit einer Summe aus einer optimalen Füllmenge und einer optimalen Zusatzfüllmenge entsprechenden neuen optimalen Füllmenge an Kältemittel befüllt ist, derart dass die optimale Zusatzfüllmenge gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt ist.

Eine solche Fahrzeugkälteanlage weist auch die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fahrzeugkälteanlage sind mit den Merkmalen der Patentansprüche 10 bis 17 gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugkälteanlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
2 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
3 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
4 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
5 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die 1 bis 5 zeigen jeweils einen Kältemittelkreislauf 1 mit identischer Grundstruktur einer Fahrzeugkälteanlage eines Fahrzeugs (nicht dargestellt), wobei in den 2 bis 5 nur ein Teil dieser Grundstruktur dargestellt ist.
Der Kältemittelkreislauf 1 dieser 1 bis 5 umfasst als Grundstruktur die folgenden Komponenten:

– einen Verdampfer 2,
– einen Kältemittelverdichter 3,
– einen Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 4,
– ein dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung R des Kältemittels vorgeschaltetes Expansionsorgan 5,
– einen Akkumulator 6, der die Funktion eines Kältespeichers erfüllt und in Strömungsrichtung R des Kältemittels dem Verdampfer 2 nachgeschaltet ist, und
– einen inneren Wärmeübertrager 7.

Der Akkumulator 6 (auch (Niederdruck-)Sammler genannt) dient in dem Kältemittelkreislauf dazu, hindurchfließendes Kältemittel in gasförmiges und flüssiges Kältemittel zu separieren. Es ist weiterhin bekannt, dass Akkumulator 6 und innerer Wärmeübertrager 7 auch als Kombibauteil ausgeführt werden können. Damit entfällt der Kältemittelleitungsabschnitt zwischen dem Akkumulator 6 und dem inneren Wärmeübertrager 7 und in diesem Fall auch die Option der vereinfachten Zwischenschaltung eines Zusatzvolumens.
In den 2 bis 5 sind der Einfachheit halber lediglich die Komponenten 6, 7 und 8 dargestellt.
Die aufgeführten Komponenten 2, 3, 4, 5, 6 und 7 sind zur Bildung des Kältemittelkreislaufes 1 über eine Kältemittelleitung 8 miteinander verbunden. Daraus ergibt sich ein gegebenes Anlagenvolumen V_A dieses Kältemittelkreislaufes 1. Als Kältemittel wird R744 (CO₂) eingesetzt.
Der innere Wärmeübertrager 7 arbeitet im Gegenstromprinzip und ist hierzu auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 zwischen dem Akkumulator 6 und den Kältemittelverdichter 3 und auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs zwischen dem Gaskühler 4 und dem Expansionsventil 5 geschaltet.
Das gezielte Anheben des Gesamt-Anlagenvolumens V_A des Kältemittelkreislaufes 1 mit den oben aufgeführten Komponenten 2, 3, 4, 5, 6 und 7 mittels einer Pufferfüllmenge an Kältemittel auf eine zunehmende Differenz zwischen einer neuen optimalen Füllmenge m_opt,neu und einer maximal zulässige Füllmenge m_opt + m_max,zul,zu in diesem Kältemittelkreislauf 1 wird im Folgenden erläutert.
Ausgehend von der oben beschriebenen Grundstruktur des Kältemittelkreislaufes 1 wird zunächst für dessen Gesamt-Anlagenvolumen V_A die optimale Füllmenge m_opt bestimmt. Dieses Verfahren zur Füllmengenbestimmung ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht im Einzelnen beschrieben.
Diese optimale Füllmenge m_opt für das Gesamt-Anlagenvolumen V_A wird in Abhängigkeit von wenigstens einem der Parameter Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, Fahrgeschwindigkeit, Sonnenlast, konditionierender Luftmenge über den wenigsten einen Verdampfer 2, Luftklappenstellung usw. bestimmt, idealerweise in Abhängigkeit von allen dieser aufgeführten Parameter.
Wie eingangs bereits erwähnt existiert auch eine Vorschrift für die maximal zulässige Füllmenge, die direkt an das Gesamt-Anlagenvolumen V_A gekoppelt ist und speziell für R744 = 250 g/l beträgt. Dieser Wert wird aktuell für den Ruhezustand der Anlage aus Druck und Temperatur von 93 bar bei 60°C definiert.
Anschließend wird ein Zusatzvolumen V_zu als Puffervolumen bereitgestellt, welches auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes zwischen dem Verdampfer 2 und dem Kältemittelverdichter 3 realisiert wird. Die unterschiedlichen Realisierungen eines solchen Zusatzvolumens V_zu sind in den 1 bis 5 dargestellt.
Gemäß den 1, 2 und 3 ist dieses Zusatzvolumen V_zu als Druckbehälter 9 bzw. 9.1 und 9.11 (vgl. 1), als Druckbehälter 9.2 (vgl. 2), oder als Druckbehälter 9.3 (vgl. 3) realisiert. In Analogie zu den Druckbehältern 9.1. und 9.11 können die Druckbehälter 9.2 oder 9.3 ähnlich umpositioniert werden.
Gemäß 1 ist der das Zusatzvolumen V_zu realisierende Druckbehälter 9 über einen Kältemittelleitungsabschnitt 8.0 mit einem Abschnitt der Kältemittelleitung 8 zwischen dem inneren Wärmetauscher 7 und dem Kältemittelverdichter 3 verbunden. Alternativ können solche Druckbehälter 9.1 auch zwischen dem Verdampfer 2 und dem Akkumulator 6, dem Akkumulator 6 und dem inneren Wärmetauscher 7 über einen Kältemittelleitungsabschnitt 8.0 mit der Kältemittelleitung 8 verbunden werden. Hierbei sind diese in Flaschenform ausgeführten Druckbehälter 9, 9.1 und 9.11 derart angeordnet, dass diese nicht aktiv von dem Kältemittel durchströmt werden können und aufgrund der Einbaulage keine Ölfalle darstellen. Die Ausführungsweise der Druckbehälter 9, 9.1 und 9.11 kann beliebig und aufgrund der Packagesituation in ihrer Gestaltung dem vorzufindenden Umfeld in idealer Weise angepasst sein. Hier bedeutet dies, dass diese Druckbehälter 9, 9.1 und 9.11 stehend und oberhalb des Kältemittelleitungsabschnittes zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem Kältemittelverdichter 3 bzw. dem Akkumulator 6 oder zwischen dem Verdampfer 2 und dem Akkumulator 6 angeordnet sind.
Die ebenso in einer Flaschenform ausgeführten Druckbehälter 9.2 und 9.3 gemäß den 2 und 3 sind liegend angeordnet mit einer Zuleitung und einem Abfluss, sodass hierdurch diese Komponenten 9.2 und 9.3 aktiv von dem Kältemittel durchströmt werden. Hierbei können diese Druckbehälter 9.2 und 9.3 als Muffler (Dämpfer) designed werden, um hierdurch akustische Störungen zu dämpfen bzw. zu kompensieren. Auch bei diesen Druckbehälter 9.2 und 9.3 ist darauf zu achten, dass es aufgrund der Einbaulage und der Position der Abgänge zu keiner Ölfalle kommt.
Für alle Druckbehälter gilt, dass das jeweilig zum Einsatz kommende Design frei wählbar ist. Grundsätzliche Funktionsvorschriften werden jedoch eingehalten.
Das Zusatzvolumen V_zu kann auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 gemäß 4 auch dadurch realisiert werden, dass der Kältemittelleitungsabschnitt 8.1 zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem Kältemittelverdichter 3 sowie der Kältemittelleitungsabschnitt 8.2 zwischen dem Akkumulator 6 und dem inneren Wärmeübertrager 7 und der Kältemittelleitungsabschnitt 8.3 zwischen dem Verdampfer 2 und dem Akkumulator 6 gegenüber den anderen Kältemittelleitungsabschnitten des Kältemittelkreislaufes 1 überdimensioniert sind, d. h. dass deren Leitungs- und/oder Schlauchströmungsquerschnitte bzw. deren Innendurchmesser größer sind als die entsprechenden Werte der Kältemittelleitungsabschnitte des Kältemittelkreislaufes 1 auf der Hochdruckseite, also zwischen den Komponenten innerer Wärmeübertrager 7, Gaskühler 4 und Expansionsventil 5.
Neben dem Volumenzugewinn hat die Leitungsquerschnittsvergrößerung auch einen positiven Effekt auf die Reduktion der Strömungs- bzw. Druckverluste im niederdruckseitigen Abschnitt des Kältemittelkreislaufes 1, was wiederum Effizienzzugewinne mit sich bringt.
Schließlich kann das Zusatzvolumen V_zu auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes gemäß 5 auch in die Komponenten, nämlich in den Akkumulator 6, den inneren Wärmeübertrager 7 und/oder den Kältemittelverdichter 3 integriert werden. Deren Bauraumbedarf bzw. Gesamtvolumen nimmt dadurch zu.
Hinsichtlich des Kältemittelverdichters 3 wird das Zusatzvolumen V_zu als Puffervolumen 9.4 an dessen Kältemitteleintritt idealerweise als Mufflervolumen (d. h. mit einer geräuschdämpfenden Eigenschaft) integriert. Somit wird in diesem Fall das Zusatzvolumen V_zu in eine Komponente des Kältemittelkreislaufes 1 eingebunden.
Auch das Volumen des Akkumulators 6 wird entsprechend des Zusatzvolumens V_zu mit einem Puffervolumen 9.6 erhöht. Somit kann auch dieser Akkumulator 6 als vorhandenes Bauteil des Kältemittelkreislaufes 1 zur Füllmengenanhebung eingesetzt werden.
Das Volumen des inneren Wärmeübertragers 7 wird nur auf dessen Niederdruckseite durch ein Puffervolumen 9.5 erhöht.
In Abhängigkeit des Zusatzvolumens V_zu der realisierten Puffervolumen 8.1, 8.2, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5 und 9.6 wird zu deren Befüllung eine optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu bestimmt. Um das Zusatzvolumen V_zu mit Kältemittel „auszufüllen” ist aufgrund der Realisierung des Puffervolumens auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 weniger Kältemittel als Zusatzfüllmenge m_opt,zu erforderlich, als es dem Wert des Zusatzvolumens entsprechen würde oder es an anderen Stellen des Kältemittelkreislaufes 1 der Fall wäre.
Beträgt bspw. das Zusatzvolumen V_zu = 100 ml und ist dieses Zusatzvolumen als Druckbehälter 9, 9.2, 9.3 oder als Querschnittsvergrößerung mittels des Kältemittelleitungsabschnittes 8.1 realisiert, könnte dieses Zusatzvolumen mit ungefähr 25 g Kältemittel als maximal zulässige Zusatzfüllmenge m_max,zul,zu befüllt werden, die durch den Grenzwert von 250 g/l für R744 bestimmt ist. Da das Zusatzvolumen V_zu als Puffervolumen auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreises 1 realisiert wird, sind jedoch zum Ausfüllen des Zusatzvolumens V_zu lediglich 10 g Kältemittel als optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu erforderlich.
Die optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu kann einerseits rechnerisch auf Basis der sich einstellenden Druck- und Temperaturwerte im Rahmen der bekannten Füllmengenbestimmung zur Ermittlung der optimalen Füllmenge unter Einbeziehen der Kältemittel-Stoffdaten und der geometrischen Angaben des Zusatzvolumens V_A bestimmt werden. Alternativ wird die Füllmengenbestimmung mit einer das Zusatzvolumen aufweisenden Fahrzeugkälteanlage erneut im Fahrzeug durchgeführt und die neue optimale Füllmenge m_opt,neu wird folglich nach den dem Fachmann bekannten Methoden experimentell bestimmt.
Der Kältemittelkreislauf 1 wird mit einer der Summe (m_opt,alt + m_opt,zu) aus der ursprünglichen optimalen Füllmenge m_opt (= m_opt,alt) und der optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu entsprechenden Füllmenge an Kältemittel als neue optimale Füllmenge m_opt,neu basisbefüllt, wobei das neue Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu um das Zusatzvolumen V_zu erhöht ist, d. h. es gilt V_A,neu = V_A + V_zu.
Da die optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu geringer ist als die aufgrund des Grenzwertes von 250 g/l sich ergebende maximal zulässige Zusatzfüllmenge m_max,zul,zu steigt das ursprüngliche Anlagenvolumen V_A auf den neuen Wert V_A,neu überproportional im Vergleich zur neuen optimalen Füllmenge an, die lediglich von m_opt auf m_opt,neu = m_opt + m_opt·zu ansteigt.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel mit einem Zusatzvolumen von V_zu = 100 ml und einer optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu von 10 g Kältemittel bedeutet dies, dass die Differenz von (m_max,zul,zu – m_opt,zu) = 15 g zu den maximal möglichen m_max,zul,zu = 25 g Kältemittel nicht genutzt wird. Dies führt dazu, dass die Grenze von 250 g/l unterschritten wird und dennoch die Fahrzeugkälteanlage ordnungsgemäß betrieben werden kann. Dieses der Differenz (m_max,zul,zu – m_opt,zu) entsprechende Teilvolumen des Zusatzvolumens V_zu kann jetzt gezielt eingesetzt werden, um zusätzlich eine Pufferfüllmenge m_puf,zu an Kältemittel für eine Lebensdauerbefüllung der Kälteanlage einzulagern, ohne mit den thermodynamischen Randbedingungen bzw. der zulässigen spezifischen Füllmenge in Konflikt zu geraten.
Der Einbauort des Druckbehälters 9 gemäß 1 zwischen dem inneren Wärmeübertrager 7 und dem Kältemittelverdichter 3 ist besonders vorteilhaft, da während des Prozessbetriebes hier die geringsten Dichten auftreten, also dort der Bedarf an Masse der optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu am niedrigsten ist. Dies gilt ebenso für die Druckbehälter 9.2 und 9.3 gemäß den 2 und 3. Hierauf bezieht sich auch das Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Bestimmung der optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu für ein Zusatzvolumen V_zu von 100 ml. Werden andere Realisierungen für das Zusatzvolumen V_zu gewählt, so können in der Theorie die obigen Beispielwerte hoch- bzw. herunterskaliert werden bzw. sind nach bekannten Methoden neu zu bestimmen. Ändern sich die Positionen des Zusatzvolumens V_A im Bereich zwischen Verdampfer 2 und Verdichter 3, so ergeben sich aufgrund von anderen Drücken, Temperaturen andere Dichten und somit auch andere Werte für die Zusatzfüllmengen m_opt,zu und infolgedessen andere resultierenden Pufferfüllmengen m_puf,zu. Die aufgrund des Grenzwertes 250 g/l vorgegebene maximal zulässige Zusatzfüllmenge m_max,zul,zu für das Zusatzvolumen V_zu bleibt unverändert.
Zusammenfassend weist das anhand der 1 bis 5 erläuterte erfindungsgemäße Verfahren zur Füllstandserhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit dem Zusatzvolumen V_zu und der dazugehörigen optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu folgende Vorteile auf:

– die Differenz (m_max,zul.zu – m_opt,zu) zwischen der optimalen Füllmenge m_opt,zu und der aufgrund des Grenzwertes 250 g/l maximal zulässigen Füllmenge m_max,zul.zu wird wesentlich erhöht,
– wird die optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu vollständig oder mit einem Teil der Differenz (m_max,zul,zu – m_opt,zu) als Pufferfüllmenge m_puf,zu für eine sogenannte Lebensdauerbefüllung erhöht, können mögliche Leckagen kompensiert werden,
– die optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu, gegebenenfalls zusammen mit einer Pufferfüllmenge m_puf,zu, ermöglicht die Kompensation von Toleranzen der Befüllapparaturen und den Servicegeräten in Produktion und Service, und
– trotz der optimalen Zusatzfüllmenge m_opt,zu und gegebenenfalls einer Pufferfüllmenge m_puf,zu an Kältemittel wird die Begrenzung von 250 g/l an Kältemittel eingehalten.

Die neue resultierende Pufferfüllmenge m_puf,res,neu für einen mit dem Zusatzvolumen V_A auf ein neues Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu erhöhter Kältemittelkreislauf 1 ergibt sich aus der Summe des bisherigen Puffervolumens m_puf der Fahrzeugkälteanlage in ihrem Basisdesign (also ohne Zusatzvolumen V_A) und der Pufferfüllmenge, bedingt durch das eingebundene Zusatzvolumen V_A und lässt sich wie folgt beschreiben: m_puf,res,neu = m_puf + m_puf,zu
Die finale Auslegung des Design der Druckbehälter 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, insbesondere des notwendigen Zusatzvolumens muss für jedes System eine Fahrzeugkälteanlage separat bewertet und durchgeführt werden.
Die anhand der 1 bis 5 beschriebene Erfindung ist unabhängig von der Wahl des eingesetzten Kältemittels einsetzbar. Neben dem Kältemittel R744 können auch chemische Betriebsstoffe, wie bspw. R134a und R1234yf, in den oben beschriebenen Kälteanlagen eingesetzt werden. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere jedoch für Kältemittel, die sich im Ruhezustand einer Kälteanlage aufgrund der anliegenden Umgebungsrandbedingungen (Temperatur) in den überkritischen Zustandsbereich bewegen können und bei denen sich somit eine erhöhte mechanische Ruhelast (Druck) ergeben kann.
Neben den Kälteanlagen mit reiner Kühlfunktionalität, kann dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Füllmengenerhöhung beispielsweise auch für Systeme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelkreislauf
2: Verdampfer, Innenwärmeübertrager
3: Kältemittelverdichter
4: Kältemittelkondensator, Gaskühler
5: Expansionsorgan
6: Akkumulator
7: innerer Wärmeübertrager
8: Kältemittelleitung
8.0: Kältemittelleitungsabschnitt
8.1: Kältemittelleitungsabschnitt der Kältemittelleitung 8
8.2: Kältemittelleitungsabschnitt der Kältemittelleitung 8
8.3: Kältemittelleitungsabschnitt der Kältemittelleitung 8
9: Zusatzvolumen, Zusatzbehälter
9.1: Zusatzvolumen, Zusatzbehälter
9.11: Zusatzvolumen, Zusatzbehälter
9.2: Zusatzvolumen, Zusatzbehälter
9.3: Zusatzvolumen, Zusatzbehälter
9.4: Zusatzvolumen des Kältemittelverdichters 3
9.5: Zusatzvolumen des inneren Wärmeübertragers 7
9.6: Zusatzvolumen des Wärmeübertragers 6
R: Strömungsrichtung des Kältemittels
m_max,zul,zu: maximal zulässige Zusatzfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu
m_opt: optimale Füllmenge für ein Gesamt-Anlagenvolumen V_A
m_opt,zu: optimale Zusatzfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu
m_opt,neu: neue optimale Füllmenge für neues Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu
m_puf: Pufferfüllmenge für ein Gesamt-Anlagenvolumen V_A
m_puf,res,neu: Pufferfüllmenge für ein Gesamt-Anlagenvolumen V_A + V_zu
m_puf,zu: Pufferfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu
V_A: Gesamt-Anlagenvolumen
V_A,neu: neues Gesamt-Anlagenvolumen
V_zu: Zusatzvolumen, Puffervolumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007021874 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welches folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen folgender Komponenten: wenigstens einen Verdampfer (2), ein Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4) oder Gaskühler (4), einen Akkumulator (6) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionsorgan (5), – Verbinden der Komponenten (2, 3, 4, 5, 6) mittels einer Kältemittelleitung (8) zur Bildung des ein aus der Summe der Einzelvolumina der Komponenten und Kältemittelleitungen gebildeten Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) aufweisenden Kältemittelkreislaufs (1), wobei der Akkumulator (6) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels dem Verdampfer (2) nachgeschaltet wird, – Bestimmen einer optimalen Füllmenge (m_opt) an Kältemittel für das gegebene Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) in Abhängigkeit wenigstens einer der Parameter Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, Fahrgeschwindigkeit, Sonnenlast, zu konditionierende Luftmenge, Luftklappenstellung, – Bereitstellen eines Zusatzvolumens (V_zu) als Puffervolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) in dem Kältemittelkreislauf (1) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3), – Bestimmen einer optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) an Kältemittel für das Zusatzvolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6), welche unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes (1) das Zusatzvolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) ausfüllt, und – Befüllen des Kältemittelkreislaufes (1) mit einer der Summe aus der optimalen Füllmenge (m_opt) und der optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) entsprechenden neuen optimalen Füllmenge (m_opt,neu) an Kältemittel.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die neue optimale Füllmenge (m_opt,neu) um eine Pufferfüllmenge (m_puf,zu) erhöht wird, welche kleiner oder gleich ist als die Differenz (m_max,zul,zu – m_opt,zu) zwischen einer auf das Zusatzvolumen (V_zu) bezogenen maximal zulässigen Zusatzfüllmenge (m_max,zul,zu) und der optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem ein innerer Wärmeübertrager (7) bereitgestellt wird, welcher einerseits auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs (1) zwischen dem Akkumulator (6) und dem Verdichter (3) und andererseits auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs (1) zwischen dem Kondensator (4) oder Gaskühler (4) und dem Expansionsorgan (5) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem ein Zusatzvolumen durch einen Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3) gebildet wird, welcher mit einer Kältemittelleitung (8.0) entweder zwischen dem Akkumulator (6) und dem inneren Wärmeübertrager (7) oder zwischen dem inneren Wärmeübertrager (7) und dem Verdichter (3) oder zwischen dem Verdampfer (2) und dem Akkumulator (6) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3) auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes zwischen dem inneren Wärmeübertrager (7) und dem Verdichter (3) oder zwischen dem Akkumulator (6) und dem inneren Wärmeübertrager (7) oder dem Verdampfer (2) und dem Akkumulator (6) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem ein Zusatzvolumen durch wenigstens eine bereichsweise Querschnittsvergrößerung der Kältemittelleitung (8.1, 8.2, 8.3) zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem ein Zusatzvolumen (9.5) durch den inneren Wärmeübertrager (7) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem ein Zusatzvolumen (9.6) durch den Akkumulator (6) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem ein Zusatzvolumen (9.4) durch den Verdichter (3) gebildet wird, wobei das Zusatzvolumen (9.4) am Kältemitteleintritt des Verdichters (3) realisiert wird.
Fahrzeugkälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4) oder einen Gaskühler (4), einen Akkumulator (6) sowie ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionorgan (5) umfasst, wobei – die Komponenten (2, 3, 4, 5, 6) unter Bildung eines Gesamt-Anlagenvolumens (V_A) über Kältemittelleitungen (8) verbunden sind und der Akkumulator (6) dem Verdampfer (2) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels nachgeschaltet ist, – zur Füllstandserhöhung des Kältemittelkreislaufs (1) ein Zusatzvolumen (V_zu) als Puffervolumen (8.1, 8.2, 8.3, 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs (1) zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3) vorgesehen ist, und – der Kältemittelkreislauf (1) mit einer Summe aus einer optimalen Füllmenge (m_opt) und einer optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) entsprechenden neuen optimalen Füllmenge (m_opt,neu) an Kältemittel befüllt ist, derart dass die optimale Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmt ist.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10, bei welcher ein innerer Wärmeübertrager (7) vorgesehen ist, welcher einerseits auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs (1) zwischen dem Akkumultor (6) und dem Verdichter (3) und andererseits auf der Hochdruckseite, des Kältemittelkreislaufs (1) zwischen dem Kondensator (4) oder Gaskühler (4) und dem Expansionsorgan (3) angeordnet ist.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher ein Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3) für das Zusatzvolumen vorgesehen ist, der mit einer Kältemittelleitung (8.0) zwischen dem Akkumulator (6) und dem und dem inneren Wärmeübertrager (7) oder dem inneren Wärmeübertrager (7) und dem Verdichter (3) oder dem Verdampfer (2) und dem Akkumulator (6) verbunden wird.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3) auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes (1) zwischen dem inneren Wärmeübertrager (7) und dem Verdichter (3), zwischen dem Akkumulator (6) und dem inneren Wärmeübertrager (7) (6) oder zwischen dem Verdampfer (2) und dem Akkumulator (6) angeordnet wird.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher ein Zusatzvolumen durch wenigstens eine bereichsweise Querschnittsvergrößerung der Kältemittelleitung (8.1, 8.2, 8.3) zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3) gebildet ist.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher ein Zusatzvolumen (9.5) durch den inneren Wärmeübertrager (7) gebildet ist.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher ein Zusatzvolumen (9.6) durch den Akkumulator (6) gebildet wird.
Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem ein Zusatzvolumen (9.4) durch den Verdichter (3) gebildet wird, wobei das Zusatzvolumen (9.4) am Kältemitteleintritt des Verdichters (3) vorgesehen ist.