DE102015006189B4 - Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher folgende Komponenten umfasst:
- wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler (4), einen in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels dem Verdampfer (2) nachgeschalteten Abscheider (6) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionsorgan (5), wobei die Komponenten (2, 3, 4, 5, 6) mittels einer Kältemittelleitung (8) verbunden sind und der Kältemittelkreislauf (1) ein aus der Summe der Einzelvolumina der Komponenten und der Kältemittelleitung (8) gebildetes Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) aufweist, und
- ein Zusatzvolumen (V_zu) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3), wobei durch einen Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.2, 9.3) und/oder durch eine Querschnittsvergrößerung von Kältemittelleitungen zwischen dem Verdampfer (2) und dem Kältemittelverdichter (3) und/oder durch ein Puffervolumen (9.4) des Kältemittelverdichters (3) und/oder durch ein Puffervolumen (9.6) des Abscheiders (6) das Zusatzvolumen (V_zu) gebildet wird,
wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Bestimmen einer für die optimale Betriebsweise benötigten 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 und Luftklappenstellung,
- Bestimmen einer optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) an Kältemittel für das Zusatzvolumen (V_zu), welche unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes (1) das Zusatzvolumen (V_zu) ausfüllt,
- Befüllen des Kältemittelkreislaufes (1) mit einer der Summe aus der optimalen Füllmenge (m_opt) für das gegebene Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) und der optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) entsprechenden neuen Füllmenge (m_opt,neu) an Kältemittel, und
- Erhöhen der neuen optimalen Füllmenge (m_opt,neu) um eine Pufferfüllmenge (m_puf,zu), welche höchstens der 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) entspricht, wobei die maximal zulässige Zusatzfüllmenge (m_max,zul,zu) mittels eines vorgegebenen Grenzwertes für die maximale Füllmenge bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf.
• 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 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 Batterie 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) oder als Kühler (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 oder indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugklimaanlage, ob also geheizt oder gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertrager aktiv betrieben werden, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an 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. Der maximal zulässige Wert beträgt aktuell 250g/l, d.h. pro Liter Anlagenvolumen dürfen maximal 250g 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 50g.
• Werden einerseits die Puffermengen bei herkömmlichen Anlagen mit Beträgen von 50 bis 150g (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 250g/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 Kältemittelverdichters 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 DE 10 2005 033 019 A1 offenbart eine Klimaanlage, die mit transkritischem Kältemittel betrieben wird und die auf der Niederdruckseite zwischen einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und einer Saugseite eines Kompressors einen Gasspeicher als Zusatzvolumen aufweist. Hierzu wird ein Abscheider in zwei kleinere Gefäße unterteilt, nämlich eines mit der Funktion des Abscheiders und das andere mit der Funktion eines Gasspeichers. Der Gasspeicher kann auch in der Art einer Leitungsvergrößerung realisiert werden.
• Auch ein Kältemittelkreislauf gemäß der DE 10 2006 011 060 A1 weist ein Zusatzvolumen auf, mit welchem die über eine Betriebszeitdauer auftretenden Leckageverluste ausgeglichen werden sollen. Dieses Zusatzvolumen wird als Puffervolumen mittels eines niederdruckseitigen Abscheiders realisiert. Zur Auslegung des Abscheiders werden verschieden Gleichungen angegeben. Auch können vergrößerte Kältemittelleitungen zwischen einem Verdampfer und dem Abscheider, dem Abscheider und einem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager bis zu einem Verdichter verwendet werden. Auch kann ein Abscheidervolumen auf mehrere Behälter verteilt werden, die zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordnet sind.
• Schließlich offenbart die DE 689 08 181 T2 ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs im superkritischen Bereich, insbesondere die Regulierung der spezifischen Enthalpie an einem Verdampfereinlass durch Verwendung des Druckes vor der Drosselung zur Kapazitätskontrolle. Hierbei wird die Kühlmittelmenge auf der Hochdruckseite durch eine Änderung des Inhalts eines Pufferbehälters für Kühlmittel reguliert wird. Dieser Pufferbehälter wird als Niederdruck-Kältemittelbehälter auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs oder als Behälter auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes angeordnet.
• Weiterer relevanter Stand der Technik läßt sich darüber hinaus aus DE 10 2006 007 371 A1 , DE 10 2009 041 459 A1 und DE 37 01 086 A1 entnehmen.
• 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.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Mit einem solchen Zusatzvolumen 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 Zusatzvolumens 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 neue Gesamt-Anlagenvolumen.
• Ein Teil dieser Differenz wird erfindungsgemäß als Pufferfüllmenge gezielt eingesetzt, um zusätzlich Kältemittel für eine Lebensdauerbefüllung der Kälteanlage einzulagern, ohne mit den thermodynamischen Randbedingungen oder der zulässigen spezifischen Füllmenge in Konflikt zu geraten. 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 oder dass die Fahrzeugkälteanlage jetzt unsensibler gegenüber diese Toleranzen ausgeführt ist.
• Das Zusatzvolumen wird erfindungsgemäß durch einen Zusatzbehälter gebildet, welcher mit einer Kältemittelleitung entweder zwischen dem Abscheider und dem Kältemittelverdichter oder zwischen dem Verdampfer und dem Abscheider verbunden wird. Vorzugsweise wird der Zusatzbehälter auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes zwischen dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager und dem Kältemittelverdichter oder zwischen dem Abscheider und dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager oder dem Verdampfer und dem Abscheider 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 Schalldämpfer (Muffler) ausgestaltet werden, so dass akustische Störungen gedämpft und kompensiert werden.
• Erfindungsgemäß kann das Zusatzvolumen durch wenigstens eine bereichsweise Querschnittsvergrößerung der Kältemittelleitung zwischen dem Verdampfer und dem Kältemittelverdichter gebildet werden.
• Des Weiteren kann erfindungsgemäß das Zusatzvolumen durch den kreisprozessinternen Wärmeübertrager gebildet werden.
• Ferner kann erfindungsgemäß das Zusatzvolumen durch eine Erweiterung des Abscheiders gebildet werden.
• Schließlich kann erfindungsgemäß das Zusatzvolumen durch den Kältemittelverdichter gebildet werden, wobei das Zusatzvolumen am Kältemitteleintritt des Kältemittelverdichters 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.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Wahl des eingesetzten Kältemittels einsetzbar. Neben dem Kältemittel R744 können auch chemische Betriebsstoffe, wie bspw. R134a und R1234yf, 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 Anlagen mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Prinzipschaltbild eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugkälteanlage als erstes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens,
• 2 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage als zweites Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens,
• 3 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage als drittes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens,
• 4 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage als viertes Ausführungsbeispiels zur Durchführung des Verfahrens, und
• 5 ein Ausschnitt eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugkälteanlage gemäß als fünftes Ausführungsbeispiels zur Durchführung des Verfahrens.
• 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 oder Gaskühler 4,
• - ein dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung R des Kältemittels vorgeschaltetes Expansionsorgan 5,
• - einen Abscheider 6, der die Funktion eines Kältemittelspeichers erfüllt und in Strömungsrichtung R des Kältemittels dem Verdampfer 2 nachgeschaltet ist, und
• - einen kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7.
• Der Abscheider 6 dient in dem Kältemittelkreislauf dazu, hindurchfließendes Kältemittel in gasförmiges und flüssiges Kältemittel zu separieren. Es ist weiterhin bekannt, dass Abscheider 6 und kreisprozessinterner Wärmeübertrager 7 auch als Kombibauteil ausgeführt werden können. Damit entfällt der Kältemittelleitungsabschnitt zwischen dem Abscheider 6 und dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7 und in diesem Fall auch die Option der vereinfachten Zwischenschaltung eines Zusatzvolumens.
• Die aufgeführten Komponenten sind zur Bildung des Kältemittelkreislaufes 1 über eine Kältemittelleitung 8 miteinander verbunden. Daraus ergibt sich ein gegebenes Gesamt-Anlagenvolumen V_A dieses Kältemittelkreislaufes 1. Als Kältemittel wird R744 (CO₂) eingesetzt.
• Der kreisprozessinterne Wärmeübertrager 7 arbeitet im Gegenstromprinzip und ist hierzu auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 zwischen dem Abscheider 6 und den Kältemittelverdichter 3 und auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 zwischen dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 und dem Expansionsventil 5 geschaltet.
• Das gezielte Anheben des Gesamt-Anlagenvolumens V_A des Kältemittelkreislaufes 1 mit den oben aufgeführten Komponenten mittels einer Zusatzfüllmenge an Kältemittel auf eine zunehmende Differenz zwischen einer neuen optimalen Füllmenge m_opt,neu und einer maximal zulässigen 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.
• Anschließend wird ein Zusatzvolumen V_zu 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 Zusatzbehälter 9, 9.1 und 9.11 (vgl. 1), als Zusatzbehälter 9.2 (vgl. 2), oder als Zusatzbehälter 9.3 (vgl. 3) realisiert. In Analogie zu den Zusatzbehältern 9.1. und 9.11 können die Zusatzbehälter 9.2 oder 9.3 ähnlich umpositioniert werden.
• Gemäß 1 ist der das Zusatzvolumen V_zu realisierende Zusatzbehälter 9 über einen Kältemittelleitungsabschnitt 8.0 mit einem Abschnitt der Kältemittelleitung 8 zwischen dem kreisprozessinternen Wärmetauscher 7 und dem Kältemittelverdichter 3 verbunden. Alternativ können solche Zusatzbehälter 9.1 auch zwischen dem Verdampfer 2 und dem Abscheider 6, dem Abscheider 6 und dem kreisprozessinternen Wärmetauscher 7 über einen Kältemittelleitungsabschnitt 8.0 mit der Kältemittelleitung 8 verbunden werden. Hierbei sind diese in Flaschenform ausgeführten Zusatzbehälter 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 Zusatzbehälter 9, 9.1 und 9.11 kann beliebig und aufgrund der Anlagensituation in ihrer Gestaltung dem vorzufindenden Umfeld in idealer Weise angepasst sein. Hier bedeutet dies, dass diese Zusatzbehälter 9, 9.1 und 9.11 stehend und oberhalb des Kältemittelleitungsabschnittes zwischen dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7 und dem Kältemittelverdichter 3 oder dem Abscheider 6 oder zwischen dem Verdampfer 2 und dem Abscheider 6 angeordnet sind.
• Die ebenso in einer Flaschenform ausgeführten Zusatzbehälter 9.2 und 9.3 gemäß den 2 und 3 sind liegend angeordnet mit einer Zuleitung und einem Abfluss, so dass hierdurch diese Zusatzbehälter 9.2 und 9.3 aktiv von dem Kältemittel durchströmt werden. Hierbei können diese Zusatzbehälter 9.2 und 9.3 als Schalldämpfer ausgestaltet werden, um hierdurch akustische Störungen zu dämpfen oder zu kompensieren. Auch bei diesen Zusatzbehältern 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 Zusatzbehälter gilt, dass die jeweilig zum Einsatz kommende Ausgestaltung 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 kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7 und dem Kältemittelverdichter 3 sowie der Kältemittelleitungsabschnitt 8.2 zwischen dem Abscheider 6 und dem kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7 und der Kältemittelleitungsabschnitt 8.3 zwischen dem Verdampfer 2 und dem Abscheider 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 kreisprozessinterner Wärmeübertrager 7, Gaskühler 4 und Expansionsventil 5.
• Schließlich kann das Zusatzvolumen V_zu auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes gemäß 5 auch in die Komponenten, nämlich in den Abscheider 6, den kreisprozessinternen Wärmeübertrager 7 und/oder den Kältemittelverdichter 3 integriert werden. Deren Bauraumbedarf oder Gesamtvolumen nimmt dadurch zu.
• Hinsichtlich des Kältemittelverdichters 3 wird das Zusatzvolumen V_zu als Puffervolumen 9.4 an dessen Kältemitteleintritt idealerweise als Schalldämpfervolumen (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 Abscheiders 6 wird entsprechend des Zusatzvolumens V_zu mit einem Puffervolumen 9.6 erhöht. Somit kann auch dieser Abscheider 6 als vorhandenes Bauteil des Kältemittelkreislaufes 1 zur Füllmengenanhebung eingesetzt werden.
• Das Volumen des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 7 wird nur auf dessen Niederdruckseite durch ein Puffervolumen 9.5 erhöht.
• In Abhängigkeit der Realisierung des Zusatzvolumens V_zu durch die Leitungsquerschnittsvergrößerung der Kältemittelleitungsabschnitte 8.1, 8.2 und 8.3 sowie der Zusatzbehälter 9, 9.1, 9.11, 9.2 und 9.3 und schließlich durch die Puffervolumen 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 dessen Realisierung auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 weniger Kältemittel als optimale Zusatzfüllmenge m_opt,zu erforderlich, als es dem Wert des Zusatzvolumens V_zu 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 Zusatzbehälter 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 250g/l für R744 bestimmt ist. Da das Zusatzvolumen V_zu 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 Gesamt-Anlagenvolumen V_A auf den neuen Wert V_A,neu überproportional im Vergleich zur neuen optimalen Füllmenge m_opt,neu 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 oder der zulässigen spezifischen Füllmenge in Konflikt zu geraten.
• Der Einbauort des Zusatzbehälters 9 gemäß 1 zwischen dem kreisprozessinternen 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 Zusatzbehälter 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 hochoder herunterskaliert werden oder sind nach bekannten Methoden neu zu bestimmen. Ändern sich die Positionen des Zusatzvolumens V_A im Bereich zwischen Verdampfer 2 und Kältemittelverdichter 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.
• Die neue resultierende Pufferfüllmenge m_puf,res,neu für einen mit dem Zusatzvolumen V_zu auf ein neues Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu erhöhter Kältemittelkreislauf 1 ergibt sich aus der Summe der bisherigen Pufferfüllmenge m_puf der Fahrzeugkälteanlage in ihrem Basisdesign (also ohne Zusatzvolumen V_zu) und der Pufferfüllmenge, bedingt durch das eingebundene Zusatzvolumen V_zu und lässt sich wie folgt beschreiben: m_puf,res,neu = m_puf + m_puf,zu
• Die finale Auslegung der Ausgestaltung der Zusatzbehälter 9, 9.1, 9.11, 9.2, 9.3, insbesondere des notwendigen Zusatzvolumens V_zu muss für jede Fahrzeugkälteanlage separat bewertet und durchgeführt werden.
• Bezugszeichen

1

Kältemittelkreislauf

2

Verdampfer

3

Kältemittelverdichter

4

Kältemittelkondensator oder Gaskühler

5

Expansionsorgan

6

Abscheider

7

kreisprozessinterner 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

Zusatzbehälter

9.1

Zusatzbehälter

9.11

Zusatzbehälter

9.2

Zusatzbehälter

9.3

Zusatzbehälter

9.4

Puffervolumen des Kältemittelverdichters 3

9.5

Puffervolumen des kreisprozessinternen Wärmeübertragers 7

9.6

Puffervolumen des Abscheiders 6

R

Strömungsrichtung des Kältemittels

mmax,zul,zu

maximal zulässige Zusatzfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu

mopt

optimale Füllmenge für ein Gesamt-Anlagenvolumen V_A

mopt,zu

optimale Zusatzfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu

mopt,neu

neue optimale Füllmenge für neues Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu

mpuf

Pufferfüllmenge für ein Gesamt-Anlagenvolumen V_A

mpuf,res,neu

Pufferfüllmenge für ein neues Gesamt-Anlagenvolumen V_A,neu = V_A + V_zu

mpuf,zu

Pufferfüllmenge für Zusatzvolumen V_zu

VA

Gesamt-Anlagenvolumen

VA,neu

neues Gesamt-Anlagenvolumen

Vzu

Zusatzvolumen

Claims (1)

1. Verfahren zur Füllstands- und Füllmengenerhöhung einer Fahrzeugkälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher folgende Komponenten umfasst: - wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler (4), einen in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels dem Verdampfer (2) nachgeschalteten Abscheider (6) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionsorgan (5), wobei die Komponenten (2, 3, 4, 5, 6) mittels einer Kältemittelleitung (8) verbunden sind und der Kältemittelkreislauf (1) ein aus der Summe der Einzelvolumina der Komponenten und der Kältemittelleitung (8) gebildetes Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) aufweist, und - ein Zusatzvolumen (V_zu) in Strömungsrichtung (R) des Kältemittels zwischen dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (3), wobei durch einen Zusatzbehälter (9, 9.1, 9.2, 9.3) und/oder durch eine Querschnittsvergrößerung von Kältemittelleitungen zwischen dem Verdampfer (2) und dem Kältemittelverdichter (3) und/oder durch ein Puffervolumen (9.4) des Kältemittelverdichters (3) und/oder durch ein Puffervolumen (9.6) des Abscheiders (6) das Zusatzvolumen (V_zu) gebildet wird, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: - Bestimmen einer für die optimale Betriebsweise benötigten 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 und Luftklappenstellung, - Bestimmen einer optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) an Kältemittel für das Zusatzvolumen (V_zu), welche unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes (1) das Zusatzvolumen (V_zu) ausfüllt, - Befüllen des Kältemittelkreislaufes (1) mit einer der Summe aus der optimalen Füllmenge (m_opt) für das gegebene Gesamt-Anlagenvolumen (V_A) und der optimalen Zusatzfüllmenge (m_opt,zu) entsprechenden neuen Füllmenge (m_opt,neu) an Kältemittel, und - Erhöhen der neuen optimalen Füllmenge (m_opt,neu) um eine Pufferfüllmenge (m_puf,zu), welche höchstens der 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) entspricht, wobei die maximal zulässige Zusatzfüllmenge (m_max,zul,zu) mittels eines vorgegebenen Grenzwertes für die maximale Füllmenge bestimmt wird.

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