DE69421901T2

DE69421901T2 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines entspannungsventils

Info

Publication number: DE69421901T2
Application number: DE69421901T
Authority: DE
Inventors: Chester Campbell; Sandra Harper; Richard Kenyon; Alan Matthies; Michael Nolan; Roy Yabuki
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2014-01-19
Also published as: EP0680589A1; DE69421901D1; CA2154260A1; US5289692A; EP0680589B1; ES2139069T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein Systeme zur Steuerung der Wärmeübertragung und Kühlung. Insbesondere betrifft die Erfindung Steuervorrichtungen, die besonders geeignet sind zur Erfassung und Steuerung der Kennwerte und der Massenströmung des Arbeitsfluids bzw. Treibmittels in solchen Systemen.
Die Grundbausteine aller Kühl- und Wärmeübertragungssysteme sind wohlbekannt und umfassen einen Verdichter, einen Kondensator, eine Expansionseinrichtung und einen Verdampfer, die alle in einem Fluidkreislauf miteinander verbunden sind, der ein Treibmittel wie zum Beispiel halogenhaltige Kühlmittel wie Chlorfluorkohlenstoffe (CFKs), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs) und so weiter enthält. In der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs oder eines Lastkraftwagens beispielsweise befindet sich das Treibmittel bzw. Kühlmittel mit Hilfe des Verdampfers normalerweise im Wärmeaustausch mit der Luft im Fahrzeuginnenraum. Das flüssige Kühlmittel wird zu Gas, wenn es durch den Verdampfer bzw. den endothermen Wärmetauscher strömt, und nimmt so Wärme aus der Umgebungsluft auf. Das aus dem Verdampfer austretende gasförmige Kühlmittel wird durch eine Saugleitung in den Verdichter gezogen. Der Verdichter erhöht den Gasdruck, und das Gas strömt dann durch den Kondensator bzw. den exothermen Wärmetauscher, wo es wieder in einen flüssigen Zustand abgekühlt wird, aber immer noch unter hohem Druck steht. Das unter Druck stehende flüssige Kühlmittel wird dann durch das Entspannungsventil geleitet, wobei der Fluiddruck adiabatisch abgesenkt wird, bevor das Fluid wieder in den Verdampfer eintritt.
Im Lauf der Jahre wurden viele verschiedene Arten von Steuermechanismen und Überwachungsvorrichtungen verwendet, um den Betrieb von Wärmeübertragungs- und Kühlsystemen zu regulieren. Eine der wichtigeren Funktionen, die ein Steuersystem für die Wärmeübertragung erfüllen muß, ist die Überwachung und Steuerung der Qualität des Niederdruckdampfes in der Saugleitung in der Nähe des Auslasses des Verdampfers oder am Einlaß in den Verdichter. Dies ist aus vielen Gründen von Bedeutung, insbesondere um die durch den Kühlmittelstrom erreichte Kühlung zu maximieren, und um den Verdichter davor zu schützen, daß er flüssiges Kühlmittel erhält und/oder Schmiermittel verliert.
Ein heute allgemein übliches Verfahren ist die Aufrechterhaltung einer Mindestüberhitzungstemperatur in dem dampfförmigen Kühlmittel, welches aus dem Verdampfer austritt. Die Überhitzungstemperatur wird normalerweise im Bereich von 5 bis 10ºF gehalten. In einigen Systemen wird die Überhitzungstemperatur dadurch reguliert, daß man die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß und am Auslaß des Verdampfers überwacht und den Kühlmittelstrom mit Hilfe des Entspannungsventils so steuert, daß der Temperaturunterschied in der Nähe eines voreingestellten Wertes oder Bereiches liegt. Andere Möglichkeiten umfassen die Verwendung von Druck- und Temperaturfühlern auf der Auslaßseite des Verdampfers, um die tatsächliche Sättigungstemperatur und die Druckkennwerte des Kühlmittels anhand der thermodynamischen Eigenschaften des Kühlmittels zu messen. Noch eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Gefäßsensoren. Unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung ist es natürlich wünschenswert, eine niedrige Überhitzungstemperatur aufrechtzuerhalten, was bei den obengenannten Sensoren und Steuerungen schwierig ist.
Wenngleich diese bekannten Möglichkeiten zur Regulierung der Überhitzungstemperatur funktionieren können, bewirken sie im allgemeinen eine ungenaue Steuerung. Ein Grund dafür liegt darin, daß in dem Verdampfer die flüssige Phase und die Gasphase nicht im Temperaturgleichgewicht sind. Die Tröpfchen in dem Gas kochen, weil Wärme aus der Gasphase auf die Tröpfchen übertragen wird. Damit es dazu kommen kann, muß das Gas heißer sein als die Flüssigkeit, was eine herkömmliche Messung der Überhitzungstemperatur schwierig macht.
Ein weiteres bedeutendes Problem bei Systemen zur Steuerung einer niedrigen Überhitzungstemperatur besteht darin, daß sich die Massenströmung des Kühlmittels durch den Verdampfer über einen großen Bereich ändern kann, ohne daß es zu einer merklichen Änderung bei der auf herkömmliche Art gemessenen Überhitzungstemperatur kommt. Die Überhitzung ist also ein schlechter Steuermechanismus zur Regulierung der Qualität des Kühlmittels am Auslaß des Verdampfers.
Neben der Qualität des Kühlmittels am Auslaß des Verdampfers sollten auch die Druckverhältnisse auf der Hochdruckseite des Entspannungsventils ermittelt werden, um eine effiziente Funktionsweise des Wärmeübertragungssystems aufrechterhalten zu können. In der Vergangenheit wurde der Druck auf der Hochdruckseite des Systems zwischen dem Verdichter und dem Entspannungsventil mit Einrichtungen wie mechanischen oder elektromechanischen Druckgebern, auf Druck ansprechenden Ventilen oder einfacheren Temperaturfühlern erfaßt, wobei die letzteren verwendet wurden, um anhand der Temperatur des Kühlmittels einen ungefähren Wert für den Druck zu ermitteln. Die mechanisch ansprechenden Druckfühler und -ventile besitzen im allgemeinen langsame Ansprechzeiten auf die Verhältnisse des Treibmittels, eine geringe Zuverlässigkeit und begrenzte Steuermöglichkeiten. In jüngster Zeit war es durch die leichte Verfügbarkeit elektronischer Steuerelemente wie zum Beispiel Mikroprozessoren und andere digitale bzw. analoge Steuerelemente möglich, die Funktionsweise des Wärmeübertragungssystems elektronisch zu steuern und zu überwachen. Dies hat den großen Vorteil, daß Kosten, Größe und Gewicht des Steuer systems stark reduziert werden können, und daß die Zuverlässigkeit und Flexibilität der Steuerfunktionen verbessert werden.
Wenngleich die Verwendung elektronischer Steuerelemente wohlbekannt ist, wurde noch kein geeigneter elektronischer Druckfühler realisiert, der kostengünstig aber zuverlässig ist und sich einfach sowohl in neue Kühlsysteme einbauen als auch in ältere Systeme nachrüsten läßt. In der Vergangenheit hat man beispielsweise versucht, sich selbst erwärmende Thermistoren zu verwenden, um das Kühlmittel zum Sieden zu bringen und damit den Druck anhand des Siedepunktes zu ermitteln. Diese Vorgehensweise ist jedoch von Haus aus schon ungünstig, weil ein Thermistor seine eigene Temperatur erfaßt, nicht die Temperatur des Kühlmittels. Wenn man den Thermistor sich selbst erwärmen läßt, indem man einen konstanten Strom durch ihn hindurchschickt, wird die Temperaturmessung ungenau und unzuverlässig. Das mit dem Siedepunkt des Kühlmittels arbeitende Verfahren ist weiterhin ungünstig, weil das Steuerelement nur aufgrund der Annahme betrieben werden kann, daß der Thermistor eigentlich die Sättigungstemperatur (d. h. den Siedepunkt) erfaßt. Der Thermistor kann nicht das Sieden per se erfassen.
Demzufolge besteht eine Notwendigkeit für eine wirtschaftliche, zuverlässige und genaue Vorrichtung und ein eben solches Verfahren zur Erfassung der Kennwerte eines Treibmittels in einem Wärmeübertragungssystem, vor allem wenn jene Kennwerte die Steuerung der Qualität des Kühlmittels zwischen dem Auslaß des Verdampfers und dem Einlaß des Verdichters sowie die Ermittlung und Steuerung des Druckes in den Hochdruckbereichen des Fluidkreislaufes betreffen.
Die Europäische Patentschrift Nr. 0344444 offenbart ein Wärmeübertragungssystem, das den Zustand des Treibmittels in dem System anhand der Überhitzungstemperatur ermittelt. Ein Sub trahierglied ist als Schwellwertstufe vorgesehen, und der Ausgang des Subtrahierglieds steuert eine Umschaltvorrichtung, die mit einem Stellglied eines Ventils verbunden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Steuervorrichtung für ein Wärmeübertragungssystem bereitgestellt, wobei das Wärmeübertragungssystem ein Entspannungsventil, einen Verdichter und einen Verdampfer umfaßt, und wobei die Steuervorrichtung die Funktionsweise des Ventils und des Verdichters steuern kann und folgendes umfaßt:
einen ersten Sensor zur Erzeugung eines ersten Signals, welches den H-seitigen Druck des Treibmittels in dem Wärmeübertragungssystem darstellt;
einen zweiten Sensor zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches den Zustand des Treibmittels nach dem Durchlauf des Treibmittels durch den Verdampfer darstellt; und
ein Steuerelement zur Steuerung der Funktionsweise des Entspannungsventils, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung des zweiten Signals und zum Vergleich des zweiten Signals mit einem Sollwert für den Zustand umfaßt; und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Sollwertes für den Zustand in Abhängigkeit von dem ersten Signal.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Steuerung der Funktionsweise eines Entspannungsventils und eines Verdichters in einem Wärmeübertragungssystem mit einem Verdampfer, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
a) Erfassen des H-seitigen Druckes des Treibmittels;
b) Erfassen des Zustands des Treibmittels zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter;
c) Steuern der Funktionsweise des Entspannungsventils in Abhängigkeit von dem erfaßten Zustand des Treibmittels auf Basis eines vorbestimmten Sollwertes; und
d) Einstellen des Sollwertes für den Zustand in Abhängigkeit von dem H-seitigen Druck.
Die Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann leicht verständlich und ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wobei die beste Ausführungsform für die praktische Anwendung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird; darin zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schemadarstellung eines Wärmeübertragungssystems, das sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignet und darin eingebaute Sensoren gemäß der Erfindung umfaßt;
Fig. 2 ein Schaltkreisschema einer bevorzugten Steuerschaltung zur Verwendung bei der Erfindung;
Fig. 3 im Teilschnitt eine vereinfachte Ansicht einer bevorzugten Befestigungsanordnung für einen Qualitätssensor gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 eine Reihe von Kurven verschiedener Signale und Betriebsbedingungen, die die Prinzipien und die Funktionsweise der Erfindung veranschaulichen.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird ein Wärmeübertragungssystem allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Einfachheit halber wird eine Ausführungsform der Erfindung hierin in Verbindung mit einer Fahrzeugklimaanlage beschrieben, wie sie bei Autos und Lastkraftwagen verwendet werden kann. Diese beispielhafte Beschreibung erfolgt nur der Einfachheit halber und zum besseren Verständnis und sollte nicht in einem ein schränkenden Sinne ausgelegt werden. Aus diesem Grund werden die Bestandteile des Wärmeübertragungssystems anhand von allgemeinen Begriffen ohne besondere Einzelheiten beschrieben, weil sie, sofern nicht eigens angegeben, kein spezieller Bestandteil der Erfindung sind. Ausführungsformen der Erfindung eignen sich zur Verwendung bei jeder Art von Wärmeübertragungssystem, beispielsweise unter anderem bei kommerziellen Kühlsystemen, Wärmepumpensystemen, Wohnungsklimaanlagen, Industrieklimaanlagen und so weiter. Eine Ausführungsform der Erfindung ist aufgrund ihrer geringen Größe, ihres niedrigen Energieverbrauchs und ihres schnellen Ansprechens auf Systembedingungen besonders nützlich bei Fahrzeugklimaanlagen. Des weiteren ist die Erfindung nicht begrenzt auf die Verwendung mit speziellen Treibmitteln, kann aber für die Ermittlung von Kennwerten eines jeden Fluids herangezogen werden, das mit den temperaturabhängigen Widerstandsvorrichtungen kompatibel ist. Von besonderem Interesse für zukünftige Kühlungssteuersysteme ist die Tatsache, daß Ausführungsformen der Erfindung besonders geeignet sind zur Verwendung mit dem Kühlmittel R-134.
Im vorliegenden Zusammenhang werden die Begriffe "Treibmittel" und "Kühlmittel" austauschbar und in ihrem weitesten Sinne verwendet, so daß sie jedes Fluid umfassen, daß sowohl für eine exotherme als auch für eine endotherme Wärmeübertragung verwendet wird. Des weiteren sollen die Begriffe "Wärmeübertragung" und "Kühlung" in keiner Weise einschränkend sein, so daß es sich versteht, daß Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit Kühlsystemen, Heizsystemen und Systemen, die wechselweise heizen und kühlen, verwendet werden können.
Im allgemeinen umfaßt dann das Wärmeübertragungssystem 10 ein Treibmittel 12 wie zum Beispiel R-12 oder R-134 in einem verbundenen Fluidkreislauf, der einen Verdampfer 14, einen Verdichter bzw. eine Pumpe 16, einen Kondensator 18 mit einem Kondensatorgebläse 20 und eine Expansionsvorrichtung 22 umfaßt. Der Verdampfer ist normalerweise in der Nähe eines Gebläses 24 positioniert, das klimatisierte Luft, wie zum Beispiel die Luft des Fahrgastraumes, über Kühlrippen auf den Verdampfer bläst, so daß das Kühlmittel Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen kann. In Fig. 1 ist das Treibmittel in verschiedenen Schraffierungen dargestellt, um auf beispielhafte Weise die verschiedenen Phasen und Druckverhältnisse zu veranschaulichen, die bei einem Wärmeübertragungssystem 10 typisch sind. Der Verdichter 16 zieht gasförmiges Kühlmittel durch eine Saugleitung 26 aus dem Verdampferauslaß 28 ab. Der Verdichter erhöht den Betriebsdruck des gasförmigen Kühlmittels, normalerweise auf einen Druck von mehreren hundert PSIA. Aus dem Verdichterauslaß 30 strömt das Kühlmittel zu dem Kondensator 18, wo es auf einen flüssigen Zustand abgekühlt wird. Die Abkühlung des Fluids kann reguliert werden mit Hilfe des Kondensatorgebläses 20. Die Expansionsvorrichtung 22 ist ein Ventil, das zur Regulierung des Stromes des unter hohem Druck stehenden flüssigen Kühlmittels zum Einlaß des Verdampfers dient, während der Druck des flüssigen Kühlmittels auf den Betriebsdruck des Verdampfers 14 abgesenkt wird. Wenn das flüssige Kühlmittel durch den Verdampfer 14 strömt, nimmt es Wärme aus der Umgebungsluft auf und verdampft oder verkocht. In einem typischen Wärmeübertragungssystem sollte wünschenswerterweise nur dampfförmiges Kühlmittel aus dem Verdampfer in den Verdichter strömen. Das Kühlmittel wird sich also normalerweise in einem oder fast in einem völlig dampfförmigen Zustand befinden, wenn es aus dem Verdampfer austritt.
Ein elektronisches Steuerelement 40 kann herangezogen werden, um die Funktionsweise des Kondensatorgebläses 20 mit Hilfe von Signalleitungen 20a zu steuern, den Motor bzw. die Kupplung (nicht dargestellt) des Verdichters mit Hilfe von Signalleitungen 16a zu aktivieren und abzuschalten, und die Funktionsweise des Entspannungsventils 22 mit Hilfe von Signalleitungen 22a zu steuern. Normalerweise erhöht das Steuerelement den Strom von Kühlmittel durch das Ventil, wenn die Wärmebelastung zunimmt, und vermindert den Strom, wenn die Wärmebelastung abnimmt. Wenn der Druck auf der Einlaßseite des Ventils 22 zunimmt, kann das Steuerelement außerdem entweder die Verdichterkupplung abschalten oder das Kondensatorgebläse einschalten.
Diese und verschiedene andere Steuerfunktionen können in bekannter Weise in das Steuerelement einprogrammiert werden, um die Betriebsparameter des Treibmittels innerhalb vorbestimmter Grenzen zu halten. Ein besonders wichtiger Parameter, der überwacht werden muß, ist der Druck des Treibmittels auf der Hochdruckseite des Systems 10, beispielsweise zwischen dem Kondensatorauslaß und dem Einlaß des Ventils 22. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einem bevorzugten Hochdrucksensor und einem Verfahren, das in einem sich selbst erwärmenden Thermistor verkörpert ist, der einen Übergang des Wärmewiderstands besitzt, der mit den Druckkennwerten des Treibmittels korreliert. Ein solcher Sensor und ein solches Verfahren ist ausführlich beschrieben in dem US- Patent Nr. 5,335,513 mit dem Titel "Apparatus and Method for Detecting Characteristics of a Working Fluid" (Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung der Kennwerte eines Treibmittels).
Es können jedoch auch andere Druckfühler bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wie in der obengenannten Patentanmeldung und in einer bevorzugten Ausführungsform derselben beschrieben ist, umfaßt ein H-seitiger Treibmittelsensor für ein Wärmeübertragungssystem ein temperaturabhängiges elektrisches Widerstandselement 50, das vorzugsweise in direktem Wärmekontakt mit dem Treibmittel angeordnet ist. In dieser Konfiguration wird das Widerstand selement 50 zur lokalen Erwärmung des Treibmittels verwendet. Bei dem hierin beschriebenen beispielhaften System ist das Widerstandselement 50 in dem Fluidkreislauf in der Nähe der hochdruckseitigen Einlaßöffnung des Entspannungsventils 22 positioniert. Dieser spezielle Ort ist jedoch nur beispielhaft, und der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß das Widerstandselement 50 auch an anderen Stellen in dem Fluidkreislauf positioniert werden kann, wo Kennwerte des Treibmittels erfaßt werden sollen.
Das Widerstandselement 50 ist vorzugsweise in Form eines Thermistors ausgeführt, beispielsweise als das bei Victory Engineering erhältliche Bauteil Nr. E15SA1B053. Ein Thermistor wird verwendet, weil er leicht durch das elektronische Steuerelement 40 überwacht werden kann, und auch weil er bequem dazu verwendet werden kann, um das Treibmittel lokal zu erwärmen, indem man Strom hindurchleitet, und weil er als Fluidtemperaturfühler verwendet werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines Thermistors als Widerstandselement 50 begrenzt, und es könnten auch andere Vorrichtungen wie Widerstands-Temperaturdetektoren (RTDs) oder ein Temperaturfühler in Kombination mit einem separaten Heizelement verwendet werden, um nur ein paar zu nennen.
Der Thermistor 50 umfaßt natürlich zwei elektrische Anschlüsse 52, die mit einer Steuerschaltung 60 verbunden sind, die vorzugsweise ein Bestandteil der Systemsteuerung 40 ist. Eine bevorzugte Steuerschaltung 60 für den H-seitigen Druckfühler ist in der genannten gleichzeitig anhängigen Anmeldung ausführlich beschrieben. Die Thermistoranschlüsse 52 können mit der Steuerschaltung 60 über das mehradrige Kabel 22a verbunden sein, das, wie oben beschrieben, auch elektrische Anschlüsse zum Anschluß des Entspannungsventils an die Systemsteuerung 40 umfaßt.
Die Steuerschaltung 60 erzeugt zu entsprechenden Zeiten und in entsprechenden Abständen ein Ausgangssteuersignal auf einer der Signalleitungen 22a. Das Steuersignal besitzt zwei diskrete Zustände, High (H-Pegel) und Low (L-Pegel). In jedem Zeitraum, wo das Steuersignal ein H-Signal ist, hat der Strom durch den Thermistor 50 eine sehr niedrige Stromstärke. Diese Zeit mit niedriger Stromstärke kann somit dazu verwendet werden, die Temperatur des Treibmittels zu erfassen, weil der Thermistor 50 sich nicht merklich selbst erwärmt. In jedem Zeitraum, wo das Steuersignal ein L-Signal ist, wird ein im allgemeinen linearer zeitlich veränderlicher Strom durch den Thermistor 50 erzeugt. Dieses Stromsteuersignal bewirkt dann, daß sich der Thermistor allmählich selbst erwärmt, was wiederum zu einer örtlich begrenzten Erwärmung des Treibmittels führt. In einem typischen System kann der L-Pegel- Erfassungsstrom in der Größenordnung von 8 bis 20 mA liegen, und der Selbsterwärmungsstrom kann stufenweise bis auf beispielsweise 300 mA ansteigen. Die Zeiträume mit hoher und niedriger Stromstärke können so gewählt werden, daß sie von jeder geeigneten Dauer sind. Für den Temperaturerfassungszeitraum haben sich zwei Sekunden als geeignet erwiesen, während sich ein Zeitraum von 2 bis 8 Sekunden für den stufenweisen Anstieg der Stromstärke als geeignet erwiesen hat. Diese Zeiträume sind jedoch nicht entscheidend, und das System 40 kann so programmiert werden, daß sich diese Zeiten je nach Bedarf ändern.
Die Steuerschaltung 60 wird verwendet, um den Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor 50 und dem Treibmittel zu ermitteln, wenn sich der Thermistor selbst erwärmt. Dieser Wärmewiderstand ist definiert als das Verhältnis der von dem Thermistor 50 abgegebenen Energie zu der Differenz zwischen der Thermistortemperatur und der Volumentemperatur des Treibmittels. Mit Hilfe einer Gleichung wird der Wärmewiderstand in Watt pro ºF (T[ºC] = 5/9(T[ºF] - 32)) wie folgt berechnet:
R = P/(T - Tf)
wobei P die errechnete, von dem Thermistor abgegebene Energie ist, T die Temperatur des durch den Thermistor lokal erwärmten Treibmittels ist, und Tf die Volumentemperatur des Treibmittels ist. Natürlich wird der Fachmann leicht verstehen, daß der oben definierte Wärmewiderstand eine Wärmeübergangscharakteristik zwischen dem Thermistor und dem Treibmittel beschreibt; und daß alternativ der Wärmeleitwert, der der Reziprokwert des Wärmewiderstands ist, als Steuerparameter verwendet werden könnte. Der Wert Tf ist während des Zeitraums mit niedriger Stromstärke leicht aus dem Wert des Thermistors 50 zu ermitteln. Die niedrige Stromstärke bewirkt keine merkliche Selbsterwärmung des Thermistors 50, so daß der Widerstandswert des Thermistors der Temperatur des Treibmittels entspricht, wie wohlbekannt ist.
Während des Zeitraums 126 mit zeitlich veränderlicher Stromstärke kommt es jedoch zu einer Selbsterwärmung des Thermistors, der Energie in Form von Wärme abgibt. Durch diese Abgabe von Wärme kommt es zu einem örtlichen Anstieg der Temperatur des Treibmittels in einem Bereich in der Nähe des Thermistors.
Während des Zeitraums der Selbsterwärmung steigt auch die örtliche Fluidtemperatur, die Wärmeleistung verbessert sich, und es muß weniger Energie abgegeben werden, damit die Temperatur des Fluids weiter ansteigt. Wenn jedoch die Temperatur des Thermistors noch weiter erhöht wird, ändert sich die Wärmeleistung noch einmal so, daß diese Änderung im Wärmewiderstand zurück zu einem positiven Anstieg zu einem lokalen Mindestwert für den Wärmewiderstand führt. Dieses lokale Minimum ist ein wiederholbares und vorhersehbares Ereignis, das gut mit der Sättigungstemperatur und dem tatsächlichen Druck des Treibmittels korreliert. Der lokale Mindestwert für den Wärmewiderstand tritt jedoch nicht am Siedepunkt des Treibmit tels ein, sondern kann genau mit der Sättigungstemperatur und dem Druck korreliert werden. Durch Erfassen des lokalen Mindestwertes für den Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor 50 und dem Treibmittel kann man also genaue Daten erhalten, die den Druckkennwerten des Fluids entsprechen, ohne daß dazu ein Druckgeber verwendet werden muß.
Die Steuerschaltung 60 erfaßt den lokalen Mindestwert für den Wärmewiderstand. Der zeitlich veränderliche Strom wird durch den Thermistor geschickt, wie oben erläutert. Wenn die Stromstärke zunimmt, berechnet das System den Widerstandswert des Thermistors. Die abgegebene Energie kann beispielsweise als das Produkt aus Spannung und Stromstärke über dem Thermistor berechnet werden. Alternativ kann die abgegebene Energie als Quadrat der Stromstärke mal dem Widerstand des Thermistors berechnet werden. Es könnten auch noch andere geeignete Berechnungen herangezogen werden. Das System berechnet dann die verschiedenen Wärmewiderstandswerte und erfaßt das lokale Minimum aus diesem Satz von Werten. Wenn der Mindestwert erfaßt ist, entspricht der Thermistorwert, der an diesem Punkt aufgetreten ist, dem Druck des Fluids. Diese Daten können dann als Teil der Mikroprozessorsteuerung des Verdichters, des Kondensatorgebläses und so weiter verwendet werden, wie in der genannten gleichzeitig anhängigen Anmeldung erläutert ist.
Das Entspannungsventil ist vorzugsweise in Form eines linearproportionalen Magnetventils realisiert, das elektrisch gesteuert wird durch einen von der Systemsteuerung 40 gelieferten Magnetstrom. Ein solches Ventil ist ausführlich beschrieben in dem US-Patent Nr. 5,252,939 mit dem Titel "Low Friction Solenoid Actuator and Valve" (Reibungsarmes magnetisches Stellglied und Ventil), der US-Patentanmeldung Nr. 961,563 mit dem Titel "Expansion Valve for Air Conditioning System With Proportional Solenoid" (Entspannungsventil für Klimaanlage mit proportionaler Magnetspule) und in dem US-Patent Nr. 5,295,656 mit dem Titel "Expansion Valve for Air Conditioning System with Proportional Solenoid" (Entspannungsventil für Klimaanlage mit proportionaler Magnetspule).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein L-seitiger Qualitätssensor vorgesehen, der als Kühlmitteltemperaturfühler dient und als Qualitätssensor für das aus dem Verdampfer 14 austretende dampfförmige Kühlmittel. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Qualitätssensor ein temperaturabhängiges Widerstandselement 150, das vorzugsweise in direktem Wärmekontakt mit dem Treibmittel angeordnet ist. Bei dem hierin beschriebenen beispielhaften System ist der Widerstand 150 in dem Fluidkreislauf in einem Durchgangskanal 42 positioniert, der in dem Körper des Ventils 22 ausgebildet ist. Diese spezielle Lage in dem Fluidkreislauf dient jedoch nur als Beispiel, und der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß der Widerstand 150 an jeder Stelle positioniert werden kann, wo die Treibmittelqualität ein wichtiger Parameter ist. Normalerweise wird dies in der Saugleitung 26 an oder zwischen dem Verdampferauslaß und dem Verdichtereinlaß sein.
Das Widerstandselement 150 ist vorzugsweise in Form eines Thermistors ausgeführt, wie zum Beispiel dem bei Victory Engineering erhältlichen Bauteil Nr. E15SA1B053. Ein Thermistor wird vorzugsweise verwendet, weil er kostengünstig ist, durch das elektronische Steuerelement 40 leicht zu überwachen ist, und auch weil er sowohl im Selbsterwärmungsmodus als auch dann, wenn kein Selbsterwärmungsmodus vorliegt, bequem eingesetzt werden kann, indem der durch ihn hindurchfließende Strom gesteuert wird.
Der Thermistor 150 umfaßt elektrische Anschlüsse 152, die mit einer Steuerschaltung 160 verbunden sind, die vorzugsweise Bestandteil der Systemsteuerung 40 ist. Die Thermistoranschlüsse 152 können mit der Steuerschaltung 160 über das mehradrige Kabel 22a verbunden sein. Die Steuerschaltung zum Betrieb des Qualitätssensors muß jedoch nicht Bestandteil der Systemsteuerung insgesamt sein, sondern kann separat als mit der Systemsteuerung verbundene eigenständige Schaltung oder eigenes Schaltungsmodul vorgesehen sein.
Anhand von Fig. 2 wird nun eine bevorzugte Steuerschaltung 160 dargestellt, die in Kombination mit dem Thermistor 150 verwendet werden kann, um einen Qualitätssensor bereitzustellen. Die Steuerschaltung 160 ist vorzugsweise ein Nebenkreis der Gesamtsteuerung 40 des Wärmeübertragungssystems und umfaßt eine umschaltbare Stromquelle 62, einen Strompegeldetektor 64, einen Spannungspegeldetektor 66, eine Differenzier- bzw. Subtrahierschaltung 68 und eine Steuervorrichtung 70. Die Steuervorrichtung 70 ist zwar vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors ausgeführt, der auch als übergeordnete Systemsteuerung dient, doch dient dies einfach auch der Bequemlichkeit. Die Steuerschaltung kann eine diskrete Steuerschaltung umfassen, mit oder ohne Verwendung eines Mikroprozessors, wie der Fachmann ohne weiteres erkennen wird.
Die Stromquelle 62 hat mehrere Funktionen. In einem ersten vorbestimmten Zeitraum liefert die Stromquelle einen schwachen Strom zu dem Thermistor 150. Während dieses stromschwachen Zeitraums wird der Thermistor 150 zur Erfassung der Temperatur des Treibmittels in der Saugleitung verwendet. Während eines zweiten vorbestimmten Zeitraums liefert die Stromquelle einen Strom mit einer vorbestimmten festen Stromstärke zu dem Thermistor 150, was ausreicht, damit sich der Thermistor selbst erwärmt und somit das Treibmittel lokal erwärmt. Natürlich wird der Fachmann ohne weiteres erkennen, daß selbst in einem stromschwachen Temperaturerfassungsmodus der Thermistor sich ein wenig "selbst erwärmen" wird. Diese Wärme ist jedoch sehr gering und nicht bedeutend genug, um die Umgebungstemperaturmessung des Treibmittels zu beeinträchtigen. In dem Selbsterwärmungsmodus mit höherer Stromstärke reicht die Selbsterwärmung des Thermistors jedoch aus, um die lokale Temperatur des Treibmittels zu erhöhen.
Die Stromquelle 62 umfaßt einen Schalttransistor 80, dessen Basisanschluß mit einem Ausgang 82 des Mikroprozessors 70 verbunden ist. In programmierten Zeitabständen setzt der Mikroprozessor 70 über die Signalleitung 84 ein Steuersignal an den Schalttransistor 80 ab. In der bevorzugten Ausführungsform ist dieses Steuersignal ein binäres Signal, das bewirkt, daß sich der Transistor 80 einschaltet, wenn sich das Steuersignal in einem High-Zustand (H) befindet, und daß sich der Transistor 80 abschaltet, wenn sich das Steuersignal in einem Low-Zustand (L) befindet.
Der Schalttransistor 80 ist mit einem Verstärker 88 verbunden, der vorzugsweise als Spannungsfolger konfiguriert ist, der eine Ausgangsspannung produziert, die mit der Spannung am Kollektorknoten 86 in Zusammenhang steht. Der Ausgang 88a des Verstärkers 88 treibt einen Stromquellentransistor 94 an, der im aktiven Bereich mit Hilfe eines Regelverstärkers 92 arbeitet. Wenn die Ausgangsspannung von dem Verstärker 92 hoch ist, wird ein Strom mit einer vorbestimmten Stromstärke zwecks Selbsterwärmung des Thermistors 150 durch den Emitterausgang des Transistors 94 geschickt. Der Emitter 96 des Stromquellentransistors ist mit dem Thermistor 150 in Reihe geschaltet. Dies läßt sich einfach mit Hilfe eines Verbindungselements 100 und mit Hilfe des zuvor beschriebenen mehradrigen Kabels 22a erreichen. Der Nulleiter des Thermistors 150 ist mit einem Stromfühler 102 in Reihe geschaltet, der wiederum zwischen Erde und dem Verstärker 92 als einem der Differenzeingänge geschaltet ist. Der Verbindungsknoten 104, der den Thermistor 150 mit dem Stromfühler 102 verbindet, ist des weiteren mit einem Eingang des Stromdetektors 64 verbunden. Der Stromdetektor 64 ist ein vorzugsweise als Spannungsfolger konfigurierter Verstärker 106. Der Ausgang 108 des Stromdetektors 64 ist eine Spannung, die dem Span nungsabfall an dem Stromfühler 102 entspricht, der von dem durch den Thermistor 150 geschickten Strom verursacht wurde. Der Ausgang 108 des Stromdetektors bzw. Verstärkers 106 dient als Eingang der Subtrahierschaltung 68. Der andere Eingang der Subtrahierschaltung 68 wird von dem Spannungsdetektor 66 bereitgestellt. Der Spannungsdetektor 66 ist ein Verstärker 110, der vorzugsweise als Spannungsfolger konfiguriert ist. Der Verbindungsknoten 112, der den Stromquellenemitter 96 mit dem Thermistor 150 verbindet, ist außerdem mit dem Eingang des Spannungsdetektors bzw. Verstärkers 110 verbunden. Der Spannungsdetektor 66 erzeugt also eine Ausgangsspannung, die der Spannung am Verbindungsknoten 112 entspricht.
Die Subtrahierschaltung 68 ist in einer herkömmlichen, dem Fachmann wohlbekannten Weise ausgeführt. Die Subtrahierschaltung 68 dient zur Erzeugung eines Ausgangssignals am Knoten 114, das die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Stromdetektors 64 und der Ausgangsspannung des Spannungsdetektors 66 darstellt. Die Differenz dieser beiden Spannungen stellt jedoch einfach den Spannungsabfall an dem Thermistor 150 dar. Der Subtrahiererausgang 114 entspricht dem Spannungsabfall an dem Thermistor 150. Außerdem entspricht das Ausgangssignal 108 des Stromdetektors 64 dem durch den Thermistor 150 geschickten Strom. Gemäß Fig. 2 werden diese beiden Ausgangssignale (das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 68 und das Ausgangssignal des Stromdetektors 64) über die Signalleitungen 116 bzw. 118 als Eingangssignale an den Mikroprozessor 70 abgesetzt. Der Mikroprozessor kann mit Hilfe dieser Signale leicht den Widerstand des Thermistors 150 berechnen, weil die Parameter Spannung und Stromstärke bekannt sind.
Die Funktionsweise der Steuerschaltung 160 wird am besten anhand von Fig. 2 sowie anhand von Fig. 4 verständlich. Der Mikroprozessor 70 ist auf eine wohlbekannte herkömmliche Weise so programmiert, daß er ein vorzugsweise binäres Ausgangs steuersignal auf der Signalleitung 84 produziert. Das Steuersignal besitzt zwei diskrete Zustände, High (H-Pegel) und Low (L-Pegel). In jedem Zeitraum, wo das Steuersignal ein H- Signal ist, wird der Schalttransistor 80 eingeschaltet, und der Ausgang des Verstärkers 88 beträgt etwa null Volt. Die Schaltung des Verstärkers 92 und des Stromquellentransistors 94 ist entsprechend vorgespannt, so daß während des Hochpegelzustands des Steuersignals ein sehr schwacher Steuerstrom durch den Thermistor 150 geschickt wird. Dieser stromschwache Zeitraum kann also dazu verwendet werden, um die Temperatur des Treibmittels zu erfassen, weil es zu keiner merklichen Selbsterwärmung des Thermistors 150 kommt.
In jedem Zeitraum, wo sich das Steuersignal in einem Low- Zustand befindet, wird der Schalttransistor 80 abgeschaltet, und der Ausgang des Verstärkers 88 hat etwa die Höhe der Versorgungsspannung, +V. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 88 wird durch den Verstärker 92 aufbereitet, der einen vorbestimmbaren Strom durch den Thermistor 150 schickt. Dieser Steuerstrom reicht aus, um die Selbsterwärmung des Thermistors herbeizuführen, was wiederum zu einer örtlich begrenzten Erwärmung des Treibmittels führt. In einem typischen System liegt der schwache Strom zur Erfassung der Umgebungstemperatur in der Größenordnung von 5 mA, und der Selbsterwärmungsstrom beträgt beispielsweise etwa 80 mA. Die Zeiträume für den Selbsterwärmungsmodus und den Modus ohne Selbsterwärmung können von jeder geeigneten Dauer gewählt werden. Zwei Sekunden für den Zeitraum zur Erfassung der Umgebungstemperatur haben sich als geeignet erwiesen, während sich ein Zeitraum von zweieinhalb Sekunden für den Selbsterwärmungsstrom als geeignet erwiesen hat. Diese Zeiträume sind jedoch nicht entscheidend, und der Mikroprozessor 70 kann so programmiert werden, daß diese Zeiten nach Bedarf verändert werden.
Während der Zeiträume, wo sich der Thermistor 150 nicht selbst erwärmt, befindet sich der Thermistor ungefähr im Tem peraturgleichgewicht mit dem Treibmittel. Der Widerstand entspricht daher der Fluidtemperatur. Da die Spannung und die Stromstärke an dem Thermistor 150 in den Mikroprozessor 70 eingegeben werden, kann der Mikroprozessor leicht den Widerstand des Thermistors errechnen. Wenn der Thermistor 150 eine Treibmitteltemperatur unter einem vorbestimmten Wert anzeigt, beispielsweise 32ºF, veranlaßt der Mikroprozessor, daß der Verdichter abgeschaltet wird, oder er schaltet das Kondensatorgebläse ab, je nachdem wie er programmiert ist. Damit soll verhindert werden, daß sich in dem Verdampfer Rauhreif oder Eis bildet, was den thermodynamischen Wirkungsgrad des Systems 10 vermindern würde, und um zu verhindern, daß nicht genügend Schmiermittel zu dem Verdichter befördert wird.
Der Mikroprozessor ist auch so programmiert, daß er die Funktionsweise des Magnetventils 22 steuert, indem er die Stromstärke des durch die Wicklungen der Magnetspule geschickten Stromes 23 (Fig. 2) durch Rückkopplung steuert. Wie in den obengenannten, ein Ventil betreffenden Patentanmeldungen erläutert wird, wird eine genaue Steuerung des Treibmittelstromes durch das Ventil mit Hilfe einer linearen Rückkopplungsstromquelle erreicht, wobei der Analogpegel des Stromes die Größe der Ventilöffnung bestimmt. Diese Art von Ventil hat bedeutende Vorteile gegenüber herkömmlichen Ventilen mit Pulsbreitenmodulation und gegenüber Ventilen, die durch einen Schrittmotor gesteuert werden, wie in der obengenannten Patentanmeldung erläutert wird. Wenngleich dieses linearproportionale Magnetventil bevorzugt wird, kann jede elektrisch gesteuerte Expansionseinrichtung bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der Mikroprozessor 70 erhält das Eingangssignal auch von dem H-seitigen Druckfühler 60, wie in der obengenannten Anmeldung beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Mikroprozessor so programmiert, daß er den H-seitigen Druckfühler 60 und den Qualitätssensor 150 anhand vorbestimmter Sollwerte überwacht.
Die in dem Mikroprozessor bzw. dem zugehörigen Speicher gespeicherten tatsächlichen Sollwerte werden natürlich ermittelt anhand von Faktoren wie zum Beispiel der Art des verwendeten Kühlmittels, und anhand der Betriebsbedingungen von Bauteilen wie dem Verdichter, dem Kondensator, dem Verdampfer und dem Entspannungsventil. Die Ausführungsform erwägt also eine bevorzugte Art der Implementierung gewisser Steuerfunktionen in Abhängigkeit von ausgewählten Sollwerten, und ist nicht auf bestimmte Sollwerte begrenzt.
Im normalen Betrieb des Wärmeübertragungssystems 10 wird die Qualität am Verdampferauslaß vorzugsweise auf fast 100% Gas reguliert, indem der Durchsatz durch das Magnetventil 22 verändert wird. Der Qualitätssensor 150 erfaßt die Qualität während des Selbsterwärmungsmodus. Wenn der Thermistor 150 erwärmt wird, erreicht er eine vorbestimmte Temperatur, die eine Funktion des prozentualen Anteils an Flüssigkeit in dem aus dem Verdampfer austretenden Treibmittel ist. Wenn beispielsweise keine Flüssigkeit vorhanden ist, wird die Temperatur des Thermistors mindestens seine von dem durch ihn hindurchfließenden Strom verursachte Solltemperatur sein. Wenn der Dampf überhitzt wird, wird der Thermistor die überhöhte Temperatur erfassen, und der Mikroprozessor wird dafür sorgen, daß das Ventil 22 mehr öffnet, um den Massenstrom zu erhöhen. Wenn der Dampf zu weniger als 100% aus Gas besteht, kühlen die Flüssigkeitströpfchen den Thermistor 150 unter seinen Sollwert ab, und der Mikroprozessor sorgt dafür, daß das Ventil mehr schließt, um so den Massenstrom zu reduzieren.
Gemäß einer wichtigen Ausgestaltung der Ausführungsform wird die Genauigkeit des Qualitätssensors wesentlich verbessert, wenn man den Thermistor 150 in einem seitlichen Hohlraum oder einer seitlichen Ausnehmung positioniert, so daß das Treibmittel nicht direkt über den Thermistor strömt. Gemäß Fig. 3 umfaßt der Körper des Ventils 22 vorzugsweise den L-seitigen Durchgangskanal 42, der den Verdampferauslaß mit der Saugleitung 26 verbindet. Eine seitliche Bohrung 130 ist vorgesehen, die zu dem Durchgangskanal 42 hin offen ist. Der Thermistor 150 sitzt fluiddicht in einer Einsenkung 132, wobei die Thermistoranschlüsse 152 zum Anschluß an die Steuerschaltung 160 zugänglich sind, wie oben beschrieben. Wie gezeigt, befindet sich die Wirkfläche 134 des Thermistors 150 in der seitlichen Bohrung 130, so daß sie sich außerhalb des Hauptstromes des Treibmittels durch den Kanal 42 befindet. Diese Anordnung verhindert, daß es zu einer ungleichmäßigen Ansammlung von Flüssigkeitströpfchen auf dem Thermistor 150 kommt, wodurch die Empfindlichkeit des Thermistors auf einen bestimmten Prozentsatz von Qualität und Massenstrom verbessert wird, wenn er im Selbsterwärmungsmodus verwendet wird.
Wie bereits erwähnt, überwacht der Mikroprozessor den Widerstand des Thermistors 150 im Selbsterwärmungsmodus, um die Qualität des aus dem Verdampfer austretenden Treibmittels zu erfassen, und steuert den Massenstrom durch das Ventil 22, um vorzugsweise die Qualität im Bereich von 100% Gas zu halten. Ein häufiger Taktbetrieb der Verdichterkupplung zwecks Steuerung des hochspannungsseitigen Druckes wird auf mehrere Arten vermieden. Erstens ist der Sollwert der Temperatur zum Aktivieren des Verdichters (bezogen auf die vom Qualitätssensor ermittelte Temperatur im Modus ohne Selbsterwärmung) höher als die Solltemperatur zum Abschalten bzw. Deaktivieren des Verdichters. Der Verdichter kann mit Hilfe eines Kupplungsmechanismus (nicht dargestellt) elektronisch aktiviert und deaktiviert werden, wie wohlbekannt ist.
Zweitens ist der Mikroprozessor so programmiert, daß ein häufiger Taktbetrieb des Verdichters mit dem H-seitigen Druckfühler 50 und dem Qualitätssensor verhindert wird. Wenn der H-seitige Druck einen ersten Sollwert übersteigt, schaltet der Mikroprozessor das Kondensatorgebläse ein, womit der H- seitige Druck im allgemeinen vermindert wird. Wenn der Druck bei eingeschaltetem Gebläse nicht zu dem Normalwert zurückkehrt, sondern einen zweiten Sollwert übersteigt, schaltet der Mikroprozessor den Verdichter für einen Mindestzeitraum ab.
Drittens, und gemäß einer wichtigen Ausgestaltung der Ausführungsform, folgt der Mikroprozessor jedoch einem "Strömungsreduzierungsmodus", wenn der erfaßte H-seitige Druck einen Sollwert übersteigt, der höher ist als der Wert zum Einschalten des Kondensatorgebläses, aber niedriger als der Wert zum Abschalten des Verdichters. Der Strömungsreduzierungsmodus wird vorzugsweise durch aktives Einstellen des Qualitätssollwertes herbeigeführt. Der Qualitätssollwert wird erhöht, was die Qualität des Treibmittels am Verdampferauslaß erhöht. Dies bewirkt natürlich eine Reduzierung des Massenstromes des Treibmittels durch das Ventil und den Verdampfer. Dies führt zu einem verminderten Einlaßdruck in das Entspannungsventil ohne Abschaltung des Verdichters. Wenngleich der veränderte Qualitätssollwert den thermodynamischen Wirkungsgrad des Systems etwas verringert (infolge der gestiegenen Überhitzung), dient dies zur Abschaltung des Verdichters, denn wenn der Verdichter abgeschaltet ist, gibt es überhaupt keine aktive Kühlung.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Ausführungsform führt das Aktivieren des Verdichters zu einem starken Einschwingvorgang, bei dem der Massenstrom und der Druckaufbau sich rasch verändern und zu großen Systemschwankungen führen können, wenn sich das System wieder stabilisiert. Um diesen Einschwingvorgang zu glätten, ist der Mikroprozessor 70 bei eingerückter Kupplung so programmiert, daß er einen konstanten Strom zu dem proportionalen Magnetventil schickt, worauf sich das Ventil teilweise öffnet. Der Wert des Antriebsstromes wird auf denselben Wert eingestellt, der existierte, als der Verdichter zuletzt abgeschaltet wurde. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit kehrt das System zu der normalen Regelung der Qualität am Verdampferauslaß gemäß obiger Beschreibung zurück.
Der Mikroprozessor kann auch so programmiert sein, daß er einen raschen Pull-down-Modus (Herunterfahren) oder Cool-down- Modus (Abkühlen) ausführt, in dem der Verdichter für eine vorbestimmte Zeit nach dem Anfahren läuft, wenn der Qualitätssensor feststellt, daß die Kühlmitteltemperatur größer ist als ein voreingestellter Schwellwert. Unter normalen Betriebsbedingungen nach dem Anfahren überwacht der Mikroprozessor die Kühlmitteltemperatur auf der Auslaßseite des Verdampfers 14. Wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten Sollwert wie zum Beispiel 32ºF abfällt, wird der Verdichter abgeschaltet.
Während des raschen Pull-down-Modus beim Anfahren wird der Verdichter jedoch für einen vorbestimmten Zeitraum in Betrieb gehalten, nachdem die Kühlmitteltemperatur unter diesen Sollwert abgefallen ist. Wenn die Temperatur während dieses Zeitraums jedoch unter einen zweiten Sollwert abfällt, beispielsweise unter 24ºF, wird der Verdichter sofort abgeschaltet. Mit anderen Worten, während des raschen Herunterfahrens wird der L-seitige Temperatursollwert für einen begrenzten Zeitraum überschritten, wenn beim Anfahren eine hohe Temperatur herrscht. Der rasche Pull-down-Modus kann beispielsweise verwendet werden, wenn die Kühlmitteltemperatur beim Anfahren einen vorbestimmten Schwellwert wie zum Beispiel 90ºF überschreitet.
Die obengenannte Patentanmeldung, die gleichzeitig mit der vorliegenden Patentanmeldung eingereicht wurde und den H- seitigen Druckfühler betrifft, erläutert, wie ein solcher Druckfühler zu verwenden ist, um den Verlust an Ladung bis auf einen Zustand "ohne Ladung" zu erfassen. Gemäß einer wichtigen Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform kann der Qualitätssensor verwendet werden, um einen Zustand "mit geringer Ladung" zu erfassen. Dieses Ereignis wird erfaßt, wenn der Sollwert der Qualität für einen vorbestimmten Zeitraum bei vollständig geöffnetem Entspannungsventil nicht erreicht werden kann.
Anhand von Fig. 4 zeigen wir nun mehrere repräsentative Kurven, die die Wirksamkeit des Qualitätssensors im Vergleich zu Überhitzungssteuermechanismen veranschaulichen. Um diese repräsentativen Daten zu erhalten, haben wir den Massenstrom des Treibmittels durch das Ventil 22 gemäß Kurve A gesteuert und erfaßt. Der Ausgang V des Qualitätssensors (d. h. in Wirklichkeit der Widerstand des Thermistors 150) ist der Änderung des Massenstromes genau gefolgt, während dies bei der auf herkömmliche Weise gemessenen Überhitzungstemperatur nicht der Fall war. Außerdem haben wir unabhängig davon die Überhitzung des Verdampfers überwacht, wobei darauf hinzuweisen ist, daß sich der Massenstrom in Betriebsbereichen mit einer geringen Überhitzung wesentlich ändern kann.
Wie hierin beschrieben, ist der Mikroprozessor so programmiert, daß er den Zustand des L-seitigen Sensors 150 im Selbsterwärmungsmodus mit höherer Stromstärke ermitteln kann. Der Regelkreis des Entspannungsventils sorgt für die Aufrechterhaltung der Thermistortemperatur auf einem ungefähr konstanten Wert (Sollwert). Unter einigen Betriebsbedingungen ist diese Anordnung jedoch nicht immer optimal. Wenn sich das Kühlmittel beispielsweise in einem überhitzten Dampfzustand befindet, erhält man unter Umständen keinen genauen Steuerparameter, wenn man einfach den Widerstand des Thermistors erfaßt. Ein solcher Zustand kann beispielsweise in einem "Strömungsreduzierungsmodus" eintreten, wie er oben beschrieben ist.
Die Leistung des L-seitigen Sensors kann über einen weiteren Bereich von Betriebsbedingungen des Systems verbessert werden, indem man den Wärmeleitwert zwischen dem Thermistor und dem Kühlmittel im Selbsterwärmungsmodus berechnet, anstatt den Widerstand des Thermistors zu berechnen. Der Schaltungsaufbau und die Bauteile für die Implementierung dieser Lösung sind im wesentlichen identisch mit den zuvor beschriebenen. Der Mikroprozessor ist jedoch so programmiert, daß er eine andere Berechnung durchführt. Der Wärmeleitwert des Thermistors 150 kann definiert und berechnet werden als Verhältnis der in dem Sensor abgegebenen Energie zu der Differenz zwischen der Sensortemperatur und der Kühlmitteltemperatur [Wärmeleitwert = Energie/(T - Tf), wobei T = Thermistortemperatur und Tf = Fluidtemperatur]. Die Kühlmitteltemperatur ist bekannt aus dem Zustand des Thermistors 150 im Modus mit niedriger Stromstärke. Die von dem Sensor abgegebene Energie ist einfach das Produkt aus Spannung und Stromstärke über dem Thermistor, oder das Quadrat der Stromstärke mal dem Widerstand. Der Sollwert der Sensorsteuerung wird somit auf der Basis der gewünschten aufrechtzuerhaltenden Wärmeleitfähigkeit gewählt. Dieser Sollwert kann in einem Strömungsreduzierungsmodus genauso eingestellt werden, wie dies oben beschrieben ist. Der Sollwert wird also einem gewünschten Qualitäts- oder Überhitzungszustand des Kühlmittels auf der Auslaßseite des Verdampfers gemäß den Betriebsbedingungen des Systems entsprechen. Für den Fachmann ist es daher ohne weiteres verständlich, daß der Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor und dem Kühlmittel alternativ herangezogen werden könnte, da er einfach der Reziprokwert des Wärmeleitwertes ist.
Während die Steuerschaltung 160 anhand einer spezifischen Ausführungsform derselben beschrieben wurde, können die Funktionen der Schaltung in vielen verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden. Beispielsweise wurden Ventile mit einem typischen Aufbau in Fig. 2 bereitgestellt, doch dienen diese lediglich als Beispiel. Die Kurven in Fig. 4 sollen auch typische Beziehungen darstellen, die in einem repräsentativen System gefunden werden könnten. Diese Ausführungsform stellt also Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung von Kennwerten eines Treibmittels in einem Wärmeübertragungssystem bereit, das elektronisch gesteuert wird und solche Kennwerte genau erfassen kann, ohne daß mechanische oder elektromechanische Druckfühler und Wandler benötigt werden, und ohne daß die Siedetemperatur gemessen werden muß.
Die Erfindung wurde zwar anhand spezifischer Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben, doch dient dies der Veranschaulichung und nicht so sehr der Einschränkung, und andere Variationen und Modifikationen der hierin dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen werden für den Fachmann im Rahmen der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen offensichtlich sein.

Claims

1. Steuervorrichtung für ein Wärmeübertragungssystem, wobei das Wärmeübertragungssystem ein Entspannungsventil (22), einen Verdichter (16) und einen Verdampfer (14) umfaßt, und wobei die Steuervorrichtung die Funktionsweise des Ventils (22) und des Verdichters (16) steuern kann und folgendes umfaßt:

einen ersten Sensor (50) zur Erzeugung eines ersten Signals, welches den hochspannungsseitigen Druck des Arbeitsfluids in dem Wärmeübertragungssystem darstellt;

einen zweiten Sensor (150) zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches den Zustand des Arbeitsfluids nach dem Durchlauf des Arbeitsfluids durch den Verdampfer (14) darstellt; und

eine Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Funktionsweise des Entspannungsventils (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung des zweiten Signals und zum Vergleich des zweiten Signals mit einem Sollwert für den Zustand umfaßt; und eine

Einstelleinrichtung zum Einstellen des Sollwertes für den Zustand in Abhängigkeit von dem ersten Signal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zweite Signal die Dampfqualität des Arbeitsfluids (12) auf der Auslaßseite des Verdampfers (14) darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zweite Signal die Überhitzungswärme des Arbeitsfluids auf der Auslaßseite des Verdampfers darstellt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite Sensor einen Widerstandstemperatursensor (150) umfaßt, wobei die Steuereinrichtung (40) den Wärmeleitwert zwischen dem Sensor (150) und dem Arbeitsfluid (12) bestimmen kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung (40) den Wärmeleitwert anhand der von dem Sensor (150) während eines Zeitraums der Selbsterwärmung abgegebenen Energie errechnet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (40) einen Sollwert für die Dampfqualität des Arbeitsfluids in Reaktion auf einen Anstieg des ersten Signals über einen ersten Wert erhöhen kann, wobei der erhöhte Sollwert für die Qualität zu einem verringerten Bedarf einer Massenströmung durch das Ventil (21) führt, um den hochspannungsseitigen Druck zu verringern, ohne den Verdichter (16) abzuschalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der erste Wert einen hochspannungsseitigen Druck darstellt, der höher ist als der Druck, bei dem ein Kondensatorgebläse (24) in Gang gesetzt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (40) einen niedrigen Ladungszustand des Arbeitsfluids erfaßt, wenn der Sollwert des Zustandssignals während eines vorbestimmten Zeitraums nach dem vollständigen Öffnen des Ventils (22) nicht erreicht wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Sensor (150) einen Widerstandstemperatursensor umfaßt, der in einem seitlichen Hohlraum (132) am Auslaß (42) des Verdampfers (14) angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (40) in regelmäßigen Abständen ein Steuersignal an den Sensor (150) absetzt, um dessen Selbsterwärmung herbeizuführen, so daß die Qualität/Überhitzungswärme des Arbeitsfluids (12) während der Zeit, in der die Selbsterwärmung des Sensors (150) stattfindet, ermittelt werden kann.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmeübertragungssystem ein Kondensatorgebläse (24) zum Kühlen des von dem Verdichter (16) erhaltenen Arbeitsfluids (12) umfaßt, und die Steuereinrichtung (40) Ausgangssignale absetzt, um den Verdichter (16) und das Kondensatorgebläse (24) zu aktivieren und zu deaktivieren, und um den Strom des Arbeitsfluids (12) durch das Entspannungsventil (22) in Reaktion auf den Ausgang des ersten Sensors und den Ausgang des zweiten Sensors in Abhängigkeit von Steuersollwerten zu regulieren; wobei die Steuereinrichtung (40) das Ventil in einem Strömungsreduzierungsmodus arbeiten läßt, um den hochspannungsseitigen Druck zu reduzieren, bevor der Verdichter abgeschaltet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Strömungsreduzierungsmodus durch die Steuereinrichtung (40) herbeigeführt wird, indem der Sollwert des Qualitätssensors eingestellt wird, wenn der erste Sensorausgang einen vorbestimmten Wert erreicht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Steuereinrichtung (40) das Kondensatorgebläse (24) in Gang setzt, wenn der erste Sensorausgang einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, den Verdichter (16) abschaltet, wenn der erste Sensorausgang einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht, der größer ist als der erste vorbestimmte Wert, und den Strö mungsreduzierungsmodus herbeiführt, wenn der erste Sensorausgang einen dritten vorbestimmten Wert zwischen dem ersten und dem zweiten vorbestimmten Wert erreicht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuereinrichtung (40) den Sollwert des Zustandssensors so einstellt, daß er den Strömungsreduzierungsmodus herbeiführt, indem die Sollwerte des Zustandssensors erhöht werden, so daß die Ventilströmung proportional reduziert wird.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Entspannungsventil (22) ein linear proportionales Magnetventil ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Steuereinrichtung (40) einen niedrigen Ladungszustand des Arbeitsfluids (12) erfaßt, indem sie den Zeitraum ermittelt, indem ein vorbestimmter Sollwert für die Qualität nicht erreicht werden kann, wenn das Entspannungsventil (22) ganz geöffnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Steuereinrichtung (40) das Entspannungsventil (22) in einem schnellen Pull-down-Modus arbeiten läßt, wenn der zweite Sensor (150) eine Umgebungstemperatur des Arbeitsfluids (12) am Verdampferauslaß erfaßt, die größer ist als ein vierter vorbestimmter Wert nach dem Anfahren der Anlage.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wenn dieser von Anspruch 9 abhängt, wobei der zweite Sensor (150) eine Arbeitsfluidtemperatur in einem Niedrigenergiemodus erfaßt, der von dem Steuersignal bestimmt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der zweite Sensor (150) die Qualität des Arbeitsfluids (12) in einem Selbsterwärmungsmodus erfaßt, der von dem Steuersignal bestimmt wird.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Sensor (150) einen Thermistor umfaßt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der erste Sensor (50) einen selbsterwärmenden Thermistor umfaßt, wobei die Steuereinrichtung (40) einen minimalen Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor und dem Arbeitsfluid erfaßt.

21. Verfahren zum Steuern der Funktionsweise eines Entspannungsventils (22) und eines Verdichters (16) in einem Wärmeübertragungssystem (10) mit einem Verdampfer (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Erfassen des hochspannungsseitigen Druckes des Arbeitsfluids (12);

b) Erfassen des Zustands des Arbeitsfluids (12) zwischen dem Verdampfer (14) und dem Verdichter (16);

c) Steuern der Funktionsweise des Entspannungsventils (22) in Abhängigkeit von dem erfaßten Zustand des Arbeitsfluids auf Basis eines vorbestimmten Sollwertes; und

d) Einstellen des Sollwertes für den Zustand in Abhängigkeit von dem hochspannungsseitigen Druck.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Verdichter (16) abgeschaltet wird, wenn der hochspannungsseitige Druck einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, wobei das Kondensatorgebläse (24) bei einem zweiten vorbestimmten Wert für den hochspannungsseitigen Druck in Gang gesetzt wird, der kleiner ist als der erste vorbestimmte Wert, und das Entspannungsventil (22) teilweise geschlossen wird, wenn der hochspannungs seitige Druck einen Wert zwischen dem ersten und dem zweiten vorbestimmten Wert erreicht.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, umfassend:

Erfassen eines niedrigen Ladungszustandes des Arbeitsfluids, indem festgestellt wird, daß das Arbeitsfluid (12) den Sollwert während eines vorbestimmten Zeitraums nach dem vollständigen Öffnen des Ventils (22) nicht erreicht.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der Zustand des Arbeitsfluids (12) mit Hilfe eines selbsterwärmten Thermistors (150) an der Auslaßseite (42) des Verdampfers (14) erfaßt wird; und der Verdichter (16) für einen vorbestimmten Zeitraum nach dem Anfahren der Anlage in Gang gesetzt wird, wenn der Thermistor (150) feststellt, daß die Temperatur des Arbeitsfluids einen vorbestimmten Wert überschreitet.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Verdichter (16) für einen vorbestimmten Zeitraum in Betrieb bleibt, nachdem das Arbeitsfluid (12) eine erste Temperatur erreicht, bei der der Verdichter (16) während des Betriebs der Anlage nach dem Anfahren abgeschaltet werden würde.