EP4433765A1 - Klimaanlage - Google Patents

Klimaanlage

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EP4433765A1
EP4433765A1 EP22798062.0A EP22798062A EP4433765A1 EP 4433765 A1 EP4433765 A1 EP 4433765A1 EP 22798062 A EP22798062 A EP 22798062A EP 4433765 A1 EP4433765 A1 EP 4433765A1
Authority
EP
European Patent Office
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condenser
fan
control unit
evaporator
refrigerant
Prior art date
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Pending
Application number
EP22798062.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Venschott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG filed Critical Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Publication of EP4433765A1 publication Critical patent/EP4433765A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2117—Temperatures of an evaporator

Definitions

  • the present invention relates to an air conditioner.
  • a fan and an associated heat exchanger belong to the evaporator, in which the air in the room to be cooled is cooled by interacting with the refrigerant.
  • Another blower and an associated heat exchanger belong to the condenser, in which thermal energy of the refrigerant is transferred to the ambient air and thus dissipated.
  • the process of transferring the thermal energy of the indoor air to the outdoor air requires electrical energy, which is usually made available via the local power grid or, if necessary, the battery of a vehicle (e.g. mobile home or caravan).
  • electrical energy which is usually made available via the local power grid or, if necessary, the battery of a vehicle (e.g. mobile home or caravan).
  • the general aim is for the energy requirement to be as low as possible.
  • a mere reduction in energy demand may conflict with a user's requirements for air conditioning performance. It is therefore necessary to weigh up the energy requirements and the performance of the air conditioning system. Details for controlling air conditioning systems can be found e.g. For example, see DE 10 2007 055 006 A1, JP 6 739 671 B1, DE 11 2017 002 005 T5, EP 1 923 240 A1, DE 10 2019 109 379 A1, CN 1 10 906 505 A or U.S. 2014/0345307 A1.
  • the object on which the invention is based is therefore to propose an air conditioning system that allows energy-efficient operation that is appropriate to the situation.
  • the invention achieves the object by means of an air conditioning system with an evaporator, an evaporator fan, a condenser, a condenser fan, a compressor, an expansion element, a control unit and at least three temperature sensors, the condenser fan assigned to the condenser being able to be regulated in terms of its fan output, the compressor in its compression output can be regulated, a first temperature sensor of the three temperature sensors being assigned to the evaporator, a second temperature sensor of the three temperature sensors being assigned to the condenser, a third temperature sensor of the three temperature sensors measuring an actual temperature
  • CONFIRMATION COPY outside of the air conditioning system, with the control unit processing measured temperature values from the third temperature sensor with regard to a predeterminable temperature setpoint, and with the control unit having a regulating effect on the condenser fan and/or on the compressor, so that the air conditioning system works in one of at least two different modes.
  • a control unit which acts on a controllable condenser fan and/or on a controllable compressor.
  • the performance of the two components and thus also their energy requirements can thus be adjusted.
  • the purpose of this is that the air conditioning system can be operated in one of at least two different modes.
  • a mode is an operating mode that takes into account the needs of the user of the air conditioner and/or the energy requirements.
  • a few modes and the respective special features in different configurations of the air conditioning system are discussed below.
  • the control unit uses measurement data from three temperature sensors. Two of the temperature sensors are assigned to the evaporator and the condenser to measure the temperature there. Some of the following configurations relate to the two temperature sensors for determining internal temperatures.
  • the third temperature sensor measures the temperature outside of the air conditioning system and preferably the temperature of the air that is to be tempered by the air conditioning system. This is therefore the actual temperature, which is to be brought to a setpoint temperature that can be specified by a user. A total of three measured temperature values and one setpoint temperature value are therefore available to the control unit in order to regulate the air conditioning system in accordance with the at least two operating modes.
  • One embodiment includes that the evaporator fan assigned to the evaporator can be regulated in terms of its fan power, and that the control unit has a regulating effect on the evaporator fan, so that the air conditioning system works in one mode.
  • the control unit has a regulating effect on the evaporator fan, so that the air conditioning system works in one mode.
  • the first and/or the second temperature sensor are configured or positioned.
  • the first temperature sensor is designed and arranged in such a way that the first temperature sensor detects temperature values in a region of the evaporator in which a phase change of the refrigerant takes place.
  • An alternative or supplementary embodiment includes that the second temperature sensor is designed and arranged in such a way that the second temperature sensor detects temperature values in a region of the condenser in which a phase change of the refrigerant takes place.
  • the two aforementioned configurations each relate to the phase change of the refrigerant in the evaporation or in the condenser.
  • the temperature is measured at which the phase change takes place in the respective component of the air conditioning system. If the temperature is measured in the region of the phase change, the pressure under which the refrigerant is located depends on the properties of the refrigerant and the temperature.
  • control unit processes the measured temperature values from the first temperature sensor and the second temperature sensor in order to obtain information about a pressure of a refrigerant in the evaporator and in the condenser.
  • control unit uses the measured values of the first and second temperature sensors to obtain information about the pressure at which the respective phase change of the refrigerant takes place.
  • the following refinements relate to modes in which the air conditioning system can be operated.
  • the modes are each given a purely exemplary name in order to be able to distinguish them more easily from one another.
  • the labels serve therefore only the overview and are purely arbitrary, so that they are also omitted or z. B. can be replaced by numbers.
  • One embodiment includes that the control unit acts in a “Cool max” mode on the evaporator fan and/or on the condenser fan and/or on the compressor in a regulating manner depending on the predefinable setpoint temperature and the measured temperature values of the third temperature sensor, so that the air conditioning system working at maximum power.
  • "Cool max” mode the air conditioning is operated in such a way that the target temperature is reached as quickly as possible, i. H. that the difference between the actual temperature in the room to be cooled and the specified target temperature is reduced as quickly as possible.
  • the evaporator fan and the condenser fan are operated at maximum fan power and the compressor is operated at maximum compression power.
  • control unit has a regulating effect on the evaporator fan and/or on the condenser fan in a "minimum power consumption" mode, so that the pressure of the refrigerant in the evaporator is equal to the pressure of the refrigerant in the condenser within a predefinable tolerance range .
  • the goal is for the air conditioner to use as little electricity as possible.
  • the evaporator fan and/or the condenser fan is controlled in such a way that the pressure of the refrigerant during evaporation is as equal as possible to the pressure of the refrigerant in the condenser. Both pressures should at least not differ from each other outside of a tolerance range. This reduces the energy requirement of the compressor, which is located in the refrigeration circuit between the evaporator and the condenser.
  • An alternative or supplementary embodiment includes the control unit acting in a “minimum power consumption” mode in a regulating manner on the condenser fan such that the pressure of the refrigerant in the condenser is in a minimum range.
  • the control unit operates the condenser fan in such a way that the pressure of the refrigerant in the condenser is as low as possible.
  • the control unit increases the fan output of the evaporator fan in the "minimum power consumption” mode in order to reduce the pressure of the refrigerant in the condenser.
  • the control unit intervenes in such a way that a pressure difference between the pressures of the refrigerant in the evaporator and in the condenser is as small as possible. If, in one embodiment, the outside air is routed through the condenser with a high pressure loss, the control unit increases the fan output of the condenser fan by increasing the speed of this fan. As a result, more air volume flow is conveyed and the pressure of the refrigerant in the condenser drops. Although this means that the power consumption of the condenser fan is increased, the compressor requires significantly less electrical energy. This is relevant because the compressor usually requires more energy than the fan devices.
  • One embodiment includes that the control unit acts in a "silent" mode on the evaporator fan and on the condenser fan in a regulating manner so that the fan outputs are each in a definable minimum range, and that the control unit in the "silent" mode on the compressor acts as a function of the target temperature and the measured temperature values of the third temperature sensor.
  • the generation of noise is thus reduced in that the two controllable fans are operated at the lowest possible power, for example at minimum speed.
  • the temperature is regulated by intervening on the compressor.
  • control unit in the “silent” mode reduces the compression output of the compressor and/or increases the fan output of the condenser fan if the pressure of the refrigerant in the compressor is above a limit value. If the pressure of the refrigerant in the compressor increases too much, then in the so-called “silent” mode in this embodiment either the compression capacity of the compressor is reduced or the blower capacity of the condenser fan is increased. Alternatively, both interventions can also be carried out.
  • the air conditioner can be connected to a rechargeable energy store, that the control unit - preferably via a Input voltage of the energy store - determines an amount of energy stored in the energy store, and that in an "optimal battery operation" mode, the control unit, based on the enterable setpoint temperature, the determined amount of energy and a predefinable running time, regulates the evaporator fan and/or the condenser fan and/or or acts on the compressor, so that the air conditioning system keeps the actual temperature within a definable limit range until the end of the term.
  • the air conditioner receives the electrical energy from a rechargeable energy store. This is z. B. given by a battery.
  • the control unit determines the amount of energy present in the energy store by, for example, evaluating the input voltage of the energy store.
  • the air conditioner is operated in an "optimal battery operation" mode.
  • a target temperature and a desired running time of the air conditioning system are to be specified by a user.
  • the control unit regulates the air conditioning depending on the amount of energy available.
  • the predefinable limit range for the actual temperature is the range within which the actual temperature can deviate from the target temperature without the cooling capacity of the air conditioning system having to be changed.
  • One embodiment provides that in a "test" mode the control unit acts in a regulating manner on the evaporator fan and/or on the condenser fan and/or on the compressor, so that the refrigerant in the evaporator has a predeterminable evaporator test pressure and/or the refrigerant has a specifiable condenser test pressure in the condenser, that the control unit determines a value of a current consumption of the compressor, and that the control unit, based on the determined value of the current consumption and from stored data, derives a statement as to whether there is a loss of refrigerant.
  • Predetermined pressures of the refrigerant in the evaporator and/or in the condenser are generated by the controllable fans. By measuring the power consumption of the compressor and comparing it with a stored map, the control unit can check whether refrigerant has escaped, for example.
  • one of two temperature sensors is used to determine whether the associated component is icing up. Additional sensors for this monitoring can therefore be dispensed with in each case.
  • the two configurations differ in whether the air conditioning system is operated in a cooling mode and in a heating mode. So the circuit of the refrigerant in different directions so that the air in the room is either cooled or heated.
  • control unit evaluates the measured temperature values of the first temperature sensor, which is assigned to the evaporator, when the air conditioning system is in cooling mode to determine whether the evaporator is icing up.
  • control unit evaluates the measured temperature values of the second temperature sensor, which is assigned to the condenser, when the air conditioning system is in heating mode to determine whether the condenser is icing up.
  • One configuration includes that the control unit evaluates the measured temperature values of the second temperature sensor, which is assigned to the condenser, to determine whether a pressure of the refrigerant in the condenser is within a permissible pressure range. By knowing the pressure from the temperature measurement, impermissibly high pressures can be avoided. This can influence the selection of materials and wall thicknesses.
  • the air conditioner is portable.
  • the air conditioner is designed in terms of their dimensions and in terms of their weight so that they z. B. can be worn by a user.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an air conditioning system.
  • FIG 1 schematically shows the structure of an air conditioning system.
  • a refrigerant circulates, which in an evaporator 1 undergoes the phase change from liquid/vapor to gaseous and within the condenser 3 the phase change from gaseous to liquid completes.
  • Temperature and pressure are constant during the phase change in the evaporator 1 and in the condenser.
  • the respective values of pressure and temperature are firmly assigned to each other via the thermodynamic properties of the refrigerant used, so that the pressure value results from a temperature measurement.
  • the refrigerant in the evaporator 1 passes through the following states: After expansion in the expansion element 4, the refrigerant enters the evaporator 1 essentially in vapor form. The gas content is low and the liquid content is high. The proportion of gas within the evaporator 1 increases until there is no longer any liquid. This is the phase change. The last section of the evaporator 1 is used to superheat the refrigerant. This ensures that the downstream compressor 2 is fed only with gaseous refrigerant. The downstream compressor 2 compresses the gaseous refrigerant. In the condenser 3, the refrigerant goes through the following states: The refrigerant is first cooled (so-called heat dissipation section).
  • the phase change from gaseous to liquid is followed by the phase change from gaseous to liquid.
  • the refrigerant is supercooled so that it is always liquid at the inlet of the subsequent expansion device 4.
  • the overheating and/or subcooling sections are outside of the evaporator 1 or the condenser 3. A so-called internal heat exchanger is then often used.
  • a speed-controllable compressor 2 For the operation of the different modes, a speed-controllable compressor 2, a speed-controllable condenser fan 30 and even a speed-controllable evaporator fan 10 are present in the embodiment shown.
  • controllable is to be understood in such a way that the speeds can be changed continuously or in steps.
  • the evaporator 1 and the condenser 3 are each provided with a temperature sensor 61 , 62 .
  • the first temperature sensor 61 and the second temperature sensor 62 are located on the refrigerant pipes—not shown here—at that point at which a phase change of the refrigerant takes place. These phase change areas are determined beforehand under different conditions (such as, for example, limit values for the temperatures and the relative humidity in which the air conditioning system is used, as well as minimum and maximum speeds of the controllable fans and the controllable compressor).
  • the temperature measuring point is located in the middle of the refrigerant pipe loop of the respective heat exchanger evaporator or condenser.
  • thermodynamic properties of the refrigerant In the case of multi-flow heat exchangers, for example, a number of temperature sensors are provided in one embodiment, the measured values of which are averaged. Alternatively, the temperature is only measured in one strand. By measuring the evaporation or condensation temperature, conclusions can be drawn about the evaporation or condensation pressure via the thermodynamic properties of the refrigerant.
  • the compressor 2 In general, it can be said that the current consumption and thus also the power consumption of the compressor 2 is lowest the lower the pressure stroke that it has to accomplish. Furthermore, the compressor 2 usually has the greatest current or power consumption compared to the requirements of the two fans 10, 30.
  • the user of the air conditioner is in a room with 35 °C and 50% relative humidity.
  • the air conditioner exchanges the air, which is passed through the condenser 3, with the environment outside the room via two hoses (not shown here) (once for suction and once for blowing out). It is therefore a so-called two-channel room conditioner.
  • the air that passes through the evaporator 1 is circulated in the room.
  • the user sets his room air conditioner to a target temperature of 23 °C.
  • the air conditioning system will now cool the room to the target temperature as quickly as possible with the maximum available cooling capacity.
  • the control unit 5 then reduces the output of the compressor 2 and/or the output of the evaporator fan 10 and/or the condenser fan 30 and then regulates such that the room temperature remains essentially constant.
  • the air conditioning system can determine the high and low pressure (i.e.: condensation or evaporation pressure) and try to keep the pressure difference as small as possible. This allows additional operating modes of the air conditioning system, as have been described above.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage. Ein Verflüssigergebläse (30) ist in seiner Gebläseleistung regelbar. Der Verdichter (3) ist in seiner Verdichtungsleistung regelbar. Zwei Temperatursensoren (61, 62) sind dem Verdampfer (1) und dem Verflüssiger (3) zugeordnet. Ein dritter Temperatursensor (63) erfasst eine Ist-Temperatur außerhalb der Klimaanlage. Eine Steuereinheit (5) wirkt regelnd auf das Verflüssigergebläse (30) und/oder auf den Verdichter (3) ein, sodass die Klimaanlage in einem Modus von mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeitet.

Description

Klimaanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage.
Das der Luftkühlung zugrundeliegende Prinzip der Kälteerzeugung mittels eines Kühlkreislaufs ist beispielsweise in der WO 2007/042065 A1 beschrieben. Vorhanden sind in solchen Klimaanlagen zumeist zwei Gebläse und zwei Wärmetauscher: Ein Gebläse und ein zugeordneter Wärmetauscher gehören zum Verdampfer, in dem die Luft des zu kühlenden Raumes durch die Wechselwirkung mit dem Kältemittel abgekühlt wird. Ein weiteres Gebläse und ein zugeordneter Wärmetauscher gehören zum Verflüssiger, in welchem thermische Energie des Kältemittels auf die Umgebungsluft übertragen und somit abgeführt wird.
Der Prozess der Übertragung der thermischen Energie der Raumluft auf die Außenluft erfordert elektrische Energie, die in der Regel über das lokale Stromnetz oder ggf. die Batterie eines Fahrzeugs (z. B. Wohnmobil oder Wohnwagen) zur Verfügung gestellt wird. Heutzutage wird allgemein angestrebt, dass der Energiebedarf möglichst gering ist. Eine reine Reduktion der Energieanforderung kann jedoch im Widerspruch zu den Anforderungen eines Benutzers an die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage stehen. Somit ist ein Abwägen zwischen Energiebedarf und Performance der Klimaanlage erforderlich. Einzelheiten zum Steuern von Klimaanlagen lassen sich z. B. entnehmen der DE 10 2007 055 006 A1 , der JP 6 739 671 B1 , der DE 11 2017 002 005 T5, der EP 1 923 240 A1 , der DE 10 2019 109 379 A1 , der CN 1 10 906 505 A oder der US 2014/0345307 A1.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Klimaanlage vorzuschlagen, die einen situationsadäquaten und energieeffizienten Betrieb erlaubt.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Klimaanlage mit einem Verdampfer, einem Verdampfergebläse, einem Verflüssiger, einem Verflüssigergebläse, einem Verdichter, einem Expansionsorgan, einer Steuereinheit und mindestens drei Temperatursensoren, wobei das dem Verflüssiger zugeordnete Verflüssigergebläse in seiner Gebläseleistung regelbar ist, wobei der Verdichter in seiner Verdichtungsleistung regelbar ist, wobei ein erster Temperatursensor der drei Temperatursensoren dem Verdampfer zugeordnet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor der drei Temperatursensoren dem Verflüssiger zugeordnet ist, wobei ein dritter Temperatursensor der drei Temperatursensoren eine Ist-Temperatur
BESTÄTIGUNGSKOPIE außerhalb der Klimaanlage erfasst, wobei die Steuereinheit Temperaturmesswerte des dritten Temperatursensors im Hinblick auf einen vorgebbaren Temperatursollwert verarbeitet, und wobei die Steuereinheit regelnd auf das Verflüssigergebläse und/oder auf den Verdichter einwirkt, sodass die Klimaanlage in einem Modus von mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeitet.
In der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist eine Steuereinheit vorgesehen, die auf ein regelbares Verflüssigergebläse und/oder auf einen regelbaren Verdichter einwirkt. Es lässt sich somit die Leistung der beiden Komponenten und damit auch deren Energiebedarf einstellen. Dies dient dazu, dass die Klimaanlage in jeweils einem Modus von mindestens zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden kann. Ein Modus ist eine Betriebsart, die auf die Bedürfnisse des Benutzers der Klimaanlage und/oder auf den Energiebedarf Rücksicht nimmt. Im Folgenden werden einige Modi und die jeweiligen Besonderheiten in unterschiedlichen Ausgestaltungen der Klimaanlage diskutiert.
Für die Regelung greift die Steuereinheit auf Messdaten von drei Temperatursensoren zurück. Zwei der Temperatursensoren sind dem Verdampfer sowie dem Verflüssiger zugeordnet, um dort die Temperatur zu messen. Auf die beiden Temperatursensoren für die Ermittlung von internen Temperaturen bezieht sich ein Teil der folgenden Ausgestaltungen. Der dritte Temperatursensor misst die Temperatur außerhalb der Klimaanlage und vorzugsweise die Temperatur der Luft, die von der Klimaanlage temperiert werden soll. Dies ist somit die Ist-Temperatur, welche auf eine von einem Benutzer vorgebbare Solltemperatur gebracht werden soll. Insgesamt stehen der Steuereinheit somit drei Temperaturmesswerte und ein Solltemperaturwert zur Verfügung, um die Klimaanlage entsprechend den mindestens zwei Betriebsmodi zu regeln.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das dem Verdampfer zugeordnete Verdampfergebläse in seiner Gebläseleistung regelbar ist, und dass die Steuereinheit regelnd auf das Verdampfergebläse einwirkt, sodass die Klimaanlage in einem Modus arbeitet. In dieser Ausgestaltung sind insgesamt drei regelbare Komponenten vorhanden, die einzeln oder zusammen so von der Steuereinheit geregelt werden, dass dem jeweiligen Modus entsprochen wird: Verdampfergebläse, Verflüssigergebläse und Verdichter. Ausgehend von dieser Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass je nach Modus die Steuereinheit regelnd auf das Verdampfergebläse und/oder auf das Verflüssigergebläse und/oder auf den Verdichter einwirkt.
In den folgenden zwei Ausgestaltungen wird ausgeführt, wie der erste und/oder der zweite Temperatursensor ausgeführt bzw. positioniert sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Temperatursensor so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der erste Temperatursensor Temperaturwerte in einem Bereich des Verdampfers erfasst, in dem ein Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet.
Eine alternative oder ergänzende Ausgestaltung beinhaltet, dass der zweite Temperatursensor so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der zweite Temperatursensor Temperaturwerte in einem Bereich des Verflüssigers erfasst, in dem ein Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet.
Die beiden vorgenannten Ausgestaltungen beziehen sich jeweils auf den Phasenwechsel des Kältemittels in dem Verdampfen bzw. in dem Verflüssiger. Für die optimale Regelung ist vorgesehen, dass jeweils die Temperatur gemessen wird, unter welcher der Phasenwechsel in der jeweiligen Komponente der Klimaanlage stattfindet. Wird die Temperatur jeweils in dem Gebiet des Phasenwechsels gemessen, so ergibt sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Kältemittels aus der Temperatur der Druck, unter welchem das Kältemittel steht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit die Temperaturmesswerte des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors dahingehend verarbeitet, um Aussagen über einen Druck eines Kältemittels in dem Verdampfer sowie in dem Verflüssiger zu erhalten. In dieser Ausgestaltung verwendet die Steuereinheit die Messwerte des ersten sowie des zweiten Temperatursensors dafür, um Aussagen darüber zu erlangen, bei welchem Druck der jeweilige Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet.
Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf Modi, in denen die Klimaanlage betrieben werden kann. Die Modi werden dabei jeweils mit einem rein beispielhaften Namen bezeichnet, um sie leichter voneinander unterscheiden zu können. Die Bezeichnungen dienen daher nur der Übersicht und sind rein willkürlich, sodass sie auch entfallen oder z. B. durch Nummern ersetzt werden können.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit in einem „Cool max“-Modus in Abhängigkeit von der vorgebbaren Solltemperatur und den Temperaturmesswerten des dritten Temperatursensors so regelnd auf das Verdampfergebläse und/oder auf das Verflüssigergebläse und/oder auf den Verdichter einwirkt, sodass die Klimaanlage mit einer maximalen Leistung arbeitet. Im „Cool max“-Modus wird die Klimaanlage so betrieben, dass die Solltemperatur möglichst schnell erreicht wird, d. h. dass die Differenz zwischen der Ist-Temperatur im zu kühlenden Raum und der vorgegebenen Solltemperatur möglichst schnell reduziert wird. In einer Ausgestaltung werden das Verdampfergebläse und das Verflüssigergebläse mit maximaler Gebläseleistung und wird der Verdichter mit maximaler Verdichtungsleistung betrieben. Damit ergibt sich eine hohe Kälteleistung der Klimaanlage, die bei hoher Luftwechselzahl (also unter Zuführung von Frischluft) oder hoher Luftumwälzung (also im Umluftverfahren) betrieben wird. Dieser Modus dient somit dazu, möglichst schnell eine vom Benutzer gewünschte Temperatur der Raumluft zu erzielen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit in einem „Minimale Stromaufnahme“- Modus so regelnd auf das Verdampfergebläse und/oder auf das Verflüssigergebläse einwirkt, sodass der Druck des Kältemittels in dem Verdampfer innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs gleich dem Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger ist. In diesem Modus ist das Ziel, dass die Klimaanlage möglichst wenig elektrischen Strom benötigt. Hierfür wird das Verdampfergebläse und/oder das Verflüssigergebläse so geregelt, dass der Druck des Kältemittels im Verdampfen möglichst gleich dem Druck des Kältemittels im Verflüssiger ist. Beide Drücke sollen sich zumindest nicht außerhalb eines Toleranzbereichs voneinander unterscheiden. Dies reduziert den Energiebedarf des Verdichters, der sich in dem Kältekreislauf zwischen Verdampfer und Verflüssiger befindet.
Eine alternative oder ergänzende Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit in einem „Minimale Stromaufnahme“-Modus so regelnd auf das Verflüssigergebläse einwirkt, sodass der Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger in einem Minimalbereich ist. In dieser Ausgestaltung betreibt die Steuereinheit das Verflüssigergebläse derart, sodass der Druck des Kältemittels möglichst gering in dem Verflüssiger ist. Eine weitere alternative oder ergänzende Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit in dem „Minimale Stromaufnahme“-Modus die Gebläseleistung des Verdampfergebläses erhöht, um den Druck des Kältemittels im Verflüssiger zu reduzieren.
In den vorgenannten Ausführungen hinsichtlich des als „Minimale Stromaufnahme“ bezeichneten Modus greift die Steuereinheit so ein, dass ein Druckunterschied zwischen den Drücken des Kältemittels im Verdampfer und im Verflüssiger möglichst gering ist. Wird in einer Ausgestaltung die Außenluft mit einem hohen Druckverlust durch den Verflüssiger geführt, so erhöht die Steuereinheit die Gebläseleistung des Verflüssigergebläses, indem die Drehzahl dieses Gebläses erhöht wird. Dadurch wird mehr Luftvolumenstrom gefördert und der Druck des Kältemittels im Verflüssiger sinkt. Dies führt zwar dazu, dass die Stromaufnahme des Verflüssigergebläses erhöht wird, jedoch benötigt der Verdichter deutlich weniger elektrische Energie. Dies ist relevant, da der Verdichter in der Regel mehr Energie benötigt als die Gebläsevorrichtungen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit in einem „Silent“-Modus so regelnd auf das Verdampfergebläse und auf das Verflüssigergebläse einwirkt, sodass sich die Gebläseleistungen jeweils in einem vorgebbaren Minimalbereich befinden, und dass die Steuereinheit in dem „Silent“-Modus auf den Verdichter in Abhängigkeit von der Solltemperatur und den Temperaturmesswerten des dritten Temperatursensors einwirkt. In dieser Ausgestaltung wird somit die Geräuschbildung reduziert, indem die zwei regelbaren Gebläse mit möglichst geringer Leistung, beispielsweise mit minimaler Drehzahl, betrieben werden. Die Regelung der Temperatur erfolgt über den Eingriff auf den Verdichter.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit in dem „Silent“-Modus in dem Fall, dass der Druck des Kältemittels im Verdichter oberhalb eines Grenzwerts liegt, die Kompressionsleistung des Verdichters verringert und/oder die Gebläseleistung des Verflüssigergebläses erhöht. Steigt der Druck des Kältemittels im Verdichter zu stark an, so wird im sogenannten „Silent“-Modus in dieser Ausgestaltung entweder die Kompressionsleistung des Verdichters verringert oder die Gebläseleistung des Verflüssigergebläses erhöht. Alternativ können auch beide Eingriffe erfolgen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Klimaanlage mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher verbindbar ist, dass die Steuereinheit - vorzugsweise über eine Eingangsspannung des Energiespeichers - eine in dem Energiespeicher gespeicherte Energiemenge ermitelt, und dass in einem „Optimaler Akkubetrieb“-Modus die Steuereinheit ausgehend von der eingebbaren Solltemperatur, von der ermittelten Energiemenge und einer vorgebbaren Laufzeit regelnd auf das Verdampfergebläse und/oder auf das Verflüssigergebläse und/oder auf den Verdichter einwirkt, sodass die Klimaanlage bis zu einem Ende der Laufzeit die Ist-Temperatur innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs hält. In dieser Ausgestaltung erhält die Klimaanlage die elektrische Energie von einem wiederaufladbaren Energiespeicher. Dieser ist z. B. durch einen Akku gegeben. Die Steuereinheit ermittelt die in dem Energiespeicher vorhandene Energiemenge, indem sie beispielsweise die Eingangsspannung des Energiespeichers auswertet. In dieser Ausgestaltung wird die Klimaanlage in einem „Optimaler Akkubetrieb“-Modus betrieben. Hierfür sind eine Solltemperatur und eine gewünschte Laufzeit der Klimaanlage durch einen Benutzer vorzugeben. In Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Energiemenge regelt die Steuereinheit die Klimaanlage. Der vorgebbare Grenzbereich für die Ist-Temperatur ist dabei der Bereich, innerhalb dessen die Ist-Temperatur von der Solltemperatur abweichen kann, ohne dass die Kühlleistung der Klimaanlage geändert werden muss.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in einem „Test“-Modus die Steuereinheit so regelnd auf das Verdampfergebläse und/oder auf das Verflüssigergebläse und/oder auf den Verdichter einwirkt, sodass das Kältemittel in dem Verdampfer einen vorgebbaren Verdampfer-Testdruck und/oder das Kältemittel in dem Verflüssiger einen vorgebbaren Verflüssiger-Testdruck aufweist, dass die Steuereinheit einen Wert einer Stromaufnahme des Verdichters ermittelt, und dass die Steuereinheit ausgehend von dem ermittelten Wert der Stromaufnahme und von hinterlegten Daten eine Aussage darüber ableitet, ob ein Verlust des Kältemittels vorliegt. Durch die regelbaren Gebläse werden vorgegebene Drücke des Kältemittels im Verdampfer und/oder im Verflüssiger erzeugt. Durch die Messung der Stromaufnahme des Verdichters und den Abgleich mit einem hinterlegten Kennfeld kann die Steuereinheit beispielsweise prüfen, ob Kältemittel entwichen ist.
Bei den beiden folgenden Ausgestaltungen wird durch jeweils einen von zwei Temperatursensoren ermittelt, ob eine Vereisung der zugehörigen Komponente gegeben ist. Daher kann jeweils auf zusätzliche Sensoren für diese Überwachung verzichtet werden. Die beiden Ausgestaltungen unterscheiden sich darin, ob die Klimaanlage in einem Kühlbetrieb und in einem Heizbetrieb betrieben wird. Es wird also der Kreislauf des Kältemittels in unterschiedlichen Richtungen betrieben, sodass die Raumluft entweder gekühlt oder erwärmt wird.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit die Temperaturmesswerte des ersten Temperatursensors, der dem Verdampfer zugeordnet ist, in einem Kühlbetrieb der Klimaanlage dahingehend auswertet, ob eine Vereisung des Verdampfers gegeben ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit die Temperaturmesswerte des zweiten Temperatursensors, der dem Verflüssiger zugeordnet ist, in einem Heizbetrieb der Klimaanlage dahingehend auswertet, ob eine Vereisung des Verflüssigers gegeben ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit die Temperaturmesswerte des zweiten Temperatursensors, der dem Verflüssiger zugeordnet ist, dahingehend auswertet, ob ein Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger innerhalb eines zulässigen Druckbereichs liegt. Durch Kenntnis des Drucks durch die Temperaturmessung können unzulässig hohe Drücke vermieden werden. Dies kann die Auswahl von Werkstoffen und Wandstärken beeinflussen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Klimaanlage portabel ist. In dieser Ausgestaltung ist die Klimaanlage in Bezug auf ihre Abmessungen und in Bezug auf ihr Gewicht so ausgeführt, sodass sie z. B. von einem Benutzer getragen werden kann.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Klimaanlage auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Klimaanlage.
In der Klimaanlage nach dem Kaltdampfkompressionskältekreislaufs zirkuliert ein Kältemittel, welches in einem Verdampfer 1 den Phasenwechsel von flüssig/dampfförmig zu gasförmig und innerhalb des Verflüssigers 3 den Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig vollzieht. Während des Phasenwechsels im Verdampfer 1 sowie im Verflüssiger sind dabei Temperatur und Druck konstant. Die jeweiligen Werte von Druck und Temperatur sind fest über die thermodynamischen Eigenschaften des verwendeten Kältemittels einander zugeordnet, sodass sich aus einer Temperaturmessung der Druckwert ergibt.
Dabei durchläuft das Kältemittel im Verdampfer 1 folgende Zustände: Nach der Expansion im Expansionsorgan 4 tritt das Kältemittel im Wesentlichen dampfförmig in den Verdampfer 1 ein. Der Gasanteil ist gering und der Flüssiganteil hoch. Innerhalb des Verdampfers 1 erhöht sich der Gasanteil, bis kein Flüssiganteil mehr vorhanden ist. Dies ist der Phasenwechsel. Der letzte Abschnitt des Verdampfers 1 wird genutzt, um das Kältemittel zu überhitzen. Damit wird sichergestellt, dass der nachfolgende Verdichter 2 nur mit gasförmigen Kältemittel gespeist wird. Der nachfolgende Verdichter 2 verdichtet das gasförmige Kältemittel. Im Verflüssiger 3 durchläuft das Kältemittel folgende Zustände: Das Kältemittel wird zunächst abgekühlt (sogenannte Enthitzungsstrecke). Anschließend folgt der Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig. Im letzten Abschnitt des Verflüssigers 3 wird das Kältemittel unterkühlt, damit es am Eingang der nachfolgenden Expansionsvorrichtung 4 in jedem Fall flüssig vorliegt. Bei manchen Kältekreisläufen liegen die Überhitzungs- und/oder Unterkühlungsstrecken außerhalb des Verdampfers 1 bzw. des Verflüssigers 3. Oft wird dann ein sogenannter Innerer-Wärmeaustauscher verwendet.
Für den Betrieb der unterschiedlichen Modi sind in der dargestellten Ausgestaltung ein drehzahlregelbarer Verdichter 2, ein drehzahlregelbarer Verflüssigergebläse 30 und sogar ein drehzahlregelbares Verdampfergebläse 10 vorhanden. Der Begriff „regelbar“ ist dabei so zu verstehen, dass die Drehzahlen jeweils kontinuierlich oder in Stufen veränderbar sind.
Weiterhin sind der Verdampfer 1 und der Verflüssiger 3 jeweils mit einem Temperatursensor 61 , 62 versehen. Der erste Temperatursensor 61 sowie der zweite Temperatursensor 62 befinden sich dabei an den - hier nicht dargestellten - Kältemittelrohren an derjenigen Stelle, an welchen jeweils ein Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet. Diese Phasenwechselgebiete werden vorab unter unterschiedlichen Bedingungen (wie z. B. Grenzwerte der Temperaturen und der relativen Feuchte, in denen die Klimaanlage zur Anwendung kommt, sowie minimale und maximale Drehzahlen der regelbaren Gebläse und des regelbaren Verdichters) ermittelt. In einer Ausgestaltung befindet sich der Temperaturmesspunkt mittig in der Kältemittelrohrschleife des jeweiligen Wärmeübertragers des Verdampfers bzw. des Verflüssigers. Bei beispielsweise mehrflutigen Wärmeaustauschern sind in einer Ausgestaltung mehrere Temperatursensoren vorgesehen, deren Messwerte gemittelt werden. Alternativ wird die Temperatur nur in einem Strang gemessen. Durch die Messung der Verdampfungs- bzw. Verflüssigungstemperatur kann über die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels auf den Verdampfungs- bzw. Verflüssigungsdruck geschlossen werden.
Generell lässt sich sagen, dass die Strom- und damit auch Leistungsaufnahme des Verdichters 2 am geringsten ist, je niedriger der Druckhub ist, den er bewerkstelligen muss. Ferner hat in der Regel der Verdichter 2 die größte Strom- bzw. Leistungsaufnahme im Vergleich zum Bedarf der beiden Gebläse 10, 30.
Beschrieben sei beispielsweise der „Cool max“-Modus:
Der Nutzer der Klimaanlage befindet sich in einem Raum mit 35 °C und 50% relativer Feuchte. Das Klimagerät tauscht über zwei - hier nicht dargestellte - Schläuche (einmal zum Ansaugen und einmal zum Ausblasen) die Luft, die durch den Verflüssiger 3 geführt wird, mit der Umgebung außerhalb des Raumes aus. Es handelt sich somit um einen sogenannten Zweikanal-Raumkonditionierer. Die Luft, die den Verdampfer 1 passiert, wird im Raum in Umluft geführt. Der Benutzer stellt sein Raumklimagerät auf eine Solltemperatur von 23 °C ein. Die Klimaanlage wird nun mit der maximal verfügbaren Kälteleistung den Raum so schnell wie möglich auf die Solltemperatur abkühlen. Anschließend verringert die Steuereinheit 5 die Leistung des Verdichters 2 und oder die Leistung des Verdampfergebläses 10 und/oder des Verflüssigergebläses 30 und regelt anschließend so, dass die Raumtemperatur im Wesentlichen konstant bleibt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann das Klimasystem den Hoch- und Niederdruck (also: Verflüssigungs- bzw. Verdampfungsdruck) ermitteln und versuchen, den Druckunterschied möglichst gering zu halten. Dies erlaubt zusätzliche Betriebsmodi des Klimasystems, wie sie oben beschrieben worden sind. Bezugszeichenliste
Verdampfer Verdichter Verflüssiger Expansionsorgan Steuereinheit
Verdampfergebläse Verflüssigergebläse erster Temperatursensor zweiter Temperatursensor dritter Temperatursensor
Energiespeicher

Claims

Patentansprüche Klimaanlage mit einem Verdampfer (1), einem Verdampfergebläse (10), einem Verflüssiger (3), einem Verflüssigergebläse (30), einem Verdichter
(2), einem Expansionsorgan (4), einer Steuereinheit (5) und mindestens drei Temperatursensoren (61 , 62, 63), wobei das dem Verflüssiger (3) zugeordnete Verflüssigergebläse (30) in seiner Gebläseleistung regelbar ist, wobei der Verdichter (3) in seiner Verdichtungsleistung regelbar ist, wobei ein erster Temperatursensor (61) der drei Temperatursensoren (61 , 62, 63) dem Verdampfer (1) zugeordnet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor (62) der drei Temperatursensoren (61 , 62, 63) dem Verflüssiger (3) zugeordnet ist, wobei ein dritter Temperatursensor (63) der drei Temperatursensoren (61 , 62, 63) eine Ist-Temperatur außerhalb der Klimaanlage erfasst, wobei die Steuereinheit (5) Temperaturmesswerte des dritten Temperatursensors (63) im Hinblick auf einen vorgebbaren Temperatursollwert verarbeitet, und wobei die Steuereinheit (5) regelnd auf das Verflüssigergebläse (20) und/oder auf den Verdichter (3) einwirkt, sodass die Klimaanlage in einem Modus von mindestens zwei unterschiedlichen Modi arbeitet. Klimaanlage nach Anspruch 1 , wobei das dem Verdampfer (1) zugeordnete Verdampfergebläse (10) in seiner Gebläseleistung regelbar ist, und wobei die Steuereinheit (5) regelnd auf das Verdampfergebläse (10) einwirkt, sodass die Klimaanlage in einem Modus arbeitet. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Temperatursensor (61 ) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der erste Temperatursensor (61 ) Temperatunwerte in einem Bereich des Verdampfers (1) erfasst, in dem ein Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet, und/oder wobei der zweite Temperatursensor (62) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass der zweite Temperatursensor (62) Temperaturwerte in einem Bereich des Verflüssigers
(3) erfasst, in dem ein Phasenwechsel des Kältemittels stattfindet.
4. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (5) die Temperaturmesswerte des ersten Temperatursensors (61) und des zweiten Temperatursensors (62) dahingehend verarbeitet, um Aussagen über einen Druck eines Kältemittels in dem Verdampfer (1) sowie in dem Verflüssiger (3) zu erhalten.
5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (5) in einem „Minimale Stromaufnahme“-Modus so regelnd auf das Verdampfergebläse (10) und/oder auf das Verflüssigergebläse (30) einwirkt, sodass der Druck des Kältemittels in dem Verdampfer (1) innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs gleich dem Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger (3) ist.
6. Klimaanlage nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (5) in einem „Minimale Stromaufnahme“-Modus so regelnd auf das Verflüssigergebläse (30) einwirkt, sodass der Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger (3) in einem Minimalbereich ist.
7. Klimaanlage nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (5) in dem „Minimale Stromaufnahme“-Modus die Gebläseleistung des Verdampfergebläses (10) erhöht, um den Druck des Kältemittels im Verflüssiger (3) zu reduzieren.
8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit (5) in einem „Silent“-Modus so regelnd auf das Verdampfergebläse (10) und auf das Verflüssigergebläse (30) einwirkt, sodass sich die Gebläseleistungen jeweils in einem vorgebbaren Minimalbereich befinden, wobei die Steuereinheit (5) in dem „Silent“-Modus auf den Verdichter (3) in Abhängigkeit von der Solltemperatur und den Temperaturmesswerten des dritten Temperatursensors (63) einwirkt, und wobei die Steuereinheit (5) in dem „Silent“-Modus in dem Fall, dass der Druck des Kältemittels im Verdichter (3) oberhalb eines Grenzwerts liegt, die Kompressionsleistung des Verdichters (3) verringert und/oder die Gebläseleistung des Verflüssigergebläse (30) erhöht. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Klimaanlage mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher (100) verbindbar ist, wobei die Steuereinheit (5) - vorzugsweise über eine Eingangsspannung des Energiespeichers (100) - eine in dem Energiespeicher (100) gespeicherte Energiemenge ermittelt, und wobei in einem „Optimaler Akkubetrieb“-Modus die Steuereinheit (5) ausgehend von der eingebbaren Solltemperatur, von der ermittelten Energiemenge und einer vorgebbaren Laufzeit regelnd auf das Verdampfergebläse (10) und/oder auf das Verflüssigergebläse (30) und/oder auf den Verdichter (3) einwirkt, sodass die Klimaanlage bis zu einem Ende der Laufzeit die Ist-Temperatur innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs hält. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in einem „Test“-Modus die Steuereinheit (5) so regelnd auf das Verdampfergebläse (10) und/oder auf das Verflüssigergebläse (30) und/oder auf den Verdichter (3) einwirkt, sodass das Kältemittel in dem Verdampfer (1) einen vorgebbaren Verdampfer-Testdruck und/oder das Kältemittel in dem Verflüssiger (3) einen vorgebbaren Verflüssiger-Testdruck aufweist, wobei die Steuereinheit (5) einen Wert einer Stromaufnahme des Verdichters (3) ermittelt, und wobei die Steuereinheit (5) ausgehend von dem ermittelten Wert der Stromaufnahme und von hinterlegten Daten eine Aussage darüber ableitet, ob ein Verlust des Kältemittels vorliegt. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuereinheit (5) die Temperaturmesswerte des zweiten Temperatursensors (62), der dem Verflüssiger (3) zugeordnet ist, dahingehend auswertet, ob ein Druck des Kältemittels in dem Verflüssiger (3) innerhalb eines zulässigen Druckbereichs liegt.
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