确定用于空调系统的冷却回路中制冷剂流体充注水平的方法、泄露检测模块和相关联的计算机程序与流程

1.本发明涉及一种用于确定用于空调系统的冷却回路中的制冷剂的充注水平的方法。
2.本发明还涉及一种用于检测车载空调系统的冷却回路上的泄漏的方法和装置。
3.本发明特别适用于配备有空调系统的客运车辆，特别是轨道车辆或例如在城市地区的其他运输乘客的工具。


背景技术：

4.如今运输乘客的热条件已成为例如构成一列火车、有轨电车或地铁列车的车辆所提供的舒适度的一个重要标准。因此，除了产生的不适之外，供暖、通风和空调系统(通常由缩写词cvc定义)的故障可能导致列车无法行驶，从而导致运营商收入损失和乘客延误。cvc系统故障的主要原因之一与冷却回路的制冷剂泄漏有关。这些泄漏问题特别狡猾，因为直到气温升高时的夏季才会出现预兆信号。这些泄漏在环境成本和制冷剂成本方面的影响可能非常高。
5.在铁路设备领域，与制冷剂流泄漏检测相关的解决方案多种多样。这些已知的解决方案都是经验性的并且例如基于在蒸发器出口处泵送期间达到特定压力所需的时间或用室外温度测量过热温度。尽管如此，由于对诸如膨胀装置的补偿、各种风扇的速度、过滤器和热交换器的堵塞，或室内外温度和流体测量水平等大量参数进行了必要的补偿，其解决方案在精度方面的结果不是很好。


技术实现要素：

6.本发明的目的是通过提出一种确定在用于车载空调系统的冷却回路中制冷剂流体的充注水平的方法，其中包含在空调系统不同部件中的气态和液态制冷剂流体的总量仅根据冷却回路的内部数据确定，来解决这些问题并防止由于制冷剂流体泄漏引起的cvc系统故障。
7.仅使用冷却回路内部的数据而排除回路外部的数据来确定气态和液态制冷剂的总量，允许获得更精确的结果。因此，制冷剂流体泄漏的检测被改进了。
8.有利的是，在根据本发明确定制冷剂流体的充注水平的方法中所使用的回路内部数据是对应于冷却回路不同部件的几何和技术参数的数据，以及所用制冷剂类型的信息，以及在回路不同部分测量的对应于不同焓级的制冷剂流体物理数据。
9.优选的是，在确定制冷剂流体的充注水平的方法中与空调系统不同部件的几何和技术参数相对应的数据至少包括空调系统压缩机的热力学特性、所述压缩机的几何特性、空调系统蒸发器的内部几何特性、空调系统中冷凝器的内部几何特征、和/或所述空调系统液体管路的内部几何特征。
10.有利的是，在根据本发明确定制冷剂流体的充注水平的方法中，所测量的制冷剂
流体的物理数据至少包括压力测量值和温度测量值。
11.优选的是，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，制冷剂流体的压力测量值对应于所述空调系统的焓循环的高压和低压，和/或制冷剂温度测量值对应于所述焓循环的过热温度和过冷温度。
12.另外，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，压缩机供电电压的测量值被考虑在内以计算制冷剂流体的总充注量。
13.优选的是，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，压力/温度焓循环是通过考虑测量的过热和过冷温度以及测量的高压和低压来限定的。
14.另外，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，基于测得的过热和过冷温度、测得的高压和低压以及压缩机的供电电压和热力学特性，计算制冷剂流体的质量流速。
15.有利的是，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，基于所述压缩机的几何特征、制冷剂的质量流速和压力/温度焓循环计算气相制冷剂流体的量。
16.优选的是，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，基于所述空调系统液体管路的内部几何特征、制冷剂流体的质量流速，和压力/温度焓循环计算液相制冷剂流体的量。
17.有利的是，在根据本发明确定冷却回路充注水平的方法中，基于所述空调系统的蒸发器的内部几何特征、制冷剂的质量流速、和压力/温度焓循环，计算蒸发器处的液/气相制冷剂流体的量。
18.此外，在根据本发明确定冷却回路的总充注水平的方法中，冷凝器处的液/气相制冷剂的量可以基于所述空调系统的冷凝器的内部几何特征、制冷剂流体的质量流速、和压力/温度焓循环来计算。
19.有利的是，在确定冷却回路的总充注水平的方法中，冷却回路中包含的制冷剂流体总量由冷凝器和蒸发器处液相、气相和液/气相的制冷剂流体量之和获得。
20.在本发明的第二方面，提出了一种检测用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的方法，其包括以下步骤：根据以上定义的方法确定回路中制冷剂流体的总充注水平的步骤，定义制冷剂的额定充注水平的步骤，相对于额定充注水平分析计算出的总充注水平的步骤，以及推断空调系统功能性损失预报的步骤。
21.有利的是，根据本发明检测冷却回路上的泄漏的方法还包括通过无线电或总线通信装置将计算的总充注水平传输到地面分析装置的步骤。根据该方法，地面分析装置确保执行相对于总额定充注水平分析计算出的总充注水平，以及推断空调系统功能性损失的预报的步骤。
22.根据在本发明的第三方面，提供了在用于车载空调系统的冷却回路上的检测模块，其包括能够测量回路的不同部分中对应于不同焓级的制冷剂物理特征的传感器，以及能够根据上面定义的确定方法，基于与空调系统不同部件的几何和技术参数相对应的数据、所用制冷剂类型、以及由所述传感器产生并且代表在回路的不同部分测量的制冷剂的物理特征的信号，确定空调系统不同部件所含的制冷剂充注量水平的控制器。
23.优选的是，根据本发明的检测用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块另外还包括无线电或总线通信装置。该通信装置将由所述模块计算的制冷剂充注水平发送到地面分析装置。
24.另外，根据本发明的检测在用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块另外还可以包括能够测量空调系统压缩机的供电电压的电压传感器。
25.有利的是，在根据本发明的检测在车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块中，传感器包括至少两个温度传感器和/或至少两个压力传感器。
26.优选的是，在根据本发明的检测在用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块中，第一温度传感器位于车载空调系统的膨胀阀和冷凝器之间的冷却回路上，并能够测量回路的过冷温度，以及第二温度传感器位于车载空调系统的压缩机和蒸发器之间的回路上，并能够测量回路的过热温度。
27.另外，在根据本发明的检测在用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块中，传感器还可以包括位于车载空调系统的压缩机和冷凝器之间的冷却回路上、能够发送代表回路的高压的信号的至少一个第一压力传感器，和位于车载空调系统的压缩机和蒸发器之间的冷却回路上、能够发送代表回路的低压的信号的第二压力传感器。
28.优选的是，在根据本发明的检测在用于车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块中，用于测量回路不同部分中制冷剂物理特征的传感器是空调系统的传感器，并且空调系统的主控制器实现确定制冷剂总充注水平的功能。
29.根据本发明的第四方面，提出了一种配备有空调系统且包括如上定义的检测所述车载空调系统的冷却回路上的泄漏的检测模块的客运车辆。
30.根据本发明的第五方面，提出了一种程序，该程序包括当程序由车载空调系统的主控制器或特定控制器执行时使得引导所述控制器执行上面定义的方法的步骤的指令。
附图说明
31.本发明的其他特征和优点通过以下对本发明不同方面实施例的非限制性示例的描述来证明。描述参考了附图，这些附图也是作为本发明的非限制性实施例给出的：
32.图1示出了根据本发明的车载空调系统的冷却回路图；
33.图2示出了示出根据本发明的泄漏检测方法示意图；
34.图3显示了典型制冷剂根据温度的压力变化曲线图；
35.图4显示了典型制冷剂的焓图；和
36.图5显示了不同制冷剂充注水平的测试结果。
具体实施方式
37.在下文中，本发明的描述是在用于运送乘客并配备有车载cvc(英文hvac)系统的列车的背景下进行的。本发明的这种实施配置只是为了更好地理解本发明，而不能被认为是对本发明的限制。对于下面描述的本发明的不同组成特征的所有其他实施例，同样如此。
38.如图1所示，cvc系统1的冷却回路通常包括压缩机2，冷凝器4，包括膨胀阀10的液体管路5，和蒸发器3。在该回路中循环流动一种制冷剂流体，例如r134a。这种制冷剂流体将在回路中有时呈液相，如在液体管路5中并且有时呈气相，如在压缩机2中。在冷凝器4和蒸发器3中，制冷剂将同时处于气相和液相。为了检测制冷剂泄漏，cvc系统回路配备根据本发明的泄漏检测模块。在本发明的实施例中，泄漏检测模块包括控制器8和不同的传感器，这些传感器向控制器传输专门表示cvc系统回路1内部参数的信号。根据传感器提供的信息、
与回路元件的热力学和几何特征相关的信息，以及所用制冷剂，例如r134a的特征，控制器确定回路不同部件中的制冷剂流体量，然后从中推导出回路1中包含的制冷剂流体总量。泄漏检测模块另外还包括通信装置7，该通信装置7将由控制器8确定的流体总量传输到地面分析站6，地面分析站6将确定流体损失和由此导致的功能性潜在损失。泄漏检测模块的通信装置7与地面分析站之间的数据传输可以，例如通过无线电或通过总线传输来完成。在最新近的客运车中，车或cvc系统的主控制器可被用在泄漏检测模块中，以确定回路中包含的制冷剂流体量。对于将其需要的信息传输到控制器8的全部或部分传感器而言，同样如此。事实上，它们中的大多数已经出现在最新近的火车cvc系统中并且因此可以被重新用于制冷剂泄漏检测模块。对于较旧的铁路设备，这些传感器和控制器8在大多数情况下，例如在维护保养操作期间，可以被安装。
39.除了控制器8和通信装置7之外，制冷剂泄漏检测模块包括安装在冷却回路1上的两个压力传感器。高压传感器13位于车载空调系统的压缩机2和冷凝器4之间，并且低压传感器14位于车载空调系统的压缩机2和蒸发器3之间。这些压力传感器13和14将表示压缩机2下游和上游的制冷剂流体压力的信号传输到控制器8。泄漏检测模块还包括安装在冷却回路1上的两个温度传感器。第一温度传感器11位于车载空调系统的膨胀阀10和冷凝器4之间。该温度传感器11测量回路中制冷剂流体的过冷温度。第二温度传感器12位于车载空调系统的压缩机2和蒸发器3之间。该温度传感器12测量回路中制冷剂流体的过热温度。可选的是，电压传感器9可以被安装在压缩机2的电源上，使得代表压缩机供电电压的信号被传输到控制器8。
40.图2示出了由控制器8实施的用于确定包含在冷却回路中的制冷剂总量的制冷剂泄漏检测方法所基于的逻辑。回路中包含的流体总量的传输使得可以随着时间的推移而遵循其变化。在由通信装置7传输到地面分析装置6之前，信号被滤波以便识别和消除由于制冷剂流体相对临界充注可能出现的过量而产生的不良影响。cvc系统回路中的制冷剂充注水平的确定方法仅使用如下所述的冷却回路内部数据。这些数据是对应于冷却回路不同部件的几何和技术参数的数据，关于所用制冷剂类型，这里是r134a的信息，和由如上所述定位的传感器并在不同的回路部分测得并对应于不同焓级的制冷剂的高压和低压以及过热和过冷温度。
41.对应于空调系统不同部件的几何和技术参数的数据是压缩机2的热力学和几何特征，蒸发器3和冷凝器4的内部几何特征，以及液体管路5的内部几何特征。
42.因此，如图2所示，冷却回路中制冷剂流体的质量流速是基于测量的高压和低压以及过热温度、压缩机的供电电压和压缩机的热力学特征确定的。制冷剂流体的压力/温度/焓循环是基于测得的高和低压、过热和过冷温度以及压缩机的热力学特征得出的。
43.反过来，压力/温度/焓循环和质量流速可以用压缩机的几何特征来确定气体管线和压缩机中的气体量，用蒸发器的几何特征确定蒸发器中气体和液体的量，用冷凝器的几何特征确定冷凝器中气体和液体的量，以及用液体管路的几何特征确定液体管路中液体的量。一旦确定，这四个制冷剂流体量使得能够获得包含在整个回路中的制冷剂总量。
44.压缩机吸入和输送的制冷剂流体的质量流速使用制造商提供的多项式公式计算。例如：m＝c0 c1*s c2*d c3*s2 c4*s*d c5*d2 c6*s3 c7*d*s2 c8*s*d2 c9*d3。在该公式中，c1至c9是系数，s是蒸发温度，单位℃，d是冷凝温度，单位℃，而结果m是以kg/s为单位的所
需质量流速。质量流速是针对额定过热值计算的。因此考虑到温度对压缩机2吸入的气体密度的影响，必须重新计算冷却回路的实际过热值。至于它们，系数是针对某个频率计算的。因此有必要通过将结果乘以比率：实际频率/额定频率来重新计算针对该实际频率的质量流速。
45.在制冷剂的焓循环建模中，所用流体的多项式为：与温度相关的压力，与压力相关的液体密度，与该密度相关的气体密度，与压力相关的液体摩尔比热，与压力相关的气体摩尔比热，与压力相关的液体焓和与压力相关的气体焓。我们获得了如图3所示的压力与温度的关系图。有了这些数据，就可以绘制出图4所示的压力/温度/焓图。
46.构成冷凝器、蒸发器和液体管路的管子的尺寸被用于估计管子中流体的体积、速度和密度。例如：
[0047] 管子数量长度行数直径厚度体积冷凝器191.10mm89.52mm0.28mm10.5l蒸发器101.05mm69.52mm0.28mm4.0l液体管路 4.13mm 16.0mm1.0mm0.6l
[0048]
液体管路5充满液体，通过考虑在冷凝器的压力(由高压传感器13给出)下的流体密度和过冷温度(由过冷温度传感器11给出)，可以确定其中的流体体积。
[0049]
已知热交换器中的回路数量和整个回路中固定的质量流速，还可以确定蒸发器3和冷凝器4中的密度。通过根据焓图将过热度/冷却并入液体百分比来计算等效密度。
[0050]
因为气体密度低于液体密度1000倍，可以忽略气体管线和压缩机2的体积贡献。
[0051]
图5显示了在不同外部和内部条件下的气候室中冷却回路的实验室测试结果。冷凝压力被表示在x轴上。计算出的制冷剂流体水平被表示在y轴上。不同颜色的曲线显示了测试的不同流体充注水平的计算结果。低冷凝压力的曲线失真是由于冷凝器中过量液体的影响。
[0052]
事实上，上述方法被转录为计算机程序，其由控制器执行的指令允许确定包含在cvc系统冷却回路中的制冷剂量。该程序可以被安装在制冷剂泄漏检测模块的特定控制器以及主控制器中，例如管理cvc系统运行的控制器。
[0053]
通过前述方法和模块的不同方面获得的优点组合允许仅基于回路的内部参数来确定用于cvc系统的冷却回路中的流体总量。因此，可以克服热交换器堵塞和周围空气体积的影响，以及影响热交换系数的所有其他变量。上述理论方法因此允许无需昂贵的测试活动即可将本发明的解决方案应用于车队中的所有车辆，因为只需要进行一次调整测试。
[0054]
制冷剂泄漏检测模块是产品本身，它可以被安装在配备有车载cvc系统的车辆中，车辆或者是新的或或者是升级的。
[0055]
通过总线或者更好通过无线电在泄漏检测模块的控制器2和地面分析站6之间的通信，允许用于监控客运车车队中cvc系统的状况并根据月度温度预测评估回路维修和/或重新充满操作的期限。在生态影响方面，在冷却回路完全排放之前对cvc系统进行干预的可能性显著减少了对全球变暖负有责任的制冷剂大气排放。
[0056]
虽然在上面的描述中，本发明的特定方面，特别是确定冷却回路中制冷剂流体量的方法和车载cvc系统的泄漏检测方法的实施，已经在客车的背景下描述过，它们可以在特别是使用其他类型的客运车辆的其他配置下被实施。