AT518199A1 - Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors und ein Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressor - Google Patents

Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors und ein Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressor Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors (1) mit einer Antriebseinheit (4) und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit (4) einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, wobei die Drehzahl (w) des Elektromotors überwacht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst eine Höchstdrehzahl (wmax) des Elektromotors detektiert wird und dass die folgenden Schritte durchgeführt werden, solange die Drehzahl (w) des Elektromotors im Wesentlichen der Höchstdrehzahl (wmax) entspricht: - Bestimmung eines Maximalwerts Xmax eines Überwachungsparameters (I, T) des Kältemittelkompressors (1); - Bestimmung eines Werts Xt1 des Überwachungsparameters (I, T) nach einer ersten Zeitspanne (t1) nach der Bestimmung des Maximalwerts Xmax; - Detektion eines blockierten Ventils, wenn Xt1 kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xt1)/ Xmax ≥ DX gilt, wobei DX vorgegeben ist.

Description

VERFAHREN ZUR DETEKTION EINES BLOCKIERTEN VENTILS EINES KÄLTEMITTELKOMPRESSORS UND EIN STEUERUNGSSYSTEM FÜR EINEN
KÄLTEMITTELKOMPRESSOR
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors mit einer Antriebseinheit und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, wobei die Drehzahl des Elektromotors überwacht wird.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressors, der Kältemittelkompressor umfassend eine Antriebseinheit und eine Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und wobei das Steuerungssystem eine Steuerungselektronik aufweist.
STAND DER TECHNIK
Bei einem Kältemittelkompressor mit einer Antriebseinheit und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und wobei die
Drehzahl des Elektromotors gesteuert wird, besteht ein möglicher Fehlerzustand in einem blockierten Ventil. Dabei kann es sich insbesondere um ein blockiertes Saug- oder Druckventil handeln. In der Praxis kann aber auch z.B. ein Magnetventil im Kühlkreislauf defekt sein, welches Magnetventil nicht unbedingt Teil des Kältemittelkompressors sein muss.
Das blockierte Ventil hat in jedem Fall zur Folge, dass Kältemittel im Kühlkreislauf nicht mehr im für die Kühlung erforderlichen Ausmaß oder überhaupt nicht mehr weiter transportiert werden und Kühlung somit nicht mehr stattfinden kann. Die den Kältemittelkompressor ansteuernde
Anwendungsvorrichtung, z.B. ein Kühlschrank, stellt fest, dass die Temperatur nicht sinkt, und regelt dann üblicherweise den Kältemittelkompressor auf maximale Kühlleistung, sodass der Elektromotor mit maximaler Drehzahl läuft - freilich ohne Erfolg, da das Kühlmittel im Kühlkreislauf nicht weiter transportiert werden kann.
Selbst wenn ursprünglich die Ursache der Blockade des Kühlkreislaufs kein blockiertes Ventil des Kältemittelkompressors war, kommt es spätestens jetzt zu einem Blockieren des Ventils, insbesondere Druckventils des Kältemittelkompressors. Dies deswegen, da aufgrund des weiteren Betriebs des Kompressors auf höchster Leistungsstufe der Gegendruck des Kältemittels in der Druckstrecke soweit ansteigt, dass das Druckventil nicht mehr öffnet, weil der vom Kältemittelkompressor aufgebaute Druck hierfür nicht mehr ausreicht. Generell kommt es stets zumindest zu einem Blockieren des Druckventils, wenn der Gegendruck hoch genug wird - unabhängig davon, wie dieser Gegendruck erreicht bzw. erzeugt wird.
Um zu verhindern, dass der Kältemittelkompressor aufgrund des Fehlerzustands bei Höchstdrehzahl permanent weiterläuft, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Ansteigen der Temperatur des Kompressors, z.B. über eine gewisse Grenztemperatur, als Abbruchbedingung zu definieren. D.h. die Temperatur wird laufend überwacht, und wenn die Grenztemperatur überschritten wird und der Elektromotor dabei vorzugsweise mit Höchstdrehzahl läuft, wird der Elektromotor ausgeschaltet.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass es nicht für alle Kältemittelkompressoren funktioniert. Die Praxis zeigt nämlich, dass je nach Auslegung bzw. Typ des Kältemittelkompressors die Temperatur mitunter nicht weit genug ansteigt, um eine Grenztemperatur sinnvoll festlegen zu können.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass die zuverlässige Detektion eines Blockadezustands bzw. eines blockierten Ventils des Kompressors ermöglicht. Entsprechend ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressor zur Verfügung zu stellen, das eine zuverlässige Detektion eines Blockadezustands bzw. eines blockierten Ventils des Kompressors ermöglicht, um Gegenmaßnahmen setzen zu können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufwendige Versuchsreihen mit unterschiedlichen Typen von Kältemittelkompressoren, welche jeweils eine Antriebseinheit und eine Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels aufweisen, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und wobei die Drehzahl des Elektromotors überwacht wird, haben gezeigt, dass der drastisch reduzierte oder gar komplett zum Erliegen kommende Massefluss, der in einem Blockadezustand bzw. bei einem blockierten Ventil auftritt, dazu führen kann, dass gewisse Überwachungsparameter zwar zunächst in ihrem Wert ansteigen und einen Maximalwert erreichen, aber dann innerhalb einer gewissen, vorzugsweise vorgebbaren Zeitspanne wieder abnehmen, während der Elektromotor weiter mit Höchstdrehzahl läuft.
Hier und im Folgenden ist unter „Höchstdrehzahl" stets jene maximale Drehzahl zu verstehen, die der Kältemittelkompressor bzw. der Elektromotor im aktuellen Kühlkreislauf tatsächlich erreicht. Diese Höchstdrehzahl kann aus unterschiedlichen Gründen von einer theoretisch technisch möglichen maximalen Drehzahl des Elektromotors abweichen, beispielsweise weil aus Geräuschgründen die Anwendungsvorrichtung die theoretisch technisch mögliche maximale Drehzahl von z.B. 4000 min-1 nicht ausnutzt bzw. anfordert, sondern als eine „Soll-Höchstdrehzahl" eine niedrigere Drehzahl von z.B. 3600 min-1 vorgibt. Weiters können verschiedenste äußere Umstände, wie z.B. eine zu geringe Versorgungsspannung, dazu führen, dass die Soll-Höchstdrehzahl (und natürlich auch die theoretisch technisch mögliche maximale Drehzahl des Elektromotors) nicht erreicht wird, sodass die Höchstdrehzahl tatsächlich niedriger als die Soll-Höchstdrehzahl (und natürlich auch als die theoretisch technisch mögliche maximale Drehzahl des Elektromotors) ist.
Ein typischer Überwachungsparameter wäre die Stromaufnahme des Elektromotors, welche nach Ansteigen auf ein Maximum, das z.B. 0,85 A beträgt, innerhalb einer gewissen Zeitspanne auf einen gewissen Wert - z.B. auf 0,425 A - zurückgeht, während der Elektromotor ständig auf Höchstdrehzahl läuft.
Als entscheidendes Kriterium für das Vorliegen eines blockierten Ventils kann daher herangezogen werden, dass die Abnahme des Überwachungsparameters innerhalb der gewissen Zeitspanne „groß genug" ist, wobei diese Größe vom jeweiligen Typ des Kältemittelkompressors abhängt und mittels eines Laborversuchs festgelegt und dann entsprechend vorgegeben werden kann.
Entsprechend ist es bei einem Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors mit einer Antriebseinheit und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, wobei die Drehzahl des Elektromotors überwacht wird, erfindungsgemäß vorgesehen, dass zunächst eine Höchstdrehzahl des Elektromotors detektiert wird und dass die folgenden Schritte durchgeführt werden, solange die Drehzahl des Elektromotors im Wesentlichen der Höchstdrehzahl entspricht: - Bestimmung eines Maximalwerts Xmax eines Überwachungsparameters des Kältemittelkompressors; - Bestimmung eines Werts Xti des Überwachungsparameters nach einer ersten Zeitspanne nach der Bestimmung des Maximalwerts Xmax r - Detektion eines blockierten Ventils, wenn Xti kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xti) / Xmax - Δχ gilt, wobei Δχ vorgegeben ist.
Dabei kann es sich beim blockierten Ventil insbesondere um ein blockiertes Saug- oder Druckventil handeln. In der Praxis kann der Blockadezustand aber auch durch ein anderes defektes Element im Kühlkreislauf, wie z.B. ein Magnetventil, ausgelöst werden, welches Element nicht unbedingt Teil des Kältemittelkompressors sein muss. Wie weiter oben bereits geschildert, hat dies im Blockadezustand im Allgemeinen dann aber ein blockiertes Ventil des Kältemittelkompressors, insbesondere ein blockiertes Druckventil des Kältemittelkompressors zur Folge, wobei das blockierte Ventil den Massenfluss des Kältemittels größtenteils, vorzugsweise vollständig blockiert.
Das Weiterlaufen des Elektromotors mit Höchstdrehzahl wird im Anwendungsfall durch eine den Kühlmittelkompressor ansteuernde Anwendungsvorrichtung, z.B. durch einen Kühlschrank, verursacht, da die Anwendungsvorrichtung feststellt, dass die gewünschte Kühlung nicht eintritt und somit weiterhin maximale Kühlkapazität fordert. Ein typischer Wert für die Höchstdrehzahl wäre 3000 min-1 bis 4000 min-1. Dazu sei bemerkt, dass es sich klarerweise um einen Kältemittelkompressor mit variabler Drehzahl handelt, andernfalls nur eine einzige Drehzahl im Betrieb des Kältemittelkompressors vorgesehen wäre, die dann gleichzeitig auch die Höchstdrehzahl darstellte.
Gewisse minimale Schwankungen der Drehzahl sind in der Praxis unvermeidbar. Daher ist sinnvollerweise von einem gewissen Toleranzbereich rund um den Höchstdrehzahlwert auszugehen, typischerweise maximal ±2%. Wenn die Drehzahl sich so ändert, dass sie vom Höchstdrehzahlwert stärker abweicht, insbesondere um mehr als 2% kleiner als der Höchstdrehzahlwert ist, wird das Verfahren unterbrochen. Im Falle einer ansteigenden Drehzahl war der tatsächliche Höchstdrehzahlwert noch nicht erreicht, wobei das Verfahren üblicherweise neu gestartet wird, wenn der tatsächliche Höchstdrehzahlwert erreicht ist.
Im Falle einer sinkenden Drehzahl ist typischerweise davon auszugehen, dass die Blockadesituation bzw. das blockierte Ventil nicht länger vorlag, es somit zur gewünschten Kühlung kommen konnte und die Anwendungsvorrichtung eine geringere Kühlkapazität anforderte. Das Verfahren wird somit unterbrochen und erst bei erneutem Erreichen der Höchstdrehzahl neu gestartet.
Wie bereits festgehalten ist es vom jeweiligen Typ des Kältemittelkompressors abhängig, wie stark der Überwachungsparameter im Laufe der Zeit abnimmt. Dabei ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass Δχ > 0,2, bevorzugt Δχ > 0,4, besonders bevorzugt Δχ > 0,5 gilt. D.h. der prozentuale Abfall des Werts des Überwachungsparameters muss mindestens 20% betragen, bevorzugt mindestens 40%, besonders bevorzugt mindestens 50%.
Wie bereits festgehalten kann als Überwachungsparameter, der im Blockadezustand das geschilderte zeitliche Verhalten aufweist, der vom Elektromotor aufgenommene Strom herangezogen werden. Analog weisen auch eine Motorwicklungstemperatur sowie eine Temperatur einer Steuerungselektronik des Elektromotors bzw. des Kältemittelkompressors das gleiche
Temperaturverhalten auf, weshalb auch diese Temperaturen sich ideal als Überwachungsparameter eignen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass es sich bei dem Überwachungsparameter um einen vom Elektromotor aufgenommenen Strom handelt oder um eine Temperatur einer Steuerungselektronik des Kältemittelkompressors, insbesondere des Elektromotors, oder einer Motorwicklung des Elektromotors. Klarerweise sind diese Temperaturen stets relativ zur Umgebungstemperatur des Kältemittelkompressors anzugeben. Ist die Umgebungstemperatur beispielsweise 20°C (Raumtemperatur) und wird als Maximalwert der Temperatur 90°C gemessen, so ist für Xmax 70°C einzusetzen.
Wie in aufwendigen Versuchen ermittelt wurde, empfiehlt es sich, die Bestimmung des Maximalwerts Xmax nicht unmittelbar nach der Detektion der Höchstdrehzahl des Elektromotors durchzuführen, sondern hiermit eine gewisse, vorgebbare Zeit zu warten. Dies gestattet, dass sich ein gewisses Gleichgewicht der Druckverhältnisse einstellt, für welches der Überwachungsparameter zunächst seinen Maximalwert Xmax annehmen kann. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Wert des Überwachungsparameters noch weiter steigt, bis das Gleichgewicht der Druckverhältnisse erreicht ist. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Bestimmung des Maximalwerts Xmax erst nach einer Initiationszeitspanne nach der Detektion der Höchstdrehzahl des Elektromotors erfolgt. Mit anderen Worten definiert die Detektion der Höchstdrehzahl eine Startzeit bzw. einen StartZeitpunkt für das Verfahren. In der genannten bevorzugten Ausführungsform wird unmittelbar nach der Startzeit bzw. nach dem StartZeitpunkt die Initiationszeitspanne abgewartet, bevor die Bestimmung des Maximalwerts Xmax des Überwachungsparameters durchgeführt wird.
Die optimale Initiationszeitspanne kann im Versuch für unterschiedliche Kältemittelkompressortypen ermittelt und dann entsprechend vorgegeben werden, wobei die
Initiationszeitspanne typischerweise einige Minuten beträgt. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Initiationszeitspanne mindestens 5 min, bevorzugt mindestens 10 min, besonders bevorzugt mindestens 15 min beträgt.
Um größtmögliche Sicherheit darüber zu haben, dass tatsächlich die Bedingungen für den Blockadezustand bzw. für ein blockiertes Ventil erfüllt sind, kann eine Verifikation stattfinden, indem der Überwachungsparameter kurz nach dessen letzter Bestimmung nochmals bestimmt und mit dem Maximalwert Xmax verglichen wird. Wenn auch dieser Vergleich den Blockadezustand indiziert, kann mit sehr hoher Sicherheit davon ausgegangen werden, dass tatsächlich der Blockadezustand bzw. ein blockiertes Ventil vorliegt. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass nach einer Verifikationszeitspanne nach der Detektion des blockierten Ventils ein Wert Xt2 des Überwachungsparameters bestimmt wird und die Detektion des blockierten Ventils verifiziert wird, wenn Xt2 kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xt2) / Xmax - Δχ gilt. Das Abwarten der Verifikationszeitspanne soll dabei allfälligen Fluktuationen des Überwachungsparameters Rechnung tragen, d.h. wenn der Wert des Überwachungsparameters auch nach der
Verifikationszeitspanne entsprechend niedrig ist, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass diese Erniedrigung nicht auf eine zufällige Schwankung zurückzuführen ist.
Selbstverständlich sind auch besonders bevorzugte Ausführungsvarianten denkbar, bei denen zur Verifikation die Bedingung (Xmax - Xt2) / Xmax - Δχ' überprüft wird, wobei Δχ' + Δχ, vorzugsweise Δχ' > Δχ gilt. D.h. es wird zur Verifikation überprüft, ob sich der Überwachungsparameter des Kältemittelkompressors zeitlich so weiterentwickelt, wie es Modellrechnungen und/oder Laborversuche erwarten lassen, wobei diese zeitliche Entwicklung typischerweise eine weitere Abnahme sein wird.
Die optimale Verifikationszeitspanne kann im Versuch für unterschiedliche Kältemittelkompressortypen ermittelt und dann entsprechend festgelegt werden, wobei die Verifikationszeitspanne typischerweise höchstens wenige Minuten beträgt. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Verifikationszeitspanne 15 s bis 5 min, vorzugsweise 30 s bis 3 min, besonders bevorzugt 45 s bis 1 min 30 s beträgt.
Die erste Zeitspanne kann ebenfalls vom Typ des Kältemittelkompressors abhängen und kann - insbesondere auf Basis von durchgeführten Versuchen - entsprechend vorgegeben werden. Dabei ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die erste
Zeitspanne mindestens 3 h, bevorzugt mindestens 5 h, besonders bevorzugt mindestens 6 h beträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach der Detektion des blockierten Ventils eine entsprechende Fehlermeldung in einen dafür vorgesehenen, auslesbaren Speicher geschrieben wird. Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass nach der Verifikation der Detektion des blockierten Ventils eine entsprechende Fehlermeldung in einen dafür vorgesehenen, auslesbaren Speicher geschrieben wird. Das jeweilige Schreiben in den auslesbaren Speicher ermöglicht es, diese Information unterschiedlichen Steuersystemen - z.B. einem Steuersystem der Anwendungsvorrichtung - zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Weiters kann, insbesondere wenn es sich um einen nichtflüchtigen Speicher wie z.B. einen sogenannten FLASH-, EPROM- oder NVRAM-Speicher handelt, die Information zu Diagnosezwecken auch noch zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden.
In der Praxis kann die Detektion oder Verifikation des Blockadezustands bzw. des blockierten Ventils dazu benutzt werden, den Kompressor abzuschalten, da klar ist, dass in diesem Zustand nicht die gewünschte Kühlung erzielt werden kann. Das Weiterlaufenlassen des Elektromotors auf Höchstdrehzahl würde daher eine unnötige Belastung des Kompressors sowie einen unnötigen Energieverbrauch bedeuten. Entsprechend ist erfindungsgemäß ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors vorgesehen, das Betriebsverfahren umfassend das erfindungsgemäße Verfahren, wobei nach der Detektion des blockierten Ventils der Elektromotor angehalten wird. Analog ist erfindungsgemäß ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors vorgesehen, das Betriebsverfahren umfassend das erfindungsgemäße Verfahren, wobei nach der Verifikation der
Detektion des blockierten Ventils der Elektromotor angehalten wird. Vorzugsweise nimmt der Elektromotor im angehaltenen Zustand keinen Strom auf, sodass kein unnötiger Energieverbrauch stattfindet.
Versuche haben gezeigt, dass die Ursache für die Blockadesituation mitunter nach einem Neustart des Kältemittelkompressors nicht mehr vorliegt. Beispielsweise kann es sein, dass ein Magnetventil die Blockadesituation ausgelöst hatte, weil es sich nicht geöffnet hatte und damit den Kühlkreislauf blockierte, und dass sich dieses Magnetventil beim erneuten Starten nun doch wie vorgesehen öffnet. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass der Elektromotor nach einer zweiten Zeitspanne neu gestartet wird. Das Abwarten der zweiten Zeitspanne kann dabei dazu dienen, eine gewisse Relaxation der Druckverhältnisse herbeizuführen, was zum Lösen eines blockierten Ventils beitragen kann.
Weiters kann auch eine Temperatur des Kompressors während der zweiten Zeitspanne relaxieren bzw. zurückgehen, was ebenfalls zum Lösen eines blockierten Ventils beitragen kann.
Insbesondere wenn das blockierende Ventil ein erratisches Verhalten aufweist und entsprechend bei manchen Läufen des Kältemittelkompressors blockiert und bei anderen Läufen wieder nicht, kann die zweite Zeitspanne relativ kurz, insbesondere im Sekundenbereich gehalten werden. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass die zweite Zeitspanne mindestens 3 s, bevorzugt mindestens 6 s, besonders bevorzugt mindestens 15 s beträgt. Generell muss jedoch bemerkt werden, dass die Werte für die zweite Zeitspanne je nach Anwendung stark variieren können.
In der Praxis ist es sinnvoll, die zweite Zeitspanne nicht beliebig lange werden zu lassen, da natürlich auch
Fehlerzustände Vorkommen können, bei denen sich ein blockiertes Ventil nicht mehr löst. Daher ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass die zweite Zeitspanne maximal 60 min beträgt. D.h. es wird davon ausgegangen, dass sich das blockierende Ventil innerhalb dieser maximalen Dauer der zweiten Zeitspanne lösen muss, andernfalls von einem Fehlerzustand auszugehen ist, bei dem sich das blockierende Ventil nicht mehr löst.
Analog zum oben Gesagten ist es bei einem Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressors, der Kältemittelkompressor umfassend eine Antriebseinheit und eine Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und wobei das Steuerungssystem eine Steuerungselektronik aufweist, erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerungselektronik zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens eingerichtet ist.
Um schließlich einen Kältemittelkompressor zur Verfügung stellen zu können, der zuverlässig einen Blockadezustand bzw. ein blockiertes Ventil feststellen und darauf reagieren kann, ist es bei einem Kältemittelkompressor mit einer Antriebseinheit und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kältemittelkompressor ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem umfasst.
Es sei bemerkt, dass es sich in sämtlichen obigen Ausführungen bei dem Kältemittelkompressor insbesondere um einen Kältemittelkompressor mit einem hermetisch dichten Gehäuse handeln kann, wobei die Antriebseinheit und die Kolben-Zylinder-Einheit im Gehäuse angeordnet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische axonometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kältemittelkompressors mit abgenommener oberer Gehäusehälfte
Fig. 2 eine diagrammatische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kältemittelkompressor 1, wobei ein hermetisch dichtes Gehäuse 2 des Kältemittelkompressors 1 nur teilweise dargestellt ist bzw. eine obere Hälfte des Gehäuses 2 abgenommen ist, um einen Blick in das Gehäuse 2 zu ermöglichen. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Zylindergehäuse 3 einer Kolben-Zylinder-Einheit erkennbar. Das Zylindergehäuse 3 ist an einer Antriebseinheit 4 montiert, welche einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit umfasst. Dabei treibt der Elektromotor über eine Kurbelwelle 10 und ein Pleuel einen Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit in einem Zylinder an, welcher Zylinder im Zylindergehäuse 3 angeordnet ist. Hierdurch wird eine zyklische Bewegung des Kolbens im Zylinder entlang einer Zylinderachse realisiert, um Kältemittel zu verdichten.
Das Kältemittel wird dabei über einen Saugschalldämpfer 9 und ein in einer Ventilplatte 6 angeordnetes Säugventil in den Zylinder gesaugt, verdichtet und über ein in der Ventilplatte 6 angeordnetes Druckventil in ein nach außen führendes Druckrohr 8 geleitet. Das Kältemittel wird in weiterer Folge in einem Kältemittelkreislauf einer Anwendungsvorrichtung, wie z.B. eines Kühlschranks, in welchen Kältemittelkreislauf der Kältemittelkompressor 1 eingebunden ist, zu einem Kondensator (nicht dargestellt) geleitet.
Die Ventilplatte 6 ist am Zylinder im Bereich eines Zylinderkopfs montiert, wobei in Fig. 1 ein Zylinderdeckel 5 erkennbar ist, der mittels Schrauben 7 mit dem Zylinder verschraubt ist. Die Ventilplatte 6 ist dabei zwischen dem Zylinderdeckel 5 und dem Zylinder angeordnet.
Der Kältemittelkompressor 1 wird mit variabler Drehzahl CO betrieben, d.h. die Drehzahl CO des Elektromotors ist abhängig von der Kühlleistung, die von der Anwendungsvorrichtung angefordert wird. Bei maximaler Kühlleistung läuft der Elektromotor mit einer Höchstdrehzahl COmax/· die typischerweise 3000 min-1 bis 4000 min-1 beträgt.
In einem Blockadezustand ist der Massefluss des Kältemittels im Kühlkreislauf stark reduziert oder kommt komplett zum Erliegen. Der Blockadezustand kann durch ein blockiertes Ventil des Kältemittelkompressors 1 verursacht werden oder führt zu einem blockierten Ventil des Kältemittelkompressors 1, da sich das Ventil, insbesondere das Druckventil, aufgrund der sich aufbauenden Druckverhältnisse nicht mehr ordnungsgemäß öffnen kann. Letzteres bedeutet, dass der durch die Kolben-Zylinder-Einheit aufgebaute Druck nicht groß genug ist, den Gegendruck, der sich aufgrund des Blockadezustands aufgebaut hat, zu überwinden.
Um den Blockadezustand bzw. ein blockiertes Ventil zuverlässig feststellen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass neben der Drehzahl CO laufend Überwachungsparameter des Kältemittelkompressors 1 überwacht werden, um deren zeitlichen Verlauf zu ermitteln. Als Überwachungsparameter kommen insbesondere ein vom Elektromotor aufgenommener Strom I sowie eine Temperatur T einer Steuerungselektronik des Kältemittelkompressors 1 bzw. des Elektromotors oder einer Motorwicklung des Elektromotors in Frage. Klarerweise sind diese Temperaturen stets relativ zur Umgebungstemperatur (typischerweise Raumtemperatur bzw. 20°C) des Kältemittelkompressors anzugeben.
Erfindungsgemäß werden nach der Detektion der Höchstdrehzahl Cömax die folgenden Schritte durchgeführt, solange die Drehzahl CO des Elektromotors im Wesentlichen der Höchstdrehzahl Cömax entspricht: - Bestimmung eines Maximalwerts Xmax des Überwachungsparameters des Kältemittelkompressors 1; - Bestimmung eines Werts Xti des Überwachungsparameters nach einer ersten Zeitspanne tl nach der Bestimmung des Maximalwerts Xmax; - Detektion eines blockierten Ventils, wenn Xti kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xti) / Xmax - Δχ gilt, wobei Δχ vorgegeben ist.
Fig. 2 illustriert diese Verfahrensschritte anhand der diagrammatischen Darstellung des Verlaufs von I bzw. T als Funktion der Zeit t. Direkt unter diesem Diagramm ist der zeitliche Verlauf der Drehzahl CO des Elektromotors dargestellt. Dabei wird in der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der erstmaligen Detektion der Höchstdrehzahl Cömax zunächst eine vorgebbare Initiationszeitspanne tO abgewartet, damit sich ein gewisses Gleichgewicht der Druckverhältnisse einstellen kann, bevor Xmax bestimmt wird. Typischerweise beträgt tO mindestens 5 min, bevorzugt mindestens 10 min, besonders bevorzugt mindestens 15 min.
In einem typischen Anwendungsfall analog zu Fig. 2 ist z.B. der Strom I nach der Initiationszeitspanne tO auf einen Wert von Xmax = 0,85 A angestiegen. Analog ist in einem solchen typischen Anwendungsfall die Temperatur T nach der Initiationszeitspanne tO auf einen Wert angestiegen, der z.B. Xmax = 70°C (entspricht gemessenen 90°C bei 20°C Umgebungstemperatur) ergibt.
Die Bestimmung von Xti erfolgt nach Ablauf der ersten Zeitspanne tl nach der Bestimmung von Xmax, wobei tl typischerweise mindestens 3 h, bevorzugt mindestens 5 h, besonders bevorzugt mindestens 6 h beträgt. D.h. die Zeit, die zwischen der erstmaligen Detektion der Höchstdrehzahl COmax und der Bestimmung von Xti vergangen ist, beträgt tO + tl. In einem typischen Anwendungsfall analog zu Fig. 2 ist der Strom I nach der ersten Zeitspanne tl auf einen Wert von Xti = 0,425 A abgefallen bzw. z.B. auf einen Wert, der einer relativen Verminderung von 20% bis 50% gleichkommt. Analog ist in einem solchen typischen Anwendungsfall die Temperatur T nach der ersten Zeitspanne tl auf einen Wert abgefallen, der z.B.
Xti = 50°C (entspricht gemessenen 70°C bei 20°C Umgebungstemperatur) ergibt.
Je nach Typ des Kältemittelkompressors 1 kann ein spezifischer Wert für Δχ vorgegeben werden, wobei typischerweise Δχ > 0,2, bevorzugt Δχ > 0,4, besonders bevorzugt Δχ > 0,5 gilt. Der zum jeweiligen Typ passende Wert kann vorzugsweise in einem Laborversuch ermittelt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beträgt (Xmax - Xti) / Xmax Ä 0,56. Bei Vorgabe von Δχ = 0,5 wird also ein blockiertes Ventil bzw. der Blockadezustand detektiert.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erfolgt zur Sicherheit eine Verifikation der Detektion des blockierten Ventils, indem nach der Bestimmung von Xti eine relativ kurze
Verifikationszeitspanne t2 abgewartet wird, um sodann nochmals einen aktuellen Wert Xt2 des Überwachungsparameters zu bestimmen und die Bedingung (Xmax - Xt2) / Xmax - Δχ zu überprüfen. Typischerweise beträgt die Verifikationszeitspanne t2 15 s bis 5 min, vorzugsweise 30 s bis 3 min, besonders bevorzugt 45 s bis 1 min 30 s.
In einem typischen Anwendungsfall analog zu Fig. 2 ist der Strom I nach der Verifikationszeitspanne t2 auf einen Wert von z.B. Xt2 = 0,23 A abgefallen. Analog ist in einem solchen typischen Anwendungsfall die Temperatur T nach der Verifikationszeitspanne t2 auf einen Wert abgefallen, der z.B. Xt2 = 18.9°C (entspricht gemessenen 38,9°C bei 20°C Umgebungstemperatur) ergibt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beträgt (Xmax - Xt2) / Xmax ~ 0,73. D.h. bei Vorgabe von Δχ = 0,5 wird also die zuvor erfolgte Detektion des blockierten Ventils bestätigt bzw. verifiziert.
Zur Durchführung des geschilderten Verfahrens weist der Kältemittelkompressor 1 ein Steuerungssystem mit einer Steuerungselektronik auf, welche Steuerungselektronik zur Durchführung des genannten Verfahrens eingerichtet ist. Vorzugsweise bildet diese Steuerungselektronik auch die oben genannte Steuerungselektronik des Elektromotors aus.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Steuerungselektronik weiters zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens eingerichtet, gemäß welchem nach der Verifikation des blockierten Ventils bzw. des Blockadezustands der Elektromotor angehalten wird. Entsprechend fällt im unteren Diagramm der Fig. 2 die Drehzahl CO von der Höchstdrehzahl COmax auf 0.
Nach dem Anhalten nimmt der Elektromotor keinen Strom I mehr auf, die Temperatur T der Steuerungselektronik bzw. der Motorwicklung nimmt hingegen langsam weiter (bis zur Umgebungstemperatur) ab, weshalb in Fig. 2 der Verlauf von T im Bereich nach t2 durch eine strichlierte Linie angedeutet ist.
Da die Ursache für die Blockadesituation mitunter nach einem Neustart des Kältemittelkompressors 1 nicht mehr vorliegt, kann die Steuerungselektronik dazu eingerichtet sein, den Elektromotor nach einer relativ kurzen zweiten Zeitspanne t3 neu zu starten. Typischerweise beträgt die zweite Zeitspanne t3 nur wenige Sekunden, beispielsweise mindestens 3 s, bevorzugt mindestens 6 s, besonders bevorzugt mindestens 15 s. In der Praxis wird die zweite Zeitspanne t3 typischerweise auf maximal bis zu 60 min begrenzt.
Im unteren Diagramm der Fig. 2 sind durch punktierte Linien unterschiedliche Situationen nach dem Wiedereinschalten des Elektromotors angedeutet. Eine dieser Situationen wäre, dass der Elektromotor wieder mit der Höchstdrehzahl COmax läuft, was insbesondere dann der Fall sein wird, wenn die Blockadesituation nach wie vor existiert. In einem solchen Fall würde das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils durch die Detektion der Höchstdrehzahl COmax sofort wieder gestartet werden.
Insbesondere falls die Blockadesituation nicht mehr vorliegt, können aber auch Situationen eintreten, in denen die Drehzahl CO des Elektromotors unter der Höchstdrehzahl α^3Χ liegt. In einem solchen Fall würde das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils nicht gestartet werden, sondern erst wieder, sobald in weiterer Folge die Höchstdrehzahl Cömax detektiert wird.
Es sei bemerkt, dass das Steuerungssystem einen Speicher aufweisen kann, in welchen nach der Detektion bzw.
Verifikation des Blockadezustands eine entsprechende Fehlermeldung geschrieben wird, welche Fehlermeldung dann aus dem Speicher, insbesondere zu Diagnosezwecken, wieder ausgelesen werden kann. Weiters kann der Speicher zur Hinterlegung von während des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Betriebsverfahrens abzurufenden Werten, insbesondere zur Hinterlegung der Werte für Δχ, tO, tl, t2 und t3, für den spezifisch vorliegenden Kältemittelkompressor 1 dienen.
BEZUGSZEICHENLISTE 1 Kältemittelkompressor 2 Gehäuse des Kältemittelkompressors 3 Zylindergehäuse 4 Antriebseinheit 5 Zylinderdeckel 6 Ventilplatte 7 Schraube 8 Nach außen führendes Druckrohr 9 Saugschalldämpfer 10 Kurbelwelle I Vom Elektromotor aufgenommener Strom T Temperatur einer Steuerungselektronik des Elektromotors oder einer Motorwicklung des Elektromotors t Zeit tO Initiationszeitspanne tl Erste Zeitspanne t2 Verifikationszeitspanne t3 zweite Zeitspanne CO Drehzahl des Elektromotors Cömax Höchstdrehzahl des Elektromotors

Claims (17)

  1. ANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Detektion eines blockierten Ventils eines Kältemittelkompressors (1) mit einer Antriebseinheit (4) und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit (4) einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, wobei die Drehzahl (CO) des Elektromotors überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Höchstdrehzahl (COmax) des Elektromotors detektiert wird und dass die folgenden Schritte durchgeführt werden, solange die Drehzahl (CO) des Elektromotors im Wesentlichen der Höchstdrehzahl (COmax) entspricht: - Bestimmung eines Maximalwerts Xmax eines Überwachungsparameters (I, T) des Kältemittelkompressors (i); - Bestimmung eines Werts Xti des Überwachungsparameters (I, T) nach einer ersten Zeitspanne (tl) nach der Bestimmung des Maximalwerts Xmax; - Detektion eines blockierten Ventils, wenn Xti kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xti)/ Xmax ^ Δχ gilt, wobei Δχ vorgegeben ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Δχ > 0,2, bevorzugt Δχ > 0,4, besonders bevorzugt Δχ > 0,5 gilt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Überwachungsparameter um einen vom Elektromotor aufgenommenen Strom (I) handelt oder um eine Temperatur (T) einer Steuerungselektronik des Kältemittelkompressors (1), insbesondere des Elektromotors, oder einer Motorwicklung des Elektromotors.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Maximalwerts Xmax erst nach einer Initiationszeitspanne (tO) nach der Detektion der Höchstdrehzahl (COmax) des Elektromotors erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Initiationszeitspanne (tO) mindestens 5 min, bevorzugt mindestens 10 min, besonders bevorzugt mindestens 15 min beträgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Verifikationszeitspanne (t2) nach der Detektion des blockierten Ventils ein Wert Xt2 des Überwachungsparameters (I, T) bestimmt wird und die Detektion des blockierten Ventils verifiziert wird, wenn Xt2 kleiner als Xmax ist und (Xmax - Xt2)/ Xmax ^ Δχ gilt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verifikationszeitspanne (t2) 15 s bis 5 min, vorzugsweise 30 s bis 3 min, besonders bevorzugt 45 s bis 1 min 30 s beträgt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitspanne (tl) mindestens 3 h, bevorzugt mindestens 5 h, besonders bevorzugt mindestens 6 h beträgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Detektion des blockierten Ventils eine entsprechende Fehlermeldung in einen dafür vorgesehenen, auslesbaren Speicher geschrieben wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, sofern abhängig von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Verifikation der Detektion des blockierten Ventils eine entsprechende Fehlermeldung in einen dafür vorgesehenen, auslesbaren Speicher geschrieben wird.
  11. 11. Betriebsverfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors (1), das Betriebsverfahren umfassend das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei nach der Detektion des blockierten Ventils der Elektromotor angehalten wird.
  12. 12. Betriebsverfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors (1), das Betriebsverfahren umfassend das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, sofern abhängig von Anspruch 6, wobei nach der Verifikation der Detektion des blockierten Ventils der Elektromotor angehalten wird.
  13. 13. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor nach einer zweiten Zeitspanne (t3) neu gestartet wird.
  14. 14. Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitspanne (t3) mindestens 3 s, bevorzugt mindestens 6 s, besonders bevorzugt mindestens 15 s beträgt.
  15. 15. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitspanne (t3) maximal 60 min beträgt.
  16. 16. Steuerungssystem für einen Kältemittelkompressor (1), der Kältemittelkompressor (1) umfassend eine Antriebseinheit (4) und eine Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit (4) einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und wobei das Steuerungssystem eine Steuerungselektronik aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder zur Durchführung eines Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 15 eingerichtet ist.
  17. 17. Kältemittelkompressor (1) mit einer Antriebseinheit (4) und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur zyklischen Verdichtung eines Kältemittels, wobei die Antriebseinheit (4) einen Elektromotor zum Antrieb der Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkompressor (1) ein Steuerungssystem gemäß Anspruch 16 umfasst.
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