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Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter und ein Verfahren zur Überwachung, Regelung und/oder Steuerung eines Kältemittelverdichters.
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Aus der
DE 10 2005 052 042 A1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Steuerung eines Verdichters in einem Regelkreis bekannt, wobei die Leistung des Verdichters in Abhängigkeit des Bedarfs gesteuert wird und wenigstens ein den Betriebszustand des Verdichters charakterisierender Parameter überwacht wird, um den Verdichter bei Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Abschaltschwelle abzuschalten.
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Der Betriebszustand des Verdichters wird über wenigstens einen Parameter, beispielsweise über die Wicklungstemperatur oder die Heißgastemperatur, überwacht, wobei ein Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Abschaltschwelle zum Abschalten des Verdichters führt. Die Auslösung des Verdichterschutzes bedeutet somit eine zwangsläufige Unterbrechung der Kälteerzeugung und kann daher erhebliche Folgen haben. Darüber hinaus ist ein Neustart mit der Verunsicherung über die Ursache der Auslösung verbunden. Manche Hersteller von Verdichtern lassen einen weiteren Betrieb des Verdichters in einem derartigen Fall erst dann zu, wenn die Ursache geklärt bzw. behoben ist. Bei einem bekannten Regelalgorithmus kann es daher aufgrund eines erhöhten Bedarfs, einer falsch ausgelegten Anlage, einer falschen Kältemittelmenge oder einer nicht ordnungsgemäßen Anwendung zu einen Auslösung des Verdichterschutzes kommen, ohne dass ein tatsächlicher Komponentendefekt oder eine Funktionsstörung im System vorliegt. Die
DE 10 2005 052 042 A1 hat daher ein Verfahren zur Steuerung eines Verdichters angegeben, bei dem bedarfsbedingte Schutzauslösungen vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass bei der Leistungssteuerung des Verdichters der aktuelle Betriebszustand des Verdichters berücksichtigt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass eine weitere Leistungssteigerung eingeleitet wird, obwohl der Verdichter schon kurz vor der Abschaltschwelle betrieben wird. Dieses bekannte Verfahren hat sich bewährt und verhindert ein unnötiges, vorzeitiges Abschalten des Verdichters, sodass sich die Verfügbarkeit der Anlage erhöht und geleichzeitig einem Kühlwarenschaden vorgebeugt wird, da nicht sofort abgeschaltet wird, sondern der Betrieb der Kälteanlage zumindest mit reduzierter Leistung solange wie möglich aufrecht erhalten wird.
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Aus der US 2002 / 0 020 175 A1 ist ein Kältemittelverdichter bekannt, der eine mit mehreren Systemkomponenten in Verbindung stehende Bus-fähige Sicherheits- und Steuereinheit aufweist. Die
DE 601 10 300 T2 beschreibt ferner ein Kompressorschutz- und regelsystem, das einen mit einem Netzwerk in Verbindung stehenden Regelblock aufweist, der wiederum mit eine Vielzahl von Systemkomponenten in Verbindung steht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Verfügbarkeit und die Effizienz der Kälteerzeugung weiter zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter weist einen Elektromotor auf, wobei der Kältemittelverdichter mit mehr als zwei Systemkomponenten in Wirkverbindung steht und die Systemkomponenten wenigstens zwei der nachfolgend aufgeführten Systemkomponenten, nämlich einen Überwachungssystem, einen Leistungssteller und einen Ölspiegelregulator umfassen und die mehr als zwei Systemkomponenten räumlich verteilt am oder im Kältemittelverdichter angebracht und mit jeweils eigener Elektronik ausgestattet sind und wobei die mehr als zwei Systemkomponenten für einen Informationsaustausch über ein Bussystem miteinander verbunden sind.
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Verfahren zur Überwachung, Regelung und/oder Steuerung eines Kältemittelverdichters mit einem Elektromotor, kommen mehr als zwei Systemkomponenten zum Einsatz, wobei die Systemkomponenten wenigstens zwei der nachfolgend aufgeführten Systemkomponenten, nämlich einen Überwachungssystem, einen Leistungssteller und einen Ölspiegelregulator umfassen und die mehr als zwei Systemkomponenten mit eigener Elektronik funktionieren und räumlich verteilt am Kältemittelverdichte zum Einsatz kommen, wobei die Informationen zwischen den mehr als zwei Systemkomponenten über ein Bussystem übertragen werden.
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Die Systemkomponenten können insbesondere weitere am Verdichter angebrachte Sensoren, Aktoren oder Steuerungen gebildet werden.
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Wenngleich Systemkomponenten, wie Überwachungssystem, Leistungssteller und Ölspiegelregulator bei bekannten Kältemittelverdichtern üblicherweise in Wirkverbindung stehen, findet jedoch bis jetzt noch keine direkte Kommunikation miteinander statt. Bisher sind diese Komponenten über eine „UND-Verknüpfung“ mit einem Schütz verbunden, sodass der Kältemittelverdichter über das Schütz abgeschaltet werden kann, sofern bei einer einzelnen Systemkomponente ein kritischer Zustand erreicht wird.
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Natürlich mag es andere Systemkomponenten in einer Kälteanlage geben, die beispielsweise in einem Schaltschrank untergebracht sind und über ein Bussystem miteinander verbunden sind, jedoch ist es bis jetzt noch nicht bekannt, zwei oder mehrere, am oder im Kältemittelverdichter angeordnete Systemkomponenten über ein Bussystem miteinander zu verbinden.
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Durch den erfindungsgemäßen Informationsaustausch über das Bussystem sind beispielsweise folgende Szenarien denkbar, um die Effizienz und/oder Verfügbarkeit der Kälteerzeugung zu optimieren:
- - Wenn der Kältemittelverdichter läuft, kann ein Ölsumpfheizer ausgeschaltet werden, wodurch Energie eingespart wird.
- - Wenn die Umgebungstemperatur größer als ein bestimmter Wert ist, kann der Ölsumpfheizer ausgeschaltet werden, wodurch ebenfalls Energie eingespart wird.
- - Wenn der Saugdruck am Kältemittelverdichter zu niedrig ist, kann die Verdichterleistung reduziert werden, wodurch sich die Verfügbarkeit maximiert.
- - Die Flüssigkeitseinspritzung oder der Kopflüfter werden nur aktiviert, wenn das Überwachungssystem eine zu hohe Temperatur in der Motorwicklung oder beim Verdichten Heißgas melden, wodurch Energie gespart wird.
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Die Erfindung schlägt somit eine Vernetzung der am oder im Kältemittelverdichter angebrachten Systemkomponenten vor, um die Betriebsweise einzelner oder mehrerer Systemkomponenten anzupassen.
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Unter einem Überwachungssystem wird eine Systemkomponente verstanden, die beispielsweise einen Sensor zur Überwachung eines Parameters des Kältemittelverdichters umfasst. Herbei kann es sich beispielsweise um einen Temperatur- oder Druckwert handeln. Der Ölspiegelregulator dient zur Überwachung und Einhaltung eines vorgegebenen Ölniveaus im Kältemittelverdichter. Der Leistungssteller dient beispielsweise zur Einstellung des Volumenstroms des Kältemittels oder zum Setzen der Ventile des Kältemittelverdichters in die richtige Position, um beispielsweise eine Entlastung beim Anlaufen zu bewirken. Ein Kopflüfter oder eine Steuerung zur Flüssigkeitseinspritzung dienen zur aktiven Kühlung des Verdichters, um ein Überhitzen und dadurch bedingtes Abschalten zu vermeiden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine der mehr als zwei Systemkomponenten durch das Überwachungssystem gebildet, wobei dieses vorzugsweise wenigstens einen Sensor zur Überwachung eines Parameters des Kältemittelverdichters umfasst. Vorzugsweise sind aber sowohl das Überwachungssystem, der Leistungssteller, eine Steuerung von Kopflüfter oder Flüssigkeitseinspritzung und der Ölspiegelregulator vorhanden und über das Bussystem miteinander verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelverdichter weiterhin ein mit wenigstens einer, vorzugsweise beiden, höchstvorzugsweise allen Systemkomponenten verbundenes Schütz zum Abschalten des Verdichtermotors auf. Die eine bzw. die mehreren Systemkomponenten sind dabei über eine vom Bussystem separate Leitung mit dem Schütz verbunden. Die Verbindung über diese separate Leitung ist dabei so aufgebaut, dass alle mit dem Schütz verbundenen Systemkomponenten in Reihe geschaltet sind und das Schütz dann zum Abschalten des Elektromotors deaktiviert wird, wenn diese separate Leitung durch eine der verbundenen Systemkomponenten unterbrochen wird („UND-Verknüpfung). Es reicht somit aus, wenn eine der Systemkomponenten einen Betriebszustand des Kältemittelverdichters feststellt, der ein Abschalten desselben erfordert.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass jede der mehr als zwei Systemkomponenten als Stand-Alone-Komponente ausgebildet ist und somit die ihr zugewiesene Aufgabe auch unabhängig von den anderen Systemkomponenten ausüben kann. Durch das Bussystem, welches unidirektional oder bidirektional ausgebildet sein kann, werden den Systemkomponenten die Informationen anderer Systemkomponenten bereitgestellt, die dann von einem Prozessor dieser Systemkomponente verarbeitet und bei der Ausführung der Aufgabe dieser Systemkomponente berücksichtigt werden können.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters und
- 2: eine schematische Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
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Der in 1 dargestellte Kältemittelverdichter 1 weist eine Verdichtereinheit 2 auf, die über einen Elektromotor 3 betrieben wird. Über einen Einlass saugt der Kältemittelverdichter 1 ein (gasförmiges) Kältemittel 4 an und verdichtet es. Das verdichtete Kältemittel 4' verlässt den Kältemittelverdichter 1 über einen nicht näher bezeichneten Auslass. Im Bereich der Verdichtereinheit 2 sind am oder im Kältemittelverdichter 1 ferner ein Ölspiegelregulator 5, eine Differenzdrucküberwachungseinheit 6 und ein Ölsumpfheizer 7 vorgesehen. Über einen am Kältemittelverdichter 1 angebrachten Klemmkasten 8 wird der Anschluss an das Stromnetz bereitgestellt. Im Klemmkasten 8 sind ferner ein Überwachungssystem 10 und ein Leistungssteller 11 vorgesehen. Im Bereich der Stromzuführung ist ferner ein Schütz 12 vorgesehen, mit dem die Stromzufuhr zum Kältemittelverdichter 1 unterbrochen werden kann, um dadurch ein Abschalten des Kältemittelverdichters zu bewirken.
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Im Bereich der Verdichtereinheit 2 kann optional ein Kopflüfter 13 zur optionalen Kühlung des Zylinderkopfes vorgesehen werden.
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Die Differenzdrucküberwachungseinheit 6 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Überwachung des Öldrucks zur Schmierung der Verdichtereinheit 2.
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Der Ölspiegelregulator 5 überwacht das Ölniveau und sorgt gegebenenfalls für eine Ölnachfüllung. Der Ölsumpfheizer dient zum Aufheizen des Öls, was insbesondere beim Anlaufen des Verdichters bei niedrigen Umgebungstemperaturen erforderlich ist. Der Kopflüfter 13 ermöglicht eine optionale Kühlung des Zylinderkopfes der Verdichtereinheit und wird beispielsweise über einen nicht näher dargestellten Temperatursensor gesteuert.
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Das im Klemmkasten 8 angeordnete Überwachungssystem 10 weist einen Sensor 14, insbesondere einen Temperatursensor 14 auf, der beispielsweise die Wicklungstemperatur des Elektromotors 3 erfasst. Der Leistungssteller 11 bewirkt dann eine Beeinflussung der Leistung des Elektromotors im Sinne einer Reduzierung oder Steigerung der Leistung.
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In 2 ist die Verschaltung der verschiedenen Systemkomponenten schematisch dargestellt. Hieraus wird ersichtlich, dass alle Systemkomponenten (Ölspiegelregulator 5, Leistungssteller 11, Überwachungssystem 10, Ölsumpfheizer 7, Differenzdrucküberwachungseinheit 6 und Kopflüfter 13) über ein Bussystem 15 für einen Informationsaustausch miteinander verbunden sind. Selbstverständlich kann auch nur ein Teil dieser Systemkomponenten an das Bussystem 15 angeschlossen werden. Auch ist denkbar, dass andere oder zusätzliche Systemkomponenten vorgesehen sind.
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Des Weiteren sind ein Teil der Systemkomponenten, nämlich der Ölspiegelregulator 5, der Leistungssteller 11 und das Überwachungssystem 10, mit dem Schütz 12 über eine separate Leitung 16 verbunden. Im Bereich jeder dieser Systemkomponenten ist jeweils ein Schalter oder Relais 17, 18, 19 vorgesehen, mit dem die separate Leitung 16 zum Schütz 12 unterbrochen werden kann. Im Normalbetrieb sind diese Schalter geschlossen. Sobald bei einer der angeschlossenen Systemkomponenten ein vordefinierter kritischer Zustand eintritt, wird der zugehörige Schalter geöffnet und somit die separate Leitung 16 unterbrochen. Dies wiederrum deaktiviert das Schütz 12 dahingehend, dass die Stromversorgung zum Kältemittelverdichter 1 unterbrochen wird. Die separate Leitung 16 stellt somit neben dem Bussystem 15 eine zusätzliche Sicherheitskette dar.
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Im Folgenden werden verschiedene Szenarien erläutert, bei denen die über das Bussystem 15 übertragenen Informationen im Sinne eine Optimierung der Verfügbarkeit und Effizienz, mit der der Kältemittelverdichter 1 betrieben wird, verwendet werden können.
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Dient das Überwachungssystem 10 beispielsweise der Erkennung, ob die Verdichtereinheit läuft, kann diese Information im Ölspiegelregulator dazu genutzt werden, eine Abschaltung des Kältemittelverdichters über das Schütz 12 zu vermeiden, wenn der Verdichter nicht läuft. Im Leistungssteller kann dieses Signal dazu genutzt werden, die Ventile in der Verdichtereinheit 2 in die richtige Position zu setzen, um beispielsweise eine Anlaufentlastung zu bewirken. Außerdem kann das Signal dazu verwendet werden, die Ventile nur bei laufendem Verdichter zu takten, um dadurch die Lebensdauer der Ventile zu erhöhen. Im Ölspiegelregulator kann die Lauferkennung des Weiteren zur Verschmutzungserkennung genützt werden.
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Stellt das Überwachungssystem beispielsweise einen erhöhten Motorwiderstand fest, kann der Leistungssteller eine Erhöhung des Volumenstroms des Kältemittels bewirken, um eine Überhitzung zu vermeiden. In ähnlicher Weise kann auch die Motortemperatur dazu genutzt werden.
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Wenn das Überwachungssystem Aufgrund eines Defekts seines internen Relais nicht mehr abschalten kann (z.B. Kontakte verschweißt) erfolgt über den Bus die „Abschaltinformation“, so dass die anderen Komponenten ebenfalls die Sicherheitskette unterbrechen können und somit die Anlage dennoch abgeschaltet wird, bevor eine Beschädigung eintritt.
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Misst das Überwachungsgerät beispielweise den Öldifferenzdruck, kann diese Information im Ölspiegelregulator als Plausibilitätskontrolle für eine Verschmutzung verwendet werden. Wird die Frequenz oder Drehzahl überwacht, kann dies beim Ölspiegelregulator im Falle einer hohen Frequenz zu einer vorsorglichen Nachspeisung von Öl führen. Wird mit dem Überwachungssystem die Temperatur des verdichteten Kühlmediums 4' erfasst, kann dies beim Leistungssteller zur Anpassung der Leistung des Kälteverdichters umgesetzt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
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Stellt der Ölspiegelregulator eine Information über die Anzahl der Ölnachfüllungen pro Stunde bereit, kann diese im Leistungssteller zur Optimierung der Leistungsregelung genutzt werden, um dadurch die Verfügbarkeit bei hohem Ölwurf zu gewährleisten.
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Die obige Aufstellung von verschiedenen Szenarien ist lediglich beispielhaft und keineswegs abschließend. Je nach Ausgestaltung des Überwachungssystems und des Leistungsstellers sind andere Anwendungsbeispiele denkbar.
