DE10320021B4

DE10320021B4 - Kältemittelkompressoranordnung

Info

Publication number: DE10320021B4
Application number: DE10320021A
Authority: DE
Inventors: Ole Sonderborg Bachmann
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Danfoss Commercial Compressors SA
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: CN100410602C; DE10320021A1; US20040221590A1; US7269962B2; CN1550671A

Abstract

Kältemittelkompressoranordnung mit einem Kompressor, einer mit dem Kompressor elektrisch verbundenen Steuereinrichtung und einem Gassensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9–13) ein Gehäuse (6) umfaßt und der Gassensor (15) im Gehäuse (6) der Steuereinrichtung (9–13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemittelkompressoranordnung mit einem Kompressor, einer mit dem Kompressor elektrisch verbundenen Steuereinrichtung und einem Gassensor.
Im Zuge eines zunehmenden Umweltbewußtseins gewinnen Kältemittelkompressoren, die mit umweltfreundlichen Kältemitteln arbeiten, eine immer größere Bedeutung. Insbesondere ist man bemüht Kältemittel zu vermeiden, die in Verdacht stehen einen Treibhauseffekt zu verursachen.
Man verwendet daher zunehmend Kältemittel auf einer Kohlenwasserstoff-Basis, beispielsweise ein Kältemittel R600 (Isobutan). Derartige Kältemittel sind heute in Europa sehr verbreitet und eine Vielzahl der auf dem europäischen Markt angebotenen Kühlmöbel werden mit dem Kältemittel R600 betrieben.
Einige der umweltfreundlicheren Kältemittel haben allerdings den Nachteil, daß sie leicht entzündlich sind. Dies führt im Zusammenhang mit einer weiteren Entwicklung bei Kältemittelkompressoren zu folgendem Problem: Aus Energiespargründen werden zunehmend Kompressoren verwendet, deren Drehzahl variabel ist. Derartige Kompressoren werden elektronisch gesteuert. Möglich wird dies unter anderem durch die Verwendung von neuen Motor-Technologien, beispielsweise Permanentmagnet-erregte Motoren oder 1-, 2- oder 3-phasige Induktionsmotoren.
Derartige Kompressoren, genauer gesagt ihre Antriebsmotoren, werden nicht nur ein- und ausgeschaltet, sie werden vielmehr über Leistungshalbleiter gesteuert. Im Zusammenhang mit dieser Steuerung kann es zu Situationen kommen, bei denen sich ein zündfähiges Gasgemisch entzünden könnte.
Wenn also zwei Fehlermöglichkeiten gleichzeitig auftreten, nämlich einmal eine Undichtigkeit im Kühlsystem, durch die Kältemittel entweichen kann, und zum anderen ein Fehler in der elektronischen Steuerung, dann kann es zum Entzünden des Kältemittel-Gases kommen. Wenn dieses Entzünden schlagartig erfolgt, kann es sogar kleinere Explosionen geben.

Man hat daher in JP 8-247 646 A einen Gassensor vorgeschlagen, der im Kühlraum angeordnet ist und eine elektrische Versorgung unterbricht, wenn er das Vorhanden sein von Gas feststellt. Hierzu ist es erforderlich, eine elektrische Leitung zwischen dem Gassensor und der Steuereinrichtung zu verlegen, um den Gassensor aus dem inneren des Kühlschrankes mit der Steuereinrichtung zu verbinden.

Daneben gibt es weitere Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem, die kurz skizziert werden sollen:
Man kann eine Vorsicherung vorsehen, d.h. eine Glassicherung in einer Netzphase. Dies ist heutzutage eine sehr verbreitete Lösung. Die Glassicherung ist aber typischerweise relativ unzuverlässig und bei der Herstellung des Kompressors schwierig zu handhaben.

Man kann das Gehäuse der Steuereinrichtung hermetisch versiegeln, damit das Kältemittelgas bei Undichtigkeit der Kälteanlage nicht zu den Komponenten der Steuereinrichtung vordringen kann. Die Versiegelung des Gehäuses ist jedoch schwierig. Sie führt darüber hinaus in vielen Fällen zu thermischen Problemen in der Steuereinrichtung.

Schließlich kann man das freie Volumen im Gehäuse der Steuereinrichtung soweit verkleinern, daß es weniger als 20 cm³ beträgt. Dies ist der Grenzwert eines Sicherheitsstandards. Erreichen kann man dies beispielsweise durch Eingießen einer Füllmasse in das Gehäuse, in dem die Steuereinrichtung untergebracht ist. Allerdings ist diese Lösung relativ kostspielig und belastet die Komponenten der Steuereinrichtung mechanisch, insbesondere durch Materialbewegungen bei erhöhten Temperaturen.

JP 2003042655 A zeigt eine Kühl-Gefrier-Kombination. Diese Kombination weist eine Kältemittelkompressoranordnung auf mit einem Kompressor, einer Steuereinrichtung und mehreren Gassensoren. Es ist zu unterstellen, daß die Steuereinrichtung mit dem Kompressor elektrisch verbunden ist.

DE 696 22 294 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Klimatisierung mit wenigstens für die Ozonschicht unschädlicher Kühlflüssigkeit. Wenn man beispielsweise Propan als Kühlmittel verwendet, dann besteht bei einer Leckage die Gefahr, daß sich eine entflammbare Mischung aus Propan und Umgebungsluft bildet. Um ein Entzünden zu verhindern, wird vor dem Anlassen des Klimageräts das Innere des Klimageräts gespült, um jede beliebige Konzentration eines Gases zu beseitigen, das sich gebildet haben könnte.

DE 198 06 041 A1 beschreibt einen Behälter zur Einlagerung von Nahrungsmitteln mit einem Behälterraum. Der Behälter weist wenigstens eine Öffnung auf, deren Luftdurchlaßfläche mit einem Verschlußelement veränderbar ist. Das Verschlußmittel wird durch Antriebsmittel betätigt, welche von einer Datenauswerteeinheit gesteuert sind. Die Datenauswertesteuereinheit bildet Steuerwerte und verwendet hierzu Sensoren, die das im Behälterraum herrschende Klima erfassen. Hierzu gehört u.a. die Feuchtigkeit, aber auch der Gehalt an Sauerstoff und Kohlendioxid. Für letztere wird ein Gassensor verwendet.

DE Zeitschrift: Die Kälte, 5/1976, Seiten 190 bis 200, beschreibt unter der Überschrift "Lecksuche mit Frigen^® 12" mehrere Möglichkeiten, die Dichtigkeit einer Druck- oder Vakuumapparatur zu untersuchen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Wärmeleitfähigkeits-Meßzelle zu verwenden, bei der ein zu prüfender Gasstrom und ein Referenzgas über zwei elektrisch beheizte Glühdrähte geleitet werden kann. Diese kühlen bei unterschiedlicher Zusammensetzung der Gasströme verschieden stark ab. Dabei verändert sich der elektrische Widerstand der beiden Glühdrähte unterschiedlich, so daß die Differenz gemessen und angezeigt werden kann.

DE 31 40 273 A1 zeigt eine selbsttätige Fehlerdiagnoseanordnung für eine Wärmepumpenluftkonditionier- oder -klimaanlage, in der eine Fehlerdiagnoseanordnung beschrieben wird, in der eine Wärmepumpenanlage während deren Betrieb ständig überwacht wird. Wenn ein Fehler auftritt, wird ihm eine charakteristische Kennungszahl zugeordnet. Der Fehler wird in einem Speicher eines Mikroprozessors mit dieser charakteristischen Kennung gespeichert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei einer Kältemittelkompressoranordnung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Kältemittelkompressoranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung ein Gehäuse umfaßt und der Gassensor im Gehäuse der Steuereinrichtung angeordnet sind.

Man geht davon aus, daß das Kältemittelgas, z.B. Butan schwerer als Luft ist und sich im Falle einer Undichtigkeit nach unten bewegt, wo der Kompressor im Kühlmöbel, z.B. einem Kühlschrank, untergebracht ist. Dort befinden sich auch die Komponenten, die kritisch sind, nämlich die Komponenten der Steuereinrichtung. Wenn man nun den Gassensor an der Stelle unterbringt, wo kritische Situationen entstehen können, dann ist man in der Lage, eine Unterbrechung des Betriebs der Kältemittelkompressoranordnung zu bewirken, wenn sich eine zunehmende Konzentration von Gas in dem Gehäuse der Steuereinrichtung zeigt. Das Gas tritt in der Regel nicht plötzlich in einer so hohen Konzentration auf, daß bereits eine gefährliche Situation besteht. Das Gas kann in das Gehäuse der Steuereinrichtung in der Regel nur relativ langsam vordringen, so daß der Gassensor die Anwesenheit von Gas erfassen kann, bevor im Gehäuse selbst eine Konzentration entstanden ist, die zu einer Explosion oder zu einem Brand führen könnte. Andererseits stellt man aber das Vorhandensein von Gas genau an der Position fest, wo das Gas ein Risiko bedeutet, nämlich in der unmittelbaren Umgebung der Komponenten der Steuereinrichtung. Die Gaskonzentration an anderer Stelle ist vielfach von untergeordnetem Interesse.

Vorzugsweise ist das Gehäuse zumindest in einem Teilbereich gasdurchlässig. Man muß also keine hermetisch geschlossene Kapselung verwenden, sondern kann ein preisgünstiges Gehäuse, wie z.B. IP20, verwenden. Dies hat unter anderem den Vorteil, daß ein Luftaustausch mit der Umgebung möglich ist, was wiederum die Kühlung der elektronischen Komponenten der Steuereinrichtung erleichtert.

Vorzugsweise weist das Gehäuse einen gasdurchlässigen Bereich, in dem der Gassensor angeordnet ist, und einen gasdichten Bereich auf, in dem die Steuereinrichtung angeordnet ist. Damit wird eine erhöhte Sicherheit gegen ein Entzünden des Kältemittelgases durch die Leistungselektronik der Steuereinrichtung erreicht. Der Gassensor ist hingegen in der Lage, vordringendes Gas schnell und zuverlässig zu erfassen.

Bevorzugterweise ist der Gassensor in eine elektronische Schaltung der Steuereinrichtung integriert. Damit erhält man den Vorteil, daß keine zusätzlichen Leitungen zwischen dem Gassensor und der Steuereinrichtung erforderlich sind. Beispielsweise kann der Gassensor auf einer Schaltungsplatine angeordnet sein, auf der auch Komponenten der Steuereinrichtung angeordnet sind.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Gassensor Bestandteil einer Spannungsteileranordnung ist. Der Widerstand des Gassensors ändert sich in Abhängigkeit von der Konzentration des Gases, das der Gassensor erfassen soll. Man kann nun eine Schwellwertschaltung vorsehen, die bei einem Spannungsteiler relativ schnell in der Lage ist, ein Überschreiten eines gewissen Spannungspegels zu erfassen.

Auch ist von Vorteil, wenn der Gassensor mit einem Mikrocontroller verbunden ist. Anstelle eines Mikrocontrollers kann man auch einen ASIC verwenden, d.h. einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis. Eine derart aufgebaute Elektronik ist "intelligent" genug. Sie ist in der Regel schutzmäßig erheblich zuverlässiger als elektromechanische Lösungen.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Mikrocontroller eine Auswerte- und Speichereinrichtung bildet, mit der ein zeitlicher Verlauf eines Kältemittelverlustes dokumentierbar ist. Unter Umständen kann man anhand der gewonnenen Informationen eine Aussage über die Menge des im Kältesystem verbleibenden Kältemittels machen.

Vorzugsweise ist neben dem Gassensor mindestens ein weiterer Gassensor vorgesehen. Dies erhöht die Redundanz und erhöht die Sicherheit beim Betrieb der Kompressoranordnung.

Hierbei ist bevorzugt, daß eine Auswahleinrichtung vorgesehen ist, die einen noch nicht benutzten Gassensor nach mindestens einem der folgenden Kriterien in Benutzung nimmt: Eine vorbestimmte Betriebszeit eines benutzten Gassensors ist abgelaufen oder ein benutzter Gassensor ist funktionsgestört. Gassensoren haben in der Regel nur eine begrenzte Betriebszeit. Diese Betriebszeit kann zwar durchaus mehrere Jahre betragen. Die Lebensdauer eines Kühlmöbels kann jedoch noch län ger sein. Wenn man nun mehrere Sensoren vorsieht, die der Reihe nach betrieben werden, dann kann man die Lebensdauer der Steuerelektronik mit Gassensor an die Lebensdauer des Kühlmöbels anpassen.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die mehreren Gassensoren gleichzeitig arbeiten. Dies erhöht die Redundanz, d.h. bei Ausfall eines Gassensors können die anderen Gassensoren weiter arbeiten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Kältemittelkompressoranordnung und
2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Gassensor.
Eine Kältemittelkompressoranordnung 1 weist eine Kapsel 2 auf, die hermetisch geschlossen ist und in an sich bekannter und daher nicht näher dargestellter Weise einen Kältemittelkompressor mit einem elektrischen Antriebsmotor umschließt. Die Kapsel 2 weist einen Saugstutzen 3 und einen Auslaßstutzen 4 auf, an die in ebenfalls nicht näher dargestellter Weise ein Kältemittelkreislauf anschließbar ist, der neben der Kompressoranordnung auch noch einen Kondensator und einen Verdampfer sowie in der Regel ein Expansionsventil aufweist. In diesem Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel, das zumindest teilweise gasförmig vorliegt. Bei diesem Kältemittel handelt es sich beispielsweise um das Käl temittel R600 (Isobutan). Dieses Kältemittel zeichnet sich dadurch aus, daß es relativ umweltfreundlich ist, also nichts zum Treibhauseffekt beiträgt, wenn es bei einer Undichtigkeit aus der Kälteanlage entweicht.
Die Kompressoranordnung 1 ist in der Regel in einem Bereich eines Kühlmöbels, beispielsweise eines Kühlschranks, angeordnet, der in Schwerkraftrichtung relativ weit unten liegt. Das Kältemittel R600 ist schwerer als Luft. Im Falle einer Undichtigkeit des Kältemittelkreislaufs wird das Kältemittel also nach unten sinken und dabei in die Nähe der Kompressoranordnung 1 gelangen.
Für die Steuerung des Kompressors, genauer gesagt seines Antriebsmotors, ist an der Seite der Kapsel 2 eine Steuereinrichtung 5 vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 5 umfaßt ein Gehäuse 6, das nicht gasdicht ist, sondern sogar Löcher oder Öffnungen 7 aufweisen kann. Es ist also durchaus möglich, daß das Gas, das nach unten sinkt, auch in einen Innenraum 8 des Gehäuses 6 vordringen kann, in dem elektrische Komponenten angeordnet sind. Ohne zusätzliche Maßnahmen könnte dies zu gefährlichen Situationen dann führen, wenn sich im Innenraum 8 die Konzentration des Gases soweit anreichert, daß ein zündfähiges Gemisch entsteht, und darüber hinaus elektrische Komponenten der Steuereinrichtung 5 heiß werden oder Funken erzeugen, so daß das zündfähige und brennbare Gemisch brennen oder sogar explodieren könnte.
Bei den elektrischen Komponenten kann es sich beispielsweise um Leistungshalbleiter 9 handeln, die auf einer Schaltungsplatine 10 angeordnet sind. Eine weitere Schaltungsplatine 11 ist vorgesehen, die beispielsweise Komponenten 12, 13 trägt, die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 9 verwendet werden. Eine Durchführung 14 ist vorgesehen, um elektrische Leistung in das Innere der Kapsel 2 übertragen zu können.
Auf der Schaltungsplatine 11 ist ein Gassensor 15 angeordnet. Der Gassensor 15 ist Bestandteil einer Schaltung, die auch einen Mikrocontroller 16 aufweist. Bei dem Gassensor 15 kann es sich beispielsweise um einen Sensor vom Typ CAP03L handeln, der von der Firma Capteur Sensors in England angeboten wird. Der Sensor reagiert auf Butan.
Solche Sensoren 15 haben eine Mindestlebensdauer von drei Jahren. Um einen längeren Betrieb der Steuereinrichtung 5 gewährleisten zu können, kann man in nicht näher dargestellter Weise auch zwei oder mehr Sensoren auf der Schaltungsplatine 11 vorsehen, wobei eine Auswahleinrichtung vorgesehen sein kann, die einen noch nicht benutzten Sensor erst dann in Betrieb nimmt, wenn der erste nicht mehr funktioniert oder eine vorbestimmte Lebensdauer abgelaufen ist. Man kann allerdings auch aus Gründen der Redundanz und Sicherheit mehrere Gassensoren einbauen, die dann gleichzeitig arbeiten.
2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung, bei der der Gassensor 15 Bestandteil einer Spannungsteilerschaltung ist, die zusätzlich einen ohmschen Widerstand R aufweist. Der Spannungsteiler 17 weist einen Mit telabgriff 18 auf, der mit dem erwähnten Mikrocontroller 16 verbunden ist. Anstelle eines Mikrocontrollers kann man natürlich auch eine andere elektronische Komponente verwenden, die die gleiche Funktion erfüllen kann, beispielsweise ein ASIC. Der Widerstand des Gassensors 15 ändert sich in Abhängigkeit von der Gaskonzentration des zu überwachenden Gases. Der Mikrocontroller 16 kann leicht ein Über- oder Unterschreiten einer Schwellwert-Spannung am Mittelabgriff 18 feststellen und bei Überschreiten der Gaskonzentration beispielsweise einen Alarm auslösen. Hierzu kann ein Signal an einen elektronischen Thermostaten übertragen werden, der über ein Display oder eine pulsierende Leuchtdiode oder eine andere optische oder akustische Anzeige auf das Bestehen einer Gefahr aufmerksam macht.
Darüber hinaus kann der Mikrocontroller 16 bei einer zu hohen Gaskonzentration eine kontrollierte Abschaltung der Steuereinrichtung 5 und des Antriebs des Kompressors bewirken.
Eine Vorsicherung, beispielsweise die oben erwähnte Glassicherung, kann dabei vermieden werden. Die dargestellte Elektronik ist in der Regel zuverlässiger.
Dadurch, daß man den Gassensor 15 im Gehäuse 6 zusammen mit den übrigen Komponenten der Steuereinrichtung 5 anordnet, kann man ein relativ preisgünstiges Gehäuse verwenden, das zum Beispiel nur die Schutzvorschrift der Norm IP20 erfüllt. Es ist also nicht erforderlich, ein hermetisch gekapseltes Gehäuse zu verwenden. Hierbei geht man von der Annahme aus, daß bei Auftreten einer Undichtigkeit die Gaskonzentration im Innenraum 8 nicht schlagartig ansteigen wird. Die Gaskonzentration wird vielmehr mit der Zeit ansteigen, so daß das Vorhandensein von Gas durch den Gassensor 15 erfaßt werden kann, bevor eine gefährliche Gaskonzentration im Innenraum 8 vorliegt. Das Gehäuse 6 bekommt sozusagen die zusätzliche Funktion, daß austretende Gas einzusammeln und aufzukonzentrieren, damit eine Erfassung von austretendem Gas auch bei relativ kleinen entweichenden Mengen möglich wird. Würde man das Gas einfach in die Umgebung entweichen lassen, ohne einen Sammelraum vorzusehen, könnte es vorkommen, daß die Gaskonzentration immer so klein bleibt, daß man sie mit vertretbarem Aufwand praktisch nicht erfassen könnte.
Anstelle eines im Innenraum 8 angeordneten Sensors 15 ist es auch möglich, den Sensor in einem offenen und somit gasdurchlässigen Abschnitt des Gehäuses 6 unterzubringen, wobei die restliche Elektronik, darunter die Leistungshalbleiter 9, in einem gasdichten Raum untergebracht sind. Damit wird eine erhöhte Sicherheit gegen Entzünden des Gases durch Komponenten der Leistungselektronik erreicht. Ein solcher Gassensor 19 ist schematisch in 1 dargestellt. Dieser Sensor 19 ist im Fall einer Störung relativ einfach auszuwechseln.
Der Mikrocontroller 16 bildet eine "relativ intelligente" Elektronik. Er kann während des Betriebes eine Reihe von Messungen vornehmen und diese speichern (data loging). Es ist dann möglich, Aussagen über einen Gasverlust über die Zeit zu machen. Unter Umständen kann dann auch eine Aussage über die Menge des in der Kälteanlage verbleibenden Kältemittels gemacht werden.

Claims

Kältemittelkompressoranordnung mit einem Kompressor, einer mit dem Kompressor elektrisch verbundenen Steuereinrichtung und einem Gassensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9–13) ein Gehäuse (6) umfaßt und der Gassensor (15) im Gehäuse (6) der Steuereinrichtung (9–13) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) zumindest in einem Teilbereich gasdurchlässig ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) einen gasdurchlässigen Bereich, in dem der Gassensor angeordnet ist, und einen gasdichten Bereich, in dem die Steuereinrichtung (9–13) angeordnet ist, aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (15) in eine elektronische Schaltung (9–13, 16) der Steuereinrichtung integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (15) Bestandteil einer Spannungsteileranordnung (17) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (15) mit einem Mikrocontroller (16) oder ASIC verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (16) eine Auswerte- und Speichereinrichtung bildet, mit der ein zeitlicher Verlauf eines Kältemittelverlustes dokumentierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Gassensor (15) mindestens ein weiterer Gassensor (19) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswahleinrichtung vorgesehen ist, die einen noch nicht benutzten Gassensor (15) nach mindestens einem der folgenden Kriterien in Benutzung nimmt a) Eine vorbestimmte Betriebszeit eines benutzten Gassensors ist abgelaufen oder b) ein benutzter Gassensor ist funktionsgestört.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Gassensoren (15, 19) gleichzeitig arbeiten.