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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch
angetriebenen Pumpe in einer Spülmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Als
Antrieb für
die Umwälzpumpe
in einem Geschirrspüler
ist üblicherweise
der einphasige Asynchronmotor anzutreffen, an dem über einen Kondensator
ein Spannungsverlauf in einer zweiten Phasenlage zur Drehfelderzeugung
generiert wird. Ein solcher Antrieb zeichnet sich durch seine Robustheit
aus, weshalb er sich trotz zahlreicher konstruktiver und betriebstechnischer
Nachteile durchgesetzt hat. Zu diesen Nachteilen zählt die
lastabhängig schwankende
Drehzahl, das Erfordernis eines Tachogenerators oder dergleichen
als Drehzahlsensor und das Erfordernis einer reibenden Dichtung
zwischen Motor und Pumpe, deren mechanische Beanspruchung über 10%
der aufgenommenen Motorleistung verbraucht und zu Störgeräuschen sowie
Verschleiß führt. Außer bei
seiner Nenndrehzahl kann ein solcher Asynchron-Pumpenantrieb auch
noch mit einer reduzierten Drehzahl betrieben werden, allerdings
bei sehr viel schlechterem Wirkungsgrad und ohne die Möglichkeit
einer freien Drehzahlbeeinflussung.
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Konstruktiv
vorteilhafter wäre
der Einsatz eines Synchronmotors als Pumpenantrieb. Denn aufgrund
seines breiten zulässigen
Luftspalts zwischen Rotor und Stator könnte durch diesen Luftspalt
die hohlzylindrische Wandung eines zur Wasserseite der Pumpe hin
offenen Kunststofftopfes eingesetzt werden, in dessen Boden dann
das Pumpen-Turbinenrad als Nassläufer
gelagert wäre.
Damit wären
die geräuschträchtigen
und verschleißanfälligen Dichtungserfordernisse
zwischen Antriebsmotor und Wasserpumpe vermieden. Wie in der
EP 0 691 732 B1 ausgeführt, ist
der Einphasen-Synchronmotor üblicher
Bau- und Betriebsart aber für
den Einsatz in Geschirrspülmaschinen
nicht hinreichend leistungsstark und auch aufgrund seines dynamischen
Verhaltens an sich ungeeignet. Deshalb soll dort der Betrieb des
Synchronmotors aus dem Wechselspannungsnetz über einen Gleichrichter mit
nachgeschaltetem Wechselrichter erfolgen, mittels dessen variablen ausgangsseitigen
Pulsmusters eine Strom-Drehzahl-Kennlinie ähnlich derjenigen eines Gleichstrom-Nebenschluss-Verhaltens
erzwungen werden soll. Das ist ersichtlich sehr aufwendig; und es
verbleibt dennoch der Nachteil, dass auch ein derart betriebener
Synchronmotor schon aufgrund seines Masseträgheitsmomentes und erst recht
unter Last nicht selbständig
anlaufen kann. Er benötigt
zusätzlich
eine elektronische Hochfahrsteuerung in die synchrone Arbeitsdrehzahl
hinein. Von Nachteil bleibt ferner, dass wie dort beschrieben für den sicheren Anlauf
eine Unsymmetrie des magnetischen Feldes im Luftspalt erforderlich
ist, nämlich
ein in Umfangsrichtung des Luftspalts nicht konstantes Feld. Daraus resultiert
ein mit dem Umlauf des Rotors schwankendes Drehmoment, das im Betrieb
zu unangenehmer Geräuschentwicklung
aufgrund Körperschallabstrahlung über das
Statorblechpaket sowie über
die Masse der ablaufseitig verdichteten Wassersäule des durch die Pumpe geförderten
Wassers führt.
Wohl auch deshalb hat der Synchronmotor für eine Geschirrspüler-Umwälzpumpe,
deren Kreislauf nach der Steigleitung über die Sprühdüsen und den Spülbehälter zum
Pumpensumpf zurück
führt,
trotz anhaltender technologischer Anstrengungen noch keine praktische
Bedeutung erlangen können.
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Aus
der
DE 692 31 002
T2 , welche die Basis für
den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, ist eine elektromotorisch
angetriebene Pumpe für
eine Spülmaschine
bekannt, die von einem in der Drehrichtung umsteuerbaren Elektromotor
mit zwischen Stator und Rotor vergleichsweise großem, zur
Aufnahme eines topfförmigen
Trägers
für eine
Nasslagerung des Pumpenrades geeignetem Luftspalt angetrieben ist. Bei
dem Elektromotor handelt es sich um einen Synchron-Wechselstrommotor,
der nach elektronisch angesteuertem Anlaufen mit Synchrondrehzahl
betrieben wird.
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Ferner
offenbart zum Beispiel die
DE
199 07 158 A1 eine mit regelbarer Drehzahl betriebene Pumpe
für eine
Spülmaschine.
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In
der
DE 196 17 570
C1 ist schließlich
eine Tauchpumpe beschrieben, die in Abhängigkeit vom Pegelstand, der
anhand der Drehzahl der Pumpe bestimmt wird, automatisch ein- und
ausgeschaltet wird.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, ein Verfahren
zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe in einer Spülmaschine
anzugeben, das hinsichtlich des Wasserverbrauchs im Spülbetrieb
sowie der Geräuschentwicklung
im Spülbetrieb
und im Entleerungsbetrieb einen optimalen Betrieb der Pumpe ermöglicht.
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Diese
Aufgabe ist gemäß vorliegender
Erfindung durch die Kombination der im Hauptanspruch angegebenen
Merkmale gelöst,
wonach die Pumpe nun von einem Gleichstrommotor angetrieben wird, weil
der alle in Bezug auf die vorliegende Aufgabenstellung wesentlichen
Anlauf- und Betriebseigenschaften in besonders vorteilhafter Weise
realisieren lässt.
In diesem Zusammenhang ist unter einem Gleichstrom-Motor derjenige
zu verstehen, dessen magnetisches Drehfeld nicht vom elektrischen
Dreh feld der externen Motorspeisung vorgegeben, sondern – abhängig von
der Rotor-Bewegung selbst – über Kommutierungssensoren
gesteuert wird. Bevorzugt wird dabei an einen zweiphasig betriebenen Gleichstrommotor
mit bifilaren Feldwicklungen gedacht, wie er in der älteren
DE 101 39 928 A1 hinsichtlich
seines Aufbaus und seiner besonders vorteilhaften Ansteuerungsmöglichkeiten
näher beschrieben
ist. Aber auch ein Gleichstrommotor konventioneller Bauart ist im
Rahmen vorliegender Erfindung ohne weiteres einsetzbar.
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Solch
ein Pumpenantriebs-Motor kann insbesondere in seiner Drehrichtung
problemlos umgekehrt, und selbst unter Last aus dem Stillstand heraus
bis zur Maximaldrehzahl mit jeder beliebigen Drehzahl betrieben
werden. Seine elektromechanische Funktion lässt für das magnetische Drehfeld
einen hinreichend großen
radialen Luftspalt zwischen Stator- und Rotor-Polschuhen zu, um
einen dünnwandigen
Lagertopf für
ein nassgelagertes Pumpen-Turbinenrad sich hier achsparallel hindurch
erstrecken zu lassen, sodass die erwähnten dichtungsbedingten Verschleiß- und Geräuschprobleme
entfallen.
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Durch
die Variation der Antriebsdrehzahl lässt sich die Fördermenge
und damit auch der Förderdruck,
der durch die Pumpe auf das Rohrleitungssystem und die Austrittsdüsen im Spülbehälter ausgeübt wird,
wahlweise kontinuierlich oder sprunghaft verändern und in weiten Grenzen
stationär
einstellen. Das ermöglicht
etwa ein Spülprogramm
mit energetisch sparsamem und mechanisch schonendem Einweichprogramm,
ehe über
eine Steigerung der Drehzahl der Sprühdruck vorübergehend zum Reinspülen der
eingeweichten Oberflächen
erhöht
wird. Auch können,
gesteuert über
elektromagnetische bzw. elektromotorische Stellglieder oder einfach über Wasserdrucksprünge, Wasserweichen
im Zuge des Rohrleitungssystems umgeschaltet werden, um beispielsweise
von einem unteren Dreharm auf einen oberen Dreharm umzuschalten;
oder um vorübergehend
besonders intensiv aus z.B. längs
des Umfangs des Spülbehälters fest
installierten Düsen
zu spritzen.
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Eine
weitere Umschaltmöglichkeit
betrifft einen Wechsel in der Betriebsabfolge zwischen Nenndrehzahl
des Elektromotors für
den Umwälzbetrieb im
Kreislauf durch die Sprüharmdüsen und
den Spülbehälter hindurch
einerseits und andererseits momentaner Umschaltung auf eine niedrigere
Drehzahl für
das Entleeren des Spülbehälters mit
geringerem Förderdruck,
sodass dieselbe elektromotorisch betriebene Pumpe einerseits als
Laugenumlaufpumpe und andererseits als Wasserentleerungspumpe verwendbar
ist, also das zweite Pumpensystem der herkömmlichen Geschirrspülerausstattung
völlig
entfallen kann.
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Noch
zweckmäßiger ist
es, für
den Wechsel zwischen Umwälzbetrieb
und Abpumpbetrieb die Antriebsrichtung des Pumpenrades umzukehren,
sodass diesbezüglich
das Erfordernis einer Wasserweiche im Wasserstrom entfällt, weil
z.B. je nach der momentanen Strömungsrichtung
der Wasserablauf vom Turbinenrad der Pumpe entweder durch den einen oder
aber durch den anderen zweier gegensinnig tangential orientierter
Turbinenauslässe
erfolgt. Für diese
Drehrichtungsänderung
des Gleichstrommotor-Pumpenantriebs brauchen nur die Polarität der Feldspannung
im Motor umgekehrt und dafür
die Speisespannungsanschlüsse
umgepolt zu werden. Das erfordert allerdings elektrisch hoch belastbare Schaltkontakte.
Günstiger
ist es deshalb, die Polaritäten
etwa von Hall-Sensoren zur bürstenlosen
Kommutierung des Rotorstromes ausgangsseitig umzupolen, um die Drehrichtung
eines solchen Gleichstrommotor-Pumpenantriebs zu wechseln.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung eines Gleichstrommotors
als Pumpenantrieb liegt in der einfachen Verfügbarkeit von aus Betriebsgrößen des
Motors abgeleiteten aktuellen Betriebsinformationen, ohne für deren
Gewinnung eigens zusätzliche
Sensoren in der Spülmaschine
anbringen und betreiben zu müssen.
So ist die Schaltfrequenz der Sensoren für die bürstenlose Kommutierung des
Rotorstromkreises ein direktes Maß für die momentane Rotordrehzahl,
die somit ohne zusätzlichen
Schaltungsbedarf unmittelbar als Istwert zur Verfügung steht,
etwa für
eine Drehzahlregelung zum Abarbeiten eines abgespeicherten Spülprogramms
mit einer Folge unterschiedlicher Drücke bzw. Strömungsvolumina
in den an die Pumpe angeschlossenen Steigleitungen.
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Ferner
wird aus dem Motorstrom des Gleichstromantriebs unmittelbar auf
die momentan in das Spülsystem
abgegebene mechanische Leistung geschlossen. Das ermöglicht es,
ohne zusätzliche
Installation und Abfrage von Wasserstandssensoren einen hinsichtlich
des Wasserverbrauches optimalen Betrieb einzuhalten, nämlich z.B.
einen Spülgang
mit nur solchem maximalem Wasserstand im Pumpentopf unter dem Spülbehälter, daß die im
Umwälzbetrieb
arbeitende Pumpe gerade noch nicht auch Luft ansaugt, weil sie gerade
noch ganz im Wasser arbeitet. Das zusätzliche Ansaugen von Luftblasen
würde zu
einer schwankenden Leistungsaufnahme führen und kann somit einspeiseseitig, über einen
unruhig schwankenden Stromverlauf, als Steuersignal für die Zufuhr
von Frischwasser abgefragt werden, bis sich mit konstanter Förderleistung – wegen
Pumpenbetriebs im Wasser ohne Luftansaugen – wieder konstanter Motorstrom
einstellt. Andererseits kann beim Entleerungsbetrieb der Pumpe deren
Ansteuerung abgeschaltet werden, sobald sich das Restwasser im Pumpentopf
unter dem Spülbehälter auf
ein Niveau abgesenkt hat, ab dem die Pumpe auch Luft zieht.
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Dadurch
werden die unangenehm gurgelnden Geräusche, die sonst bei Fördern eines
Wasser-Luft-Gemisches bis zum Beendigen des Entleerungsbetriebes
auftreten, nun infolge Abschaltens des Pumpenantriebs bei Einsatz
schwankender Stromaufnahme sofort wieder beendet.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere
Vorteile sowie zusätzliche
Alternativen und Abwandlungen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen
und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter
Beschränkung
auf das Wesentliche nicht maßstabsgerecht
und stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels
zur erfindungsgemäßen Lösung.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt in Seitenansicht unter einem Spülbehälter einen
Pumpentopf mit angebauter, von einem elektronisch kommutierenden
Gleichstrommotor angetriebener Kreiselpumpe für das gesamte Wassermanagement
dieser Spülmaschine.
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Der
in der Zeichnung skizzierte Blick ins Innere des Gehäuses einer
Geschirr-Spülmaschine 11 läßt einen
vertikal orientierten hohlzylindrischen Spülbehälter 12 erkennen,
der unter seinem mit einem Schmutzfang-Filter 13 ausgestatteten
Boden 14 in einen Pumpentopf 15 übergeht.
Vor dessen hohlzylindrische Wandung 16 ist eine Pumpe 17 montiert, deren
sichtabgelegene Ansaugöffnung über Wandungs-Durchbrechungen
mit dem Pumpensumpf 18 im Inneren des Pumpentopfes 15 in
Strömungsverbindung
steht. Die Pumpe 17 ist als Kreiselpumpe ausgelegt, deren
Turbinen-Pumpenrad von einem koaxial zu ihm angeflanschten elektrischen
Antriebsmotor 19, eventuell über ein integriertes Getriebe,
angetrieben wird. An das Gehäuse 20 der
Pumpe 17 ausgangsseitig angeschlossen ist z.B. das Druckrohr 21 zur
Steigleitung 22 des Wasserkreislaufes über Sprühdüsen 23 in den Spülbehälter 12 hinein
und durch das Filter 13 hindurch in den Pumpentopf 15 zurück. Im dargestellten
Beispielsfalle, ist dieser Anschluß des Druckrohres 21 derart
orientiert, daß es bei
Rechtslauf 24 des Motors 19 beströmt wird.
Bei Linkslauf 25 dagegen wird ein Druckrohr 21 zu
einer Steigleitung 22 beströmt, die entgegengesetzt tangential
zum vorgenannten an das Pumpengehäuse 20 angeschlossen
ist und an einem Auslauf-Siphon 26 zum Entleeren des Spülbehälters 12 endet.
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Als
Pumpenantrieb ist grundsätzlich
jeder gängige
Gleichstrom-Motor
19 hervorragend geeignet. Bevorzugt wird
jedoch der schon erwähnte
zweiphasig betriebene Gleichstrommotor
19 mit bifilaren Feldwicklungen
eingesetzt, wie er in der älteren
DE 101 39 928 A1 hinsichtlich
seines Aufbaus und seiner gerade im Rahmen vorliegender Erfindung
besonders vorteilhaften Ansteuerungsmöglichkeiten näher beschrieben
ist. Nachstehend werden nur einige jener Ansteuerungsmöglichkeiten
anhand des stark vereinfachten Bockschaltbildes dieser Zeichnung
behandelt.
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Die
elektrische Speisung des Motors 19 erfolgt über ein
zweiadriges Speisekabel 27 aus dem Gleichstromzwischenkreis 28 eines
an das Wechselstrom-Hausnetz (nicht gezeichnet) angeschlossenen Steuergerätes 29. Über ein
manuell oder aus einer übergeordneten
Programmsteuerschaltung einstellbares Stellglied 30 wird
die Ausgangsgleichspannung des Zwischenkreises 28 und damit
die Drehzahl des Motors 19 beeinflußt. Außerdem kann hier eine Umpolung
der Motorspeisung zur Drehrichtungsumkehr 24/25 erfolgen.
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Eine
Drehrichtungsumkehr wird aber vorteilhafter, da dann nicht mehr
starkstromseitig sondern nur auf Sensorsignalpfaden, durch ein Umpolen
im Zuge der Ankerstromkommutierung vorgenommen, deren Signalleitungen 31 die
Brückenschaltungen am
Ausgang des Zwischenkreises 28 rotorstellungsabhängig umsteuern.
Einer Drehrichtungsumkehr über
beispielsweise Hall-Sensoren (in der Zeichnung nicht dargestellt)
dient ein Mehrfach-Umschalter 32 zum Umpolen deren Signalleitungen 31 an
die Ausgangsanschlüsse
der Hall-Sensoren.
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Ein
Frequenzmesser 33 leitet aus der von einem der Hall-Sensoren
oder dergleichen Kommutierungssensoren gelieferten Pulsfolge eine
Drehzahlinformation 34 ab. Ein an das Speisekabel 27 angeschlossenes
Strom- oder Leistungsmeßgerät 35 liefert
eine Information 36 über
die aktuelle Leistungsaufnahme der Pumpe 17, die signifikant
schwankt, wenn neben Wasser auch Luftblasen gefördert werden. Eine Auswertegerät 37 verarbeitet
diese Informationen 34/36 nach Maßgabe von
aus dem übergeordneten
Betriebsprogramm im Steuergerät 29 vorgegebenen
Kriterien und beeinflußt
dementsprechend, mittelbar oder unmittelbar, die Ansteuerung des
Pumpenmotors 19.
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Jenes übergeordnete
Betriebsprogramm kann beispielsweise vorsehen, daß zu Betriebsbeginn
die Pumpe 17 mit mäßiger Drehzahl
und deshalb geräuscharm
in Umwälzrichtung 24 angetrieben wird,
während
der Pumpentopf 15 über
den Spülbehälter 12 aus
einem Zulauf 38 mit Frischwasser gefüllt wird. Das verbrauchs- und
betriebsoptimale Wasservolumen ist eingefüllt, wenn die Pumpe 17 keine
Luft mehr ansaugt, weil ihre Ansaugöffnung in der Topfwandung 20 gerade
gänzlich
unter dem Wasserspiegel liegt, also ganz mit Wasser gefüllt ist. Mit
Erreichen diesen Niveaus steigt deshalb der Förderleistungsbedarf und damit
der Motorstrom signifikant an, was im Steuergerät 29 zum Abschalten
des Zulaufes 38 ausgewertet wird. Wenn danach, wäh rend des
Sprühbetriebes über die
Düsen 23 ins
Innere des Spülbehälters 12 hinein,
der Wasserspiegel im Pumpentopf 15 – insbesondere infolge Verdunstung und
wegen der Benetzung der Innenwände
des Spülbehälters 12 und
der Oberflächen
des zu reinigenden Geschirrs sowie wegen der Feuchtigkeitsaufnahme in
der Verunreinigung auf dem Geschirr – unter die obere Einlaufkante
zur Pumpe 17 absinkt, dann saugt diese zusätzlich zum
Rücklaufwasser
auch Luft an, was durch unregelmäßige Stromeinbrüche auf
dem Speisekabel 27 detektiert wird und zum Öffnen des
Zulaufes 38 ausgewertet wird, um das Wasserniveau wieder
bis auf luftfreies Ansaugen durch die Pumpe 17 anzuheben.
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Spätestens
sogleich nach erstmaligem Erreichen dieser verbrauchsoptimalen und
betriebsruhigen Minimalfüllung
für den
Umwälzbetrieb 24 kann nun
die Drehzahl erhöht
werden, um z.B. fortan über die
Sprühdüsen 22 eines
unteren Dreharmes 39 das im Spülbehälter 12 in Halterungen
eingestellte Geschirr (nicht gezeichnet) zum Einweichen im Energiesparbetrieb
einzusprühen.
Mit weiterem Hochsteuern der Förderleistung
der Pumpe 17 im Umwälzbetrieb 24 schaltet
eine Wasserweiche 40 elektromotorisch, elektromechanisch
oder druckbetätigt
von der Steigleitung 22 zum unteren Dreharm 39 zusätzlich oder ausschließlich auf
die Steigleitung 22 zum oberen Dreharm 39 um.
Der nun infolge erhöhter
Motorleistung vorübergehend
vergrößerte Sprühdruck führt zum
raschen Abspülen
der zuvor eingeweichten Verschmutzung von dem Geschirr. Vorher oder
nachher kann über
diese oder eine andere Wasserweiche statt dessen oder zusätzlich eine
Reihe von rundum im Spülbehälter 12 feststehend
angebrachten Sprühdüsen 23 über ihre
Steigleitungen 22 beströmt
werden, um vorübergehend
auch noch mit maximal zulässigem
Sprühdruck
z.B. die im Mittenbereich des Spülbehälters 12 kopfüber angeordneten
Gegenstände
mit besonders intensiver Verschmutzung wie Töpfe und Pfannen von unten her
innen zu reinigen.
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Sowohl
beim seichten Sprühbetrieb
zum Einweichen wie insbesondere auch beim intensiveren Sprühbetrieb
zum Abwaschen der Verschmutzungen ist es zweckmäßig, den Wasserdruck pulsieren
zu lassen, was durch entsprechendes Variieren der Motordrehzahl
erreicht wird.
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Nach
dem Abschluß dieser
zeitlich und energetisch wie auch hinsichtlich des Wasserverbrauches optimierten
Spülfolge
wird die Drehrichtung des Motorbetriebes von Umwälzen (24) mit wechselnden Förderdrucken
im Wasserkreislauf auf Entleeren (25) des Spülbehälters 12 unter
geringerem Förderdruck umgeschaltet.
Dafür wird
der drehrichtungsumgesteuerte Motor mit niedrigerer Drehzahl betrieben, um
den Inhalt des Spülbehälters 12 über die
in der anderen Strömungsrichtung
an das Pumpengehäuse 20 angeschlossene
Steigleitung 22 und deren Siphon 26 zu entleeren.
Dieser Entleerungsbetrieb 25 wird beendet, sobald die Pumpe 17 über ihren
Ansaugstutzen aus dem Pumpentopf 15 außer Wasser auch Luft ansaugt,
was einen signifikant schwankenden Motorstrom durch das Speisekabel 27 zur
Folge hat und darüber
zur sofortigen Beendigung des sonst sehr geräuschvollen Entleerungsbetriebes 25 führt.
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So
werden erfindungsgemäß ohne besonderen
apparativen oder programmtechnischen Mehraufwand auch besser optimierbare
und sogar ganz neue Betriebsarten einer Spülmaschine 11 – und selbst
die Ausführung
deren gesamten Wassermanagement über
nur eine einzige Pumpe 17 – eröffnet, indem der Pumpenantrieb über einen
bei umkehrbarer Drehrichtung mit beliebiger Drehzahl betreibbaren
Elektromotor 19 erfolgt, wofür sich ein zweiphasiger, sensorisch
kommutierender Gleichstrommotor 19 mit bifilaren Wicklungen
steuerungstechnisch als optimal erweist. Über in unterschiedlichen Strömungsrichtungen
an das Pumpengehäuse 20 angeschlossene
Druckrohre 21 kann die Pumpe 17 drehrichtungsabhängig im
Umwälzbetrieb – auch unter impulsartigem
Druckverlauf – durch
den Spülbehälter 12 hindurch
oder aber im Entleerungsbetrieb aus dem Spülbehälter 12 heraus arbeiten,
mit Einschalten des Wasserzulaufs oder Abschalten des Abpumpens
in Abhängigkeit
vom Aussetzen bzw. Einsetzen signifikanter Schwankungen des Motorstromes
infolge Pumpenförderung
von Luftblasen zusätzlich
zum Wasser bei einem Wasserspiegel gerade unterhalb der oberen Einlaufkante
der Pumpe 17.