DE102007012933A1

DE102007012933A1 - Temperiereinrichtung

Info

Publication number: DE102007012933A1
Application number: DE102007012933A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Karkossa (FH)
Original assignee: Julabo Labortechnik GmbH
Current assignee: Julabo Labortechnik GmbH
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-16
Also published as: DE202007018813U1

Abstract

Eine Temperiereinrichtung (1) weist eine elektrische Heizvorrichtung (3) sowie weitere elektrische Verbraucher (4, 5) mit variabler Stromaufnahme auf. Es ist eine Strommessvorrichtung (8) zur Erfassung der Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung (1) vorgesehen. Die Strommessvorrichtung (8) sowie die elektrischen Verbraucher stehen mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (2) in Steuerverbindung, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (2) zur geregelten Bestromung der Heizvorrichtung (3) unter Berücksichtigung der maximalen Gesamtstromaufnahme sowie der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher (4, 5) ausgebildet ist. Das Heizsystem (3) wird dabei geregelt mit einem Strom versorgt, der etwa der Differenz aus dem maximal zulässigen Gesamtaufnahmestrom der Temperiereinrichtung (1) und der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher (4, 5) entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperiereinrichtung, insbesondere zur externen Temperierung in einem Flüssigkeitskreislauf, die eine elektrische Heizvorrichtung sowie weitere elektrische Verbraucher mit variabler Stromaufnahme aufweist.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Temperiereinrichtung, die ein elektrisches Heizsystem und als weitere elektrische Verbraucher wenigstens ein Kältesystem und wenigstens ein Pumpensystem aufweist.
Bei solchen Temperiereinrichtungen ist die Stromaufnahme sowohl des Kältesystems als auch des Pumpensystems in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands variabel. Die zur Verfügung stehende Heizleistung ist abhängig von der zulässigen, abgesicherten Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtungen und der maximalen Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher. Bei einer zulässigen Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtungen von beispielsweise 16A und einer maximalen Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher von beispielweise 12A steht für das Heizsystem noch eine Stromaufnahme von 4A zur Verfügung, auf die das Heizsystem dimensioniert ist.
Für andere Gerätekonfigurationen mit anderen Aufnahmeströmen der variablen Stromverbraucher werden entsprechend anders dimensionierte Heizsysteme verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperiereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Temperiereinrichtung zu schaffen, deren Temperierdynamik verbessert ist und bei der das elektrische Heizsystem für unterschiedliche Gerätekonfigurationen mit einem einheitlichen Heizer auskommt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich der Temperiereinrichtung vorgeschlagen, dass eine Strommessvorrichtung zur Erfassung der Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung vorgesehen ist, dass die Strommessvorrichtung sowie die elektrischen Verbraucher mit einer Steuer- und Regeleinrichtung in Steuerverbindung stehen und dass die Steuer- und Regeleinrichtung zur geregelten Bestromung der Heizvorrichtung unter Berücksichtigung der maximalen Gesamtstromaufnahme sowie der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher ausgebildet ist.
Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass das Heizsystem geregelt mit einem Strom, der etwa der Differenz aus dem maximal zulässigen Gesamtaufnahmestrom der Temperiereinrichtung und der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher entspricht, versorgt wird.
Dadurch wird die Heizleistung automatisch und ohne Eingriff des Benutzers optimal an den in der Regel durch die Absicherung vorgegebenen, maximal möglichen Anschlussstrom des Versorgungsanschlusses angepasst.
Die sonst bei reduzierter Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher bestehen bleibenden Leistungsreserven auf Grund einer fest vorgegebenen Dimensionierung der Heizvorrichtung, werden so optimal ausgenutzt.
Dadurch kann ein einheitlicher Heizer bei unterschiedlichen Gerätekonfigurationen einer Geräteserie, also Temperiereinrichtungen unterschiedlicher Leistungsklassen, eingesetzt werden.
Dieser Heizer ist so dimensioniert, dass er die erforderliche Heizleistung für die leistungsstärkste Temperiereinrichtung der Geräteserie erbringen kann. Auch bei Einsatz des Heizers in leistungsschwächeren Temperiereinrichtungen wird durch die erfindungsgemäße Regeleinrichtung der Strom für den Heizer so gesteuert, dass einerseits die zulässige Gesamtstromaufnahme der jeweiligen Temperiereinrichtung nicht überschritten wird, andererseits aber die Heizleistung an die jeweilige Betriebssituation optimal im Sinne einer größtmöglichen Heizleistung angepasst wird. Die Dynamik des Temperiersystems ist dadurch verbessert.
Durch den Einsatz eines einheitlichen Heizers ergeben sich wirtschaftliche und auch logistische Vorteile hinsichtlich der Lagerhaltung und Montage.
Die zusätzlich zu der elektrischen Heizvorrichtung vorgesehenen, weiteren elektrischen Verbraucher sind bei einer Temperiereinrichtung im wesentlichen wenigstens ein Kältesystem und wenigstens ein Pumpensystem. Hinzu kommen noch Magnetventile sowie elektrische Verbraucher mit geringer Stromaufnahme. Die jeweilige Konstellation und Ausrüstung der Temperiereinrichtung spielt für die erfindungsgemäße Regelung der Heizvorrichtung keine Rolle, da die jeweilige Stromaufnahme aller Stromverbraucher erfasst wird und die Heizleistung automatisch und optimal an den maximal möglichen Anschlussstrom der Temperiereinrichtung angepasst wird.
Zweckmäßigerweise ist die Strommessvorrichtung als Effektivwertmessvorrichtung für nichtsinusförmige Ströme ausgebildet und weist einen mit der Steuer- und Regeleinrichtung verbun denen Analogausgang auf.
Damit ist eine korrekte Strommessung auch bei zum Beispiel zur Steuerung pulsweitenmodulierten Heizsystemen und/oder über Frequenzumrichter betriebenen Pumpensystemen gegeben.
Die Steuer- und Regeleinrichtung weist zweckmäßigerweise eine Temperaturregelung für die Heizvorrichtung sowie eine dieser unterlagerte Stromregelung bei Überschreitung der maximalen Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung auf.
Somit wird in einen bestehenden, überlagerten Bad-Temperaturregler durch Verknüpfung der Effektivwertmessung des Gesamtstromes in Verbindung mit einem intelligenten Softwarealgorithmus unterlagert eingegriffen und auf einen konfigurierbaren, maximalen Stromwert unterlagert abgeregelt.
Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Temperiersystems in Funktionsblockdarstellung,
2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Badtemperatur über der Zeit und
3 ein Diagramm mit dem Verlauf der Gesamtstromaufnahme über der Zeit.
Eine Temperiereinrichtung 1 kann Teil eines sogenannten Badthermostaten sein, mit dem Flüssigkeit temperiert und umgewälzt wird.
Das Temperiersystem 1 weist eine Steuer- und Regeleinrichtung 2 sowie mit dieser in Steuerverbindung stehende, elektrische Verbraucher auf. Im wesentlichen sind die elektrischen Verbraucher durch ein Heizsystem 3, ein Kältesystem 4 sowie ein Pumpensystem 5 gebildet. Das Temperiersystem 1 ist mit seinem Heizsystem 3, dem Kältesystem 4 und dem Pumpensystem 5 an ein einphasiges Stromversorgungsnetz 6 angeschlossen. In die Stromzuleitung 7 ist eine Strommessvorrichtung 8 zur Erfassung der Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung 1 geschaltet. Von dieser Strommessvorrichtung 8 führt eine Steuerverbindung 9 zu einer unterlagerten Stromregeleinrichtung 11 der Steuer- und Regeleinrichtung 2.
Mit dem Temperiersystem 1 kann eine Badflüssigkeit beispielsweise in einem Temperierbereich von –20° bis +30° Celsius temperiert werden. Das Heizsystem 3 weist ein oder mehrere Heizer als elektrische Verbraucher auf, das Kältesystem 4 einen elektromotorisch angetrieben Kompressor, ein Regelorgan und gegebenenfalls Magnetventile und das Pumpensystem 5 einen über einen Drehzahlsteller 10 betriebenen, elektrischen Antriebsmotor.
Je nach Temperiersituation kann die Stromaufnahme des Kältesystems und des Pumpensystems 5 variieren und auch das Heizsystem 3 kann je nach geforderter Heizleistung unterschiedliche Ströme aufnehmen. Der Anschlusswert des Temperiersystems 1 gibt die maximal zulässige, abgesicherte Stromaufnahme des Gerätes vor.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Heizsystem 3 geregelt mit einem Strom betrieben wird, der etwa der Differenz aus dem maximal zulässigen Gesamtaufnahmestrom der Temperiereinrichtung und der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher, also des Kältesystems 4 und des Pumpensystems 5 entspricht. Demnach steht bei verringerter Stromaufnahme des Kältesystems 4 und/oder des Pumpensystems 5 eine höhere Restleistung für das Heizsystem 3 unter Berücksichtigung der maximalen Geräte-Stromaufnahme zur Verfügung, als wenn die bei den Systeme 4 und 5 mit maximaler Stromaufnahme betrieben werden. Beispielsweise kann das Kältesystem 4 eine Stromaufnahme im Bereich zwischen 2A und 8A aufweisen und das Pumpensystem 5 eine Stromaufnahme bis zu etwa 4A. Demnach stehen bei einem Anschlusswert des Temperiersystems 1 mit einer maximalen Stromaufnahme von 16 Ampere, bei minimaler Stromaufnahme des Kältesystems 4 von 2A und des Pumpensystems mit 1A noch 13A als Heizstrom zur Verfügung. Andererseits kann das Heizsystem 3 nunmehr mit 4A Stromaufnahme betrieben werden, wenn das Kältesystem 4 und das Pumpensystem 5 mit maximaler Leistung und einer Gesamtstromaufnahme von 12A arbeiten. Durch die an die jeweilige Betriebssituation optimal angepasste und damit insgesamt deutlich erhöhte Heizleistung ist eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden, maximal zulässigen Eingangsstromes ermöglicht.
Die Ansteuerung des Heizsystems 3 erfolgt pulsweitenmoduliert über eine Ansteuerschaltung 12 und der Drehzahlsteller 10 für den Pumpenantrieb kann einen Frequenzumrichter aufweisen. Der Eingangsstrom ist dadurch nicht sinusförmig. Die Strommessvorrichtung 8 ist daher als Effektivwertmessvorrichtung ausgebildet und liefert an ihrem Ausgang ein dem Effektivwert des Gesamtstroms analoges Signal. Dieses liniarisierte Ausgangssignal kann beispielsweise 0 bis 5 Volt betragen und wird einer Mikroprozessor-AD-Eingangsstufe der Steuer- und Regeleinheit 2 zugeführt.
Die Effektivwertmessvorrichtung kann so ausgebildet beziehungsweise einstellbar sein, dass Ströme von 0 bis 6A, 0 bis 15A oder 0 bis 25A erfasst und als Analogsignal 0 bis 5 Volt ausgegeben werden können. Der Effektivwert des insgesamt aufgenommenen Stromes ermöglicht es, im Heizbetrieb auf einem konfigurierten, maximalen Stromwert den zur Steuer- und Regeleinrichtung 2 gehörenden, überlagerten Bad-Heizungsregler 11 unterlagert abzuregeln, so dass der maximal zulässige Ge samtaufnahmestrom nicht überschritten wird.
2 zeigt ein Diagramm, bei dem die Temperatur einer Temperierflüssigkeit über der Zeit t aufgetragen ist. Strichpunktiert ist dabei der Verlauf des Temperatursollwerts 13 eingezeichnet. Durchgezogen sind der Ist-Temperaturverlauf 14 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und strichliniert der Temperaturverlauf 14a nach dem bisherigen Verfahren eingezeichnet.
In dem zugeordneten Diagramm gemäß 3 ist die Gesamtstromaufnahme des Temperiersystems über der Zeit aufgetragen. In dem Zeitabschnitt t₀ bis t₁ wird der Temperatursollwert 13 abgesenkt, so dass das Kältesystem 4 und das Pumpensystem 5 entsprechend in Betrieb sind und die Stromaufnahme in diesem Ausführungsbeispiel etwa 12A beträgt. Wird der Sollwert von beispielsweise etwa –17°C zum Zeitpunkt t₁ erreicht, wird die Kühlleistung soweit reduziert, dass diese Temperatur gehalten wird. Die Stromaufnahme geht dementsprechend zurück und kann dann 8A betragen.
Zum Zeitpunkt t₂ erfolgt eine Temperatur-Sollwertvorgabe auf etwa +23°C. Ab dem Zeitpunkt t₂ wird demnach das Heizsystem 3 aktiviert und es erfolgt eine maximal mögliche Bestromung des Heizsystems, welche durch die hier maximal zulässige Gesamtstromaufnahme von 16 Ampere begrenzt ist.
Bei dem bisherigen Temperiersystemen war das Heizsystem 3 so dimensioniert, dass dessen maximale Stromaufnahme der Differenz zwischen der zulässigen Gesamtstromaufnahme und der Summe der maximalen Stromaufnahmen des Kältesystems und des Pumpensystems zusammen entspricht, also eine Stromaufnahme von 4A hat.
Wie aus 3 erkennbar, führt dies dazu, dass entsprechend dem strichlinierten Stromverlauf in 3 auch bei nur noch mit Grundlast laufenden Kältesystem 4 und einer Stromaufnahme von beispielsweise 2A zuzüglich der Stromaufnahme des Pumpen systems 5 von beispielsweise 4A, die Stromaufnahme des Heizsystems nur 4A beträgt, obgleich bis zu dem gesamtzulässigen Maximalstrom von 16 Ampere das Heizsystem 3 mit einem Strom von 10 Ampere betrieben werden könnte. Die eigentlich vorhandenen Leistungsreserven bleiben also aufgrund der fest vorgegebenen Dimensionierung des Heizsystems ungenutzt.
Beim erfindungsgemäßen Temperiersystem wird durch die Strommessvorrichtung 8 für den Gesamtstrom des Temperiersystems 1 sowie durch die Vorgabe eines maximal zulässigen Gesamtstromes erkannt, dass noch eine Leistungsreserve zur Verfügung steht, so dass das Heizsystem 3 mit entsprechend höherer Leistung betrieben werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird in der Folge das Heizsystem mit etwa 10A bestromt, so dass dementsprechend auch die zum Zeitpunkt t₂ vorgegebene Solltemperatur (2) wesentlich schneller erreicht wird als bisher. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Solltemperatur bereits zum Zeitpunkt t₃ erreicht, während bisher bis zum Zeitpunkt t₄ mehr als die doppelte Zeit benötigt wird. Die Dynamik des Temperiersystems ist dadurch wesentlich verbessert.
Der Heizer des Heizsystems 3 kann beispielsweise für eine Stromaufnahme von maximal 14 Ampere ausgelegt sein, so dass in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung Temperiersysteme 1 mit unterschiedlichen Anschlussleistungen mit einem solchen Heizer ausgerüstet sein können. Je nach Anschlussleistung wird dabei durch die Regeleinrichtung automatisch der für den Heizer zur Verfügung gestellte Strom unter Berücksichtigung des jeweils maximalen Gesamtaufnahmestromes geregelt. Es kann also ein einheitlicher Heizer für Temperiersysteme mit unterschiedlichen Anschlusswerten eingesetzt werden.

Claims

Temperiereinrichtung, insbesondere zur externen Temperierung in einem Flüssigkeitskreislauf, die eine elektrische Heizvorrichtung (3) sowie weitere elektrische Verbraucher (4, 5) mit variabler Stromaufnahme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommessvorrichtung (8) zur Erfassung der Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung (1) vorgesehen ist, dass die Strommessvorrichtung (8) sowie die elektrischen Verbraucher mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (2) in Steuerverbindung stehen und dass die Steuer- und Regeleinrichtung (2) zur geregelten Bestromung der Heizvorrichtung (3) unter Berücksichtigung der maximalen Gesamtstromaufnahme sowie der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher (4, 5) ausgebildet ist.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessvorrichtung (8) als Effektivwertmessvorrichtung für nichtsinusförmige Ströme ausgebildet ist und einen mit der Steuer- und Regeleinrichtung (2) verbundenen Analogausgang hat.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (2) eine Temperaturregelung für die Heizvorrichtung (3) sowie eine dieser unterlagerte Stromregelung zur Strombegrenzung bei Überschreitung der maximalen Gesamtstromaufnahme der Temperiereinrichtung aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Temperiereinrichtung (1), die zumindest ein elektrisches Heizsystem (3) und als weitere elektrische Verbraucher zumindest ein Kältesystem (4) und ein Pumpensystem (5) aufweist, dadurch ge kennzeichnet, dass das Heizsystem (3) geregelt mit einem Strom, der etwa der Differenz aus dem maximal zulässigen Gesamtaufnahmestrom der Temperiereinrichtung (1) und der Stromaufnahme der weiteren elektrischen Verbraucher (4, 5) entspricht, versorgt wird.