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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät für
eine Kältemaschine, die einen Kältemittelkreislauf
mit einem Verdichter und wenigstens einem schaltbaren Element umfasst,
und zwar insbesondere für eine Kältemaschine mit
einem Linearverdichter, die in einem Hauhaltskältegerät
verwendbar ist.
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Während
bei herkömmlichen rotatorisch angetriebenen Verdichtern
der Kolbenhub durch die Konstruktion des Verdichters fest vorgegeben
ist, ist dies bei einem Linearverdichter in der Regel nicht der Fall.
Linearverdichter umfassen herkömmlicherweise einen in einem
Magnetfeldspalt linear oszillierenden Anker, dessen lineare Bewegung
unmittelbar einen Verdichterkolben antreibt. Der Hub des Ankers
ist abhängig von Stärke und Phase des von Ständer-Elektromagneten
erzeugten, seine Bewegung antreibenden magnetischen Wechselfeldes
sowie der vom Verdichterkolben auf ihn ausgeübten Dämpfung.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muss das Totvolumen so
klein wie möglich gemacht werden, d. h. der obere Totpunkt
des Verdichterkolbens muss in unmittelbarer Nähe einer
Stirnwand einer Verdichterkammer liegen, in der sich der Kolben
bewegt. Ein Anschlagen des Kolbens gegen die Stirnwand muss jedoch
vermieden werden, da dies die Lebensdauer des Verdichters erheblich
beeinträchtigen würde.
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Es
sind bereits diverse Ansätze gemacht worden, um die Amplitude
des Ankers eines solchen Linearverdichters im Betrieb zu überwachen
und zu regeln, um einen brauchbaren Kompromiss zwischen den einander
widerstrebenden Anforderungen zu erreichen, einerseits das Totvolumen
zu minimieren und andererseits ein Anschlagen des Verdichterkolbens
gegen die Stirnwand zu vermeiden.
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In
DE 199 18934 B4 findet
sich der Vorschlag, ein Anschlagen des Verdichterkolbens gegen die
Stirnwand, anstatt es a priori zu unterdrücken, zu erfassen,
um im Falle des Anschlagens den Ankerhub so weit abzuregeln, dass
das Anschlagen vermieden wird. Diese Lösung kann nicht
vollauf befriedigen, da die Gefahr einer Beschädigung des
Verdichters durch das Anschlagen nicht ausgeräumt wird.
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Allen
Ansätzen, den Ankerhub über die Leistungsversorgung
der Ständermagnete zu regeln, ist gemeinsam, dass die Reaktionszeit
des oszillierenden Systems auf eine Änderung wesentlich
länger als die Periode seiner Ankerbewegung ist. Das heißt, wenn
eine Störung auftritt, die zu einer Erhöhung des Ankerhubs
führt, so lässt sich, auch wenn die Störung
sofort erfasst wird und gegengesteuert wird, ein Anschlagen des
Kolbens an die Stirnwand meist nicht verhindern. Vor allem wenn
in einem von einem solchen Verdichter angetriebenen Kältemittelkreislauf
schaltbare Elemente vorhanden sind, deren Schaltzustand den Druckabfall
in dem Kältemittelkreislauf beeinflusst, kann das Schalten
dieser Elemente leicht zu unerwünschten Schwankungen der Ankeramplitude
führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Steuergerät für
eine Kältemaschine, die einen Kältemittelkreislauf
mit einem Verdichter und wenigstens einem schaltbaren Element umfasst,
anzugeben, das die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters durch
Anschlagen infolge von Änderungen des Druckabfalls im Kältemittelkreislauf
auf einfache Weise zu beseitigen oder wenigstens erheblich zu verringern
erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst, indem das Steuergerät für
eine solche Kältemaschine eingerichtet ist, vor jedem Schalten
des Elements ein erstes Steuersignal zum Steuern des Verdichters
auszugeben. Indem dieses Steuersignal rechtzeitig, z. B. mit einem zeitlichen
Vorsprung vor dem Schalten des Elements zur Verfügung gestellt
wird, bleibt genügend Zeit, um den Kolbenhub beim Betrieb
des Verdichters so weit zu reduzieren, dass aus dem Schaltvorgang
zu erwartende Änderungen der Kolbendämpfung oder Druckstöße
nicht mehr zu einem Anschlagen des Kolbens an den Ventilen oder
der Zylinderstirnwand führen können. Zwar ist
durch die Reaktion des Verdichters auf das erste Steuersignal der
Wirkungsgrad des Verdichters stark verringert, doch fällt
dies nicht weiter ins Gewicht, solange die Zeitspanne, in der der Wirkungsgrad
verringert ist, klein ist im Vergleich zur Betriebszeit des Verdichters
unter normalen Betriebsbedingungen. Unter diesen normalen Betriebsbedingungen
ist ein sehr hoher Wirkungsgrad erreichbar, da bei der Festlegung
des oberen Umkehrpunkts der Ankerbewegung kein Sicherheitsabstand zum
Abfangen von durch das Schalten des Elements bedingten Amplitudenschwankungen
des Kolbens vorgesehen werden muss. So kann der Wirkungsgrad des
Verdichters unter normalen Betriebsbedingungen im Vergleich zu herkömmlichen
Linearverdichtern noch gesteigert werden.
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Um
vor dem Schalten des Elements die Schwingung des Ankers ausreichend
abklingen zu lassen oder dämpfen zu können, sollte
das Steuergerät das erste Steuersignal vorzugsweise wenigstens eine
Sekunde, besser noch mehrere Sekunden, vor dem Schalten des Elements
ausgeben.
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Nach
dem Schalten kann ein zweites Steuersignal an den Verdichter ausgegeben
werden, um zu signalisieren, dass der Normalbetrieb wieder aufgenommen
werden soll.
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Bevor
dieses zweite Steuersignal ausgegeben wird, sollten durch das Schalten
des Elements im Kältemittelkreislauf angeregte Druckschwingungen hinreichend
abgeklungen sein; daher wird das zweite Steuersignal vorzugsweise
eine Sekunde, besser mehrere Sekunden nach dem Schalten des Elements
ausgegeben.
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Einer
besonders einfachen Ausgestaltung zu folge ist das erste Steuersignal
ein Verhindern, und das zweite Steuersignal ein Heraufsetzen der
dem Verdichter zugeführten Versorgungsleistung.
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In
einem besonders einfachen Extremfall kann das erste Steuersignal
ein Abschalten und das zweite Steuersignal ein Wiedereinschalten
des Versorgungsstroms des Verdichters sein.
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Vorzugsweise
wird die Versorgungsleistung nicht auf Null herabgesetzt, sondern
nur so weit, wie erforderlich, um die Schwingungsamplitude auf einen sicheren
Wert zu reduzieren, um in Reaktion auf das zweite Signal die hohe
Schwingungsamplitude des Normalbetriebs schnell wieder herstellen
zu können.
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Unabhängig
von der Art des Steuersignals ist das Steuergerät vorzugsweise
eingerichtet, das Element zu schalten, während die Schwingungsamplitude
des Linearverdichters von Null verschieden ist. D. h. auch wenn
das erste Steuersignal langfristig zum Stehenbleiben des Verdichters
führen würde, kann das Element bereits geschaltet
werden, bevor die Schwingung vollständig abgeklungen ist.
So kann die Zeitspanne, in der der Verdichter mit geringem Wirkungsgrad
arbeitet, kurz gehalten werden.
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Wenn
das Steuergerät eingerichtet ist, eine Versorgungswechselspannung
an den Verdichter auszugeben, kann das erste Steuersignal auch ein Phasensprung
der Versorgungswechselspannung sein. Indem durch einen solchen Phasensprung
die Ankerbewegung des Verdichters und die anregenden magnetischen
Felder außer Phase geraten, wirken die magnetischen Felder
eine Zeitlang dämpfend auf die Ankerbewegung, bis sich
Phase der letzteren an die neue Phase der Versorgungswechselspannung angepasst
hat. Ein zweites Steuersignal ist in diesem Falle nicht erforderlich,
da bei Beibehaltung der veränderten Phase die Amplitude
der Ankerbewegung nach einer bestimmten Zeit von alleine wieder
ihren stationären Wert erreicht.
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Ein
Zeitversatz zwischen dem ersten Steuersignal und dem Schalten des
Elements ist hier zweckmäßigerweise so gewählt,
dass das Schalten in etwa zu dem Zeitpunkt stattfindet, an dem die
Amplitude des Ankers minimal ist.
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Insbesondere
wenn der Verdichter einen Sensor zum Erfassen der Ankerposition
oder -amplitude aufweist, kann das Steuergerät zweckmäßigerweise
einen Freigabesignaleingang aufweisen und eingerichtet sein, nach
Ausgabe des ersten Steuersignals erst dann das Element zu schalten,
wenn ein Freigabesignal auf dem Freigabesignaleingang empfangen
wurde. Ein solches Freigabesignal kann vom Ausgangssignal des Sensors
durch eine Steuerschaltung des Verdichters selbst oder eine beliebige andere
Auswerteschaltung abgeleitet sein.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner eine Kältemaschine mit einem Linearverdichter
und einem Steuergerät der oben beschriebenen Art, sowie
ein Haushaltskältegerät, das eine solche Kältemaschine verwendet.
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In
einer solchen Kältemaschine kann das zu schaltende Element
insbesondere ein Schaltventil zum Steuern des Kältemittelflusses
durch einen Verdampfer sein.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Kältemittelkreislaufs eines Haushaltskältegeräts
mit einem Steuergerät gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 einen
exemplarischen zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung der Ständermagnete eines
Linearverdichters; eines Ansteuersignals für ein Magnetventil
des Kältemittelkreislaufs der 1 und der
Ankeramplitude gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung; und
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3 einen
exemplarischen Verlauf der Ankeramplitude gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Kältemittelkreislaufs für
ein Haushaltskältegerät mit einem Linearverdichter 1,
einem an einen Druckanschluss des Linearverdichters 1 angeschlossenen
Verflüssiger 2 und zwei parallel an einen Ausgang
des Verflüssigers 2 über Magnetventile 3, 4 angeschlossenen
Verdampfern 5, 6. Die Verdampfer 5, 6 sind
jeweils an getrennten, auf unterschiedlichen Temperaturen zu haltenden
Fächern eines in der Figur nicht gezeigten Kältegerätegehäuses
angeordnet.
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Ein
Steuergerät 7 für den Linearverdichter 1 ist
hier gegliedert in eine digitale Baugruppe 8 und eine Leistungsbaugruppe 9.
Die digitale Baugruppe 8 kann insbesondere in Form eines
Mikrocontrollers implementiert sein, der neben den im Folgenden
genauer erläuterten Aufgaben der Steuerung des Linearverdichters 1 auch
die Überwachung der Temperatur der von den Verdampfern 5, 6 zu
kühlenden Fächer übernimmt. Die Leistungsbaugruppe 9 umfasst insbesondere
einen Frequenzwandler, der die Ständermagneten des Linearverdichters 1 mit
einer Wechselspannung versorgt, deren Frequenz der Resonanzfrequenz
des Verdichters 1 entspricht. Die von der Leistungsbaugruppe 9 unter
normalen Betriebsbedingungen in den Linearverdichter 1 eingespeiste
elektrische Leistung ist so bemessen, dass dessen Ankeramplitude
knapp unter derjenigen liegt, bei der Verdichterkolben und Stirnwand
des Verdichters aneinander stoßen würden.
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Diese
Leistung kann fest vorgegeben sein und zwei oder drei verschiedene
Werte haben, je nachdem ob das Magnetventil 3, das Magnetventil 4 oder
beide offen sind; vorzugsweise ist sie in einem geschlossenen Regelkreis
anhand einer an dem Linearverdichter 1 gemessenen Ankeramplitude
geregelt. Der stationäre Wert der Amplitude ist so hoch, dass,
wenn bei in Normalbetrieb laufendem Linearverdichter 1 eines
der Ventile 3, 4 geschaltet und insbesondere geöffnet
würde, der Kolben im Linearverdichter 1 anschlagen
würde.
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Die
digitale Baugruppe 8 entscheidet über die Notwendigkeit,
die Magnetventile 3 oder 4 zu schalten, anhand
von in den jeweils zugeordneten Fächern des Kältegerätegehäuses
gemessenen Temperaturen. Anhand von 2 soll exemplarisch der
Fall betrachtet werden, dass bei laufendem Verdichter 1,
offenem Ventil 3 und geschlossenem Ventil 4 die
digitale Baugruppe 8 zum Zeitpunkt t1 Kältebedarf
im Fach des Verdampfers 6 erkennt. In 2 bezeichnet
die Kurve 11 einen von der digitalen Baugruppe 8 an
die Leistungsbaugruppe 9 ausgegebenen Ansteuerpegel (oder
die Amplitude der von der Leistungsbaugruppe 9 an den Linearverdichter 1 ausgegebenen
Wechselspannung), Kurve 12 einen Ansteuerpegel des Magnetventils 4 und
Kurve 13 die Amplitude des Kolbens des Linearverdichters 1.
Eine Gerade 14 repräsentiert den Wert der Kolbenamplitude,
bei dem es zum Anschlag an die Stirnwand des Verdichters kommt.
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Wie 2 zeigt,
besteht ein erstes, zur Zeit t1 an die Leistungsbaugruppe 9 ausgegebenes
Steuersignal aus einem Abfall des Ansteuerpegels 11 auf Null.
Die Leistungsbaugruppe 9 wird abgeschaltet, und die Magnete
des Linearverdichters 1 werden nicht mehr erregt. Die Ankeramplitude
des Verdichters 1 klingt exponentiell ab.
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Wenn
nach einer vorgegebenen Zeit von einigen Sekunden, vorzugsweise
ca. fünf Sekunden, zum Zeitpunkt t2,
die Ankeramplitude so weit abgeklungen ist, dass aus dem Öffnen
des Magnetventils 4 resultierende Druckschwankungen nicht
mehr zum Anschlagen des Kolbens führen können,
schaltet die digitale Baugruppe 8 das Magnetventil 4 auf.
Daraus resultierende Druckschwankungen sind als kleine Zacken der
Kurve 13 erkennbar. Wenn nach wiederum circa fünf
Sekunden Verzögerung, zur Zeit t3,
diese Druckschwankungen mit Sicherheit abgeklungen sind, setzt die
digitale Baugruppe 8 den Ansteuerpegel 11 der
Leistungsbaugruppe 9 wieder hoch, und der Verdichter 1 wird
wieder mit Energie versorgt. Die Schwingungsamplitude 13 wächst
wieder an und nähert sich allmählich dem vor der
Zeit t1 innegehabten stationären
Wert.
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Anstatt
im Zeitintervall t1 bis t3 die
Leistungsbaugruppe 9 auszuschalten, kann es auch sinnvoll sein,
ihre Ausgangsleistung lediglich auf einen von Null verschiedenen
Wert zu reduzieren, um die Amplitude der Ankerschwingung in dieser
Zeit nicht stärker als nötig abklingen zu lassen
und nach t3 den stationären Wert
der Amplitude schnell wieder zu erreichen.
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Wichtig
ist im einen wie im anderen Falle, dass zwischen der von der Leistungsbaugruppe 9 vor t1 ausgegebenen Wechselspannung und der nach
t3 ausgegebenen kein nennenswerter Phasenversatz besteht,
um eine unnötige Dämpfung der Ankerbewegung beim
Wiedereinsetzen der Energieversorgung zur Zeit t3 zu
vermeiden.
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Ein
alternatives Funktionsprinzip wird in 3 anhand
eines exemplarischen zeitlichen Verlaufs der Ankeramplitude 13' erläutert.
Hier reagiert das Steuergerät 7 auf die Erkennung
von Kältebedarf im Verdampfer 6 durch Induzieren
eines Phasensprungs in der von der Leistungsbaugruppe 9 an
den Linearverdichter 1 ausgegebenen Wechselspannung zur
Zeit t1. Die Folge des Phasensprungs ist
eine zeitweilige Verringerung der Ankeramplitude, die so lange anhält,
bis sich die Phase des Ankers an die neue Phase der Versorgungsspannung
angepasst hat. In dieser Zeit durchläuft die Ankeramplitude
ein Minimum, dessen Wert vom Ausmaß des Phasensprungs abhängt.
Wie lange der Linearverdichter 1 benötigt, um
dieses Minimum zu erreichen, kann zum Beispiel empirisch ermittelt
sein. In etwa auf die Zeit dieses Minimums wird der Zeitpunkt t2 des Schaltens des Magnetventils 4 gelegt.
Die durch das Schalten induzierten Druckschwankungen klingen nach
t2 allmählich wieder ab, während
die Ankeramplitude wieder ansteigt und sich allmählich
wieder dem stationären Wert nähert.
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Anstatt
mit vorgegebenen festen Zeitspannen zwischen den Zeitpunkten t1 der Ausgabe des ersten Steuersignals an
die Leistungsbaugruppe 9 bzw. den Verdichter 1 und
dem Schaltzeitpunkt t2 bzw. ggf. zwischen
t2 und der Zeit t3 der
Ausgabe des zweiten Steuersignals zu arbeiten, kann der Ablauf der
Steuerung gemäß 2 oder 3 auch
direkt von der erfassten Amplitude der Ankerschwingung abhängig
gemacht werden. Hierzu ist ein Sensor zum Erfassen der Ankerstellung
des Verdichters 1 mit einem Eingang 10 der digitalen
Baugruppe 8 verbunden. Das vom Sensor an den Eingang gelieferte
Signal kann ein Binärsignal sein, dass anzeigt, ob die Amplitude
des Ankers einen Grenzwert überschreitet oder nicht, oder
es kann ein für die Ankerstellung oder -amplitude repräsentatives
quantitatives Signal sein, aus dem die digitale Baugruppe 8 das
binäre Signal selbst ableitet. Wenn die Amplitude den Grenzwert
unterschreitet, kann diese durch das Schalten des Ventils 4 nicht
so groß werden, dass es zum Anschlagen kommt. Die digitale
Baugruppe 8 wartet daher nach Ausgabe des ersten Steuersignals
ab, bis die Unterschreitung des Grenzwerts festgestellt wird, und
schaltet dann das Ventil 4.
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Im
Falle des Ablaufs der 2 kann das zweite Steuersignal
in einem vorgegebenen Zeitabstand zum Schaltzeitpunkt t2 erzeugt
werden, oder es wird anhand des Signals am Eingang 10 erfasst, wann
die durch das Schalten verursachten Amplitudenschwankungen hinreichend
abgeklungen sind, so dass das zweite Steuersignal ohne Gefahr des
Anschlagens ausgegeben werden kann.
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Das
Erfassungssignal des Ankerstellungssensors kann einer weiteren Ausgestaltung
zufolge in der Leistungsbaugruppe 9 oder einer nicht dargestellten
eigenen Steuerschaltung des Linearverdichters 1 genutzt
werden, um einen geschlossenen Regelkreis zum Regeln der Amplitude
des Linearverdichters 1 zu bilden. In diesem Fall kann
der von der digitalen Baugruppe 8 gelieferte Signalpegel 11 als repräsentativ
für einen Sollwert der Amplitude genutzt werden, d. h.
vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t3 regelt die Leistungsbaugruppe 9 oder
die nicht dargestellte Steuerschaltung des Linearverdichters dessen
Amplitude auf einen niedrigeren Sollwert als davor und danach.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19918934
B4 [0004]
- - DE 102006009271 A1 [0025]
- - DE 102006009232 A1 [0025]
- - DE 102004062307 A1 [0025]
- - DE 102004062303 A1 [0025]