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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer, einem von einem Verdichter angetriebenen Kältemittelkreislauf zum Kühlen der Lagerkammer und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Verdichters anhand einer in der Lagerkammer gemessenen Ist-Temperatur und einer an der Steuereinheit eingestellten Soll-Temperatur.
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Bei herkömmlichen Kältegeräten dieser Art steuert die Steuereinheit den Verdichter durch Ein- und Ausschalten, d. h. der Verdichter wird ausgeschaltet, wenn die Ist-Temperatur um mehr als einen vorgegebenen Differenzbetrag unter der Soll-Temperatur liegt, und er wird wieder eingeschaltet, wenn die Ist-Temperatur um mehr als einen vorgegebenen Differenzbetrag über die Soll-Temperatur hinaus angestiegen ist.
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Die Drehzahl des Verdichters muss in einem solchen Kältegerät so festgelegt sein, dass eine ausreichende Kühlung der Lagerkammer unter allen realistischerweise möglichen Betriebsbedingungen gewährleistet ist, d. h. sie muss groß genug sein, um eine eingestellte, niedrige Soll-Temperatur auch bei hoher Umgebungstemperatur und dementsprechend starkem Wärmezufluss zur Wärmekammer erreichen zu können. Die Kühlleistung, die der Kältemittelkreislauf während des Betriebs des Verdichters freisetzt, ist daher in den allermeisten Fällen erheblich höher, als zum Konstanthalten der Temperatur der Lagerkammer erforderlich ist. Diese schnelle Kühlung führt dazu, dass Teile der Lagerkammer und insbesondere der Verdampfer auf eine deutlich niedrigere Temperatur als die Soll-Temperatur abgekühlt werden, bevor ein Temperaturfühler die Unterschreitung der Soll-Temperatur registriert und die Steuereinheit den Verdichter wieder abschaltet. Je kälter aber ein Verdampfer und dessen unmittelbare Umgebung in der Lagerkammer während des Betriebs des Verdichters werden, umso geringer wird der Wirkungsgrad des Kältemittelkreislaufs, und umso stärker ist der Zustrom von Umgebungswärme zu diesen extrem kalten Bereichen des Kältegeräts. Ein energieeffizientes Kühlen ist es daher nur möglich, wenn keine extrem kalten Bereiche vorhanden sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät bereit zu stellen, das mit extrem niedrigem Energieaufwand in der Lage ist, die Lagerkammer auf der Soll-Temperatur zu halten.
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Die Aufgabe wird erreicht, indem bei einem Kältegerät mit einer Lagerkammer, einem von einem Verdichter angetriebenen Kältemittelkreislauf zum Kühlen der Lagerkammer und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Verdichters anhand einer in der Lagerkammer gemessenen Ist-Temperatur und einer an der Steuereinheit eingestellten Soll-Temperatur die Steuereinheit eingerichtet ist, die Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur zwischen mehreren nicht verschwindenden Werten zu variieren. Die Variabilität der Drehzahl erlaubt es, den Kältemitteldurchsatz und damit die verfügbare Kühlleistung exakt an den Bedarf des Kältegeräts anzupassen. Auf diese Weise kann eine weitgehend stationäre Temperaturverteilung im Kältegerät erhalten werden, die frei ist von stark unterkühlten und dementsprechend nur mit hohem Energieaufwand kalt zu haltenden Bereichen.
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Um die Kühlleistung des Kältemittelkreislaufs an veränderliche Umgebungstemperaturen anzupassen, ist die Steuereinheit zweckmäßigerweise eingerichtet, die Drehzahl des Verdichters zu erhöhen, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur um mehr als einen vorgegebenen ersten Differenzbetrag überschreitet. So kann zum Beispiel der Tatsache, dass eine erhöhte Umgebungstemperatur zu einem verstärkten Wärmezustrom in die Lagerkammer führt, der die gegenwärtige Kühlleistung des Kältemittelkreislaufs übersteigt, durch eine Erhöhung der Kühlleistung Rechnung getragen werden.
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Um die stationäre Temperaturverteilung in dem Kältegerät möglichst wenig zu beeinträchtigen, sollte die Drehzahlerhöhung an sich so gering wie möglich sein. Andererseits muss sichergestellt sein, dass ein verstärkter Wärmezustrom tatsächlich durch eine ausreichende Kühlleistung kompensiert werden kann. Um beide Anforderungen miteinander zu vereinbaren, kann vorgesehen werden, dass die Steuereinheit die Drehzahl in sukzessiven Inkrementen so lange erhöht, bis die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur nicht mehr um mehr als besagten ersten Differenzbetrag überschreitet.
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Bevorzugt wir die Drehzahl des Verdichters nach Erreichen der Solltemperatur im Kühlfach um einen Sollwert geregelt, um die Solltemperatur innerhalb vorgegebener Temperaturgrenzen zu halten.
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Im einfachsten Fall sind die Inkremente fest vorgegeben und untereinander gleich.
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Um starke Schwankungen der Ist-Temperatur, insbesondere starke oder lang anhaltende Überschreitungen der Soll-Temperatur, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln in der Lagerkammer möglicherweise beeinträchtigen können, zu vermeiden, kann die Steuereinheit zweckmäßigerweise eingerichtet sein, die Anstiegsgeschwindigkeit der Ist-Temperatur abzuschätzen und die Größe eines Inkrements, um das die Drehzahl erhöht wird, anhand der Anstiegsgeschwindigkeit festzulegen. Indem folglich bei einem schnellen Temperaturanstieg ein stärkeres Inkrement gewählt wird als bei einem langsamen Temperaturanstieg, kann die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass ein einziges Drehzahlinkrement ausreicht, um den Anstieg der Ist-Temperatur zu beenden.
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Ein solche Inkrementierung der Drehzahl ist auch dann vorteilhaft, wenn die Ist-Temperatur nicht durch einen erhöhten Wärmezufluss von außen durch das Gehäuse des Kältegeräts aufgrund erhöhter Umgebungstemperatur verursacht ist, sondern zum Beispiel durch Einlagerung einer großen Menge von abzukühlendem Kühlgut in der Lagerkammer. Indem auch in einem solchen Fall die Drehzahl heraufgesetzt wird, kann eine herkömmlicherweise nur durch Benutzereingabe aktivierte Schnellkühlfunktion vollautomatisch implementiert werden.
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Eine andere einfache Möglichkeit ist, die Drehzahl einfach auf einen Maximalwert einzustellen, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur um mehr als einen vorgegebenen zweiten Differenzbetrag überschreitet, der größer als der erste Differenzbetrag ist.
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Genauso wie einer erhöhten Wärmezufuhr sollte die Steuereinheit auch einer verminderten Wärmezufuhr automatisch Rechnung tragen können. Zu diesem Zweck ist sie vorzugsweise eingerichtet, die Drehzahl des Verdichters zu senken, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur um mehr als einen vorgegebenen zulässigen dritten Differenzbetrag unterschreitet.
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Auch die Senkung der Drehzahl kann in Form von sukzessiven Dekrementen stattfinden.
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Die Dekremente können untereinander gleich und/oder zu den oben erwähnten Inkrementen entgegengesetzt gleich sein.
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Eine solche Verringerung der Verdichterdrehzahl kann bei laufendem Verdichter erfolgen.
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Einer alternativen Ausgestaltung zufolge erfolgt die Verringerung der Drehzahl, indem die Steuereinheit, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur um mehr als den dritten Differenzbetrag unterschreitet, den Verdichter zunächst ausschaltet und ihn nach Wiederanstieg der Temperatur mit einer niedrigeren Drehzahl als vor dem Ausschalten betreibt.
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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 Kältegeräts, an dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist;
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2 ein Flussdiagramm eines von einer Steuereinheit des Kältegeräts der 1 ausgeführten Arbeitsverfahrens;
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3 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausgestaltung des Arbeitsverfahrens;
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4 ein Flussdiagramm einer dritten Ausgestaltung;
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5 ein Flussdiagramm einer vierten Ausgestaltung; und
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6 ein Flussdiagramm einer fünften Ausgestaltung des Arbeitsverfahrens.
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Die Struktur des in 1 gezeigten Haushaltskältegeräts ist an sich bekannt und kann knapp erläutert werden. Ein Kältemittelkreislauf umfasst einen Verdichter 1, einen Verflüssiger 2, der von durch den Verdichter 1 verdichtetem Kältemittel durchflossen wird und dessen Wärme an die Umgebung abgibt, eine Kapillare 3 und einen Verdampfer 4 in welchem das beim Durchgang durch die Kapillare 3 entspannte Kältemittel wieder verdampft und der in engem thermischen Kontakt mit einer wärmeisolierten Lagerkammer 5 des Kältegeräts steht.
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Eine elektronische Steuereinheit 6 steuert den Betrieb des Verdichters 1 anhand einer vom Benutzer eingestellten Soll-Temperatur Ts und einer von einem Temperaturfühler 7 in der Lagerkammer 5 gemessenen Ist-Temperatur T.
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2 zeigt Flussdiagramm einer ersten Ausgestaltung eines von der Steuereinheit 6 ausgeführten Arbeitsverfahrens.
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Beim Einschalten des Kältegeräts initialisiert in Schritt S1 die Steuereinheit 6 den Verdichter 1 mit einer in Abhängigkeit von der von einem Benutzer an der Steuereinheit 6 eingestellten Soll-Temperatur Ts vorgegebenen Drehzahl n(T).
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Die Ist-Temperatur T wird in Schritt S2 gemessen und in Schritt S3 mit einer ersten Grenztemperatur verglichen, die um einen positiven Wert ε1 höher als Ts ist. Falls diese erste Grenztemperatur Ts + ε1 überschritten ist, wird in Schritt S4 geprüft, ob ein interner Zeitgeber der Steuereinheit 6 aktiv ist oder nicht. Beim Start des Kältegeräts ist dies nicht der Fall, und das Verfahren geht über zu Schritt S5, wo die Drehzahl des Verdichters 1 um einen festen Wert inkrementiert wird. Anschließend wird in Schritt S6 der oben erwähnte Zeitgeber in Gang gesetzt, und das Verfahren kehrt zu Schritt S2 zurück.
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Anschließend werden die Schritte S2 bis S4 so lange in einer Endlosschleife durchlaufen, bis entweder der Zeitgeber abgelaufen ist oder die Ist-Temperatur T unter den ersten Grenzwert Ts + ε1 gefallen ist. In ersterem Falle wird die Drehzahl noch einmal in Schritt S5 um das Inkrement erhöht, und der Zeitgeber wird in Schritt S6 erneut gestartet, um zu gewährleisten, dass die nächste Inkrementierung der Drehzahl gegebenenfalls erst nach der vom Zeitgeber vorgegebenen Verzögerungszeit erfolgen kann. Auf diese Weise wird die Kühlleistung des Kältemittelkreislaufs Schritt für Schritt gesteigert, bis sie schließlich ausreicht, um die Temperatur T der Lagerkammer unter der ersten Grenztemperatur Ts + ε1 zu halten.
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Wenn diese Grenztemperatur Ts + ε1 unterschritten ist, geht das Verfahren von Schritt S3 über nach Schritt S7, wo ein Vergleich mit einer zweiten Grenztemperatur stattfindet, die um einen positiven Wert ε2 niedriger als die Soll-Temperatur Ts ist. Wenn die Ist-Temperatur T über dieser zweiten Grenztemperatur Ts – ε2 liegt, besteht keine Notwendigkeit, die Kühlleistung anzupassen, und das Verfahren kehrt zu Schritt S2 zurück. Anderenfalls wird wiederum geprüft, ob der Zeitgeber eingeschaltet ist (S8). Wenn die zweite Grenztemperatur Ts – ε2 seit dem Einschalten des Geräts zum ersten Mal unterschritten ist, ist dies nicht der Fall, und das Verfahren verzweigt zu S9, wo die Drehzahl n um ein vorgegebenes Dekrement verringert wird, und zu Schritt S10, in welchem der Zeitgeber gestartet wird. Von dort kehrt das Verfahren wiederum zu Schritt S2 zurück, und es folgt eine Endlosschleife der Schritte S2, S3, S7, S8. Diese können entweder nach Ablauf des Zeitgebers für eine neuerliche Dekrementierung der Drehzahl unterbrochen werden, falls die Kühlleistung immer noch stark genug ist, um die Temperatur T der Lagerkammer unterhalb Ts – ε2 zu halten. Sobald Ts – ε2 wieder überschritten ist, wird die Drehzahl nicht mehr dekrementiert. Es ist nun ein pseudostationärer Zustand erreicht, in dem der Verdichter 1 ohne Unterbrechung arbeitet, die Temperatur T zwischen Ts + ε1 und Ts – ε2 oszilliert und die Drehzahl n des Verdichters 1 jeweils bei Erreichen einer dieser beiden Grenztemperaturen inkrementiert beziehungsweise dekrementiert wird. Das Inkrement bzw. Dekrement ist ein kleiner Bruchteil der Drehzahl n, so dass die Drehzahländerung sich auf die Temperaturverteilung im Kältegerät nicht merklich auswirkt. Es gibt daher keine Bereiche im Kältegerät, die zeitweilig stärker abgekühlt werden, als notwendig ist, um die Temperatur T dauerhaft im Sollbereich zwischen Ts – ε2 und Ts + ε1 zu halten.
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Das Verfahren gemäß der in 3 gezeigten zweiten Ausgestaltung beginnt bei Einschalten des Gerätes in Schritt S11 mit der Festlegung der Verdichterdrehzahl n in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur Ts, allerdings wird der Verdichter 1 noch nicht notwendigerweise mit dieser Drehzahl in Gang gesetzt. Im Schritt S12 wird die Ist-Temperatur T der Lagerkammer gemessen und in Schritt S13 mit der Soll-Temperatur Ts verglichen. Bei Überschreitung der Soll-Temperatur Ts wird der Verdichter 1 mit der zuvor festgelegten Drehzahl n im Schritt S14 eingeschaltet.
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Anschließend wird in Schritt S15 geprüft, ob die Ist-Temperatur T um mehr als einen vorgegebenen positiven Wert ε1 über Ts liegt. Wenn ja, vor allem, wenn dies im laufenden Betrieb des Kältegeräts geschieht, ist dies ein Indiz für eine unzureichende Leistung des Verdichters 1. In diesem Fall wird, wie mit Bezug auf 2 für die Schritte S4 bis S6 beschrieben, zunächst geprüft, ob ein Zeitgeber eingeschaltet ist oder nicht. Nur wenn er nicht eingeschaltet ist, wird die Drehzahl in Schritt S5 inkrementiert und anschließend in Schritt S6 der Zeitgeber gestartet.
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Wenn hingegen in S15 festgestellt wurde, dass die Temperatur T unter Ts + ε1 liegt, wird sie in Schritt S16 mit Ts – ε2 verglichen, wobei wie oben ε2 ebenfalls ein vorgegebener positiver Wert ist. Wenn T über dieser Grenztemperatur liegt, kehrt das Verfahren zu Schritt S12 zurück. Anderenfalls wird geprüft (S17), ob der Zeitgeber eingeschaltet ist. Wenn ja, kehrt das Verfahren ebenfalls zu Schritt S12 zurück. Wenn nein, wird der Verdichter ausgeschaltet (S18), die Soll-Drehzahl n des Verdichters 1 wird dekrementiert (S19), und der Zeitgeber wird gestartet (S20).
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Bei ausgeschaltetem Verdichter 1 erwärmt sich die Lagerkammer 5 wieder, so dass nach einigen Wiederholungen des Verfahrens in Schritt S13 eine Überschreitung der Soll-Temperatur Ts festgestellt und in Schritt S14 der Verdichter wieder eingeschaltet wird, diesmal mit der zuvor in S19 dekrementierten Soll-Drehzahl n.
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Auch bei diesem Verfahren oszilliert im stationären Regime die Drehzahl des Verdichters 1 fortwährend um den Wert, bei dem der Kältemittelkreislauf den Wärmezufluss zur Lagerkammer 5 exakt ausgleicht.
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Je kleiner die Schrittweite ist, um die die Drehzahl n in den Schritten S5, S9 bzw. S19 inkrementiert beziehungsweise dekrementiert wird ist, um so genauer kann die Verdichterdrehzahl n an den tatsächlich benötigten Wert angepasst werden, um so größer ist jedoch auch die Zahl der dafür erforderlichen Inkrement- oder Dekrementschritte, so dass die bis zum Erreichen eines stationären Regimes verstreichende Zeit lang werden kann. Wenn die Temperatur der Umgebung, in der das Kältegerät aufgestellt ist, tageszeitlich schwankt, kann eine zu lange Anpassungszeit dazu führen, dass das stationäre Regime nie erreicht wird. Hier schafft das mit Bezug auf 4 beschriebene Arbeitsverfahren Abhilfe. Die Schritte S11 bis S20 dieses Verfahrens sind die gleichen wie mit Bezug auf 3 beschrieben und brauchen nicht erneut erläutert zu werden. Wenn in Schritt S13 festgestellt wird, dass die Ist-Temperatur T der Lagerkammer 5 um mehr als ε1 über der Soll-Temperatur Ts liegt, dann wird diesem Verfahren zufolge zunächst in Schritt S21 anhand von den früheren Iterationen des Verfahrens gewonnener und gespeicherter Messwerte der Temperatur T und des bei der letzten Ausführung des Schritts S12 gemessenen Temperatur T eine Änderungsgeschwindigkeit dT/dt der Ist-Temperatur T berechnet. Ein schneller Anstieg der Ist-Temperatur T weist darauf hin, dass eine starke Erhöhung der Verdichterdrehzahl n erforderlich ist. Dementsprechend wird in Schritt S22 ein Drehzahlinkrement Δn anhand einer vorgegebenen, monoton steigenden Funktion von dT/dt festgelegt, und in Schritt S23 wird die Drehzahl n um das so ermittelte Inkrement Δn heraufgesetzt. Auch hier kann durch Überprüfen und Ingangsetzen eines Zeitgebers (S4, S6) verhindert werden, dass eine neuerliche Drehzahlheraufsetzung vorgenommen wird, bevor die vorhergehende Zeit gehabt hat, sich auf die Temperatur T auszuwirken.
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Um eine bedarfsgerechte schnelle Abkühlung der Lagerkammer 5 nach dem Einschalten des Kältegeräts oder nach dem Einlagern einer großen Menge warmen Kühlguts in die Lagerkammer zu erreichen, kann zwischen die Schritte S3 und S4 oder S15 und S4, wie beispielhaft in 5 anhand einer Weiterbildung des Verfahrens von 3 gezeigt, ein Schritt S24 eingeschoben werden, in welchem geprüft wird, ob die Ist-Temperatur um mehr als einen Wert ε3, der größer als ε1 ist, über der Soll-Temperatur Ts liegt. Wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt S26 die Drehzahl n sofort auf den höchsten Wert nmax heraufgesetzt, für den der Verdichter 1 spezifiziert ist, und der Verdichter 1 läuft mit dieser Drehzahl nmax so lange, bis in S16 die Unterschreitung von Ts – ε2 festgestellt wird.
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Eine solche starke Heraufsetzung der Drehzahl macht bei den oben beschriebenen Verfahren eine lange Nachregelzeit erforderlich, bis die Drehzahl n wieder einen im Wesentlichen stationären Wert erreicht. Abhilfe schafft das Verfahren nach 6, das wiederum eine Weiterbildung des Verfahrens nach 5 darstellt. Hier ist zwischen die Schritte S24 und S26 ein Schritt S25 des Abspeicherns des bisherigen Werts der Drehzahl n eingeschoben, und falls Schritt S16 eine Unterschreitung von Ts – ε2 festgestellt wird, folgt eine Überprüfung (S27), ob die aktuelle Drehzahl nmax ist. Wenn nicht, geht das Verfahren direkt zu S17 über, wenn doch, dann wird vorher in Schritt S28 die Drehzahl n auf den in S25 gespeicherten Wert gesetzt.
