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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines einen Motor aufweisenden Verdichters einer Kälteanlage sowie eine Kälteanlage.
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Bei herkömmlichen Kälteanlagen ist neben dem Verdichter ein Regler zur Ermittlung des aktuellen Kältebedarfs einer Kühlstelle vorgesehen. Stellt der Regler einen erhöhten Kühlbedarf fest, wird der Verdichter vom Regler im Sinne einer Leistungserhöhung angesteuert. Weiterhin ist es bekannt, die Kälteanlage mit einer Motorschutzschaltung auszustatten, um wenigstens einen den Betrieb des Verdichters charakterisierenden Parameters, beispielsweise die Wicklungstemperatur des Motors, zu überwachen, wobei ein Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle zum Abschalten des Verdichters führt.
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Eine solche Motorschutzschaltung ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 052 042 A1 bekannt. Die Auslösung des Motorschutzes bedeutet aber eine zwangsläufige Unterbrechung des Kältekreises und kann daher erhebliche Folgen haben. Darüber hinaus ist ein Neustart (automatisch oder manuell) mit der Verunsicherung über die Ursache der Auslösung verbunden. Manche Hersteller von Verdichtern lassen einen weiteren Betrieb des Verdichters in einem derartigen Fall erst dann zu, wenn die Ursache geklärt bzw. behoben ist. Eine solche Abschaltung ist dann besonders ärgerlich, wenn kein tatsächlicher Komponentendefekt bzw. keine Funktionsstörung im System vorliegt und die Abschaltung nur durch einen erhöhten Bedarf der Kühlstelle erfolgt ist.
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In der
DE 10 2005 052 042 A1 wurde daher vorgeschlagen, dass bei einer Leistungssteuerung des Verdichters der aktuelle Betriebszustand des Verdichters berücksichtigt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass eine weitere Leistungssteigerung eingeleitet wird, obwohl der Verdichter kurz vor der Abschaltschwelle betrieben wird.
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Aus der
DE 10 2004 048 940 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Leistung eines Kälteanlagen-Verdichters bekannt, wo der Verdichter eine pneumatische oder hydraulische Servoeinrichtung zur intermittierenden Unterbrechung der Zufuhr von Kältemittel zu einem Saugraum aufweist. Ferner weist der Verdichter einen Regler auf, durch den zur Regelung der intermittierenden Unterbrechung der Kältemittelzufuhr ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal für die pneumatische oder hydraulische Servoeinrichtung erzeugbar ist. Das Tast-Pausen-Verhältnis zur Ansteuerung der pneumatischen oder hydraulischen Servoeinrichtung kann dabei an den Bedarf der Kühlstelle angepasst werden.
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Aus der
DE 699 28 055 T2 und der
US 2009/0205349 A1 sind Verdichter bekannt, die den Kühlmittelfluss über ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal regulieren. In der
US 6,925,823 B2 wird vorgeschlagen, den Verdichter bei Erreichen bei Erreichen eines ersten Systemzustandes mit reduzierter Last zu fahren und erst bei Erreichen eines zweiten Systemzustands abzuschalten, um den Abschaltzeitpunkt hinauszuzögern. Die
DE 100 64 218 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Kühlgerätes mit mindestens einem Verdichter und mindestens zwei getrennten Kühlräumen für unterschiedliche Temperaturen.
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In der
EP 1 710 435 B1 wird eine Steuerung zur Ansteuerung der Ventile auf der Eingangsseite des Verdichters beschrieben, die ein Öffnungsintervall oder ein Schließintervall erzeugt. Zusammen bilden die beiden Intervalle das Schaltintervall, wobei das Schaltintervall dabei kleiner als die kürzeste Zeitdauer sein soll, innerhalb derer die Temperatur am Verdampfer in der Kälteanlage bei Unterbrechung des Einlassstroms um 10% steigt.
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Das getaktete Öffnen und Schließen des Ventils hat jedoch auch den Nachteil, dass der Kältemittelstrom, der üblicherweise durch den Motor strömt und diesen kühlt entsprechend reduziert wird. Hierdurch wird die Kühlung des Motors im Verdichter verschlechtert, was das Risiko einer Abschaltung des Motors durch die Motorschutzschaltung wahrscheinlicher macht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Regelung des Verdichters einer Kälteanlage bzw. eine Kälteanlage mit einem Verdichter dahingehend zu verbessern, dass das Ansprechen der Motorschutzschaltung weiter hinausgezögert oder verhindert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird das Schaltsignal für das Ventil nicht nur in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle angepasst, sondern es wird auch mindestens eine Temperatur im Verdichter berücksichtigt, um einem vorzeitigen Abschalten des Verdichters durch Anspringen der Motorschutzschaltung vorzubeugen. In der
DE 10 2005 052 042 A1 wurde ebenfalls eine Temperatur im Verdichter gemessen, wobei der übliche Regelalgorithmus ab einer gewissen Temperaturschwelle außer Kraft gesetzt wurde. Weiterhin wurde vorgeschlagen, dass die Leistung des Verdichters unabhängig vom Bedarf zurückgefahren werden kann, wenn sich der Verdichter in dem vorgegebenen kritischen Betriebszustand befindet, um das vorzeitige Ansprechen des Verdichterschutzgerätes zu verhindern.
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Die Verbesserung der Erfindung besteht nun darin, dass bei Erreichen einer oberen Temperaturschwelle ein gezielter Ein-Ausschaltbetrieb des Motors des Verdichters eingesetzt wird, indem der Motor für eine vorgegebene oder einstellbare erste Zeitspanne von beispielsweise 12 min ausgeschaltet und dann für eine vorgegebene oder einstellbare zweite Zeitspanne von beispielsweise 5 min eingeschaltet wird, wobei dieser Abschaltbetrieb solange aufrechterhalten wird, bis eine untere Temperaturschwelle erreicht wird. Die Ein- bzw. Ausschaltdauer ist abhängig von der Sollwertvorgabe und den zulässigen Betriebesparametern (Mindestlaufzeit, Zulässige Anzahl der Starts pro Stunde etc.) des Kältemittelverdichters. Durch diese Maßnahme kann während der Einschaltphase weiterhin ein gewisser Kältemittelstrom aufrechterhalten werden. Eine durch einen erhöhten Kältebedarf der Kühlstelle bedingte Abschaltung des Verdichters durch eine Motorschutzschaltung kann dadurch in den meisten Fällen zuverlässig vermieden werden. Sobald sich der Verdichter bis auf eine untere Temperaturschwelle abgekühlt hat, kann dann wieder der kontinuierliche Betrieb mit einem kontinuierlich eingeschalteten Motor durch getaktetes Öffnen und Schließen des Ventils erfolgen.
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Durch die obigen Maßnahmen kann das Ansprechen der Motorschutzschaltung bei den meisten Anwendungsfällen, die durch einen erhöhten Kältebedarf bedingt sind, zuverlässig vermieden werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Schaltsignal des Ventils um ein pulsweitenmoduliertes Signal. Außerdem wird der Motor im Ein- bzw. Ausschaltbetrieb periodisch ein- und ausgeschaltet.
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Das Schaltsignal weist vorzugsweise ein einstellbares Tast-Pausen-Verhältnis auf, wobei die Steuerung das Verhältnis in Abhängigkeit der Stellgröße und der gemessenen Temperatur im Verdichter einstellt. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Tast-Pausen-Verhältnis des Schaltsignals beim Wechsel vom kontinuierlichen Betrieb des Motors in den Ein-Ausschaltbetrieb des Motors und umgekehrt in einem vorgegebenen Umschaltzeitraum kontinuierlich verschoben wird.
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Die Temperatur im Verdichter kann insbesondere durch eine Messung der Wicklungstemperatur des Motors oder durch Messung der Temperatur eines im Verdichter verdichteten Heißgases ermittelt werden. Dabei kann insbesondere eine Sensorschaltung mit wenigstens einem, vorzugsweise mehreren PTC-Sensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen Ansprechtemperaturen oder aber ein linearer Temperatursensor, dessen Ausgangssignal in mehrere Abschnitte unterteilt wird, zur Anwendung kommen.
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Der Motor wird darüber hinaus vorzugsweise mit einer Motorschutzschaltung betrieben, die den Motor abschaltet, wenn eine obere Grenztemperatur des Motors erreicht wird, wobei die obere Temperaturschwelle, bei welcher der Motor in den Ein-Ausschaltbetrieb wechselt, unterhalb der oberen Grenztemperatur liegt. Je nach Lage des Ventils wird dieses im Ein-Ausschaltbetrieb des Motors entweder völlig geöffnet oder geschlossen. Befindet sich das Ventil auf der Saugseite des Verdichters, wird es sich im Ein-Ausschaltbetrieb des Motors im völlig geöffneten Zustand befinden. Ist das Ventil hingegen in einem Bypass des Verdichters vorgesehen, wird dieses während des Ein-Ausschaltbetriebes des Motors geschlossenen sein.
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Die Steuerung kann ferner einen Filter aufweisen, der sich abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße automatisch verändert, um Schwingneigungen zu unterdrücken.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung einer Kälteanlage mit einem im Bypass angeordneten Ventil,
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2 eine Prinzipdarstellung einer Kälteanlage mit einem auf der Saugseite angeordneten Ventil,
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3 ein schematisches Blockschaltbild der Kälteanlage mit Steuerung und Regler,
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4 Kennlinie des Tast-Pausen-Verhältnisses des pulsweitenmodulierten Signals in Abhängigkeit der Stellgröße und
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5 verschiedene Kennlinien während des kontinuierlichen Betriebs und des Ein-Ausschaltbetrieb des Motors,
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Die in 1 schematisch dargestellte Kälteanlage besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter 1, einem Verflüssiger 2, einem Sammler 3, einem Expansionsventil 4 und einem Verdampfer 5. Im Verdichter 1, der beispielsweise als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, wird dampfförmiges Kältemittel angesaugt und verdichtet. Im nachfolgenden Verflüssiger wird das Kältemittel kondensiert und gelangt über den Sammler 3 zum Expansionsventil 4, wo es entspannt wird. Bei der Expansion nimmt der Kältemitteldruck ab, sodass das Kältemittel abkühlt und teilweise verdampft. Im Verdampfer 5 der im Bereich einer Kühlstelle 6 angeordnet ist, nimmt das Kältemittel durch Verdampfen die Wärme von der Kühlstelle auf. Der Verdichter 1 saugt das verdampfte Kältemittel wieder an, sodass der Kältemittelkreislauf geschlossen ist. Der Kältemittelstrom wird mit Hilfe eines am oder im Verdichter angeordneten Ventils 7 in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 gesteuert.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Ventil 7 in einem Bypass 1b angeordnet, sodass der Kältemittelstrom im Kältemittelkreislauf durch Schließen des Ventils 7 erhöht und durch Öffnen des Ventils 7 verringert werden kann.
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Anstelle der Anordnung des Ventils 7 in einer Bypassleitung zum Verdichter kann das Ventil auch direkt in den Kältemittelkreislauf eingebunden werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt, wo das Ventil 7' auf der Saugseite des Verdichters 1, d. h. zwischen Verdampfer 5 und Verdichter 1, angeordnet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel dient des Ventils 7' zur Regulierung des Kältemittelstroms durch den Verdichter 1. Da dieses Ventil jedoch direkt in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist, führt ein Öffnen des Ventils zu einer Erhöhung des Kältemittelstroms und ein Schließen zu einer Verringerung des Kältemittelstroms.
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Bei den Darstellungen der 1 und 2 handelt es sich um Prinzipdarstellungen. In der Regel werden die Ventile direkt im Verdichter integriert, da dieses energetische Vorteile bietet. Die Ventile 7 bzw. 7' beeinflussen oftmals nicht den kompletten Kältemittelstrom durch den Verdichter sondern nur Teilströme z. B. durch einzelne Zylinder bzw. Zylinderbänke.
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Die Steuerung des Kältemittelstroms durch den Verdichter in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 wird im Folgenden anhand des Blockschaltbilds der 3 näher erläutert. Hierzu ist ein Regler 8 zur Erzeugung einer Stellgröße 9 in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 vorgesehen. Über eine nicht näher dargestellte Messeinrichtung wird beispielsweise die Ist-Temperatur der Kühlstelle 6 mit einer Soll-Temperatur verglichen. Eine etwaige Abweichung 10 wird dem Regler 8 zugeführt, der nach einem vorgegebenen Algorithmus eine Stellgröße 9 erzeugt, die an eine Steuerung 11 weiterleitet wird, wo die dem Kältebedarf der Kühlstelle 6 entsprechende Stellgröße 9 in ein oder mehrere Schaltsignal(e) 12 für das/die Ventil(e) 7, 7', 17, 17'... umgesetzt wird.
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Der Verdichter
1, der beispielsweise als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, weist wenigstens einen Motor
1a auf, der sich entsprechend der zu verrichtenden Arbeit erwärmt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichter
1 so konstruiert, dass das durch den Verdichter strömende Kältemittel gleichzeitig auch zur Kühlung des Motors genutzt wird. Dennoch kann die Temperatur im Verdichter Werte erreichen, die eine weitere Erhöhung der Leistung nicht mehr ermöglichen und bei einem weiteren Ansteigen der Temperatur eine Motorschutzschaltung auslösen, die ein Abstellen des Motors bewirkt. Es ist daher erforderlich, dass eine Temperatur im Verdichter über eine geeignete Sensorschaltung
13 ermittelt und ein entsprechendes Temperatursignal
14 zur Steuerung
11 geleitet wird. Bei der Sensorschaltung
13 kann es sich beispielsweise um einen Sensor zur Messung der Wicklungstemperatur des Motors
1 handeln. Die Sensorschaltung kann hierfür beispielsweise durch wenigstens einen, vorzugsweise mehrere PTC-Sensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen Ansprechtemperaturen oder aber durch einen linearen Temperatursensor, dessen Ausgangssignal in mehrere Abschnitte unterteilt wird, gebildet werden. Eine hierfür geeignete Sensorschaltung ist beispielsweise der
EP 2 187 494 A1 zu entnehmen.
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Anstelle der Sensorschaltung
13 oder zusätzlich zu dieser kann eine Sensorschaltung
15 vorgesehen werden, mit der die Temperatur des im Verdichter verdichteten Heißgases ermittelt wird. Ein entsprechendes Temperatursignal
16 wird ebenfalls der Steuerung
11 zugeleitet. Die Steuerung
11 kann eine Motorschutzschaltung
1c enthalten, die den Motor
1a abschaltet, wenn eine obere Grenztemperatur T3, gemessen durch wenigstens eine der Sensorschaltungen
13,
15, erreicht wird. Nähere Ausführungen zu einer derartigen Motorschutzschaltung sind ebenfalls der
EP 2 187 494 A1 zu entnehmen. Das Erreichen der Grenztemperatur T3 und das damit bedingte Abschalten des Verdichters führt dazu, dass die Kühlstelle
6 nicht weiter gekühlt wird, bis die Ursache für das Abschalten gefunden und der Verdichter erneut gestartet wird.
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Das Schaltsignal 12 wird vorzugsweise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) gebildet, wobei das Tast-Pausen-Verhältnis (ED) also das Verhältnis der Phasen, in denen das Ventil geöffnet bzw. geschlossen ist, in Abhängigkeit der Stellgröße 9 eingestellt wird. Dabei ist zu beachten, dass das Tast-Pausen-Verhältnis natürlich von der Anordnung des anzusteuernden Ventils (Bypass oder Saugseite) abhängig ist.
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4 zeigt ein mögliches Tast-Pausen-Verhältnis ED des PWM-Signals in Abhängigkeit der Stellgröße 9. Dabei bedeutet ein Tast-Pausen-Verhältnis (ED) = 0, dass das im Bypass angeordnete Ventil 7 ganz geschlossen ist oder das saugseitig angeordnete Ventil 7' ganz geöffnet ist. Beim Tast-Pausen-Verhältnis von 1 ist das Ventil 7 ganz geöffnet bzw. das Ventil 7' komplett geschlossen. Befindet sich das Tast-Pausen-Verhältnis in einem Bereich zwischen 0 und 1 ist das Ventil während einer Periode von beispielsweise 20 Sekunden einen Teil der Periode geöffnet und den anderen Teil geschlossen. Eine solche Regelung kann jedoch dazu führen, dass die Temperatur im Verdichter bis zur Grenztemperatur T3 ansteigt, bei der die Motorschutzschaltung anspricht.
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Um diese Situation zumindest in den meisten Fällen zu vermeiden, wird der Verdichter nicht ausschließlich im kontinuierlichen Betrieb betrieben, bei dem der Motor kontinuierlich eingeschaltet ist und ein getaktetes Öffnen und Schließen des Ventils gemäß dem Schaltsignal 12 erfolgt. Es ist vielmehr vorgesehen, dass bei Erreichen einer oberen Temperaturschwelle T2, die noch unterhalb der Grenztemperatur T3 liegt, ein Ein-Ausschaltbetrieb des Motors vorgesehen wird. Im Ein-Ausschaltbetrieb wird der Motor periodisch für eine vorgegebene Zeitspanne von beispielsweise 10 min abgeschaltet und dann für eine vorgegebene zweite Dauer wieder eingeschaltet. Das Tast-Pausen-Verhältnis des Ventils ist dabei während der Einschaltphase so eingestellt, dass ein maximaler Kältemittelstrom durch den Verdichter fließt. Dieser Ein-Ausschaltbetrieb des Motors wird solange durchgeführt, bis sich der Motor auf eine untere Temperaturschwelle T0 abgekühlt hat. Ab dann kann wieder der kontinuierliche Betrieb mit kontinuierlich eingeschaltetem Motor und getaktetem Öffnen und Schließen des Ventils erfolgen.
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In 5 sind vier für das Verfahren zur Regelung des Motors 1a des Verdichters 1 charakteristische Kennlinien über die Zeit aufgetragen. Von oben nach unten sind die Stellgröße 9, die Betriebsweise des Motors, das Tast-Pausen-Verhältnis des Ventils 7' der 2 sowie das Temperatursignal T14 oder T16. Die Stellgröße 9 der obersten Kennlinie zeigt im Abschnitt A nach dem Anschalten der Kühlung im Bereich der Kühlstelle 6 eine maximale Stellgröße (100%), die eine maximale Leistung des Verdichters erfordert. Der Motor gemäß der zweiten Kennlinie ist daher eingeschaltet. Das Ventil 7' wird mit einem Tast-Pausen-Verhältnis von 0% angesteuert, was bedeutet, dass das Ventil voll geöffnet ist. Die in der untersten Kennlinie dargestellte Temperatur im Verdichter steigt daher zunächst an. Im weiteren Verlauf des Abschnitts A sinkt der weitere Kältebedarf im Bereich der Kühlstelle 6, sodass sich die Stellgröße 9 entsprechend verringert. Der Motor des Verdichters bleibt jedoch über den gesamten Zeitraum kontinuierlich eingeschaltet. Die geringere Stellgröße 9 bedingt eine Verschiebung des Tast-Pausen-Verhältnisses (ED) des PWM-Signals entsprechend der dritten Kennlinie.
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Die Temperatur des Verdichters verringert sich zunächst entsprechend. Aufgrund des verringerten Kältemittelstroms kann jedoch die Situation eintreten, dass sich, wie hier dargestellt, die Temperatur im Verdichter erhöht. Um den Temperaturanstieg abzuschwächen, wird ab Erreichen der Temperatur T1 das Tast-Pausen-Verhältnis (ED) so verschoben, das ein erhöhter Kühlmittelstrom durch den Verdichter fließt, wodurch die Temperaturerhöhung etwas abgemildert wird.
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Dennoch wird am Ende des Abschnitts A die obere Temperaturschwelle T2 erreicht. Dies hat zur Folge, dass der Motor des Verdichters im Abschnitt B nunmehr im Ein- und Ausschaltbetrieb betrieben wird. Während der Motor ausgeschaltet ist, erhöht sich somit die Temperatur im Bereich der Kühlstelle, was sich durch eine entsprechend höhere Stellgröße bemerkbar macht. Im Einsschaltbetrieb des Motors ist das Ventil zweckmäßigerweise auf maximalen Kältemittelstrom durch den Motor und gleichzeitig durch den Kältekreis eingestellt. Was auch eine entsprechende Verringerung der Stellgröße zur Folge hat. Es folgen dann weitere Aus- bzw. Einschaltphasen. Während des Ein-Ausschaltbetriebes wird sich der Motor von der oberen Temperaturschwelle T2 bis zu einer unteren Temperaturschwelle T0 abkühlen. Sobald die untere Temperaturschwelle T0 erreicht ist, wird der Motor wieder kontinuierlich betrieben und die genauere Regelung der Temperatur durch getaktetes Öffnen und Schließen des Ventils wird wieder durchgeführt (Abschnitt C). Auf diese Weise kann in den meisten Fällen verhindert werden, dass die Temperatur im Verdichter die obere Grenztemperatur T3 erreicht, bei der die Motorschutzschaltung eingreift. Der Ein-Ausschaltbetrieb im Abschnitt B ist durch ein periodisches Ein- und Ausschalten des Motors gekennzeichnet, wobei die jeweilige Ein- bzw. Ausschaltdauer auf die äußeren Umstände (Konstruktive Merkmale des Verdichters, Kühllast etc.) abgestimmt werden muss.
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Das Tast-Pausen-Verhältnis (ED) zeigt in der Kennlinie einen sprunghaften Übergang zwischen den unterschiedlichen Zuständen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, dass der Wechsel mit einem kontinuierlichen Übergang erfolgt.
