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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Kälteanlage gemäß Anspruch 3. Ferner ist im Gedanken der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Regelverfahren beinhaltet
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Kälteanlagen werden oftmals mit Hubkolbenverdichtern betrieben. Beispiele hierfür können unter anderem im Bereich der Busklimatisierung gefunden werden, wo in einer entsprechenden Kälteanlage (Klimaanlage) ein Hubkolbenverdichter angeordnet ist, der von der Kurbelwelle des Antriebsmotors über einen Riementrieb und eine Magnetkupplung angetrieben wird. Über die Magnetkupplung kann der Verdichter zu- und abgeschaltet werden. Die Zu- und Abschaltung wirkt sich aber auf den gesamten Verdichter und somit auf die gesamte vom Verdichter erbrachte Leistung aus (100% An-Aus).
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Die Zu- und Abschaltung bedingt einen instationären Betrieb des Verdichters und führt auch zu hohen Spitzenlasten in dessen Antrieb. Die Schalthäufigkeit ist dabei grundsätzlich durch die zu bewegenden Massen und die Schaltarbeit der Kupplung begrenzt.
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Bei den Verdichtern werden vorherrschend vier-zylindrige Hubkolbenverdichter verwendet, bei denen in V-Bauweise zwei einzelne Zylinderbänke angeordnet sind.
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Durch den Betrieb am Dieselmotor werden die Verdichter ständig mit einer dem Fahrbetrieb entsprechenden Drehzahl betrieben, die nicht mit einer Drehzahl übereinstimmt, bei der der Verdichter die gewünschte Kühlleistung erbringen würde. Aus diesem Grunde ergibt sich ein fortlaufender Korrekturbedarf der Kühl- bzw. Kälteleistung.
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Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich beispielsweise auch bei manchen Transportkälteanlagen.
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Es ist bekannt, dass dies – wie z. B. bei PKWs – durch hubgeregelte Axialkolbenverdichter teilweise kompensiert werden kann. Dort wird der Hub stufenlos bis nahe Null geregelt und so der unerwünschte Drehzahleinfluss zum Teil ausgeglichen. Diese bei kleinen Verdichtern übliche Bauweise verzichtet auf ein eigenständiges Öl-System und funktioniert in begrenzten Anlagen mit begrenzten Lebensdauern für PKWs ausreichend gut. Eine Übertragung auf Nutzfahrzeuge mit ihren größeren Leistungen und höheren Lebensdauerforderungen ist jedoch bis heute nicht in Serie gelungen.
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Im Bereich der Busklimatisierung ist es bekannt, bei vier-Zylinder-V-Verdichtern eine Zylinderbank (= zwei Zylinder = 50%) wegzuschalten bzw. in einen Zustand zu versetzen, in dem durch die entsprechende Zylinderbank keine signifikante Förderleistung erbracht wird. Dies geschieht durch ein Absperren des Sauggasstroms für die entsprechende Zylinderbank. Der Verdichter läuft dann unter nahezu Nullförderung, verdichtet gegen Enddruck und re-expandiert das Gas, wobei die Verdichtungsarbeit an die Kurbelwelle zurück gegeben wird. Mit einer solchen Regelung kann ein Busklimasystem bereits etwas feiner geregelt werden, nämlich in 50% Stufen, was aber immer noch nicht genügt, wenn eine hohe Regelungsqualität erreicht werden soll.
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Demnach ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelung für eine Kälteanlage anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Regelungsqualität aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Kälteanlage anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Regelvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der zweite Aspekt der Aufgabenstellung wird durch eine Kälteanlage gemäß Anspruch 3 gelöst.
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Eine entsprechende Regelvorrichtung für eine Kälteanlage, die zur Regelung einer Förderleistung eines Hubkolbenverdichters vorgesehen ist, weist einen Eingang zum Zuführen einer Eingangs-Information, insbesondere Saugdruck des entsprechenden Verdichters, sowie wenigstens einen Ausgang zur Ansteuerung eines Regelorgans auf. Die Regelvorrichtung ist ausgebildet, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen.
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In einer möglichen Ausführungsform weist die Vorrichtung ein digital ansteuerbares Regelorgan, insbesondere Regelventil zur Regelung des Fördervolumens auf.
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Hinsichtlich der Kälteanlage wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst, welche neben einem Hubkolbenverdichter eine Regelvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, aufweist.
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Es wird im vorgeschlagen, den gesamten Verdichter und/oder Zylinderbänke bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelne Zylinder mit einer schnell schaltbaren Regelbarkeit (digitale Regelung) auszustatten. Hierdurch kann der Verdichter quasi stufenlos von 100% bis vorzugsweise ca. 10% seines Nennfördervolumens bzw. seines maximalen Fördervolumens geregelt werden.
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Ferner ist ein Verfahren zum Regeln einer Förderleistung eines Hubkolbenverdichters bzw. einer mit diesem ausgestatteten Kälteanlage durch ein digitales Signal im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
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Letztendlich sei angemerkt, dass im Gedanken der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung eines digital ansteuerbaren Ventils als Regelventil für die Förderleistung eines Hubkolbenverdichters in einer Regelvorrichtung für eine Kälteanlage enthalten ist.
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Weitere optionale Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen, sowie der folgenden Figurenbeschreibung angegeben. In der Figurenbeschreibung wird die vorligende Erfindung am Beispiel einer Vorrichtung zur Busklimatisierung (Kälteanlage für Busklimatisierung bzw. Busklimasystem) beschrieben. Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine erfindungsgemäße Kälteanlage in vielen Anwendungen, beispielsweise einer Kälteanlage für einen Trailer, allgemein in einer Transportkälteanlage, aber auch in einer stationären Kälteanlage (beispielsweise Supermarktkälte) Anwendung finden kann.
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Die beschriebenen jeweiligen Merkmale können einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein. Die Erfindung wird demnach im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Busses mit einer schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage als Klimaanlage desselben;
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2 bis 4 jeweils eine schematische Ansicht eines Teilausschnitts (Schnittansicht) eines Verdichters der in einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage Verwendung findet;
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5 eine schematische Darstellung eines Verdichters, der in einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage Verwendung findet;
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6 eine schematische Darstellung eines Busses mit einer schematischen Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage als Klimaanlage desselben; und
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7 und 8 einen Teilausschnitt (Schnittansicht) eines Verdichters, der in einer modifizierten, der fünften Ausführungsform jedoch ähnlichen Variante einer erfindungsgemäßen Kälteanlage Verwendung findet.
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Wie in 1 dargestellt ist, weist eine Kälteanlage 1 in Form eines Busklimasystems 1 als wesentliche Bestandteile einen Verdichter 10 zum Verdichten von Kältemittel, der als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, und eine Regelvorrichtung 12 auf, die eine Regelung 14 sowie ein Regelorgan in Form einer Absperrvorrichtung bzw. eines Ventils 16 aufweist.
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Die Regelvorrichtung 12 weist ferner einen Eingang 18 zum Zuführen einer Eingangs-Information, die in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform durch einen Saugdruck des Verdichters 10 repräsentiert wird, sowie einen Ausgang 20 zur Ansteuerung des Regelorgans (Ventil 16), sowie eine Fördervolumenbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung eines erwünschten Fördervolumens in Abhängigkeit eines am Eingang 18 anliegenden Eingangssignals und zur Erzeugung eines entsprechenden dem Ausgang 20 zuzuführenden Ausgangssignals, auf.
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Die Regelvorrichtung 12 ist ausgebildet, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Zur Umsetzung des digitalen Ausgangssignals ist das Ventil 16, das das Fördervolumen des Verdichters 10 regelt, als digital ansteuerbares elektromagnetisches Ventil ausgeführt. Es sind alternativ auch andere Ventilbauarten, insbesondere elektromechanische oder aber auch mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Ventile oder anderweitige Absperrvorrichtungen (Schieber und dgl.) denkbar.
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Die Kälteanlage 1 weist ein Sauggasvolumen 22 und ein Hochdruckvolumen 24 auf, wobei das Sauggasvolumen 22 stromaufwärts der Zylinder des Verdichters 10 angeordnet ist, und das Hochdruckvolumen 24 stromabwärts der Zylinder des Verdichters 10 angeordnet ist, wobei die Richtungsbestimmungen stromaufwärts und stromabwärts bei einem normalen Betrieb der Kälteanlage 1 durch die Strömungsrichtung des Kältemittels definiert sind. Zwischen dem Sauggasvolumen 22 und dem Hochdruckvolumen 24 ist eine Verbindung 26 in Form einer Rohrleitung ausgebildet, wobei das digital ansteuerbare Ventil 16 in der Verbindung 26 angeordnet ist und diese öffnen und unterbrechen bzw. verschließen kann.
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Die Kälteanlage 1 weist ferner eine zweite Absperrvorrichtung in Form eines Rückschlagventils 28 (zweites Ventil) auf, welches stromabwärts des Hochdruckvolumens 24 angeordnet ist. Es ist anstelle eines Rückschlagventils 26 auch jegliche andere Absperrvorrichtung (Schieber, Ventil, beispielsweise elektomechanisch betätigtes oder elektromagnetisch betätigtes oder aber auch pneumatisch betätigtes Ventil, oder eine Blende oder dgl.) denkbar.
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Das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 sind durch die obenstehend erwähnte Rohrleitung 26 (Bypass-Leitung) miteinander verbunden, die durch das digital ansteuerbare Ventil 16 öffenbar und verschließbar ist derart, dass das das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 direkt miteinander in (Fluid-)Verbindung stehen, wenn das Ventil 16 in einer Öffnungsstellung ist.
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Ist das Ventil 16 in einer Schließstellung, so besteht keine direkte Verbindung zwischen Sauggasvolumen 22 und Hochdruckvolumen 24. Der Verdichter 10 befindet sich in Normalbetrieb (vgl. hierzu auch 3 einer alternativen Ausführungsform; das Prinzip trifft jedoch auch auf die vorliegend beschriebene Ausführungsform zu), in dem Kältemittel aus dem Sauggasvolumen 22 in die Zylinder geleitet wird, dort verdichtet wird, und dann in das Hochdruckvolumen 24 ausgestoßen und dem Busklimasystem 1 zur Verfügung gestellt wird (der Weg des Kältemittels ist jeweils durch Pfeile angedeutet).
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Wenn das Ventil 16 jedoch in seiner Öffnungsstellung ist (vgl. hierzu auch 4), ergibt sich ein „Kurzschluß” zwischen Sauggasvolumen 22 und Hochdruckvolumen 24. In einer Öffnungsstellung des Ventils 16 schließt das Rückschlagventil 28 durch den Hochdruck und hält den Hochdruck damit aus den Arbeitsräumen des Verdichters fern. Somit sinkt die aufgenommene Leistung des Verdichters auf den unvermeidlichen Wert, der den inneren Verlusten des Verdichters, beispielsweise an den Arbeitsventilen entspringt. In alternativen Ausführungsformen wird eine anderweitige Absperrvorrichtung geschlossen, beispielsweise durch die Regelvorrichtung 12. Damit wird der Verdichter 10 „abgeschaltet”, da das durch die Zylinder geförderte Kältemittel vom Hochdruckvolumen 24 zurück in das Sauggasvolumen 22 strömt und von dort wiederum in die Zylinder und dann wiederum in das Hochdruckvolumen 24 gelangt.
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Die Öffnungsdauer des Ventils 16 kann durch die Regelvorrichtung 12 in einer beliebigen, stufenlosen Taktung erfolgen, so dass eine Förderleistung des Verdichters 10 von prinzipiell 0% bis 100% stufenlos bzw. nahezu stufenlos darstellbar ist. In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist die Regelvorrichtung 12 jedoch derart ausgebildet, dass ein minimales Fördervolumen von 5% bis 10% gewährleistet ist, um den Verdichter 10 zu kühlen. Bei ausschließlich luftgekühlten Verdichtern kann hierauf verzichtet werden.
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Es sei ergänzend festgehalten, dass die beschriebene Kälteanlage einen Kondensator 30, ein Expansionsorgan in Form eines Expansionsventils 32 und einen Verdampfer 34 zur Klimatisierung des Fahrzeugs (Bus) 36/zur Kühlung des zu kühlenden Volumens aufweist.
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Ein Sollwert, mit dessen Hilfe der Saugdruck, der erwünscht und somit einzuregeln ist, ermittelt wird, wird aus dem Volumen (in der beschriebenen Ausführungsform aus dem Fahrzeug 36), das zu klimatisieren ist, eingespeist.
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Wie aus den 2 bis 4 ersichtlich ist, weist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 1 das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 im Verdichter 10 integriert auf. Hierauf wird in der Folge aufgrund der Integration in den Verdichter 10 Bezug genommen als Verdichter-Sauggasvolumen 22v und Verdichter-Hochdruckvolumen 24v. Die vorstehend erläuterte Verbindung zwischen der Sauggasseite und der Hochdruckseite ist in dieser Ausführungsform zwischen dem Verdichter-Sauggasvolumen 22v und dem Verdichter-Hochdruckvolumen 24v in Form eines Kanals 38 (alternativ als Bohrung oder im Rahmen des Gießens der entsprechenden Bauteile geformte Aussparung) ausgebildet. Das Ventil 16 ist wie in der vorstehend erläuterten Ausführungsform in der Verbindung (Kanal 38) angeordnet und somit ebenfalls in den Verdichter 10 integriert. Wiederum sind alle denkbaren Arten von Ventilen und auch anderweitige Absperrvorrichtungen denkbar, wie sie bereits in Zusammenhang mit der vorstehend erläuterten Ausführungsform dargestellt wurden. Insbesondere in Anlagen, in denen hohe Drücke erreicht werden, kann eine Integration der Volumina und des Ventils in den Verdichter 10 vorteilhaft sein. Die Betriebsweise ist in der zweiten Ausführungsform identisch zu der ersten Ausführungsform.
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Wie aus der schematischen Darstellung in 5 ersichtlich ist, weist ein Verdichter 10 einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, der ebenfalls als Hubkolbenzylinder ausgebildet ist, zwei Zylindergruppen in Form zweier Zylinderbänke 40 auf (die Zylinder müssen nicht notwendigerweise als Zylinderbänke 40 gruppiert sein; ander Kriterien zur Gruppierung sind denkbar).
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Die Kälteanlage 1 weist pro Zylinderbank 40 (in alternativen Ausführungsformen pro Zylindergruppe oder pro Zylinder) ein Sauggasvolumen 22 zur Speisung der jewiligen Zylinderbank 40 mit Kältemittel und ein Hochdruckvolumen 24 zum Ausstoß des Kältemittels auf. Die entsprechenden Sauggasvolumina 22 sind stromaufwärts der jeweiligen ihnen zugeordneten Zylinderbank 40 angeordnet, während die entsprechenden Hochdruckvolumina 24 stromabwärts der jeweiligen zugeordneten Zylinderbank 40 angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Sauggasvolumina 22 und die Hochdruckvolumina 24 außerhalb des Verdichters 10 angeordnet. Zwischen dem der ersten Zylinderbank 40 zugeordneten Sauggasvolumen 22 und dem der ersten Zylinderbank 40 zugeordneten Hochdruckvolumen 24 ist eine Verbindung 26 ausgebildet, die die beiden Volumina miteinander verbindet. In der Verbindung ist ein digital ansteuerbares Ventil 16 angeordnet. Eine analoge Konstruktion ist für die der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Volumina realisiert. Zwischen dem der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Sauggasvolumen 22 und dem der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Hochdruckvolumen 24 ist eine weitere (zweite) Verbindung 26 ausgebildet, die die beiden Volumina miteinander verbindet. In der Verbindung ist ein digital ansteuerbares Ventil (drittes Ventil) 16 angeordnet. Die Verbindungen 26 sind als Rohrleitungen ausgebildet.
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Die Ventile 16 sind analog zu dem bereits in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebenen Ventil 16 ausgebildet und können auch durch eine andere beliebige Absperrvorrichtung substituiert sein, wobei wenigstens eine der Absperrvorrichtungen digital ansteuerbar sein muss, um die gewünschte Regelpräzision zu erhalten. Es wäre alternativ auch denkbar, dass nur für einer Zylinderbank 40 zugeordnete Volumina eine Verbindung 26 (Rohrleitung) vorgesehen ist. Die Ventile 16 werden von der Regelvorrichtung 12 gesteuert.
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In einer weiteren alternativen (vierten) Ausführungsform weist der Verdichter ebenfalls Zylindergruppen auf. Die Konstruktion der Kälteanlage 1 entspricht derjenigen der vorstehenden Ausführungsform, wobei die Sauggasvolumina 22 (22v) und die Hochdruckvolumina 24 (24v) analog zur zweiten Ausführungsform im Verdichter 10 integriert sind. Die entsprechenden Verbindungen sind ebenfalls im Verdichter 108 in Form von Kanälen 38) integriert.
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Durch eine Kosntruktion gemäß der dritten oder vierten Ausführungsform kann eine Abschaltung und Zuschaltung einzelner Zylindergruppen (Zylinderbänke 40) erfolgen. Es wird demnach vorgeschlagen, Zylinderbänke 40 bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelne Zylinder mit einer schnell schaltbaren Regelbarkeit anzusteuern. Hierdurch kann der Verdichter 10 stufenlos bzw. quasi stufenlos oder in beliebigen Stufungen von 100% bis ca. 10% herunter geregelt werden, wobei die Untergrenze thermisch und vom Ölhaushalt des Verdichters 10 bestimmt ist. Die Schaltung der Zylinderbänke 40 bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelnen Zylinder kann dabei asynchron erfolgen, so dass die Zeit totaler Nullförderung begrenzt werden kann.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform (fünfte Ausführungsform), welche in 6 dargestellt ist, ist die Kälteanlage wiederum als ein Busklimasystem 101 ausgebildet und weist als wesentliche Bestandteile einen Verdichter 110 zum Verdichten von Kältemittel und eine Regelvorrichtung 112 auf, die eine Regelung 114 sowie ein Regelorgan in Form einer Absperrvorrichtung bzw. eines Ventils 116 aufweist.
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Die Regelvorrichtung 112 weist ferner einen Eingang 118 zum Zuführen einer Eingangs-Information, die in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform durch einen Saugdruck des Verdichters 110 repräsentiert wird, sowie einen Ausgang 120 zur Ansteuerung des Regelorgans (Ventil 116), sowie eine Fördervolumenbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung eines erwünschten Fördervolumens in Abhängigkeit eines am Eingang 118 anliegenden Eingangssignals und zur Erzeugung eines entsprechenden dem Ausgang 120 zuzuführenden Ausgangssignals, auf.
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Die Regelvorrichtung 112 ist ausgebildet, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Zur Umsetzung des digitalen Ausgangssignals ist das Ventil 116, das das Fördervolumen des Verdichters 110 regelt, als digital ansteuerbares elektromagnetisches Ventil ausgeführt. Es sind alternativ auch andere Ventilbauarten, insbesondere elektromechanische oder aber auch mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Ventile denkbar.
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Zur Regelung des Fördervolumens ist das Ventil 116 in einer Zuführung 122 des Verdichters 110 für zu verdichtendes Kältemittel angeordnet. Ist das Ventil 116 in einem geschlossenen Zustand, so ist ein Sauggasstrom des Verdichters 110 unterbrochen. Ist das Ventil 116 geöffnet, so wird dem Verdichter 110 zu verdichtendes Kältemittel (d. h. Sauggas) zugeführt, die Anlage kann im Normalbetrieb arbeiten. Wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist auch in der fünften Ausführungsform die Öffnungsdauer des Ventils 116 durch die Regelvorrichtung 112 in einer beliebigen, stufenlosen Taktung möglich, so dass eine Förderleistung des Verdichters 110 von prinzipiell 0% bis 100% stufenlos bzw. nahezu stufenlos darstellbar ist. In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist die Regelvorrichtung 112 jedoch derart ausgebildet, dass ein minimales Fördervolumen von 5% bis 10% gewährleistet ist, um den Verdichter 110 zu kühlen. Bei ausschließlich luftgekühlten Verdichtern kann hierauf verzichtet werden.
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Der Verdichter 110 der fünften Ausführungsform ist als Hubkolbenverdichter mit festem Hub ausgebildet, der vier Zylinder aufweist, die in zwei Zylindergruppen, die als Zylinderbänke 124 ausgebildet sind, angeordnet sind (zwei Zylinder pro Zylinderbank 124). In alternativen Ausführungsformen können Verdichter mit mehr oder weniger als vier Zylindern und mit mehr oder weniger als zwei Zylinderbänken oder Zylindergruppen zum Einsatz kommen.
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Wie vorstehend beschrieben, wird das Fördervolumen des Verdichters 10 durch das in der Zuführung 22 angeordnete Regelorgan in Form des Ventils 16 geregelt. Die Zuführung 22 dient der Zuführung des Kältemittels zu allen Zylindern bzw. Zylinderbänken 24 oder Zylindergruppen des Verdichters 10.
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In alternativen Ausführungsformen können für jede einzelne Zylinderbank 24 oder jede einzelne Zylindergruppe (eine Zylindergruppe muss nicht notwendigerweise mit einer Zylinderbank übereinstimmen; beispielsweise können bei einem Verdichter mit mehr als zwei Zylinderbänken auch zwei Zylinderbänke eine Zylindergruppe bilden) Zuführungen (Zylinderbankzuführungen oder Zylindergruppenzuführungen) ausgebildet sein. In jeder der Zylinderbankzuführungen oder Zylindergruppenzuführungen kann zusätzlich, insbesondere aber anstelle des Ventils 116, das in der Zuführung des Verdichters angeordnet ist, ein separates Ventil, das wie das Ventil 116 ausgebildet ist, angeordnet sein. Damit ist jede der Zylinderbänke 124 getrennt von der anderen Zylinderbank 124 (in alternativen Ausführungsformen getrennt von den weiteren dem Verdichter zugeordneten Zylinderbänken 124) zu- und abschaltbar, wobei die Zu- und Abschaltung wiederum über eine Unterbrechung des Sauggasstromes zu den einzelnen Zylinderbänken 124 erfolgt. Auch in dieser Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung der Ventile digital.
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Auch in den vorstehend erläuterten alternativen Ausführungsformen ist die Öffnungsdauer der Ventile durch die Regelvorrichtung 112 in einer beliebigen, stufenlosen Taktung möglich, so dass eine Förderleistung des Verdichters 110 von prinzipiell 0% bis 100% stufenlos bzw. nahezu stufenlos darstellbar ist, wobei in den hier beschriebenen Ausführungsformen die Regelvorrichtung 112 wiederum derart ausgebildet ist, dass ein minimales Fördervolumen von 5% bis 10% gewährleistet ist, um den Verdichter 110 zu kühlen. Bei ausschließlich luftgekühlten Verdichtern kann hierauf wiederum verzichtet werden.
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In alternativen Ausführungsformen ist es denkbar, dass nur eine Zuführung für eine Zylinderbank 114 oder Zylindergruppe eine Absperrvorrichtung in Form beispielsweise eines Ventils aufweist. In weiteren Ausführungsformen, die mehrere Zylinderbänke 114 mit jeweils einer Zuführung aufweisen, ist es denkbar, dass nur Teile der Zuführungen absperrbar bzw. mit einer Absperrvorrichtung versehen sind.
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Die Zuführung 122 für den Verdichter 110 oder die jeweiligen Zuführungen für die einzelnen Zylindergruppen bzw. Zylinderbänke 124, in denen das Ventil 116 bzw. zu dem Ventil korrespondierende Ventile angeordnet sind, können entweder außerhalb des Verdichters angeordnet sein oder teilweise oder insgesamt in den Verdichter integriert sein (wie dies in den 7 und 8 in Öffnungs- und Schließstellung des Ventils 116 in einer zu der fünften Ausführungsform alternativen Lösung bzw. Auführungsform dargestellt ist). Das Ventil 116 und/oder hierzu korrespondierende Ventile in den Zuführungen zu den einzelnen Zylindergruppen bzw. Zylinderbänken 124 können ebenfalls außerhalb des Verdichters 110 angeordnet sein oder teilweise oder insgesamt in den Verdichter integriert sein.
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Es sei noch ergänzend festgehalten, dass das Busklimasystem einen Kondensator 130, ein Expansionsorgan in Form eines Expansionsventils 132 und einen Verdampfer 134 zur Klimatisierung des Busses aufweist. Ein Sollwert, mit dessen Hilfe der Saugdruck, der einzuregeln ist, ermittelt wird, wird aus dem Fahrzeug 136, das zu klimatisieren ist, übermittelt.
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In einer sechsten möglichen Ausführungsform weist eine Kälteanlage, beispielsweise ein Busklimasystem, sowohl Merkmale einer der ersten vier Ausführungsformen oder in Zusammenhang mit den ersten vier Ausführungsformen beschriebener alternativer Ausführungsformen, als auch die Merkmale der fünften oder hierzu alternativ beschriebener Ausführungsformen auf. D. h., dass in der sechsten Ausführungsform in einer Kälteanlage sowohl wenigstens ein digital ansteuerbares Ventil in einer Öffnung zwischen einem Sauggasvolumen und einem Hochdruckvolumen als auch wenigstens ein digital ansteuerbares Ventil ineiner Zuführung des Verdichters zum Zuführen von Kältemittel angeordnet ist. Zusätzlich können ggf. weitere digital ansteuerbare Ventile in weiteren Verbindungen zwischen einzelnen Sauggasvolumina und Hochdruckvolumina, als auch in weiteren Zuführungen angeordnet sein.
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Als Beispiel für eine mögliche Regelung sei genannt: bei einer gewünschten Kältemittelförderung entsprechend 50–100% der Nennleistung taktet eine Zylinderbank 40 bis hin zur völligen Abschaltung (bei 50%); bei einer gewünschten Kältemittelförderung entsprechend 50–10% der Nennleistung takten beide Bänke mit zunehmender Überlappung. Bei 10% läuft z. B. jede Bank 6 s pro Minute im Wechsel.
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Ein weiterer Vorteil der Regelung ist, dass das Anlaufmoment des Verdichters 10 begrenzt werden kann, indem beim Start beispielsweise alle Zylinder abgeschaltet werden. Dadurch ist es möglich, die Größe von Kupplungen und auch Antrieben zu begrenzen, über die entsprechende Verdichter 10 in der Regel angetrieben werden. Auch kann das Drehmoment generell kontrolliert und begrenzt werden, um die Kupplung auch im Betrieb vor einer möglichen Überlastung zu schützen.
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Eine weitere Möglichkeit ist, bei jedem Einschaltvorgang der Kupplung eine oder mehrere Zylinderbänke 40 bzw. Zylindergruppen oder Zylinder abzuschalten. Damit wird die Schaltarbeit der Kupplung reduziert. Diese Möglichkeit besteht auch schon beim Abschalten des Verdichters 10, so dass auch bei der Trennung des Verdichters 10 vom Antrieb das Drehmoment reduziert wird.
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Bei dezentralen Systemen und Einzelverdichtersystemen, wie in Bussen oder bei Transportkälte, kommt einem entlasteten Anlauf des Verdichters 10 eine besondere Bedeutung zu, da die Antriebskomponenten entsprechend schwächer dimensioniert werden können. Insofern sei hier auch insbesondere auf eine Anwendung als Leistungsregelung für CO2-Verdichter verwiesen, die bei anderen Verfahren zu große Wärme entwickeln können und gleichzeitig in den Trockeneisbereich geraten können.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass auch ein entsprechendes Verfahren zum Regeln einer Kälteanlage 1 im Gedanken der vorliegenden Anmeldung enthalten ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Kälteanlage 1 stellt sich folgendermaßen dar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Regeln einer Kälteanlage 1 mit einer Regelvorrichtung 12 und einem Hubkolbenverdichter 10 zum Verdichten von Kältemittel, wobei das Regeln der Kälteanlage 1 durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 bewerkstelligt wird. Die Regelung der Förderleistung erfolgt durch wenigstens ein digitales Signal. Das digitale Signal oder digitale Signale können einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) 16 zugeführt werden. In möglichen Ausführungsformen weist die Kälteanlage 1 wenigstens ein Sauggasvolumen 22, 22v und wenigstens ein Hochdruckvolumen 24, 24v auf, wobei eine Verbindung 26, 38 zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen 22, 22v und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen 24, 24v der Kälteanlage 1 ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung 26, 38 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils 16 erfolgt.
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Die Kälteanlage kann mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke 40, und mehr als ein Sauggasvolumen 22, 22v, insbesondere ein Sauggasvolumen 22, 22v für jede Zylindergruppe, und mehr als ein Hochdruckvolumen 24, 24v, insbesondere ein Hochdruckvolumen 24, 24v für jede Zylindergruppe aufweisen, wobei wenigstens eine Verbindung 26, 38 zwischen einem der Sauggasvolumen 22, 22v und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen 24, 24v der Kälteanlage 1 ausgebildet ist. Die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 erfolgt durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung 26, 38 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils 16.
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Vorzugsweise ist eine Verbindung 26, 38 zwischen jedem der Sauggasvolumina 22, 22v und jedem korrespondierenden Hochdruckvolumen 24, 24v der Kälteanlage 1 ausgebildet, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 durch ein Öffnen und Schließen der Verbindungen 26, 38 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels digital ansteuerbarer Regelventile 16 erfolgt. Das Öffnen und Schließen von verschiedenen Zylindergruppen zugeordneten Verbindungen 26, 38 erfolgt im Betrieb der Kälteanlage 1 vorzugsweise asynchron.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein Verdichter der Kälteanlage eine oder mehrere Zuführungen für zu verdichtendes Kältemittel (Sauggas) aufweisen. Insbesondere, wenn der Verdichter mehrere Zylindergruppen bzw. Zylinderbänke aufweist, ist es möglich, dass der Verdichter eine Zuführung (Zylindergruppenzuführung bzw. Zylinderbankzuführung) pro Zylindergruppe bzw. Zylinderbank aufweist. Das digital ansteuerbare Regelventil ist in einer der Zuführungen angeordnet, die dadurch absperrbar ist. Bei einem Schließen des Ventils wird die Förderleistung des Verdichters entsprechend verringert. Sind mehrere Zuführungen vorgesehen, so kann in jeder Zuführung ein entsprechendes Ventil angeordnet sein.
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Die Öffnungs- und Schließdauer der Ventile ist vorzugsweise derart eingestellt, dass ein minimales Fördervolumen von 5% bis 10% gewährleistet ist, um den Verdichter zu kühlen.
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Zusammmenfassend kann das erfindungsgemäße Verfahren folgendermaßen beschrieben werden:
- 1. Verfahren zum Regeln einer Kälteanlage mit einer Regelvorrichtung und einem Hubkolbenverdichter zum Verdichten von Kältemittel, wobei das Regeln der Kälteanlage durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters bewerkstelligt wird, wobei die Regelung der Förderleistung durch wenigstens ein digitales Signal erfolgt.
- 2. Verfahren nach 1., wobei das digitale Signal oder digitale Signale einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) zugeführt wird.
- 3. Verfahren nach 1. oder 2., wobei die Kälteanlage wenigstens ein Sauggasvolumen und wenigstens ein Hochdruckvolumen aufweist, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
- 4. Verfahren nach 1., 2. oder 3., wobei die Kälteanlage mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke, und mehr als ein Sauggasvolumen, insbesondere ein Sauggasvolumen für jede Zylindergruppe, und mehr als ein Hochdruckvolumen, insbesondere ein Hochdruckvolumen für jede Zylindergruppe aufweist, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen einem der Sauggasvolumen und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
- 5. Verfahren nach 4., wobei eine Verbindung zwischen jedem der Sauggasvolumina und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindungen gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels digital ansteuerbarer Regelventile erfolgt.
- 6. Verfahren nach nach einem der Punkte 1. bis 5., wobei der Verdichter eine oder mehrere Zuführung(en) für zu verdichtendes Kältemittel aufweist, wobei bei einem Verdichter, der mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke aufweist, insbesondere eine Zuführung für jede Zylindergruppe vorgesehen ist, wobei die Regelung der Förderleistung durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
- 7. Verfahren nach einem der Punkte 1. bis 6., wobei die Regelvorrichtung ein oder mehrere Regelventile derart ansteuert, dass ein Fördervolumen von 5% bis 10% des Nenn-Fördervolumens oder maximalen Fördervolumens des Verdichters als minimales Fördervolumen vorgesehen ist.
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Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101
- Kälteanlage bzw. Busklimasystem
- 10, 110
- Verdichter
- 12, 112
- Regelvorrichtung
- 14, 114
- Regelung
- 16, 116
- Regelorgan bzw. Ventil
- 18, 118
- Einganng
- 20, 120
- Ausgang
- 22
- Sauggasvolumen
- 22v
- Verdichter-Sauggasvolumen
- 24
- Hochdruckvolumen
- 24v
- Verdichter-Hochdruckvolumen
- 26
- Verbindung bzw. Rohrleitung
- 28
- Rückschlagventil
- 30, 130
- Kondensator
- 32, 132
- Expansionsventil
- 34, 134
- Verdampfer
- 36, 136
- Fahrzeug (Bus)
- 38
- Verbindung bzw. Kanal
- 40
- Zylinderbank
- 122
- Zuführung
- 124
- Zylinderbank
