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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe.
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Stand der Technik
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Wärmepumpen umfassen in der Regel einen Kompressor zur Verdichtung von Kältemittel. Durch den Betrieb des Kompressors kann eine beträchtliche Geräuschentwicklung entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hinsichtlich Geräuschentwicklung verbesserte Wärmepumpe bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Wärmepumpe, aufweisend:
- - eine Kompressoreinrichtung;
- - wenigstens einen Sensor zum Erfassen von Schwingungen der Kompressoreinrichtung und/oder eines Gehäuses und zum Übermitteln der erfassten Daten an eine Regelungseinrichtung; und
- - wenigstens einen von der Regelungseinrichtung gesteuerten Aktuator zum mechanischen Anregen der Kompressoreinrichtung und/oder des Gehäuses mit einem gegenüber den erfassten Schwingungen gegensinnigen Signal.
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Vorteilhaft können auf diese Weise mittels aktiver Schwingungssteuerung oder Schwingungsregelung Schwingungen des Kompressors und/oder des Gehäuses in ihrer schallerzeugenden Wirkung erheblich reduziert werden. Im Ergebnis kann dadurch vorteilhaft eine geräuscharme Wärmepumpe realisiert werden. „Aktiv“ bedeutet in diesem Zusammenhang „geregelt“ oder „gesteuert“, d.h. dass von außen mittels eines Aktuators auf den Kompressor oder das Gehäuse Schwingungen aufgebracht werden. Im Unterschied zu diesen aktiven Maßnahmen sehen passive Maßnahmen lediglich eine Geräuschdämmung z.B. durch Absorber vor.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Kompressoreinrichtung;
- - Bereitstellen wenigstens eines Sensors zum Erfassen von Schwingungen der Kompressoreinrichtung und/oder eines Gehäuses und zum Übermitteln der erfassten Daten an eine Regelungseinrichtung; und
- - Bereitstellen wenigstens eines von der Regelungseinrichtung gesteuerten Aktuators zum mechanischen Anregen des Gehäuses mit einem gegenüber den erfassten Schwingungen gegensinnigen Signal, wobei die Kompressoreinrichtung, der Sensor und der Aktuator funktional mit der Regelungseinrichtung verbunden werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, aufweisend die Schritte:
- - Erfassen von Schwingungen der Kompressoreinrichtung und/oder eines Gehäuses der Wärmepumpe; und
- - Mechanisches Anregen der Kompressoreinrichtung und/oder des Gehäuses mit einem gegenüber den erfassten Schwingungen gegensinnigen Signal.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Wärmepumpe sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Kompressoreinrichtung mit der Regelungseinrichtung verbunden ist, wobei spezifische Daten, insbesondere Betriebsparameter der Kompressoreinrichtung an die Regelungseinrichtung übertragbar sind. Auf diese Weise kann die Regelungseinrichtung von der Kompressoreinrichtung vorab mit Informationen versorgt werden, wodurch vorteilhaft eine schnellere und genauere aktive Schwingungssteuerung unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass eine Drehzahl der Kompressoreinrichtung an die Regelungseinrichtung übertragen wird. Auf diese Weise wird der Regelungsrichtung die Anregungsfrequenz bekannt gegeben, sodass seitens der Regelungseinrichtung eine geeignete Ansteuerung des Aktuators vorgenommen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass außerhalb des Gehäuses ein Mikrofon angeordnet ist, welches Schallwellen des Gehäuses erfasst und entsprechende Daten an die Regelungseinrichtung übermittelt. Auf diese Weise wird mittels des externen Fehlermikrofons eine Rückkopplung realisiert, die überprüft, ob die Phasenverschiebung des Aktuatorsignals ausreichend ist oder ob das Ansteuerungssignal des Aktuators nachjustiert werden muss. Auf diese Weise können zum Beispiel Alterungseffekte, Temperatureinflüsse, Umgebungseinflüsse, usw. kompensiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer definierten Anzahl von Oberflächen des Gehäuses jeweils ein Sensor mit zugehörigem Aktuator angeordnet ist. Auf diese Weise kann jede einzelne Oberfläche, welche ein in sich abgeschlossenes schwingfähiges System darstellt, mit dem vorgeschlagenen Verfahren schallemissionstechnisch optimiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Regelungseinrichtung folgender Algorithmus ausführbar ist:
mit:
- e
- Fehler
- d
- gemessene Systemantwort (am Mikrofon gemessenes Signal)
- y
- gewünschte Systemantwort bzw. berechnetes Signal zur Geräuschunterdrückung, ohne Berücksichtigung von Störgeräuschen
- n
- Rechenschritte 0, 1, 2, ...
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Der von der Regelungseinrichtung ausgeführte, vorgeschlagene Algorithmus kann funktional als ein Filter angesehen werden. Anhand der am Kompressor gemessenen Schwingungen wird ein gegenphasiges Signal mit identischer Amplitude erzeugt, das den Schwingungen des Kompressors derart entgegen wirkt (gegenphasig), dass sich die Schwingungsamplituden auslöschen. Durch Verzögerungen, d.h. Phasenverschiebungen oder Fehler in der Amplitudenberechnung, wird in der Regel allerdings ein Fehler e entstehen, so dass die Geräuschreduzierung in der Praxis nicht optimal arbeitet. Durch den vorgeschlagenen Algorithmus zur Fehlerminimierung kann adaptiv auf äußere Störeinflüsse (z.B. Temperatur, Alterung, nicht ideale Sensorpositionierung, usw.) reagiert werden, indem diese vom Algorithmus kompensiert werden.
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Auf diese Weise können mittels der als Filter agierenden Regelungseinrichtung Fehler zwischen den Ausgangsdaten des Filters und vorgegebenen Referenzdaten minimiert werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Wärmepumpe zeichnen sich dadurch aus, dass der Aktuator als ein Piezostapel oder als ein elektromagnetisch angeregter Aktuator oder als ein elektrisch angeregter Aktuator ausgebildet ist. Vorteilhaft werden dadurch unterschiedliche Antriebskonzepte für den Aktuator realisiert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Seitenwand des Gehäuses definiert schwingungsdämpfend ausgebildet ist. Auf diese Weise können zum Beispiel durch eine geeignete Ausgestaltung der Seitenwände, zum Beispiel in Form von Bondalblechen oder Kunststoffmaterialien, Schwingungen und damit Geräuschentwicklung minimiert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren technischen Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Zur besseren Übersichtlichkeit kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu ausgeführt.
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Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, Vorteile und Ausführungen betreffend die Wärmepumpe in analoger Weise aus entsprechenden Merkmalen, Vorteilen und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer vorgeschlagenen Wärmepumpe;
- 2 ein prinzipielles Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorgeschlagenen Wärmepumpe; und
- 3 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Wärmepumpe.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine leisere Wärmepumpe bereitzustellen. Vor allem der Kompressor zur Verdichtung eines Kältemittels ist bei Wärmepumpen in der Regel sehr laut, trotz zahlreicher existierender Konzepte zur Geräuschminderung. Dadurch ist bei konventionellen Wärmepumpen das Kompressorgeräusch in der Regel deutlich wahrnehmbar und somit störend.
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Vorgeschlagen wird eine aktive Schwingungssteuerung, mittels der auf aktive Art und Weise die Lautstärke der Wärmepumpe durch Aufbringen einer gegenphasigen Schwingung mit gleicher Amplitude wie die Schwingungen auf wenigstens eine Oberfläche eines Gehäuses reduziert wird, wodurch im Ergebnis die durch den Kompressor angeregten Schwingungen des Gehäuses kompensiert werden können und dadurch Geräuscherzeugung des Gesamtsystems Wärmepumpe minimiert ist.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen Wärmepumpe 100. Dabei ist der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich die Kompressoreinrichtung 20 der Wärmepumpe 100 dargestellt, andere Komponenten der Wärmepumpe 100 jedoch nicht, da sie für die Erfindung nicht wesentlich sind. Man erkennt ein Gehäuse 10, in welchem die Kompressoreinrichtung 20 zum Komprimieren eines Kältemittels angeordnet ist. Am Gehäuse 10 ist ein Sensor 30a, vorzugsweise in Form eines MEMS-Beschleunigungssensors angeordnet, der Schwingungen oder Vibrationen des Gehäuses 10 erfasst und die dabei erfassten Daten einer Regelungseinrichtung 40 zuführt.
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Die Regelungseinrichtung 40 steuert einen Aktuator 50a derart an, dass auf den Aktuator 50a eine gegenphasige Schwingung aufgebracht wird. Im Ergebnis werden dadurch die vom Sensor 30a erfassten Schwingungen bzw. Schwingungen mittels der vom Aktuator 50a aufgebrachten Schwingungen kompensiert, weil die vom Aktuator aufgebrachten Schwingungen gegenüber den vom Sensor 30a ermittelten Schwingungen um idealerweise im Wesentlichen um 180° phasenverschoben bzw. gegensinnig sind und idealerweise im Wesentlichen identische Amplitude aufweisen.
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Der Aktuator 50a kann dabei wahlweise als ein Piezostapel oder als ein elektromagnetisch angeregter Aktuator oder als ein elektrisch angeregter Aktuator ausgebildet sein, sodass unterschiedliche Aktuatorkonzepte verwendet werden können.
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Dadurch wird im Ergebnis eine aktive Schwingungssteuerung realisiert, mittels derer aufgrund einer mechanischen „Ruhigstellung“ des Gehäuses 10 die Geräuschemissionen der Wärmepumpe 100 minimiert werden können. Mittels des Sensors 30 werden die Schwingungen einer Seitenwand bzw. Wand des Gehäuses 10 gemessen und mit der Regelungseinrichtung 40 verarbeitet. Informationen über die Schwingungsamplitude und Frequenz werden von einer Recheneinheit (nicht dargestellt) der Regelungseinrichtung 40 analysiert und in Form eines um idealerweise im Wesentlichen um 180° phasenverschobenen bzw. gegenphasigen Signals an einen Erreger in Form des Aktuators 50a weitergegeben, der am Gehäuse 10 angeordnet ist, welches die Kompressoreinrichtung 20 einkapselt.
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Das Gehäuse 10 kann zum Beispiel als eine Metallbox („Refrigerant-Box“) ausgebildet sein. Alternative Formen des Gehäuses 10 sind eine dauerhaft befestigte Außenhülle der Wärmepumpe 100 oder auch eine Membran, die innerhalb oder auch außerhalb über die Wärmepumpe 100 gespannt ist.
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Eine weitere Möglichkeit ist eine „weich aufgehängte“ Platte (z.B. eine Metallplatte mit definiert geringen Schwingungsübertragungseigenschaften) oder andere schwingungsfähige Elemente, die Zusatzelemente darstellen, die von der Funktion des Gehäuses mechanisch entkoppelt sind. Die genannten Elemente können an einer Seite unabhängig von der Metallbox befestigt werden. Im Ergebnis wird dadurch eine Art schwingungserzeugende Membran realisiert, die gegenphasige Schwingungen erzeugt und die vorteilhaft keine Rückkopplungen in das Gehäuse erzeugt.
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Vorzugsweise sind die Seitenwände des Gehäuses aus einem definiert schwingungsdämpfenden Material gefertigt, zum Beispiel in Form von Bondalblechen, Kunststoffmaterialien, usw., wodurch Schwingungen des Gehäuses 10 und damit Geräuschentwicklung effizient minimiert werden können.
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Außerhalb der Einkapselung bzw. des Gehäuses 10 kann optional ein externes Mikrofon 60 angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhaft die oben beschriebene Schallreduktion dadurch optimiert werden, dass die Geräuschemissionen der Wärmepumpe 100 mittels des Mikrofons 60 erfasst werden, wobei die erfassten Daten an die Regelungseinrichtung 40 übermittelt werden. Die Ansteuerung des Aktuators 50a durch die Regelungseinrichtung 40 in der oben erläuterten Weise zur Erzeugung der idealerweise im Wesentlichen um 180° phasenverschobenen bzw. gegenphasigen Schwingungen kann dadurch vorteilhaft noch weiter optimiert werden.
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Im Ergebnis kann auf diese Weise eine verbesserte Justage der vorgeschlagenen Schwingungskompensation erreicht werden, beispielsweise können dadurch ein Temperaturgang, Umgebungseinflüsse, usw. kompensiert werden.
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Vorzugsweise kann die Regelungseinrichtung
40 als ein NLMS-FIR Filter (Normalized-Least-Mean-Square-Finite-Impulse-Response Filter) ausgebildet sein, um Fehler zwischen den Ausgangsdaten des Filters und vorgegebenen Referenzdaten zu minimieren. Ein adaptiver Filter berechnet Koeffizienten w auf der Grundlage eines Fehlers e zwischen einer gewünschten Systemantwort d (gemessenes Signal am externen Mikrofon
60) und einer gemessenen Systemantwort y (Ausgangssignal an den Aktuator
50a) in folgender Weise:
mit den Parametern:
- e
- Fehler
- d
- gemessene Systemantwort (am externen Mikrofon 60 gemessenes Signal inklusive Störgeräusche)
- y
- gewünschte Systemantwort bzw. berechnetes Signal zur Geräuschunterdrückung (ohne Berücksichtigung von Störgeräuschen)
- n
- Rechenschritte 0, 1, 2, ...
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Für die Stabilität wird der Fehler mit einer sehr kleinen Zahl µ multipliziert, so dass die Filterkoeffizienten langsam zur Erzeugung des gewünschten Systemausgangs konvergieren:
mit:
- µ
- Schrittweite oder Konvergenzkoeffizient (verantwortlich für die Stabilität und Schnelligkeit des Algorithmus)
- X
- Eingangsmatrix, Matrix der Eingangssignale
- XT
- transponierte Eingangsmatrix
- W
- Systemfunktion
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Durch eine geeignete Einstellung der Schrittweite bzw. des Konvergenzkoeffizienten µ kann aufgrund der Tatsache, dass diese die Stabilität und die Schnelligkeit des Algorithmus beeinflusst, noch besser auf Störgrößen des Regelkreises reagiert werden.
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X muss nicht notwendigerweise aus demselben Schritt n stammen, es können auch vorher gemessene Eingangssignale (z.B. von n-1 oder n-2) verwendet werden, wobei in diesem Fall zusätzliche Schritte implementiert werden müssen, um Verzögerungen zwischen den Signalen zu kompensieren (fehlerminimierender adaptiver Verzögerungsalgorithmus „Phasenregelschleife“). Andere Regelungsalgorithmen sind ebenfalls denkbar.
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Im Ergebnis kann auf die oben beschriebene Art und Weise das Gehäuse 10 „ruhig gestellt“ werden, sodass vom Gehäuse 10 keinerlei Schwingungen mehr erzeugt werden und dadurch eine Geräuschemission an die Umgebung weitgehend eliminiert ist.
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Dabei kann auch vorgesehen sein, ein Erfassen von Schwingungen eines Kompressors und/oder einer anderen in der Wärmepumpe befindlichen Schwingungsquelle (z.B. Druckpulsationen in Rohren) durchzuführen und ein Anregen der wenigstens einen Oberfläche des Gehäuses mit gegenüber den erfassten Schwingungen um idealerweise im Wesentlichen 180° phasenverschobenen Schwingungen.
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Ferner kann auch vorgesehen sein, ein Erfassen von Schwingungen der Kompressoreinrichtung bzw. einer anderen in der Wärmepumpe befindlichen Schwingungsquelle, abhängig von der Drehzahl durchzuführen, eine Berechnung oder messtechnische Erfassung der Übertragungsfunktion von der Quelle zum abstrahlenden Gehäuse bzw. zur geräuschemittierenden Struktur (z.B. Rohre, Wärmetauscher, Verdampfer, Tragstrukturen, Gehäuseteile, und Ähnliches) durchzuführen. Als Kompensationsmaßnahme wird ein Anregen der wenigstens einen Oberfläche des Gehäuses oder einer der geräuschemittierenden Strukturen mit gegenüber den erfassten oder berechneten Schwingungen um im Wesentlichen 180° phasenverschobenen Schwingungen durchgeführt.
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In einer Alternative kann auch vorgesehen sein, den Sensor 30a...30n woanders anzuordnen, als am Ursprungsort der Schwingungen, wobei in diesem Fall eine Transfer- bzw. Übertragungsfunktion zwischen der Schwingungsquelle und dem geräuschemittierenden Gehäuse und/oder der geräuschemittierenden Struktur bekannt sein muss.
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Das Erfassen der Schwingungen des Kompressors bzw. einer anderen in der Wärmepumpe befindlichen Schwingungsquelle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kompressors (z.B. Rotationsgeschwindigkeit des Rollkolben bzw. des Scrollrades bzw. der Kolbenzykluszeit, je nach verwendetem Kompressortyp) geschieht dabei in einem Einmessvorgang. Der Einmessvorgang besteht hierbei aus einem ersten vollständigen Hochlaufzyklus des Kompressors ausgehend von der niedrigsten Rotationsdrehzahl bis zur höchsten, wobei eine Verknüpfung der Drehzahl zu den dabei erfassten Schwingungen vorgenommen wird. Dadurch liegen Informationen über die Schwingungen im gesamten Drehzahlbereich des Kompressors vor, die in einem Kennfeld hinterlegt und entsprechend bei Kenntnis der Kompressordrehzahl zur aktiven Schwingungsunterdrückung genutzt werden können. Dadurch wird ein besonders schnelles und kostengünstiges Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe bereitgestellt.
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In einer optionalen, in 1 durch gestrichelte Linien angedeuteten Variante kann vorgesehen sein, die Kompressoreinrichtung 20 funktional mit der Regelungseinrichtung 40 zu verbinden, um bereits vorab geeignete spezifische Daten der Kompressoreinrichtung 20 an die Regelungseinrichtung 40 zu übermitteln, beispielsweise eine Kompressordrehzahl, wodurch der Regelungseinrichtung 40 die Anregungsfrequenz des Gehäuses 10 bereits bekannt ist und sie dadurch die Ansteuerung des Aktuators 50a noch besser durchführen kann.
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Der Aktuator 50a kann beispielsweise als ein gestapelter Piezo-Aktuator ausgebildet sein, der aufgrund der gestapelten Ausgestaltung eine entsprechend hohe mechanische Stellkraft realisieren kann. Denkbar sind auch elektromagnetische Aktuatoren oder ausschließlich elektrisch angesteuerte Aktuatoren.
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2 zeigt eine weitere Variante der vorgeschlagenen Wärmepumpe 100, wobei in diesem Fall jeweils eine Kombination aus einem Sensor 30a...30n und einem Aktuator 50a...50n jeweils einer Seitenwand des Gehäuses 10 zugeordnet ist. Auf diese Weise kann für ausgewählte Seitenwände, optional auch alle Seitenwände, optional auch Deck- und/oder Bodenfläche, die jeweils ein in sich abgeschlossenes schwingfähiges System darstellt, eine optimale Schwingungskompensation erreicht werden, sodass die Schalldämpfung der Wärmepumpe 100 auf diese Weise noch besser umsetzbar ist.
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Die 1 und 2 zeigen auch die Signale d und y der oben genannten, als Filter fungierenden Regelungseinrichtung 40.
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3 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Wärmepumpe 100.
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In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen einer Kompressoreinrichtung 20 durchgeführt.
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In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen wenigstens eines Sensors 30 zum Erfassen von Schwingungen der Kompressoreinrichtung 20 und/oder eines Gehäuses 10 und zum Übermitteln der erfassten Daten an eine Regelungseinrichtung 40 durchgeführt.
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In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen wenigstens eines von der Regelungseinrichtung 40 gesteuerten Aktuators 50a...50n zum mechanischen Anregen des Gehäuses 10 mit einem gegenüber den erfassten Schwingungen gegensinnigen Signal durchgeführt, wobei die Kompressoreinrichtung 20, der Sensor 30 und der Aktuator 50a...50n funktional mit der Regelungseinrichtung 40 verbunden werden.
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Es versteht sich von selbst, dass die genannten Schritte 200...220 in geeigneter Weise auch miteinander vertauscht werden können.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
