-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung und -regelung einer Kältemaschine, insbesondere zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung der Ölversorgung eines Kältemittelverdichters einer Kältemaschine.
-
Um eine ausreichende Schmierung des Kältemittelverdichters in einem Kältekreislauf zu gewährleisten, muss das mit dem Kältemittel transportierte Öl zu dem Kältemittelverdichter zurückgeführt werden. In Kältekreisläufen mit Ölabscheider wird dazu nach der Verdichtung das Öl vom Kältemittel separiert und anschließend kontrolliert dem Kältemittelverdichter zugeführt. Zur Regulierung wird der Ölstand überwacht, wofür mechanische und elektronische Verfahren angewendet werden.
-
Bekannt sind beispielsweise mechanische Ölstandsüberwachungsvorrichtungen mit Schwimmern. Erreicht der Ölstand ein definiertes Niveau im Ölabscheider, löst der Schwimmer über ein Ablassventil, d. h. einen Aktor, die Rückführung des Öls aus dem Ölabscheider in den Kältemittelverdichter aus. Ein Nachteil dieser Lösung ist es, dass der Ölstand nur im Ölabscheider und nicht im Kältemittelverdichter geregelt wird. Für die Funktion ist aber der Ölstand des Kältemittelverdichters entscheidend. Zudem können die Schwimmer nicht beliebig ausgetauscht oder nachgerüstet werden.
-
Bei den für Ölstandsüberwachungsvorrichtungen bekannten optoelektronischen Sensoren wird Licht von einem Sender durch ein Prisma geleitet, welches an einer Messstelle im Ölabscheider positioniert ist. Liegt gasförmiges Medium vor, wird das Licht zu einem Empfänger reflektiert. Ist die Messstelle dagegen von flüssigem Öl umgeben, wird das Licht gebrochen und der Empfänger erhält kein Signal. Auf Basis der Impulse wird mittels einer elektronischen Auswerteeinheit der Ölstand ermittelt; in Abhängigkeit des Ölstandes wird wiederum das Ablassventil, zum Beispiel ein Magnetventil, zur Rückführung des Öls in den Kältemittelverdichter gesteuert.
-
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung und Ausgabe des Istwerts des Volumens einer Getränkeflüssigkeit oder einer schüttfähigen Substanz innerhalb eines Getränkebehälters ist in
WO 2016/037612 A1 offenbart; mittels Bilderfassung und -analyse wird der Füllstand im Getränkebehälter zu ermittelt.
-
Eine kamerabasierte Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes einer Kommissionieranlage ist in
DE 10 2006 047 956 A1 beschrieben. Ebenfalls mittels Bilderfassung und -analyse wird die Menge an Stückgütern in einem Automatenschacht der Kommissionieranlage bestimmt; bei Befüllungsmangel wird automatisch ein Warnsignal generiert.
-
EP 0 753 722 A2 beschreibt ein Überwachungssystem zum Aufrechterhalten von Flüssigkeitspegeln in Flüssigkeitskreisläufen, zum Beispiel von Schmiermittelpegeln im Kühlkreislauf einer Kompressoreinrichtung. Das Überwachungssystem ermöglicht, einen zu niedrigen Füllstand an einem durchsichtigen Schauglas in einer Ölversorgungskammer eines Kompressors zu erkennen. Hierzu wird mittels einer Infrarotlichtquelle ein Strahl in die Glasplatte des Schauglases projiziert. Wenn der Strahl auf die hintere Oberfläche des Glases bei einem Auslösepegel einfällt, wird dies mittels eines Detektors erkannt und ein Ventil angesteuert, das der Ölversorgungskammer zusätzliches Öl zuführt. Eine Anordnung von zwei Lichtquellen-Detektor-Vorrichtungen kann eingerichtet werden, um einen oberen und einen unteren Ölstand zu überwachen.
-
DE 691 14 185 T2 offenbart eine Füllstands-Sensor- und -Regelvorrichtung zum Erfassen und Regeln des Füllstands von Öl im Kurbelgehäuse eines Kühlaggregat-Kompressors, wobei jedes Kurbelgehäuse eine Öffnung mit einem darin montierten Prismenelement aufweist. Die Prismenelemente weisen zwei im Winkel zueinanderstehende Oberflächen auf, die dem Öl im Kurbelgehäuse ausgesetzt sind. Ferner besitzt die Füllstands-Sensor- und -Regelvorrichtung eine Lichtquelle und einen Lichtsensor, die angrenzend an das Prisma an der Außenseite des Kurbelgehäuses montiert sind, sodass das Licht von jeder Lichtquelle auf eine der im Winkel zueinander stehenden Prismenflächen auftrifft und dadurch zur zweiten winkelbezogenen Fläche und dann zurück zum Lichtsensor reflektiert wird. Jeder Lichtsensor hat einen Ausgang, der mit dem Eingang einer Steuerschaltung verbunden ist, die eingerichtet ist, über ein Magnetventil dem Kurbelgehäuse Öl hinzuzufügen, wenn der gemessene Ölpegel im Kurbelgehäuse unter einem vorbestimmten Pegel liegt.
-
US 2003 / 0 234 374 A1 beschreibt einen nicht-prismatischen optischen Flüssigkeitspegeldetektor zur Verwendung an einem Flüssigkeitskontroll-Schaufenster. Der Flüssigkeitspegeldetektor umfasst eine Lichtquelle, die an der Außenseite des Schaufensters positioniert ist, um ihr Licht durch die Außenseite auf die Innenseite zu richten, und einen Lichtdetektor, der an der Außenseite des Schaufensters positioniert ist, um von der Lichtquelle übertragenes und zurückgesendetes Licht zu empfangen.
-
Automatisierbare Verfahren, die den Ölstand an einem vorhandenen Schauglas des Ölabscheiders oder des Kältemittelverdichters erfassen, sind dagegen nicht bekannt.
-
Nachteilig bei den bekannten automatisierbaren Ölstandsüberwachungsvorrichtungen und -verfahren ist, dass diese innerhalb des Fluids, d. h. innerhalb der Kältemittel- bzw. Ölumgebung, installiert werden müssen, also einen Eingriff in den Fluidkreislauf erfordern. So muss beispielswiese das vorhandene Schauglas zu entfernt werden, um an dieser Öffnung die Ölstandsüberwachungsvorrichtung zu installieren. Dabei dringt Luft mit Feuchtigkeit in den Kältekreislauf ein, die durch Evakuieren wieder entfernt werden muss.
-
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer ohne Eingriff in die Fluidkreisläufe an einem Schauglas zur Ölstandskontrolle installierbaren Ölstandsüberwachungsvorrichtung sowie eines voll automatisierbaren Ölstandsüberwachungsverfahrens für eine Kältemaschine mit Kältemittelverdichter und Ölabscheider.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Ölstandsüberwachungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst; eine zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ist in Anspruch 2 aufgeführt.
-
Nach Maßgabe der Erfindung sind das Ölstandsüberwachungsverfahren und die hierzu genutzte Ölstandsüberwachungsvorrichtung für Kältemaschinen vorgesehen, die einen Kältemittelverdichter und einen mit dem Kältemittelverdichter verbundenen Ölabscheider aufweisen, wobei der Kältemittelverdichter und/oder der Ölabscheider ein Schauglas zur Kontrolle des Ölstandes besitzen.
-
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ölstandsüberwachungsverfahrens genutzte Ölstandsüberwachungsvorrichtung umfasst mindestens einen optischen Sensor zur lichtbildlichen Erfassung des Ölstandes am Schauglas, mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Schauglases sowie eine mit dem optischen Sensor verbundene Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, den Ölstand auf Basis eines mit dem optischen Sensor erfassten Schauglasbildes rechnerisch zu bestimmen, zum Beispiel mittels eines in der Auswerteeinheit hinterlegten Algorithmus. Der optische Sensor kann eine Kamera oder ein Bildsensor sein.
-
Die Ölstandsüberwachungsvorrichtung ist so am Schauglas des Ölabscheiders oder des Kältemittelverdichters montiert, dass das Sichtfeld des Schauglases mittels der Lichtquelle beleuchtbar ist und im Erfassungsbereich des optischen Sensors liegt. Beispielsweise ist der als Kamera ausgebildete optische Sensor frontal auf das Schauglas gerichtet.
-
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Ölstandsüberwachungsverfahrens erfolgt unter Verwendung der beschriebenen Ölstandsüberwachungsvorrichtung.
-
Das Schauglas wird mittels der Lichtquelle ausreichend beleuchtet, um den durch das Schauglas erkennbaren Öl- bzw. Füllstand im Inneren des Ölabscheiders oder des Kältemittelverdichters sichtbar zu machen.
-
Währenddessen wird das beleuchtete, am Kältemittelverdichter oder am Ölabscheider befindliche Schauglas periodisch oder kontinuierlich mittels des optischen Sensors, vorzugsweise einer Kamera, lichtbildlich erfasst. Der erfasste Sichtbereich des Schauglases wird als Schauglasbild bezeichnet.
-
Diese vom optischen Sensor erfassten optischen Bildsignale, d. h. das lichtbildlich erfasste Schauglasbild, wird als digitales Schauglasbild an die Auswerteeinheit übertragen und der Ölstand anschließend auf Basis eines in der Auswerteeinheit hinterlegten Algorithmus berechnet.
-
Das erfindungsgemäße Ölstandsüberwachungsverfahren und die hierzu benutzte Ölstandsüberwachungsvorrichtung dienen zur Überwachung der Ölversorgung des Kältemittelverdichters der Kältemaschine.
-
Sofern die Ölstandsüberwachungsvorrichtung am Schauglas des Kältemittelverdichters installiert ist, wird die Ölversorgung des Kältemittelverdichters direkt überwacht.
-
Befindet sich die Ölstandsüberwachungsvorrichtung dagegen am Schauglas des Ölabscheiders, erfolgt eine indirekte Überwachung der Ölversorgung des Kältemittelverdichters. Die Gesamtmenge des Öls in der Kältemaschine verteilt sich - neben der weitestgehend konstanten Menge in den Leitungen - auf den Kältemittelverdichter selbst und den Ölabscheider. Mehrmengen im Ölabscheider korrespondieren mit Mindermengen im Kältemittelverdichter - und umgedreht. Dieser Zusammenhang ermöglicht es, die Ölversorgung des Kältemittelverdichters - indirekt - durch Bestimmung des Ölstandes am Schauglas des Ölabscheiders zu ermitteln. Diese Variante ist insbesondere geeignet für Kältemittelverdichter, die kein eigenes Schauglas besitzen.
-
Die Ölstandsüberwachungsvorrichtung kann mit geringem Aufwand an bestehende Kältemaschinen installiert werden, ohne dass Eingriffe in die Fluidkreisläufe erforderlich sind oder bauliche Änderungen vorgenommen werden müssen.
-
Im Unterschied zum Ablesen des Ölstandes durch einen Menschen ermöglicht das Ölstandsüberwachungsverfahren eine vollständige Automatisierung der Ölstandsüberwachung der Kältemaschine.
-
Gemäß der Erfindung werden die Ölstandsüberwachungsvorrichtung bzw. das Ölstandsüberwachungsverfahren zur Steuerung oder Regelung der Ölversorgung des Kältemittelverdichters verwendet. Hierzu umfasst die Ölstandsüberwachungsvorrichtung ferner einen Aktor zur Freigabe und/oder zur Unterbrechung der Ölrückführung vom Ölabscheider zum Kältemittelverdichter. Der Aktor kann integral in einer Baueinheit mit dem optischen Sensor und der Lichtquelle verbaut sein. Alternativ ist auch ein bereits im Ölkreislauf der Kältemaschine vorhandener Aktor nutzbar, der über eine geeignete Schnittstelle angesteuert wird. Der Aktor kann beispielsweise ein Magnetventil in der Rohrleitung der Ölrückführung vom Ölabscheider zum Kältemittelverdichter sein.
-
Das Ölstandsüberwachungsverfahren ist gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung in unterschiedlicher Weise ausführbar, je nachdem, ob sich das Schauglas am Ölabscheider oder am Kältemittelverdichter befindet.
-
Falls die Überwachung des Ölstandes am Ölabscheider durchgeführt wird, kann die Ölrückführung zum Kältemittelverdichter wie folgt gesteuert werden.
-
Erreicht oder übersteigt der (errechnete) Ölstand im Ölabscheider einen vorgegebenen oberen Grenzwert, erfolgt eine Ansteuerung des Aktors zur Ölrückführung, d. h., das Öl aus dem Ölabscheider wird in den Kältemittelverdichter rückgeführt; gleichzeitig sinkt hierbei der Ölstand im Ölabscheider.
-
Diese Ölrückführung kann zeitlich begrenzt werden, d. h., die Ölrückführung wird durch den Aktor nach einer vorbestimmten Zeit wieder unterbrochen. Alternativ kann die Ölrückführung auch beendet werden, wenn der am Schauglas erfasste, mit der Auswerteeinheit errechnete Ölstand einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht bzw. unterschreitet.
-
Wenn sich dagegen die Ölstandüberwachungsvorrichtung am Schauglas des Kältemittelverdichters befindet, wird die Ölrückführung bei Erreichen des unteren Grenzwertes aktiviert, wodurch der Ölstand im Kältemittelverdichter ansteigt. Die Ölrückführung wird wieder unterbrochen, sobald der obere Grenzwert erreicht ist bzw. alternativ nach einer vorbestimmten Zeit.
-
Eine weitere Variante ist ein fester Sollwert der Regelgröße Ölstand, nach dem stufenlos, kontinuierlich geregelt wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Ölstandsüberwachungsvorrichtung besitzt diese ein Gehäuse, das zumindest den optischen Sensor und die Lichtquelle beinhaltet. Die Auswerteeinheit und/oder der Aktor können ebenfalls im Gehäuse integriert sein, sind aber jeweils auch als separate Baueinheit ausführbar.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ölstandsüberwachungsvorrichtung mindestens ein Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Magnete oder Schellen, zum lösbaren Anbringen der Ölstandsüberwachungsvorrichtung am Schauglas aufweist.
-
Ferner kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, auf Basis des digitalen Schauglasbildes verschiedene Zustände der Kältemaschine zu erkennen und in geeigneter Weise darauf zu reagieren.
-
Sofern der Ölstand im Bereich zwischen dem vorgegebenen oberen und unteren Grenzwert liegt, arbeitet die Kältemaschine im Normalbetriebszustand.
-
Ölmangel kann vorliegen, wenn kein Öl am Schauglas sichtbar ist und somit aus dem Schauglasbild kein Ölstand ermittelbar ist. Sollte der Ölmangel trotz aktivierter Ölrückführung in einer festgelegten Zeit nicht behoben werden können, kann der Kältemittelverdichter zum Schutz vor Schäden über eine zusätzliche Schnittstelle der Ölstandsüberwachungsvorrichtung abgeschaltet werden.
-
Ist das Schauglas dagegen vollständig mit Kältemittel-Öl-Gemisch ausgefüllt, kann dies ein Indikator für die Überfüllung des Kältemittelverdichters oder des Ölabscheiders sein.
-
Beim Anfahren des Kältemittelverdichters ist zumeist Kältemittelschaum am Schauglas sichtbar. Diese Schaumstrukturen sind durch eine geeignete Bildauswertung des Schauglasbildes ermittelbar und vom Ölstand zu unterscheiden.
-
Zudem ist im Rahmen des Ölstandsüberwachungsverfahrens die Verschmutzung des Öls detektierbar, indem die am Schauglas sichtbaren Ablagerungen lichtbildlich erfasst werden. Das Schauglasbild kann hierzu mittels eines geeigneten Bildanalyseverfahrens ausgewertet werden.
-
Aus den digitalen Schauglasbildern können darüber hinaus noch weitere Informationen des Prozessverlaufes, wie z. B. die Ölfarbe, extrahiert werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Ölstandsüberwachungsvorrichtung bzw. des Ölstandsüberwachungsverfahrens ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, dass die Strahlungsleistung und/oder die Strahlungswellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichts variiert wird. Zum Beispiel kann bei kontinuierlicher Veränderung der Lichtstromdichte das Schauglasbild erfasst werden, welches den besten Kontrast liefert. Ebenso ist durch gezielte Ansteuerung mehrerer Lichtquellen, die in einem unterschiedlichen Winkel auf das Schauglas gerichtet sind, eine Optimierung der Ausleuchtung des Schauglases erreichbar. Bei Beleuchtung des Schauglases mit Licht verschiedener Wellenlängen bzw. verschiedener spektraler Zusammensetzungen kann zwischen den unterschiedlichen Fluidanteilen, wie Öl und Kältemittel, unterschieden werden.
-
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu veranschaulichen:
- 1: die Ölstandsüberwachungsvorrichtung an einem Ölabscheider, und
- 2: das Schauglasbild.
-
Der in 1 dargestellte, in den Kältekreislauf einer Kältemaschine eingebundene Ölabscheider 6 weist das Schauglas 7 auf, mit dem der Ölstand 9 innerhalb des Ölabscheiders 6 beobachtet werden kann.
-
Gegenüber dem Schauglas 7 ist die Ölstandsüberwachungsvorrichtung installiert. Der optische Sensor 1 ist als Kamera ausgebildet, deren Optik frontal auf das Schauglas 7 gerichtet ist. Mittels der Lichtquelle 2 wird das Schauglas 7 so beleuchtet, dass der Ölstand 9 am Schauglas 7 gut erkennbar ist und die Kamera ein kontrastreiches Schauglasbild aufzeichnet. Die Bilddaten werden von der Kamera an die Auswerteeinheit 4 in Form eines digitalen Schauglasbildes übermittelt. Anschließend wird mittels der Auswerteeinheit 4 das digitale Schauglasbild ausgewertet und der Ölstand 9 rechnerisch bestimmt.
-
Die Auswerteeinheit 4 ist mit dem Aktor 5, einem Magnetventil, verbunden, der je nach Ölstand 9 die Rückführung 8 des Öls zum Kältemittelverdichter freigibt oder unterbricht.
-
Die 2 visualisiert den am Schauglas 7 des Ölabscheiders 6 sichtbaren Ölstand 9. Erreicht der Ölstand 9 den oberen Grenzwert 9.2 wird über den Aktor 5 Öl zum Kältemittelverdichter rückgeführt. Sinkt der Ölstand 9 infolge der Ölrückführung 8 bis auf den unteren Grenzwert 9.1 ab, wird über den Aktor 5 die Ölrückführung 8 unterbrochen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Optischer Sensor, Kamera, Bildsensor
- 2
- Lichtquelle, Beleuchtung
- 3
- Gehäuse
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Aktor
- 6
- Ölabscheider
- 7
- Schauglas
- 8
- Ölrückführung zum Kältemittelverdichter
- 9
- Ölstand
- 9.1
- unterer Grenzwert
- 9.2
- oberer Grenzwert
