DE3915349C2

DE3915349C2 -

Info

Publication number: DE3915349C2
Application number: DE3915349A
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Fujikawa Shizuoka Jp Yamashita; Hideo Tokio/Tokyo Jp Takemoto; Tomio Shimizu Jp Yoshikawa; Shizuo Hadano Jp Zushi; Kenji Abiko Jp Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1993-06-24
Also published as: JP2834139B2; DE3915349A1; JPH01285746A; US4910968A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer solchen, für Klimaanlagen verwendeten Kühlvor richtung, wie sie aus der DE-35 23 818 A1 bekannt ist, gibt ein Lastdetektor ein dem Lastzustand der Kühlvorrichtung entsprechendes Signal an eine Speichereinheit, in der mehrere Spannung/Frequenzverhältnis-Kurven oder -Muster daten entsprechend den verschiedenen Lastzuständen des Verdichters gespeichert sind. Abhängig vom ermittelten Lastzustand werden dann entsprechende Daten von der Spei chereinheit an eine Steuereinheit gegeben, die dann ein entsprechendes Steuersignal an den frequenzgesteuerten Elektromotor für dessen Anpassung an die Last liefert. Der Öffnungsgrad des Expansionsventils der Kühlvorrichtung bleibt unverändert.

Bei einer ähnlich gebauten Kühlvorrichtung nach dem JP-GM 59 52 359 wird zu Betriebsbeginn das Expansionsventil auf einen vorgegebenen Öffnungsgrad eingestellt. Wenn der Anlauf abgeschlossen ist, wird der Öffnungsgrad des Expan sionsventils jeweils auf die Betriebsfrequenz des den Kompressor antreibenden Elektromotors eingestellt.

Bei einer weitern Kühlvorrichtung dieser Art, wie sie in der JP-OS 61/285 349 beschrieben ist, läßt sich die Fre quenz des den Kompressor antreibenden Elektromotors in einem Betriebsbereich einstellen. Eine solche Einstellung ist nicht mehr möglich, wenn der Elektromotor des Kompres sors mit minimaler Betriebsfrequenz arbeitet. Zur Änderung der Kühlleistung wird der Öffnungsgrad des Expansionsven tils dann geändert, wenn der Kompressor von dem Elektromo tor mit dessen minimaler Frequenz angetrieben wird.

Zum Stand der Technik gehört ferner eine gattungsgemäße Kühlvorrichtung, wie sie aus der JP-OS 62/52 367 bekannt ist. Bei dieser Kühlvorrichtung wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils zur Regulierung des Ansaugdrucks des Kompressors abhängig von der Betriebsfrequenz des den Kompressor antreibenden Elektromotors eingestellt.

Mit den bekannten Kühlvorrichtungen läßt sich der Bereich der Betriebsfrequenz des den Kompressor antreibenden Elek tromotors nur im beschränkten Maße verändern, was ihren Kühlbereich begrenzt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, den Kühlbereich der gattungsgemäßen Kühlvorrichtung unter Aufrechterhaltung der maximalen Kühlleistung zu erweitern, ohne daß ein maximal zulässiger Ansaugdruck des Kompressors überschritten wird.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Kühlvorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst, die im Anspruch 2 vorteilhaft weitergebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Steuerung der Kühlvorrichtung läßt sich deren Betriebsbereich für eine optimale Kühllei stung erheblich erweitern, ohne daß dies Auswirkungen auf den stabilen und kontinuierlichen Kühlbetrieb hat. Deshalb eignet sich die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besonders für den Einsatz in Klimaanlagen.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Kühlvorrichtung,

Fig. 2 in einem Diagramm die Steuerung der Kühlleistung abhängig von der Überhitzung des vom Kompressor verdichteten Kältemittels,

Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Ansaug drucks, des Förderdrucks und des Druckverhältnisses von der Betriebsfrequenz des den Kompres sor der Kühlvorrichtung von Fig. 1 antreibenden Elektromotors,

Fig. 4 in einem Diagramm die Steuerung eines mit mehre ren Kühlvorrichtungen arbeitenden Kühlsystems,

Fig. 5 in einem Diagramm die Einstellung der minimalen Kühlleistung jeder Kühlvorrichtung des Systems von Fig. 4,

Fig. 6 in einem Diagramm die Steuerung der Kühlleistung des Kühlsystems von Fig. 4 abhängig von der Be triebsfrequenz im Vergleich zu einem herkömmli chen Kühlsystem und

Fig. 7 schematisch den Steuerungsteil einer zweiten Ausführungsform der Kühlvorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Kühlvorrichtung hat einen Kompressor 1, einen Kondensator 2 mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 10 für ein Kühlmedium wie Wasser, ein Expansionsventil 3 und einen Verdampfer 4 mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 11 für ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, sowie eine Leitung H zur Verbindung dieser Elemente zu einem Kältemittelkreis lauf. Der Kompressor 1 wird von einem nicht gezeigten Invertermotor angetrieben, dessen Betriebsdrehzahl zur Änderung seiner Leistung durch Ändern der Frequenz der Speisespannung variierbar ist.

Der Kühlvorrichtung ist eine Steuereinheit 5 zugeordnet, die mit einem Temperaturfühler 6 am Kühlwasserauslaß des Verdampfers 4, mit einem Temperaturfühler 7 auf der Förder seite des Kompressors 1, mit einem Kondensationstemperatur fühler 8 am Kondensator 2, mit dem Elektromotor des Korn pressors 1 und mit einer elektronischen Stelleinrichtung 9 verbunden, die den Öffnungsgrad des Expansionsventils 3 steuert. Über diese Verbindungen empfängt die Steuereinheit 5 Eingangssignale vom Temperaturfühler 6 zur Ermittlung der Last, vom Temperaturfühler 7 und vom Kondensationstempera turfühler 8 zur Ermittlung der von der Differenz dieser Temperaturen gebildeten Überhitzung SH (Fig. 2) des ver dichteten Kältemittels, und vom frequenzgesteuerten Elek tromotor des Kompressors 1 zur Feststellung der jeweiligen Betriebsfrequenz.

Die Steuereinheit 5 regelt die Frequenz der Speisespannung des Elektromotors des Kompressors 1 abhängig von der vom Temperaturfühler 6 am Kühlwasserauslaß des Verdampfers 4 gemessenen Temperatur, die proportional zur jeweiligen Last ist.

Im Betrieb ermittelt die Steuereinheit 5 die Differenz zwischen der vom förderseitigen Temperaturfühler 7 gemesse nen Temperatur und aus der vom Kondensationstemperaturfüh ler 8 gemessenen Temperatur in Form der Überhitzung SH (Fig. 2). Der Meßwert der Überhitzung SH wird von der Steuereinheit 5 mit einem gespeicherten Sollwert unter Vorgabe eines festgelegten Toleranzbereichs verglichen. Wird dieser Toleranzbereich nicht eingehalten, gibt die Steuereinheit 5 ein Signal an die elektronische Stellein richtung 9, die den Öffnungsgrad des Expansionsventils 3 so steuert, daß Sollwert und Meßwert der Überhitzung SH in Übereinstimmung kommen. In diesem Zustand arbeitet die Kühlvorrichtung dann stabil.

In Fig. 2 sind auf der Ordinate die Kühlleistung Q und auf der Abszisse die Überhitzung SH aufgetragen. In dem Dia gramm sind Kennlinien für Betriebsfrequenzen N1 bis N4 eingezeichnet, wobei N1<N2<N3<N4.

In der Steuereinheit 5 sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Sollwerte der Überhitzung SH abhängig von der Kühlleistung Q und bezogen auf die jeweilige Betriebsfrequenz N1 bis N4 als Steuerkurve 16 gespeichert. Die Steuerkurve 16 hat im Bereich der niedrigeren Betriebsfrequenzen N3 und N4 einen Ast, der im wesentlichen der Isobaren 13 für den zulässigen Ansaugdruck entspricht, und im Bereich höherer Betriebs frequenzen N1 und N2 einen Ast, der im wesentlichen der Kennlinie für die maximale Kühlleistung bei der jeweiligen Betriebsfrequenz folgt. Die beiden Äste der Steuerkurve 16 sind durch einen stetigen Übergang verbunden, der im Hin blick auf die optimale Kühlleistung durch Versuche ermit telt wird.

Anstelle der Nachstellung des Öffnungsgrads des Expansions ventils 3 der Ausführungsform von Fig. 1 kann, wie in Fig. 7 gezeigt ist, zur Kompensation der von der Steuereinheit 5 festgestellten Abweichung zwischen Meßwert und Sollwert der Überhitzung SH auch der Öffnungsgrad eines in der Ansaug leitung des Kompressors 1 angeordneten Druckregelventils 70 eingestellt werden.

Längs der gestrichelten geraden Linie 12 von Fig. 2 ergibt sich für die entsprechende Betriebsfrequenz die maximale Kühlleistung bei üblichen Überhitzungen. Wenn die gerade gestrichelte Linie 12 als oberer Ast der Steuerkurve be nutzt wird, ergibt sich die minimale Betriebsfrequenz, bei der der zulässige Ansaugdruck des Kompressors nicht über schritten ist im Punkt 14 auf der gestrichelten Kennlinie für die Betriebsfrequenz N3. Der zulässige Bereich, in nerhalb dessen der Kompressor arbeiten kann, liegt über dem Punkt 14. Der Bereich, innerhalb dessen die Kühlleistung geändert werden kann, ist durch den Abstand ΔQA zwischen dem Punkt 15 auf der Kennlinie für die maximale Betriebs frequenz N1 und dem Punkt 14 veranschaulicht.

Die in Fig. 2 gezeigte Steuerkurve 16 folgt mit ihrem unteren Ast im wesentlichen dem Verlauf der Isobaren 13, damit der zulässige Ansaugdruck des Kompressors 1 im Be reich der niedrigen Betriebsfrequenzen nicht überschritten wird. Auf der mit Schraffur versehenen Seite der Kurve 13 wird die zulässige obere Grenze des Ansaugdrucks des Ko pressors unterschritten. Dies ergibt für die Kennlinie der minimalen Betriebsfrequenz N4 den Punkt 17 der Steuerkurve 16. Die beiden Äste der Steuerkurve 16 sind durch den stetigen Übergang verbunden. Dadurch läßt sich der Bereich der Kühlleistung auf die Differenz ΔQB zwischen den Punkten 15 und 17 vergrößern.

In Fig. 3 ist auf der Abszisse der Betriebsfrequenzbereich zwischen den Betriebsfrequenzen N1 und N4 in Hz aufgetra gen. Auf der Ordinate sind jeweils der Ansaugdruck Ps, der Förderdruck Pd und ein aus diesen beiden Größen gebildetes Druckverhältnis Pd/Ps aufgetragen. Die Grenzlinie 13 für den Ansaugdruck des Kompressors entspricht der Isobaren 13 von Fig. 2. Für das Druckverhältnis ist eine Grenzlinie 20 eingezeichnet, auf deren schraffierter Seite die nicht mehr zulässigen Betriebsgrenzen liegen. Die dem unteren Teil der gestrichelten geraden Linie 12 von Fig. 2 entsprechende Teil ist in Fig. 3 mit 22 bezeichnet. Die Steuerkurve 16 von Fig. 2 entspricht der Linie 21 in Fig. 3. Die Kurve 21 verläuft oberhalb des zulässigen Druckverhältnisses.

Wenn die Kühlvorrichtung zu unterschiedlichen Jahreszeiten eingesetzt wird, ergeben sich aufgrund der jeweils herr schenden Umgebungsbedingungen, wie der Atmosphärentempera tur, unterschiedliche Förderdrücke Pd, und somit auch unterschiedliche Druckverhältnisse Pd/Ps, was durch die Kurven 21′ und 22′ veranschaulicht ist. Um das Druckver hältnis auch dann oberhalb der Grenzlinie 20 zu halten, wird bei der Luftkühlung des Kondensators ein Ventil zum Einstellen des Kondensationsdrucks und bei Wasserkühlung ein Regulierventil vorgesehen, wodurch sich die Kondensa tion des Kältemittels entsprechend einstellen läßt.

Ein Steuerzustand eines Systems, das eine Vielzahl von Kühl vorrichtungen aufweist, von denen jede entsprechend der vor stehend beschriebenen Ausführungsform gebaut ist, wird im folgenden anhand von Fig. 4 erläutert. Bei diesem Beispiel sind drei Kühlvorrichtungen Nr. 1 bis Nr. 3 vorgesehen, von denen jede in dem Frequenzbereich N1 bis N4 betrieben wird. Der untere Abschnitt des Diagramms in Fig. 4 zeigt den Be triebszustand jeder Kühlvorrichtung, der obere Abschnitt des Diagramms zeigt eine Änderung der Kühlleistung des Gesamt systems. In Fig. 4 sind die Steuerschritte für die einzel nen Kühlvorrichtungen in Betrieb innerhalb des Bereichs der Kühlleistung mit Doppelpfeilen 31 bis 33 bezeichnet, wobei der Doppelpfeil 31 für den Fall gilt, daß eine einzige Kühlvorrichtung arbeitet, der Doppelpfeil 32 für den Fall gilt, daß zwei Kühlvorrichtungen arbeiten, und der Doppel pfeil 33 für den Fall gilt, daß alle drei Kühlvorrichtungen in Betrieb sind.

Bei diesem System wird die Steuereinheit so eingestellt, daß die minimale Kühlleistung 34 bei der Frequenz N4 jeder Kühlvorrichtung kleiner ist als etwa die halbe maximale Kühlleistung 35 bei der Frequenz N1. Das System ist so ausgelegt, daß es mit einer Zunahme oder Abnahme der Last durch Steigerung oder Verringerung der Anzahl der arbeiten den Kühlvorrichtungen genauso wie ein herkömmliches System dieser Art fertig wird. Durch Einstellen der minimalen Kühlleistung einer jeden Kühlvorrichtung, wie oben be schrieben, ist es jedoch möglich, Betriebsabschnitte 31a und 32a zu schaffen, bei denen sich ein vorhergehender und ein folgender Schritt zur Steuerung der Anzahl der arbei tenden Kühlvorrichtungen überlappen, wenn die Anzahl der arbeitenden Kühlvorrichtungen erhöht oder verringert wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Als Folge ist es möglich, eine Extraperiode zum Beobachten des Ansprechzustandes der Kühlleistung des Systems für die Steuerung zu schaffen, um die Anzahl der arbeitenden Kühlvorrichtungen zu bestimmen, wenn die Kühlleistung gesteigert oder verringert wird, wodurch ein häufiges Zu- und Abschalten jeder Kühlvorrich tung vermieden wird.

Im Folgenden wird die minimale Kühlleistung einer jeden Kühlvorrichtung beschrieben. Fig. 5 zeigt die Beziehung bei einer Steuerung der Kühlleistung Q und der Überhitzung SH bezogen auf die Betriebsfrequenz des Kompressors in Hz. Der Kompressor wird beispielsweise mit einer Frequenz f′ zwi schen der minimalen Frequenz f₀ und der maximalen Frequenz f ansprechend auf die Kühllast betrieben. In Fig. 5 stellt eine gestrichelte Linie 42 die Kühlleistungscharakteristik für den Fall dar, in welchem der Kältemittelkreislauf entsprechend einer im wesentlichen konstanten Überhitzung Sh′ gesteuert wird, was durch eine gestrichelte Linie 40 gezeigt ist. In diesem Fall wird die Breite der Änderung der Kühlleistung durch g-g′ dargestellt. Wenn die Überhit zung SH nach der Steuerkurve 16 von Fig. 2 gesteuert wird, wird der Betriebsbereich der Kühlvorrichtung erweitert. Die Überhitzung SH wird auf einen Wert sh erhöht, was durch eine ausgezogene Linie 43 veranschaulicht ist, so daß die Kälteleistung bei der minimalen Frequenz f₀ etwa die halbe maximale Kälteleistung g ist. Als Folge wird die Kühllei stung geändert, was durch eine ausgezogene Linie 41 ver anschaulicht wird. Die Kühlleistung kann so zwischen g und (1/2)g geändert werden. Die Summe der Kältemittelleistung kann dann kontinuierlich von (1/2)g bis 3g in dem kombi nierten System der Kühlvorrichtungen geändert werden, was anhand von Fig. 6 erläutert wird.

In Fig. 6 sind die Betriebsweisen der Kühlvorrichtungen Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 mit 45a, 45b, bzw. 45c bezeichnet. Die Betriebsweisen Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 von Kühlvorrichtungen eines herkömmlichen Systems sind mit 46a, 46b und 46c bezeichnet.

Die variablen Bereiche der Kühlleistung der jeweiligen Kühlvorrichtungen bei dem herkömmlichen System sind in Fig. 6 durch (3/4)g bis g, (3/2)g bis 2g und (9/4)g bis 3g veranschaulicht, was durch gestrichelte Linien 60, 61 und 62 gezeigt ist. Dementsprechend ist die Kühlleistung des Systems zwischen (1/2)g und (3/4)g, zwischen g und (3/2)g und zwischen 2g und (9/4)g diskontinuierlich. In diesen diskontinuierlichen Bereichen wird die Steuerung häufig durch Einschalten oder Ausschalten des Kompressors ausge führt, um einer Lastanforderung zu genügen, was zu einer Verringerung der Lebensdauer der Vorrichtung führt.

Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Betrieb des herkömmlichen Systems ist es mit der der Steuerkurve 16 von Fig. 2 entsprechenden Steuerung möglich, den Betriebsbe reich des Systems kontinuierlich zu halten und die Kühllei stung ohne Einschaltung und Abschaltung der Kompressoren zu erbringen. Jede Kühlvorrichtung hat die maximale Kühllei stung g bei der maximalen Betriebsfrequenz f und eine Kühlleistung, die etwa der halben maximalen Kühlleistung entspricht, bei der minimalen Betriebsfrequenz f₀. Sollte also die notwendige Kälteleistung ansprechend auf einen Lastbedarf gemessen werden, der dem der jeweiligen Kühlvor richtungen gleich ist, reicht die Gesamtfrequenz F für das Kühlsystem von f₀ bis 3f, und die gesamte Kühlleistung reicht von (1/2)g bis 3g. Somit ist es möglich, das System auf kontinuierliche und stabile Weise zu betreiben, was in Fig. 6 durch eine ausgezogene Linie 50 veranschaulicht ist.

Claims

1. Kühlvorrichtung, bei welcher über eine Kältemittellei tung (H) ein Kompressor (1), der von einem frequenzge steuerten Elektromotor angetrieben wird, ein Kondensator (2), eine Expansionseinrichtung (3) und ein Verdampfer (4) zu einem Kreislauf in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind, und eine Steuereinheit (5) vorgesehen ist, in der der Arbeitsbereich der Betriebsfrequenzen (N1 bis N4) des Elektromotors für den Kompressorantrieb gespeichert ist und die den Elektromotor des Kompressor antriebs lastabhängig (Temperaturfühler 6) steuert, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuereinheit (5) Eingangssignale von einem dem Kompressorauslaß zugeordneten Temperaturfühler (7) und einem dem Kältemittelkondensatorauslaß zugeord neten Kondensationstemperaturfühler (8) erhält und daraus die als Überhitzung (SH) des verdichteten Kältemittels bezeichnete Differenz bildet,
- daß in der Steuereinheit (5) eine Steuerkurve (16) für die Sollwerte dieser Überhitzung (SH) abhängig von der Kühlleistung (Q) und bezogen auf die jeweilige Be triebsfrequenz (N1 bis N4) gespeichert ist, deren Ast im Bereich niedriger Betriebsfrequenzen (N3, N4) im wesentlichen der Isobaren (13) für den zulässigen Ansaugdruck und deren Ast im Bereich hoher Betriebs frequenzen (N1, N2) im wesentlichen der Kennlinie für die maximale Kühlleistung bei der jeweiligen Betriebs frequenz folgt, wobei die beiden Äste durch einen stetigen Übergang verbunden sind,
- daß die Steuereinheit (5) Abweichungen der ermittelten Überhitzung vom Sollwert der Steuerkurve (16) fest stellt und
- daß die Steuereinheit (5) abhängig von der jeweils festgestellten Abweichung zur Kompensation der Ab weichung entweder den Öffnungsgrad der Expansions einrichtung (3) über die Stelleinheit (9) oder den Öffnungsgrad eines in der Ansaugleitung des Kompres sors (1) angeordneten Druckregelventils (70) ein stellt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die in der Steuereinheit (5) gespeicherte minimale Betriebsfrequenz (f₀) so gewählt ist, daß die zugehörige Kälteleistung kleiner als die halbe Kälteleistung (g) bei maximaler Betriebs frequenz (f) ist.