DE69415359T2

DE69415359T2 - Verschwommene Logik-Anlagenregelung

Info

Publication number: DE69415359T2
Application number: DE69415359T
Authority: DE
Inventors: Timothy M. Evansville Indiana 47715 Knezic; Steven J. Stevensville Michigan 49127 Kuehl
Original assignee: Whirlpool Corp
Current assignee: Whirlpool Corp
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: EP0611147B1; EP0611147A3; US5261247A; EP0611147A2; DE69415359D1; ATE175018T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kühlgeräte und insbesondere auf ein Verfahren zum Betreiben von Kühlgeräten mit einer Vielzahl von Verdampfern.
In typischen Hauskühlgeräten hat das Gerät oft zwei separate Abteile, die auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden, z. B. kann ein Gefrierabteil vorhanden sein, das eine Temperatur unterhalb 0ºC hat, und ein Frischhalteabteil, das bei einer Temperatur etwas oberhalb 0ºC gehalten wird.
In vielen kommerziell erhältlichen Kühlgeräten wird ein einziger Verdampfer verwendet mit einem Verdampfungdruck von ungefähr 1,01-1,15 bar (0-2 psig). Über dem Verdampfer zirkuliert die Luft sowohl vom Gefrierabteil als auch vom Kühlabteil. Dieses "gemischte" Luftströmungsschema führt zu einer Entfeuchtung des Kühlabteils und nachfolgend zum Frostaufbau auf der einzigen Ver dampferschlange, was einen periodischen Abtauzyklus notwendig macht, um den angesammelten Frost zu entfernen.
Weiterhin führt die Verwendung eines einzigen Verdampfers beim Kühlen von zwei Abteilen, die auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden, beim Abteil mit der höheren Temperatur zu einer ineffizienten Ausnutzung des Kühlsystems.
Es ist aus der Technik bekannt, in Kühlgeräten mehrere Verdampfer einzusetzen. Die US-PS 2,576,663 offenbart die Verwendung von zwei Verdampfern, von denen jeder für ein eigenes Kühlabteil vorgesehen ist. Die Verdampfer werden wechselweise durch ein Steuerventil mit Kühlmittel versorgt.
Die US-PS 3,390,540 offenbart die Verwendung mehrerer Verdampfer in einem Kühlsystem. Jeder Verdampfer wird von einem Expansionsventil gesteuert, und es ist möglich, mehr als einen Verdampfer zur gleichen Zeit zu betreiben.
Die US-PS 3,108,453 offenbart ein Kühlsystem mit mehreren Verdampfern, wobei die Verdampfer unabhängig voneinander verwendet werden können. Weiterhin wird in Verbindung mit mindestens einem der Verdampfer ein Phasenumwandlungsmaterial verwendet.
Die US-PS 3,786,648 offenbart die Verwendung mehrerer Verdampfer zum Steuern der Temperatur mehrerer Abteile, wobei die Verdampfer unabhängig voneinander arbeiten.
Die US-PS 4,439,998 offenbart ein Kühlgerät mit mehreren Verdampfern und einem elektronisch gesteuertem Kühlsystem, um bevorzugt einem bestimmten Verdampfer Kühlflüssigkeit zuzuführen, wobei aber nach einer vorbestimmten Zeitdauer durch das Ventilsystem einem anderen Verdampfer Kühlflüssigkeit zugeführt wird.
Die US-PS 4,916,916 offenbart die Verwendung eines Energiespeichermaterials zur Phasenumwandlung in Verbindung mit einem Kühlsystem mit mehreren Verdampfern.
In den US-PS 4,716,540 und 4,910,648 werden Fuzzy Logic-Steuerungen offenbart. Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlgerätes vorgeschlagen, das mindestens zwei separate zu kühlende Abteile hat und eine Kühleinrichtung mit einem Verdampfer für jedes Abteil, d. h. mindestens zwei separate Verdampfer, wobei man
1) in jedem Abteil eine Temperatur mißt,
2) für jeden Verdampfer eine Ist-Zyklusdauer bestimmt,
3) in jedem Abteil eine Temperaturdifferenz zu einer vorgewählten Soll- Temperatur bestimmt,
4) für jedes Abteil ein Temperatur-Zeit-Gefälle bestimmt,
5) die bestimmten Werte nach vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen auf linguistische Weise abbildet, um Werte einer Eingabemenge zu erhalten,
6) auf die Werte der Eingabemenge vorbestimmte Logikregeln anwendet, um Werte für eine Ausgabemenge von Konsequenten abzuleiten, die "Verdampfer des ersten Abteils EIN", "Verdampfer des zweiten Abteils EIN" und "beide Verdampfer AUS" aufweist,
7) bestimmt, welcher der Ausgabewerte am höchsten ist,
8) den Betrieb der Verdampfer entsprechend dem höchsten der Ausgabewerte einleitet und beendet, und
9) zum Schritt 1 zurückkehrt.
Die Erfindung stellt auch ein Kühlgerät bereit mit mindestens zwei separaten Verdampfern, d. h. einem Verdampfer pro Abteil, mit
einer Einrichtung zum Messen der Temperaturen in den Abteilen,
einer Einrichtung zum Messen der Ist-Zyklusdauer jedes Verdampfers,
einer Einrichtung zum Bestimmen der Temperaturdifferenzen zu einer vorgewählten Solltemperatur in jedem Abteil,
einer Einrichtung zum Bestimmen eines Temperatur-Zeit-Gefälles für jedes Abteil,
einer Einrichtung zum Abbilden der vorbestimmten Werte auf linguistische Werte nach vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen, um die Werte einer Eingabemenge zu erhalten,
einer Einrichtung zum Anwenden bestimmter logischer Regeln auf die Eingabemenge, um Werte für eine Ausgabemenge von Konsequenten abzuleiten, die "Verdampfer des ersten Abteils EIN", "Verdampfer des zweiten Abteils EIN" und "beide Verdampfer AUS" aufweist,
einer Einrichtung, mit der bestimmbar ist, welcher der Ausgabewerte am höchsten ist, und
einer Einrichtung zum Einleiten und Beenden des Betriebs der Verdampfer entsprechend dem höchsten der Ausgangswerte.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum Betreiben eines Kühlgerätes mit mehreren Verdampfern, wobei die Verdampferkreise sequentiell in Übereinstimmung mit einem Fuzzy Logic-Steuersystem arbeiten. In den bevorzugten Ausführungsformen werden zwei Verdampferkreise offenbart, von denen einer ein Gefrierabteil betreibt und der andere ein Frischhalteabteil. Das Gefrierabteil läuft typischerweise bei 1,01 bei 1,15 bar (0-2 psig) Verdampfungsdruck, bis die erforderlichen Bedingungen erfüllt sind. Der Kühlabschnitt läuft dann typischerweis bei 2,25-2,53 bar (18-22 psig) Verdampfungsdruck, wobei bei diesem Druckpegel signifikante Energieeinsparungen erzielt werden.
Ein einzelner Verdampfer liefert das Kühlmittel durch den Kondensator, der dazu dient, entweder die Hoch- oder Niederdruck-Verdampfer durch bekannte Ausdehnungsvorrichtungen zu speisen, wie etwa Kapillarröhren, Expansionsventile usw. Obwohl viele verschiedene Kreisarten offenbart sind, verwendet jede eine Art Magnetventil am Kapillarrohreinlaß, um zu bestimmen, welcher Verdampfer gespeist wird.
In einigen Einrichtungen, in denen die Erfindung verwendet wird, kann bei einem oder mehreren der Verdampfer ein Phasenumwandlungsmaterial verwendet werden, um einen effizienteren Kompressor auszunutzen und um den Gesamtenergieverbrauch des Kühlgerätes zu reduzieren.
Eine Fuzzy Logic-Algorithmussteuerung führt die Verfahrensschritte aus und legt fest, welcher Verdampfer zu welcher Zeit betrieben werden soll. Der Algorithmus kann eingeteilt werden in zwei Hauptfunktionen: Entscheidung und Zeitgebung. Die Entscheidungsfunktion bestimmt, in welchem Betriebszustand die Einheit laufen soll. Die Zeitgebungsfunktion dient dazu, die elektrischen Komponenten in einer bestimmten Zeitsequenz bei gegebenem Betriebszustand ein-oder auszuschalten. Der Entscheidungsabschnitt des Algorithmus verwendet Fuzzy Logic.
Der Steueralgorithmus für das Dual-Verdampfer-System muß den Kompressorzustand auswählen: dem Frischhalteabteil zugewiesen, dem Gefrierabteil zugewiesen oder aus.
Anstelle der Verwendung des klassischen Thermostatansatzes, wobei der Kompressorzustand eine Funktion der jedem Abteil zugeordneten Schwellentemperaturen ist, wählt die Fuzzy Logic-Steuerung den Kompressorzustand aus, um den Energieverbrauch des Systems und der Systemumgebungen (Frischhalte- und Gefrierabteilungen) zu optimieren.
Fig. 1 ist eine Schrägansicht eines Kühlgerätes, in dem das Verfahren nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht des Gerätes aus Fig. 1.
Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform eines Kühlkreislaufdiagrammes.
Fig. 4 ist die Darstellung des Kühlzyklus in einem Druck-Enthalpie-Diagramm.
Fig. 5 ist eine typische Darstellung der Kompressorleistung über der Zeit mit einem sequentiell betriebenen Dual-Verdampfer-Kühlgerät.
Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform eines Kühlkreislaufdiagramms.
Fig. 7 ist eine dritte Ausführungsform eines Kühlkreislaufdiagramms.
Fig. 8 ist die erste Ausführungsform des Kühlkreislaufdiagramms in einem Aus- Zyklus-Modus.
Fig. 9 ist die erste Ausführungsform des Kühlkreislaufdiagramms in einem Kühlmodus.
Fig. 10 ist die erste Ausführunsform des Kühlkreislaufdiagramms in einem Gefriermodus.
Fig. 11 ist die erste Ausführungsform des Kühlkreislaufdiagramms in einem Gefriermodus mit ausgepumptem Verdampfer.
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, das die Steuersequenzen für die mehreren Verdampfern darstellt.
Fig. 13 ist eine schematische graphische Darstellung von Zeit über Temperatur innerhalb des Gefrierabteils und der Beziehung zum Zyklus zum Einleiten des Abtauens.
Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm einer Steuerung mit ihren verschiedenen Eingaben und Ausgaben.
Fig. 15 ist ein vereinfachtes Flußdiagramm eines Steueralgorithmus für ein Dual- Verdampfungs-Kühlsystem, der Fuzzy Logic verwendet.
Fig. 16 stellt die Zugehörigkeitsfunktion für die Frischhaltetemperaturdifferenz dar.
Fig. 17 stellt die Zugehörigkeitsfunktion für die Gefriertemperaturdifferenz dar.
Fig. 18 zeigt die Zugehörigkeitsfunktion für die Temperatur-Zeit-Gradienten.
Fig. 19 stellt die Zugehörigkeitsfunktion für die Zyklusdauer dar.
Fig. 20 stellt die traditionellen Zugehörigkeitsdefinitionen dar.
Fig. 21 stellt das Fuzzy Logic-Regelwerk dar.
In den Fig. 1 und 2 wird im allgemeinen bei 20 ein Kühlgerät gezeigt, das ein äußeres Gehäuse 22 aufweist mit einer ersten zu öffnenden Tür 24, die ein erstes inneres Abteil 26 freigibt, und mit einer zweiten zu öffnenden Tür 28, die ein zweites inneres Abteil 30 freigibt. Innerhalb jedes der Abteile 26, 30 können sich einer oder mehrere Böden 32 befinden zum Aufnehmen von Nahrungsmitteln. Allgemein wird eines der Abteile 26, 30 auf einer Temperatur hinreichend unter 0ºC gehalten, um sicherzustellen, daß alle in diesem Abteil enthaltenen Artikel in gefrorenem Zustand gehalten werden. Das andere Abteil wird im allgemeinen bei einer Temperatur etwas oberhalb von 0ºC gehalten, um die dort enthaltenen Stücke in einem gekühlten, aber nicht gefrorenen Zustand zu halten.
Um die Abteile auf den gewünschten Temperaturwerten zu halten, wird ein Kühlgerät vorgeschlagen, das einen Kompressor 34 umfaßt, einen Kondensator 36, einen Verdampfer 38 für das erste Abteil 26 und einen zweiten Verdampfer 40 für das zweite Abteil 30. Geeignete Luftumwälzvorrichtungen 42, 44 sind vorgesehen, um innerhalb jedes der Abteile die Luft um den jeweiligen Verdampfer umzuwälzen, um eine ziemlich gleichmäßige Temperatur über das ganze Abteil aufrechtzuerhalten.
Für jedes Abteil 26, 30 gibt es einen Temperatursensor 46, 47, um einer Gerätesteuerung 48 (Fig. 14) geeignete Signaleingaben zu liefern.
Obwohl beim Ausführen der Schritte des erfinderischen Verfahrens verschiedene Typen von Kühlkreisläufen mit mehreren Verdampfern, die alle sequentiell und nicht gleichzeitig betrieben werden, verwendet werden können, wird in den Fig. 3 und 6-11 eine Anzahl von speziellen beispielartigen Kühlkreisläufen im Detail dargestellt.
Fig. 3 stellt eine erste Ausführungsform eines Kühlkreislaufes dar, und in dieser Ausführungsform liefert der einzelne Kompressor 34 Kühlmittel durch die Leitung 50 an den einzelnen Kondensator 36. Das Kühlmittel strömt dann aus dem Kondensator auf die Leitung 50 und wird parallelen Leitungen 54, 56 zugeführt, von denen jede mit einem individuellen Magnetklappenventil 58, 60 versehen ist. Die Magnetventile 58 und 60 sollten vorzugsweise vom aufklappbaren Typ sein, was für eine kurze Zeit (Bruchteil einer Sekunde) Energie erforderlich macht, um die Stellung vom offenen in den geschlossenen Zustand zu wechseln. Werden keine Klappenventile verwendet, dann sollte das Ventil 58 ein normalerweise geschlossener Typ und das Ventil 60 auch vorzugsweise ein geschlossener Typ sein, der normalerweise offene Typ kann aber auch verwendet werden. Die Leitungen 54 und 56 laufen durch einen Wärmetauscher 62 zu den Verdampfern 38 bzw. 40. Ein Steuerventil 64 befindet sich an der Saugleitung 66, die vom Verdampfer 38 abgeht. Die Saugleitung 68, die vom Verdampfer 40 abgeht, weist kein solches Ventil auf. Die Leitungen 66 und 68 vereinigen sich in einer Wiederansaugleitung 70, die auch auf ihrer Rückkehr zum Kompressor 34 durch einen Wärmetauscher 62 läuft.
Fig. 4 ist die Darstellung eines sequentiell betriebenen Zwei-Verdampfer- Kühlsystems in einem Druck-Enthalpie-Diagramm. Wie in Fig. 4 zu sehen, zeigt der FC-Modus den Gefrierbetriebsmodus an, und die Verdampfung tritt bei einem niedrigeren Saugdruck auf, ähnlich dem herkömmlichen Kühlsystem. Der RC-Modus zeigt das Kühlen eines Frischhalteabteils an, und die Verdampfung tritt bei einem höheren Saugdruck auf.
Fig. 5 ist der typische Graph mit der Kompressorleistung (Y-Achse) über der Zeit (X-Achse). Wie in Fig. 5 gezeigt, hat der Frischhaltekühlmodus die höheren Kompressorleistungsspitzen und der Gefrierkompressorbetrieb die niedrigeren Kompressorleistungsspitzen und es besteht kein Energieverbrauch (Aus-Zyklus) zwischen den An-Zyklus-Betriebsmodi. Wie aus den Leistungsdaten ersichtlich, folgen der Frischhaltekühlmodus und der Gefrierkühlmodus in sequentieller Weise aufeinander ohne einen Aus-Zyklus dazwischen, und zu anderen Zeiten werden sie getrennt durch einen Aus-Zyklus.
Eine zweite Auführungsform (Fig. 6) des Gefrierzyklus' enthält viele derselben Komponenten, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 3. Der primäre Unterschied zwischen der Ausführungsform in Fig. 6 und der in Fig. 3 besteht in einer Ausweichleitung 72, die um den Kompressor 34 herum angeordnet ist, was einen Druckausgleich über den Kompressor durch ein Magnetventil 74 vor dem Hochfahren erlaubt.
Eine dritte Ausführungsform (Fig. 7) des Kühlzyklus' enthält wiederum viele derselben Komponenten, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 3. Der primäre Unterschied zwischen der Ausführungsform in Fig. 7 und der in Fig. 3 besteht darin, daß ein Drei-Wege-Klappenventil 76 an der Verbindung der Leitungen 54 und 56 verwendet wird, was ein Fließen des Kühlmittels entweder durch Leitung 56 oder durch Leitung 54 erlaubt, aber nicht durch beide. Die dritte Position des Ventils 76 schließt beide Leitungen 56 und 54.
Die Anmelder haben festgestellt, daß zur Zeit die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform das höchste Potential zur Energieeinsparung während des Betriebs aufweist. Daher werden die vielen Betriebsmodi der beiden Verdampfer in Bezug auf diese Ausführungsform beschrieben. In dieser Ausführungsform wird der Verdampfer 38 im Gefrierabteil 26 verwendet, das bei einer Temperatur unter halb der Gefriertemperatur gehalten wird, und daher wird der Verdampfer bei einem niedrigeren Druck betrieben, im allgemeinen in einem Bereich von 1-1,15 bar (0-2 psig).
Der Verdampfer 40 wird im Frischhalteabteil verwendet, das im allgemeinen oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird, und wird bei einem höheren Druck betrieben, im allgemeinen in einem Bereich von 2,25-2,53 bar (18-22 psig). Mit hinreichender Wärmeisolierung um das Gefrierabteil 26 kann die prozentuale Laufzeit im Gefriermodus, d. h. im Modus, in dem das Gefriermittel dem Verdampfer 38 zugeführt wird, wesentlich reduziert werden, wie auf etwa 20-25% der Gesamtlaufzeit. Die verbleibende Laufzeit wird zum Betrieb des Verdampfers 40 für das Frischhalteabteil verwendet.
Da der Verdampfer 40 bei einem höheren Saugdruck arbeitet, wo der Kompressor 34 eine sehr viel höhere Kühlkapazität hat, könnte ein verkleinerter Kompressor mit niedrigerer Kapazität in einem solchen System verwendet werden. Ein leichtes bis moderates Verkleinern des Kompressors ist möglich und wird in der Erfindung angewendet. Die Kühlkapazität des Kompressors kann herabgesetzt werden auf 0-40% in Bezug auf ein System nach dem Stand der Technik mit einem einzigen Verdampfer und einem einzigen Kompressor, wie es in einem ähnlichen Kühlschrankgehäuse verwendet wird. Jedoch führt die derzeitige Kompressortechnologie bei kleineren Größen mit geringerer Kapazität zu einer Verringerung der Effizienz des Kompressors, wenn der Kompressor so weit verkleinert wird. Diese Verschlechterung beruht auf mechanischen und Herstellungsgrenzen bei kleineren Kompressormechanismen.
Die Anmelder haben daher herausgefunden, daß der Kompressor 34 mit ähnlicher Kapazität wie in einem vergleichbaren herkömmlichen Einzelverdampfer- Verdampfungskompressionssystem oder mit etwas verringerter Kapazität (aber immer noch zu groß für ein sequentiell betriebenes Dual-Verdampfer-System) in den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden kann, wobei die überschüssige Kühlkapazität als Wärmeenergie in einem Wärmespeicher oder einem Phasenumwandlungsmaterial gespeichert wird, das dem Verdampfer 40 (und dem Verdampfer 38, falls gewünscht) zugeordnet ist, so daß das Material während des Betriebs des Verdampfers 40 seinen Zustand entweder von Gas zu Flüssigkeit ändert oder von Flüssigkeit zu Festkörper. Ein Beispiel für ein solches Material könnte eine Mischung aus Wasser (80-100%) mit einem organischen Material sein, wie etwa Propylenglykol (20-100%). Das erlaubt es, den Kompressor weniger oft laufen zu lassen und die überschüssige Kompressorkühlkapazität zu aufzunehmen, wodurch er bei höheren Saugdrücken als gewünscht laufen kann, je nach dem Phasenumwandlungsmaterial, das die Wärmeenergie absorbiert während der Zeiten, wenn das Kühlmittel nicht durch den Verdampfer 40 zugeführt wird. Natürlich kann mit der überschüssigen Kühlkapazität auch so umgegangen werden, daß der Verdampfer 40 größer gestaltet wird mit einem angemessenen Luftstrom im Frischhalteabteil, allerdings würde der Verdampfer 40 dann mehr Platz einnehmen und somit mehr Volumen des gekühlten Raumes.
Um ein Umschalten zwischen zwei verschiedenen Kühlkreisläufen zum sequentiellen Betrieb gewährleisten und um eine angemessene Ladungsverteilung im Kreislauf aufrechtzuerhalten, verwendet die derzeitige Erfindung die Kühlmittelventile 58 und 60 und ein Steuerventil 64. Die Kühlventile 58 und 60 können von der Art sein, die von einem Magneten betrieben werden, sind aber nicht darauf begrenzt. In der Tat verwendet die in der Fig. 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform zwei Magnetklappenventile 58 und 60. Die regulären Magnetventile erfordern elektrische Leistung (im 5-15 W-Bereich), um ihre Spulen offen oder geschlossen zu halten (hängt davon ab, ob sie vom normalerweise geschossenen oder offenen Typ sind), weshalb zumindest für einen bestimmten Teil ihres Betriebs Energieverbrauch notwendig ist. Weiterhin wird ein Teil der von der Magnetspule verwendeten Energie dem Kühlmittel in der Form von Wärme zugeführt. Beides beeinflußt zu einem kleinen Grad die Gesamtenergieeffizienz des Kühlsystems und vermindert die von einem sequentiell betriebenen Dualverdampfungssystem erwarteten Energieeinsparungen. Die Magnetklappenventile (Ventile 58 und 60 in Fig. 3) erfordern andererseits nur einen Impuls (sehr kurz, im Bereich von Millisekunden) einer elektrischen Eingabe, um die Stellung zu wechseln, erfordern dann aber keine weitere Energie, um offen oder geschlossen zu bleiben.
Das Steuerventil 64 ist in dieser Erfindung einzigartig und entscheidend für die richtige Kühlmittel-Ladungs-Verteilung während des sequentiellen Betriebs. Ohne es würde das Kühlmittel mit höherem Druck vom Verdampfer 40 während des Frischhaltekühlmodus in den Bereich mit niedrigerem Druck im kälteren Gefrierverdampfer 38 wandern und sich dort anhäufen. Da die Kühlmittelladung nur basierend auf einem einzelnen Kreislauf bestimmt wird, würde die Kühlmittelansammlung im Verdampfer 38 dazu führen, daß das System weniger als die optimale Ladung an Kühlmittel hat, was zu einer Unterversorgung des Verdampfers 40 während des Frischhaltekühlmodus' führen würde. Das Rückschlagventil 64 mit dem höheren Saugdruck an Leitung 70 schließt während des Frischhaltekühlmodus' verhindert daher ein Ansammeln des Kühlmittels im Verdampfer 38. Während des Gefrierkühlmodus' sinkt der Saugdruck in Leitung 70 ab und das Rückschlagventil 64 öffnet, wodurch der Fluß durch den Verdampfer 38 stattfinden kann. Da der Saugdruck an Leitung 70 niedriger ist als der Druck im Verdampfer 40 während des Gefrierkühlmodus', besteht kein Bedarf für ein Steuerventil am Auslaß des Frischhalteverdampfers 40.
In Bezug auf die Betriebsmodi des Kühlkreislaufes aus Fig. 3 stellen die Fig. 8-11 die verschiedenen Betriebsmodi dar.
In Fig. 8 ist der Aus-Zyklus-Modus dargestellt. In diesem Betriebsmodus werden das Magnetklappenventil 60, das die Leitungen 56 und 52 verbindet, und das Magnetklappenventil 58, das die Leitungen 54 und 52 verbindet, beide für den größten Teil des Aus-Zyklus' geschlossen. Das Steuerventil 64 auf Leitung 66 wird auch während des Aus-Zyklus-Modus' geschlossen und es befindet sich im wesentlichen kein Kühlmittel (etwas Kühlmitteldampf kann vorhanden sein) in den Leitungen 54, 56, 66 und 68 oder in den Verdampfern 38 und 40. Das Kühlmittel ist daher im ganzen Kreislauf vorhanden, der den Kompressor 34 umfaßt, sowie die Leitung 50, den Kondensator 36 und die Leitung 52. Am Ende eines Aus-Zyklus' (wenn eines der Abteile Kühlung anfordert) wird das Magnetklappenventil 60 kurz aktiviert, um zu öffnen, wodurch durch den Frischhaltekreislauf Kühlmittel wandern und Druckausgleich stattfinden kann, während der Kompressor 34 sich immer noch im Aus- Zustand befindet (typischerweise wird eine dreiminütige Ausgleichszeit benötigt).
Fig. 9 stellt den Betrieb des Systems in einem Frischhaltekühlmodus dar. Der Druckausgleich (nicht notwendig, falls dieser Zyklus gleich nach dem Gefriermodusbetrieb kommt) und der nachfolgende Frischhaltekühlmodus werden in Gang gesetzt und der Frischhaltekühlmodus wird beendet in Reaktion auf ein geeignetes Steuersignal, das eine Temperaturbedingung des Frischhalteabteils 30 darstellt, oder in Reaktion auf ein zeitabhängiges Signal oder eine andere Steuerung. In diesem Modus ist das Magnetklappenventil 60 nun offen (gleich nach dem Druckausgleich) und verbleibt unaktiviert und daher im selben Zustand wie am Ende eines Aus-Zyklus' beschrieben. Folgt dieser Modus dem Gefrierkühlmodus, wird das Magnetklappenventil 58 kurz aktiviert, um zu schließen und das Magnetklappenventil 60 wird kurz aktiviert, um zu öffnen. Außerdem ist das Rückschlagventil 64 normalerweise geschlossen und das Magnetklappenventil 58 ist geschlossen (wie im Aus-Zyklus-Modus in Fig. 8).
Der Hauptunterschied in Fig. 9 besteht darin, daß der Kompressor 34 an ist und somit Kühlmittel durch den Kreislauf in Richtung der Pfeile gepumpt wird. Damit strömt vom Kondensator 36 kommendes Kühlmittel durch die Leitungen 52 und 56 durch den Wärmetauscher 62 und in den Verdampfer 40, wo die Wärme absorbiert wird von der Luft, die um den Verdampfer 40 im Kühlabteil 30 zirkuliert, wie auch vom dem Verdampfer 40 zugeordneten Phasenumwandlungsmaterial (falls verwendet). Das Kühlmittel strömt dann durch die Saugleitungen 68 und 70 zurück durch den Wärmetauscher 62, um zum Kompressor 34 zurückzukehren.
Fig. 10 stellt den Betrieb des Kreislaufes dar, wobei der Verdampfer 38 in Betrieb ist, d. h. im Gefrierkühlmodus. Dieser Modus wird ebenfalls in Gang gesetzt und beendet in Reaktion auf ein geeignetes Steuersignal, das eine Temperaturbedingung des Gefrierabteiles 26 darstellt, oder auf ein zeitabhängiges Signal oder ein anderes Steuersignal. Wird der Gefriermodus nach einem Aus-Zyklus in Gang gesetzt, ist das Magnetklappenventil 60 während der Druckausgleichsperiode offen, um einen Druckausgleich über den Frischhalteabteil-Kühlkreislauf zu erlauben. Ist der Druckausgleich erfolgt oder startet der Gefrierkühlmodus nach einem Frischhaltekühlmodus, wird das Magnetklappenventil 60 kurz aktiviert, um zu schließen, und das Magnetklappenventil 58 wird kurz aktiviert, um zu öffnen (um die Gefrierkühlung zu beginnen), so daß die Leitung 52 zur Leitung 54 hin offen ist und geschlossen zur Leitung 56 hin. Das Rückschlageventil 64 ist offen aufgrund einer Anströmung durch Kühlmittel vom Verdampfer 38.
In diesem Betriebsmodus muß der Kompressor einen sehr viel geringeren Druck an die Saugleitung 70 liefern. In diesem Modus wird dem Verdampfer 38 vom Kompressor 34 durch die Leitung 50, den Kondensator 36, die Leitung 52 und die Leitung 54 Kühlmittel zugeführt und dann aus der Leitung 66 hinaus durch das Ventil 74 an die Leitung 70 zur Rückkehr zum Kompressor. Jedes in Leitung 56 und im Verdampfer 40 zurückbleibende Kühlmittel hat einen höheren Druck und es findet daher keine Wanderung von Kühlmittel aus Leitung 66 in Leitung 68 und zum Verdampfer 40 statt. Schließt das Ventil 60 die Verbindung zwischen Leitung 52 und Leitung 56, stellt Leitung 68 eine Hochdruckstumpfleitung dar und blockiert so jeden Fluß von Kühlmittel in die Leitung 68 aus der Leitung 66.
Fig. 11 offenbart einen ausgepumpten Modus, während dem das Kühlmittel aus dem Verdampfer 38 am Ende des Gefrierkühlmodus' abgepumpt wird. In diesem Betriebsmodus bleibt das Magnetklappenventil 60 geschlossen und erhält somit einen geschlossenen Weg zwischen Leitung 52 und Leitung 56 in Richtung zum Hochdruckverdampfer 40 aufrecht. Das Magnetklappenventil 58 jedoch wird auch kurz aktiviert oder elektrisch gepulst und somit in eine geschlossene Position bewegt, wodurch ein Fluß von Kühlmittel aus Leitung 52 an Leitung 54 verhindert wird. Das Steuerventil 64 wird aufgrund des niedrigen Drucks in der Leitung 70 geöffnet.
In diesem Betriebsmodus läuft der Kompressor 34, um Leitung 70 mit einem niedrigen Saugdruck zu speisen. Dieser geringe Saugdruck führt dazu, daß das Kühlmittel aus dem Verdampfer 38 und dem Verdampfer 40 entleert wird. Dieser Schritt wird ausgeführt, um sicherzustellen, daß hinreichend Kühlmittel verfügbar ist zum effizienten Betrieb des Verdampfers 40 im Modus aus Fig. 9. Da der Kühlkreislauf nur hinreichend Kühlmittel für den Kreislauf mit dem Verdampfer 38 oder für den Kreislauf mit dem Verdampfer 40 alleine aufweist, ist die Kühlmittel-Ladungs-Verteilung ein kritischer Punkt und es ist absolut notwendig, daß das Kühlmittel während des Frischhaltemodusbetriebs nicht im Verdampfer 38 steckenbleibt, weshalb der Auspumpmodus in Fig. 11 am Ende des Gefrierkühlmodus' in Fig. 12 notwendig ist.
Nach dem Ende des Auspumpmodus' aus Fig. 11, der für eine vorbestimmte Zeit oder in Reaktion auf eine abgetastete Bedingung auftreten kann, wird zuerst der Kompressor 34 abgestellt und die Ventile 58 und 60 verbleiben offen, wenn ein Aus-Zyklus-Modus folgt. Bei ausgeschaltetem Kompressor 34 und geschlossenen Ventilen 58 und 60 schließt das Rückschlagventil 64 aufgrund des niedrigen Drucks im Verdampfer 38 und aufgrund des relativ hohen Drucks in Leitung 70, was zu den in Fig. 8 als Aus-Zyklus-Modus gezeigten Bedingungen führt. Am Ende des Aus-Zyklus-Modus' darf das Kühlmittel durch die Leitung 56 und den Verdampfer 40 wandern, um den Druck über den Kompressor auszugleichen, wodurch eine leichtere Startbedingung für den Kompressor möglich ist. Folgt dem Auspumpmodus ein Frischhaltemodus-Betrieb, bleibt der Kompressor 34 an, das Ventil 58 schließt und das Ventil 60 öffnet am Ende des Auspumpmodus'.
In jeder der obigen Ausführungsformen liefert die Steuerung 48 eine bestimmte Reihe von Schritten für den sequentiellen Betrieb der Verdampfer, um sicherzustellen, daß die notwendigen Kühlungsbedingungen eingehalten werden. In Fig. 12 ist ein Beispiel-Flußdiagramm dargestellt, das ein Steuerungsverfahren nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt. Für jede der karoförmigen Entscheidungsboxen hat der Algorithmus die drei Stufen Fuzzifizierung, Rege lanwendung und Defuzzifizierung (Fig. 15). Während der Fuzzifizierungsstufe werden die Eingaben des Systems verarbeitet und auf linguistische Werte abgebildet. Die verwendeten Systemparameter sind: Frischhaltetemperatur, Gefriertemperatur, Phasenübergangsmaterial (PCM), Temperatur und Zyklusdauer. Diese Werte werden bearbeitet, um die Eingaben für den Algorithmus zu erhalten. Diese sind: Frischhalte- und Gefriertemperaturdifferenzen von Soll- Temperaturen, Frischhalte- und Gefrier-Temperatur-Zeit-Gradienten, PCM- Temperatur und Zyklusdauer. Unter Verwendung der Fuzzy Logic werden diese Eingaben auf linguistische Werte abgebildet, wie in den Fig. 16-19 beschrieben. Die Zugehörigkeitsfunktionen in den Fig. 16-19 haben nicht die herkömmlichen trapezoidalen oder dreieckigen Formen, die mit Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen verbunden werden (siehe Fig. 20). Sie sind in dieser Weise definiert, um die Antecedensglieder im Fuzzy-Regelwerk zu vereinfachen. Wären die Zugehörigkeitsfunktionen in der herkömmlichen Weise definiert, würde z. B. die Regel 8 in Fig. 21 lauten:
wenn FfDiff ist (PM oder PL) dann Ff.
Die Zugehörigkeitsfunktionen, die "PM" und "PL" in den obigen Regeln definieren, sind abgebildet in Fig. 20.
Basierend auf dem Ist-Zustand des Kompressors werden sieben Regeln auf den durch "Fuzzifizierung" definierten Eingabesatz angewendet, um einen Ausgabesatz zu erhalten. Wie vorher beschrieben, hat der Kompressor die drei Zustände: dem Frischhalteteil zugeordnet, dem Gefrierabteil zugeordnet und Aus, die mit den Labels Ff, Fz bzw. Aus bezeichnet sind. Die in jedem Fall angewandten Regeln sind in Fig. 21 aufgelistet. Die Regeln definieren vier Konsequentien Aus- Wert, FfWert, FzWert und PCMWert. Der Grad des Konsequens gleicht dem Grad des Antecedens. Weiterhin sind die Regeln 0a bis 0c, 1a, 3a-3c und 4a abhängig von den Regeln 0, 1, 3 bzw. 4. Dies bedeutet, daß, wenn der Grad der Antecedensglieder in den Regeln 0, 1, 3 oder 4 gleich 0 ist, ihre abhängigen Regeln auf den Grad 0 gesetzt werden, unabhängig von den Graden der Antecedensglieder in den abhängigen Regeln. "Abhängig" heißt, daß, wenn das Antecedensglied einer unabhängigen Regel inaktiv ist (oder äquivalent aktiv vom Grad 0), die abhängige Regel (S) auch inaktiv ist, unabhängig von den Graden, zu denen die Antecedensglieder der abhängigen Regeln aktiv sind. Z. B. wird im Antecendens der Regel 0 getestet, zu welchem Grad die Frischhaltetemperaturdifferenz negativ ist (wie in Fig. 16 definiert). Ist "FfDiff" gleich "neg" vom Grad 0, ist Regel 0 inaktiv. Weil Regel 0 inaktiv ist, sind die von Regel 0 abhängigen Regeln 0a, 0b und 0c auch inaktiv, obwohl die Bedingungen im Kühlgerät so sein können, daß die Antecendensglieder von Regel 0a, 0b oder 0c nicht 0 sind. Die Strukturierung des Regelwerkes in dieser Weise vereinfacht das Regelwerk und seine Implementierung, da die Antecendensglieder der Regeln singulär sind und Funktionen, die Regeln mit vielen Antecedentien auswerten, nicht notwendig sind. Wäre 0b z. B. nicht abhängig von Regel 0, würde die Regel, um eine richtige Ausführung zu gewährleisten, lauten:
wenn FfDiff ist Neg & FzDiff ist Sm dann Fz.
Dies würde die Bildung einer Funktion erfordern, die die notwendige Fuzzy- Konjunktion auswertet. Schließlich findet das Regelwerk nur Anwendung auf Situationen, wo sich der Kompressorzustand ändern kann. In Fällen, wo eine Zustandsänderung als nicht wünschenswert gilt, findet das Regelwerk keine Anwendung, was dazu führt, daß alle Konsequenswerte gleich 0 sind. Bei diesen Situationen handelt es sich um Grenzfälle und sie werden mittels einer Defuzzifizierungsstrategie behandelt. Durch das Definieren des Regelwerks in dieser Weise wird es kleiner, da die Regeln, die die Grenzfälle behandeln, eliminiert sind.
In der Defuzzifizierungsstufe wird der Ausgabesatz bearbeitet, um den nächsten Zustand des Kompressors zu bestimmen. Eingangs wird der FfWert gelöscht, wenn der PCMWert ungleich 0 und das Phasenübergangsmaterial verfügbar ist, d. h. die Temperatur des Materials unter einer Schwelle liegt. An diesem Punkt gleicht der nächste Zustand des Kompressors dem Maximum von AusWert, FfWert und FzWert, d. h. der nächste Zustand des Kompressors ist "Aus", wenn AusWert größer ist als FfWert und FzWert. Existiert kein dominanter Wert, ist der nächste Zustand des Kompressors eine Funktion des Ist-Zustandes. Sind die drei Werte gleich oder gleicht der Ist-Zustandswert nur einem der anderen Werte - wobei beide den dritten Wert übersteigen -, bleibt der Zustand des Kompressors ungeändert, d. h. der nächste Zustand ist "dem Gefrierabteil zugewiesen", wenn der Ist-Zustand "dem Gefrierabteil zugewiesen" lautet und FzWert nicht kleiner ist als FfWert oder AusWert. Ist der Wert des Ist-Zustands kleiner als die anderen beiden Werte, die gleich sind, wird der nächste Zustand anhand der folgenden Regeln ausgewählt. Ist der Ist-Zustand aus, lautet der nächste Zustand "dem Frischhalteabteil zugewiesen". Ist der Ist-Zustand "an", d. h. "entweder dem Frischhalte- oder dem Gefrierabteil zugewiesen", lautet der nächste Zustand "dem anderen Abteil zugewiesen".
Unten sind drei Beispielfälle beschrieben, um den Algorithmus zu demonstrieren. Fall 1: Ausgangsbedingungen:

Fuzzifizierung:

Frischhalteabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 1b)
PS (2,0) = 0,5
PM (2,0) = 0,0
Gefrierabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 17)
PM (1,75) = 0,5
Gesetzte Regeln: 7 & 8 (siehe Fig. 21)

Regelanwendung:

AusWert = 0,0 (= 0,0 wenn Status = Aus)
FfWert = Grac_Regel_6 = PM (2,0) = 0,0
FzWert = Grad_Regel_7 = PM (1,75) = 0,5
PCMWert = - Grad_Regel_8 = PS (2,0) = 0,5

Defuzzifizierung:

Wenn PCMWert > 0 und PCM ist Verfügbar dann FfWert = 0,0 und Ff Fan ist An
Kompressorzustand = max (AusWert, FfWert, FzWert) = FzWert
Daher ist der Kompressorzustand = Fz und Ff Fan ist An (unter Verwendung von PCM)
Für diesen Fall ist zunächst festzuhalten, daß nur Regeln 6, 7 und 8 verfügbar sind, da der Kompressor aus ist. Wie in Fig. 21 gezeigt, hängt das Regelwerk vom Ist-Zustand des Kompressors ab. Ist der Kompressor dem Frischhalteabteil zugeordnet, enthält das Regelwerk die Regeln 0, 0a, 0b, 0c, 1, 1a und 2. Ist der Kompressor dem Gefrierabteil zugeordnet, enthält das Regelwerk die Regeln 3, 3a, 3b, 3c, 4, 4a und 5. Um den Grad zu bestimmen, zu dem jede Regel aktiv ist, muß der Grad bestimmt werden, zu dem das Antecedensglied jeder Regel aktiv ist. Unter Verwendung der Antecedensglieder der Regeln 6, 7 und 8 müssen die Grade, zu denen "FfDiff" ist "PM" und "PS" und zu denen "FzDiff" ist "PM" aktiv sind, bestimmt werden unter Verwendung der Eingangsbedingungen und der in den Fig. 16 und 17 definierten Zugehörigkeitsfunktionen. Die Grade werden fortgesetzt im Fuzzifizierungsabschnitt.
In allen Fällen ist der Grad, zum dem eine Regel aktiv ist, gleich dem Grad, zu dem ihr Antecedensglied aktiv ist. Daher ist nach Anwendung dieser Regeln (Regeln 6, 7 und 8) "AusWert" gleich 0 (keine aktiven Regeln "AusWert" im Antezedenzglied); FfWert gleich 0; "FzWert" gleich 0,5 und "PCMWert" gleich 0,5. Da das Frischhalteabteil Kühlungsbedarf hat und die Kühlungsenergie im Pha senumwandlungsmaterial gespeichert ist, das verfügbar ist, führt die Anwendung der Defuzzifizierungsregeln dazu, daß der Frischhalteventilator aktiviert wird und "FfWert" auf 0 gesetzt wird (das verhindert, daß der Kompressor dem Frischhalteabteil zugeordnet wird, wenn der Kompressor zur Zeit aus ist und die Kühlungsenergie im Phasenumwandlungsmaterial gespeichert ist). Um den neuen Kompressorzustand zu bestimmen, wird der Kompressor dem Zustand zugeordnet, der den höchsten Bedarf hat, wobei Bedarf dargestellt wird durch "AusWert", "FfWert" und "FzWert". Da nur "FzWert" größer als 0 ist, wird der Kompressor dem Gefrierabteil zugeordnet. Fall 2: Ausgangsbedingungen:

Fuzzifizierung:

Frischhalteabteiltemperaturgradient: (siehe Fig. 18)
Sm (0,0021) = 0,375
Frischhalteabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 16)
PS (4,375) = 1,0
PM (4,375) = 1,0
PL (4,375) = 0,75
Gefrierabteiltemperaturgradient: (siehe Fig. 18)
Sm (-0,02) = 0,5
Gefrierabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 17)
Neg (1,0) = 0,0
Zyklusdauer: (siehe Fig. 19)
FzShrt (15) = 0,83 Gesetzte Regeln: 4, 4a & 5 (siehe Fig. 21) Regelanwendung:

Defuzzifizierung:

Wenn PCMWert > 0 und PCM ist Nicht Verfügbar, dann FfWert = 0,75
Kompressorzustand = max (AusWert, FfWert, FzWert) = FzWert
Deshalb Kompressorzustand = Fz
Weil der Kompressor in diesem Fall dem Gefrierabteil zugeordnet ist, enthält das Regelwerk die Regeln 3, 3a, 3b, 3c, 4, 4a und 5. Es ist notwendig, zu bestimmen, welche dieser Regeln (wenn überhaupt) aktiv sind und zu welchem Grad (dies definiert den Ausgabesatz). Da die Aktivierung der Regel auf der Aktivierung des Antecedensgliedes basiert (und unabhängige Regelaktivierungen für abhängige Regeln), muß zur Bestimmung des Grades der Aktivierung von Regel 3 der Grad bestimmt werden, zu dem "FzDiff" ist "neg". In diesem Fall ist es aktiv vom Grad 0, da das Gefriertemperaturdifferential positiv ist. Regel 3 ist daher inaktiv, was impliziert, daß die Regeln 3a, 3b und 3c auch inaktiv sind. Fall 3: Ausgangsbedingungen:

Fuzzifizierung:

Frischhalteabteiltemperaturgradient: (siehe Fig. 18)
Sm (0,03) = 0,25
Frischhalteabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 16)
Neg (-1, 2) = 0,4
Gefrierabteiltemperaturgradient: (siehe Fig. 18)
Sm (0,001) = 0,8
Gefrierabteiltemperaturdifferenz: (siehe Fig. 17)
PS (0,3) = 0,0
PM (0,3) = 0,0
PL (0,3) = 0,0
Zyklusdauer: (siehe Fig. 19)
FfShrt (7) = 1,0 Gesetzte Regeln: 0, 0a, 0c & 2 (siehe Fig. 21) Regelanwendung:

Defuzzifizierung:

Wenn AusWert > FfWert und PCM ist Nicht Unterkühlt (Regel 2) dann AusWert = 0,0 und Ff Fan ist Aus
Kompressorzustand = max (AusWert, FfWert, FzWert) = FfWert
Deshalb Kompressorzustand = Ff und Ff Fan ist Aus (PCM wird unterkühlt)
Ist der Kompressor dem Frischhalteabteil zugeordnet, ist es vom energetischen Standpunkt aus gesehen vorteilhaft, das Phasenübergangsmaterial zu unterkühlen, wenn es nicht schon unterkühlt ist, bevor der Kompressor abgeschaltet wird. Ist das Phasenübergangsmaterial nicht unterkühlt, sollte daher "PCMWert" gleich 0 sein.
In Schritt 100 in Fig. 12 wird bestimmt, ob das Frischhalteabteil 30 eine Kühlung benötigt. Diese tritt auf in Zusammenhang mit den Regeln, wie sie in Fig. 21 dargestellt und oben beschrieben worden sind. Die Schritte 102 und 130 werden auch in Übereinstimmung mit solchen Regeln ausgeführt. Erfordert das Frischhalteabteil Kühlung und wird festgestellt, daß der Kompressorzustand = Ff ist, geht die Steuerung zur linken Seite des Flußdiagramms. Es wird dann in Schritt 106 untersucht, ob der Kühlungsbedarf des Frischhalteabteils befriedigt ist.
Ist der Kühlungsbedarf des Frischhalteabteils noch nicht befriedigt, geht die Steuerung zu Schritt 108, um zu bestimmen, ob das Gefrierabteil Kühlung erfordert. Erfordert das Gefrierabteil keine Kühlung (in Übereinstimmung mit den Regeln aus Fig. 21), dann geht die Steuerung zurück zu Schritt 106, um die Schritte 106 und 108 zu wiederholen, wie oben beschrieben.
Wenn in Schritt 108 festgestellt wird, daß das Gefrierabteil Kühlung erfordert, dann geht die Steuerung zu Schritt 110, wo untersucht wird, wie lange der Frischhalteabteil-Verdampfer 40 gelaufen ist, basierend auf Daten von der Uhr 111. Ist die Zeit in Übereinstimmung mit Fig. 19 und in Übereinstimmung mit den Regeln aus Fig. 21 kurz, kann die Steuerung zur Wiederholung der obigen Schritte zurückgehen zu Schritt 106.
Ist FfZeit jedoch nicht kurz (d. h. > 12 Minuten in Übereinstimmung mit den Zugehörigkeitsanforderungen aus Fig. 19), dann geht die Steuerung in Übereinstimmung mit den Regeln zur Steuereinheit 112, wo die geeigneten Ventile betrieben werden, so daß der Frischhalteabteil-Verdampfer 40 ausgeschaltet und der Gefrierverdampfer 38 eingeschaltet wird, um eine Kühlung des Gefrierabteils 26 einzuleiten (da die Bedingungen im Gefrierer das erfordern). Dieses tritt auch ein, selbst wenn das Frischhalteabteil 30 noch nicht einen Temperaturwert erreicht hat, der dem Temperaturfühler des Frischhalteabteils genügt (untere Grenztemperatur).
Die Steuerung geht dann zum Schritt 114, wo untersucht wird, ob der Kühlungsbedarf des Gefrierabteils befriedigt ist. Erfordert er immer noch eine Kühlung, geht die Steuerung zu Schritt 116, um zu bestimmen, ob das Frischhalteabteil einen Kühlungsbedarf hat. Da es in diesem Szenario sehr wahrscheinlich ist, daß das Frischhalteabteil einen Kühlungsbedarf hat, geht die Steuerung zu Schritt 118, wo untersucht wird, ob die Gefrierzeit in Übereinstimmung mit Fig. 19 kurz ist. Die Steuerung fährt fort, diese Schleife zu durchlaufen, bis die Regeln, die auf den Temperaturdifferenzen und -gradienten und der Zyklusdauer basieren, erfordern, daß der Zustand des Kompressors wieder auf Ff an gesetzt wird. Nach dem Eintreten dieses Ereignisses geht die Steuerung zu Schritt 120, wo das Kühlmittel wie oben beschrieben aus dem Gefrierverdampfer 38 gepumpt wird; dann geht die Steuerung zurück zu Schritt 104, um durch geeigneten Betrieb der verschiedenen Ventile den Frischhalteabteilverdampfer 40 einzuschalten.
Wenn in Schritt 106 festgestellt wird, daß dem Temperatursensor 46 des Frischhalteabteils genügt ist, dann geht die Steuerung zu Schritt 122, um die Beendigung des Betriebs des Frischhalteabteilverdampfers 40 einzuleiten. Bevor der Kompressor abgeschaltet wird, geht die Steuerung jedoch zu Schritt 124, wo untersucht wird, ob es die Regeln erforderlich machen, daß der Zustand des Kompressors zu Fz wechselt. Ist das der Fall, geht die Steuerung zu Schritt 126, um den Betrieb des Gefrierverdampfers 38 einzuleiten.
Ist die Reaktion auf die Untersuchung im Schritt 100 negativ, geht die Steuerung zu Schritt 130, um zu bestimmen, ob das Gefrierabteil Kühlungsbedarf hat. Ist das nicht der Fall, geht die Steuerung wieder zurück zu Schritt 100, um im Aus- Modus im wesentlichen zu warten, bis eines der Abteile Kühlungsbedarf hat.
Hat das Gefrierabteil Kühlungsbedarf in Schritt 130, dann geht die Steuerung zu Schritt 126, wo der Gefrierabteilverdampfer 38 von der Steuerung durch angemessene Steuerung der Ventile und des Kompressors 34 eingeschaltet wird. Die Steuerung geht dann zu Schritt 132, wo untersucht wird, ob der Gefrierabteil- Kühlungsbedarf befriedigt ist.
Ist der Gefrierabteil-Kühlungsbedarf noch nicht befriedigt (entsprechend den Regeln aus Fig. 21), dann geht die Steuerung zu Schritt 134, um zu bestimmen, ob das Frischhalteabteil Kühlungsbedarf hat. Ist das nicht der Fall, dann geht die Steuerung zurück zu Schritt 132, um die Schleife zu wiederholen. Hat das Frischhalteabteil Kühlungsbedarf (in Übereinstimmung mit den Regeln), dann geht die Steuerung zu Schritt 136, um zu bestimmen, wie lange der Gefrierverdampfer 38 in Betrieb war, um die Regeln 1a und 4a anzuwenden, wie es erforderlich ist. Nach dem Ergebnis der Regeln kann die Steuerung zurückgehen zu Schritt 132, um die Schleife wieder zu durchlaufen.
Wenn die Regeln bestimmen, daß der Kompressorzustand sich zu Ff ändern sollte, dann geht die Steuerung zu Schritt 138, in dem der Gefrierverdampfer 38 durch geeignete Steuerung der verschiedenen Ventile abgeschaltet, das Kühlmittel aus dem Gefrierverdampfer abgepumpt und der Frischhalteabteilverdampfer 40 durch geeignete Steuerung der Ventile eingeschaltet wird. Die Steuerung geht dann zu Schritt 140, um zu bestimmen, ob der Kühlungsbedarf des Frischhalteabteils befriedigt ist.
Ist er noch nicht befriedigt (entsprechend den Regeln), geht die Steuerung zu Steuerschritt 142, um zu bestimmen, ob das Gefrierabteil Kühlungsbedarf hat. Ist das der Fall, dann geht die Steuerung zu Steuerschritt 144, um die Zeitdauer zu bestimmen, in der der Frischhalteabteilverdampfer 40 an war. Je länger der Frischhalteabteilverdampfer 40 gelaufen ist, desto wahrscheinlicher ist es, daß die Steuerung zurückgeht zu Steuerschritt 126, um wieder das Kühlen des Gefrierabteils in Gang zu setzen. Dies tritt auch auf, wenn der Kühlungsbedarf des Frischhalteabteils in naher Zukunft befriedigt ist (FfDiff liegt hinreichend nahe an 0 in Schritt 140).
Wird in Schritt 132 bestimmt, daß der Gefrierkühlungsbedarf befriedigt ist, dann geht die Steuerung zu Schritt 146, wo der Gefrierverdampfer 38 ausgeschaltet und das Kühlmittel aus dem Gefrierverdampfer abgepumpt wird. Bevor der Kompressor 34 ausgeschaltet wird, geht die Steuerung zu Schritt 148, um festzustellen, ob das Frischhalteabteil Kühlungsbedarf hat. Ist das der Fall (nach den Regeln), dann geht die Steuerung zu Schritt 104, um die oben beschriebenen Schritte wieder zu durchlaufen.
Während des Betriebs des Kompressors 34 und des Kondensators 36 werden durch die Steuerung diverse Ventilatoren 42, 44 betrieben, um eine Luftströmung um einen oder beide Verdampfer zu erzeugen, wie es für die Kühlungszwecke wünschenswert ist, und es wird auch ein Ventilator 152 betrieben, um den Kondensator zu kühlen. Während des Betriebs des Kühlungsmodus' für das Frischhalteabteil wächst die Wärmemenge, die vom Kondensator 36 zurückgewiesen wird, aufgrund des höheren Saugdruckes (und des damit höheren Kühlungskapazitätsbetriebs) wesentlich an. Wird nichts unternommen (d. h. um die Größe des Kondensators oder der Ventilatorströmungsrate für den Kondensator zu beeinflussen), dann wächst die Temperaturdifferenz zwischen dem Kondensator 36 und der Sinktemperatur (Umgebungstemperatur) an. Dieses führt zu höheren Kopfdrücken und geringeren Kompressorleistungspegeln als ansonsten möglich. Um die Temperaturdifferenz zwischen dem Kondensator und der Umgebungstemperatur zu reduzieren, kann die Steuerung so betrieben werden, daß der Kondensatorventilator bei verschiedenen Geschwindigkeiten läuft. So kann eine höhere Geschwindigkeit und damit eine höhere Luftströmung beim Ventilatorbetrieb für den Kondensator verwendet werden, wenn der Frischhalteabteilverdampfer betrieben wird.
Eine andere Verbesserung im Hinblick auf die Effizienz des Systems bezieht sich auf den Abtauzyklus. In derzeitigen kommerziell erhältlichen Kühlgeräten geht der Verdampfer, der eine Kühlung unter 0ºC liefert, durch einen periodischen Abtauzyklus, der im wesentlichen auf der Laufzeit des Kompressors basiert. Wenn eine vorgewählte Zeitdauer für den Betrieb des Kompressors abgelaufen ist, wird der Kompressor durch einen Nockenschalter ausgeschaltet und ein Abtauheizer 154 wird aktiviert. Somit wird jegliche im Gefrierabteil stattfindende Kühlung gestoppt und muß vom Abtauerhitzer überwunden werden.
Ein verbesserter Zyklus ist schematisch in Fig. 13 dargestellt. In diesem Graph wird eine Kurve 200 schematisch als eine lineare Sägezahnkurve dargestellt, obwohl die Segmente dieser Kurve in Wirklichkeit höchstwahrscheinlich nicht linear sind. Die Kurve 200 stellt Anstieg und Abfall der Temperatur innerhalb des Gefrierabteils über der Zeit dar. Die positiv geneigten Segmente stellen Zeiten dar, zu denen der Verdampfer 38 nicht abgekühlt wird, und die negativ geneigten Abschnitte der Kurve stellen solche Zeiten dar, zu denen der Verdampfer kühlt. Ein erster Zeitpunkt wird von der vertikalen Linie 202 dargestellt, die das Ingangsetzen eines Kühlungszyklus' darstellt, d. h. die Ingangsetzung der Kühlung durch den Gefrierabteilverdampfer 38. Eine nachfolgende vertikale Linie 204 stellt eine darauffolgende Ingangsetzung des Kühlungszyklus' durch den Verdampfer dar.
In diesem verbesserten Zyklus wird durch die Steuerung 48 nach einer vorgewählten Anzahl von Laufzeitstunden im Gefriermodus ein Signal erzeugt. Die vertikale Linie 206 stellt den Zeitpunkt dar, an dem ein solches Signal erzeugt wird. Jedoch wird der Abtauerhitzer durch die Steuerung nicht nach der Erzeugung des Signals zum Zeitpunkt 206 aktiviert. Der Abtauerhitzer wird erst aktiviert, nachdem jeder dann noch laufende Kühlungszyklus beendet ist und die Gefrierabteiltemperatur auf den während des normalen Zyklusbetriebs verwendeten oberen Grenz-Soll-Punkt angestiegen ist. D. h., in der Darstellung der Fig. 13 wird der Abtauerhitzer nicht aktiviert bis zum durch Linie 204 dargestellten Zeitpunkt. Das reduziert die Laufzeit des Abtauerhitzers, die erforderlich ist, um die Verdampferumgebungstemperatur auf den Frostschmelzpunkt zu bringen, und es wird ein Gefrierkühlmodus unmittelbar vor dem Abtauen vermieden. So wird der maximale Effekt jedes laufenden Kühlyzklus' vorteilhaft ausgenutzt.
In einigen Zyklusbetrieben kann der Betrieb des Frischhalteabteilverdampfers 40 unabhängig von der Gefrierabteilabtausteuerung auftreten. Während der Gefrierabteilabtauperiode kann daher der Frischhaltekreislauf durchlaufen werden, um das bestimmte Abteil zu kühlen. Da jedoch die kommerziellen Ausführungsformen des Kompressors 34 und der Abtauerhitzer einen Stromverbrauch erfordern, der die in den Vereinigten Staaten verwendete Grenze, wo 15 A Sicherungen durchbrennen bzw. elektronische Sicherungen herausspringen, kann ein zweiter Zyklusschritt verwendet werden.
Der zweite Zyklusschritt gestattet keine Frischhaltekühlung, während der Abtauerhitzer aktiviert ist. Der Aktivierung des Abtauerhitzers folgend gibt es jedoch einen Halte- und Ablaßabschnitt des Abtauzyklus', der keinen signifikanten Stromverbrauch erforderlich macht. Daher kann der Frischhaltekreislauf während des Halte- und Ablaßabschnittes beim Abtauen betrieben werden. Dadurch, daß diese halbunabhängige Frischhalteabteilsteuerung erlaubt wird, kann das Frischhalteabteil gekühlt werden, auch während der Gefrierabteilkreislauf aus ist.
Nachdem die Abtauperiode vorüber ist, fordert der Gefriertemperatursensor 47 eine Kühlung an und das Kühlungssystem sollte dann bereit sein, den Betrieb des Gefrierabteilverdampfers 38 wieder dem Entgegenwirken des Abtauens zu widmen, in Übereinstimmung mit den Schritten, die in Bezug auf die in Fig. 12 dargelegten beschrieben wurden.
Eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Effizienz des Systems besteht darin, An/Aus- Magnetklappenventile zu verwenden. Wie oben beschrieben, wurde während des Aus-Zyklus' der Frischhalteabteilkreislauf durch die Leitungen 56 und 68 offengehalten, um den Druck über den Kompressor 34 auszugleichen, um das Hochfahren des Kompressors zu unterstützen. Dieses ließ ein Wandern von Kühlflüssigkeit durch den Frischhalteabteilverdampfer 40 zu und somit auch eine potentielle Wärmezufuhr an das Frischhalteabteil 30 während der gesamten Zeit, in der das Kühlgerät "aus" ist. Da es nur 3 bis 4 Minuten dauert, bis der Druck über den Kompressor 34 ausgeglichen ist, während der Frischhalteabteilkreislauf geöffnet ist, besteht eine Verbesserung des Zyklus' darin, Magnetklappenventile zu verwenden, die keine elektrische Energie erfordern, um geschlossen oder offen zu bleiben, aber nur minimale Energie erfordern, um die Ventile zwischen einer Aus- und Anstellung umzuschalten. Der Gefrierkreislauf und der Frischhaltekreislauf können daher während der meißten Zeit "geschlossen" bleiben, in der sich der Kühlmechanismus in einem "Aus"-Modus befindet, und dann kann 3 bis 4 Minuten vor der Ingangsetzung des Kompressors das Ventil, das den Frischhaltekreislauf schließt, kurz aktiviert werden, um es in eine offene Stellung zu bewegen, wodurch ein Druckausgleich über den Kompressor vor seinem Hochfahren erlaubt wird.

Beschreibungen in den Zeichnungen

Fig. 4

RC-MODE RC-MODUS
FC-MODE FC-MODUS

Fig. 5

POWER DATA LEISTUNGSDATEN
TIME ZEIT Fig. 12

Fig. 13

TEMP TEMPERATUR
TIME ZEIT

Fig. 14

CONTROL STEUERUNG

Fig. 15

FUZZY ALGORITHM FUZZY ALGORITHMUS
FUZZIFICATION FUZZIFIZIERUNG
RULE APPLICATION REGELANWENDUNG
DEFUZZIFICATION DEFUZZIFIZIERUNG
BEGIN START
READ SENSOR LESESENSOR
INPUTS EINGABEN
OUTPUT SET AUSGABESATZ
STATE ZUSTAND
RELAY CONTROL SIGNAL STEUERSIGNAL
END ENDE

Fig. 19

TIME (MINS) ZEIT (MIN)

Fig. 21

COMP STATE KOMP ZUSTAND
OFF AUS
RULE REGEL
IF FFDIFF IS NEG THEN OFF WENN FFDIFF IST NEGATIV DANN AUS
IF FFGRAD IS SM THEN FF WENN FFDIFF IST SM DANN FF
IF FZDIFF IS PS THEN FZ WENN FZDIFF IST PS DANN FZ
IF FZGRAD IS SM THEN FF & OFF WENN FZGRAD IST SM DANN FF & AUS
IF FZDIFF IS PL THEN FZ WENN FZDIFF IST PL DANN FZ
IF TIME IS SHORT THEN FF WENN ZEIT IST KURZ DANN FF
IF OFF > FF AND PCM IS NOT (SUBCOOLED) THEN SUBCOOL WENN AUS > FF UND PCM IST NICHT UNTERKÜHLT, DANN UNTERKÜHLEN
IF FZDIFF IS NEG THEN OFF WENN FZDIFF IST NEGATIV DANN AUS
IF FZGRAD IS SM THEN FZ WENN FZGRAD IST SM DANN FZ
IF FFDIFF IS PS THEN FF WENN FFDIFF IST PS DANN AUS
IF FFGRAD IS SM THEN FZ & OFF WENN FFGRAD IST SM DANN FZ UND AUS
IF FFDIFF IS PL THEN FF WENN FFDIFF IST PL DANN FF
IF FFDIFF IS PM THEN FF WENN FFDIFF IST PM DANN FF
IF FZDIFF IS PM THEN FZ WENN FZDIFF IST PM DANN FZ
IF FFDIFF IS PS THEN PCM WENN FFDIFF IST PS DANN PCM

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Kühlgeräts mit mindestens zwei separaten zu kühlenden Abteilen sowie einer Kühleinrichtung mit einem Verdampfer für jedes Abteil, d. h. mindestens zwei separaten Verdampfern, bei dem man

1. in jedem Abteil eine Temperatur mißt,

2. für jeden Verdampfer eine Istzyklusdauer bestimmt,

3. in jedem Abteil eine Temperaturdifferenz zu einer vorgewählten Solltemperatur bestimmt;

4. für jedes Abteil einen Temperatur-Zeit-Gefällewert bestimmt,

5. die bestimmten Werte nach vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen auf linguistische Werte abbildet, um Werte einer Eingabemenge zu erhalten,

6. auf die Werte der Eingabemenge vorbestimmte Logikregeln anwendet, um Werte für eine Ausgabemenge von Konsequenten abzuleiten, die "Verdampfer des 1. Abteils EIN", "Verdampfer des 2. Abteils EIN" und "beide Verdampfer AUS" aufweist,

7. bestimmt, welcher der Ausgabewerte am höchsten ist,

8. den Betrieb der Verdampfer entsprechend dem höchsten der Ausgabewerte einleitet und beendet, und

9. zum Schritt 1 zurückkehrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man weiterhin einen der Verdampfer mit einem niedrigeren Druck als den anderen betreibt, um in einem der Abteile eine niedrigere Temperatur als im anderen zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man weiterhin aus dem mit niedrigerem Druck betriebenen Verdampfer Kühlmittel abläßt, bevor man den mit höherem Druck betriebenen Verdampfer in Betrieb setzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem man mindestens einem der Abteile ein Phasenänderungsmaterial zuordnet und im Schritt 1 die Temperatur des Phasenänderungsmaterials mißt, um sie im Schritt 6 als Eingabewert zu verwenden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem man dem Abteil mit dem Phasenänderungsmaterial ein Gebläse zuordnet und das Gebläse den Ausgabewerten entsprechend betreibt.

6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem man einen zweiten Regelsatz anwendet, falls zwei oder mehr der Konsequentenwerte gleich sind.

7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem die Kühleinrichtung einen von einem Gebläse gekühlten Kondensator aufweist und man das Gebläse mit höherer Drehzahl arbeiten läßt, wenn der mit höherem Druck betriebene Verdampfer arbeitet.

8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem man die Temperatur mindestens eines der Verdampfer periodisch anhebt, um auf ihm kondensierten und angefrorenen Wasserdampf abzutauen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem man die Temperatur erstmalig nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne anhebt, nachdem ein dem Verdampfer zugeordnetes Abteil Kühlbedarf meldet.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Betrieb eines Verdampfers, der nicht abgetaut wird, unabhängig davon ist, ob der andere Verdampfer abgetaut wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem dem Anheben der Temperatur eines Verdampfers zum Abtauen desselben ein Halte- und Ablaßintervall desselben folgt und das Arbeiten des anderen Verdampfers nur eingestellt wird, wenn die Temperatur des ersten Verdampfers erhöht wird, nicht wenn er sich im Haltezustand befindet oder abgelassen wird.

12. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das Einleiten und Beenden des Verdampferbetriebs teilweise durch wahlweises Öffnen und Schließen von Ventilen in einem Kühlkreislauf erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Öffnen und Schließen von Ventilen ein kurzes Erregen derselben zum Umschalten zwischen einem Offen- und einem Schließzustand beinhaltet, in dem sie bis zu einem erneuten kurzen Erregen verbleiben.

14. Kühlgerät mit mindestens zwei separaten zu kühlenden Abteilen und einer Kühleinrichtung mit mindestens zwei separaten Verdampfern, d. h. einem Verdampfer pro Abteil, mit

einer Einrichtung zum Messen der Temperaturen in den Abteilen,

einer Einrichtung zum Messen der Istzyklendauer jedes Verdampfers,

einer Einrichtung zum Bestimmen der Temperaturdifferenzen zu einer vorgewählten Solltemperatur in jedem Abteil,

einer Einrichtung zum Bestimmen eines Temperatur-Zeit-Gefälles für jedes Abteil,

einer Einrichtung zum Abbilden der vorbestimmten Werte auf linguistische Werte nach vorbestimmten Zugehörigkeitsfunktionen, um Werte einer Eingabemenge zu erhalten,

einer Einrichtung zum Anwenden vorbestimmter logischer Regeln auf die Werte der Eingabemenge, um Werte für eine Ausgabemenge von Konsequenten abzuleiten, die "Verdampfer des 1. Abteils EIN", "Verdampfer des 2. Abteils EIN" und "beide Verdampfer AUS" aufweist,

einer Einrichtung, mit der bestimmbar ist, welcher der Ausgabewerte am höchsten ist, und

einer Einrichtung zum Einleiten und Beenden des Betriebs der Verdampfer entsprechend dem höchsten der Ausgangswerte.

15. Kühlgerät nach Anspruch 14, weiterhin mit einer Einrichtung zum Betreiben eines der Verdampfer mit niedrigerem Druck als den anderen, um in dem einen Abteil eine niedrigere Temperatur als im anderen zu erzeugen.

16. Kühlgerät nach Anspruch 15, bei dem die Kühleinrichtung einen Kondensator aufweist, der von einem Gebläse gekühlt wird, und weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Gebläse mit höherer Drehzahl betreibbar ist, wenn der mit höherem Druck betriebene Verdampfer arbeitet.

17. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16 mit einer Einrichtung, mit der die Temperatur mindestens eines der Verdampfer periodisch anhebbar ist, um auf diesem kondensierten und angefrorenen Wasserdampf abzutauen.

18. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Kühleinrichtung Leitungen für ein Kühlfluid sowie in diesen Leitungen angeordnete Ventile aufweist, die wahlweise öffen- und schließbar sind, um den Betrieb der Verdampfer einzuleiten und zu beenden.