EP3126672B1

EP3126672B1 - Hubkolbenverdichter und regelverfahren hierfür

Info

Publication number: EP3126672B1
Application number: EP15722044.3A
Authority: EP
Inventors: Martin Schaich
Original assignee: GEA Bock GmbH
Current assignee: Bock GmbH
Priority date: 2014-03-29
Filing date: 2015-03-29
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-03-29
Also published as: US20170130713A1; WO2015149926A1; EP3126672A1; CN106460830A; CN106460830B; DE102014004619A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine den Hubkolbenverdichter aufweisende Kälte- oder Klimaanlage oder eine den Hubkolbenverdichter aufweisende Wärmepumpe gemäß den Ansprüchen 6 und 7. Ferner ist im Gedanken der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Regelverfahren enthalten.
Kälteanlagen werden oftmals mit Hubkolbenverdichtern betrieben. Beispiele hierfür können unter anderem im Bereich der Busklimatisierung gefunden werden, wo in einer entsprechenden Kälteanlage (Klimaanlage) ein Hubkolbenverdichter angeordnet ist, der von der Kurbelwelle des Antriebsmotors über einen Riementrieb und eine Magnetkupplung angetrieben wird. Über die Magnetkupplung kann der Verdichter zu- und abgeschaltet werden. Die Zu- und Abschaltung wirkt sich aber auf den gesamten Verdichter und somit auf die gesamte vom Verdichter erbrachte Leistung aus (100% An-Aus). Andere Beispiele finden sich im Bereich der mobilen und stationären Klimatisierung, der mobilen und auch stationären Kälteerzeugung, also beispielsweise im Bereich der Transportkälte und der Supermarktkälte, sowie im Bereich Wärmepumpen.
Die Zu- und Abschaltung bedingt einen instationären Betrieb des Verdichters und führt auch zu hohen Spitzenlasten in dessen Antrieb. Die Schalthäufigkeit ist dabei grundsätzlich durch die zu bewegenden Massen und die Schaltarbeit der Kupplung begrenzt.
Bei den Verdichtern werden beispielsweise im Bereich der Busklimatisierung vorherrschend vier-zylindrige Hubkolbenverdichter verwendet, bei denen in V-Bauweise zwei einzelne Zylinderbänke angeordnet sind. In anderen Anwendungen kommen anderweitige Hubkolbenverdichter mit beliebiger Zylinderanzahl zum Einsatz, wobei die Zylinder in Zylinderbänken angeordnet sein können bzw. in solche unterteilt sein können oder auch nicht.
Durch einen Betrieb an einem Dieselmotor werden Verdichter beispielsweise in mobilen Anwendungen, insbesondere mobilen Klimaanwendungen ständig mit einer dem Fahrbetrieb entsprechenden Drehzahl betrieben, die nicht mit einer Drehzahl übereinstimmt, bei der der Verdichter die gewünschte Kühlleistung erbringen würde. Aus diesem Grunde ergibt sich ein fortlaufender Korrekturbedarf der Kühl- bzw. Kälteleistung.
Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich beispielsweise auch bei manchen Transportkälteanlagen.
Es ist bekannt, dass dies -wie z.B. bei PKWs- durch hubgeregelte Axialkolbenverdichter teilweise kompensiert werden kann. Dort wird der Hub stufenlos bis nahe Null geregelt und so der unerwünschte Drehzahleinfluss zum Teil ausgeglichen. Diese bei kleinen Verdichtern übliche Bauweise verzichtet auf ein eigenständiges Öl-System und funktioniert in begrenzten Anlagen mit begrenzten Lebensdauern für PKWs ausreichend gut. Eine Übertragung auf Nutzfahrzeuge mit ihren größeren Leistungen und höheren Lebensdauerforderungen ist jedoch bis heute nicht in Serie gelungen.
Im Bereich der Busklimatisierung ist es bekannt, bei vier-Zylinder-V-Verdichtern eine Zylinderbank (= zwei Zylinder=50%) wegzuschalten bzw. in einen Zustand zu versetzen, in dem durch die entsprechende Zylinderbank keine Förderleistung erbracht wird. Dies geschieht durch ein Absperren des Sauggasstroms für die entsprechende Zylinderbank. Der Verdichter läuft dann unter nahezu Nullförderung, verdichtet gegen Enddruck und reexpandiert das Gas, wobei die Verdichtungsarbeit an die Kurbelwelle zurück gegeben wird. Mit einer solchen Regelung kann ein Busklimasystem bereits etwas feiner geregelt werden, nämlich in 50% Stufen, was aber immer noch nicht genügt, wenn eine hohe Regelungsqualität erreicht werden soll.
Ein Hubkolbenverdichter des Standes der Technik ist in US3119550 offenbart. Es zeigt einen Hubkolbenverdichter mit einer Regelvorrichtung, welche einen Eingang zum Zuführen einer Eingangs-Information, insbesondere Saugdruck oder Hochdruck eines entsprechenden Verdichters, sowie wenigstens einen Ausgang zur Ansteuerung eines Regelorgans aufweist, wobei der Hubkolbenverdichter eine Absperrvorrichtung, insbesondere ein Ventil, weiterhin insbesondere ein Rückschlagventil aufweist, welches, in einer Strömungsrichtung des Kältemittels bei einem normalen Betrieb des Hubkolbenverdichters betrachtet, stromabwärts des Hochdruckvolumens angeordnet ist. Der Hubkolbenverdichter besitzt wenigstens ein Sauggasvolumen und wenigstens ein Hochdruckvolumen, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen des Hubkolbenverdichters ausgebildet ist. Das wenigstens eine Sauggasvolumen und das wenigstens eine Hochdruckvolumen sind in den Hubkobenverdichter integriert. Demnach ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hubkolbenverdichter für die verschiedensten Verwendungsgebiete, beispielsweise Kälte-, Klima-, oder auch Wärmepumpenanwendungen anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Regelungsqualität aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Anlagen, sowie auch ein entsprechendes Regelverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hubkolbenverdichter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der zweite Aspekt der Aufgabenstellung wird durch Anlagen gemäß den Ansprüchen 6 und 7 gelöst. Der verfahrenstechnische Aspekt der Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
Ein entsprechender Hubkolbenverdichter weist eine Regelvorrichtung auf, die zur insbesondere stufenlosen Regelung einer Förderleistung des Hubkolbenverdichters vorgesehen ist und welche einen Eingang zum Zuführen einer Eingangs-Information, insbesondere eines Saugdrucks oder eines Hochdrucks des Verdichters, sowie wenigstens einen Ausgang zur Ansteuerung eines Regelorgans aufweist. Die Regelvorrichtung ist ausgebildet, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen, wobei das Regelorgan ein digital ansteuerbares Regelventil aufweist. Der Hubkolbenverdichter weist wenigstens ein Sauggasvolumen und wenigstens ein Hochdruckvolumen auf, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, und wobei das digital ansteuerbare Regelventil in der Verbindung angeordnet ist. Der Hubkolbenverdichter weist ferner eine Absperrvorrichtung, insbesondere ein Ventil, weiterhin insbesondere ein Rückschlagventil auf, welches, in einer Strömungsrichtung des Kältemittels bei einem normalen Betrieb des Verdichters betrachtet, stromabwärts des einen/eines jeweils zugeordneten Hochdruckvolumens angeordnet ist. Das wenigstens eine Sauggasvolumen und das wenigstens eine Hochdruckvolumen und das Regelventil sind in den Hubkolbenverdichter integriert.
Die Verbindung zwischen Hochdruckvolumen und Saugvolumen des Verdichters kann bei gleichzeitigem Schließen einer der Hochdruckseite zugeordneten und in Betriebs-Strömungsrichtung des Kältemittels dem Hochdruckvolumen nachgeordneten Absperrvorrichtung geöffnet werden, wodurch sich den beiden vorstehend genannten Volumina zugeordnete Kolben bzw. Zylinderbänke oder ggf. auch alle Zylinder bzw. Zylinderbänke des Verdichters in einen Zustand einer Nullförderung von Kältemittel verbringen lassen. Durch die Integration des Hochdruckvolumens in den Verdichter ist ein möglichst kleines Hochdruckvolumen sichergestellt, das für einen energetisch günstigen Betrieb des Verdichters sorgt.
Hinsichtlich des Anlagen-Aspekts wird die Aufgabe durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 6 ode 7 gelöst, welche einen entsprechenden Hubkolbenverdichter aufweisen.
Es wird im vorgeschlagen, den gesamten Verdichter und/oder Zylinderbänke bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelne Zylinder mit einer schnell schaltbaren Regelbarkeit (digitale Regelung) auszustatten. Hierdurch kann der Verdichter quasi stufenlos von 100% bis vorzugsweise ca. 10% seines Nennfördervolumens bzw. seines maximalen Fördervolumens geregelt werden.
Ferner ist ein Verfahren zum Regeln einer Förderleistung eines Hubkolbenverdichters bzw. einer mit diesem ausgestatteten Kälteanlage durch ein digitales Signal im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
Letztendlich sei angemerkt, dass im Gedanken der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung eines digital ansteuerbaren Ventils als Regelventil für die Förderleistung eines Hubkolbenverdichters in einer Regelvorrichtung für eine Kälteanlage enthalten ist.
Weitere optionale Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen, sowie der folgenden Figurenbeschreibung angegeben. In der Figurenbeschreibung wird die vorligende Erfindung am Beispiel einer Vorrichtung zur Busklimatisierung (Kälteanlage für Busklimatisierung bzw. Busklimasystem) beschrieben. Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine erfindungsgemäße Kälteanlage in vielen Anwendungen, beispielsweise einer Kälteanlage für einen Trailer, allgemein in einer Transportkälteanlage, aber auch in einer stationären Kälteanlage (beispielsweise Supermarktkälte) Anwendung finden kann.
Die beschriebenen jeweiligen Merkmale können einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein.Die Erfindung wird demnach im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Busses mit einer schematischen Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz in einer Klimaanlage desselben;
Fig. 2 eine Teilansicht des Verdichters, wie er in Fig. 1 schematisch dargestellt ist
Fig. 3 und 4 jeweils eine schematische Ansicht eines Teilausschnitts (Schnittansicht) des Verdichters gemäß Fig. 2; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verdichters, der in einer zweiten möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage Verwendung findet.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, weist eine Kälteanlage bzw. Klimaanläge 1 in Form eines Busklimasystems 1 als wesentliche Bestandteile einen Verdichter 10 zum Verdichten von Kältemittel, der als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, und eine Regelvorrichtung 12 auf, die eine Regelung 14 sowie ein Regelorgan in Form einer Absperrvorrichtung bzw. eines Ventils 16 aufweist. Neben einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters im Klimabereich seien beispielhaft die Bereiche stationäre und mobile Kälte sowie der Bereich der Wärmepumpen genannt.
Die Regelvorrichtung 12 weist ferner einen Eingang 18 zum Zuführen einer Eingangs-Information, die in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform durch einen Saugdruck des Verdichters 10 repräsentiert wird, sowie einen Ausgang 20 zur Ansteuerung des Regelorgans (Ventil 16), sowie eine Fördervolumenbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung eines erwünschten Fördervolumens in Abhängigkeit eines am Eingang 18 anliegenden Eingangssignals und zur Erzeugung eines entsprechenden dem Ausgang 20 zuzuführenden Ausgangssignals, auf. Während in Kälteanlagen oder Klimaanlagen die Eingangsgröße vorzugsweise der Saugdruck des Verdichters 10 ist, ist die Eingangsgröße bei Wärmepumpen beispielsweise vorzugsweise der Hochdruck, d.h. der Druck, der an der Hochdruckseite des Verdichters 10 anliegt.
Die Regelvorrichtung 12 ist ausgebildet, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Zur Umsetzung des digitalen Ausgangssignals ist das Ventil 16, das das Fördervolumen des Verdichters 10 regelt, als digital ansteuerbares elektromagnetisches Ventil ausgeführt. Es sind alternativ auch andere Ventilbauarten, insbesondere elektromechanische oder aber auch mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Ventile oder anderweitige Absperrvorrichtungen (Schieber und dgl.) denkbar.
Die Kälteanlage 1 weist ein Sauggasvolumen 22 und ein Hochdruckvolumen 24 auf, wobei das Sauggasvolumen 22 stromaufwärts der Zylinder des Verdichters 10 angeordnet ist, und das Hochdruckvolumen 24 stromabwärts der Zylinder des Verdichters 10 angeordnet ist, wobei die Richtungsbestimmungen stromaufwärts und stromabwärts bei einem normalen Betrieb der Kälteanlage 1 durch die Strömungsrichtung des Kältemittels definiert sind. Zwischen dem Sauggasvolumen 22 und dem Hochdruckvolumen 24 ist eine Verbindung 26 in Form einer Bohrung bzw. Aussparung beispielsweise im Gehäuse des Verdichters 10 oder aber auch als Rohrleitung ausgebildet, wobei das digital ansteuerbare Ventil 16 in der Verbindung 26 angeordnet ist und diese öffnen und unterbrechen bzw. verschließen kann.
Die Kälteanlage 1 weist ferner eine zweite Absperrvorrichtung in Form eines Rückschlagventils 28 (zweites Ventil) auf, welches stromabwärts des Hochdruckvolumens 24 angeordnet ist. Es ist anstelle eines Rückschlagventils 26 auch jegliche andere Absperrvorrichtung (Schieber, Ventil, beispielsweise elektomechanisch betätigtes oder elektromagnetisch betätigtes oder aber auch pneumatisch betätigtes Ventil, oder eine Blende oder dgl.) denkbar.
Das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 sind durch die obenstehend erwähnte Verbindung 26, beispielsweise Rohrleitung (Bypass-Leitung) miteinander verbunden, die durch das digital ansteuerbare Ventil 16 öffenbar und verschließbar ist derart, dass das das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 direkt miteinander in (Fluid-)Verbindung stehen, wenn das Ventil 16 in einer Öffnungsstellung ist.
Ist das Ventil 16 in einer Schließstellung, so besteht keine direkte Verbindung zwischen Sauggasvolumen 22 und Hochdruckvolumen 24. Der Verdichter 10 befindet sich in Normalbetrieb (vgl. hierzu auch Fig. 3), in dem Kältemittel aus dem Sauggasvolumen 22 in die Zylinder geleitet wird, dort verdichtet wird, und dann in das Hochdruckvolumen 24 ausgestoßen und dem Busklimasystem 1 zur Verfügung gestellt wird (der Weg des Kältemittels ist jeweils durch Pfeile angedeutet).
Wenn das Ventil 16 jedoch in seiner Öffnungsstellung ist (vgl. hierzu auch Fig. 4), ergibt sich ein "Kurzschluß" zwischen Sauggasvolumen 22 und Hochdruckvolumen 24. In einer Öffnungsstellung des Ventils 16 schließt das Rückschlagventil 28 durch den Hochdruck und hält den Hochdruck damit aus den Arbeitsräumen des Verdichters fern. Somit sinkt die aufgenommene Leistung des Verdichters auf den unvermeidlichen Wert, der den inneren Verlusten des Verdichters, beispielsweise an den Arbeitsventilen entspringt. In alternativen Ausführungsformen wird eine anderweitige Absperrvorrichtung geschlossen, beispielsweise durch die Regelvorrichtung 12. Damit wird der Verdichter 10 "abgeschaltet", da das durch die Zylinder geförderte Kältemittel vom Hochdruckvolumen 24 zurück in das Sauggasvolumen 22 strömt und von dort wiederum in die Zylinder und dann wiederum in das Hochdruckvolumen 24 gelangt.
Die Öffnungsdauer des Ventils 16 kann durch die Regelvorrichtung 12 in einer beliebigen, stufenlosen Taktung erfolgen, so dass eine Förderleistung des Verdichters 10 von prinzipiell 0% bis 100% stufenlos bzw. nahezu stufenlos darstellbar ist. In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist die Regelvorrichtung 12 jedoch derart ausgebildet, dass ein minimales Fördervolumen von 5% bis 10% gewährleistet ist, um den Verdichter 10 zu kühlen. Bei ausschließlich luftgekühlten Verdichtern kann hierauf verzichtet werden.
Es sei ergänzend festgehalten, dass die beschriebene Kälteanlage 1 einen Kondensator 30, ein Expansionsorgan in Form eines Expansionsventils 32 und einen Verdampfer 34 zur Klimatisierung des Fahrzeugs (Bus) 36/zur Kühlung des zu kühlenden Volumens aufweist. Ein Sollwert, mit dessen Hilfe der Saugdruck, der erwünscht und somit einzuregeln ist, ermittelt wird, wird aus dem Volumen (in der beschriebenen Ausführungsform aus dem Fahrzeug 36), das zu klimatisieren ist, eingespeist.
Wie aus den Figuren 2 bis 4 ersichtlich ist, weist die beschriebene Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 1 das Sauggasvolumen 22 und das Hochdruckvolumen 24 im Verdichter 10 integriert auf. Die Verbindung 26 zwischen der Sauggasseite und der Hochdruckseite ist zwischen dem Sauggasvolumen 22 und dem Hochdruckvolumen 24 hier vorzugsweise in Form eines Kanals (alternativ als Bohrung oder als im Rahmen des Gießens der entsprechenden Bauteile geformte Aussparung, alternativ auch als Rohrleitung) ausgebildet. Das Ventil 16 ist wie in der vorstehend erläuterten Ausführungsform in der Verbindung 26 (Kanal) angeordnet und somit ebenfalls in den Verdichter 10 integriert. Wiederum sind alle denkbaren Arten von Ventilen und auch anderweitige Absperrvorrichtungen denkbar, wie sie bereits in Zusammenhang mit der vorstehend erläuterten Ausführungsform dargestellt wurden. Insbesondere in Anlagen, in denen hohe Drücke erreicht werden, kann eine Integration der Volumina und des Ventils in den Verdichter 10 vorteilhaft sein. Die Betriebsweise ist in der zweiten Ausführungsform identisch zu der ersten Ausführungsform.
Wie aus der schematischen Darstellung in Fig. 5 ersichtlich ist, weist ein Verdichter 10 einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, der ebenfalls als Hubkolbenzylinder ausgebildet ist, zwei Zylindergruppen in Form zweier Zylinderbänke 40 auf (die Zylinder müssen nicht notwendigerweise als Zylinderbänke 40 gruppiert sein; andere Kriterien zur Gruppierung sind denkbar).
Die Kälteanlage 1, genauer der Hubkolbenverdichter 10 der Kälteanlage 1 weist pro Zylinderbank 40 (in alternativen Ausführungsformen pro Zylindergruppe oder pro Zylinder) ein Sauggasvolumen 22 zur Speisung der jeweiligen Zylinderbank 40 mit Kältemittel und ein Hochdruckvolumen 24 zum Ausstoß des Kältemittels auf. Die entsprechenden Sauggasvolumina 22 sind stromaufwärts der jeweiligen ihnen zugeordneten Zylinderbank 40 angeordnet, während die entsprechenden Hochdruckvolumina 24 stromabwärts der jeweiligen zugeordneten Zylinderbank 40 angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Sauggasvolumina 22 und die Hochdruckvolumina 24 innerhalb des Verdichters 10, d.h. in diesen integriert angeordnet. Zwischen dem der ersten Zylinderbank 40 zugeordneten Sauggasvolumen 22 und dem der ersten Zylinderbank 40 zugeordneten Hochdruckvolumen 24 ist eine Verbindung 26 ausgebildet, die die beiden Volumina miteinander verbindet. In der Verbindung ist ein digital ansteuerbares Ventil 16 angeordnet. Eine analoge Konstruktion ist für die der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Volumina realisiert. Zwischen dem der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Sauggasvolumen 22 und dem der zweiten Zylinderbank 40 zugeordneten Hochdruckvolumen 24 ist eine weitere (zweite) Verbindung 26 ausgebildet, die die beiden Volumina miteinander verbindet. In der Verbindung ist ein digital ansteuerbares Ventil (drittes Ventil) 16 angeordnet. Die Verbindungen 26 sind als Rohrleitungen ausgebildet.
Die Ventile 16 sind analog zu dem bereits in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebenen Ventil 16 ausgebildet und können auch durch eine andere beliebige Absperrvorrichtung substituiert sein, wobei wenigstens eine der Absperrvorrichtungen digital ansteuerbar sein muss, um die gewünschte Regelpräzision zu erhalten. Es wäre alternativ auch denkbar, dass nur für einer Zylinderbank 40 zugeordnete Volumina eine Verbindung 26 (beispielsweise Rohrleitung oder Kanal) vorgesehen ist. Die Ventile 16 werden von der Regelvorrichtung 12 gesteuert. Auch in dieser Ausführungsform sind sowohl die Verbindung(en) 26 als auch die Hochdruckvolumina und Sauggasvolumina im Verdichter 10 integriert angeordnet.
Durch eine Konstruktion gemäß der zweiten Ausführungsform kann eine Abschaltung und Zuschaltung einzelner Zylindergruppen (Zylinderbänke 40) erfolgen. Es wird demnach vorgeschlagen, Zylinderbänke 40 bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelne Zylinder mit einer schnell schaltbaren Regelbarkeit anzusteuern. Hierdurch kann der Verdichter 10 stufenlos bzw. quasi stufenlos oder in beliebigen Stufungen von 100% bis ca. 10% herunter geregelt werden, wobei die Untergrenze thermisch und vom Ölhaushalt des Verdichters 10 bestimmt ist. Die Schaltung der Zylinderbänke40 bzw. Zylindergruppen, ggf. auch einzelnen Zylinder kann dabei asynchron erfolgen, so dass die Zeit totaler Nullförderung begrenzt werden kann.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass es auch vom Gedanken der vorliegenden Anmeldung umfasst ist, dass die Verbindung(en) 26 und/oder das/die Ventil(e) 16 und/oder das/die Sauggasvolumen(-volumina) und/oder das/die Hochdruckvolumen(-volumina) außerhalb des Verdichters angeordnet sind. Dies stellt eine einfache Konstruktion dar, die jedoch energetisch etwas uneffektiver als die vortehend beschriebenen Ausführungsformen sein mag, da insbesondere das Hochdruckv bzw. die Hochdruckvolumina größer sind als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Außerdem ist bei einer Integration der Komponenten in den Verdichter ein unkomplizierter Einbau und auch eine unkomplizierte Konstruktion von Seiten des Herstellers der jeweiligen Klimaanlage oder Kälteanlage oder Wärmepumpe etc. möglich.
Als Beispiel für eine mögliche Regelung sei genannt: bei einer gewünschten Kältemittelförderung entsprechend 50-100% der Nennleistung taktet eine Zylinderbank 40 bis hin zur völligen Abschaltung (bei 50%); bei einer gewünschten Kältemittelförderung entsprechend 50-10% der Nennleistung takten beide Bänke mit zunehmender Überlappung. Bei 10% läuft z.B. jede Bank 6s pro Minute im Wechsel.
Ein weiterer Vorteil dieser Regelung ist, dass das Anlaufmoment des Verdichters 10 begrenzt werden kann, indem beim Start beispielsweise alle Zylinder abgeschaltet werden. Dadurch ist es möglich, die Größe von Kupplungen und auch Antrieben zu begrenzen, über die entsprechende Verdichter 10 in der Regel angetrieben werden. Auch kann das Drehmoment generell kontrolliert und begrenzt werden, um die Kupplung auch im Betrieb vor einer möglichen Überlastung zu schützen.
Eine weitere Möglichkeit ist, bei jedem Einschaltvorgang der Kupplung eine oder mehrere Zylinderbänke 40 bzw. Zylindergruppen oder Zylinder abzuschalten. Damit wird die Schaltarbeit der Kupplung reduziert. Diese Möglichkeit besteht auch schon beim Abschalten des Verdichters 10, so dass auch bei der Trennung des Verdichters 10 vom Antrieb das Drehmoment reduziert wird.
Bei dezentralen Systemen und Einzelverdichtersystemen, wie in Bussen oder bei Transportkälte, kommt einem entlasteten Anlauf des Verdichters 10 eine besondere Bedeutung zu, da die Antriebskomponenten entsprechend schwächer dimensioniert werden können. Insofern sei hier auch insbesondere auf eine Anwendung als Leistungsregelung für CO₂-Verdichter verwiesen, die bei anderen Verfahren zu große Wärme entwickeln können und gleichzeitig in den Trockeneisbereich geraten können.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass auch ein entsprechendes Verfahren zum Regeln einer Kälteanlage 1 im Gedanken der vorliegenden Anmeldung enthalten ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Kälteanlage 1 stellt sich folgendermaßen dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Regeln eines Hubkolbenverdichters 10, beispielsweise einer Kälte- bzw. Klimaanlage 1 oder auch einer Wärmepumpe, wobei das Regeln der Kälteanlage 1 durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 bewerkstelligt wird.Die Regelung der Förderleistung erfolgt durch wenigstens ein digitales Signal. Das digitale Signal oder digitale Signale können einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) 16 zugeführt werden. In möglichen Ausführungsformen weist die Kälteanlage 1 wenigstens ein Sauggasvolumen 22 und wenigstens ein Hochdruckvolumen 24 auf, wobei eine Verbindung 26 zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen 22 und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen 24 des Hubkolbenverdichters 10 ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung 26 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils 16 erfolgt.
Die Kälteanlage kann mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke 40, und mehr als ein Sauggasvolumen 22, insbesondere ein Sauggasvolumen 22 für jede Zylindergruppe, und mehr als ein Hochdruckvolumen 24 insbesondere ein Hochdruckvolumen 24 für jede Zylindergruppe aufweisen, wobei wenigstens eine Verbindung 26 zwischen einem der Sauggasvolumina 22 und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen 24 der Kälteanlage 1 ausgebildet ist. Die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 erfolgt durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung 26 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils 16.
Vorzugsweise ist eine Verbindung 26 zwischen jedem der Sauggasvolumina 22 und jedem korrespondierenden Hochdruckvolumen 24 der Kälteanlage 1 ausgebildet, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 durch ein Öffnen und Schließen der Verbindungen 26 gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels digital ansteuerbarer Regelventile 16 erfolgt. Das Öffnen und Schließen von verschiedenen Zylindergruppen zugeordneten Verbindungen 26 erfolgt im Betrieb der Kälteanlage 1 vorzugsweise asynchron.
Bei einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich um ein Verfahren zum Regeln eines Hubkolbenverdichters 10, der, wie bereits erläutert, eine Regelvorrichtung 12 aufweist und zum Verdichten von Kältemittel vorgesehen ist. Das Regeln des Hubkolbenverdichters 10 wird durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters 10 bewerkstelligt, wobei die Regelung der Förderleistung durch wenigstens ein digitales Signal erfolgt, wobei das digitale Signal oder digitale Signale einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) 16 zugeführt wird.Der Hubkolbenverdichter 10 weist wenigstens ein Sauggasvolumen 22 und wenigstens ein Hochdruckvolumen 24 auf, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen 22 und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen 24 der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils 16 erfolgt. Der Hubkolbenverdichter 10 weist eine Absperrvorrichtung 28 auf, welche, in einer Strömungsrichtung des Kältemittels bei einem normalen Betrieb des Hubkolbenverdichters 10 betrachtet, stromabwärts des Hochdruckvolumens 24 angeordnet ist, wobei die Absperrvorrichtung 28 geschlossen ist, wenn die Verbindung 26 geöffnet ist, und wobei die Absperrvorrichtung 28 geöffnet ist, wenn die Verbindung 26 geschlossen ist.
Die Regelvorrichtung steuert ein oder mehrere Regelventile derart an, dass ein Fördervolumen von 5% bis 10% des Nenn-Fördervolumens oder maximalen Fördervolumens des Verdichters 10 als minimales Fördervolumen vorgesehen ist und/oder dass 100% der Nennförderleistung bzw. Nenn-Fördervolumens oder des maximalen Fördervolumens bzw. der maximalen Förderleistung als maximales Fördervolumen vorgesehen ist. Zwischen dem minimalen Fördervolumen und dem maximalen Fördervolumen wird vorzugsweise stufenlos variiert bzw. geregelt.
Es ist ferner folgendes Verfahren in der vorliegenden Offenbarung enthalten:

1. Verfahren zum Regeln eines Hubkolbenverdichters mit einer Regelvorrichtung , wobei das Regeln der Kälteanlage durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters bewerkstelligt wird, wobei die Regelung der Förderleistung durch wenigstens ein digitales Signal erfolgt.
2. Verfahren nach 1., wobei das digitale Signal oder digitale Signale einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) zugeführt wird.
3. Verfahren nach 1. oder 2., wobei die Kälteanlage wenigstens ein Sauggasvolumen und wenigstens ein Hochdruckvolumen aufweist, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
4. Verfahren nach 1., 2. oder 3.,wobei die Kälteanlage mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke, und mehr als ein Sauggasvolumen, insbesondere ein Sauggasvolumen für jede Zylindergruppe, und mehr als ein Hochdruckvolumen, insbesondere ein Hochdruckvolumen für jede Zylindergruppe aufweist, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen einem der Sauggasvolumen und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
5. Verfahren nach 4., wobei eine Verbindung zwischen jedem der Sauggasvolumina und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen der Kälteanlage ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindungen gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels digital ansteuerbarer Regelventile erfolgt.
6. Verfahren nach nach einem der Punkte 1. bis 5., wobei der Verdichter eine oder mehrere Zuführung(en) für zu verdichtendes Kältemittel aufweist, wobei bei einem Verdichter, der mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke aufweist, insbesondere eine Zuführung für jede Zylindergruppe vorgesehen ist, wobei die Regelung der Förderleistung durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Punkte 1. bis 6., wobei die Regelvorrichtung ein oder mehrere Regelventile derart ansteuert, dass ein Fördervolumen von 5% bis 10% des Nenn-Fördervolumens oder maximalen Fördervolumens des Verdichters als minimales Fördervolumen vorgesehen ist.

Bezugszeichen:

1: Kälteanlage bzw. Klimaanlage
10: Verdichter
12: Regelvorrichtung
14: Regelung
16: Regelorgan bzw. Ventil
18: Eingang
20: Ausgang
22: Sauggasvolumen
24: Hochdruckvolumen
26: Verbindung
28: Rückschlagventil
30: Kondensator
32: Expansionsventil
34: Verdampfer
36: Fahrzeug (Bus)
40: Zylinderbank

Claims

Hubkolbenverdichter (10) mit einer Regelvorrichtung (12), welche einen Eingang (18) zum Zuführen einer Eingangs-Information, insbesondere Saugdruck oder Hochdruck eines entsprechenden Verdichters (10), sowie wenigstens einen Ausgang (20) zur Ansteuerung eines Regelorgans (16) aufweist, wobei die Regelvorrichtung (12) ausgebildet ist, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen,
wobei das Regelorgan ein digital ansteuerbares Regelventil (16) aufweist,
wobei der Hubkolbenverdichter (10) wenigstens ein Sauggasvolumen (22) und wenigstens ein Hochdruckvolumen (24) aufweist, wobei eine Verbindung (26) zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen (22) und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen (24) des Hubkolbenverdichters (10) ausgebildet ist, wobei das digital ansteuerbare Regelventil (16) in der Verbindung (26) angeordnet ist,
wobei der Hubkolbenverdichter (10) eine Absperrvorrichtung, insbesondere ein Ventil, weiterhin insbesondere ein Rückschlagventil (28) aufweist, welches, in einer Strömungsrichtung des Kältemittels bei einem normalen Betrieb des Hubkolbenverdichters (10) betrachtet, stromabwärts des Hochdruckvolumens (24) angeordnet ist,
wobei das wenigstens eine Sauggasvolumen und das wenigstens eine Hochdruckvolumen und das Regelventil (16) in den Hubkolbenverdichter (10) integriert sind,
wobei die Regelvorrichtung (12) zur stufenlosen Regelung einer Förderleistung des Hubkolbenverdichters (10) vorgesehen ist.
Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (10) mehrere Zylindergruppen, insbesondere Zylinderbänke (40) aufweist.
Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hubkolbenverdichter (10) mehr als ein Sauggasvolumen (22), insbesondere ein Sauggasvolumen (22) für jede Zylindergruppe und mehr als ein Hochdruckvolumen (24), insbesondere ein Hochdruckvolumen (24) für jede Zylindergruppe aufweist, wobei wenigstens eine Verbindung (26) zwischen einem der Sauggasvolumina (22) und einem korrespondierenden Hochdruckvolumen (24) des Hubkolbenverdichters (10) ausgebildet ist, wobei in der Verbindung (26) das/ein digital ansteuerbares Regelventil (16) angeordnet ist.
Hubkolbenverdichter (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen jedem Sauggasvolumen (22) und zwischen jedem jeweils dazu korrespondierenden Hochdruckvolumen (24) eine Verbindung (26) ausgebildet ist, wobei in der jeweiligen Verbindung (26) ein digital ansteuerbares Regelventil (16) angeordnet ist.
Hubkolbenverdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hubkolbenverdichter (10), insbesondere die Regelvorrichtung (12) dazu ausgebildet ist, das Fördervolumen des Verdichters (10) von 5%, insbesondere 10% einer Nennförderleistung oder einer maximalen Förderleistung bis zu 100% derselben zu regeln.
Kälteanlage oder Klimaanlage, aufweisend einen Hubkolbenverdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Wärmepumpe, aufweisend einen Hubkolbenverdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum Regeln eines Hubkolbenverdichters (10), der eine Regelvorrichtung (12) aufweist und zum Verdichten von Kältemittel vorgesehen ist, wobei das Regeln des Hubkolbenverdichters durch eine Regelung der Förderleistung des Verdichters (10) bewerkstelligt wird, wobei die Regelung der Förderleistung durch wenigstens ein digitales Signal erfolgt, wobei das digitale Signal oder digitale Signale einem oder mehreren digital ansteuerbaren Regelventil(en) (16) zugeführt wird,
wobei der Hubkolbenverdichter (10) wenigstens ein Sauggasvolumen (22) und wenigstens ein Hochdruckvolumen (24) aufweist, wobei eine Verbindung zwischen dem wenigstens einen Sauggasvolumen (22) und dem wenigstens einen Hochdruckvolumen (24) des Hubkolbenverdichters (10) ausgebildet ist, wobei die Regelung der Förderleistung des Verdichters durch ein Öffnen und Schließen der Verbindung gesteuert durch das digitale Signal insbesondere mittels des digital ansteuerbaren Regelventils (16) erfolgt, wobei der Hubkolbenverdichter (10) eine Absperrvorrichtung (28) aufweist, welche, in einer Strömungsrichtung des Kältemittels bei einem normalen Betrieb des Hubkolbenverdichters (10) betrachtet, stromabwärts des Hochdruckvolumens (24) angeordnet ist, wobei die Absperrvorrichtung (28) geschlossen ist, wenn die Verbindung (26) geöffnet ist, und wobei die Absperrvorrichtung geöffnet ist, wenn die Verbindung (26) geschlossen ist,
wobei zwischen dem minimalen Fördervolumen und dem maximalen Fördervolumen stufenlos variiert bzw. geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Regelvorrichtung ein oder mehrere Regelventile derart ansteuert, dass ein Fördervolumen von 5% bis 10% des Nenn-Fördervolumens oder maximalen Fördervolumens des Verdichters als minimales Fördervolumen vorgesehen ist und/oder dass 100% der Nennförderleistung bzw. Nenn-Fördervolumens oder des maximalen Fördervolumens bzw. der maximalen Förderleistung als maximales Fördervolumen vorgesehen ist.