EP3534000B1 - System umfassend einen kältemittelkompressor und verfahren zum betreiben des kältemittelkompressors - Google Patents

System umfassend einen kältemittelkompressor und verfahren zum betreiben des kältemittelkompressors Download PDF

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EP3534000B1
EP3534000B1 EP18159462.3A EP18159462A EP3534000B1 EP 3534000 B1 EP3534000 B1 EP 3534000B1 EP 18159462 A EP18159462 A EP 18159462A EP 3534000 B1 EP3534000 B1 EP 3534000B1
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EP
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drive unit
speed
compression mechanism
switch
revolutions
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Alfred Freiberger
Hans Peter SCHÖGLER
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Secop GmbH
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Publication date
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    • F04B49/02—Stopping, starting, unloading or idling control

Definitions

  • the present invention relates to a system comprising a refrigerant compressor and an electronic control device for the refrigerant compressor, which at least comprises the refrigerant compressor a drive unit, a compression mechanism which is operatively connected to a rotor of the drive unit and has at least one piston which can be moved back and forth in a cylinder of a cylinder block and can be driven via a crankshaft in order to cyclically suck refrigerant into the cylinder during a suction phase and the refrigerant during a compression phase following the suction phase compress in the cylinder the electronic control device being set up to to detect and control and / or regulate a rotational speed of the crankshaft, to detect a piston position of the piston at least approximately.
  • the present invention also relates to a method for operating a refrigerant compressor with a drive unit, a compression mechanism comprising a piston that can be driven by means of the drive unit, and a crankshaft that is connected to it via a connecting rod.
  • variable-speed or variable-speed refrigerant compressors are used in variable-speed or variable-speed refrigerant compressors, in particular also in refrigerant compressors that are based on the reciprocating piston principle.
  • Variable-speed refrigerant compressors have the advantage that they can be more specifically tailored to the cooling requirements of the object to be cooled, for example, in the case of lower cooling requirements, they can be operated at a lower speed and in the case of an increased cooling requirement, at a correspondingly increased speed.
  • variable-speed reciprocating refrigerant compressors essentially consist of a drive unit and a compression mechanism in the form of a piston which moves back and forth between a top and bottom dead center in a cylinder housing and is connected to a crankshaft via a connecting rod, which in turn is coupled in a rotationally rigid manner to a rotor of the drive unit.
  • a brushless DC motor is typically used as the drive unit. It is possible to determine the relative position of the rotor of the direct current motor and thus also the speed of rotation and the speed of the motor or the compression mechanism on the basis of the counter voltage induced in the motor winding (counter induction voltage). This method does not require separate sensors and is therefore particularly easy to implement and less prone to failure.
  • rotational speed is used when the actual instantaneous rotational speed is used, which varies over the crank angle in the case of reciprocating refrigerant compressors according to the prior art, whereas the term rotational speed is used when the average rotational speed of a crankshaft revolution is meant, that is to say that value which is generally known is meant when one speaks of the speed of a reciprocating refrigerant compressor.
  • a load torque that is higher than the suction phase acts on the compression mechanism, which must be overcome by the operating torque of the drive unit in order to keep the compression process going.
  • the increased load torque in the compression phase leads to a decrease in the rotational speed of the compression mechanism in the compression phase in reciprocating refrigerant compressors according to the prior art, which are operated with constant voltage.
  • a load torque that varies over the crank angle thus acts on the compression mechanism, the fluctuation range of the load torque primarily depending on the pressure ratio in the refrigerant circuit and leading to differently high angular accelerations and thus to a non-uniform rotational speed of the compression mechanism during the crankshaft revolution.
  • this vibration system In order to compensate for oscillations and vibrations of the compression mechanism during operation, it is mounted together with the drive unit via spring elements in a housing.
  • the natural frequencies of this vibration system are between 5 Hz and 16 Hz, depending on the type of compressor.
  • the recurring, increased load torque during each crankshaft revolution during the compression phase in particular when the reciprocating refrigerant compressor is operated at rotational speeds or speeds below a range between 1000 rpm and 700 rpm, leads to impacts on the compression mechanism, which the compression mechanism including the drive unit into the Press the spring elements and deflect them, the impact frequency being in the range of the natural frequency of the vibration system, so that the deflections of the spring elements increase with each crankshaft revolution in such a way that the compression mechanism and / or the drive unit can hit the housing, which can lead to undesirable noise emissions .
  • This fact is also a reason that known reciprocating refrigerant compressors are not operated in the normal, regulated operating phase below a range between 1000 rpm and 700 rpm.
  • the described, undesirable noise emissions of a reciprocating compressor with low Rotational speeds / speeds occur not only in normal, controlled operation, but especially during the stopping process, where these low rotational speeds / speeds have to be passed.
  • the stopping process is usually as follows: If the target temperature of the object to be cooled, for example a refrigerator compartment of a refrigerator, has been reached after a correspondingly normal, regulated operating phase of the refrigerant compressor, the electronic control device of the refrigerator sends a signal to the electronic control device of the refrigerant compressor, with which it is informed that there is no cooling capacity anymore is required because the target temperature has been reached. It is known from the prior art that the electronic control device of the refrigerant compressor then switches off the drive (switch-off time) and the stopping process begins.
  • crankshaft of the compression mechanism also runs through complete revolutions starting from top dead center (crank angle 0 °), whereby first a suction phase (correct: suction and back expansion phase) is run, during which refrigerant is sucked into the cylinder.
  • This suction phase ends, theoretically, when the cylinder has reached bottom dead center (crank angle 180 °).
  • the compression phase (correct: compression and ejection phase) then begins, during which the refrigerant in the cylinder is compressed and pushed out of the cylinder.
  • the compression phase ends theoretically when the piston has reached top dead center (crank angle 360 °) again.
  • the actual compression of the refrigerant only begins at a crank angle of around 210 ° (depending on the refrigerant compressor, the pressure conditions, the valve design, etc.) after 180 ° and the suction phase at about 30 °, but in any case after top dead center.
  • Switching off the drive unit of the refrigerant compressor at a switch-off point initiates the stopping process and leads to the compression mechanism being in a non-driven state (without operating torque) and only rotating further due to its inertia until it has come to a complete standstill, i.e. its speed of rotation or speed is 0. Colloquially one could also say that the refrigerant compressor "runs out”.
  • the compression mechanism and the drive unit rotate solely on the basis of the kinetic energy they have at the time of the shutdown and the inertia. They thus rotate, so to speak, in an uncontrolled manner, and their rotational speed behavior or speed behavior is dependent on the load torque acting on the compression mechanism.
  • the load torque leads to a reduction in the rotational speed or the rotational speed of the refrigerant compressor that rotates without a drive, so that the kinetic energy of the compression mechanism becomes ever smaller until, depending on the pressure conditions in the refrigerant circuit, it may no longer be sufficient to overcome the load torque.
  • the stopping jerk contributes significantly to the deflection of the spring elements due to the reversal of the direction of rotation, so that the probability that the compression mechanism / drive unit will strike the housing wall and thus undesirable Noise emissions are caused, is significantly increased.
  • This effect essentially results from the momentum conservation law, according to which the stopping jerk is compensated for by a counter-deflection of the drive unit.
  • drive units with reduced mass moments of inertia such as brushless DC motors (Brushless DC motors)
  • the same stopping jerk leads to a correspondingly greater deflection.
  • a disadvantage of the prior art is that the active braking process has a negative influence on the energy efficiency of the refrigerant compressor, since braking energy has to be applied in every stopping process.
  • the braking torque will already be applied at a relatively high speed, which is disadvantageous in terms of energy and, moreover, also causes additional noise emissions.
  • the aim of the invention is therefore to provide a system with a refrigerant compressor, preferably a reciprocating piston refrigerant compressor, and an electronic control device for the refrigerant compressor, and a method for operating a refrigerant compressor, preferably a reciprocating piston refrigerant compressor, which reliably prevent the occurrence of the stopping jerk without being actively involved Braking torque must be applied, which enables optimized operation of the refrigerant compressor in terms of energy efficiency and noise emissions.
  • the essence of the present invention for solving the above-mentioned object is not to leave essential parameters of the stopping process to chance, but in this way to set that after the drive unit has been switched off, when the compression mechanism runs out, there is as far as possible no jerk by the compression mechanism coming to a standstill in the suction phase. This precludes a further compression phase from starting and thus a stopping jerk.
  • a refrigerant compressor and an electronic control device for the refrigerant compressor which at least comprises the refrigerant compressor a drive unit, a compression mechanism which is operatively connected to a rotor of the drive unit and has at least one piston which can be moved back and forth in a cylinder of a cylinder block and can be driven via a crankshaft in order to cyclically suck refrigerant into the cylinder during a suction phase and the refrigerant during a compression phase following the suction phase compress in the cylinder
  • the electronic control device being set up to to detect and control and / or regulate a rotational speed of the crankshaft, to at least approximately record a piston position of the piston, provided according to the invention that the electronic control device is set up to with the drive unit switched off, determining an energy assessment variable difference which is proportional to an energy required to perform a crankshaft revolution, to determine an energy assessment variable at a measuring speed, which is proportional to a rotational energy at the measuring
  • the detection of the speed does not rule out that the speed of rotation can also be recorded.
  • Piston position is clearly to be understood as a current piston position, which can be specified in particular as a crankshaft rotational position in degrees, for example the top or bottom dead center of the piston can be defined as 0 °.
  • Switched-off drive unit is to be understood that the drive unit does not generate a positive (i.e. accelerating) or negative (i.e. braking) operating torque and the compression mechanism does not drive, that is, because of the inertia or the moments of inertia of the rotor and compression mechanism, it continues to run or expire. In practice, the drive unit is therefore not supplied with power or operated in the switched-off state. Of course, this does not rule out the fact that, for example due to unavoidable friction in the drive unit, the drive unit is switched off Condition exerts some negative torque on the compression mechanism.
  • Rotational energy is stored in the rotating compression mechanism and rotor. If the moment of inertia of the rotor can be neglected compared to that of the compression mechanism, one can also say that the rotational energy is essentially stored in the compression mechanism.
  • the energy assessment size difference is a measure of how much of this rotational energy is consumed per crankshaft revolution when coasting down.
  • the rotational energy consumed per crankshaft revolution could also be called the rotational energy decrement.
  • the energy assessment variable is in a certain, not necessarily known relationship to the rotational energy increment. Of course, the case is also conceivable where the ratio is simply 1: 1, i.e. where a proportionality factor between the rotational energy decrement and the energy rating magnitude difference is simply 1.
  • the energy assessment variable at a certain measuring speed which is in principle arbitrary, is a measure of how large the rotational energy is at this measuring speed. In particular, it is sufficient if the energy assessment quantity is in a certain, not necessarily known relationship to the rotational energy. Analogous to what has been said above, of course the case is also conceivable where the ratio is simply 1: 1, ie where a proportionality factor between the rotational energy and the energy assessment quantity is simply 1.
  • the number of revolutions or the number of remaining crankshaft revolutions until the compression mechanism comes to a standstill can be calculated by simply dividing the corresponding energy assessment variable by the energy assessment variable difference.
  • This ratio formation eliminates the - possibly unknown - proportionality factor before the rotational energy (at the measuring speed) and before the rotational decrement.
  • the compression mechanism can be operated and stopped by switching the drive unit on and off in such a way that the compression mechanism comes to a standstill.
  • the piston position at which switching off is to take due account of the reference piston position When switching off, the piston position at which switching off is to take due account of the reference piston position.
  • the specifiable limit speed can e.g. be stored in a memory of the control device or can be stored there if necessary. It can - but does not have to - have the same value as the switch-off speed.
  • the control device is set up to the energy assessment quantity difference by forming the difference of the energy assessment quantities in two to determine successive revolutions of the crankshaft in order to be able to determine how many revolutions the non-driven compression mechanism can continue to run based on the measurement speed and the reference piston position by forming the quotient energy assessment variable / energy assessment variable difference, it being possible to determine whether the Compression mechanism would come to a standstill in the suction phase or in the compression phase, and using the quotient formation and taking into account the fractional part of the determined number of revolutions to drive the compression mechanism and to switch off the drive unit such that the compression mechanism comes to a standstill during the suction phase.
  • the energy assessment variable difference is determined by forming the difference of the energy assessment variables for two successive revolutions of the crankshaft, By forming the quotient energy assessment variable / energy assessment variable difference, it is determined how many revolutions the non-driven compression mechanism can continue to run based on the measurement speed and the reference piston position, it being determined on the basis of the fractional part of the determined number of revolutions whether the compression mechanism is in the suction phase or in the compression phase would come to a standstill using the quotient formation and taking into account the fractional part of the determined number of revolutions, the compression mechanism is driven and the drive unit is switched off such that the compression mechanism comes to a standstill during the suction phase.
  • the energy assessment variable difference can be determined particularly easily and quickly in the manner described when the drive unit is switched off and the compression mechanism expires. By taking into account the percentage of decimal places in the determined number of revolutions, it can be set precisely whether the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase or not.
  • the control device is set up to switch off the drive unit only and to determine the difference in the energy assessment if the speed is greater than or equal to a, preferably predeterminable, minimum speed.
  • the drive unit is only switched off and the difference in the energy assessment is determined when the speed is greater than or equal to a, preferably predeterminable, minimum speed.
  • the minimum speed e.g. be or will be stored in the memory of the control device.
  • the reference piston position is the top dead center (TDC) of the piston in the cylinder.
  • TDC top dead center
  • the top dead center is well defined and is therefore very suitable as a reference piston position.
  • the addition of the adaptation number ensures that the fractional part of the adapted number of revolutions is such that, based on the reference piston position, the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase. I.e. when the compression mechanism comes to a standstill, the piston position must be sufficiently past top dead center and sufficiently before the compression phase, preferably before bottom dead center.
  • the determination speed lies in a range from 500 min -1 to 1500 min -1 , preferably from 800 min -1 to 1200 min -1 . This ensures that the determination speed is above a lowest operating speed of the compressor and that the difference in the energy assessment can be determined reliably and accurately.
  • the compression mechanism is driven, so to speak, in a fixed manner at the predefinable or predefined limit speed by means of the drive unit.
  • a suitable piston position namely the switch-off piston position, is determined at which the drive unit is switched off to ensure that the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase.
  • the minimum speed must be greater than the limit speed.
  • the limit speed in a range from 500 min -1 to 1500 min -1 , preferably from 800 min -1 to 1200 min -1 .
  • this variant first determines whether the compression mechanism would come to a standstill in the suction phase (by comparing the fractional part of the number of revolutions determined for the current outlet speed with the number of adjustments). If the compression mechanism would not come to a standstill in the suction phase - or not safely enough - the compression mechanism is "pushed" a little to ensure that it stops in the suction phase. Said pushing takes place in that the compression mechanism is only driven for a fraction of the duration of a complete crankshaft revolution, which in turn is accomplished by a correspondingly short activation of the drive unit.
  • the electronic Control device (13) is set up to at least the Repeat steps b2), b3), b4) and c) iteratively. Analogously, it is provided in a particularly preferred embodiment of the method according to the invention that at least steps b2), b3), b4) and c) are repeated iteratively.
  • step c) decides whether a further iteration is carried out or not.
  • step b1 it is also conceivable to repeat step b1), but this is usually not necessary in practice, since the difference in the size of the energy assessment is at least approximately constant.
  • the outlet speed is in a range from 500 min -1 to 1500 min -1 , preferably from 800 min -1 to 1200 min -1 .
  • the rotational energy can be increased very precisely in a targeted manner by pushing. Accordingly, it can be ensured in a particularly reliable manner that the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase.
  • top dead center is particularly suitable as a reference piston position.
  • the (respective) number of adjustments is in the range from 0.1 to 0.4, preferably from 0.2 to 0.3, in order to guarantee that the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase. This applies to all three special cases described above, in which either the determination speed, the limit speed or the run-down speed is used.
  • the control device is set up to determine the energy assessment variable difference in such a way that a plurality of energy assessment variable differences for rotational speeds at two successive revolutions in each case are determined in a sequence of more than two consecutive revolutions and from these energy assessment variable differences Average is formed.
  • the energy assessment variable difference is determined in such a way that a plurality of energy assessment variable differences for rotational speeds at two successive revolutions in each case are determined in a sequence of more than two successive revolutions and an average value is formed from these energy assessment variable differences.
  • the energy assessment variable difference can be determined particularly precisely. The calculation of the number of revolutions, or subsequently ensuring that the compression mechanism comes to a standstill in the suction phase, is correspondingly precise.
  • Fig. 1 1 shows a schematic representation of a reciprocating-piston refrigerant compressor 1 connected to an electrical power supply 12 and controlled by an electronic control device 13 in a coolant circuit known per se with a condenser 2, a throttle device 3 and an evaporator 4.
  • the refrigerant in the evaporator 4 absorbs heat from a cold room, whereby it is cooled.
  • the evaporated refrigerant is over compresses a compression mechanism 5 of the reciprocating-piston refrigerant compressor 1 to a higher temperature and subsequently liquefies again in the condenser 2, in order finally to be fed back to the evaporator 4 of the cooling space via the throttle device 3.
  • the electronic control device 13 communicates the refrigerant compressor 1 with an electronic control device 14 of a refrigerator 15.
  • a communication option is not considered essential to the invention, because it is also conceivable that the electronic control device 13 communicates with a refrigerator 15, which itself does not have its own electronic control device but only has a thermostat.
  • Fig. 2 shows a schematic view of the compression mechanism 5 consisting of a crankshaft 6 driven by a drive unit 16, a connecting rod 7 and a piston 9 which can be moved up and down in a cylinder block 8.
  • the compression mechanism 5 is mounted in a housing 11 via spring elements 10, which spring elements 10 to absorb and compensate for the vibrations of the unit consisting of the compression mechanism 5 and the drive unit 16 due to the rotation of the crankshaft 6 and the movements of the piston 9.
  • the drive unit 16 controlled by the electronic control device 13 is a variable-speed drive unit 16, typically a brushless DC motor, the speed ⁇ of which can be regulated by means of the electronic control device 13.
  • the detection of the actual speed required for the regulation of the speed ⁇ takes place by detection of the counter voltage (induction counter voltage) induced in a motor winding of the drive unit 16, so that no further sensors are required and with which the actual rotational speed is also detected.
  • the electronic control device 13 according to the invention can of course also work together with separate sensors for measuring the rotational speed or measuring the rotational speed, for example with Hall sensors.
  • the electronic control device 14 of the refrigerator 15 detects that the cold room temperature rises and sends a signal (usually a frequency signal) to the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1, by means of which the latter is informed that cooling capacity is required, whereupon the refrigerant compressor 1 accordingly their programming controls and regulates to deliver (more or less) cooling capacity.
  • the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1 will start it in order to compress the refrigerant and to extract heat from the cooling space and to reach the target temperature again.
  • This "jump" initiates the start phase.
  • the refrigerant compressor 1 then goes into the normal, regulated operating phase. This continues as long as the refrigerant compressor 1 is switched on or, to put it more technically, as long as energy is supplied to the refrigerant via the compression mechanism 5 and the drive unit 16 of the refrigerant compressor 1 generates an operating torque B m .
  • the compression mechanism 5 can rotate at different speeds ⁇ during this normal, regulated operating phase, depending on whether more or less heat is to be removed from the cooling space.
  • the electronic control device 14 of the refrigerator 15 will demand more cooling power from the refrigerant compressor 1 due to the inflowing warm air, so that the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1 revs the speed ⁇ of Drive unit 16 and thus the compression mechanism 5 increased in order to be able to remove the heat flowing into the cooling space.
  • the increase in the rotational speed ⁇ is associated with an increased energy requirement of the refrigerant compressor 1. If the electronic control device 14 of the refrigerator 15 detects that the current cooling chamber temperature is approaching the target temperature, the electronic control device 14 of the refrigerator 15 sends a corresponding signal to the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1 to send less cooling capacity demand and not "overshoot" the target temperature and slowly approach it. The electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1 in turn will reduce the rotational speed ⁇ of the drive unit 16 / the compression mechanism 5 on the basis of this requirement.
  • the electronic control device 14 of the refrigerator 15 recognizes that the cold room temperature has risen again in the meantime because, for example, the cold room has been reloaded, the electronic control device 14 of the refrigerator 15 will again request more cooling power from the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1, so that the latter Speed ⁇ of the drive unit 16 / the compression mechanism 5 will increase again.
  • the electronic control device 14 of the refrigerator 15 sends a signal to the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1, by means of which it is informed that the target temperature has been reached.
  • the electronic control device 13 of the refrigerant compressor 1 then switches off the drive unit 16. Switching off the drive unit 16 means that the compression mechanism 5 together with the drive unit 16 is in a non-driven state and continues to rotate only because of the inertia until the speed ⁇ or the speed of rotation is 0. Colloquially one could also say that the refrigerant compressor 1 "runs out".
  • Fig. 3 shows a diagram of the course of the load torque L m (dash-dotted line in Fig. 3 ) above the crank angle ⁇ during a normal, regulated operating phase of a reciprocating-piston refrigerant compressor 1 known from the prior art, the drive unit 16 of which compresses the compression mechanism 5 with an operating torque B m (dashed line in Fig. 3 ) drives. It was assumed that the crankshaft 6 rotates clockwise. The direction of rotation is thus from 0 ° (top dead center (TDC)) to 360 ° (again top dead center (TDC)). Furthermore, it should be noted that for reasons of illustration, the load torque L m and the operating torque B m in Fig. 3 are scaled differently.
  • the load torque L m is the highest in amount shortly before the piston 9 reaches top dead center in the compression phase, that is to say at approximately 330 °, and counteracts the operating torque B m .
  • the load torque L m acts in the same direction of rotation as the operating torque B m , that is to say that the load torque L m in this section of the suction phase (back expansion phase) even rotates the compression mechanism 5 supported.
  • the reference piston position is the top dead center (TDC) of the piston 9 in the cylinder 8.
  • Fig. 4 shows the resulting diagram of speed ⁇ over time t for an application in which the refrigerant compressor 1 is initially operated at a specific speed ⁇ 0 , for example 2000 min -1 .
  • the drive unit 16 is switched off, so that the compression mechanism 5 continues to run without a drive.
  • TDC reference piston position
  • Fig. 5 shows the associated diagram of speed ⁇ versus time t, again for an application in which the refrigerant compressor 1 is initially operated at a specific speed ⁇ 0 , for example 2000 min -1 .
  • the drive unit 16 is switched off, so that the compression mechanism 5 continues to run without a drive.
  • the drive unit 16 On the basis of the comparison of the fractional part of N with the adaptation number, the drive unit 16 is switched on for a moment, during which only part of a complete revolution of the crankshaft 6 takes place, in order to "push" the compression mechanism 5 to a certain extent. Accordingly, the speed ⁇ is currently increasing slightly (in Fig. 5 for clarity, shown over a period of time that is not drawn to scale). The compression mechanism 5 then runs down to zero speed and comes to a standstill in the suction phase.
  • Fig. 6 shows the resulting diagram of speed ⁇ over time t for an application in which the refrigerant compressor 1 initially with a certain speed ⁇ 0 , for example 2000 min -1 , is operated.
  • the drive unit 16 is switched off, so that the compression mechanism 5 continues to run without a drive.
  • the energy assessment quantity difference W ⁇ 1 2 - ⁇ 2 2 results immediately. Furthermore, as described above, the number of revolutions N or its fractional part is determined and by subtracting the adaptation number from the fractional part that piston position is determined which is subtracted from the reference piston position in order to obtain the shut-off piston position.
  • the compression mechanism 5 now runs down to the limit speed ⁇ limit and is then kept at the limit speed ⁇ limit by means of the drive unit 16.
  • the compression mechanism 5 with the drive device 16 switched on is driven to the limit speed ⁇ limit and held there.
  • the stop at the limit speed ⁇ limit takes place only very briefly or for a moment, which is indicated in Fig. 6 is exaggerated for reasons of clarity, namely until the switch-off piston position is reached.
  • the drive unit 16 is finally switched off and the compression mechanism 5 runs to a standstill, the compression mechanism 5 coming to a standstill in the suction phase.

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System umfassend einen Kältemittelkompressor und eine elektronische Steuerungseinrichtung für den Kältemittelkompressor, welcher Kältemittelkompressor zumindest umfasst
    eine Antriebseinheit,
    einen mit einem Rotor der Antriebseinheit in Wirkverbindung stehenden Kompressionsmechanismus mit zumindest einem in einem Zylinder eines Zylinderblocks hin und her bewegbaren, über eine Kurbelwelle antreibbaren Kolben, um zyklisch Kältemittel während einer Saugphase in den Zylinder zu saugen und das Kältemittel während einer auf die Saugphase folgenden Verdichtungsphase im Zylinder zu verdichten,
    wobei die elektronische Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist,
    eine Drehzahl der Kurbelwelle zu erfassen und zu steuern und/oder regeln,
    eine Kolbenposition des Kolbens zumindest annähernd zu erfassen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors mit einer Antriebseinheit, einem mittels der Antriebseinheit antreibbaren Kompressionsmechanismus umfassend einen Kolben sowie eine mit diesem über ein Pleuel in Verbindung stehende Kurbelwelle.
    • STAND DER TECHNIK
  • Derartige elektronische Steuerungseinrichtungen kommen bei drehgeschwindigkeitsvariablen bzw. drehzahlvariablen Kältemittelkompressoren zum Einsatz, insbesondere auch bei Kältemittelkompressoren, die auf dem Hubkolbenprinzip aufbauen. Drehzahlvariable Kältemittelkompressoren haben den Vorteil, dass sie spezifischer auf Kälteanforderungen des zu kühlenden Objekts abgestimmt werden können indem sie beispielsweise im Falle geringerer Kälteanforderungen mit geringerer Drehzahl und im Falle einer erhöhten Kälteanforderung, mit entsprechend erhöhter Drehzahl betrieben werden können.
  • Der Aufbau von drehzahlvariablen Hubkolbenkältemittelkompressoren ist hinlänglich bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit und einem Kompressionsmechanismus in Form eines in einem Zylindergehäuse sich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt hin und her bewegenden Kolben, der über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden ist, die wiederum drehstarr mit einem Rotor der Antriebseinheit gekoppelt ist.
  • Als Antriebseinheit kommt typischerweise ein bürstenloser Gleichstrommotor zum Einsatz. Dabei ist es möglich die relative Position des Rotors des Gleichstrommotors und damit auch die Drehgeschwindigkeit sowie die Drehzahl des Motors bzw. des Kompressionsmechanismus auf Basis der in der Motorwicklung induzierten Gegenspannung (Induktionsgegenspannung) zu bestimmen. Dieses Verfahren kommt ohne separate Sensoren aus und ist daher besonders einfach zu implementieren und wenig störanfällig.
  • Problematisch gestaltet sich bei
    Hubkolbenkältemittelkompressoren der Anhalteprozess. Im Betriebszustand des Kältemittelkompressors wirken in der Saug- und Kompressionsphase unterschiedliche Gaskräfte (bewirkt durch die Kältemitteldruckverhältnisse im System) und Reibungskräfte (beide gemeinsam werden als Lastmoment bezeichnet) auf den Kompressionsmechanismus, was bei genauerer Betrachtung in einer über den Kurbelwinkel ungleichförmigen, weil variierenden Drehgeschwindigkeit resultiert. In der vorliegenden Anmeldung wird grundsätzlich zwischen den Begriffen Drehzahl und Drehgeschwindigkeit unterschieden. Der Begriff Drehgeschwindigkeit wird verwendet, wenn die tatsächliche, momentane Drehgeschwindigkeit gemeint ist, die bei Hubkolbenkältemittelkompressoren nach dem Stand der Technik über den Kurbelwinkel variiert, wohingegen der Begriff Drehzahl dann verwendet wird, wenn die durchschnittliche Drehzahl einer Kurbelwellenumdrehung gemeint ist, also jener Wert der gemeinhin gemeint ist, wenn man von der Drehzahl eines Hubkolbenkältemittelkompressors spricht.
  • Konkret wirkt während der Kompressionsphase, welche im Wesentlichen einer Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt entspricht, ein gegenüber der Saugphase erhöhtes Lastmoment auf den Kompressionsmechanismus, welches vom Betriebsdrehmoment der Antriebseinheit überwunden werden muss, um den Verdichtungsprozess in Gang zu halten. Das erhöhte Lastmoment in der Kompressionsphase führt bei Hubkolbenkältemittelkompressoren nach dem Stand der Technik, die mit konstanter Spannung betrieben werden, zu einer Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Kompressionsmechanismus in der Kompressionsphase.
  • Während der Saugphase, welche im Wesentlichen einer Bewegung des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt entspricht, hingegen, bewirken die Gaskräfte gegenüber der Kompressionsphase ein verringertes Lastmoment. Dies führt zu einer Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Kompressionsmechanismus während der Saugphase.
  • Insgesamt wirkt somit ein über den Kurbelwinkel variierendes Lastmoment auf den Kompressionsmechanismus, wobei die Schwankungsbreite des Lastmomentes vor allem vom Druckverhältnis im Kältemittelkreislauf abhängt und zu unterschiedlich hohen Winkelbeschleunigungen und damit zu einer über den Kurbelwinkel ungleichförmigen Drehgeschwindigkeit des Kompressionsmechanismus während einer Kurbelwellenumdrehung führt.
  • Um Schwingungen und Vibrationen des Kompressionsmechanismus während des Betriebs auszugleichen, ist dieser samt Antriebseinheit über Federelemente in einem Gehäuse gelagert. Die Eigenfrequenzen dieses Schwingungssystems liegen je nach Kompressortyp zwischen 5 Hz und 16 Hz.
  • Somit führt das während jeder Kurbelwellenumdrehung wiederkehrende, erhöhte Lastmoment während der Kompressionsphase, insbesondere bei Betrieb des Hubkolbenkältemittelkompressors bei Drehgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen unterhalb eines Bereichs zwischen 1000 U/min und 700 U/min zu Stößen auf den Kompressionsmechanismus, welche den Kompressionsmechanismus samt Antriebseinheit in die Federelemente drücken und diese auslenken, wobei die Stoßfrequenz im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingungssystems liegt, sodass sich die Auslenkungen der Federelemente mit jeder Kurbelwellenumdrehung derart vergrößern, dass der Kompressionsmechanismus und/oder die Antriebseinheit gegen das Gehäuse schlagen können, wodurch es zu unerwünschten Schallemissionen kommen kann. Dieser Umstand ist auch ein Grund, dass bekannte Hubkolbenkältemittelkompressoren in der normalen, geregelten Betriebsphase nicht unterhalb eines Bereichs zwischen 1000 U/min und 700 U/min betrieben werden.
  • Die beschriebenen, unerwünschten Schallemissionen eines Hubkolbenkältemittelkompressors bei geringen Drehgeschwindigkeiten/Drehzahlen treten aber nicht nur im normalen, geregelten Betrieb auf sondern vor allem auch während des Anhalteprozesses, wo diese geringen Drehgeschwindigkeiten/Drehzahlen durchfahren werden müssen. Der Anhalteprozess läuft in der Regel wie folgt ab:
    Ist nach einer entsprechend andauernden normalen, geregelten Betriebsphase des Kältemittelkompressors die Zieltemperatur des zu kühlenden Objektes, beispielsweise eines Kühlfachs eines Kühlschranks erreicht, sendet die elektronische Steuerungseinrichtung des Kühlschranks ein Signal an die elektronische Steuerungseinrichtung des Kältemittelkompressors, mit welchem dieser mitgeteilt wird, dass keine Kühlleistung mehr benötigt wird, da die Zieltemperatur erreicht ist. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass daraufhin die elektronische Steuerungseinrichtung des Kältemittelkompressors den Antrieb abschaltet (Abschaltzeitpunkt) und der Anhalteprozess beginnt.
  • Die Kurbelwelle des Kompressionsmechanismus durchläuft auch nach dem Abschaltzeitpunkt jeweils vollständige Umdrehungen beginnend beim oberen Totpunkt (Kurbelwinkel 0°), wobei zunächst eine Saugphase (korrekt: Saug- und Rückexpansionsphase) durchlaufen wird, während welcher Kältemittel in den Zylinder gesaugt wird. Diese Saugphase endet, theoretisch wenn der Zylinder den unteren Totpunkt (Kurbelwinkel 180°) erreicht hat. Danach beginnt die Kompressionsphase (korrekt: Kompressions- und Ausschiebephase), während welcher das im Zylinder befindliche Kältemittel komprimiert wird und aus dem Zylinder ausgeschoben wird. Die Kompressionsphase endet theoretisch, wenn der Kolben den oberen Totpunkt (Kurbelwinkel 360°) wieder erreicht hat. In der Praxis beginnt die tatsächliche Kompression des Kältemittels allerdings erst bei einem Kurbelwinkel von in etwa 210° (abhängig vom Kältemittelkompressor, den Druckverhältnisse, der Ventilauslegung etc.) jedenfalls aber nach 180° und die Saugphase in etwa bei 30°, jedenfalls aber nach dem oberen Totpunkt.
  • Das Abschalten der Antriebseinheit des Kältemittelkompressors zu einem Abschaltzeitpunkt leitet den Anhalteprozess ein und führt dazu, dass sich der Kompressionsmechanismus in einem antriebslosen Zustand (ohne Betriebsdrehmoment) befindet und sich nur aufgrund seiner Massenträgheit noch weiter dreht, bis er vollkommen zum Stillstand gekommen ist, d.h. seine Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl 0 ist. Umgangssprachlich könnte man auch sagen, dass der Kältemittelkompressor "ausläuft".
  • Während des antriebslosen Zustandes drehen sich der Kompressionsmechanismus und die Antriebseinheit ausschließlich aufgrund der kinetischen Energie, die sie zum Abschaltzeitpunkt innehaben, sowie der Massenträgheit. Sie drehen sich damit sozusagen unkontrolliert und ihr Drehgeschwindigkeitsverhalten bzw. Drehzahlverhalten ist abhängig von dem auf den Kompressionsmechanismus wirkenden Lastmoment. Das Lastmoment führt zu einer Verringerung der Drehgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl des antriebslos ausdrehenden Kältemittelkompressors, so dass die kinetische Energie des Kompressionsmechanismus immer geringer wird, bis sie, abhängig von den Druckverhältnissen im Kältemittelkreislauf, möglicherweise nicht mehr ausreicht, um das Lastmoment zu überwinden.
  • Besonders problematisch ist dabei jener Fall, in welchem sich der Kolben gerade in einer Kompressionsphase befindet, wenn die kinetische Energie des Kompressionsmechanismus/der Antriebseinheit nicht mehr ausreicht, das Lastmoment zu überwinden, und der Kolben des Kompressionsmechanismus wieder in Richtung unterer Totpunkt zurückgedrückt wird, wobei sich die Drehrichtung des Kompressionsmechanismus damit umkehrt. Mit anderen Worten reicht die kinetische Energie nicht mehr aus, die Kompressionsphase abzuschließen und das verdichtete Kältemittel auszuschieben, sodass das verdichtete Kältemittel im Zylinder rückexpandiert und so den Kolben in Richtung des unteren Totpunkts zurückdrückt.
  • Mit der Drehrichtungsumkehr ist ein zusätzlicher, auf den Kompressionsmechanismus wirkender Anhalteruck verbunden, der den Kompressionsmechanismus/die Antriebseinheit in die Federelemente drückt und diese zusätzlich auslenkt.
  • Gerade während des Anhalteprozesses, wo, wie oben bereits beschrieben, kein positives Betriebsdrehmoment dem Lastmoment entgegenwirkt, trägt der Anhaltruck aufgrund der Drehrichtungsumkehr maßgeblich zur Auslenkung der Federelemente bei, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Kompressionsmechanismus/die Antriebseinheit an der Gehäusewand anschlagen und damit unerwünschte Geräuschemissionen verursach werden, wesentlich erhöht wird. Dieser Effekt resultiert im Wesentlichen aus dem Impulserhaltungssatz, gemäß welchem der Anhaltruck durch eine Gegenauslenkung der Antriebseinheit ausgeglichen wird. Insbesondere für Antriebseinheiten mit verringerten Massenträgheitsmomenten, wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC Motoren), führt derselbe Anhaltruck zu einer entsprechend größeren Auslenkung.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die antriebslose Phase durch Anlegen eines Bremsmomentes zu beenden und dadurch zumindest ein Zurückschlagen des Kältemittelkompressors und damit des Anhalterucks zu vermeiden. Konkret ist es aus der EP 2669519 A1 und der daraus abgezweigten DE 202012013046 U1 bekannt, den antriebslos drehenden Kompressionsmechanismus/Antriebseinheit nach dem Abschaltzeitpunkt bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl mittels eines Bremsmomentes abzubremsen. Dazu ist es erforderlich, die Drehzahl des antriebslos drehenden Kompressionsmechanismus nach dem Abschaltzeitpunkt ständig zu überwachen und bei einer definierten Drehzahl, die jedenfalls noch ausreichend hoch sein muss, um das Lastmoment bis dahin zu überwinden, den Kompressionsmechanismus mittels eines Bremsmomentes, welches an den Kompressionsmechanismus angelegt wird, aktiv abzubremsen.
  • Ein Nachteil des Stands der Technik äußert sich darin, dass der aktive Bremsvorgang die Energieeffizienz des Kältemittelkompressors negativ beeinflusst, da bei jedem Anhalteprozess Bremsenergie aufgebracht werden muss. Zusätzlich dazu wird das Bremsmoment bereits bei einer verhältnismäßig hohen Drehzahl angelegt werden, was energetisch nachteilig ist und darüberhinaus auch zusätzliche Schallemissionen verursacht.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Ziel der Erfindung ist es daher, ein System mit einem Kältemittelkompressor, vorzugsweise einem Hubkolbenkältemittelkompressor, und einer elektronischen Steuerungseinrichtung für den Kältemittelkompressor vorzusehen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors, vorzugsweise eines Hubkolbenkältemittelkompressors, welche das Auftreten des Anhaltrucks zuverlässig verhindern, ohne dass dafür aktiv ein Bremsmoment angelegt werden muss, womit ein optimierter Betrieb des Kältemittelkompressors hinsichtlich Energieeffizienz und Schallemissionen ermöglicht wird.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Kern der gegenständlichen Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist es, wesentliche Parameter des Anhalteprozess nicht dem Zufall zu überlassen, sondern so einzustellen, dass nach dem Abschalten der Antriebseinheit beim Auslaufen des Kompressionsmechanismus möglichst kein Anhaltruck auftritt, indem der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt. Hierdurch wird ausgeschlossen, dass eine weitere Kompressionsphase begonnen wird und damit ein Anhaltruck entsteht. Konkret ist es bei einem System umfassend einen Kältemittelkompressor und eine elektronische Steuerungseinrichtung für den Kältemittelkompressor, welcher Kältemittelkompressor zumindest umfasst
    eine Antriebseinheit,
    einen mit einem Rotor der Antriebseinheit in Wirkverbindung stehenden Kompressionsmechanismus mit zumindest einem in einem Zylinder eines Zylinderblocks hin und her bewegbaren, über eine Kurbelwelle antreibbaren Kolben, um zyklisch Kältemittel während einer Saugphase in den Zylinder zu saugen und das Kältemittel während einer auf die Saugphase folgenden Verdichtungsphase im Zylinder zu verdichten,
    wobei die elektronische Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist,
    eine Drehzahl der Kurbelwelle zu erfassen und zu steuern und/oder regeln,
    eine Kolbenposition des Kolbens zumindest annähernd zu erfassen,
    erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist,
    bei abgeschalteter Antriebseinheit eine Energiebeurteilungsgrößendifferenz zu bestimmen, die proportional zu einer für die Durchführung einer Kurbelwellenumdrehung benötigten Energie ist,
    bei einer Messdrehzahl eine Energiebeurteilungsgröße, die proportional zu einer Rotationsenergie bei der Messdrehzahl ist, zu bestimmen sowie die Anzahl der bei abgeschalteter Antriebseinheit verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus,
    zu prüfen, ob die verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bei Abschalten der Antriebseinheit bei einer Referenz-Kolbenposition ein Anhalten des Kompressionsmechanismus in dessen Saugphase ermöglichen,
    gegebenenfalls die Antriebseinheit einzuschalten und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz eine Abschalt-Drehzahl zu bestimmen, bei welcher die Antriebseinheit bei der Referenz-Kolbenposition abzuschalten ist, um einen Stillstand des Kompressionsmechanismus in der Saugphase zu bewirken und die Antriebseinheit bei der Abschalt-Drehzahl abzuschalten,
    oder gegebenenfalls die Antriebseinheit einzuschalten und diese mit einer vorgebbaren Grenz-Drehzahl zu betreiben und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz eine Abschalt-Kolbenposition zu bestimmen und die Antriebseinheit bei der Grenz-Drehzahl und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten.
  • Analog ist es bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors mit einer Antriebseinheit, einem mittels der Antriebseinheit antreibbaren Kompressionsmechanismus umfassend einen Kolben sowie eine mit diesem über ein Pleuel in Verbindung stehende Kurbelwelle erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • bei abgeschalteter Antriebseinheit, Bestimmen einer Energiebeurteilungsgrößendifferenz, die proportional zu einer für die Durchführung einer Kurbelwellenumdrehung benötigten Energie ist,
    • bei einer Messdrehzahl, Bestimmen einer
    • Energiebeurteilungsgröße, die proportional zu einer Rotationsenergie bei der Messdrehzahl ist, und Berechnen der Anzahl der bei abgeschalteter Antriebseinheit verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus,
    • Prüfen, ob die verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bei Abschalten der Antriebseinheit bei einer Referenz-Kolbenposition ein Anhalten des Kompressionsmechanismus in dessen Saugphase ermöglichen,
    • gegebenenfalls Einschalten der Antriebseinheit und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz Bestimmen einer Abschalt-Drehzahl, bei welcher die Antriebseinheit bei der Referenz-Kolbenposition abzuschalten ist, um einen Stillstand des Kompressionsmechanismus in der Saugphase zu bewirken und Abschalten der Antriebseinheit bei der Abschalt-Drehzahl,
    • oder gegebenenfalls Einschalten der Antriebseinheit und Betreiben derselben mit einer vorgebbaren Grenz-Drehzahl und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz Bestimmen einer Abschalt-Kolbenposition und Abschalten der Antriebseinheit bei der Grenz-Drehzahl und bei der Abschalt-Kolbenposition.
  • Die Erfassung der Drehzahl schließt prinzipiell nicht aus, dass auch die Drehgeschwindigkeit erfasst werden kann.
  • Unter Kolbenposition ist klarerweise eine aktuelle Kolbenposition zu verstehen, die insbesondere als Kurbelwellendrehposition in Grad angegeben werden kann, wobei beispielsweise der obere oder untere Totpunkt des Kolbens als 0° definiert werden kann.
  • Unter "abgeschalteter Antriebseinheit" ist zu verstehen, dass die Antriebseinheit kein positives (also beschleunigendes) oder negatives (also bremsendes) Betriebsdrehmoment erzeugt und der Kompressionsmechanismus antriebslos, d.h. aufgrund der Massenträgheit bzw. der Trägheitsmomente des Rotors und Kompressionsmechanismus, weiterläuft bzw. ausläuft. Die Antriebseinheit wird also in der Praxis im abgeschalteten Zustand nicht mit Strom versorgt bzw. betrieben. Dies schließt freilich nicht aus, dass z.B. aufgrund unvermeidbarer Reibung in der Antriebseinheit die Antriebseinheit im abgeschalteten Zustand ein gewisses negatives Drehmoment auf den Kompressionsmechanismus ausübt.
  • Im sich drehenden Kompressionsmechanismus und Rotor ist Rotationsenergie gespeichert. Sofern das Trägheitsmoment des Rotors gegenüber jenem des Kompressionsmechanismus vernachlässigt werden kann, kann man auch sagen, ist die Rotationsenergie im Wesentlichen im Kompressionsmechanismus gespeichert. Die Energiebeurteilungsgrößendifferenz ist ein Maß dafür, wieviel dieser Rotationsenergie pro Kurbelwellenumdrehung beim Auslaufen aufgebraucht wird. Die pro Kurbelwellenumdrehung aufgebrauchte Rotationsenergie könnte man auch als Rotationsenergiedekrement bezeichnen. Insbesondere genügt es, wenn die Energiebeurteilungsgröße in einem bestimmten, nicht notwendigerweise bekannten Verhältnis zum Rotationsenergiedekrement steht. Es ist freilich auch der Fall denkbar, wo das Verhältnis einfach 1:1 ist, d.h. wo ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Rotationsenergiedekrement und der Energiebeurteilungsgrößendifferenz einfach 1 ist. Da das Auslaufen rasch vonstatten geht (typischerweise innerhalb von 1 bis 2 Sekunden), ändert sich die Belastung bzw. das Lastmoment durch Drücke und Temperatur während des Auslaufens praktisch nicht. Folglich kann zumindest in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass die Energiebeurteilungsgrößendifferenz tatsächlich konstant während des gesamten Auslaufens, also bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus bzw. Rotors (letzterer steht zwangsläufig still, wenn der Kompressionsmechanismus stillsteht und umgekehrt), ist.
  • Die Energiebeurteilungsgröße bei einer gewissen, prinzipiell beliebigen Messdrehzahl ist ein Maß dafür, wie groß die Rotationsenergie bei dieser Messdrehzahl ist. Insbesondere genügt es, wenn die Energiebeurteilungsgröße in einem bestimmten, nicht notwendigerweise bekannten Verhältnis zur Rotationsenergie steht. Analog zu oben Gesagten ist freilich auch der Fall denkbar, wo das Verhältnis einfach 1:1 ist, d.h. wo ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Rotationsenergie und der Energiebeurteilungsgröße einfach 1 ist.
  • Entsprechend lässt sich für den Fall, dass die Antriebseinheit bei der betrachteten Messdrehzahl ausgeschaltet wird, die Umdrehungsanzahl bzw. die Anzahl der verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus durch eine einfache Division der entsprechenden Energiebeurteilungsgröße durch die Energiebeurteilungsgrößendifferenz berechnen. Durch diese Quotientenbildung fällt der - möglicherweise unbekannte - Proportionalitätsfaktor vor der Rotationsenergie (bei der Messdrehzahl) und vor dem Rotationsdekrement weg.
  • Unter "Anhalten des Kompressionsmechanismus in dessen Saugphase" ist klarerweise das Zum-Stillstand-Kommen des Kompressionsmechanismus in dessen Saugphase zu verstehen.
  • Auf Basis der Information über die Umdrehungsanzahl kann der Kompressionsmechanismus durch Ein- und Ausschalten der Antriebseinheit so betrieben und auslaufen gelassen werden, dass der Kompressionsmechanismus zum Stillstand kommt. Beim Ausschalten ist dabei der Kolbenposition, bei der ausgeschaltet wird, bezogen auf die Referenz-Kolbenposition gebührend Rechnung zu tragen.
  • Die vorgebbare Grenz-Drehzahl kann z.B. in einem Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt sein bzw. kann ggf. dort hinterlegt werden. Sie kann - muss aber nicht - denselben Wert wie die Abschalt-Drehzahl haben.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist es daher vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist,
    die Energiebeurteilungsgrößendifferenz durch Bildung der Differenz der Energiebeurteilungsgrößen bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle zu bestimmen, um durch eine Bildung des Quotienten Energiebeurteilungsgröße/ Energiebeurteilungsgrößendifferenz bestimmen zu können, wieviele Umdrehungen der antriebslose Kompressionsmechanismus ausgehend von der Messdrehzahl und der Referenz-Kolbenposition noch weiterlaufen kann, wobei aufgrund des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl bestimmbar ist, ob der Kompressionsmechanismus in der Saugphase oder in der Verdichtungsphase zum Stillstand kommen würde,
    und unter Anwendung der Quotientenbildung und Berücksichtigung des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl den Kompressionsmechanismus so anzutreiben und die Antriebseinheit so abzuschalten, dass der Kompressionsmechanismus während der Saugphase zum Stillstand kommt.
  • Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass
    die Energiebeurteilungsgrößendifferenz durch Bildung der Differenz der Energiebeurteilungsgrößen bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle bestimmt wird,
    durch eine Bildung des Quotienten Energiebeurteilungsgröße/ Energiebeurteilungsgrößendifferenz bestimmt wird, wieviele Umdrehungen der antriebslose Kompressionsmechanismus ausgehend von der Messdrehzahl und der Referenz-Kolbenposition noch weiterlaufen kann, wobei aufgrund des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl bestimmt wird, ob der Kompressionsmechanismus in der Saugphase oder in der Verdichtungsphase zum Stillstand kommen würde,
    unter Anwendung der Quotientenbildung und Berücksichtigung des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl der Kompressionsmechanismus so angetrieben und die Antriebseinheit so abgeschaltet wird, dass der Kompressionsmechanismus während der Saugphase zum Stillstand kommt.
  • Die Energiebeurteilungsgrößendifferenz lässt sich auf die geschilderte Weise, wenn die Antriebseinheit ausgeschaltet ist und der Kompressionsmechanismus ausläuft, besonders leicht und rasch bestimmen. Durch Berücksichtigung des Nachkommanteils der ermittelten Umdrehungszahl lässt sich genau einstellen, ob der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt oder nicht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Antriebseinheit nur dann abzuschalten und die Energiebeurteilungsgrößendifferenz zu bestimmen, wenn die Drehzahl größer gleich einer, vorzugsweise vorgebbaren, Mindestdrehzahl ist. Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Antriebseinheit nur dann abgeschaltet und die Energiebeurteilungsgrößendifferenz bestimmt wird, wenn die Drehzahl größer gleich einer, vorzugsweise vorgebbaren, Mindestdrehzahl ist. Insbesondere kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass nach dem Abschalten noch zwei Umdrehungen möglich sind, sodass die Energiebeurteilungsgrößendifferenz zuverlässig und genau bestimmt werden kann. Wiederum kann die Mindestdrehzahl z.B. im Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt sein bzw. werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens ist vorgesehen, dass die Referenz-Kolbenposition der obere Totpunkt (OT) des Kolbens im Zylinder ist. Der obere Totpunkt ist wohldefiniert und eignet sich daher sehr gut als Referenz-Kolbenposition.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Kompressionsmechanismus so anzutreiben, dass die Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) erreicht wird, und die Antriebseinheit bei der Abschalt-Drehzahl und der Referenz-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Drehzahl bestimmt wird, indem die Energiebeurteilungsgröße bei einer als Messdrehzahl fungierenden Bestimmungsdrehzahl (ωb), die vorzugsweise bei zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz abgeschalteter Antriebseinheit vorliegt, bestimmt wird,
    die Umdrehungsanzahl durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E ω b / W ,
    Figure imgb0001
     eine adaptierte Umdrehungsanzahl (N') berechnet wird, indem die Umdrehungsanzahl auf die nächstgrößere ganze Zahl aufgerundet wird und anschließend eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 addiert wird, und
    die Abschalt-Drehzahl bis auf einen konstanten Faktor (c) berechnet wird als die Wurzel aus dem Produkt der adaptierten Umdrehungsanzahl und der Energiebeurteilungsgrößendifferenz: ω abschalt = c * N ′ * W 0,5 .
    Figure imgb0002
  • Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der Kompressionsmechanismus so getrieben wird, dass die Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) erreicht wird, und die Antriebseinheit bei der Abschalt-Drehzahl und der Referenz-Kolbenposition abgeschaltet wird, wobei die Abschalt-Drehzahl bestimmt wird, indem
    die Energiebeurteilungsgröße bei einer als Messdrehzahl fungierenden Bestimmungsdrehzahl (ωb), die vorzugsweise bei zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz abgeschalteter Antriebseinheit vorliegt, bestimmt wird,
    die Umdrehungsanzahl durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E ω b / W ,
    Figure imgb0003
     eine adaptierte Umdrehungsanzahl (N') berechnet wird, indem die Umdrehungsanzahl auf die nächstgrößere ganze Zahl aufgerundet wird und anschließend eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 addiert wird, und
    die Abschalt-Drehzahl bis auf einen konstanten Faktor (c) berechnet wird als die Wurzel aus dem Produkt der adaptierten Umdrehungsanzahl und der Energiebeurteilungsgrößendifferenz: ω abschalt = c * N ′ * W 0,5 .
    Figure imgb0004
  • Durch die Addition der Anpassungszahl wird sichergestellt, dass der Nachkommaanteil der adaptierten Umdrehungsanzahl so ist, dass bezogen auf die Referenz-Kolbenposition der Kompressionsmechanismus sicher in der Saugphase zum Stillstand kommt. D.h. wenn der Kompressionsmechanismus zum Stillstand kommt, muss die Kolbenposition hinreichend nach dem oberen Totpunkt und hinreichend vor der Verdichtungsphase, vorzugsweise vor dem unteren Totpunkt, sein.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bestimmungsdrehzahl in einem Bereich von 500 min-1 bis 1500 min-1, vorzugsweise von 800 min-1 bis 1200 min-1, liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Bestimmungsdrehzahl über einer niedrigsten Betriebsdrehzahl des Kompressors liegt und die Energiebeurteilungsgrößendifferenz entsprechend zuverlässig und genau bestimmt werden kann.
  • Der oben genannte konstante Faktor c richtet sich entsprechend danach, wie die Energiebeurteilungsgröße E(ω) berechnet wird. Wird für die Berechnung der Energiebeurteilungsgröße einfach E(ω)=ω2 verwendet, so ist c=1. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Energiebeurteilungsgröße für die Messdrehzahl durch Quadrieren der Messdrehzahl zu bestimmen. Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Energiebeurteilungsgröße für die Messdrehzahl durch Quadrieren der Messdrehzahl zu bestimmen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Kompressionsmechanismus so antreiben, dass die Grenz-Drehzahl (ωgrenz) erreicht wird, und die Antriebseinheit bei der Grenz-Drehzahl und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Kolbenposition bestimmt wird, indem die Energiebeurteilungsgröße bei der Grenz-Drehzahl bestimmt wird,
    die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E (ωgrenz) /W,
    der Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl bestimmt wird,
    ein adaptierter Nachkommaanteil bestimmt wird, indem vom Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 subtrahiert wird,
    der adaptierte Nachkommaanteil in eine Kolbenposition umgerechnet und diese von der Referenz-Kolbenposition abgezogen wird.
  • Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der Kompressionsmechanismus so angetrieben wird, dass die Grenz-Drehzahl (ωgrenz) erreicht wird, und die Antriebseinheit bei der Grenz-Drehzahl und der Abschalt-Kolbenposition abgeschaltet wird, wobei die Abschalt-Kolbenposition bestimmt wird, indem die Energiebeurteilungsgröße bei der Grenz-Drehzahl bestimmt wird,
    die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E (ωgrenz) /W,
    der Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl bestimmt wird,
    ein adaptierter Nachkommaanteil bestimmt wird, indem vom Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 subtrahiert wird,
    der adaptierte Nachkommaanteil in eine Kolbenposition umgerechnet und diese von der Referenz-Kolbenposition abgezogen wird.
  • Bei dieser Variante wird der Kompressionsmechanismus also gewissermaßen fix mit der vorgebbaren bzw. vorgegebenen Grenz-Drehzahl mittels der Antriebseinheit angetrieben. Statt der Abschalt-Drehzahl wird eine geeignete Kolbenposition, nämlich die Abschalt-Kolbenposition, bestimmt, bei der die Antriebseinheit abgeschaltet wird um sicherzustellen, dass der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt.
  • Es sei bemerkt, dass die Mindestdrehzahl größer sein muss als die Grenz-Drehzahl. Um dies leicht sicherstellen zu können, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens vorgesehen, dass die Grenz-Drehzahl in einem Bereich von 500 min-1 bis
    1500 min-1, vorzugsweise von 800 min-1 bis 1200 min-1, liegt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist,
    • a) die Antriebseinheit abzuschalten und
    • b) bei abgeschalteter Antriebseinheit
    • b1) die Energiebeurteilungsgrößendifferenz zu bestimmen,
    • b2) die Energiebeurteilungsgröße (E(ωauslauf)) für eine dann vorliegende, als Messdrehzahl fungierende Auslauf-Drehzahl (ωauslauf) zu bestimmen,
    • b3) die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung zu berechnen: N = E(ωauslauf)/W
    • b4) und den Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl mit einer Anpassungszahl zwischen 0 und 1 zu vergleichen und
    • c), wenn der Nachkommaanteil größer als die Anpassungszahl ist, den Kompressionsmechanismus nur für die Dauer eines Teils einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle anzutreiben.
  • Analog ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass
    • a) die Antriebseinheit geschaltet wird und
    • b) bei abgeschalteter Antriebseinheit
    • b1) die Energiebeurteilungsgrößendifferenz bestimmt wird,
    • b2) die Energiebeurteilungsgröße (E ((ωauslauf)) für eine dann vorliegende, als Messdrehzahl fungierende Auslauf-Drehzahl (ωauslauf) bestimmt wird,
    • b3) die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E (ωauslauf)/W
    • b4) und der Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl mit einer Anpassungszahl zwischen 0 und 1 verglichen wird und
    • c), wenn der Nachkommaanteil größer als die Anpassungszahl ist, der Kompressionsmechanismus nur für die Dauer eines Teils einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle angetrieben wird.
  • Vereinfacht gesagt, wird bei dieser Variante während des Auslaufens zunächst bestimmt, ob der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommen würde (durch Vergleich des Nachkommaanteils der für die aktuell vorliegende Auslauf-Drehzahl bestimmten Umdrehungsanzahl mit der Anpassungszahl). Sofern der Kompressionsmechanismus nicht - oder nicht sicher genug - in der Saugphase zum Stillstand kommen würde, wird der Kompressionsmechanismus ein wenig "angeschubst", um dessen Anhalten in der Saugphase sicherzustellen. Besagtes Anschubsen findet statt, indem der Kompressionsmechanismus nur für einen Bruchteil der Dauer einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung angetrieben wird, was wiederum durch ein entsprechend kurzes Einschalten der Antriebseinheit bewerkstelligt wird.
  • Es ist denkbar, dass ein einmaliges Anschubsen nicht ausreicht, um die Rotationsenergie soweit und/oder genau genug zu erhöhen, dass der auslaufende Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt. Daher ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen, dass die elektronische
    Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, zumindest die Schritte b2), b3), b4) und c) iterativ zu wiederholen. Analog ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zumindest die Schritte b2), b3), b4) und c) iterativ wiederholt werden.
  • D.h. die besagten Schritte werden solange wiederholt, bis sichergestellt ist, dass der auslaufende Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommen wird, was in Schritt c) festgestellt wird. Mit anderen Worten entscheidet sich in Schritt c) ob eine weitere Iteration durchgeführt wird oder nicht.
  • Theoretisch ist es dabei denkbar auch Schritt b1) zu wiederholen, was in der Praxis aber üblicherweise nicht notwendig ist, da die Energiebeurteilungsgrößendifferenz zumindest näherungsweise konstant ist.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auslauf-Drehzahl in einem Bereich von 500 min-1 bis 1500 min-1, vorzugsweise von 800 min-1 bis 1200 min-1, liegt. Bei einer derartigen Auslauf-Drehzahl kann durch das Anschubsen die Rotationsenergie sehr genau gezielt erhöht werden. Entsprechend kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt.
  • Wie bereits gesagt, eignet sich der obere Totpunkt besonders gut als Referenz-Kolbenposition. Für diesen Fall ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens vorgesehen, dass die (jeweilige) Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, liegt, um zu garantieren, dass der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt. Dies gilt für alle drei oben geschilderten Spezialfälle, bei denen wahlweise die Bestimmungsdrehzahl, die Grenz-Drehzahl oder die Auslauf-Drehzahl herangezogen wird.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Energiebeurteilungsgrößendifferenz so zu bestimmen, dass mehrere Energiebeurteilungsgrößendifferenzen für Drehzahlen bei jeweils zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen in einer Abfolge von mehr als zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen bestimmt werden und aus diesen Energiebeurteilungsgrößendifferenzen ein Mittelwert gebildet wird. Analog ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Energiebeurteilungsgrößendifferenz so bestimmt wird, dass mehrere Energiebeurteilungsgrößendifferenzen für Drehzahlen bei jeweils zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen in einer Abfolge von mehr als zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen bestimmt werden und aus diesen Energiebeurteilungsgrößendifferenzen ein Mittelwert gebildet wird. Durch besagte Mittelwertbildung kann die Energiebeurteilungsgrößendifferenz besonders genau bestimmt werden. Entsprechend genau gestaltet sich die Berechnung der Umdrehungsanzahl bzw. in weiterer Folge die Sicherstellung, dass der Kompressionsmechanismus in der Saugphase zum Stillstand kommt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig.1
    eine schematische Darstellung eines Hubkolbenkältemittelkompressors in einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Stand der Technik
    Fig.2
    eine schematische Ansicht eines Kompressionsmechanismus gemäß dem Stand der Technik
    Fig.3
    ein Diagramm betreffend den Lastmomentverlauf und Betriebsdrehmomentverlauf über dem Kurbelwinkel bei einem Hubkolbenkältemittelkompressor gemäß dem Stand der Technik, wobei aus Übersichtsgründen das Lastmoment und das Betriebsdrehmoment unterschiedlich skaliert sind
    Fig. 4
    einen Drehzahlverlauf mit einem Anhalteprozess eines Kältemittelkompressors eines erfindungsgemäßen Systems
    Fig. 5
    einen Drehzahlverlauf mit einem Anhalteprozess des Kältemittelkompressors einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems
    Fig. 6
    einen Drehzahlverlauf mit einem Anhalteprozess des Kältemittelkompressors einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung eines an eine elektrische Stromversorgung 12 angeschlossenen, über eine elektronische Steuereinrichtung 13 geregelten Hubkolbenkältemittelkompressors 1 in einem an sich bekannten Kühlmittelkreislauf mit einem Kondensator 2 einer Drosselvorrichtung 3 sowie einem Verdampfer 4. Das Kältemittel nimmt im Verdampfer 4 Wärme aus einem Kühlraum auf, wodurch dieser gekühlt wird. Das verdampfte Kältemittel wird über einen Kompressionsmechanismus 5 des Hubkolbenkältemittelkompressors 1 auf eine höhere Temperatur verdichtet und in weiterer Folge im Kondensator 2 wieder verflüssigt, um schlussendlich über die Drosselvorrichtung 3 wieder dem Verdampfer 4 des Kühlraums zugeführt zu werden.
  • In Fig. 1 kommuniziert die elektronische Steuerungseinrichtung 13 das Kältemittelkompressors 1 mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 14 eines Kühlschranks 15. Allerdings wird eine solche Kommunikationsmöglichkeit als nicht erfindungswesentlich angesehen, denn es ist auch denkbar, dass die elektronische Steuerungseinrichtung 13 mit einem Kühlschrank 15 kommuniziert, der selbst keine eigene elektronische Steuerungseinrichtung aufweist sondern lediglich einen Thermostat.
  • Fig.2 zeigt eine schematische Ansicht des Kompressionsmechanismus 5 bestehend aus einer mittels einer Antriebseinheit 16 angetriebenen Kurbelwelle 6, einem Pleuel 7 sowie einem in einem Zylinderblock 8 auf und ab bewegbaren Kolben 9. Der Kompressionsmechanismus 5 ist über Federelemente 10 in einem Gehäuse 11 gelagert, welche Federelemente 10 die aufgrund der Drehung der Kurbelwelle 6 sowie der Bewegungen des Kolbens 9 auftretenden Schwingungen der Einheit bestehend aus Kompressionsmechanismus 5 und Antriebseinheit 16 aufnehmen und ausgleichen sollen.
  • Bei der von der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 gesteuerten Antriebseinheit 16 handelt es sich um eine drehzahlvariable Antriebseinheit 16, typischerweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, dessen Drehzahl ω mittels der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 geregelt werden kann. Die für die Regelung der Drehzahl ω erforderliche Erfassung der Istdrehzahl erfolgt durch Detektion der in einer Motorwicklung der Antriebseinheit 16 induzierten Gegenspannung (Induktionsgegenspannung), so dass keine weiteren Sensoren erforderlich sind und womit auch die Istdrehgeschwindigkeit detektiert wird. Es sei jedoch bemerkt, dass die erfindungsgemäße elektronische Steuerungseinrichtung 13 selbstverständlich auch mit separaten Sensoren zur Drehgeschwindigkeitsmessung bzw. Drehzahlmessung zusammenarbeiten kann, wie beispielsweise mit Hall-Sensoren.
  • Während der Betriebsdauer eines drehzahlvariablen Hubkolbenkältemittelkompressors 1 sind grundsätzlich 3 Phasen zu unterscheiden:
    • die Startphase
    • die normale, geregelte Betriebsphase
    • der Anhalteprozess
  • Basis bildet eine vom Benutzer eines Kühlschranks 15 in Grenzen vorwählbare Kühlraumtemperatur (=Zieltemperatur) des Kühlschranks 15. Geht man von einem auf die Zieltemperatur gekühlten Kühlraum aus und wird der Kühlschrank 15 beladen bzw. wird die Kühlschranktür geöffnet, strömt warme Luft in den Kühlraum. Die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15 detektiert, dass die Kühlraumtemperatur ansteigt und sendet ein Signal (in der Regel ein Frequenzsignal) an die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1, mit welchem letzterer mitgeteilt wird, dass Kühlleistung benötigt wird, woraufhin diese den Kältemittelkompressor 1 entsprechend ihrer Programmierung steuert und regelt, um (mehr oder weniger) Kühlleistung zu liefern.
  • Im gegenständlichen Beispiel wird die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 diesen starten, um das Kältemittel zu verdichten und dem Kühlraum Wärme zu entziehen und die Zieltemperatur wieder zu erreichen. Dieses "Anspringen" leitet die Startphase ein. Dabei wird der Kältemittelkompressor 1, konkret dessen Antriebseinheit 16, auf eine bestimmte, von der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 vorgegebene Drehzahl ω beschleunigt. Das Erreichen dieser Drehzahl ω beendet die Startphase. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zieltemperatur in der Regel noch nicht erreicht.
  • Der Kältemittelkompressor 1 geht dann in die normale, geregelte Betriebsphase über. Diese hält an, solange der Kältemittelkompressor 1 eingeschaltet ist oder etwas technischer formuliert, solange dem Kältemittel über den Kompressionsmechanismus 5 Energie zugeführt wird und die Antriebseinheit 16 des Kältemittelkompressors 1 ein Betriebsdrehmoment Bm erzeugt. Der Kompressionsmechanismus 5 kann sich während dieser normalen, geregelten Betriebsphase mit unterschiedlichen Drehzahlen ω drehen, je nach dem, ob dem Kühlraum mehr oder weniger Wärme entzogen werden soll. Öffnet man beispielsweise die Türe des Kühlschranks 15 während einer solchen normalen, geregelten Betriebsphase, so wird aufgrund der einströmenden warmen Luft, die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15 mehr Kühlleistung vom Kältemittelkompressor 1 fordern, sodass die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 die Drehzahl ω der Antriebseinheit 16 und damit des Kompressionsmechanismus 5 erhöht, um die in den Kühlraum einströmende Wärme abtransportieren zu können.
  • Die Erhöhung der Drehzahl ω ist verbunden mit einem erhöhten Energiebedarf des Kältemittelkompressors 1. Erkennt die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15, dass sich die aktuelle Kühlraumtemperatur der Zieltemperatur annähert, so wird die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15 ein entsprechendes Signal an die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 senden, um weniger Kühlleistung zu fordern und nicht über die Zieltemperatur "hinauszuschießen" und sich dieser langsam anzunähern. Die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 wiederum wird aufgrund dieser Anforderung die Drehzahl ω der Antriebseinheit 16 / des Kompressionsmechanismus 5 reduzieren.
  • Erkennt die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15, dass zwischenzeitlich die Kühlraumtemperatur wieder ansteigt, weil beispielsweise der Kühlraum neu beladen wurde, so wird die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15 von der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 wieder mehr Kühlleistung fordern, so dass diese die Drehzahl ω der Antriebseinheit 16 /des Kompressionsmechanismus 5 wieder erhöhen wird.
  • Ist nach einer entsprechend andauernden normalen, geregelten Betriebsphase die Zieltemperatur erreicht, sendet die elektronische Steuerungseinrichtung 14 des Kühlschranks 15 ein Signal an die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1, mit welchem dieser mitgeteilt wird, dass die Zieltemperatur erreicht ist. Daraufhin schaltet die elektronische Steuerungseinrichtung 13 des Kältemittelkompressors 1 die Antriebseinheit 16 ab. Das Abschalten der Antriebseinheit 16 führt dazu, dass sich der Kompressionsmechanismus 5 samt Antriebseinheit 16 in einem antriebslosen Zustand befindet und nur aufgrund der Massenträgheit weiter dreht, bis die Drehzahl ω bzw. die Drehgeschwindigkeit 0 ist. Umgangssprachlich könnte man auch sagen, dass der Kältemittelkompressor 1 "ausläuft".
  • Während des Betriebs des Kompressionsmechanismus 5 kommt es zu vom Lastmoment Lm während der Kompressionsphase auf den Kompressionsmechanismus 5 ausgeübten Stößen, die sich mit jeder Kurbelwellenumdrehung wiederholen und bei geringen Drehzahlen ω mit der Eigenfrequenz des durch die Federelemente 10 gebildeten Schwingungssystems zusammenfallen können, wodurch deren Auslenkung derart ansteigt, dass es zu Berührungen zwischen der Einheit bestehend aus Kompressionsmechanismus 5 und Antriebseinheit 16 mit dem Gehäuse 11 kommen kann, wodurch unerwünschte Schallemissionen erzeugt werden.
  • Darüberhinaus kann es während des Anhalteprozesses, wenn die Antriebseinheit 16 kein - weder ein positives noch negatives - Betriebsdrehmoment Bm mehr erzeugt, zu einer Drehrichtungsumkehr des Kompressionsmechanismus 5 kommen, wodurch ein zusätzlicher Stoß auf den Kompressionsmechanismus 5 ausgeübt wird, der ebenfalls eine unerwünscht starke Auslenkung der Federelemente 10 zur Folge hat, mit dem Resultat, dass auch durch diese Drehrichtungsumkehr die Gefahr besteht, dass die Einheit bestehend aus Kompressionsmechanismus 5 und Antriebseinheit 16 mit dem Gehäuse 11 in Kontakt gebracht wird und Schallemissionen verursacht.
  • Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass geringe Drehzahlen ω, unabhängig davon, ob sich der Kältemittelkompressor 1 in der Startphase, der normalen, geregelten Betriebsphase oder aber im Anhalteprozess befindet, stets die Gefahr bergen, dass das durch die Federelemente 10 gebildete Schwingungssystem im Bereich seiner Eigenfrequenz angeregt wird und es dadurch zu den beschriebenen, Lärm verursachenden Berührungen zwischen der Einheit bestehend aus Kompressionsmechanismus 5 und Antriebseinheit 16 und dem Gehäuse 11 kommt.
  • Fig.3 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Lastmomentes Lm (strichpunktierte Linie in Fig. 3) über dem Kurbelwinkel φ während einer normalen, geregelten Betriebsphase eines aus dem Stand der Technik bekannten Hubkolbenkältemittelkompressors 1, dessen Antriebseinheit 16 den Kompressionsmechanismus 5 mit einem Betriebsdrehmoment Bm (strichlierte Linie in Fig. 3) antreibt. Dabei wurde angenommen, dass sich die Kurbelwelle 6 im Uhrzeigersinn dreht. Die Drehrichtung erfolgt somit von 0° (oberer Totpunkt (OT)) zu 360° (wiederum oberer Totpunkt (OT)). Weiters sei darauf hingewiesen, dass aus Darstellungsgründen das Lastmoment Lm und das Betriebsdrehmoment Bm in Fig. 3 unterschiedlich skaliert sind.
  • Wie sich aus dem Diagramm ergibt, ist das Lastmoment Lm kurz bevor der Kolben 9 in der Kompressionsphase den oberen Totpunkt erreicht, also bei ca. 330°, betragsmäßig am höchsten und wirkt dem Betriebsdrehmoment Bm entgegen. Zu Beginn der Saugphase, also im vorliegenden Fall bei ca. 10°, wirkt das Lastmoment Lm in die gleiche Drehrichtung wie das Betriebsdrehmoment Bm, d.h. dass das Lastmoment Lm in diesem Abschnitt der Saugphase (Rückexpansionsphase) die Drehung des Kompressionsmechanismus 5 sogar unterstützt.
  • Zur Verhinderung eines Anhaltrucks und damit einhergehender Schallemissionen, ohne dass dafür aktiv ein Bremsmoment angelegt werden muss, ist es bei einem System aus Kältemittelkompressor 1 und zugehöriger elektronischer Steuereinrichtung 13 erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung 13 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Kältemittelkompressors 1 eingerichtet ist, nämlich dazu,
    • bei abgeschalteter Antriebseinheit 16 eine Energiebeurteilungsgrößendifferenz W zu bestimmen, die proportional zu einer für die Durchführung einer Kurbelwellenumdrehung benötigten Energie ist,
    • bei einer Messdrehzahl ω eine Energiebeurteilungsgröße E(ω), die proportional zu einer Rotationsenergie bei der Messdrehzahl ω ist, zu bestimmen sowie die Anzahl N der bei abgeschalteter Antriebseinheit 16 verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus 5,
    • zu prüfen, ob die verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen N bei Abschalten der Antriebseinheit 16 bei einer Referenz-Kolbenposition ein Anhalten des Kompressionsmechanismus 5 in dessen Saugphase ermöglichen,
    • gegebenenfalls die Antriebseinheit 16 einzuschalten und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W eine Abschalt-Drehzahl ωabschalt zu bestimmen, bei welcher die Antriebseinheit 16 bei der Referenz-Kolbenposition abzuschalten ist, um einen Stillstand des Kompressionsmechanismus 5 in der Saugphase zu bewirken und die Antriebseinheit 16 bei der Abschalt-Drehzahl ωabschalt abzuschalten,
    • oder gegebenenfalls die Antriebseinheit 16 einzuschalten und diese mit einer vorgebbaren Grenz-Drehzahl ωgrenz zu betreiben und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W eine Abschalt-Kolbenposition zu bestimmen und die Antriebseinheit 16 bei der Grenz-Drehzahl ωgrenz und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten.
      Im Folgenden werden drei Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens anhand von Diagrammen der Drehzahl ω in Abhängigkeit der Zeit t näher beleuchtet. Dabei ist die Steuereinrichtung 13 jeweils dazu eingerichtet
    • die Energiebeurteilungsgrößendifferenz W durch Bildung der Differenz der Energiebeurteilungsgrößen E(ω1), E(ω2) bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 6 zu bestimmen, um durch eine Bildung des Quotienten N = E(ω)/W bestimmen zu können, wieviele Umdrehungen N der antriebslose Kompressionsmechanismus 5 ausgehend von der Messdrehzahl ω und der Referenz-Kolbenposition noch weiterlaufen kann, wobei aufgrund des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl N bestimmbar ist, ob der Kompressionsmechanismus 5 in der Saugphase oder in der Verdichtungsphase zum Stillstand kommen würde,
    • und unter Anwendung der Quotientenbildung und Berücksichtigung des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl N den Kompressionsmechanismus 5 so anzutreiben und die Antriebseinheit 16 so abzuschalten, dass der Kompressionsmechanismus 5 während der Saugphase zum Stillstand kommt.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Referenz-Kolbenposition der obere Totpunkt (OT) des Kolbens 9 im Zylinder 8.
  • Weiters wird in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Energiebeurteilungsgröße E(ω) für die Messdrehzahl ω durch Quadrieren der Messdrehzahl ω berechnet bzw. bestimmt, d.h. E ω = ω 2 .
    Figure imgb0005
  • Bei der ersten Ausführungsvariante ist die Steuereinrichtung 13 dazu eingerichtet, den Kompressionsmechanismus 5 so anzutreiben, dass die Abschalt-Drehzahl ωabschalt erreicht wird, und die Antriebseinheit 16 bei der Abschalt-Drehzahl ωabschalt und der Referenz-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Drehzahl ωabschalt bestimmt wird, indem
    • die Energiebeurteilungsgröße E(ωb) bei einer als Messdrehzahl fungierenden Bestimmungsdrehzahl ωb, die bei zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W abgeschalteter Antriebseinheit 16 vorliegt, bestimmt wird,
    • die Umdrehungsanzahl N durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E(ωb)/W,
    • eine adaptierte Umdrehungsanzahl N' berechnet wird, indem die Umdrehungsanzahl N auf die nächstgrößere ganze Zahl aufgerundet wird und anschließend eine Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, addiert wird, und
    • die Abschalt-Drehzahl ωabschalt berechnet wird als die Wurzel aus dem Produkt der adaptierten Umdrehungsanzahl N' und der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W: ω abschalt = N ′ * W 0,5 .
      Figure imgb0006
  • Fig. 4 zeigt das sich ergebende Diagramm aus Drehzahl ω über der Zeit t für einen Anwendungsfall, bei dem der Kältemittelkompressor 1 zunächst mit einer bestimmten Drehzahl ω0, z.B. 2000 min-1, betrieben wird. Zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W wird die Antriebseinheit 16 ausgeschaltet, sodass der Kompressionsmechanismus 5 antriebslos weiterläuft. Nun werden bei zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen mit den Drehzahlen ω1 und ω2 die zugehörigen Energiebeurteilungsgrößen berechnet: E(ω1) = ω1 2 und E(ω2) = ω2 2.
  • Bzw. ergibt sich sofort die Energiebeurteilungsgrößendifferenz W = ω 1 2 − ω 2 2 .
    Figure imgb0007
  • Der Kompressionsmechanismus läuft weiter aus, bis die Bestimmungsdrehzahl ωb erreicht ist, bei der der Kompressionsmechanismus 5 mittels eingeschalteter Antriebseinheit 16 betrieben wird und bei der die Energiebeurteilungsgröße E(ωb) = ωb 2 berechnet wird.
  • Sodann wird die Umdrehungsanzahl N = ωb 2 / (ω1 2 - ω2 2) bzw. die adaptierte Umdrehungsanzahl N' berechnet und entsprechend der obigen Formel die Abschalt-Drehzahl ωabschalt, die im in Fig. 4 dargestellten Beispiel größer ist als die Bestimmungsdrehzahl ωb. Entsprechend ist in Fig. 4 erkennbar, dass der Kompressionsmechanismus 5 mittels der Antriebseinheit 16 auf die Abschalt-Drehzahl ωabschalt beschleunigt wird. Wenn diese eingestellt ist, wird die Antriebseinheit 16 abgeschaltet, sobald die Referenz-Kolbenposition (OT) erreicht ist. Der Kompressionsmechanismus 5 läuft dann bis Drehzahl null aus und kommt in der Saugphase zum Stillstand.
  • Bei der zweiten Ausführungsvariante ist die Steuereinrichtung 13 dazu eingerichtet,
    • a) die Antriebseinheit 16 abzuschalten und
    • b) bei abgeschalteter Antriebseinheit 16
    • b1) die Energiebeurteilungsgrößendifferenz W zu bestimmen,
    • b2) die Energiebeurteilungsgröße E (ωauslauf) für eine dann vorliegende, als Messdrehzahl fungierende Auslauf-Drehzahl ωauslauf zu bestimmen,
    • b3) die Umdrehungsanzahl N durch Quotientenbildung zu berechnen: N = E (ωauslauf)/W
    • b4) und den Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl N mit einer Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, zu vergleichen und
    • c), wenn der Nachkommaanteil größer als die Anpassungszahl ist, den Kompressionsmechanismus 5 nur für die Dauer eines Teils einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle 6 anzutreiben.
  • Fig. 5 zeigt das zugehörige Diagramm Drehzahl ω versus Zeit t, wiederum für einen Anwendungsfall, bei dem der Kältemittelkompressor 1 zunächst mit einer bestimmten Drehzahl ω0, z.B. 2000 min-1, betrieben wird. Zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W wird die Antriebseinheit 16 ausgeschaltet, sodass der Kompressionsmechanismus 5 antriebslos weiterläuft. Nun werden bei zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen mit den Drehzahlen ω1 und ω2 die zugehörigen Energiebeurteilungsgrößen berechnet: E(ω1) = ω1 2 und E(ω2) = ω2 2.
  • Bzw. ergibt sich sofort die Energiebeurteilungsgrößendifferenz W = ω1 2 - ω2 2. Diese Berechnung erfolgt praktisch instantan, sodass die nun vorliegende Auslauf-Drehzahl ωauslauf gleich ω2 ist, sodass E(ωauslauf) = E(ω2) = ω2 2 gilt. Nun kann die Umdrehungszahl N = E(ωauslauf) /W berechnet werden.
  • Aufgrund des Vergleichs des Nachkommaanteils von N mit der Anpassungszahl wird die Antriebseinheit 16 einen Augenblick, währenddessen nur ein Teil einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle 6 erfolgt, eingeschaltet, um dem Kompressionsmechanismus 5 gewissermaßen "anzuschubsen". Entsprechend erhöht sich momentan die Drehzahl ω geringfügig (in Fig. 5 aus Klarheitsgründen über eine nicht maßstabsgetreu dargestellte Zeitspanne eingezeichnet). Sodann läuft der Kompressionsmechanismus 5 bis Drehzahl null aus und kommt in der Saugphase zum Stillstand.
  • Bei der dritten Ausführungsvariante ist die Steuereinrichtung 13 dazu eingerichtet, den Kompressionsmechanismus 5 so antreiben, dass die Grenz-Drehzahl ωgrenz erreicht wird, und die Antriebseinheit 16 bei der Grenz-Drehzahl ωgrenz und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Kolbenposition bestimmt wird, indem
    • die Energiebeurteilungsgröße E(ωgrenz) bei der Grenz-Drehzahl ωgrenz bestimmt wird,
    • die Umdrehungsanzahl N durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E(ωgrenz) /W,
    • der Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl N bestimmt wird,
    • ein adaptierter Nachkommaanteil bestimmt wird, indem vom Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl N eine Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, subtrahiert wird,
    • der adaptierte Nachkommaanteil in eine Kolbenposition umgerechnet und diese von der Referenz-Kolbenposition (OT) abgezogen wird.
  • Fig. 6 zeigt das sich ergebende Diagramm aus Drehzahl ω über der Zeit t für einen Anwendungsfall, bei dem der Kältemittelkompressor 1 zunächst mit einer bestimmten Drehzahl ω0, z.B. 2000 min-1, betrieben wird. Zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W wird die Antriebseinheit 16 ausgeschaltet, sodass der Kompressionsmechanismus 5 antriebslos weiterläuft. Nun werden bei zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen mit den Drehzahlen ω1 und ω2 die zugehörigen Energiebeurteilungsgrößen berechnet: E(ω1) = ω1 2 und E(ω2) = ω2 2.
  • Bzw. ergibt sich sofort die Energiebeurteilungsgrößendifferenz W = ω1 2 - ω2 2. Weiters wird, wie oben geschildert, die Umdrehungsanzahl N bzw. deren Nachkommaanteil bestimmt und wird durch Subtraktion der Anpassungszahl vom Nachkommaanteil jene Kolbenposition bestimmt, die von der Referenz-Kolbenposition abgezogen wird, um die Abschalt-Kolbenposition zu erhalten.
  • Im Gegensatz zum in Fig. 4 dargestellten Fall der ersten Ausführungsvariante läuft nun der Kompressionsmechanismus 5 bis zur Grenz-Drehzahl ωgrenz aus und wird dann mittels der Antriebseinheit 16 bei der Grenz-Drehzahl ωgrenz gehalten. Es wäre aber natürlich auch denkbar, dass nach Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz W der Kompressionsmechanismus 5 mit eingeschalteter Antriebseinrichtung 16 bis zur Grenz-Drehzahl ωgrenz gefahren und dort gehalten wird. Das Halten bei der Grenz-Drehzahl ωgrenz erfolgt jedoch nur sehr kurz bzw. einen Augenblick lang, was in Fig. 6 aus Klarheitsgründen übertrieben dargestellt ist, nämlich so lange, bis die Abschalt-Kolbenposition erreicht ist. Sobald die Abschalt-Kolbenposition erreicht ist, wird die Antriebseinheit 16 endgültig abgeschaltet, und der Kompressionsmechanismus 5 läuft bis zum Stillstand aus, wobei der Kompressionsmechanismus 5 in der Saugphase zum Stillstand kommt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Kältemittelkompressor
    2
    Kondensator
    3
    Drosselvorrichtung
    4
    Verdampfer
    5
    Kompressionsmechanismus
    6
    Kurbelwelle
    7
    Pleuel
    8
    Zylinderblock
    9
    Kolben
    10
    Federelemente
    11
    Gehäuse
    12
    Stromversorgung
    13
    elektronische Steuerungseinrichtung des Kältemittelkompressors
    14
    elektronische Steuerungseinrichtung des Kühlschranks
    15
    Kühlschrank
    16
    Antriebseinheit
    Bm
    Betriebsdrehmoment
    Lm
    Lastmoment
    φ
    Kurbelwinkel bzw. Drehwinkel
    t
    Zeit
    E
    Energiebeurteilungsgröße
    W
    Energiebeurteilungsgrößendifferenz
    ω
    (Mess-)Drehzahl
    N
    Umdrehungsanzahl
    N'
    adaptierte Umdrehungsanzahl
    ωabschalt
    Abschalt-Drehzahl
    ωgrenz
    Grenz-Drehzahl
    ωb
    Bestimmungsdrehzahl
    ωauslauf
    Auslauf-Drehzahl

Claims (15)

  1. System umfassend einen Kältemittelkompressor und eine elektronische Steuerungseinrichtung (13) für den Kältemittelkompressor (1), welcher Kältemittelkompressor (1) zumindest umfasst
    - eine Antriebseinheit (16),
    - einen mit einem Rotor der Antriebseinheit (16) in Wirkverbindung stehenden Kompressionsmechanismus (5) mit zumindest einem in einem Zylinder eines Zylinderblocks (8) hin und her bewegbaren, über eine Kurbelwelle (6) antreibbaren Kolben (9), um zyklisch Kältemittel während einer Saugphase in den Zylinder zu saugen und das Kältemittel während einer auf die Saugphase folgenden Verdichtungsphase im Zylinder zu verdichten,
    wobei die elektronische Steuerungseinrichtung (13) dazu eingerichtet ist,
    - eine Drehzahl (ω) der Kurbelwelle (6) zu erfassen und zu steuern und/oder regeln,
    - eine Kolbenposition des Kolbens (9) zumindest annähernd zu erfassen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist,
    - bei abgeschalteter Antriebseinheit (16) eine Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) zu bestimmen, die proportional zu einer für die Durchführung einer Kurbelwellenumdrehung benötigten Energie ist,
    - bei einer Messdrehzahl (ω) eine Energiebeurteilungsgröße (E(ω)), die proportional zu einer Rotationsenergie bei der Messdrehzahl (ω) ist, zu bestimmen sowie die Anzahl der bei abgeschalteter Antriebseinheit (16) verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen (N) bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus (5),
    - zu prüfen, ob die verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen (N) bei Abschalten der Antriebseinheit (16) bei einer Referenz-Kolbenposition ein Anhalten des Kompressionsmechanismus (5) in dessen Saugphase ermöglichen,
    - gegebenenfalls die Antriebseinheit (16) einzuschalten und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) eine Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) zu bestimmen, bei welcher die Antriebseinheit (16) bei der Referenz-Kolbenposition abzuschalten ist, um einen Stillstand des Kompressionsmechanismus (5) in der Saugphase zu bewirken und die Antriebseinheit (16) bei der Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) abzuschalten,
    - oder gegebenenfalls die Antriebseinheit (16) einzuschalten und diese mit einer vorgebbaren Grenz-Drehzahl (ωgrenz) zu betreiben und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) eine Abschalt-Kolbenposition zu bestimmen und die Antriebseinheit (16) bei der Grenz-Drehzahl (ωgrenz) und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist,
    - die Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) durch Bildung der Differenz der Energiebeurteilungsgrößen (E(ω1), E(ω2)) bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle (6) zu bestimmen, um durch eine Bildung des Quotienten Energiebeurteilungsgröße/ Energiebeurteilungsgrößendifferenz (E(ω)/W) bestimmen zu können, wieviele Umdrehungen (N; N = E(ω)/W) der antriebslose Kompressionsmechanismus (5) ausgehend von der Messdrehzahl (ω) und der Referenz-Kolbenposition noch weiterlaufen kann, wobei aufgrund des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl (N) bestimmbar ist, ob der Kompressionsmechanismus (5) in der Saugphase oder in der Verdichtungsphase zum Stillstand kommen würde,
    - und unter Anwendung der Quotientenbildung und Berücksichtigung des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl (N) den Kompressionsmechanismus (5) so anzutreiben und die Antriebseinheit (16) so abzuschalten, dass der Kompressionsmechanismus (5) während der Saugphase zum Stillstand kommt.
  3. System nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, die Antriebseinheit (16) nur dann abzuschalten und die Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) zu bestimmen, wenn die Drehzahl (ω) größer gleich einer, vorzugsweise vorgebbaren, Mindestdrehzahl (ωmin) ist.
  4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Kolbenposition der obere Totpunkt des Kolbens (9) im Zylinder (8) ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, den Kompressionsmechanismus (5) so anzutreiben, dass die Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) erreicht wird, und die Antriebseinheit (16) bei der Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) und der Referenz-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) bestimmt wird, indem
    - die Energiebeurteilungsgröße (E(ωb)) bei einer als Messdrehzahl fungierenden Bestimmungsdrehzahl (ωb), die vorzugsweise bei zur Bestimmung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) abgeschalteter Antriebseinheit (16) vorliegt, bestimmt wird,
    - die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E(ωb)/W,
    - eine adaptierte Umdrehungsanzahl (N') berechnet wird, indem die Umdrehungsanzahl (N) auf die nächstgrößere ganze Zahl aufgerundet wird und anschließend eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 addiert wird, und
    - die Abschalt-Drehzahl (ωabschalt) bis auf einen konstanten Faktor (c) berechnet wird als die Wurzel aus dem Produkt der adaptierten Umdrehungsanzahl (N') und der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W): ω abschalt = c * N ′ * W 0,5 .
    Figure imgb0008
  6. System nach Anspruch 5 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, liegt.
  7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, den Kompressionsmechanismus (5) so antreiben, dass die Grenz-Drehzahl (ωgrenz) erreicht wird, und die Antriebseinheit (16) bei der Grenz-Drehzahl (ωgrenz) und der Abschalt-Kolbenposition abzuschalten, wobei die Abschalt-Kolbenposition bestimmt wird, indem
    - die Energiebeurteilungsgröße (E(ωgrenz)) bei der Grenz-Drehzahl (ωgrenz) bestimmt wird,
    - die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung berechnet wird: N = E (ωgrenz) /W,
    - der Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl (N) bestimmt wird,
    - ein adaptierter Nachkommaanteil bestimmt wird, indem vom Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl (N) eine Anpassungszahl zwischen 0 und 1 subtrahiert wird,
    - der adaptierte Nachkommaanteil in eine Kolbenposition umgerechnet und diese von der Referenz-Kolbenposition abgezogen wird.
  8. System nach Anspruch 7 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, liegt.
  9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist,
    a) die Antriebseinheit (16) abzuschalten und
    b) bei abgeschalteter Antriebseinheit (16)
    b1) die Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) zu bestimmen,
    b2) die Energiebeurteilungsgröße (E(ωauslauf)) für eine dann vorliegende, als Messdrehzahl fungierende Auslauf-Drehzahl (ωauslauf) zu bestimmen,
    b3) die Umdrehungsanzahl (N) durch Quotientenbildung zu berechnen: N = E(ωauslauf)/W
    b4) und den Nachkommaanteil der Umdrehungsanzahl (N) mit einer Anpassungszahl zwischen 0 und 1 zu vergleichen und
    c), wenn der Nachkommaanteil größer als die Anpassungszahl ist, den Kompressionsmechanismus (5) nur für die Dauer eines Teils einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle (6) anzutreiben.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, zumindest die Schritte b2), b3), b4) und c) iterativ zu wiederholen.
  11. System nach einem der Ansprüche 9 bis 10 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungszahl im Bereich von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3, liegt.
  12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, die Energiebeurteilungsgröße (E(ω)) für die Messdrehzahl (ω) durch Quadrieren der Messdrehzahl (ω) zu bestimmen.
  13. System nach einem der Ansprüche 2 bis 12 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, die Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) so zu bestimmen, dass mehrere Energiebeurteilungsgrößendifferenzen (W) für Drehzahlen (ωi, ωi+1) bei jeweils zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen in einer Abfolge von mehr als zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen bestimmt werden und aus diesen Energiebeurteilungsgrößendifferenzen (W) ein Mittelwert gebildet wird.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkompressors mit einer Antriebseinheit (16), einem mittels der Antriebseinheit (16) antreibbaren Kompressionsmechanismus (5) umfassend einen Kolben (9) sowie eine mit diesem über ein Pleuel in Verbindung stehende Kurbelwelle (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    - bei abgeschalteter Antriebseinheit (16), Bestimmen einer Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W), die proportional zu einer für die Durchführung einer Kurbelwellenumdrehung benötigten Energie ist,
    - bei einer Messdrehzahl (ω), Bestimmen einer Energiebeurteilungsgröße (E(ω)), die proportional zu einer Rotationsenergie bei der Messdrehzahl (ω) ist, und Berechnen der Anzahl (N) der bei abgeschalteter Antriebseinheit (16) verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen bis zum Stillstand des Kompressionsmechanismus,
    - Prüfen, ob die verbleibenden Kurbelwellenumdrehungen (N) bei Abschalten der Antriebseinheit (16) bei einer Referenz-Kolbenposition ein Anhalten des Kompressionsmechanismus (5) in dessen Saugphase ermöglichen,
    - gegebenenfalls Einschalten der Antriebseinheit (16) und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) Bestimmen einer Abschalt-Drehzahl (ωabschalt), bei welcher die Antriebseinheit (16) bei der Referenz-Kolbenposition abzuschalten ist, um einen Stillstand des Kompressionsmechanismus (5) in der Saugphase zu bewirken und Abschalten der Antriebseinheit (16) bei der Abschalt-Drehzahl (ωabschalt),
    - oder gegebenenfalls Einschalten der Antriebseinheit (16) und Betreiben derselben mit einer vorgebbaren Grenz-Drehzahl (ωgrenz) und unter Berücksichtigung der Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) Bestimmen einer Abschalt-Kolbenposition und Abschalten der Antriebseinheit (16) bei der Grenz-Drehzahl (ωgrenz) und bei der Abschalt-Kolbenposition.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Energiebeurteilungsgrößendifferenz (W) durch Bildung der Differenz der Energiebeurteilungsgrößen (E(ω1), E(ω2)) bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle (6) bestimmt wird,
    - durch eine Bildung des Quotienten Energiebeurteilungsgröße/ Energiebeurteilungsgrößendifferenz (E(ω)/W) bestimmt wird, wieviele Umdrehungen (N; N = E(ω)/W) der antriebslose Kompressionsmechanismus (5) ausgehend von der Messdrehzahl (ω) und der Referenz-Kolbenposition noch weiterlaufen kann, wobei aufgrund des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl (N) bestimmt wird, ob der Kompressionsmechanismus (5) in der Saugphase oder in der Verdichtungsphase zum Stillstand kommen würde,
    - unter Anwendung der Quotientenbildung und Berücksichtigung des Nachkommaanteils der ermittelten Umdrehungsanzahl (N) der Kompressionsmechanismus (5) so angetrieben und die Antriebseinheit (16) so abgeschaltet wird, dass der Kompressionsmechanismus (5) während der Saugphase zum Stillstand kommt.
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