WO2024002840A2 - System comprising a refrigeration circuit, and control module for such a system - Google Patents

System comprising a refrigeration circuit, and control module for such a system Download PDF

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WO2024002840A2
WO2024002840A2 PCT/EP2023/066887 EP2023066887W WO2024002840A2 WO 2024002840 A2 WO2024002840 A2 WO 2024002840A2 EP 2023066887 W EP2023066887 W EP 2023066887W WO 2024002840 A2 WO2024002840 A2 WO 2024002840A2
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control module
circuit
cooling
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24F1/00Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
    • F24F1/06Separate outdoor units, e.g. outdoor unit to be linked to a separate room comprising a compressor and a heat exchanger
    • F24F1/20Electric components for separate outdoor units
    • F24F1/24Cooling of electric components
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B31/00Compressor arrangements
    • F25B31/006Cooling of compressor or motor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00Control or safety arrangements
    • F24F11/89Arrangement or mounting of control or safety devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/005Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle of the single unit type

Definitions

  • the invention relates to a system, in particular a refrigeration system with a refrigeration circuit.
  • the invention further relates to a control module for controlling the operation of such a system.
  • the system is specifically a system for commercial or industrial use; it is specifically designed as a refrigeration system.
  • the system can also be a heat pump system.
  • the systems in focus here have a heating or cooling output of typically more than 10 kW, preferably more than 50 kW or even more than 100 kW and, for example, up to 1000 kW (refrigeration) output.
  • the output of modern systems is regulated as required.
  • Components such as compressors, pumps or fans with variable speeds are used for this purpose.
  • To A frequency converter is required to control such variable-speed components. Due to their high performance, they typically also require cooling.
  • control takes place via an industrial control cabinet in which the required control components are snapped onto top-hat rails, for example.
  • the individual components must be wired on site.
  • the invention is based on the object of specifying such a system which enables energy-efficient operation while at the same time keeping costs low and with little assembly effort.
  • a system in particular a previously described commercial or industrial refrigeration system, which has a refrigeration circuit and connections for a further circuit connected to it during operation and in the assembled state for a fluid carried therein.
  • a refrigeration system this is in particular a coolant circuit for cooling components, such as commercial or industrial system components, e.g. refrigerated counters, cold rooms, medical devices, etc., or is used to provide cold for industrial processes.
  • the fluid is a coolant, also known as a coolant.
  • the system is a heat pump system to provide heat on the consumer side.
  • the other circuit in this case is a heating circuit.
  • the fluid is then a heating fluid such as heating water.
  • the system typically has a system housing and the further circuit can be connected to the connections on the system housing.
  • Hydraulic components such as valves are typically already located within the system housing or pumps for circulating the fluid of the further circuit are integrated.
  • the additional circuit is an additional part of the system.
  • the refrigeration circuit has an evaporator with a variable-speed fan, a variable-speed compressor, a condenser and an expansion valve/throttle element.
  • the system also has a variable-speed pump for pumping and circulating a fluid, in particular coolant, which is carried in the further circuit during operation. This pump is arranged inside the system housing.
  • the variable-speed components namely the fan, compressor and pump, are in particular speed-controlled components.
  • a control module with power electronics is also provided, the power electronics having frequency converters for controlling the variable-speed components.
  • the control module is a structural unit, specifically a compact structural unit, in which the power electronics are integrated.
  • the control module is preferably arranged as an independent structural unit, for example within the system housing or attached to the system housing.
  • This structural unit in particular has a module housing in which the power electronics and preferably further control and regulation electronics are accommodated.
  • the previously mentioned components of the system are preferably preconfigured for connection on site, for example to a piping of the further circuit.
  • the power electronics itself is in turn preferably a power module designed as a structural unit, in which the respective frequency converters are implemented with corresponding electronic power circuits.
  • the object is further achieved by such a control module, via which the operation of such a system with a refrigeration circuit can be controlled and is controlled during operation.
  • control module is preferably also intended and used for other systems, in particular cooling systems and cooling systems, in which, for example, no refrigeration circuit is controlled via the control module and / or the system does not necessarily have a refrigeration circuit.
  • control module only has power electronics with a frequency converter for other variable-speed components such as pumps in a coolant circuit.
  • An example of such a further system are cooling systems in which a consumer-side cooling circuit is coupled with a primary circuit for heat dissipation.
  • the primary circuit can be a normal water circuit, for example a domestic water network, or alternatively a refrigeration circuit.
  • the control module preferably controls the entire cooling system/the entire cooling system, especially the heat exchangers, circulation pumps, temperature control circuits with multi-way valves, etc. installed in it.
  • the invention is therefore not necessarily limited to systems with a refrigeration circuit, but can also be applied to a previously described cooling system, which typically, among other things, has a liquid/liquid heat exchanger and pumps as well as valves.
  • variable speed components By integrating the frequency converters required for the variable-speed components into a common, uniform structural unit, in particular into the common power module, the need for several individual frequency converters as separate structural units for the different ones is eliminated variable speed components. This measure can save costs and the assembly effort is also low.
  • the necessary power electronics for forming the frequency converters for the (all) variable-speed components are arranged on a common circuit board.
  • the control module has an integrated cooling plate for cooling the power electronics.
  • the power module is specifically arranged on or on the cooling plate.
  • the power module, in particular the circuit board is in thermally conductive contact with the cooling plate.
  • the circuit board or the power module rests over the entire surface of the cooling plate.
  • a cooling fluid flows through the cooling plate. This achieves a high cooling performance.
  • control module expediently has cooling fluid connections through which fluid from the system is supplied to the control module during operation, i.e. the cooling fluid connections are connected to a fluid line in the system.
  • cooling fluid connections through which fluid from the system is supplied to the control module during operation, i.e. the cooling fluid connections are connected to a fluid line in the system.
  • control module is expediently connected to the further circuit via the cooling fluid connections, in particular to a hydraulic part the further circuit is connected within the system housing.
  • the cooling plate is therefore cooled in particular using the coolant of the further circuit (coolant circuit).
  • the refrigerant of the refrigeration circuit is used for cooling.
  • the cooling fluid connections are connected to the refrigeration circuit in a suitable manner.
  • an individual cooling circuit is provided for cooling the cooling plate, which is connected via a heat exchanger either to the further circuit or also to the cooling circuit for transmitting the required cooling capacity.
  • the cooling plate is in thermally conductive contact with a component of the refrigeration circuit for cooling purposes, in particular with the evaporator.
  • the cooling plate and thus the control module as a whole are therefore attached directly to a cold component of the refrigerant circuit, specifically to the evaporator.
  • the cooling plate lies, for example, directly on a cold outside of the components, in particular of the evaporator. This is preferably a plate heat exchanger.
  • additional cooling via a cooling fluid and thus also the cooling fluid connections are preferably dispensed with.
  • the cooling via direct thermally conductive contact with the component is supplemented by cooling via a cooling fluid via the cooling fluid connections.
  • the cooling power required for the control module and especially for the power module is provided exclusively via the cooling plate and further, in particular active, cooling measures for cooling the control module or the power electronics, for example by fans, are dispensed with.
  • the control module also has a heating element. This is preferably designed to heat the cooling fluid which flows through the cooling plate. As a result of this measure, heat is specifically introduced into the fluid, in particular coolant, of the further circuit during operation if necessary. This results in an overall increase in the coolant temperature.
  • the heating element - particularly in the embodiment in which the cooling plate and / or the control module is attached directly to the evaporator - serves to introduce heat into the evaporator and thus also indirectly into the coolant of the coolant circuit.
  • This temperature increase is preferably controlled in such a way that the formation of condensate on a heat exchanger through which the cooling fluid flows is at least reduced or avoided.
  • a suitable intelligent control of the coolant temperature increase takes into account in particular the ambient temperature specifically at such a heat exchanger, the air humidity and / or the temperature of the cooling fluid.
  • control module has a connection for a flow and a return flow of the cooling fluid.
  • the heating element preferably increases the return temperature during operation, i.e. H. the heating element is arranged in the flow direction at the end of or following the cooling plate. This measure allows the temperature of the cooling fluid to be raised if necessary.
  • an electrical resistance heater is used as the heating element.
  • a control circuit is preferably integrated within the control module, via which the heating element is controlled depending on sensor signals (e.g. air temperature, coolant temperature, air humidity etc.
  • sensor signals e.g. air temperature, coolant temperature, air humidity etc.
  • overtemperature protection specifically an overtemperature safety circuit, is also implemented in the control module.
  • control module also has connections for data signals from or for sensors and actuators of the system.
  • the control module specifically has connections for all sensors and actuators in the system.
  • control module is designed and designed in a preferred embodiment for the complete control of the system.
  • Further control components which would have to be additionally arranged in a control cabinet, for example, are preferably dispensed with.
  • control module In addition to controlling the performance components such as pumps, compressors and fans, all regulations and controls required for the operation of the system are also integrated in the control module. This particularly applies to the control of valves, e.g. an (electronic) expansion valve and/or another multi-way valve in the refrigeration circuit.
  • phase monitoring and/or a switching power supply are preferably integrated, via which the electrical power for the system is switched.
  • the system is supplied with electrical power in particular via a multi-phase (three-phase) connection.
  • the supply voltage is several hundred volts, e.g. 400 volts.
  • the control is optimized in particular with regard to the highest possible energy efficiency. This is supported by the integral training provided by the control module.
  • control module is therefore an integrated control module for the entire system, which is arranged in particular within a compact module housing.
  • the control module and thus the module housing preferably has a size in the range of (250mm to 400mm) length * (100mm to 200mm) width * (100mm up to 200mm) height, and specifically a size of 320mm *150mm*150mm (+/- 20% per dimension).
  • the control module preferably has connections for the electrical and, if necessary, the hydraulic connection on the outside of the module housing.
  • the module housing is usually closed, in particular the individual housing parts are connected to one another, for example via screws, and an interior is not accessible - for example through doors or other lockable openings.
  • the module housing On the outside, the module housing has the necessary electrical and, if necessary, hydraulic connections.
  • the system is generally designed for a thermal power, in particular cooling power, of greater than 10kW, in particular greater than 50kW and especially greater than 100kW or even greater than 500kW.
  • the thermal output is, for example, in the range of up to 1000kW.
  • control cabinet that is otherwise common in such systems.
  • conventional switching devices and/or control devices and, if necessary, communication modules are typically snapped onto top-hat rails.
  • control module In order to make the control module as integrated as possible, the control module also has a communication interface for data signals from an input unit (user interface), alternatively or additionally for a remote maintenance interface or for communication with other systems.
  • input unit user interface
  • remote maintenance interface for communication with other systems.
  • control module is designed to process the data signals. This means that, on the one hand, incoming data signals, for example sensor signals, signals from the actuators or the communication signals mentioned are received, processed and converted into corresponding further signals.
  • control module is also designed to output communication and control signals processed in this way or other in order to appropriately control the system and/or with external units, such as For example, a user interface, remote maintenance or exchanging data with other devices.
  • control module therefore has, in addition to the power module, at least one further module, which has a corresponding circuit board with switching and electronic elements integrated thereon.
  • control module one or more and preferably all of the following components are integrated in the control module:
  • Phase monitoring is preferably integrated, through which the system is protected with regard to phase loss, phase inequality and phase reversal. Separate phase monitoring is preferably dispensed with.
  • a switching power supply is preferably also integrated in the control module, via which the required voltage supply for the components of the system, in particular for all components of the system, is provided.
  • the individual components of the system especially the variable-speed components, are supplied with the required electrical power via the control module and, in particular, are also controlled with a suitable control voltage.
  • a valve control for at least one and preferably several and in particular all motor-driven valves of the system is also integrated in the control module.
  • a valve control for at least one and preferably several and in particular all motor-driven valves of the system is also integrated in the control module.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a refrigeration system
  • FIG. 4 shows a further variant of a control module in an exploded view
  • FIG. 5 shows a greatly simplified, partial block diagram representation of a system
  • FIG. 6 shows an exemplary block diagram representation, in particular of the control module.
  • FIG. 1 and Figure 2 each show a system 2, in particular a refrigeration system, to which a coolant circuit 4 is connected as a further circuit during operation.
  • the system 2 has a system housing 6, which typically has a frame made of profile rails and the side walls of which are covered with metal sheets.
  • the system housing 6 accommodates components of a refrigeration circuit 8. These are in particular at least one heat exchanger, in the exemplary embodiment as a refrigeration system an evaporator 10, a variable-speed compressor 12 and in particular a throttle element designed as an electronically controlled expansion valve 14.
  • a second heat exchanger is arranged within the system housing 6, which in the exemplary embodiment is designed as a refrigerant system as a capacitor 16.
  • This capacitor 16 is assigned at least one fan and, in the exemplary embodiment, two fans 18 designed as fans to dissipate the heat to the environment. These are also speed controlled.
  • Some hydraulic components of the coolant circuit 4 are already arranged within the system housing 6. This applies in particular to a coolant pump 24.
  • the hydraulic components of the coolant circuit 4 installed within the system housing 6 are connected to the remaining coolant circuit 4 in the connected state via hydraulic interfaces and hydraulic couplings which are arranged on the system housing 6.
  • the coolant circuit 4 is routed via the evaporator 10, so that cold comes from Refrigeration circuit 8 is transferred to the coolant circuit 4.
  • the coolant circuit 4 has a further heat exchanger 26, which releases the cold on the consumer side, for example to a refrigerated counter.
  • control module 22 is attached directly to the system housing 6 on a side wall, which preferably controls all functions of the entire system 2.
  • control module 22 can also be arranged inside the system housing 6 at a suitable location.
  • the system 2 is in particular a refrigeration system with a cooling capacity of preferably more than 10 kW, in particular more than 50 kW, more preferably more than 100 kW up to 1000 kW of cooling capacity.
  • a refrigeration system with a cooling capacity of preferably more than 10 kW, in particular more than 50 kW, more preferably more than 100 kW up to 1000 kW of cooling capacity.
  • it can also be a heat pump with a corresponding heating output of the same magnitude.
  • An important aspect is the speed control of some of the main components of the system 2. These are in particular the compressor 12, the at least one coolant pump 24 or further pumps and the fans 18.
  • these components are each controlled with their own speed controller, which means, for example, a speed controller is installed in the compressor or in the pump.
  • Conventional fans are a combination of EC technology and speed control.
  • the speed controllers are therefore conventionally installed individually.
  • Frequency converters are used for the speed controllers.
  • the electrical components of the speed controller are conventionally air-cooled.
  • the power electronics are therefore very limited in their application and ambient temperatures; the compressor frequency converters often have a limit of 45°C ambient temperature.
  • the individual components in the electrical control cabinet are separately electrically protected, for example with motor protection switches. This leads to switch boxes of a larger dimension.
  • the first aspect aimed at is higher energy efficiency.
  • cooling systems for cooling industrial processes for example, are gradually being regulated based on their energy efficiency (cooling capacity compared to electrical power consumption).
  • the traditional method for precisely controlling the outlet temperature in process chillers is to divert hot gas from the compressor outlet to the evaporator inlet with a motorized hot gas bypass valve.
  • This technique regulates the amount of refrigerant flowing through the condenser to control refrigeration capacity.
  • the problem with this technique is that the compressor is constantly running at full power, doing work to compress the refrigerant vapor, even though it is not fully used for cooling.
  • the current state of the art for precise temperature control in process chillers is the use of variable speed brushless DC compressors.
  • variable speed compressors The advantage of using variable speed compressors is that the compressor speed can be modulated to regulate the precise amount of refrigerant mass flow through the refrigeration system required for the applied heat load.
  • This system does not require a hot gas bypass valve and the compressor only performs the minimum amount of work required for the heat load.
  • the system presented here therefore does not require such a hot gas bypass line.
  • Coolant pump 24 In addition to speed-controlled compressors, modern systems also use speed-controlled fans so that the fans deliver exactly the amount of air required to maintain the desired compressor pressure, but not less.
  • the third element that influences the energy efficiency of process refrigeration machines is the coolant pump 24.
  • the system designer does not know the exact pressure drop that will occur in the refrigeration system. Therefore, refrigeration systems 2 are often oversized Coolant pumps 24 are designed that use a serial throttle or bypass valve to control the flow rate of coolant through the process. Any time a valve is used to regulate the flow of a pump, it means the pump is doing unnecessary work that is converted to heat by the pressure drop across the valve. This additional heat is absorbed by the coolant and must be dissipated by the refrigeration system.
  • the most modern solution to controlling coolant flow is to operate the coolant pump 24 with a variable frequency drive so that the pump speed can be adjusted to provide the exact coolant flow required for the application.
  • a second aspect of the present invention is the simplification of the product portfolio.
  • the refrigeration systems 2 provided by a manufacturer are used in a variety of applications ranging from medical imaging to laser cutting to semiconductor manufacturing. Each application has unique requirements for heat load, ambient temperature, coolant temperature, coolant supply pressure, coolant flow rate, communication with customer facility, etc. Due to the almost unlimited combinations of customer requirements, it becomes very difficult to control the complexity of the product portfolio, component inventory and manufacturing costs manage. The variability also makes it very difficult to control the scaling of production capacity.
  • variable speed technology in Plant 2 immediately simplifies the portfolio as each specific plant configuration can be used for a much broader range of applications. For example, if the process pump is equipped with a frequency converter, one can Pump cover a wide range of flow and pressure requirements as the pump speed can be varied according to specific requirements. Likewise, the switch to variable speed compressors 12 allows a single compressor 12 to cover a wide range of process heat loads. By using variable speed fans 18, a single refrigeration machine can be operated in a wide range of environmental conditions.
  • a third aspect for the invention is ease of maintenance.
  • the manufacturer of such systems 2 usually provides service support for systems 2 installed worldwide. These systems 2 are quite technical devices that can be difficult to diagnose and repair in the event of a malfunction. In addition, these systems 2 usually support process-critical systems. The possibility of integrating technology for remote monitoring of system 2 and predictive maintenance into the system is therefore of great value for the customer. This technology is quite expensive to integrate. It also poses a major connectivity challenge as many customers do not support third-party devices on their IT networks for security reasons. Wireless and cellular connectivity is also problematic as protocols are updated regularly and the typical lifespan of a Plant 2 is around 10-15 years.
  • the fourth aspect for the invention is cost reduction.
  • the largest single item in the cost of chillers manufactured today is the materials and labor required for the control system. Due to design variability, most of the systems manufactured today 2 use a traditional industrial control cabinet with DIN rail mounted electrical components (i.e. circuit breakers, contactors, relays, etc.) and a PLC (Programmable Logic Controller) to control the system.
  • DIN rail mounted electrical components i.e. circuit breakers, contactors, relays, etc.
  • PLC Programmable Logic Controller
  • This construction method offers a high degree of flexibility, but the components are expensive and assembly of the control cabinet is very time-consuming and requires highly skilled labor.
  • the integrated control module 22 described in more detail below, is arranged.
  • the control module 22 integrates the functions of the frequency converter 38 (see FIG. 6) for compressor 12, coolant pump 24 and fan 18 and supports all sensor and actuator inputs and outputs as well as communication and remote connection for, for example, a remote Monitoring and maintenance of system 2.
  • control module 22 in two different variants is shown in Figures 3 and 4.
  • the control module 22 each has a module housing 28, which has a large number of connections.
  • electrical connections 30 are provided specifically for power supply and at least one data connection 32 for connecting data and communication lines.
  • two cooling fluid connections 34 are arranged, via which a cooling fluid can be passed through a cooling plate 36.
  • the module housing 28 is in particular a multi-part housing which has an upper part and a lower part, the two parts forming a closed housing when connected.
  • the power electronics are integrated within the housing 28, which in particular have the frequency converters 38 required for the speed control of the various components (see FIG. 5) as suitable circuit components of the power electronics.
  • a circuit board 40 is formed, on which the power electronics are mounted.
  • the circuit board 40 with the electronics mounted thereon forms an integrated power module 41.
  • a portion of the circuit board 40 or a further circuit board 40 is designed for processing the data signals and in particular has a plug part 42 into which a data plug of a data line can be inserted.
  • a busbar 44 is arranged for the current-power distribution and is connected to the electrical connections 30.
  • a direct voltage part 45 is shown in FIG. 4, which provides a suitable direct voltage for supplying the components for data and signal processing in particular.
  • this control module 22 is designed to direct all heat generated by the power electronics to the cooling plate 36 so that the heat is dissipated via it .
  • This cooling plate 36 is cooled according to a preferred variant by circulating a cooled cooling fluid from the system 2 through the cooling plate 36.
  • the cooling fluid is either the coolant of the refrigeration circuit 8, the coolant of the coolant circuit 4 or also a coolant of an independent circuit to which the cooling plate 36 is connected.
  • the cooling fluid connections 34 are connected to the respective circuit in a suitable manner.
  • the cooling plate 36 is connected directly to the evaporator 10 or another suitable component of the refrigeration circuit 8.
  • the power electronics and in particular the circuit board 40 are in direct, thermally conductive contact with the cooling plate 36.
  • the underside of the circuit board 40 rests on a flat side of the cooling plate 36 and is, for example, glued to it or attached in some other way.
  • the cooling plate 36 is in particular a cuboid plate, for example, which is preferred - in the embodiment variant with the Cooling fluid connections - has internal cooling channels.
  • the cooling plate is preferably made of metal.
  • control module 22 and its connection to the environment are shown in a simplified manner.
  • a total of three circuit boards 40 are shown, which take on different tasks.
  • the printed circuit board 40 shown on the right forms the power module 41 with the power electronics attached thereto.
  • the speed-controlled fan 18, usually several coolant pumps 24 and also usually several compressors 12 are controlled via corresponding outputs and interfaces.
  • the different coolant pumps 24 are arranged, for example, in different coolant partial circuits.
  • the compressor 12 shown in FIG. 2 can also be divided into several compressors, for example one being designed as a constant speed compressor and only the other as a speed-controlled compressor.
  • the two further circuit boards 40 are used in particular for communication and the processing of data signals.
  • One is, for example, set up for communication with a user via a user interface 46.
  • the other is set up for external communication via, for example, a telephone network or another computer network (Internet) and in particular allows remote access, for example for maintenance or for remote control.
  • Internet computer network
  • the circuit board 40 also has a communication interface to actuators 50 and/or sensors 52 and is used to control the actuators 50 and/or to process data signals from the sensors 52.
  • the sensors 52 are, for example, temperature sensors, pressure sensors, etc
  • the actuators 50 are, for example, valves of the refrigeration circuit 8 or the coolant circuit 4.
  • These two further circuit boards 40 can also be formed by a common circuit board.
  • the entire electronics has one or more microprocessors 48, each of which is also mounted on the circuit boards 40.
  • cooling fluid connections 34 are indicated by arrows in FIG.
  • FIG. 6 shows a still schematic but somewhat more detailed circuit diagram of the control module 22:
  • a main microprocessor 48 is used to control most processes. It communicates in particular with the power module 41 shown in dashed lines with the frequency converters 38 mounted thereon.
  • the speed-controlled fans 18, the coolant pump 24 and the speed-controlled compressor 12 are controlled via the power module 41.
  • the main microprocessor 48 also monitors the cooling via the cooling plate 36 (FIG 3) and, for example, evaluates signals from a temperature sensor 52.
  • the power module 41 has a common rectifier circuit 54 for the frequency converter 38.
  • the main microprocessor 48 controls several control or data connections 46, which are suitably designed.
  • a heating element 58 in particular is controlled via such a connection 46. This influences in particular the temperature of the coolant to the coolant circuit 4 in order to increase its temperature if necessary.
  • the heating element 58 heats in particular the coolant of the coolant circuit 4 flowing through the cooling plate 36.
  • it is attached, for example, on the output side after an outlet-side cooling fluid connection 34, for example in the manner of a heating sleeve.
  • the cooling plate 36 is attached directly to a cold component of the refrigeration circuit 8 and in particular directly to the evaporator 10
  • heat is introduced into the coolant via the heating element 58 and thus indirectly into the coolant of the coolant circuit 4.
  • the heating element 58 is attached to or immediately in front of the evaporator 10.
  • data is exchanged via a further connection 56 with an antenna 60, via which remote communication is then possible, for example via a cloud server 62 and via this with a remote workstation for remote monitoring or remote control.
  • Another connection 56 is designed for communication with further sensors 52.
  • communication interfaces to external devices 64 or to an input/output unit 66 for user communication are formed via further connections 56.
  • electric motors 68 for example for valves, are also controlled via the main microprocessor 48.
  • components with a constant speed can also be provided. These are controlled via suitable relays 70, for example a compressor 12 or other valves or other actuators 72
  • various protection and monitoring circuits 74 are integrated within the control module 22, which are used, for example, for phase monitoring of a three-phase power supply 76.
  • the dashed border shown in FIG. 6 preferably indicates a respective circuit board 40 on the corresponding electronic one Components and circuit components are arranged.
  • the dashed lines also define the logical boundary to the components arranged outside the control module 22.
  • Integrating the drive circuits for the fans 18, compressor 12 and refrigerant pump 24 eliminates the need for three separate rectifier circuits for an AC/DC bus, reducing the total number of components required for the drive circuits.
  • the direct cooling of the power electronics by the cooling plate 36 makes air heat sinks and cooling fans for cooling the power electronics unnecessary, which are therefore also omitted.
  • more cost-effective power electronics that have a higher resistance can be used.
  • the control module 22 not only provides a cost-effective solution for implementing variable speed control for the components of the system 2, but also has the following features and advantages:
  • system 2 By operating the fans 18, coolant pumps 24 and compressors 12 via an integrated frequency converter, system 2 can be operated independently of the mains frequency. Therefore, system 2 can be operated with the same mechanical components at both 50 and 60 Hz.
  • a switching power supply is integrated into the control module 22, which makes a separate control voltage supply unnecessary. It will also support both 50 and 60 Hz operation.
  • a motorized valve control is integrated into the control module 22, which makes a separate motorized valve control module unnecessary.
  • a (resistance) heating element 58 preferably with a control circuit, is integrated into the control module 22, which enables the control module 22 to heat the coolant circuit 4, for example directly via the evaporator 10, making external resistance heating for cold environments or rapid warm-up unnecessary.
  • an over-temperature safety circuit is preferably implemented to protect the heating element 58 from overheating, so that no additional heating limit switch is required.
  • the control module 22 preferably includes a proprietary long-range wireless communications protocol that allows the system 2 to communicate wirelessly with a remote gateway module connected to the Internet.
  • This gateway module supports Internet connections via LAN, WiFi and cellular. This allows the gateway module to be updated in the future when communication protocols are upgraded without having to make changes to Appendix 2.
  • the end user can connect several systems 2 to the Internet via the same module, which can keep connection costs low.
  • the control module 22 includes connections for the sensors/actuators, fan, pump, compressor and mains power, so installation of the control module 22 is an assembly process and does not require qualified electrical engineers.
  • the control module 22 can be cooled by circulating cooling fluid from the system 2 through the cooling plate 36 or by directly connecting the cooling plate 36 to the evaporator 10.
  • the control module 22 includes a communication interface for reading pressure, flow and temperature data from multi-function sensors, thereby minimizing the number of physical sensors on the machine.
  • the control module 22 includes an electronic circuit for controlling a fixed speed compressor that operates in conjunction with the variable speed compressor.
  • the control module 22 contains a safety circuit for detecting refrigerant leaks and for automatically switching on an exhaust fan of the system 2 in order to remove potentially flammable refrigerant vapors from a cold room in which the Appendix 2, for example, is set up to be discharged.

Abstract

The invention relates to a system (2), in particular a large-scale refrigeration system, comprising a refrigeration circuit (8) and a connection for a further circuit (4) connected to the refrigeration circuit during operation, wherein: the refrigeration circuit (8) has an evaporator (10), a variable-speed compressor (12), a capacitor (16), and a throttle element (14), and preferably also a variable-speed fan (18); furthermore, a variable-speed pump (24) is positioned for circulating a fluid conducted in the further circuit (4); and, furthermore, a control module (22) comprising power electronics is provided as a common structural unit which has frequency converters (38) for controlling the variable-speed components, namely a fan (18), a compressor (12), and a pump (24). Therefore, the control module (22) is an integrated unit which preferably contains all of the control elements for the system, meaning that a control cabinet is not required. In particular, the control module has a cooling plate through which a cooling fluid can flow.

Description

Beschreibung Description
Anlage mit einem Kältekreislauf sowie Steuermodul für eine solche Anlage System with a refrigeration circuit and control module for such a system
Die Erfindung betrifft eine Anlage, insbesondere eine Kälteanlage mit einem Kältekreislauf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuermodul zum Steuern des Betriebs einer solchen Anlage. The invention relates to a system, in particular a refrigeration system with a refrigeration circuit. The invention further relates to a control module for controlling the operation of such a system.
Die Anlage ist speziell eine Anlage für den gewerblichen oder industriellen Einsatz, speziell ist sie als eine Kälteanlage ausgebildet. Bei der Anlage kann es sich grundsätzlich auch um eine Wärmepumpenanlage handeln. The system is specifically a system for commercial or industrial use; it is specifically designed as a refrigeration system. In principle, the system can also be a heat pump system.
Die vorliegend im Vordergrund stehenden Anlagen weisen eine Wärme- oder Kälteleistung von typischerweise mehr als 10 kW, vorzugsweise von mehr als 50 kW oder auch mehr als 100 kW und beispielsweise bis hin zu 1000 kW (Kälte-) Leistung auf. The systems in focus here have a heating or cooling output of typically more than 10 kW, preferably more than 50 kW or even more than 100 kW and, for example, up to 1000 kW (refrigeration) output.
Bei derartigen gewerblichen und industriellen Anlagen stehen eine hohe Energieeffizienz und eine hohe Wartungsfreundlichkeit im Vordergrund sowie weiterhin gleichzeitig geringe Kosten, insbesondere auch Montagekosten. Da es sich bei derartigen Anlagen häufig um kundenspezifische Anlagen handelt, ist auf Seiten des Herstellers derartiger Anlagen auch eine Vereinfachung der Produktpalette im Interesse, sodass also mit einer geringen Anzahl von unterschiedlichen Typen möglichst viele Anwendungsfälle abgedeckt werden können. In such commercial and industrial systems, the focus is on high energy efficiency and ease of maintenance as well as low costs, especially assembly costs. Since such systems are often customer-specific systems, the manufacturer of such systems is also interested in simplifying the product range, so that as many applications as possible can be covered with a small number of different types.
Im Hinblick auf die angestrebte Energieeffizienz wird die Leistung bei modernen Anlagen bedarfsgerecht geregelt. Hierzu sind Komponenten, wie beispielsweise Verdichter, Pumpen oder Ventilatoren mit variabler Drehzahl eingesetzt. Zur Ansteuerung derartiger drehzahlvariabler Komponenten ist jeweils ein Frequenzumrichter erforderlich. Aufgrund der hohen Leistungen benötigen diese typischerweise auch eine Kühlung. With regard to the desired energy efficiency, the output of modern systems is regulated as required. Components such as compressors, pumps or fans with variable speeds are used for this purpose. To A frequency converter is required to control such variable-speed components. Due to their high performance, they typically also require cooling.
Derartige Anlagen erfordern in der Regel einen vergleichsweise hohen Montageaufwand. Typischerweise erfolgt die Steuerung über einen industriellen Schaltschrank, bei dem die erforderlichen Steuer-Komponenten beispielsweise auf Hutschienen aufgerastet sind. Die einzelnen Komponenten müssen vor Ort verdrahtet werden. Such systems generally require a comparatively high amount of assembly work. Typically, the control takes place via an industrial control cabinet in which the required control components are snapped onto top-hat rails, for example. The individual components must be wired on site.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anlage anzugeben, die einen energieeffizienten Betrieb bei gleichzeitig geringen Kosten und bei geringem Montageaufwand ermöglicht. Based on this, the invention is based on the object of specifying such a system which enables energy-efficient operation while at the same time keeping costs low and with little assembly effort.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Anlage, insbesondere eine zuvor beschriebene gewerbliche oder industrielle Kälteanlage, die einen Kältekreislauf sowie Anschlüsse für einen daran im Betrieb und im montierten Zustand angeschlossenen weiteren Kreislauf für ein darin geführtes Fluid aufweist. Bei diesem handelt es sich im Falle einer Kälteanlage insbesondere um einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen von Komponenten, wie beispielsweise gewerblichen oder industriellen Anlagenkomponenten, z.B. Kühltheken, Kühlräume, medizinische Geräte usw. oder dienen zur Bereitstellung von Kälte für industrielle Prozesse. Bei dem Fluid handelt es sich um ein Kühlmittel, auch als Kälteträger bezeichnet. The object is achieved according to the invention by a system, in particular a previously described commercial or industrial refrigeration system, which has a refrigeration circuit and connections for a further circuit connected to it during operation and in the assembled state for a fluid carried therein. In the case of a refrigeration system, this is in particular a coolant circuit for cooling components, such as commercial or industrial system components, e.g. refrigerated counters, cold rooms, medical devices, etc., or is used to provide cold for industrial processes. The fluid is a coolant, also known as a coolant.
Alternativ handelt es sich bei der Anlage um eine Wärmepumpenanlage, zur Bereitstellung von Wärme auf der Verbraucherseite. Beim weiteren Kreislauf handelt es sich in diesem Fall um einen Heizkreislauf. Bei dem Fluid handelt es sich dann um ein Heizfluid wie z.B. Heizwasser. Alternatively, the system is a heat pump system to provide heat on the consumer side. The other circuit in this case is a heating circuit. The fluid is then a heating fluid such as heating water.
Die Anlage weist typischerweise ein Anlagengehäuse auf und der weitere Kreislauf ist an dem Anlagengehäuse an den Anschlüssen anschließbar. Innerhalb des Anlagengehäuses sind typischerweise bereits Hydraulikkomponenten wie Ventile oder Pumpen zum Umwälzen des Fluids des weiteren Kreislaufs integriert. Im montierten Zustand ist der weitere Kreislauf ergänzend Bestandteil der Anlage. The system typically has a system housing and the further circuit can be connected to the connections on the system housing. Hydraulic components such as valves are typically already located within the system housing or pumps for circulating the fluid of the further circuit are integrated. When assembled, the additional circuit is an additional part of the system.
Der Kältekreislauf weist einen Verdampfer mit einem drehzahlvariablen Ventilator, einen drehzahlvariablen Verdichter, einen Kondensator sowie ein Expansionsven- til/Drosselorgan auf. Die Anlage weist weiterhin eine drehzahlvariable Pumpe zum Pumpen und Umwälzen eines in dem weiteren Kreislauf im Betrieb geführten Fluids, insbesondere Kühlmittel auf. Diese Pumpe ist innerhalb des Anlagengehäuses angeordnet. Bei den drehzahlvariablen Komponenten, nämlich Ventilator, Verdichter sowie Pumpe handelt es sich insbesondere um drehzahlgeregelte Komponenten. Zur Ansteuerung, insbesondere zur Regelung der Anlage und speziell dieser Komponenten ist weiterhin ein Steuermodul mit einer Leistungselektronik vorgesehen, wobei die Leistungselektronik Frequenzumrichter zum Ansteuern der drehzahlvariablen Komponenten aufweist. Bei dem Steuermodul handelt es sich um eine Baueinheit, speziell eine kompakte Baueinheit, in der die Leistungselektronik integriert ist. The refrigeration circuit has an evaporator with a variable-speed fan, a variable-speed compressor, a condenser and an expansion valve/throttle element. The system also has a variable-speed pump for pumping and circulating a fluid, in particular coolant, which is carried in the further circuit during operation. This pump is arranged inside the system housing. The variable-speed components, namely the fan, compressor and pump, are in particular speed-controlled components. To control, in particular to regulate, the system and especially these components, a control module with power electronics is also provided, the power electronics having frequency converters for controlling the variable-speed components. The control module is a structural unit, specifically a compact structural unit, in which the power electronics are integrated.
Das Steuermodul ist bevorzugt als eine eigenständige Baueinheit beispielsweise innerhalb des Anlagengehäuses angeordnet oder am Anlagengehäuse befestigt. Diese Baueinheit weist insbesondere ein Modulgehäuse auf, in dem die Leistungselektronik sowie vorzugsweise weitere Steuer- und Regelelektronik untergebracht sind. The control module is preferably arranged as an independent structural unit, for example within the system housing or attached to the system housing. This structural unit in particular has a module housing in which the power electronics and preferably further control and regulation electronics are accommodated.
Die zuvor genannten Komponenten der Anlage sind vorzugsweise vorkonfiguriert für den Anschluss vor Ort z.B. an eine Verrohrung des weiteren Kreislaufs. The previously mentioned components of the system are preferably preconfigured for connection on site, for example to a piping of the further circuit.
Bei der Leistungselektronik selbst handelt es sich wiederum bevorzugt um ein als eine Baueinheit ausgebildetes Leistungsmodul, bei dem also die jeweiligen Frequenzumrichter mit entsprechenden elektronischen Leistungsschaltkreisen verwirklicht sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein derartiges Steuermodul, über welches der Betrieb einer solchen Anlage mit einem Kältekreis gesteuert werden kann und im Betrieb gesteuert wird. The power electronics itself is in turn preferably a power module designed as a structural unit, in which the respective frequency converters are implemented with corresponding electronic power circuits. According to the invention, the object is further achieved by such a control module, via which the operation of such a system with a refrigeration circuit can be controlled and is controlled during operation.
Das Steuermodul wird vorzugsweise jedoch auch für weitere Anlagen, insbesondere Kühlsysteme und Kühlanlage vorgesehen und dort eingesetzt, bei denen z.B. über das Steuermodul kein Kältekreis angesteuert wird und / oder die Anlage nicht zwingend einen Kältekreis aufweist. In diesem Fall weist das Steuermodul lediglich eine Leistungselektronik mit Frequenzumrichter für sonstige drehzahlvariable Komponenten wie beispielsweise Pumpen eines Kühlmittelkreises auf. However, the control module is preferably also intended and used for other systems, in particular cooling systems and cooling systems, in which, for example, no refrigeration circuit is controlled via the control module and / or the system does not necessarily have a refrigeration circuit. In this case, the control module only has power electronics with a frequency converter for other variable-speed components such as pumps in a coolant circuit.
Ein Beispiel für eine derartige weitere Anlage sind Kühlsysteme, bei denen ein verbraucherseitiger Kühlkreislauf mit einem primären Kreislauf zur Wärmeabfuhr gekoppelt ist. Bei dem primären Kreislauf kann es sich um einen normalen Wasserkreislauf, beispielswiese ein Hauswassernetz handeln oder alternativ um einen Kältekreislauf. Zwischen dem verbraucherseitigen Kühlkreislauf und dem primären Kreislauf findet häufig - bis auf den notwendigen Wärmetausch - eine Systemtrennung statt. Das Steuermodul steuert hierbei vorzugsweise das gesamte Kühlsystem / die gesamte Kühlanlage, speziell die darin verbauten Wärmetauscher, Umwälzpumpen, Temperaturegelkreise mit Mehr-Wege-Ventilen usw. An example of such a further system are cooling systems in which a consumer-side cooling circuit is coupled with a primary circuit for heat dissipation. The primary circuit can be a normal water circuit, for example a domestic water network, or alternatively a refrigeration circuit. There is often a system separation between the consumer-side cooling circuit and the primary circuit - apart from the necessary heat exchange. The control module preferably controls the entire cooling system/the entire cooling system, especially the heat exchangers, circulation pumps, temperature control circuits with multi-way valves, etc. installed in it.
Zusammenfassend ist die Erfindung daher nicht zwingend auf Anlagen mit einem Kältekreislauf beschränkt, sondern lässt sich auch auf eine zuvor beschriebene Kühlanlage anwenden, welche typischerweise u.A. einen Flüssigkeit / Flüssigkeit - Wärmetauscher und Pumpen sowie Ventile aufweist. In summary, the invention is therefore not necessarily limited to systems with a refrigeration circuit, but can also be applied to a previously described cooling system, which typically, among other things, has a liquid/liquid heat exchanger and pumps as well as valves.
Die nachfolgend im Hinblick auf die Anlage angeführten bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß gleichermaßen für das Steuermodul. The preferred refinements and advantages listed below with regard to the system apply equally to the control module.
Durch die Integration der für die drehzahlvariablen Komponenten erforderlichen Frequenzumrichter in eine gemeinsame einheitliche Baueinheit, insbesondere in das gemeinsame Leistungsmodul, entfällt die Notwendigkeit von mehreren individuellen Frequenzumrichtern als separate Baueinheiten für die verschiedenen drehzahlvariablen Komponenten. Durch diese Maßnahme können Kosten eingespart werden und zudem ist der Montageaufwand gering. By integrating the frequency converters required for the variable-speed components into a common, uniform structural unit, in particular into the common power module, the need for several individual frequency converters as separate structural units for the different ones is eliminated variable speed components. This measure can save costs and the assembly effort is also low.
Zur Ausbildung des als Baueinheit ausgebildeten Leistungsmoduls ist insbesondere vorgesehen, dass die erforderliche Leistungselektronik zur Ausbildung der Frequenzumrichter für die (sämtliche) drehzahlvariablen Komponenten auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet ist. To form the power module designed as a structural unit, it is provided in particular that the necessary power electronics for forming the frequency converters for the (all) variable-speed components are arranged on a common circuit board.
In zweckdienlicher Weiterbildung weist das Steuermodul eine integrierte Kühlplatte zur Kühlung der Leistungselektronik auf. Speziell ist das Leistungsmodul an bzw. auf der Kühlplatte angeordnet. Das Leistungsmodul insbesondere die Leiterplatte stehen mit der Kühlplatte in thermisch leitenden Kontakt. Insbesondere liegt die Leiterplatte bzw. das Leistungsmodul auf der Kühlplatte vollflächig auf. Hierdurch ist insgesamt eine besonders kompakte Bauweise mit hoher Effizienz erreicht. Durch die Integration der Leistungselektronik in einem gemeinsamen Leistungsmodul und zugleich der Kühlung über eine gemeinsame Kühlplatte auf geringem Bauraum ist eine zuverlässige Kühlung bei geringen Kosten erreicht ist. Bei einer geeigneten Kühlleistung können die Bauteile für die Leistungselektronik zudem klein und damit günstig ausgebildet sein. Die herkömmlich sonst erforderliche individuelle Kühlung der einzelnen Frequenzumrichter ist daher entfallen. In a useful further development, the control module has an integrated cooling plate for cooling the power electronics. The power module is specifically arranged on or on the cooling plate. The power module, in particular the circuit board, is in thermally conductive contact with the cooling plate. In particular, the circuit board or the power module rests over the entire surface of the cooling plate. This results in a particularly compact design with high efficiency. By integrating the power electronics in a common power module and at the same time cooling via a common cooling plate in a small installation space, reliable cooling is achieved at low costs. With a suitable cooling capacity, the components for the power electronics can also be small and therefore inexpensive. The individual cooling of the individual frequency converters that would otherwise be required is therefore no longer necessary.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kühlplatte von einem Kühlfluid durchflossen. Hierdurch wird eine hohe Kühlleistung erreicht. According to a preferred embodiment, a cooling fluid flows through the cooling plate. This achieves a high cooling performance.
Zweckdienlicherweise weist das Steuermodul hierzu Kühlfluidanschlüsse auf, über die dem Steuermodul im Betrieb ein Fluid der Anlage zugeführt wird, d.h. die Kühlfluidanschlüsse sind mit einer Fluidleitung der Anlage verbunden. Dies bedeutet, dass die Kühlleistung zur Kühlung des Steuermoduls unmittelbar direkt aus der Anlage selbst quasi als Abfallprodukt entnommen wird und somit kein zusätzliches Kühlaggregat, welches selbstständig Kälte erzeugt, erforderlich ist. For this purpose, the control module expediently has cooling fluid connections through which fluid from the system is supplied to the control module during operation, i.e. the cooling fluid connections are connected to a fluid line in the system. This means that the cooling capacity for cooling the control module is taken directly from the system itself, so to speak as a waste product, and therefore no additional cooling unit, which independently generates cold, is required.
Zweckdienlicherweise ist im Betrieb das Steuermodul über die Kühlfluidanschlüsse an dem weiteren Kreislauf, insbesondere an einen hydraulischen Teil des weiteren Kreislaufs innerhalb des Anlagengehäuses angeschlossen. Die Kühlplatte wird also insbesondere mithilfe des Kühlmittels des weiteren Kreislaufs (Kühlmittelkreislauf) gekühlt. During operation, the control module is expediently connected to the further circuit via the cooling fluid connections, in particular to a hydraulic part the further circuit is connected within the system housing. The cooling plate is therefore cooled in particular using the coolant of the further circuit (coolant circuit).
In bevorzugter Ausgestaltung wird das Kältemittel des Kältekreislaufs zur Kühlung herangezogen. Hierzu sind die Kühlfluidanschlüsse in geeigneter Weise an dem Kältekreislauf angeschlossen. In a preferred embodiment, the refrigerant of the refrigeration circuit is used for cooling. For this purpose, the cooling fluid connections are connected to the refrigeration circuit in a suitable manner.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Variante ist ein individueller Kühlkreislauf zur Kühlung der Kühlplatte vorgesehen ist, welcher über einen Wärmetauscher entweder mit dem weiteren Kreislauf oder auch mit dem Kältekreislauf zur Übertragung der erforderlichen Kühlleistung in Verbindung steht. According to a preferred further variant, an individual cooling circuit is provided for cooling the cooling plate, which is connected via a heat exchanger either to the further circuit or also to the cooling circuit for transmitting the required cooling capacity.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung oder auch ergänzend steht die Kühlplatte mit einer Komponente des Kältekreislaufs zu Kühlzwecken in thermisch leitenden Kontakt, insbesondere mit dem Verdampfer. Die Kühlplatte und damit das Steuermodul insgesamt sind daher unmittelbar an einer kalten Komponente des Kältemittelkreislaufs, speziell an dem Verdampfer angebracht. Hierzu liegt die Kühlplatte beispielsweise unmittelbar an einer kalten Außenseite der Komponenten, insbesondere des Verdampfers an. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um einen Plattenwärmetauscher. Bei dieser Ausgestaltung wird vorzugsweise auf eine zusätzliche Kühlung über ein Kühlfluid und damit auch auf die Kühlfluidanschlüsse verzichtet. According to an alternative embodiment or in addition, the cooling plate is in thermally conductive contact with a component of the refrigeration circuit for cooling purposes, in particular with the evaporator. The cooling plate and thus the control module as a whole are therefore attached directly to a cold component of the refrigerant circuit, specifically to the evaporator. For this purpose, the cooling plate lies, for example, directly on a cold outside of the components, in particular of the evaporator. This is preferably a plate heat exchanger. In this embodiment, additional cooling via a cooling fluid and thus also the cooling fluid connections are preferably dispensed with.
Alternativ wird die Kühlung über den direkten thermisch leitenden Kontakt mit der Komponente ergänzt um eine Kühlung über ein Kühlfluid über die Kühlfluidanschlüsse. Alternatively, the cooling via direct thermally conductive contact with the component is supplemented by cooling via a cooling fluid via the cooling fluid connections.
Bevorzugt wird die für das Steuermodul und speziell für das Leistungsmodul erforderliche Kühlleistung ausschließlich über die Kühlplatte bereitgestellt und auf weitere insbesondere aktive Kühlmaßnahmen zur Kühlung des Steuermoduls bzw. der Leistungselektronik, beispielsweise durch Lüfter ist verzichtet. In bevorzugter Weiterbildung weist das Steuermodul weiterhin ein Heizelement auf. Dieses ist bevorzugt zum Erwärmen des Kühlfluids ausgebildet, welches durch die Kühlplatte hindurchströmt. Durch diese Maßnahme wird im Betrieb bei Bedarf gezielt Wärme in das Fluid, insbesondere Kühlmittel, des weiteren Kreislaufs eingebracht. Hierdurch wird also insgesamt eine Kühlmitteltemperaturanhebung erreicht. Preferably, the cooling power required for the control module and especially for the power module is provided exclusively via the cooling plate and further, in particular active, cooling measures for cooling the control module or the power electronics, for example by fans, are dispensed with. In a preferred development, the control module also has a heating element. This is preferably designed to heat the cooling fluid which flows through the cooling plate. As a result of this measure, heat is specifically introduced into the fluid, in particular coolant, of the further circuit during operation if necessary. This results in an overall increase in the coolant temperature.
Alternativ oder ergänzend dient das Heizelement - insbesondere in der Ausgestaltung, bei der die Kühlplatte und / oder das Steuermodul unmittelbar am Verdampfer angebracht ist - zum Wärmeeintrag in den Verdampfer und damit ebenfalls mittelbar in das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs. Alternatively or additionally, the heating element - particularly in the embodiment in which the cooling plate and / or the control module is attached directly to the evaporator - serves to introduce heat into the evaporator and thus also indirectly into the coolant of the coolant circuit.
Diese Temperaturanhebung wird vorzugsweise derart gesteuert, dass die Bildung von Kondensat an einem Wärmetauscher, welcher durch das Kühlfluid durchflossen wird, zumindest reduziert oder vermieden wird. Hierzu berücksichtigt eine geeignete intelligente Steuerung der Kühlmitteltemperaturanhebung insbesondere die Umgebungstemperatur speziell an einem solchen Wärmetauscher, die Luftfeuchtigkeit und / oder die Temperatur des Kühlfluids. This temperature increase is preferably controlled in such a way that the formation of condensate on a heat exchanger through which the cooling fluid flows is at least reduced or avoided. For this purpose, a suitable intelligent control of the coolant temperature increase takes into account in particular the ambient temperature specifically at such a heat exchanger, the air humidity and / or the temperature of the cooling fluid.
Allgemein weist das Steuermodul einen Anschluss für einen Vorlauf und für einen Rücklauf des Kühlfluids auf. Durch das Heizelement wird im Betrieb vorzugsweise die Rücklauftemperatur angehoben, d. h. das Heizelement ist in Strömungsrichtung am Ende der oder nachfolgend zur Kühlplatte angeordnet. Durch diese Maßnahme kann bei Bedarf die Temperatur des Kühlfluids angehoben werden. In general, the control module has a connection for a flow and a return flow of the cooling fluid. The heating element preferably increases the return temperature during operation, i.e. H. the heating element is arranged in the flow direction at the end of or following the cooling plate. This measure allows the temperature of the cooling fluid to be raised if necessary.
Als Heizelement wird dabei insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung eingesetzt. In particular, an electrical resistance heater is used as the heating element.
Innerhalb des Steuermoduls ist hierzu bevorzugt ein Steuerkreis integriert, über den das Heizelement in Abhängigkeit von Sensorsignalen (z.B. Lufttemperatur, Kühlmitteltemperatur, Luftfeuchtigkeit... ) usw. angesteuert wird. In bevorzugter Weiterbildung ist weiterhin im Steuermoduls ein Übertemperatur- Schutz, speziell ein Übertemperatur-Sicherheitskreislauf implementiert. For this purpose, a control circuit is preferably integrated within the control module, via which the heating element is controlled depending on sensor signals (e.g. air temperature, coolant temperature, air humidity...), etc. In a preferred development, overtemperature protection, specifically an overtemperature safety circuit, is also implemented in the control module.
In zweckdienlicher Ausgestaltung weist das Steuermodul weiterhin Anschlüsse für Datensignale von oder für Sensoren und Aktoren der Anlage auf. Speziell weist das Steuermodul Anschlüsse für alle Sensoren und Aktoren der Anlage auf. In an expedient embodiment, the control module also has connections for data signals from or for sensors and actuators of the system. The control module specifically has connections for all sensors and actuators in the system.
Insgesamt ist das Steuermodul in bevorzugter Ausgestaltung für die komplette Steuerung der Anlage ausgelegt und ausgebildet. Auf weitere Steuerkomponenten, die beispielsweise zusätzlich in einen Schaltschrank angeordnet sein müssten, wird vorzugsweise verzichtet. Neben der Ansteuerung der Leistungskomponenten wie Pumpen, Verdichter und Ventilatoren sind auch sämtliche Regelungen und Steuerungen, die für den Betrieb der Anlage erforderlich sind, im Steuermodul integriert. Dies betrifft insbesondere auch die Steuerung von Ventilen, z.B. eines (elektronischen) Expansionsventils und / oder ein sonstiges Mehrwege-Ventil des Kältekreislaufs. Overall, the control module is designed and designed in a preferred embodiment for the complete control of the system. Further control components, which would have to be additionally arranged in a control cabinet, for example, are preferably dispensed with. In addition to controlling the performance components such as pumps, compressors and fans, all regulations and controls required for the operation of the system are also integrated in the control module. This particularly applies to the control of valves, e.g. an (electronic) expansion valve and/or another multi-way valve in the refrigeration circuit.
Speziell sind vorzugsweise auch Funktionen wie eine Phasenüberwachung und / oder ein Schaltnetzteil integriert, über das die elektrische Leistung für die Anlage geschalten wird. Die Anlage wird dabei insbesondere über einen mehrphasigen (dreiphasigen) Anschluss mit elektrischer Leistung versorgt. Die Versorgungsspannung liegt bei mehreren 100 Volt, z.B. bei 400 Volt. In particular, functions such as phase monitoring and/or a switching power supply are preferably integrated, via which the electrical power for the system is switched. The system is supplied with electrical power in particular via a multi-phase (three-phase) connection. The supply voltage is several hundred volts, e.g. 400 volts.
Die Steuerung ist insbesondere im Hinblick auf eine möglichst hohe Energieeffizienz optimiert. Durch die integrale Ausbildung durch das Steuermodul wird dies unterstützt. The control is optimized in particular with regard to the highest possible energy efficiency. This is supported by the integral training provided by the control module.
Insbesondere handelt sich daher bei dem Steuermodul um ein integriertes Steuermoduls für die gesamte Anlage, welches insbesondere innerhalb eines kompakten Modulgehäuses angeordnet ist. In particular, the control module is therefore an integrated control module for the entire system, which is arranged in particular within a compact module housing.
Bevorzugt weist das Steuermodul und damit das Modulgehäuse eine Größe im Bereich von (250mm bis 400mm) Länge * (100mm bis 200mm) Breite * (100mm bis 200mm) Höhe auf, und speziell eine Größe von 320mm *150mm*150mm (+/- 20% pro Dimension). The control module and thus the module housing preferably has a size in the range of (250mm to 400mm) length * (100mm to 200mm) width * (100mm up to 200mm) height, and specifically a size of 320mm *150mm*150mm (+/- 20% per dimension).
Das Steuermodul weist bevorzugt außen am Modulgehäuse Anschlüsse für den elektrischen und bei Bedarf den hydraulischen Anschluss auf. Anders als bei Schaltschränken ist das Modulgehäuse üblicherweise verschlossen, insbesondere sind die einzelnen Gehäuseteile miteinander beispielsweise über Schrauben verbunden und ein Innenraum ist nicht - beispielsweise durch Türen oder sonstige verschließbare Öffnungen zugänglich. Außen weist das Modulgehäuse die erforderlichen elektrischen und ggf. hydraulischen Anschlüsse auf. The control module preferably has connections for the electrical and, if necessary, the hydraulic connection on the outside of the module housing. Unlike control cabinets, the module housing is usually closed, in particular the individual housing parts are connected to one another, for example via screws, and an interior is not accessible - for example through doors or other lockable openings. On the outside, the module housing has the necessary electrical and, if necessary, hydraulic connections.
Die Anlage ist in bevorzugter Ausgestaltung allgemein für eine thermische Leistung, insbesondere Kühlleistung von größer 10kW, insbesondere von größer 50kW und speziell von größer 100kW oder auch größer 500kW ausgelegt. Die thermische Leistung liegt beispielsweise im Bereich bis 1000kW. In a preferred embodiment, the system is generally designed for a thermal power, in particular cooling power, of greater than 10kW, in particular greater than 50kW and especially greater than 100kW or even greater than 500kW. The thermal output is, for example, in the range of up to 1000kW.
Zweckdienlicherweise wird allgemein auf einen sonst bei derartigen Anlagen üblichen Schaltschrank verzichtet. Bei einem solchen Schaltschrank sind typischerweise herkömmlich Schaltgeräte und/oder Steuergeräte sowie bei Bedarf auch Kommunikationsmodule typischerweise auf Hutschienen ausgerastet. It is expedient to generally dispense with a control cabinet that is otherwise common in such systems. In such a control cabinet, conventional switching devices and/or control devices and, if necessary, communication modules are typically snapped onto top-hat rails.
Im Sinne einer möglichst integrierten Ausgestaltung des Steuermoduls weist das Steuermodul weiterhin eine Kommunikationsschnittstelle für Datensignale einer Eingabeeinheit (Userschnittstelle), alternativ oder ergänzend für eine Fernwar- tungsschnittstelle oder auch für eine Kommunikation mit weiteren Anlagen auf. In order to make the control module as integrated as possible, the control module also has a communication interface for data signals from an input unit (user interface), alternatively or additionally for a remote maintenance interface or for communication with other systems.
Allgemein ist das Steuermodul zur Bearbeitung der Datensignale ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass zum einen eingehende Datensignale, beispielsweise Sensorsignale, Signale der Aktoren oder auch die erwähnten Kommunikationssignale empfangen, verarbeitet und in entsprechende weitere Signale verarbeitet werden. Gleichzeitig ist das Steuermoduls auch zur Ausgabe von derartig bearbeiteten oder sonstigen Kommunikations- und Steuersignalen ausgebildet, um in geeigneter Weise die Anlage anzusteuern und/oder mit externen Einheiten, wie beispielsweise eine User-Schnittstelle, einer Fernwartung oder auch mit weiteren Geräten Daten auszutauschen. In general, the control module is designed to process the data signals. This means that, on the one hand, incoming data signals, for example sensor signals, signals from the actuators or the communication signals mentioned are received, processed and converted into corresponding further signals. At the same time, the control module is also designed to output communication and control signals processed in this way or other in order to appropriately control the system and/or with external units, such as For example, a user interface, remote maintenance or exchanging data with other devices.
Hierzu ist zweckdienlicherweise zumindest eine weitere Leiterplatte vorgesehen, auf der entsprechende Schaltungen und Schaltkreise angeordnet sind zur Verarbeitung der Datensignale. Speziell weist das Steuermodul daher neben dem Leistungsmodul zumindest ein weiteres Modul auf, welches eine entsprechende Leiterplatte mit darauf integrierten Schalt- und Elektronikelementen aufweist. For this purpose, at least one further circuit board is expediently provided, on which corresponding circuits and circuits are arranged for processing the data signals. In particular, the control module therefore has, in addition to the power module, at least one further module, which has a corresponding circuit board with switching and electronic elements integrated thereon.
Durch diese umfassende Integration sämtlicher oder zumindest weitgehend sämtlicher Komponenten, die für die Steuerung des Betriebs der Anlage erforderlich sind, ist der Verdrahtungsaufwand insgesamt sehr gering gehalten, wodurch die Montage sehr einfach ist. Due to this comprehensive integration of all or at least largely all of the components that are required to control the operation of the system, the overall wiring effort is kept very low, which makes assembly very simple.
In zweckdienlicher Weiterbildung sind im Steuermodul insbesondere ein oder mehrere und vorzugsweise alle der nachfolgenden Komponenten integriert: In an appropriate further development, one or more and preferably all of the following components are integrated in the control module:
Bevorzugt ist eine Phasenüberwachung integriert, über die die Anlage im Hinblick auf Phasenverlust, Phasenungleichheit und Phasenumkehr geschützt ist. Auf ein separates Phasenüberwachung ist bevorzugt verzichtet. Phase monitoring is preferably integrated, through which the system is protected with regard to phase loss, phase inequality and phase reversal. Separate phase monitoring is preferably dispensed with.
Bevorzugt ist im Steuermodul weiterhin ein Schaltnetzteil integriert, über das die erforderliche Spannungsversorgung für die Komponenten der Anlage, insbesondere für sämtliche Komponenten der Anlage erfolgt. Dies bedeutet, dass die einzelnen Komponenten der Anlage, speziell die drehzahlvariablen Komponenten über das Steuermodul mit der erforderlichen elektrischen Leistung versorgt und insbesondere auch mit einer geeigneten Ansteuerspannung angesteuert werden. A switching power supply is preferably also integrated in the control module, via which the required voltage supply for the components of the system, in particular for all components of the system, is provided. This means that the individual components of the system, especially the variable-speed components, are supplied with the required electrical power via the control module and, in particular, are also controlled with a suitable control voltage.
In bevorzugter Ausbildung ist im Steuermodul weiterhin eine Ventilsteuerung für zumindest ein und vorzugsweise auch mehrere und insbesondere alle motorisch antreibbare Ventile der Anlage integriert. Auch hier ist wiederum auf sonstige externe Ventilsteuerungen verzichtet. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise vereinfachten Darstellungen: In a preferred embodiment, a valve control for at least one and preferably several and in particular all motor-driven valves of the system is also integrated in the control module. Here, too, there is no need for any other external valve controls. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. These show partially simplified representations:
FIG 1 eine perspektivische Darstellung einer Kälteanlage, 1 shows a perspective view of a refrigeration system,
FIG 2 ein vereinfachtes Schaubild einer Anlage, 2 shows a simplified diagram of a system,
FIG 3 eine perspektivische Darstellung eines Steuermoduls, 3 shows a perspective view of a control module,
FIG 4 eine weitere Variante eines Steuermoduls in einer Explosionsdarstellung, FIG 5 eine stark vereinfachte, ausschnittsweise Blockbild-Darstellung einer Anlage sowie 4 shows a further variant of a control module in an exploded view, FIG. 5 shows a greatly simplified, partial block diagram representation of a system and
FIG 6 eine beispielhafte Blockbild-Darstellung insbesondere des Steuermoduls. 6 shows an exemplary block diagram representation, in particular of the control module.
Figur 1 sowie Figur 2 zeigen jeweils eine Anlage 2, insbesondere eine Kälteanlage, an der im Betrieb ein Kühlmittelkreislauf 4 als weiterer Kreislauf angeschlossen ist. Dieser ist lediglich in Figur 2, nicht jedoch in Figur 1 dargestellt. Die Anlage 2 weist ein Anlagengehäuse 6 auf, welches typischerweise ein Gestell aus Profilschienen aufweist und dessen Seitenwände mit Blechen verkleidet ist. Das Anlagengehäuse 6 nimmt Komponenten eines Kältekreislaufs 8 auf. Dies sind insbesondere zumindest ein Wärmetauscher, im Ausführungsbeispiel als Kälteanlage ein Verdampfer 10, ein drehzahlvariabler Verdichter 12 sowie insbesondere ein als elektronisch angesteuertes Expansionsventil 14 ausgebildetes Drosselorgan. Weiterhin ist innerhalb des Anlagengehäuses 6 noch ein zweiter Wärmetauscher angeordnet, welcher im Ausführungsbeispiel als Kältemittelanlage als ein Kondensator 16 ausgebildet ist. Diesem Kondensator 16 ist zur Abfuhr der Wärme an die Umgebung zumindest ein und sind im Ausführungsbeispiel zwei als Lüfter ausgebildete Ventilatoren 18 zugeordnet. Auch diese sind drehzahlgesteuert. Figure 1 and Figure 2 each show a system 2, in particular a refrigeration system, to which a coolant circuit 4 is connected as a further circuit during operation. This is only shown in Figure 2, but not in Figure 1. The system 2 has a system housing 6, which typically has a frame made of profile rails and the side walls of which are covered with metal sheets. The system housing 6 accommodates components of a refrigeration circuit 8. These are in particular at least one heat exchanger, in the exemplary embodiment as a refrigeration system an evaporator 10, a variable-speed compressor 12 and in particular a throttle element designed as an electronically controlled expansion valve 14. Furthermore, a second heat exchanger is arranged within the system housing 6, which in the exemplary embodiment is designed as a refrigerant system as a capacitor 16. This capacitor 16 is assigned at least one fan and, in the exemplary embodiment, two fans 18 designed as fans to dissipate the heat to the environment. These are also speed controlled.
Innerhalb des Anlagengehäuses 6 sind bereits auch einige hydraulische Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 4 angeordnet. Dies betrifft insbesondere eine Kühlmittel-Pumpe 24. Die innerhalb des Anlagengehäuses 6 verbauten Hydraulik- Komponenten des Kühlmittelkreislaufes 4 sind über hydraulische Schnittstellen und hydraulische Kupplungen, die am Anlagengehäuse 6 angeordnet sind, mit dem restlichen Kühlmittelkreislauf 4 im angeschlossenen Zustand verbunden. Der Kühlmittelkreislauf 4 ist über den Verdampfer 10 geführt, sodass Kälte vom Kältekreislauf 8 auf den Kühlmittelkreislauf 4 übertragen wird. Der Kühlmittelkreislauf 4 weist einen weiteren Wärmetauscher 26 auf, der die Kälte verbraucherseitig abgibt, beispielsweise an eine Kühltheke. Some hydraulic components of the coolant circuit 4 are already arranged within the system housing 6. This applies in particular to a coolant pump 24. The hydraulic components of the coolant circuit 4 installed within the system housing 6 are connected to the remaining coolant circuit 4 in the connected state via hydraulic interfaces and hydraulic couplings which are arranged on the system housing 6. The coolant circuit 4 is routed via the evaporator 10, so that cold comes from Refrigeration circuit 8 is transferred to the coolant circuit 4. The coolant circuit 4 has a further heat exchanger 26, which releases the cold on the consumer side, for example to a refrigerated counter.
In der Figur 1 sind einige Komponenten, nämlich die Ventilatoren 18, der Verdichter 12, die Kühlmittel-Pumpe 24 sowie das Expansionsventil 14 nach Art einer Explosionsdarstellung außerhalb des Anlagengehäuses 6 dargestellt. In Figure 1, some components, namely the fans 18, the compressor 12, the coolant pump 24 and the expansion valve 14 are shown outside the system housing 6 in the manner of an exploded view.
Unmittelbar am Anlagengehäuse 6 ist im Ausführungsbeispiel an einer Seitenwand ein Steuermodul 22 angebracht, welches vorzugsweise sämtliche Funktionen der gesamten Anlage 2 steuert. Alternativ zur Anbringung außen an einer Seitenwand kann Steuermodul 22 auch innerhalb des Anlagengehäuses 6 an einer geeigneten Stelle angeordnet sein. In the exemplary embodiment, a control module 22 is attached directly to the system housing 6 on a side wall, which preferably controls all functions of the entire system 2. As an alternative to mounting on the outside of a side wall, control module 22 can also be arranged inside the system housing 6 at a suitable location.
Bei der Anlage 2 handelt es sich insbesondere um eine Kälteanlage mit einer Kälteleistung vorzugsweise von mehr als 10 kW, insbesondere mehr als 50 kW, weiter vorzugsweise mehr als 100 kW bis hin zu 1000 kW Kälteleistung. Alternativ kann es sich auch um eine Wärmepumpe mit einer entsprechenden Heizleistung in der gleichen Größenordnung handeln. The system 2 is in particular a refrigeration system with a cooling capacity of preferably more than 10 kW, in particular more than 50 kW, more preferably more than 100 kW up to 1000 kW of cooling capacity. Alternatively, it can also be a heat pump with a corresponding heating output of the same magnitude.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist die Drehzahlregelung einiger Hauptkomponenten der Anlage 2. Das sind insbesondere der Verdichter 12, die zumindest eine Kühlmittel-Pumpe 24 oder weitere Pumpen und die Ventilatoren 18. An important aspect is the speed control of some of the main components of the system 2. These are in particular the compressor 12, the at least one coolant pump 24 or further pumps and the fans 18.
Herkömmlich werden diese Komponenten jeweils mit einem eigenen Drehzahlregler geregelt, d.h. im Verdichter oder auch in der Pumpe ist beispielswiese ein Drehzahlregler verbaut. Herkömmliche Ventilatoren sind eine Kombination aus EC Technik und Drehzahlregelung. Die Drehzahlregler sind daher herkömmlich einzeln verbaut. Für die Drehzahlregler werden Frequenzumrichter eingesetzt. Die Elektrokomponenten des Drehzahlreglers werden herkömmlich luftgekühlt. Die Leistungselektroniken sind damit in ihren Anwendungs- und Umgebungstemperaturen stark limitiert, häufig haben die Verdichter - Frequenzumrichter eine Begrenzung bei 45°C Umgebungstemperatur. Des Weiteren werden Stand heute die Einzelkomponenten im Elektroschaltschrank separat elektrisch abgesichert, z.B. mit Motorschutzschaltern. Das führt zu Schaltkästen in einer größeren Dimension. Traditionally, these components are each controlled with their own speed controller, which means, for example, a speed controller is installed in the compressor or in the pump. Conventional fans are a combination of EC technology and speed control. The speed controllers are therefore conventionally installed individually. Frequency converters are used for the speed controllers. The electrical components of the speed controller are conventionally air-cooled. The power electronics are therefore very limited in their application and ambient temperatures; the compressor frequency converters often have a limit of 45°C ambient temperature. Furthermore, as of today, the individual components in the electrical control cabinet are separately electrically protected, for example with motor protection switches. This leads to switch boxes of a larger dimension.
Mit der vorliegenden Anlage 2 wird zunächst als ein erster Aspekt eine höhere Energieeffizienz angestrebt. In der EU werden Kühlanlagen zur Kühlung von z.B. industriellen Prozessen allmählich auf der Grundlage ihrer Energieeffizienz (Kühlleistung im Vergleich zur elektrischen Leistungsaufnahme) reguliert. Die herkömmliche Methode zur präzisen Regelung der Austrittstemperatur in Prozesskühlem ist die Umleitung von Heißgas vom Verdichterauslass zum Einlass des Verdampfers mit einem motorisierten Heißgas-Bypassventil. Diese Technik regelt die Kältemittelmenge, die durch den Verflüssiger strömt, um die Kälteleistung zu steuern. Das Problem bei dieser Technik ist, dass der Verdichter ständig mit voller Leistung läuft und Arbeit verrichtet, um den Kältemitteldampf zu verdichten, obwohl er nicht vollständig zur Kühlung verwendet wird. Der derzeitige Stand der Technik für eine präzise Temperaturregelung in Prozesskühlern ist der Einsatz von bürstenlosen Gleichstromverdichtern mit variabler Drehzahl. Der Vorteil des Einsatzes von Verdichtern mit variabler Drehzahl besteht darin, dass die Verdichterdrehzahl moduliert werden kann, um die genaue Menge des Kältemittelmassenstroms durch das Kältesystem zu regulieren, die für die angewandte Wärmelast benötigt wird. Bei diesem System ist kein Heißgas-Bypass-Ventil erforderlich, und der Verdichter leistet nur die für die Wärmelast erforderliche Mindestmenge an Arbeit. Bei der hier vorgestellten Anlage ist daher auch auf eine derartige Heißgas-Bypass-Lei- tung verzichtet. With this appendix 2, the first aspect aimed at is higher energy efficiency. In the EU, cooling systems for cooling industrial processes, for example, are gradually being regulated based on their energy efficiency (cooling capacity compared to electrical power consumption). The traditional method for precisely controlling the outlet temperature in process chillers is to divert hot gas from the compressor outlet to the evaporator inlet with a motorized hot gas bypass valve. This technique regulates the amount of refrigerant flowing through the condenser to control refrigeration capacity. The problem with this technique is that the compressor is constantly running at full power, doing work to compress the refrigerant vapor, even though it is not fully used for cooling. The current state of the art for precise temperature control in process chillers is the use of variable speed brushless DC compressors. The advantage of using variable speed compressors is that the compressor speed can be modulated to regulate the precise amount of refrigerant mass flow through the refrigeration system required for the applied heat load. This system does not require a hot gas bypass valve and the compressor only performs the minimum amount of work required for the heat load. The system presented here therefore does not require such a hot gas bypass line.
Zusätzlich zu den drehzahlgeregelten Verdichtern verwenden moderne Anlagen auch drehzahlgeregelte Ventilatoren, so dass die Lüfter genau die Luftmenge fördern, die zur Aufrechterhaltung des gewünschten Verdichterdruckes erforderlich ist, aber nicht weniger. Das dritte Element, das die Energieeffizienz von Prozesskältemaschinen beeinflusst, ist die Kühlmittel-Pumpe 24. In den meisten Fällen kennt der Konstrukteur der Anlage nicht den genauen Druckabfall, der bei der Kälteanlage auftreten wird. Daher werden Kälteanlagen 2 oft mit überdimensionierten Kühlmittel-Pumpen 24 konstruiert, die ein serielles Drossel- oder Bypass-Ventil verwenden, um die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Prozess zu steuern. Jedes Mal, wenn ein Ventil verwendet wird, um den Durchfluss einer Pumpe zu regeln, bedeutet dies, dass die Pumpe unnötige Arbeit leistet, die durch den Druckabfall über das Ventil in Wärme umgewandelt wird. Diese zusätzliche Wärme wird vom Kühlmittel absorbiert und muss vom Kältesystem abgeführt werden. Die modernste Lösung zur Steuerung des Kühlmitteldurchflusses besteht darin, die Kühlmittel-Pumpe 24 mit einem Antrieb mit variabler Frequenz zu betreiben, so dass die Pumpendrehzahl so eingestellt werden kann, dass sie genau den für die Anwendung erforderlichen Kühlmitteldurchfluss liefert. In addition to speed-controlled compressors, modern systems also use speed-controlled fans so that the fans deliver exactly the amount of air required to maintain the desired compressor pressure, but not less. The third element that influences the energy efficiency of process refrigeration machines is the coolant pump 24. In most cases, the system designer does not know the exact pressure drop that will occur in the refrigeration system. Therefore, refrigeration systems 2 are often oversized Coolant pumps 24 are designed that use a serial throttle or bypass valve to control the flow rate of coolant through the process. Any time a valve is used to regulate the flow of a pump, it means the pump is doing unnecessary work that is converted to heat by the pressure drop across the valve. This additional heat is absorbed by the coolant and must be dissipated by the refrigeration system. The most modern solution to controlling coolant flow is to operate the coolant pump 24 with a variable frequency drive so that the pump speed can be adjusted to provide the exact coolant flow required for the application.
Das Problem beim Bau von Kältemaschinen mit drehzahlgeregelten Kühlmittel- Pumpen 24, Ventilatoren 18 und Verdichtern besteht darin, dass für jedes Gerät ein Frequenzumrichter erforderlich ist, um die Drehzahl des Geräts zu steuern. Diese Frequenzumrichter sind in der Regel recht teuer und machen in der Regel 50-100% des Preises der Komponenten aus, die sie antreiben sollen. The problem with building chillers with variable speed coolant pumps 24, fans 18 and compressors is that each device requires a frequency converter to control the speed of the device. These frequency converters tend to be quite expensive, typically accounting for 50-100% of the price of the components they are intended to drive.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung des Produktportfolios. Die von einem Hersteller bereitgestellten Kälteanlagen 2 werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von der medizinischen Bildge- bung über das Laserschneiden bis hin zur Halbleiterherstellung reichen. Jede Anwendung stellt besondere Anforderungen an die Wärmebelastung, die Umgebungstemperatur, die Kühlmitteltemperatur, den Kühlmittelzufuhrdruck, den Kühlmitteldurchsatz, die Kommunikation mit der Kundenanlage usw. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Kombinationen von Kundenanforderungen wird es sehr schwierig, die Komplexität des Produktportfolios, den Komponentenbestand und die Herstellungskosten zu verwalten. Die Variabilität macht es auch sehr schwierig, die Skalierung der Produktionskapazität zu steuern. A second aspect of the present invention is the simplification of the product portfolio. The refrigeration systems 2 provided by a manufacturer are used in a variety of applications ranging from medical imaging to laser cutting to semiconductor manufacturing. Each application has unique requirements for heat load, ambient temperature, coolant temperature, coolant supply pressure, coolant flow rate, communication with customer facility, etc. Due to the almost unlimited combinations of customer requirements, it becomes very difficult to control the complexity of the product portfolio, component inventory and manufacturing costs manage. The variability also makes it very difficult to control the scaling of production capacity.
Die Implementierung von drehzahlvariabler Technologie in die Anlage 2 vereinfacht das Portfolio sofort, da jede spezifische Anlagenkonfiguration für eine viel breitere Palette von Anwendungen eingesetzt werden kann. Wenn beispielsweise die Prozesspumpe mit einem Frequenzumrichter ausgestattet wird, kann eine Pumpe einen breiten Bereich von Durchfluss- und Druckanforderungen abdecken, da die Pumpendrehzahl entsprechend den spezifischen Anforderungen variiert werden kann. Ebenso ermöglicht die Umstellung auf drehzahlvariable Verdichter 12, dass ein einziger Verdichter 12 eine breite Palette von Prozesswärmelasten abdecken kann. Durch den Einsatz drehzahlvariabler Ventilatoren 18 kann eine einzige Kältemaschine in einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen betrieben werden. The implementation of variable speed technology in Plant 2 immediately simplifies the portfolio as each specific plant configuration can be used for a much broader range of applications. For example, if the process pump is equipped with a frequency converter, one can Pump cover a wide range of flow and pressure requirements as the pump speed can be varied according to specific requirements. Likewise, the switch to variable speed compressors 12 allows a single compressor 12 to cover a wide range of process heat loads. By using variable speed fans 18, a single refrigeration machine can be operated in a wide range of environmental conditions.
Ein dritter Aspekt für die Erfindung ist die Wartungsfreundlichkeit. Üblicherweise wird von dem Hersteller solcher Anlagen 2 ein Serviceunterstützung für weltweit installierte Anlagen 2 bereitgestellt. Diese Anlagen 2 sind recht technische Geräte, deren Diagnose und Reparatur im Falle einer Störung schwierig sein kann. Außerdem unterstützen diese Anlagen 2 in der Regel prozesskritische Anlagen. Die Möglichkeit, eine Technologie zur Fernüberwachung der Anlage 2 und zur vorausschauenden Wartung in die Anlage zu integrieren, ist daher für den Kunden von großem Wert. Diese Technologie ist recht teuer in der Integration. Außerdem stellt sie eine große Herausforderung für die Konnektivität dar, da viele Kunden aus Sicherheitsgründen keine Geräte von Drittanbietern in ihren IT-Netzwerken unterstützen. Die drahtlose und zellulare Konnektivität ist ebenfalls problematisch, da die Protokolle regelmäßig aktualisiert werden und die typische Lebensdauer einer Anlage 2 etwa 10-15 Jahre beträgt. A third aspect for the invention is ease of maintenance. The manufacturer of such systems 2 usually provides service support for systems 2 installed worldwide. These systems 2 are quite technical devices that can be difficult to diagnose and repair in the event of a malfunction. In addition, these systems 2 usually support process-critical systems. The possibility of integrating technology for remote monitoring of system 2 and predictive maintenance into the system is therefore of great value for the customer. This technology is quite expensive to integrate. It also poses a major connectivity challenge as many customers do not support third-party devices on their IT networks for security reasons. Wireless and cellular connectivity is also problematic as protocols are updated regularly and the typical lifespan of a Plant 2 is around 10-15 years.
Der vierte Aspekt für die Erfindung ist die Kostenreduzierung. Der größte Einzelposten bei den Kosten der heute hergestellten Kältemaschinen ist das Material und der Arbeitsaufwand für das Steuerungssystem. Aufgrund der Konstruktionsvariabilität verwenden die meisten der heute hergestellten Anlagen 2 einen herkömmlichen Industrieschaltschrank mit elektrischen Komponenten für die DIN- Schienenmontage (d. h. Schutzschalter, Schütze, Relais usw.) und eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) zur Steuerung der Anlage. Diese Konstruktionsmethode bietet ein hohes Maß an Flexibilität, aber die Komponenten sind teuer und die Montage des Schaltschranks ist sehr zeitaufwendig und erfordert hochqualifizierte Arbeitskräfte. Um diese Probleme zu lösen ist das nachfolgend näher beschriebene integrierte Steuermodul 22 angeordnet. Das Steuermodul 22 integriert die Funktionen der Frequenzumrichter 38 (vgl. FIG 6) für Verdichter 12, Kühlmittel-Pumpe 24 und Ventilator 18 und unterstützt alle Sensor- und Aktor-Ein- und Ausgänge sowie auch die Kommunikation und die Fernanbindung für z.B. eine remote-Überwa- chung bzw. Wartung der Anlage 2. The fourth aspect for the invention is cost reduction. The largest single item in the cost of chillers manufactured today is the materials and labor required for the control system. Due to design variability, most of the systems manufactured today 2 use a traditional industrial control cabinet with DIN rail mounted electrical components (i.e. circuit breakers, contactors, relays, etc.) and a PLC (Programmable Logic Controller) to control the system. This construction method offers a high degree of flexibility, but the components are expensive and assembly of the control cabinet is very time-consuming and requires highly skilled labor. In order to solve these problems, the integrated control module 22, described in more detail below, is arranged. The control module 22 integrates the functions of the frequency converter 38 (see FIG. 6) for compressor 12, coolant pump 24 and fan 18 and supports all sensor and actuator inputs and outputs as well as communication and remote connection for, for example, a remote Monitoring and maintenance of system 2.
Der gerätetechnische Aufbau des Steuermoduls 22 in zwei unterschiedlichen Varianten ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. The device design of the control module 22 in two different variants is shown in Figures 3 and 4.
Das Steuermodul 22 weist jeweils ein Modulgehäuse 28 auf, welches eine Vielzahl von Anschlüssen aufweist. So sind zum einen elektrische Anschlüsse 30 speziell zur Leistungsversorgung sowie zumindest ein Daten-Anschluss 32 zum Anschließen von Daten- und Kommunikationsleitungen vorgesehen. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel zwei Kühlfluidanschlüsse 34 angeordnet, über die ein Kühlfluid durch eine Kühlplatte 36 hindurchgeführt werden kann. Das Modulgehäuse 28 ist insbesondere ein mehrteiliges Gehäuse, welches ein Oberteil und ein Unterteil aufweist, wobei die beiden Teile im verbundenen Zustand ein geschlossenes Gehäuse bilden. The control module 22 each has a module housing 28, which has a large number of connections. On the one hand, electrical connections 30 are provided specifically for power supply and at least one data connection 32 for connecting data and communication lines. Furthermore, in the exemplary embodiment, two cooling fluid connections 34 are arranged, via which a cooling fluid can be passed through a cooling plate 36. The module housing 28 is in particular a multi-part housing which has an upper part and a lower part, the two parts forming a closed housing when connected.
Innerhalb des Gehäuses 28 ist die Leistungselektronik integriert, welche insbesondere die für die Drehzahl-Steuerung der verschiedenen Komponenten erforderlichen Frequenzumrichter 38 (vergleiche hierzu Figur 5) als geeignete Schaltungsbauteile der Leistungselektronik aufweist. Hierzu ist insbesondere eine Leiterplatte 40 ausgebildet, auf der die Leistungselektronik angebracht ist. Die Leiterplatte 40 mit der darauf angebrachten Elektronik bildet insofern ein integriertes Leistungsmodul 41. The power electronics are integrated within the housing 28, which in particular have the frequency converters 38 required for the speed control of the various components (see FIG. 5) as suitable circuit components of the power electronics. For this purpose, in particular a circuit board 40 is formed, on which the power electronics are mounted. The circuit board 40 with the electronics mounted thereon forms an integrated power module 41.
Ein Teilbereich der Leiterplatte 40 oder auch eine weitere Leiterplatte 40 ist für die Verarbeitung der Datensignale ausgebildet und weist insbesondere ein Steckerteil 42 auf, an das ein Datenstecker einer Datenleitung eingesteckt werden kann. Wie anhand der Explosionsdarstellung gemäß der Figur 4 zu erkennen ist, ist für die Strom-Leistungsverteilung eine Stromschiene 44 angeordnet, die mit den elektrischen Anschlüssen 30 verbunden ist. Weiterhin ist in Figur 4 noch ein Gleichspannungsteil 45 dargestellt, welches zur Versorgung insbesondere der Komponenten zur Daten- und Signalverarbeitung eine geeignete Gleichspannung zur Verfügung stellt. A portion of the circuit board 40 or a further circuit board 40 is designed for processing the data signals and in particular has a plug part 42 into which a data plug of a data line can be inserted. As can be seen from the exploded view according to FIG. 4, a busbar 44 is arranged for the current-power distribution and is connected to the electrical connections 30. Furthermore, a direct voltage part 45 is shown in FIG. 4, which provides a suitable direct voltage for supplying the components for data and signal processing in particular.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Frequenzumrichter, die große Kühlkörper und Lüfter verwenden, um Wärme von der Leistungselektronik abzuleiten, ist dieses Steuermodul 22 so konzipiert, dass es die gesamte von der Leistungselektronik erzeugte Wärme auf die Kühlplatte 36 leitet, so dass die Wärme über diese abgeleitet wird. Unlike traditional frequency converters that use large heat sinks and fans to dissipate heat from the power electronics, this control module 22 is designed to direct all heat generated by the power electronics to the cooling plate 36 so that the heat is dissipated via it .
Diese Kühlplatte 36 wird gemäß einer bevorzugten Variante gekühlt, indem ein gekühltes Kühlfluid aus der Anlage 2 durch die Kühlplatte 36 zirkuliert. Bei dem Kühlfluid handelt sich wahlweise um das Kältemittel des Kältekreislaufs 8, um das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 4 oder auch um ein Kühlmittel eines eigenständigen Kreislaufes, an dem die Kühlplatte 36 angeschlossen ist. Die Kühlfluidanschlüsse 34 sind dabei in geeigneter Weise an den jeweiligen Kreislauf angeschlossen. This cooling plate 36 is cooled according to a preferred variant by circulating a cooled cooling fluid from the system 2 through the cooling plate 36. The cooling fluid is either the coolant of the refrigeration circuit 8, the coolant of the coolant circuit 4 or also a coolant of an independent circuit to which the cooling plate 36 is connected. The cooling fluid connections 34 are connected to the respective circuit in a suitable manner.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung oder auch ergänzend ist die Kühlplatte 36 direkt am Verdampfer 10 oder einer sonstigen geeigneten Komponente des Kältekreislauf 8 angeschlossen. According to an alternative embodiment or in addition, the cooling plate 36 is connected directly to the evaporator 10 or another suitable component of the refrigeration circuit 8.
Für eine effektive Kühlung ist die Leistungselektronik und insbesondere die Leiterplatte 40 in möglichst direktem thermisch leitenden Kontakt mit der Kühlplatte 36. Beispielsweise liegt die Leiterplatte 40 mit ihrer Unterseite auf einer Flachseite der Kühlplatte 36 auf und ist beispielsweise auf dieser aufgeklebt oder in sonstiger Weise befestigt. For effective cooling, the power electronics and in particular the circuit board 40 are in direct, thermally conductive contact with the cooling plate 36. For example, the underside of the circuit board 40 rests on a flat side of the cooling plate 36 and is, for example, glued to it or attached in some other way.
Bei der Kühlplatte 36 handelt es sich insbesondere um eine beispielsweise quaderförmige Platte, welche bevorzugt - bei der Ausführungsvariante mit den Kühlfluidanschlüssen - innere Kühlkanäle aufweist. Die Kühlplatte besteht vorzugsweise aus Metall. The cooling plate 36 is in particular a cuboid plate, for example, which is preferred - in the embodiment variant with the Cooling fluid connections - has internal cooling channels. The cooling plate is preferably made of metal.
Anhand des vereinfachten Schaubilds gemäß der Figur 5 sind Steuermodul 22 und seine Anbindung an die Umgebung vereinfacht dargestellt. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Leiterplatten 40 dargestellt, welche unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Die eine auf der rechten Seite dargestellte Leiterplatte 40 bildet das Leistungsmodul 41 mit darauf der angebrachten Leistungselektronik. Über diese werden über entsprechende Ausgänge und Schnittstellen der drehzahlgeregelte Ventilator 18, üblicherweise mehrere Kühlmittel-Pumpen 24 sowie auch üblicherweise mehrere Verdichter 12 angesteuert. Die unterschiedlichen Kühlmittel-Pumpen 24 sind beispielsweise in verschiedenen Kühlmittel-Teilkreisläufen angeordnet. Der in der Figur 2 dargestellte Verdichter 12 kann auch auf mehrere Verdichter aufgeteilt sein, wobei beispielsweise einer als Verdichter mit konstanter Drehzahl und lediglich der andere als drehzahlgeregelter Verdichter ausgebildet sind. Using the simplified diagram according to FIG. 5, control module 22 and its connection to the environment are shown in a simplified manner. In the exemplary embodiment, a total of three circuit boards 40 are shown, which take on different tasks. The printed circuit board 40 shown on the right forms the power module 41 with the power electronics attached thereto. The speed-controlled fan 18, usually several coolant pumps 24 and also usually several compressors 12 are controlled via corresponding outputs and interfaces. The different coolant pumps 24 are arranged, for example, in different coolant partial circuits. The compressor 12 shown in FIG. 2 can also be divided into several compressors, for example one being designed as a constant speed compressor and only the other as a speed-controlled compressor.
Die beiden weiteren Leiterplatten 40 dienen insbesondere zur Kommunikation und der Verarbeitung von Datensignalen. Die eine ist beispielsweise für eine Kommunikation mit einem Nutzer über eine Nutzer-Schnittstelle 46 eingerichtet. Die andere ist für eine externe Kommunikation über beispielsweise ein Telefonnetz oder auch ein sonstiges Computernetz (Internet) eingerichtet und erlaubt insbesondere einen Fernzugriff beispielsweise für eine Wartung oder auch für eine Fernsteuerung. The two further circuit boards 40 are used in particular for communication and the processing of data signals. One is, for example, set up for communication with a user via a user interface 46. The other is set up for external communication via, for example, a telephone network or another computer network (Internet) and in particular allows remote access, for example for maintenance or for remote control.
Insgesamt weist die Leiterplatte 40 auch eine Kommunikationsschnittstelle zu Aktuatoren 50 und/oder Sensoren 52 auf und dient auf zum Ansteuern der Aktuatoren 50 und/oder zum Verarbeiten von Datensignalen von den Sensoren 52. Bei den Sensoren 52 handelt es sich beispielsweise um Temperatursensoren, Drucksensoren usw. Bei den Aktuatoren 50 handelt sich beispielsweise um Ventile des Kältekreislaufs 8 oder des Kühlmittelkreislaufs 4. Diese beiden weiteren Leiterplatten 40 können auch durch eine gemeinsame Leiterplatte ausgebildet sein. Typischerweise weist die gesamte Elektronik ein oder mehrere Mikroprozessoren 48 auf, die jeweils auch auf den Leiterplatten 40 angebracht sind. Overall, the circuit board 40 also has a communication interface to actuators 50 and/or sensors 52 and is used to control the actuators 50 and/or to process data signals from the sensors 52. The sensors 52 are, for example, temperature sensors, pressure sensors, etc The actuators 50 are, for example, valves of the refrigeration circuit 8 or the coolant circuit 4. These two further circuit boards 40 can also be formed by a common circuit board. Typically, the entire electronics has one or more microprocessors 48, each of which is also mounted on the circuit boards 40.
Weiterhin sind in der Figur 5 die Kühlfluidanschlüsse 34 durch Pfeile angedeutet. Furthermore, the cooling fluid connections 34 are indicated by arrows in FIG.
Figur 6 zeigt schließlich ein weiterhin schematisiertes doch etwas detaillierteres Schaltungsbild des Steuermoduls 22: Ein Haupt-Mikroprozessor 48 dient zur Steuerung der meisten Vorgänge. Er kommuniziert insbesondere mit dem gestrichelt dargestellten Leistungsmodul 41 mit den darauf angebrachten Frequenzumrich- tern 38. Über das Leistungsmodul 41 werden die drehzahlgeregelten Ventilatoren 18, die Kühlmittel-Pumpe 24 sowie der drehzahlgeregelte Kompressor 12 angesteuert. Finally, Figure 6 shows a still schematic but somewhat more detailed circuit diagram of the control module 22: A main microprocessor 48 is used to control most processes. It communicates in particular with the power module 41 shown in dashed lines with the frequency converters 38 mounted thereon. The speed-controlled fans 18, the coolant pump 24 and the speed-controlled compressor 12 are controlled via the power module 41.
Auch überwacht der Haupt-Mikroprozessor 48 die Kühlung über die Kühlplatte 36 (FIG 3) und wertet hierzu beispielsweise Signale eines Temperatur-Sensors 52 aus. The main microprocessor 48 also monitors the cooling via the cooling plate 36 (FIG 3) and, for example, evaluates signals from a temperature sensor 52.
Weiterhin weist das Leistungsmodul 41 eine gemeinsame Gleichrichter-Schaltung 54 für die Frequenz Umrichter 38 auf. Furthermore, the power module 41 has a common rectifier circuit 54 for the frequency converter 38.
Von dem Haupt-Mikroprozessor 48 werden mehrere Steuer- oder Datenanschlüsse 46 angesteuert, die geeignet ausgestaltet sind. Über einen derartigen Anschluss 46 wird insbesondere ein Heizelement 58 angesteuert. Über dieses wird Einfluss insbesondere auf die Temperatur des Kühlmittels zum Kühlmittelkreislauf 4 genommen, um dessen Temperatur bei Bedarf anzuheben. Das Heizelement 58 erwärmt hierzu insbesondere das durch die Kühlplatte 36 strömende Kühlmittel des Kühlmittelkreislauf 4. Insbesondere ist es beispielsweise ausgangsseitig nach einem auslassseitigen Kühlfluidanschluss 34 beispielsweise nach Art einer Heizmanschette angebracht. Bei der Ausführungsvariante, bei der die Kühlplatte 36 unmittelbar an einer kalten Komponente des Kältekreislauf 8 und insbesondere unmittelbar am Verdampfer 10 angebracht ist, erfolgt über das Heizelement 58 ein Wärmeeintrag in das Kältemittel und damit mittelbar in das Kühlmittel des Kühlmittel-Kreislaufs 4. Bevorzugt ist das Heizelement 58 hierzu am oder unmittelbar vor dem Verdampfer 10 angebracht. The main microprocessor 48 controls several control or data connections 46, which are suitably designed. A heating element 58 in particular is controlled via such a connection 46. This influences in particular the temperature of the coolant to the coolant circuit 4 in order to increase its temperature if necessary. For this purpose, the heating element 58 heats in particular the coolant of the coolant circuit 4 flowing through the cooling plate 36. In particular, it is attached, for example, on the output side after an outlet-side cooling fluid connection 34, for example in the manner of a heating sleeve. In the embodiment variant in which the cooling plate 36 is attached directly to a cold component of the refrigeration circuit 8 and in particular directly to the evaporator 10, heat is introduced into the coolant via the heating element 58 and thus indirectly into the coolant of the coolant circuit 4. This is preferred For this purpose, the heating element 58 is attached to or immediately in front of the evaporator 10.
Über einen weiteren Anschluss 56 erfolgt beispielsweise ein Datenaustausch mit einer Antenne 60, über die dann eine Fern-Kommunikation, beispielsweise über einen Cloud-Server 62 und über diesen mit einem Remote-Arbeitsplatz für eine Fern-Überwachung oder Fern-Ansteuerung ermöglicht ist. For example, data is exchanged via a further connection 56 with an antenna 60, via which remote communication is then possible, for example via a cloud server 62 and via this with a remote workstation for remote monitoring or remote control.
Ein weiterer Anschluss 56 ist für die Kommunikation mit weiteren Sensoren 52 ausgebildet. Another connection 56 is designed for communication with further sensors 52.
Über weitere Anschlüsse 56 sind beispielsweise Kommunikationsschnittstellen zu externen Geräten 64 oder auch zu einer Eingabe/Ausgabeeinheit 66 für eine Nutzerkommunikation ausgebildet. For example, communication interfaces to external devices 64 or to an input/output unit 66 for user communication are formed via further connections 56.
Schließlich werden über den Haupt-Mikroprozessor 48 beispielsweise auch Elektromotoren 68 beispielsweise für Ventile angesteuert. Finally, electric motors 68, for example for valves, are also controlled via the main microprocessor 48.
Wie zuvor bereits erwähnt, könne neben den drehzahlgeregelten Komponenten auch Komponenten mit konstanter Drehzahl vorgesehen sein. Diese werden über geeignete Relais 70 angesteuert, beispielsweise ein Verdichter 12 oder auch sonstige Ventile oder andere Aktuatoren 72 As already mentioned, in addition to the speed-controlled components, components with a constant speed can also be provided. These are controlled via suitable relays 70, for example a compressor 12 or other valves or other actuators 72
Schließlich sind innerhalb des Steuermoduls 22 noch verschiedene Schutz- und Überwachungs-Schaltkreise 74 integriert, die beispielsweise zur Phasenüberwachung einer dreiphasigen Leistungsversorgung 76 dient. Finally, various protection and monitoring circuits 74 are integrated within the control module 22, which are used, for example, for phase monitoring of a three-phase power supply 76.
Die in der Figur 6 dargestellte gestrichelte Umrandung gibt vorzugsweise jeweils eine jeweilige Leiterplatte 40 an, auf der entsprechenden elektronische Komponenten und Schaltungsbauteile angeordnet sind. Die gestrichelten Linien definieren zugleich auch die logische Begrenzung zu den außerhalb des Steuermoduls 22 angeordneten Komponenten. The dashed border shown in FIG. 6 preferably indicates a respective circuit board 40 on the corresponding electronic one Components and circuit components are arranged. The dashed lines also define the logical boundary to the components arranged outside the control module 22.
Das hier beschriebene Konzept mit dem integrierten Steuermodul 22 weist insbesondere folgende Vorteile auf. The concept described here with the integrated control module 22 has the following advantages in particular.
• Durch die Integration der Frequenzumrichter-Schaltkreise für die Ventilatoren 18, den Verdichter 12 und die Kühlmittel-Pumpe 24 werden drei separate Gleichrichterschaltungen für einen Wechselstrom-/Gleichstrom-Bus überflüssig, was die Gesamtzahl der für die Frequenzumrichter-Schaltkreise benötigten Komponenten reduziert. • Integrating the drive circuits for the fans 18, compressor 12 and refrigerant pump 24 eliminates the need for three separate rectifier circuits for an AC/DC bus, reducing the total number of components required for the drive circuits.
• Die direkte Kühlung der Leistungselektronik durch die Kühlplatte 36 macht Luftkühlkörper und Kühlgebläse zur Kühlung der Leistungselektronik überflüssig, auf die daher auch verzichtet ist. Außerdem kann so kostengünstigere Leistungselektronik verwendet werden, die einen höheren Widerstand aufweist. • The direct cooling of the power electronics by the cooling plate 36 makes air heat sinks and cooling fans for cooling the power electronics unnecessary, which are therefore also omitted. In addition, more cost-effective power electronics that have a higher resistance can be used.
Das Steuermodul 22 bietet nicht nur eine kosteneffiziente Lösung für die Implementierung einer variablen Drehzahlregelung für die Komponenten der Anlage 2, sondern weist auch die folgenden Merkmale und Vorteile auf: The control module 22 not only provides a cost-effective solution for implementing variable speed control for the components of the system 2, but also has the following features and advantages:
• Durch den Betrieb der Ventilatoren 18, Kühlmittel-Pumpen 24 und Verdichter 12 über einen integrierten Frequenzumrichter die Anlage 2 unabhängig von der Netzfrequenz betrieben werden. Daher kann die Anlage 2 mit denselben mechanischen Komponenten sowohl mit 50 als auch mit 60 Hz betrieben werden. • By operating the fans 18, coolant pumps 24 and compressors 12 via an integrated frequency converter, system 2 can be operated independently of the mains frequency. Therefore, system 2 can be operated with the same mechanical components at both 50 and 60 Hz.
• Durch die Integration der Sensor- und Aktor-E/A in das Steuermodul 22 entfällt der herkömmliche industrielle Schaltschrank. Neben Platz- und Kostenersparnissen entfällt dadurch auch die Notwendigkeit, dass ein Techniker den Schaltschrank verdrahtet, was nicht nur erhebliche Arbeitskosteneinsparungen mit sich bringt, sondern auch viele potenzielle Fehlerquellen eliminiert, da die Schaltungen auf einer Leiterplatte (PCB) untergebracht sind. • In das Steuermodul 22 ist eine Phasenüberwachungsschaltung als eine der Überwachungs-Schaltkreise 74 eingebaut, die die Maschine vor Phasenverlust, Phasenungleichheit und Phasenumkehr schützt. Außerdem entfällt dadurch die Notwendigkeit, ein separates Phasenüberwachungsgerät hinzuzufügen. • By integrating the sensor and actuator I/O into the control module 22, the traditional industrial control cabinet is eliminated. In addition to space and cost savings, this also eliminates the need for a technician to wire the panel, which not only results in significant labor cost savings, but also eliminates many potential sources of error since the circuits are housed on a printed circuit board (PCB). • A phase monitoring circuit is incorporated into the control module 22 as one of the monitoring circuits 74, which protects the machine from phase loss, phase imbalance and phase reversal. It also eliminates the need to add a separate phase monitor.
• In das Steuermodul 22 ist ein Schaltnetzteil integriert, das eine separate Steuerspannungsversorgung überflüssig macht. Außerdem wird es sowohl den 50- als auch den 60-Hz-Betrieb unterstützen. • A switching power supply is integrated into the control module 22, which makes a separate control voltage supply unnecessary. It will also support both 50 and 60 Hz operation.
• In das Steuermodul 22 ist eine motorisierte Ventilsteuerung integriert, der ein separates motorisiertes Ventilsteuerungsmodul überflüssig macht. • A motorized valve control is integrated into the control module 22, which makes a separate motorized valve control module unnecessary.
• Da die Leistungselektronik bevorzugt durch das Kühlmittel der Anlage 2 oder direkt durch den Verdampfer 10 gekühlt wird, gibt es keine Höhenbeschränkungen für das Anlagengehäuse 6, wie es bei den meisten handelsüblichen luftgekühlten Frequenzumrichtern 38 üblich ist. • Since the power electronics are preferably cooled by the coolant of the system 2 or directly by the evaporator 10, there are no height restrictions for the system housing 6, as is common with most commercially available air-cooled frequency converters 38.
• In das Steuermodul 22 sind ein (Widerstands-) Heizelement 58 bevorzugt mit Steuerkreislauf integriert, die es dem Steuermodul 22 ermöglichen, den Kühlmittelkreislauf 4 beispielsweise direkt über den Verdampfer 10 aufzuheizen, wodurch eine externe Widerstandsheizung für kalte Umgebungen oder eine schnelle Aufwärmung überflüssig wird. Darüber hinaus wird bevorzugt ein Übertemperatur-Sicherheitskreislauf implementiert, um das Heizelement 58 vor Überhitzung zu schützen, so dass kein zusätzlicher Heizungsendschalter erforderlich ist. • A (resistance) heating element 58, preferably with a control circuit, is integrated into the control module 22, which enables the control module 22 to heat the coolant circuit 4, for example directly via the evaporator 10, making external resistance heating for cold environments or rapid warm-up unnecessary. In addition, an over-temperature safety circuit is preferably implemented to protect the heating element 58 from overheating, so that no additional heating limit switch is required.
• Das Steuermodul 22 enthält bevorzugt ein proprietäres drahtloses Langstrecken-Kommunikationsprotokoll, das es der Anlage 2 ermöglicht, drahtlos mit einem entfernten Gateway-Modul zu kommunizieren, das mit dem Internet verbunden ist. Dieses Gateway-Modul unterstützt Internetverbindungen über LAN, WiFi und Mobilfunk. Hierdurch kann das Gateway-Modul in der Zukunft aktualisiert werden, wenn Kommunikationsprotokolle aufgerüstet werden, ohne dass Änderungen an der Anlage 2 vorgenommen werden müssen. Außerdem kann der Endnutzer mehrere Anlagen 2 über dasselbe Modul mit dem Internet verbinden, wodurch die Verbindungskosten niedrig gehalten werden können. • Das Steuermodul 22 enthält Anschlüsse für die Sensoren/Aktoren, den Lüfter, die Pumpe, den Kompressor und die Netzstromversorgung, so dass die Installation des Steuermoduls 22 ein Montagevorgang ist und keine qualifizierten Elektrotechniker erforderlich sind. • The control module 22 preferably includes a proprietary long-range wireless communications protocol that allows the system 2 to communicate wirelessly with a remote gateway module connected to the Internet. This gateway module supports Internet connections via LAN, WiFi and cellular. This allows the gateway module to be updated in the future when communication protocols are upgraded without having to make changes to Appendix 2. In addition, the end user can connect several systems 2 to the Internet via the same module, which can keep connection costs low. • The control module 22 includes connections for the sensors/actuators, fan, pump, compressor and mains power, so installation of the control module 22 is an assembly process and does not require qualified electrical engineers.
• Die Kühlung des Steuermoduls 22 kann durch Umwälzung von Kühlfluid aus der Anlage 2 durch die Kühlplatte 36 oder durch direkte Verbindung der Kühlplatte 36 mit dem Verdampfer 10 erfolgen. • The control module 22 can be cooled by circulating cooling fluid from the system 2 through the cooling plate 36 or by directly connecting the cooling plate 36 to the evaporator 10.
• Das Steuermoduls 22 weist eine Kommunikationsschnittstelle zum Lesen von Druck-, Durchfluss- und Temperaturdaten von Multifunktionssensoren auf, wodurch die Anzahl der physischen Sensoren an der Maschine minimiert wird. • The control module 22 includes a communication interface for reading pressure, flow and temperature data from multi-function sensors, thereby minimizing the number of physical sensors on the machine.
• Das Steuermodul 22 enthält einen elektronischen Schaltkreis zur Steuerung eines Kompressors mit fester Drehzahl, der mit dem Kompressor mit variabler Drehzahl zusammenarbeitet. • The control module 22 includes an electronic circuit for controlling a fixed speed compressor that operates in conjunction with the variable speed compressor.
• Das Steuermodul 22 enthält einen Sicherheitskreislauf zur Erkennung von Kältemittellecks und zum automatischen Einschalten eines Abluftgebläses der Anlage 2, um bei Verwendung von z.B. A2L-Kältemitteln (leicht entflammbar) oder A3-Kältemitteln (brennbar) potenziell entflammbare Kältemitteldämpfe aus einem Kühlraum, in dem die Anlage 2 beispielsweise aufgestellt ist, abzuführen. • The control module 22 contains a safety circuit for detecting refrigerant leaks and for automatically switching on an exhaust fan of the system 2 in order to remove potentially flammable refrigerant vapors from a cold room in which the Appendix 2, for example, is set up to be discharged.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
2 Anlage 2 facility
4 Kühlmittelkreislauf 4 coolant circuit
6 Anlagengehäuse 6 system housings
8 Kältekreislauf 8 refrigeration cycle
10 Verdampfer 10 evaporators
12 Verdichter 12 compressors
14 Expansionsventil 14 expansion valve
16 Kondensator 16 capacitor
18 Ventilator 18 fan
22 Steuermodul 22 control module
24 Kühlmittel-Pumpe 24 coolant pump
26 weiterer Wärmetauscher26 additional heat exchangers
28 Modulgehäuse 28 module housings
30 elektrischer Anschluss 30 electrical connection
32 Daten- Anschluss 32 data port
34 Kühlfluidanschluss 34 Cooling fluid connection
36 Kühlplatte 36 cooling plate
38 Frequenzumrichter 38 frequency converters
40 Leiterplatte 40 circuit board
41 Leistungsmodul 41 power module
42 Steckerteil 42 connector part
44 Stromschiene 44 busbar
45 Gleichspannungsteil 45 DC voltage part
46 Nutzer Schnittstelle 46 user interface
48 Mikroprozessor 48 microprocessor
50 Aktuator 50 actuator
52 Sensor 52 sensor
54 Gleichrichter-Schaltung 54 rectifier circuit
56 Steuer- oder Datenanschluss56 control or data connection
58 Heizelement 58 heating element
60 Antenne 62 Cloud-Server 60 antenna 62 cloud servers
64 externes Gerät 64 external device
66 Ein-/ Ausgabeeinheit 66 input/output unit
68 Motor 70 Relay 68 Motor 70 Relay
72 Aktuator 72 actuator
74 Überwachungs-Schaltkreis74 monitoring circuit
76 Leistungsversorgung 76 power supply

Claims

Ansprüche Anlage (2), insbesondere eine Kälteanlage, mit einem Kältekreislauf (8) sowie einem Anschluss für einen daran im Betrieb angeschlossenen weiteren Kreislauf (4), wobei der Kältekreislauf (8) einen Verdampfer (10), einen drehzahlvariablen Verdichter (12), einen Kondensator (16) sowie ein Drosselorgan (14) und vorzugsweise weiterhin einen drehzahlvariablen Ventilator (18) aufweist, wobei weiterhin eine drehzahlvariable Pumpe (24) zum Umwälzen für ein im weiteren Kreislauf (4) geführtes Fluid aufweist, und wobei weiterhin als eine gemeinsame Baueinheit ein Steuermodul (22) mit einer Leistungselektronik vorgesehen ist, die Frequenzumrichter (38) zum Ansteuern der drehzahlvariablen Komponenten, nämlich Ventilator (18), Verdichter (12) und Pumpe (24), aufweist. Anlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leistungselektronik in einem gemeinsamen Leistungsmodul (41 ) integriert ist und hierzu insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte (40) angeordnet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul eine Kühlplatte (36) zur Kühlung der Leistungselektronik aufweist. Anlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kühlplatte (36) von einem Kühlfluid durchflossen ist. Anlage (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) Kühlfluidanschlüsse (34) aufweist, über die dem Steuermodul (22) im Betrieb ein Fluid der Anlage (2) zugeführt wird. Anlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch , wobei im Betrieb das Steuermodul (22) über die Kühlfluidanschlüsse (34) an dem weiteren Kreislauf (4) angeschlossen ist. Anlage (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb das Steuermodul (22) über die Kühlfluidanschlüsse (34) an dem Kältekreislauf (8) angeschlossen ist. Anlage (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Kühlplatte (36) mit einer Komponente des Kältekreislaufs (8) zu Kühlzwecken in thermisch leitenden Kontakt ist, insbesondere mit dem Verdampfer (10). Anlage (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei neben der Kühlplatte (36) auf weitere Kühlmaßnahmen zur Kühlung der Leistungselektronik verzichtet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) ein Heizelement (58) zum Erwärmen des Kühlfluids aufweist, insbesondere um dessen Rücklauftemperatur anzuheben. Anlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mit Hilfe des Heizelements (58) die Temperatur des Fluids im weiteren Kreislauf (4) erhöht wird. Anlage (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei im Steuermodul (22) ein Steuerkreis integriert ist, über den das Heizelement (58) angesteuert wird. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Steuermodul (22) ein Übertemperatur-Sicherheitskreislauf implementiert ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) weiterhin Anschlüsse (56) für Datensignale von / für Sensoren (52) und Aktoren (50) der Anlage (2), insbesondere für alle Sensoren (52) und Aktoren (50) der Anlage (2) aufweist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) zumindest eine Kommunikationsschnittstelle für Datensignale einer Ein- Ausgabeeinheit (66), einer Fernwartungsschnittstelle oder für eine Kommunikation mit weiteren Anlagen (2) aufweist. Anlage (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) zur Bearbeitung der Datensignale ausgebildet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Steuermodul (22) eine Phasenüberwachungsschaltung integriert ist und bevorzugt auf ein separates Phasenüberwachungsgerät verzichtet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul (22) zumindest ein integriertes Schaltnetzteil aufweist, über das die erforderliche Spannungsversorgung für Komponenten der Anlage (2) , insbesondere für sämtliche Komponenten der Anlage (2) erfolgt. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in das Steuermodul (22) eine Ventilsteuerung für zumindest ein und vorzugsweise mehrere oder alle motorisch antreibbare Ventile der Anlage (2) integriert ist und bevorzugt auf weitere Ventilsteuerungen außerhalb des Steuermoduls (22) verzichtet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Steuermodul (22) die gesamte Steuerung für die Anlage (2) integriert ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche für eine thermische Leistung im Bereich größer 10kW, insbesondere größer 100kW ausgebildet ist und bei der auf einen Schaltschrank zur Ansteuerung der Anlage (2) verzichtet ist. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Steuermodul (22) eine Größe im Bereich von (250mm bis 400mm) Länge * (100mm bis 200mm) Breite * (100mm bis 200mm) Höhe aufweist. Steuermodul (22), ausgebildet zur Steuerung einer Anlage (2) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als eine Baueinheit ausgebildet ist, wobei das Steuermodul (22) eine Leistungselektronik aufweist, die Frequenzumrichter (38) zum Ansteuern von drehzahlvariablen Komponenten aufweist. Claims System (2), in particular a refrigeration system, with a refrigeration circuit (8) and a connection for a further circuit (4) connected to it during operation, the refrigeration circuit (8) having an evaporator (10), a variable-speed compressor (12), a condenser (16) and a throttle element (14) and preferably also a variable-speed fan (18), further comprising a variable-speed pump (24) for circulating a fluid carried in the further circuit (4), and furthermore as a common one A control module (22) with power electronics is provided, which has frequency converters (38) for controlling the variable-speed components, namely fan (18), compressor (12) and pump (24). System (2) according to the preceding claim, wherein the power electronics are integrated in a common power module (41) and, for this purpose, are arranged in particular on a common circuit board (40). System (2) according to one of the preceding claims, wherein the control module has a cooling plate (36) for cooling the power electronics. System (2) according to the preceding claim, wherein a cooling fluid flows through the cooling plate (36). System (2) according to one of the two preceding claims, wherein the control module (22) has cooling fluid connections (34) via which a fluid from the system (2) is supplied to the control module (22) during operation. System (2) according to the preceding claim, wherein during operation the control module (22) is connected to the further circuit (4) via the cooling fluid connections (34). System (2) according to one of the two preceding claims, wherein during operation the control module (22) is connected to the refrigeration circuit (8) via the cooling fluid connections (34). System (2) according to one of claims 3 to 7, wherein the cooling plate (36) is in thermally conductive contact with a component of the refrigeration circuit (8) for cooling purposes, in particular with the evaporator (10). System (2) according to one of claims 3 to 8, wherein, in addition to the cooling plate (36), there are no further cooling measures for cooling the power electronics. System (2) according to one of the preceding claims, wherein the control module (22) has a heating element (58) for heating the cooling fluid, in particular in order to increase its return temperature. System (2) according to the preceding claim, wherein the temperature of the fluid in the further circuit (4) is increased with the aid of the heating element (58). System (2) according to one of the two preceding claims, wherein a control circuit is integrated in the control module (22), via which the heating element (58) is controlled. System (2) according to one of the preceding claims, wherein an overtemperature safety circuit is implemented in the control module (22). System (2) according to one of the preceding claims, wherein the control module (22) further has connections (56) for data signals from/for sensors (52) and actuators (50) of the system (2), in particular for all sensors (52) and actuators (50) of the system (2). System (2) according to one of the preceding claims, wherein the control module (22) has at least one communication interface for data signals from an input/output unit (66), a remote maintenance interface or for communication with other systems (2). System (2) according to one of the two preceding claims, wherein the control module (22) is designed to process the data signals. System (2) according to one of the preceding claims, wherein a phase monitoring circuit is integrated in the control module (22) and a separate phase monitoring device is preferably dispensed with. System (2) according to one of the preceding claims, wherein the control module (22) has at least one integrated switching power supply via which the required voltage supply for components of the system (2), in particular for all components of the system (2), takes place. System (2) according to one of the preceding claims, wherein a valve control for at least one and preferably several or all motor-driven valves of the system (2) is integrated into the control module (22), and further valve controls outside of the control module (22) are preferably dispensed with . System (2) according to one of the preceding claims, wherein the entire control for the system (2) is integrated in the control module (22). System (2) according to one of the preceding claims, which is designed for a thermal power in the range of greater than 10 kW, in particular greater than 100 kW, and in which there is no need for a control cabinet for controlling the system (2). System (2) according to one of the preceding claims, in which the control module (22) has a size in the range of (250mm to 400mm) length * (100mm to 200mm) width * (100mm to 200mm) height. Control module (22), designed to control a system (2), in particular according to one of the preceding claims, which is designed as a structural unit, wherein the control module (22) has power electronics which has frequency converters (38) for controlling variable-speed components.
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