DE102017004607A1

DE102017004607A1 - Kühl- und/oder Gefriergerät

Info

Publication number: DE102017004607A1
Application number: DE102017004607.7A
Authority: DE
Inventors: Yevgen Polonskiy; Marc Schirmer
Original assignee: Liebherr Hausgeraete Ochsenhausen GmbH
Current assignee: Liebherr Hausgeraete Ochsenhausen GmbH
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-07-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit wenigstens einer Quelle für Energie und/oder Daten und mit wenigstens einem Empfänger von Energie und/oder Daten, wobei die Quelle wenigstens einen Primärkreis mit wenigstens einer Primärspule und der Empfänger wenigstens einen Sekundärkreis mit wenigstens einer Sekundärspule aufweist, die nicht unmittelbar miteinander in Kontakt stehen, wobei die Impedanzen des Primärkreises und des Sekundärkreis zueinander derart abgestimmt sind, dass die Übertragung der Energie und/oder der Daten durch resonant induktive Kopplung erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit wenigstens einer Quelle für Energie und/oder Daten und mit wenigstens einem Empfänger von Energie und/oder Daten, wobei die Energie und/oder die Daten berührungslos übertragen werden.
Aus dem Stand der Technik gemäß der EP 1 760 733 A1 ist ein Kühlgerät bekannt, bei dem eine berührungslose Energieübertragung von einem primären Stromkreis, der mit Wechselspannung und einer vorab festgelegten Frequenz betrieben wird auf einen sekundären Stromkreis erfolgt. Beide Stromkreise sind um jeweils ein ferromagnetisches Element gewickelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühl- und/oder Gefriergerät dahingehend weiterzubilden, bei dem bei der berührungslosen Energie- oder Datenübertragung nicht zwingend der Einsatz eines ferromagnetischen Elementes, wie z.B. eines Eisen- oder Ferritkerns notwendig ist und bei dem eine Energie- und/oder Datenübertragung auch bei einer räumlichen losen Anordnung der beiden Kreise möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass die Quelle wenigstens einen Primärkreis mit wenigstens einer Primärspule und der Empfänger wenigstens einen Sekundärkreis mit wenigstens einer Sekundärspule aufweist, die nicht unmittelbar miteinander in Kontakt stehen, wobei die Impedanzen des Primärkreises und des Sekundärkreises zueinander derart abgestimmt sind, dass die Übertragung der Energie und/oder der Daten durch resonant induktive Kopplung erfolgt. Dabei ist die Resonanzfrequenz auf die Übertragungsfrequenz abgeglichen. Die Resonanz zwischen den Schwingkreisen, d.h. zwischen Primärkreis und Sekundärkreis führt zu einer verbesserten magnetischen Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule bei der Übertragungsfrequenz.
In einer denkbaren und bevorzugten Ausführungsform ist weder der Primärkreis noch der Sekundärkreis mit einem ferromagnetischen Element versehen, wenngleich dessen Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Primärkreis und/oder im Sekundärkreis auch nicht ausgeschlossen ist.
Der Primärkreis kann fest im Gerät verbaut sein und/oder der Sekundärkreis kann beweglich im oder am Gerät angeordnet sein, wie beispielsweise an einem Ablageboden etc. Grundsätzlich ist aber auch bewegliche Anordnung des Primärkreises und/oder eine unbewegliche Anordnung des Sekundärkreises, z.B. an einer fest im gekühlten Innenraum befindlichen Beleuchtungseinheit denkbar und von der Erfindung umfasst.
Die Informationsübertragung kann beispielsweise mittels der induktiven Kopplung erfolgen. So können beispielsweise Daten zur Anzeige gebracht werden, z. B. die in dem gekühlten Innenraum vorliegende Temperatur, die z.B. auf einer Glasplatte im gekühlten Innenraum angezeigt werden kann.
Dementsprechend kann der Sekundärkreis mit wenigstens einem Anzeigemittel zur Anzeige einer oder mehrerer Informationen ausgeführt sein oder mit diesem kommunizieren. Die Anzeigemittel können beispielweise als LEDs, als Display, Projektor etc. ausgebildet sein.
Bei dem Anzeigemittel oder bei der Fläche, auf der eine Anzeige generiert wird, kann es sich um einen Ablageboden, insbesondere um eine Glasplatte, oder um ein Display, insbesondere um ein Display in dem Verschlusselement, mittels dessen der gekühlte Innenraum verschließbar ist, handeln.
Bei den Informationen kann es sich um beliebige Werte, Text, Logos etc. handeln. Diese können das Gerät selbst, wie beispielsweise Parameter einer oder mehrerer Komponenten des Gerätes (z.B. Verdampfertemperatur, Kompressordrehzahl etc.) und/oder Betriebsparameter des Gerätes (z.B. Temperaturistwerte) betreffen oder auch andere Parameter, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur etc.
In einer denkbaren Ausgestaltung der Erfindung sind der Primär- und der Sekundärkreis räumlich lose gekoppelt, wobei sowohl im Primär- als auch im Sekundärkreis wenigstens eine Kapazität angeordnet ist. Hintergrund dafür ist, dass bei einer räumlich losen Kopplung der Kreise der Kopplungsfaktor ggf. so stark absinkt, dass die Effizienz und Stabilität der induzierten Spannung zu gering ist bzw. schnell abnimmt.
Der Kopplungsfaktor k der induktiven Kreise ist definiert durch: $k = M/ (L_{1} L_{2})^{1 / 2})$
wobei M die Gegeninduktivität und L₁ und L₂ die Eigeninduktivitäten des Primär- und des Sekundärkreises sind. Der Kopplungsfaktor k drückt somit den Anteil des magnetischen Feldes aus, der - produziert vom Primärkreis - den Sekundärkreis durchsetzt.
Im Falle einer losen Kopplung macht sich die Eigeninduktivität des Primärkreises mit zunehmendem Abstand zwischen Primär- und Sekundärkreis immer stärker bemerkbar und verhindert so eine effiziente Energieübertragung.
Um dem entgegenzuwirken und den Einfluss der Eigeninduktivität zu kompensieren, wird entweder parallel oder in Serie zur Primär- und/oder Sekundärspule wenigstens eine Kapazität eingefügt. Damit wird ein Schwingkreis gebildet, der einer ohmschen Last gleicht, wenn der Schwingkreis bei der zugehörigen Resonanzfrequenz betrieben wird, die wie folgt lautet: $f_{r} = 1 / (2 π {(L_{1} C_{1})}^{1 / 2})$
wobei f_r die Resonanzfrequenz und C₁ die Kapazität des Primärkreises darstellt.
Die Kapazität kann in Serie oder parallel zu der Primär- und Sekundärspule angeordnet sein.
Bei einer losen Kopplung kann der Fall eintreten, dass der Sekundärkreis relativ zum Primärkreis unterschiedlich ausgerichtet oder gar nicht vorhanden ist. Vor diesem Hintergrund ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Primärkreis über Mittel verfügt, die ausgebildet sind, das Vorhandensein des Sekundärkreises zu ermitteln.
Diese Mittel können Kommunikationsmittel umfassen, die ausgebildet sind, mit dem Sekundärkreis zu kommunizieren.
Alternativ oder zusätzlich können diese Mittel ausgeführt sein, den im Primärkreis fließenden Strom und die dort angelegte Spannung zu bestimmen und darauf basierend die Wirkleistung zu bestimmen, und/oder derart, dass die Resonanzfrequenz und/oder die Transistorschaltungen im spannungslosen und/oder stromlosen Zustand erfasst wird.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ oder „eine“ nicht zwingend auf genau eines der fraglichen Elemente verweisen, wenngleich auch dies von der Erfindung umfasst ist. Von den Begriffen ist auch eine Mehrzahl der fraglichen Elemente umfasst.
Vorzugsweise produziert ein im Primärkreis, auch als Erreger oder Energiequelle bezeichnet, generierter Wechselstrom ein wechselndes Magnetfeld, das bei einer passenden Ausrichtung des Sekundärkreises diesen durchsetzt und in diesem eine Wechselspannung induziert, aus der elektrische Leistung und/oder Daten gewonnen werden können. Die Übertragung erfolgt mittels einer berührungslosen Kopplung.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine berührungslose Versorgung von Verbrauchern oder Anzeigeelementen mit Energie oder Daten zu realisieren, ohne dass das Gerät selbst optisch geändert werden müsste. Somit kann auf Stanzungen und Durchbrüche z.B im Innebehälter zur Kabeldurchführung verzichtet werden. Denkbar ist es beispielsweise, den Primärkreis schaumseitig, d.h. hinter der Innenbehälterwandung anzuordnen und den Sekundärkreis innerhalb des gekühlten Innenraums.
Der Sekundärkreis kann Bestandteil eines oder mehrerer in dem gekühlten Innenraum oder auch außerhalb davon angeordneter Elemente sein, wie z.B. von Ablageböden, Schubladen, Türabstellern etc. Er kann so verbaut sein, dass er für den Nutzer nicht sichtbar ist, was vorzugsweise auch für den Primärkreis gilt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung der berührungslosen induktiven Energieübertragung und die Abhängigkeit des Kopplungsfaktors von dem Wert Δx/r₂, wobei Δx der seitliche Versatz der Mittelpunkte der Primär- und der Sekundärspule und r₂ der Radius der Sekundärspule ist,
2: Schaltbilder unterschiedlicher Kopplungsarten,
3: Ersatzschaltbild eines resonanten Übertragungssystems,
4: Schaltbilder verschiedener Anordnungen der Kapazitäten im Primär- und im Sekundärkreis,
5: Schaltbild eines sekundärseitig resonanten Schwingkreises mit Vollwellnengleichrichter und
6: Schaltbild eines Sekundärkreises mit Präsenzerkennung durch C_d.

1 zeigt das grundsätzliche Funktionsprinzip einer induktiven Energieübertragung, links dargestellt ist der Primärkreis und rechts dargestellt ist der Sekundärkreis. Durch den im Primärkreis vorliegenden Wechselstrom wird im Sekundärkreis eine Wechselspannung induziert, so dass aus diesem elektrische Leistung gewonnen werden kann, wie dies durch Pfeile in 1 angedeutet ist.
In 1 ist mit r₁, d₁ und r₂, d₂ jeweils der Radius und der Durchmesser der Primärspule und der Sekundärspule, die in 1 dargestellt sind, bezeichnet, V₁ kennzeichnet die am Primärkreis angelegte Wechselspannung und V₂ die am Sekundärkreis induzierte Wechselspannung. Δx ist der seitliche Abstand der Mittelpunkte der Primär und der Sekundärspule und z der Höhenversatz der beiden Ebenen der Primär und der Sekundärspule. Φ₁ ist der magnetische Fluss durch die Primärspule und Φ₂₁ der magnetische Fluss durch die Sekundärspule. Oder andersrum Φ₁ ist der von der Spule 1 erzeugte Fluss und Φ₂₁ ist der „Koppelfluss“.
1, rechte Darstellung zeigt die Abhängigkeit des Kopplungsfaktors von dem Wert Δx/r₂, wobei Δx der seitliche Abstand der Mittelpunkte der Primär und der Sekundärspule und r₂ der Radius der Sekundärspule ist.
Bei einer räumlich losen, d.h. nicht festen Kopplung der induktiven Kreise, d.h. des Primärkreises und des Sekundärkreises ohne das Vorhandensein von ferromagnetischen Kernelementen zur Flusskonzentration, sinkt der Kopplungsfaktor - wie aus 1, rechte Darstellung ersichtlich - so stark ab, dass die Effizienz und die Stabilität der induzierten Spannung rasch mit dem Wert Δx/r₂ abnimmt.
2 a) zeigt das allgemeine Ersatzschaltbild beider Kreise und 2 b) ein Schaltbild mit einem Kopplungsfaktor nahe 1. In 2 c) ist die Situation bei loser Kopplung wiedergegeben. In diesem Fall macht sich die Eigeninduktivität des Primärkreises L₁ immer stärker bemerkbar und verhindert eine effiziente Energieübertragung. Während der Anteil der Blindleistung zunimmt, fällt die übertragbare Wirkleistung.
In 2 steht I für die Stromstärke, L für die Eigeninduktivität, V für die Spannung und R für den ohmschen Widerstand. Die Indizes 1 bzw. 2 stehen für den Primär- bzw. Sekundärkreis.
Wie oben ausgeführt, fügt man entweder parallel oder seriell zur Spule eine Kapazität C₁ ein. Damit entsteht ein Schwingkreis, der einer ohmschen Last gleicht, wenn er bei der Resonanzfrequenz gemäß Formel (2) betrieben wird.
Der ohmsche Widerstand setzt sich aus der Summe der parasitären Widerstände der einzelnen Induktivitäten, Kapazitäten und weiterer Komponenten (Transistoren, Leiterbahnen etc.) zusammen und bewegt sich somit in einem sehr niedrigen Bereich, wie dies aus 3 hervorgeht. Somit kann mit dem resonanten Betrieb den Problemen einer losen Kopplung entgegengewirkt und die Effizienz der Übertragung verbessert werden.
4 zeigt verschiedene Anordnungen der Kapazitäten C₁ und C₂ im Primär- und Sekundärkreis parallel und seriell zur Spule mit der Eigeninduktivität L₁ bzw. L₂.
5 zeigt einen resonant aufgebauten Sekundärkreis mit Vollwellengleichrichter, der zur Effizienzsteigerung auch aktiv ausgeführt werden kann.
Wie oben ausgeführt, kann es bei einer losen Kopplung der beiden Kreise relativ zueinander je nach Anwendung vorkommen, dass der Sekundärkreis relativ zum Primärkreis unterschiedlich ausgerichtet oder gar nicht vorhanden ist.
Der erste Fall führt zu einer Verschlechterung der Energie- bzw. Datenübertragung, der zweite Fall produziert nur Verluste, da kein Energieabnehmer vorhanden ist.
Vorzugsweise besitzt der Primärkreis daher Mittel, um die An- oder Abwesenheit des Sekundärkreises, d.h. der Last, oder von Fremdobjekten zu bestimmen.
Dies kann mit einer oder beiden der im Folgenden genannten Varianten erfolgen:

1. Der Primär- und Sekundärkreis können miteinander kommunizieren und/oder
2. Der Primärkreis kann die abgegebene Wirkleistung und/oder die Eigenschaften des Resonanzkreises erkennen.

Denkbar ist es für den Fall 1., dass die Kommunikation entweder induktiv aufmoduliert wird oder anderweitig, z.B. optisch erfolgt.
Denkbar ist eine einfache Zustandserkennung (Anwesend oder Abwesend, d.h. der Sekundärkreis signalisiert seine Präsenz) bis zu einer vollduplexen Kommunikation. Somit verfügt der Sekundärkreis über Mittel, um seine Präsenz signalisieren zu können. Ein solcher Fall ist in 6 dargestellt.
Gemäß Fall 2. kann der im Primärkreis fließende Strom und die dort angelegte Spannung gemessen und zur Berechnung der Wirkleistung herangezogen werden. Auf der Basis dieser Werte erkennt der Primärkreis, wie viel Leistung übertragen wird und ob diese der typischen Last entspricht.
Ein weiteres Kriterium, das alternativ oder zusätzlich herangezogen werden kann, ist die Resonanzfrequenz bzw. die Überwachung der Transistorschaltung im spannungsfreien (ZVS: zero voltage switching) oder stromlosen (ZCS: zero current switching) Zustand. Ist die Last weit bzw. zu weit entfernt, führt dies zu einer Verringerung der Resonanzfrequenz.
Elektrisch leitfähige Fremdobjekte führen zu einer Stromüberhöhung im Primärkreis, was das Schaltmuster der Transistoren stören kann.
Somit ist es möglich, dass Mittel vorgesehen sind, mittels derer die Schaltfrequenz des Primärkreises nachgestimmt werden kann oder die Energieübertragung gestoppt werden kann, wenn keine Last, d.h. kein Sekundärkreis vorliegt oder Fremdobjekte.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft einsetzbar für lose gekoppelte Kreise (Primär- und Sekundärkreis) ohne Ferritkern bzw. ohne einen ferromagnetischen Kern, sie hat den Vorteil geringer Schaltverluste aufgrund der natürlichen Nutzung von ZVS, ZCS im Resonanzbetrieb und passive Elemente können in ihrer Baugröße reduziert werden aufgrund des Betriebs bei höheren Frequenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1760733 A1 [0002]

Claims

Kühl- und/oder Gefriergerät mit wenigstens einer Quelle für Energie und/oder Daten und mit wenigstens einem Empfänger von Energie und/oder Daten, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle wenigstens einen Primärkreis mit wenigstens einer Primärspule und der Empfänger wenigstens einen Sekundärkreis mit wenigstens einer Sekundärspule aufweist, die nicht unmittelbar miteinander in Kontakt stehen, wobei die Impedanzen des Primärkreises und des Sekundärkreis zueinander derart abgestimmt sind, dass die Übertragung der Energie und/oder der Daten durch resonant induktive Kopplung erfolgt.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weder der Primärkreis noch der Sekundärkreis mit einem ferromagnetischen Element versehen ist.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis fest im Gerät verbaut ist und/oder dass der Sekundärkreis beweglich im oder am Gerät angeordnet ist.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreis mit wenigstens einem Anzeigemittel zur Anzeige einer oder mehrerer Informationen ausgeführt ist oder mit einem solchen Anzeigemittel kommuniziert.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Anzeigemittel oder bei der Fläche, auf der das Anzeigemittel die Information wiedergibt, um einen Ablageboden, insbesondere um eine Glasplatte, oder um ein Display, insbesondere um ein Display in dem Verschlusselement, mittels dessen der gekühlte Innenraum verschließbar ist, handelt.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach einem Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Informationen um wenigstens einen Parameter einer oder mehrerer Komponenten des Gerätes und/oder um wenigstens einen Betriebsparameter des Gerätes handelt.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primär- und der Sekundärkreis räumlich lose gekoppelt sind und dass im Primär- und/oder im Sekundärkreis wenigstens eine Kapazität angeordnet ist.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität in Serie oder parallel zu der Primär- und Sekundärspule angeordnet sind.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis über Mittel verfügt, die ausgebildet sind, das Vorhandensein des Sekundärkreises zu bestimmen.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Kommunikationsmittel umfassen, die ausgebildet sind, mit dem Sekundärkreis zu kommunizieren.
Kühl- und/oder Gefriergerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ausgeführt sind, den im Primärkreis fließenden Strom und die dort angelegte Spannung zu bestimmen und darauf basierend die Wirkleistung bestimmt wird, und/oder dass die Mittel ausgeführt sind, die Resonanzfrequenz und/oder die Transistorschaltungen im spannungslosen oder stromlosen Zustand zu erfassen.