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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät mit automatisch abtaubarem
Verdampfer und ein Abtauverfahren dafür. Bei sogenannten No-Frost-Kältegeräten ist
ein Verdampfer, der zum Kühlen
eines mit Kühlgut
bestückbaren
Innenraums eines wärmeisolierenden
Gehäuses
dient, in einer von dem Innenraum abgetrennten Kammer untergebracht,
die mit dem Innenraum über
Luftdurchgangsöffnungen
kommuniziert. Diese Kammer bildet zusammen mit den Durchgangsöffnungen
einen Luftkanal, durch den hindurch Luft umgewälzt wird, um sie am Verdampfer
abzukühlen
und dem Innenraum wieder zuzuführen.
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Die
Anbringung des Verdampfers in der abgetrennten Kammer erlaubt es,
den Verdampfer, wenn sich an ihm eine kritische Eismenge gebildet hat,
zu beheizen und dadurch abzutauen, während gleichzeitig die Luftumwälzung zwischen
der Verdampferkammer und dem Innenraum ausgeschaltet wird, um zu
verhindern, dass gleichzeitig mit der Kammer auch der Innenraum
mit darin befindlichem Kühlgut
erwärmt
wird.
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Für eine wirtschaftliche
Arbeitsweise eines solchen Kältegeräts ist es
wichtig, dass der Verdampfer zuverlässig abgetaut wird, sobald
eine kritische Eismenge am Verdampfer überschritten ist, denn das Eis
isoliert den Verdampfer von der ihn umgebenden Kammer und beeinträchtigt so
die Wirksamkeit der Kühlung.
Der Gehäuseaufbau
eines solchen Kältegeräts lässt im Allgemeinen
nicht zu, dass ein Benutzer in die Verdampferkammer hineinschaut,
um die Eismenge zu überprüfen und
zu entscheiden, ob ein Abtauen notwendig ist oder nicht. Es ist
daher eine automatische Steuerung der Abtauung erforderlich.
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Wünschenswert
wäre an
sich, die Dicke einer Eisschicht am Verdampfer direkt messen zu
können
und anhand dieser Dicke automatisch zu entscheiden, ob eine Abtauung
erforderlich ist oder nicht. Sensoren zum Erfassen der Eisdicke
sind jedoch kostspielig, und ihre Lebensdauer ist deutlich kürzer als
die der anderen Komponenten herkömmlicher
Kältegeräte, so dass
ihre Verwendung deren Reparaturanfälligkeit deutlich steigern
würde.
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Aus
diesem Grund wird bei den meisten gegenwärtigen No-Frost-Kältegeräten ein
zeitgesteuertes Abtauverfahren eingesetzt, d.h. eine Steuerschaltung
des Kältegeräts löst jeweils
in festen Zeitabständen
einen Abtauvorgang aus. Diese Technik ist zwar robust und preiswert,
sie hat jedoch den Nachteil, dass eine Anpassung an unterschiedliche
klimatische Bedingungen, unter denen das Kältegerät betrieben wird, nicht möglich ist.
D.h., ein im Mittel „angemessener" Zeitabstand zwischen
zwei Abtauvorgängen
kann leicht zu lang sein, wenn das Gerät in einer warmen Umgebung
betrieben wird, in der mit jedem Öffnen der Tür eine große Menge an Feuchtigkeit in
den Innenraum eingetragen wird und die Eisschicht am Verdampfer
infolgedessen schnell anwächst,
wohingegen beim Betrieb des Kältegeräts in einer
kalten Umgebung mit geringem Feuchtigkeitseintrag ein längerer als
der eingestellte Zeitabstand die Wirtschaftlichkeit des Kältegeräts verbessern
könnte.
Außerdem
kann diese Technik nicht die Tatsache berücksichtigen, dass der Feuchtigkeitseintrag
nicht allein von der Laufzeit des Geräts, sondern auch von der Zahl
der Türöffnungen
und mit der Art des in dem Gerät
gelagerten Kühlgutes
abhängt.
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein Kältegerät, das eine
zuverlässige
Beurteilung der an einem Verdampfer angesammelten Eismenge mit einfachen und
robusten Mitteln ermöglicht,
bzw. ein Verfahren zu schaffen, das ein reproduzierbares Abtauen
jeweils bei Erreichen einer gegebenen Eismenge am Verdampfer erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Kältegerät mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 10.
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Die
Erfindung nutzt die Tatsache, dass der freie Querschnitt des Luftkanals,
in dem der Verdampfer angeordnet ist, begrenzt ist und dazu neigt, mit
zunehmender Eismenge, die sich am Verdampfer niederschlägt, abzunehmen.
Indem die daraus resultierende Veränderung des Luftdurchsatzes
durch den Kanal erfasst wird, kann indirekt auf die Eismenge und
damit auf die Notwendigkeit eines Abtauvorgangs rückgeschlossen
werden.
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Zum
Erfassen des Luftdurchsatzes durch den Kanal kommen diverse Techniken
in Betracht. Die unmittelbarste ist wohl, im Kanal einen durch den Luftstrom
im Kanal zu einer Bewegung antreibbaren Körper anzuordnen und diesem
einen Sensor zur Erfassung der Bewegung zuzuordnen. Wenn der Luftdurchsatz
des Kanals so weit abnimmt, dass ein vorgegebener Grenzwert der
Geschwindigkeit unterschritten wird, so bedeutet dies, dass eine
Abtauung erforderlich ist.
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Anstelle
eines beweglichen Elementes kann auch ein elastisches Element im
Luftkanal vorgesehen werden, das durch den Luftstrom lediglich statisch
ausgelenkt wird, und dessen Auslenkung durch einen Sensor erfasst
wird. Hier wird ein Abtauvorgang als notwendig erkannt, wenn die
Auslenkung des elastischen Elements unter einen vorgegebenen Grenzwert
abfällt.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Erfassung des Luftdurchsatzes ist die Nutzung des Bernoulli-Effekts, d.h. der
Tatsache, dass an einem strömenden Medium
ein niedrigerer hydrostatischer Druck gemessen wird als an einem
stehenden Medium. Um hier ein möglichst
großes
Messsignal zu erhalten, kann in dem Luftkanal ein Engpass vorgesehen
werden, an dem besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten,
und ein Drucksensor in der Nähe dieses
Engpasses platziert werden.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, durch den Luftdurchsatz im Kanal beeinflusste Wärmegradienten auszunutzen.
Hierfür
sind zwei Temperatursensoren erforderlich, die thermisch unterschiedlich
eng an eine Wärmequelle
oder -senke bzw. an die Luft im Kanal gekoppelt sind. Je geringer
der einen Temperaturausgleich bewirkende Luftdurchsatz im Kanal ist,
um so größer sind
die Temperaturdifferenzen, die zwischen diesen zwei Sensoren auftreten
können. Infolgedessen
wird hier eine kritische Abnahme des Luftdurchsatzes dann festgestellt,
wenn die Differenz zwischen den von den zwei Sensoren erfassten
Temperaturen einen Grenzwert überschreitet.
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Als
Wärmequelle
für diese
Ausgestaltung der Erfindung kommt, wie auch von Luftdurchsatz-Messeinrichtungen
im Automobilbau bekannt, ein elektrisch beheizter Draht in Betracht.
Die Heizleistung eines solchen Drahtes kann so gering sein, dass
sie die Energiebilanz des Kältegeräts nicht merklich
beeinträchtigt.
Vorzugsweise jedoch wird man als Wärmesenke den notwendigerweise
vorhandenen Verdampfer selbst nutzen.
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Um
eine möglichst
große
Temperaturdifferenz erfassen zu können, ist ein erster der Temperatursensoren
vorzugsweise unmittelbar am Verdampfer angeordnet.
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Besonders
bevorzugt ist, diesen Temperatursensor an einem vereisungsfähigen Bereich
des Verdampfers zu platzieren, so dass eine isolierende Eisschicht,
die gegebenenfalls den Temperatursensor überdeckt, die zwischen den
zwei Temperatursensoren messbare Temperaturdifferenz mit zunehmender Schichtdicke
noch weiter verstärkt.
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Der
zweite Temperatursensor ist vorzugsweise an einem Ausgang des Kanals
angeordnet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt
durch ein Kältegerät gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 ein Detail des Luftkanals
gemäß einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung;
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3 ein Detail des Luftkanal
gemäß einer dritten
Ausgestaltung der Erfindung;
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4 eine Luftdurchsatz-Messeinrichtung gemäß einer
vierten Ausgestaltung der Erfindung; und
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5 einen Teilschnitt durch
das Gehäuse eines
Kältegeräts gemäß einer
fünften
Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt stark schematisiert
ein No-Frost-Kältegerät gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung. Das Kältegerät umfasst in herkömmlicher
Weise ein wärmeisolierendes
Gehäuse 1,
in dem ein Innenraum 2 zur Aufnahme von Kühlgut und
eine von dem Innenraum 2 durch eine Zwischenwand 3 abgetrennte,
durch Öffnungen 4 in
der Zwischenwand 3 mit dem Innenraum 2 kommunizierende
Verdampferkammer 5 gebildet ist. In der Verdampferkammer 5 befindet
sich ein durch eine Kältemaschine 6 mit
Kältemittel
versorgter plattenförmiger Verdampfer 7 und,
in engem Kontakt mit diesem, eine Abtauheizung 8.
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Die
Verdampferkammer 5 und die Öffnungen 4 werden
gemeinsam auch als Luftkanal bezeichnet. Eine Steuerschaltung 10 steuert
den Betrieb der Kältemaschine 6 und
eines an der oberen Öffnung 4 angebrachten
Ventilators 11 anhand eines Messsignals von einem (nicht
dargestellten) Temperatursensor im Innenraum 2. Kältemaschine 6 und
Ventilator 11 können
jeweils gleichzeitig betrieben werden; bevorzugt ist, den Ventilator 11 jeweils
mit einer gewissen Verzögerung
gegenüber
der Kältemaschine 6 ein-
und auszuschalten, um so bei Inbetriebnahme der Kältemaschine 6 dem
Verdampfer 7 erst Gelegenheit zu geben, sich abzukühlen, bevor
Luft umgewälzt
wird, und um Restkälte
des Verdampfers 7 nach Abschalten der Kältemaschine 6 noch
auszunutzen.
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In
der unteren Öffnung 4 ist
ein Windrad 12 angeordnet, das durch die vom Ventilator 11 verursachte
Luftströmung
drehangetrieben wird und dessen Drehung durch einen mit der Steuerschaltung 10 verbundenen
Drehgeber 13 erfasst wird. Anhand der Signale des Drehgebers 13 ist
die Steuerschaltung in der Lage, die Drehgeschwindigkeit des Windrades 12 und
damit den Luftdurchsatz durch den Luftkanal zu beurteilen. Wenn
diese Drehgeschwindigkeit unter einen vorgegebenen Grenzwert abfällt, so
ist dies ein Hinweis darauf, dass der freie Querschnitt der Verdampferkammer 5 durch
Eisbildung am Verdampfer 7 deutlich verringert ist, und
dass ein Abtauvorgang erforderlich ist.
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Zum
Abtauen beaufschlagt die Steuerschaltung 10 über einen
Schalter 9 die Abtauheizung 8 während einer
vorgegebenen Zeitspanne mit einem Heizstrom. Die Zeitspanne ist
so gewählt,
dass die in dieser Zeit von der Abtauheizung 8 freigesetzte
Wärmemenge
ausreicht, um die Eisschicht am Verdampfer komplett abzutauen. Da
die Eisschichtdicke, bei der die Steuerschaltung 10 einen
Abtauvorgang auslöst,
stets im Wesentlichen die gleiche ist, ist auch die zum Abtauen
benötigte
Wärmeenergie
im Wesentlichen konstant, ist eine adaptive Regelung der Abtauzeitdauer
nicht erforderlich.
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Wenn
das Windrad 12 klemmt, kann dies fälschlicherweise dazu führen, dass
ein Abtauvorgang als notwendig erkannt und ausgelöst wird.
Die Wahrscheinlichkeit des Klemmens kann verringert werden, indem
der Ventilator 11 jeweils bei Inbetriebnahme kurzzeitig
mit einer höheren
Drehzahl als seiner Dauerbetriebsdrehzahl betrieben wird, um zu
gewährleisten,
dass die am Windrad 12 auftretende Luftströmung stark
genug ist, um dieses in Drehung zu versetzen. Denkbar ist auch,
dass die Steuerschaltung 10 in der Lage ist, einen abrupten
Abfall der Drehgeschwindigkeit des Windrades 12 von einer
allmählichen
Abnahme zu unterscheiden, und in ersterem Falle den Ventilator 11 kurzzeitig
mit überhöhter Drehzahl
zu betreiben und, wenn danach noch keine Drehung erfasst wird, eine
Störungsmeldung
zu erzeugen.
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2 zeigt einen Ausschnitt
aus dem Luftkanal, z.B. in Höhe
einer der Öffnungen 4,
gemäß einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung. In der Wand des Kanals ist eine flexible
Lamelle 14 verankert, die in den Kanal vorsteht und durch
einen Luftstrom aus einer gestrichelt dargestellten Ruhestellung
in eine durchgezogen dargestellte, elastisch verbogener Stellung
ausgelenkt wird. Die Stellung der Lamelle wird von einem in dem
Kanal angeordneten Näherungssensor 15,
z.B. in Form eines Schwingkreises mit einer Spule 16, dessen
Resonanzfrequenz durch die Entfernung der Lamelle 14 von
der Spule 16 beeinflusst wird, erfasst. Da bei dieser Ausgestaltung keine
ständig
bewegten Teile vorhanden sind, ist ihr Verschleiß gering und die Zuverlässigkeit
hoch.
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3 zeigt einen Ausschnitt
des Luftkanals gemäß einer
dritten Ausgestaltung der Erfindung. Der Luftkanal ist hier lokal
zu einer Düse 17 verengt, an
deren Ausströmseite
eine Kammer 19 mit einem Drucksensor 18 darin
gebildet ist. Die hohe Geschwindigkeit des Luftstroms an der Austrittseite
der Düse 17 bewirkt
in Art einer Strahlpumpe eine starke Druckverminderung in der Kammer 19,
die mit Hilfe des Drucksensors 18 erfassbar ist. Die an
den Drucksensor 18 angeschlossene Steuerschaltung ist so
in der Lage, die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft und damit den Durchsatz durch den Luftkanal abzuschätzen und
einen Abtauvorgang auszulösen,
wenn der Luftdurchsatz einen kritisch niedrigen Wert erreicht.
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Bei
der anhand von 4 dargestellten
vierten Ausgestaltung der Erfindung sind im Luftkanal zwei Drähte 20, 21 mit
temperaturabhängigem
Widerstandswert angeordnet. Jedem Draht 20, 21 ist eine
Messschaltung 22 bzw. 23 zugeordnet. Die Messschaltung 22 beaufschlagt
den Draht 20 mit einer geringen Messspannung, misst den
daraus resultierenden Stromfluss durch den Draht 20 und
ermittelt den entsprechenden Widerstands- bzw. Temperaturwert des
Drahts 20. Die an den Draht 20 angelegte Spannung
ist so niedrig gewählt,
dass die aus dem Stromfluss resultierende Erwärmung des Drahtes 20 vernachlässigbar
ist.
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Die
erste Messschaltung 22 liefert den erhaltenen Temperaturwert
an die Steuerschaltung 10. Diese liefert einen demgegenüber um eine
feste Differenz erhöhten
Temperatur-Sollwert an die zweite Messschaltung 23. Diese
regelt die Spannung, mit der sie den Draht 21 beaufschlagt,
derart, dass dieser die Solltemperatur annimmt. Die Temperatur des Drahts 21 erfasst
die Messschaltung 23 in gleicher Weise wie die Messschaltung 22 über den
Widerstandswert des Drahtes. Den Wert der hierfür benötigten Heizleistung liefert
die Messschaltung 23 zurück an die Steuerschaltung 10.
Die Heizleistung ist um so größer, je
größer der
Luftdurchsatz durch den Luftkanal ist. Fällt sie unter einen vorgegebenen Grenzwert
ab, so erkennt die Steuerschaltung 10, dass eine kritische
Eismenge erreicht ist und löst
einen Abtauvorgang aus.
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Eine
fünfte
Ausgestaltung der Erfindung ist in 5 anhand
eines Teilschnitts eines Kältegerätegehäuses gezeigt.
Der Aufbau des Gehäuses
entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 1 beschriebenen, so dass in beiden Figuren
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnete Elemente nicht erneut beschrieben
werden. Bei der Ausgestaltung der 5 entfallen
das Windrad und der Drehgeber in der unteren Öffnung 4 des Luftkanals;
statt dessen ist in der oberen Öffnung,
die den Ausgang des Luftkanals bildet, und auf der Platte des Verdampfers 7 jeweils
ein Temperatursensor 24 bzw. 25 angebracht. Eine
schraffierte Fläche
bezeichnet eine Eisschicht 26, die sich rings um den Verdampfer
und die Abtauheizung 8 bilden kann. Wenn der Verdampfer 7 eisfrei
ist, so ist der freie Durchgangsquerschnitt der Verdampferkammer 5 relativ
groß,
und ein für
eine effektive Kühlung
des Innenraums 2 benötigter
Luftdurchsatz ist bei geringer Strömungsgeschwindigkeit und dementsprechend
großer
Verweildauer der Luft im Kontakt mit dem Verdampfer 7 erreichbar.
Die Abkühlung
der Luft am Verdampfer 7 ist daher intensiv, und die Differenz
zwischen den von den Sensoren 24, 25 erfassten
Temperaturen ist gering.
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Mit
zunehmender Dicke der Eisschicht 26 auf dem Verdampfer 7 nimmt
der freie Querschnitt der Verdampferkammer 5 ab. Ebenso
nimmt der Luftdurchsatz ab, und die Strömungsgeschwindigkeit in der
Verdampferkammer 5 steigt. Infolgedessen verkürzt sich
die zum Abkühlen
der Luft zur Verfügung stehende
Zeit, und die Differenz zwischen den von den Sensoren 24, 25 erfassten
Temperaturen nimmt zu.
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Wenn,
wie hier dargestellt, der Temperatursensor 25 an einer
Stelle des Verdampfers 7 angebracht ist, an der sich Eis
sammeln kann, so trägt
zusätzlich
auch die Eisschicht 26 selbst zur Erhöhung der Temperaturdifferenz
zwischen den zwei Sensoren bei. Wenn diese Temperaturdifferenz einen
vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
löst die
mit den Sensoren 24, 25 verbundene Steuerschaltung 10 einen
Abtauvorgang aus.