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Tiefkühlgerät mit Kältespeicher
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Die Methode Lebensmittel bei tiefen Temperaturen für längere Zeit
zu lagern hat sich in steigendem Maße eingeführt. Man war allerdings auch gezwungen
Maßnahmen zu treffen, um der Gefahr von Lebensmittelvergiftungen vorzubeugen, welche
selbst bei kurzfristigem Auftauen der tiefgefrorenen Lebensmittel drohen. Diese
Gefahr besteht bereits beim Transport und Verkauf tiefgefrorener Waren, aber auch
z.B. bei Stromausfall, der die Funktion der Tiefkühlgeräte bedroht. Um solche stromlose
Zeiten zu überbrücken, werden die Tiefkühlgeräte besonders gut wärmeisoliert und
auch mit Kälte speichern ausgestattet, um ein zu schnelles Ansteigen der Temperatur
im Gerät zu vermeiden. Je nach Kühlgut werden -1ß Grad C bis -12 Grad C als kritische
Temperaturen angesehen.
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Eine besonders wirkungsvolle Ausbildung eines Kältespeichers erreicht
man, indem man diesen als Latent-Kältespeicher ausbildet. Das heißt man nützt die
sogenannte Schmelzwärme einer Flüssigkeit, bzw. eines Flüssigkeitsgemisches (z.B.
Wasser/ Alkohol) aus, um große Wärme bzw. Kältemengen mit kleinen Volumen speichern
zu können. Beispielsweise kann man mit 1 Kcal die Temperatur von 1 Liter Wasser
um 1 Grad C verändern. Um aber z.B. 1 Liter Wasser von + 0,5 C auf - 0,5 C zu bringen
muB man zunächst auf 0 C abkühlen, dann weitere 79,5 Kcal dem Wasser entziehen,
wobei alles Wasser in Eis umgewandelt wird und erst dann wird die Temperatur unter
0 C absinken auf -0,5 C.
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Ebenso wird beim Auftauen, d.h. Schmelzen des Eises trotz Zuführung
großer Wärmemengen die Temperatur erst ansteigen 1 wenn alles Eis geschmolzen ist.
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Diese vorteilhafte Anwendung eines Latent-Kältespeichers wird erfindungsgemäß
mit einer elektrischen Steuerung kombiniert, welche besondere Vorteile für die Energienutzung
bringt. Das
Angebot elektrischer Energie ist üblicherweise in den
Nachtstunden nicht ausgenützt, hingegen ist jeder Verbrauch während der Tagesstunden
als zusätzliche Kapazitäts-Leistungsspitze zu bewältigen. Der strittige Ausbau von
Kernkraftwerken ist ein drastisches Beispiel dieser Problematik.
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Auf anderen Gebieten hat man dieses Problem bereits gelöst indem man
z.B. bei Nachtstromspeicheröfen, den nachts reichlich vorhandenen - und zudem billig
angebotenen - sogenannten "Nachtstrom" für Heizzwecke nutzt und tagsüber die in
diesen Öfen gespeicherte Wärme nach außen abgibt.
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Die Aufgabenstellung für die erfindungsgemäße Nutzung des Nachtstromes
für Tiefkühlzwecke unterscheidet sich in wesentlichen punkten von jener für Nachtstromspeicheröfen.
Es handelt sich nicht nur darum Kälte zu speichern um bei Ausfall der Anlage mögliche
Vergiftungen zu vermeiden, sondern auchim das biologisch bedingte große Angebot
an Kältekalorien bereitzustellen um kritische Temperaturbereiche beim Einfrieren
von LebensmitUt möglich schnell zu "durchfahren". Dazu kommt noch das züsätzliche
Problem, daß bei einem Latent-Kältespeicher eine Temperaturmessung während des Frierens
oder Auftauens mit herkdmmlicheu Thermostaten versagt, da in dieser Phase der Aggregatzustandsänderung
keine Temperaturänderung auftritt.
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Um die erforderlichen Eigenschaften und Funktionen eines Tiefkühigerätes
mit Kälte speicher für relativ lange Strompausen zu erreichen wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß als Kältespeicher ein Latentkältespeicher vorgesehen und ein
elektrisches Schaltgerät vorhanden ist, welches abhängig vom Stromtarif und/oder
der Tageszeit die Kältemaschine einschaltet und temperaturabhängig bei einer Temperatur
unterhalb des Gefrierpunktes des Kälte speichers die Kältemaschine abschaltet. Dadurch
ist gewährleistet, daß die Kältemaschine erst bei *vollem* Kältespeicher, das heisst
wenn alle Flüssigkeit gefroren ist, abschaltet.
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Diese Art der Schaltung - "ein" zeitabhängig - "aus" temperaturabhängig-
unterscheidet diese neuartige Steuerung der Kältemaschine von einer Kühlanlage herkömmlicher
Bauart.
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Da man zweckmäßigerweise jeden Stromverbrauch bei Tag vermeidet -es
sei denn im Gefahrenfall- wird weiternin erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die
Abschaltung der Kältemaschine zusätzlich auch abhängig vom Stromtarif und/oder der
Tageszeit erfolgt. Damit läuft man zwar Gefahr, daß der Speicher nicht 100 * *gefüllt"
wird, aber begrenzt die Energieaufnahme bei Tag.
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Sollte sich im praktischen Einsatz eine drohende Gefahr für die eingefrorenen
Lebensmittel dadurch ergeben, daß aus irgendeinem Grund die Kälte speicher auftauen
und die Temperatur ansteigt, wird als Sicherheitsmaßnahme vorgeschlagen, daß parallel
zu dem elektrischen Schaltgerät, welches abhängig vom Strom tarif und/oder der Tageszeit
die Kältemaschine einschaltet, ein weiteres temperaturabhängig schaltendes Gerät
sozusagen ein wGefahrenthermostat" vorhanden ist, welches bei einer Temperatur die
über dem Gefrierpunkt des Latentkältespeichers liegt, die Kältemaschine einschaltet.
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Da man eine zu große Energieaufnahme während der Tagesstunden vermeiden
will, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß während der Tagesstunden, falls der WGefahrenthermostat"
einschaltet, zwar gekühlt wird aber dem Kälte speicher keine Kälte zugeführt wird,
indem das weitere zusätzliche temperaturabhängig schaltende Gerät bei einer Temperatur
die über dem Gefrierpunkt des Latentkältespeichers liegt die Kältemaschine einr
schaltet und bei einer Temperatur die darunter, aber noch über dem Gefrierpunkt
des Latentkältespeichers liegt wieder ag schaltet.
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Als weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung wir vorgeschlagen, daß
ein Schalter vorhanden ist, der das Tiefkühlgerät auf normale Temperatursteuerung
bekannter Art umschaltet. Damit kann man wahlweise auf konventionellen Betrieb ausweichen,
falls infolge irgendwelcher Störungen oder aus anderen Gründen
dies
zweckmäßig erscheint. Dabei kann als Temperatursteuerung z.B. der "Gefahrenthermostat"
benützt werden.
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Da verschiedene Temperaturbereiche zu beachten sind, nämlich der für
einen H3 Sterne" Kühlschrank vorgeschriebene - 180 C 0 Bereich, sowie der erwähnte
Gefahrenbereich über - 12 C kann es vortttlhaft sein, mehrere Latent-Kältespeicher
mit verschiedenen Schmelztemperaturen vorzusehen. Falls Gefriergut eingelagert wird,
welches mit - 12 C auskommt, kann durch diese Maßnahme wesentlich Energie gespart
werden, da man in einem solchen Fall nur bis zur oberen - 12 C Temperatur abkühlt
und in diesem Bereich die Kältemaschine mit einem besseren Wirkungsgrad arbeitet.
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Zu diesem Zweck müssen erfindungsgemäß die temperaturabhängigen Schaltgeräte
wahlweise auf die Temperaturbereiche der verschiedenen Latentkältespeicher umschaltbar
sein.
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Um extrem hohen Kältebedarf z.B. beim Einfrieren von Kühlgut bereitstellen
zu können wird zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Einrichtungen erfindungsgemäß
vorgeseheni daß ein handbetätigter Schalter vorhanden ist, welcher die Kältemaschine
dauernd einschaltet.
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Da ein deratiger extrem hoher Kältebedarf nur ausnahmsweise eintritt
und bei handbetätigten Schaltern die Gefahr eines Vergessens des Abschaltens besteht,
wird als eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung vorgeschalgen, daß ein Schalter
vorhanden ist, welcher die vom Stromtarif und/oder der Tageszeit abhängige Abschaltung
der Kältemaschine für einen oder auch wahlweise mehrere Zyklen überbrückt.
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Die erfindungsgemäße Ausstattung von Tiefkühlgeräten ist bei Neukonstruktionen
in einfacher Art möglich. Da jedoch bereits hundertausende dieser Geräte als Tiefkühltruhen
oder Tiefkühlschränke in Gebrauch sind, besteht eine erfindungsgemäse
vorteilhafte
Ausgestaltung darin, daß die zusätzlich erforderlichen Latentkältespeicher und Schaltgeräte
als Nack rüstbausatz gestaltet sind.
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Die Latentkältespeicher sind z.B. zu diesem Zwecke flache Kunstätoffbehälte,
welche mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die bei der gewünschten Temperatur friert
bzw. aufbaut. Anschlüße oder Verbindungen sind nicht erforderlich, die Behälter
werden in mehreren Standardgrößen vorgesehen und je nach Form und Größe der Tiefkühlgeräte
einfach am Boden oder an den Wänden, oder auch als Trennwände zwischen dem Kühlgut
angeordnet. Damit ist für jedes Gerät eine optimale Aut legung möglich. Selbsthaftende
oder klebende Verbindungen an den Kälteäpeichern erleichtern deren Anbringung.
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Ebenso ist die Ausbildung eines kombinierten Steuergerätes, welches
alle Funktionen vereinigt erfindungsgemäß mit einer Anzeige der wählbaren Einschaltzeiten
vorgesehen, derart, daß alle Steuerfunktionen in einer Einheit zusammengefasst sind,
die in Art einer Schaltuhr auch die Einächaltzeiten anzeigt und bei Stromausfall
ein Warnsignal auslöst.
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Schaltuhren, die ohne Gangreserve bei Stromausfall im falschen Rythmus
schalten, können auch in den Fällen wo die Elektrizitätswerke Schaltsignale ins
Netz ausstrahlen um die Tarifzähler umzuschalten erfindungsgemäß durch eine entsprechende
elektronische, vom Stromtarif abhängige Schaltung ersetzt werden, derart, daß die
vom Stromtarif abhängige Schaltung durch Steuersignale die dem Stromversorgungsnetz
überlagert sind, ausgelöst wird.
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Zur Erläuterung der Funktion eines erfindungsgemäßen Kühlgerätes mit
Latentkältespeicher und Niedertarifschaltung sollen nachstehend Ausführungsbeispiele
beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt ein Temperatur/Zeit Schaltdiagramm wie es ein handelsübliches
Kühlgerät aufweist. In mehr oder weniger regelmäßigen
Zyklen, abhängig
auch z.B. von der Anzahl der Türöff 3 4 nungen oder der Entnahme oder Zugabe von
Kühlgut wird in den dargestellten Zeitraum von 20 h bis 24 h des darauffolgenden
Tages die Kühlmaschine $Diagramm $Diagrammen Im Beispiel Fig. 1 wird jeweils bei
- 180 C die Kühlmaschine eingeschaltet und bei - 22 L C abgeschaltet. Das Diagramm
Fig. 1 und in den folgenden Diagrammen zeigen jeweils in stark ausgezogenen Linien
(1) die Kühlvorgänge bei eingeschalteter Kältemaschine und in dünnen Linien (2)
die Erwärmungsvorgänge bei abgeschalteter Kühlmaschine. Die Vorgange wiederholen
sich sowohl in der Nachtzeit (3) (Niedertarif) z.B. von 22 h bis 6 h als auch bei
Tagzeit (4 (Hochtarif) z.B. von 6 h bis 22 h.
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Fig. 2 zeigt das volkommen verschiedene Temperatur/Zeit Diagramm eines
Kühlgerätes mit Latent-Kältespeicher. Vorausgesetzt daß bereits ein Beharrungszustand
eingetreten ist, wird nur mehr den Kältespeicher Kälte zugeführt bzw. entnommen,
ohne daß die Temperatur ansteigt.
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11 Beispiel Fig. 2 ist die Gefriertemperatur des Kältespeichers aLt
- 200 C angenommen.
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Sobald erfindungsgemäß zeitabhängig nach Beginn des Niedertariffes
z.B. um 22 Uhr die Kältemaschine eingeschaltet wird, führt sie den Kältespeicher
Kälte zu, das beisst, das in dies- Kältespeicher in flüssigen Zustand vorhandene
Kältemittel gefriert ohne daß sich dabei die Temperatur im Kühlgerät ändert.
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Erst nchden alles flüssige Kältenittel des latent-Kältespeichers gefroren
ist, Punkt (5) des Diagrames, sinkt die Temperatur weiter ab und die Kältemaschine
schaltet s.B. bei - 220 C temr peraturabhängig ab. (Punkt 6).
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Anschließend findet ein Erwärmungsvorgang, infolge der unvermeidbaren
Isolationsverluste, statt und die Temperatur
steigt bis zum Erreichen
der Schmelztemperatur des Kältespeichers an (Punkt 7>. Von Punkt 7 an wird die
Temperatur nicht ansteigen, da der Kältespeicher die Wärmeverluste deckt. Auch die
Wärueverluste während der Tageseeit (4) werden von der Schmelzwärme des Kältemittels
gedeckt.
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Erst bei Beginn des Niedertarifes in der Nachtzeit (3) wird erfindungsgemäß
die Kält-aschine wieder eingeschaltet und führt dem Kältespeicher Gälte zu, usf.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens, falls
durch Einlagerung von Kühigut oder durch andere Umstünde wie häufiges Öffnen der
Tür, die während der Nachtzeit (3) zugeführte Kälte nicht ausreicht um den Speicher
zu füllen.
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Das Diagramm Fig. 3 zeigt, daß in einem solchen Beispiel die Kältemaschine
zwar die ganze nachtzeit (3) eingeschaltet ist, aber die zugeführte Kältemenge nihht
ausreicht, um den Kältespeicher zu füllen. Im Beispiel Fig. 3 ist jedoch erfindungsgemäß
eine Zeit- bzw. Tarif-äbhängige Abschaltung im Punkt (8) vorgesehen, welche den
Stromverbrauch während der Tagzeit (4) verhindert.
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Wie Fig. 3 zeigt kann natürlich im nächsten Zyklus im Punkt (9) der
Kältespeicher seine 100 | ige Füllung erreichen und der weitere Zyklus kann gemäß
Fig. 2 weiterlaufen.
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Fig. 4 zeigt ein "Gefahrenbeispiel". In diesem Fall ist zu einem Zeitpunkt
(10) die gespeicherte Kälte ausgebraucht und die Temperatur im Kühlgerät steigt
an.
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Für einen solchen Fall ist erfindungsgemäß eine temperaturabhängige
Einschaltung bei einer Gefahrentemperatur z.B. bei - 186 C vorgesehen. Im Punkt
(11) ist diese Temperatur erreicht,
die Kältemaschine wird eingeschaltet
und die Temperatur sinkt wieder ab bis sie bei Punkt (12) die Gefriertemperatur
des Kältespeichers erreicht. Ab Punkt (12) sinkt die Temperatur nicht weiter ab,
die Kälte wird im Kältespeicher gespeichert.
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Da man einen minimalen Verbrauch von Energie während der Tageszeit
(4) anstrebt ist eine weitere Verbesserung in Fig. 5 dargestellt. Um während der
Tageszeit (4) nur die minimal erforderliche Energie aufzuwenden, die ausreicht Schäden
am Kühlgut zu vermeiden, ist im Gefahrenfall iwar die Einschaltung der Kältemaschine
im Punkt (11) wie in Fig. 4 vorgesehen, jedoch erfolgt bereits temperaturabhän4ig
bei einer Temperatur von z.B. - 180 C, welche über dem Gefrierpunkt des Kältespeichers
von z.B. - 200 C liegt, die Abschaltung der Kältemaschine.
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Bei dieser Anordnung Fig. 5 arbeitet die temperaturabhängige Schaltung
vom Augenblick des Erreichens der Gefahrentemperatur Punkt (11) ähnlich einer herkömmlichen
nur temperaturabhängigen Steuerung. Dieser Diagranilablauf entspricht auch der ZNotschaltung",
daß man aus irgendwelchen Gründen die Zeit- oder Tarif-abhängige Steuerung über
einen handbetätigten Notschalter überbrückt und nur vorübergehend in herkömmlicher
Art temperaturabhäntig steuert.
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Fig. 6 zeigt eine beispielsweise Anbringung der Kältespeicher (14)
auf der Außenseite des Innenbehälters (13) einer Kühltruhe. Dabei werden die Kältespeicher
(14) direkt auf die Verdampferrohre (15) aufgeklebt um einen guten Kältbübergang
zu erreichen.
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Fig. 7 zeigt als Schnitt eine Kühltruhe mit nachträglich eingesetzten
Kältespeichern (14), die an den Wänden und dem Deckel der Truhe angeordna sind.
Auch dabei ist die
Verwendung von Klebeverbindungen vorteilhaft.
Der Kältespeicher (16) ist als Trennwand eingesetzt und bringt eine bessere Verteilung
der Kälte in Innern der Truhe.
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Fig. 8 zeigt eint beispielsweise Ausführung eines Steuerpultes (17)
wie es auch für eine Umrüstung einer schon vorhandenbn Kühltruhe verwendet werden
kann. Das Gerät wird z.B. mit einem Stecker (18) an das elektrische Netz angeschlossen.
Die Kühltruhe wird ebenfalls über den Stecker (19) an das Gerät angeschlossen. Dabei
wird eine event. schon vorhandene Steuerung überbrückt indem man die Kühltruhe auf
Dauerbetrieb schaltet. Der Temperaturfühler (20) wird in die Kühltruhe eingelegt,
und das Schaltpult (17) übernimmt alle erfindungsgemäßen Funkt tiontn. Die 24 Stunden
Schaltuhr (21), deren schraffiert gekennzeichnbter Einschaltbereich (22) mit dem
Knopf (23) eingestellt werden kann, bestimmt die normalen Einschalt, zeiten im Nachtzeit-Niedertarif.
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Der Temperaturwähler (24) gestattet die Wahl des gewünsuhr ten Temperaturbereiches.
Die Tasten (254 bis (28) bestippen besondere Funktionen, z.B. Taste (25) den Dauerbetrieb
für 1 Tageszyklus, TAste (26) den Dauerbetrieb für 2 Tage für den Fall des Einfrierens
größerer Mengen.
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Die Taste (27) könnte z.B. unbegrenzter Dauereinschaltung dienen.
Die Taste (28) könnte z.B. der Umschaltung auf normale Temperatursteuerung dienen,
indem sie alle zeitges teuerttn Funktionen überbrückt.
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Die angeführten Beispiele zeigen die bedeutenden Vorteile dieser neuen
Kombination von Latentkältespeicher und Zeit/ Temperatursteuerung. Obwohl nur Anwendungen
fOr Tiefkühltemperaturen beschrieben sind, ist die gleiche erfindungsgemäße Benutzung
in Kühlschränken bei Temperaturen über Null Grad Celsius möglich. Sei es, daß von
einem Tiefkßhlspeicher Luft gekühlt wird, die in entsprechenden
Mengen
in bekannter Art dem Kühlraum beigemischt wird um die gewünschte Temperatur zu erhalten,
oder direkt Latentkältespeicner zu verwenden, welche bereits oberhalb 0 C frieren.
Die Methode der Beimischung von Tiefgekühlter Luft hat naturgemäß den Vorteil, daß
man die Temperatur regelbar einstellen kann.
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Je nsch vertretbaren Kostenaufwand läßt sich diese Erfindung sehr
sparsam aufbauen, aber auch mit allen Feiner heiten ausstatten die höchsten Ansprüchen
genügen.
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L e e r s e i t e