DE102010001465A1 - Method for manufacturing ice cubes, involves providing container with water, thermoelectric cooling device with hot side and cold side connected with insertion element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Eisstücken durch anwachsendes Anfrieren von Wasser an wenigstens einem unten den Gefrierpunk des Wassers kühlbaren Eintauchelement.The invention relates to a method for producing pieces of ice by increasing freezing of water at least one below the freezing point of the water coolable immersion element.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Erzeugen von Eisstücken, aufweisend einen Wasserbehälter mit Wasser, wenigstens ein Eintauchelement, das eingerichtet ist, in das Wasser eingetaucht zu werden, um es an der Oberfläche des Eintauchelements anwachsend anfrieren zu lassen, und eine Kälteerzeugungseinrichtung zum Kühlen des Eintauchelements unten den Gefrierpunkt des Wassers, sowie ein Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät mit einer solchen Vorrichtung.The invention also relates to a device for producing pieces of ice, comprising a water container with water, at least one immersion element, which is adapted to be immersed in the water to allow it to freeze on the surface of the immersion element, and a cooling device for cooling the Immersion element below the freezing point of the water, as well as a refrigerator, in particular household refrigeration appliance with such a device.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Eisstücken zu verbessern, insbesondere Klareis mit einfachen Mitteln kosten- bzw. energieeffizient herzustellen.The object of the invention is to improve a method and a device for producing pieces of ice, in particular cost-effective and energy-efficient to produce clear ice with simple means.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von Eisstücken durch anwachsendes Anfrieren von Wasser an wenigstens einem unten den Gefrierpunk des Wassers kühlbaren Eintauchelement mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines Behälters mit Wasser;
- – Bereitstellen einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung mit einer Warmseite und einer Kaltseite, die mit dem Eintauchelement verbunden ist;
- – Eintauchen des Eintauchelements in das Wasser;
- – Messen der Temperatur an der Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, insbesondere mittels eines Temperatursensors;
- – Steuern der thermoelektrischen Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur.
- - Providing a container with water;
- - providing a thermoelectric cooling device having a hot side and a cold side, which is connected to the immersion element;
- - immersion of the immersion element in the water;
- - Measuring the temperature at the hot side of the thermoelectric cooling device, in particular by means of a temperature sensor;
- Controlling the thermoelectric cooling device as a function of the measured temperature.
Die Ansteuerung des Eisstückbereiters kann alleine über die Kühlkörpertemperatur erfolgen. Dabei ist keine direkte Kommunikation zwischen der Kühlgerätesteuerung und der Steuerung des Eisstückbereiters notwendig. Eine Steuerung der einzelnen Eisproduktionszyklen kann alleine durch Festlegung zweiter Schwelltemperaturen und einer maximalen Dauer der Gefrierphase erfolgen. Durch diese Steuerung kann auch die Größe der Eiswürfel kontrolliert werden, wodurch eine komplizierte Detektion der Eiswürfelgröße entfallen kann. Die relativ große Masse des Kühlkörpers kann als Kältespeicher dienen. Dadurch kann beispielsweise bei bereits geschlossener Regelklappe des Kältegeräts über einen bestimmten Zeitraum noch Eis produziert werden.The control of the Eisstückbereiters can be done alone on the heat sink temperature. In this case, no direct communication between the refrigerator control and the control of Eisstückbereiters is necessary. A control of the individual ice production cycles can be done alone by setting second threshold temperatures and a maximum duration of the freezing phase. By this control, the size of the ice cubes can be controlled, whereby a complicated detection of the ice cube size can be omitted. The relatively large mass of the heat sink can serve as a cold storage. As a result, ice can still be produced over a certain period of time, for example, when the control flap of the refrigeration device is already closed.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung d. h. ein Eisstückbereiter kann in einem Kühlfach eines Kältegeräts, beispielsweise einer Kühl- und Gefrierkombination verwendet werden bzw. darin eingebaut sein. Dabei kann sich ein Kühlkörper des Eisstückbereiters in einem Kühlluftkanal des Kühlgeräts befinden. Die Abwärme des Eisbereiters kann über den Kühlkörper auf den Kühlluftstrom im Kühlluftkanal übertragen werden.An inventive device d. H. a Eisstückbereiter can be used in a refrigerated compartment of a refrigerator, such as a fridge freezer or be installed in it. In this case, a heat sink of the Eisstückbereiters can be located in a cooling air duct of the refrigerator. The waste heat of the ice maker can be transmitted via the heat sink to the cooling air flow in the cooling air duct.
In einem beispielhaften Kältegerät wird durch einen Ventilator die Luft im Gefrierfach umgewälzt und über den Verdampfer abgekühlt. Ist die Temperatur im Kühlfach zu hoch, so öffnet sich die Regelklappe und kalte Luft strömt über den Kühlluftkanal in das Kühlfach und wird anschließend wieder über separate Luftkanäle wieder in das Gefrierfach geleitet. Wird die angestrebte Temperatur im Kühlfach erreicht, schließt sich die Regelklappe wodurch der Kühlluftstrom in das Kühlfach unterbrochen wird. Mit geschlossener Regelklappe wird nun das Gefrierfach bis zum Erreichen der Solltemperatur gekühlt. Ist diese erreich wird der Verdichter und damit der Kältekreislauf des Kühlgerätes abgeschaltet. Erst wenn die Kühlfachtemperatur oder Gefrierfachtemperatur wieder einen Schwellwert überschritten hat, öffnet sich erneut die Regelklappe bzw. wird der Verdichter erneut eingeschaltet und die kalte Luft aus dem Gefrierfach strömt wieder durch den Kühlluftkanal in das Kühlfach.In an exemplary refrigeration device, the air in the freezer is circulated by a fan and cooled by the evaporator. If the temperature in the cooling compartment is too high, the control flap opens and cold air flows via the cooling air duct into the cooling compartment and is then routed again via separate air channels into the freezer compartment. If the desired temperature is reached in the cooling compartment, the control valve closes whereby the cooling air flow is interrupted in the cooling compartment. With the control flap closed, the freezer compartment is now cooled until it reaches the setpoint temperature. If this is reached, the compressor and thus the refrigeration circuit of the refrigerator is switched off. Only when the refrigerating compartment temperature or freezer compartment temperature has exceeded a threshold again, opens the control valve or the compressor is switched on again and the cold air from the freezer flows back through the cooling air duct in the refrigerator compartment.
Ohne Kühlluftstrom durch den Kühlluftkanal wird der Kühlkörper des Eisstückbereiters nicht mehr gekühlt und erwärmt sich während der Eisstückproduktion, wodurch die Eisproduktion immer ineffizienter abläuft. Ab einer Kühlkörpertemperatur von ca. 20°C ist keine effektive Eisstückproduktion mehr möglich.Without cooling air flow through the cooling air duct, the heat sink of the ice maker is no longer cooled and heats up during the Eisstückproduktion, whereby the ice production is always inefficient. From a heat sink temperature of about 20 ° C effective ice cream production is no longer possible.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann ein Messen der Temperatur an einem mit der Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung verbundenen Kühlkörper erfolgen. Die Temperatur des Kühlkörpers hat maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der thermisch angekoppelten thermoelektrischen Kühlvorrichtung. Prinzipiell kann die Temperatur unmittelbar an der Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung erfolgen. Da diese Warmseite schwer zugänglich sein kann, ist eine Messung der Temperatur an dem Kühlkörper zweckmäßig. Auch beeinflusst die Größe und das Material des Kühlkörpers den Betrieb der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, so dass eine Messung der Temperatur an dem Kühlkörper sinnvoll ist.In a development of the method, the temperature can be measured on a heat sink connected to the hot side of the thermoelectric cooling device. The temperature of the heat sink has a significant influence on the performance of the thermally coupled thermoelectric cooling device. In principle, the Temperature take place directly on the hot side of the thermoelectric cooling device. Since this hot side can be difficult to access, a measurement of the temperature at the heat sink is appropriate. Also, the size and the material of the heat sink affect the operation of the thermoelectric cooling device, so that a measurement of the temperature at the heat sink is useful.
In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens kann ein Einschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung erfolgen, wenn die gemessene Temperatur kleiner gleich Null Grad Celsius, insbesondere kleiner gleich minus drei Grad Celsius, insbesondere kleiner gleich minus fünf Grad Celsius ist. So ist sichergestellt, dass während des Betriebs der thermoelektrischen Kühlvorrichtung an der Kaltseite d. h. an den Eintauchelementen stets Temperaturen herrschen, die ein Anfrieren von Wasser zur Bildung von Eisstücken ermöglicht.In another refinement of the method, the thermoelectric cooling device can be switched on if the measured temperature is less than or equal to zero degrees Celsius, in particular less than or equal to minus three degrees Celsius, in particular less than or equal to minus five degrees Celsius. This ensures that during operation of the thermoelectric cooling device on the cold side d. H. temperatures always prevail at the immersion elements, which allows freezing of water to form ice pieces.
In allen erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Ausschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung erfolgen, wenn die gemessene Temperatur größer gleich plus zehn Grad Celsius, insbesondere größer gleich plus acht Grad Celsius, insbesondere größer gleich plus sechs Grad Celsius ist. Ist die Temperatur der Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung bzw. des Kühlkörpers ausreichend niedrig, so kann an den Eintauchelementen Wasser zur Bildung von Eisstücken anfrieren auch wenn die thermoelektrische Kühlvorrichtung nicht mit elektrischer Energie versorgt ist. Durch ein erfindungsgemäßes Abschalten bei ausreichend niedrigen Temperaturen wird elektrische Energie gespart und die thermoelektrische Kühlvorrichtung wird insgesamt energieeffizienter betrieben.In all of the methods according to the invention, the thermoelectric cooling device can be switched off if the measured temperature is greater than or equal to ten degrees Celsius, in particular greater than or equal to eight degrees Celsius, in particular greater than or equal to six degrees Celsius. If the temperature of the hot side of the thermoelectric cooling device or of the cooling body is sufficiently low, water may freeze on the immersion elements to form ice pieces, even if the thermoelectric cooling device is not supplied with electrical energy. By switching off according to the invention at sufficiently low temperatures, electrical energy is saved and the thermoelectric cooling device is operated more energy-efficient overall.
Alternativ oder ergänzend kann ein Ausschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung erfolgen, nach einer vorgegebenen Maximallaufzeit der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, insbesondere 45 Minuten nach dem Einschalten.Alternatively or additionally, the thermoelectric cooling device can be switched off after a predetermined maximum operating time of the thermoelectric cooling device, in particular 45 minutes after switching on.
Daneben kann ein Vorkühlen erfolgen, insbesondere thermoelektrisches Vorkühlen des wenigstens einen Eintauchelements unten den Gefrierpunkt des Wassers, insbesondere mittels eines Peltierelements, mit einem Weiterkühlen und Belassen des wenigstens einen Eintauchelements in dem Wasser bis eine gewünschte Menge an Wasser als Eisstück an dem Eintauchelement angefroren ist.In addition, pre-cooling, in particular thermoelectric precooling of the at least one immersion element below the freezing point of the water, in particular by means of a Peltier element, with a further cooling and leaving the at least one immersion element in the water until a desired amount of water is frozen as Eisstück on the immersion element.
Das erfindungsgemäße Vorkühlen des wenigstens einen, insbesondere der mehreren Eintauchelement ermöglicht es, Eisstücke, insbesondere Klareisstücke mit einer Kälteerzeugungseinrichtung herzustellen. Die Kälteerzeugungseinrichtung muss dazu keine hohe Kälteleistung erzeugen können. Es genügt vielmehr eine Kälteerzeugungseinrichtung geringer Kälteleistung. So können insbesondere thermoelektrische Kälteerzeugungseinrichtungen verwendet werden. Die thermoelektrischen Kälteerzeugungseinrichtungen können dabei insbesondere ohne aufwändige Verdichter und Kältemittelkreisläufe auskommen.The precooling according to the invention of the at least one, in particular of the plurality of immersion element makes it possible to produce pieces of ice, in particular Klareisstücke with a refrigeration device. The refrigeration device does not have to be able to produce a high cooling capacity. It is sufficient but a refrigeration device low cooling capacity. In particular, thermoelectric refrigerating devices can be used. The thermoelectric refrigeration devices can in particular make do without expensive compressors and refrigerant circuits.
Zur Darstellung von Klareisstücken mit einer thermoelektrischen Kälteerzeugungseinrichtung, können folgende Rahmenbedingungen bei der Auslegung und beim Betrieb berücksichtigt werden:
Liegt die Temperatur der Eintauchelemente beim Einfüllen des Wassers in einem günstigen Bereich, so kann sich beim ersten Kontakt des Wassers mit den Eintauchelementen zwar durchaus zunächst eine dünne trübe Eisschicht schlagartig bilden. Diese Eisschicht wird jedoch nach einem vollständigen Benetzen der Eintauchelemente mit dem Wasser wieder abgetaut. Die Eiskristallisation setzt anschließend verzögert ein, so dass klare Eisstücke gebildet werden.For the representation of clear pieces with a thermoelectric cooling device, the following framework conditions can be taken into account in the design and operation:
If the temperature of the immersion elements in filling the water in a favorable range, it may well initially form a thin cloudy ice layer at the first contact of the water with the immersion elements abruptly. However, this ice layer is defrosted again after completely wetting the immersion elements with the water. The ice crystallization then sets in delayed, so that clear pieces of ice are formed.
Sind hingegen die Eintauchelemente während bzw. unmittelbar nach dem Eintauchen in den Wasserbehälter zu kalt, so bildet sich unmittelbar beim Kontakt des Wassers mit den Eintauchelementen an dessen Oberfläche eine trübe Eisschicht, die selbst nach dem vollständigen Benetzen der Eintauchelemente mit dem Wasser nicht mehr abschmelzen kann und als Trübung in den Eisstücken sichtbar bleibt.However, if the immersion elements are too cold during or immediately after immersion in the water tank, immediately upon contact of the water with the immersion elements on the surface of a turbid ice layer, which can not melt even after the complete immersion of the immersion elements with the water and remains visible as cloudiness in the pieces of ice.
Sind die Eintauchelemente während bzw. unmittelbar nach dem Eintauchen in den Wasserbehälter zu warm, so wird das Wasser um die Eisfinger herum zu langsam abgekühlt, so dass es zu einer deutlichen Unterkühlung des Wassers kommen kann, ohne das eine Eisbildung beginnt. Die Eisbildung bzw. eine Kristallisation setzt dann nach einiger Zeit schlagartig ein und es bildet sich trübe Eisstücke.If the immersion elements are too warm during or immediately after immersion in the water tank, the water is cooled too slowly around the ice fingers, so that it can lead to significant hypothermia of the water without the formation of ice begins. The formation of ice or a crystallization then begins after some time abruptly and it forms cloudy pieces of ice.
Die Eiskristallisation darf folglich auch bei günstigen Startbedingungen nicht zu schnell ablaufen. Wird eine kritische Wachstumsgeschwindigkeit überschritten, so kann sich das Kristallgitter des Eiskristalls nicht mehr zu klarem Eis ausbilden, weil es zu Einschlüssen und Gitterbaufehlern kommt, welche zu trüben Eis führen.The ice crystallization must therefore not run too fast even under favorable starting conditions. If a critical growth rate is exceeded, the crystal lattice of the ice crystal can no longer form clear ice, because it leads to inclusions and lattice defects, which lead to cloudy ice.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Eisstücken, kann aufweisen einen Wasserbehälter mit Wasser, wenigstens ein Eintauchelement, das eingerichtet ist, in das Wasser eingetaucht zu werden, um es an der Oberfläche des Eintauchelements anwachsend anfrieren zu lassen, und eine Kälteerzeugungseinrichtung zum Kühlen des Eintauchelements unten den Gefrierpunkt des Wassers, wobei die Kälteerzeugungseinrichtung eine thermoelektrische Kühlvorrichtung, insbesondere ein Peltierelement aufweist und die Vorrichtung eingerichtet ist, das Eintauchelement mittels der thermoelektrischen Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der Temperatur einer Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung zu kühlen, insbesondere mittels eines der beschriebenen Verfahren zu kühlen.An ice-pieces producing apparatus according to the present invention may comprise a water container with water, at least one immersion member adapted to be immersed in the water to allow it to freeze on the surface of the immersion member, and a refrigerating means for cooling the immersing member at the bottom the freezing point of the water, the refrigeration device having a thermoelectric cooling device, in particular a Peltier element and the device is set up, to cool the immersion element by means of the thermoelectric cooling device as a function of the temperature of a hot side of the thermoelectric cooling device, in particular to cool by means of one of the described methods.
Die Vorrichtung kann einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur der Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung aufweisen. Der Temperatursensor kann beispielsweise zwischen Warmseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung und dem Kühlkörper eingefügt sein und dort die Temperaturwerte aufnehmen.The apparatus may include a temperature sensor for measuring the temperature of the hot side of the thermoelectric cooling device. The temperature sensor may for example be inserted between the hot side of the thermoelectric cooling device and the heat sink and record the temperature values there.
Die Vorrichtung kann außerdem eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die zum Einschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, wenn die gemessene Temperatur kleiner gleich Null Grad Celsius, insbesondere kleiner gleich minus drei Grad Celsius, insbesondere kleiner gleich minus fünf Grad Celsius ist, eingerichtet ist. Die Steuerungsvorrichtung kann damit einerseits zur Auswertung der vom Temperatursensor gelieferten Messgrößen eingesetzt werden und andererseits eingerichtet sein, die thermoelektrische Kühlvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen und zwar gesteuert in Abhängigkeit der Eingangsgrößen vom Temperatursensor.The device may further comprise a control device adapted to switch on the thermoelectric cooling device when the measured temperature is less than or equal to zero degrees Celsius, in particular less than or equal to minus three degrees Celsius, in particular less than or equal to minus five degrees Celsius. The control device can thus be used, on the one hand, for evaluating the measured variables supplied by the temperature sensor and, on the other hand, be set up to supply the thermoelectric cooling device with electrical energy, specifically controlled as a function of the input variables from the temperature sensor.
Die Vorrichtung kann insbesondere eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die zum Ausschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, wenn die gemessene Temperatur größer gleich plus zehn Grad Celsius, insbesondere größer gleich plus acht Grad Celsius, insbesondere größer gleich plus sechs Grad Celsius ist, eingerichtet ist.In particular, the device can have a control device which is set up to switch off the thermoelectric cooling device if the measured temperature is greater than or equal to ten degrees Celsius, in particular greater than or equal to eight degrees Celsius, in particular greater than or equal to six degrees Celsius.
Die Vorrichtung kann in allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die zum Ausschalten der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, nach einer vorgegebenen Maximallaufzeit der thermoelektrischen Kühlvorrichtung, insbesondere 45 Minuten nach dem Einschalten, eingerichtet ist.In all the embodiments according to the invention, the device may have a control device which is set up to switch off the thermoelectric cooling device after a predetermined maximum running time of the thermoelectric cooling device, in particular 45 minutes after switching on.
Die Vorrichtung kann eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die zum Vorkühlen, insbesondere thermoelektrischen Vorkühlen des wenigstens einen Eintauchelements unten den Gefrierpunkt des Wassers, insbesondere mittels eines Peltierelements, vor einem Eintauchen des Eintauchelements in das Wasser eingerichtet ist.The device may have a control device which is adapted for pre-cooling, in particular thermoelectric precooling of the at least one immersion element below the freezing point of the water, in particular by means of a Peltier element, before immersing the immersion element in the water.
Erfindungsgemäß kann ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät mit einer beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen von Eisstücken ausgestattet sein.According to the invention, a refrigeration appliance, in particular a household refrigerating appliance, can be equipped with a described device for producing pieces of ice.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist an Hand der
Es zeigen:Show it:
Ein in
Die
Über einen Hubantrieb
Die Vorrichtung
Der Behälter
Die
Durch einen Ventilator
In
Ein Eisstückproduktionszyklus wird zu einem Zeitpunkt t0 gestartet, wenn der Kühlkörper
A lump production cycle is started at a time t0 when the
Da die Temperatur T3 des Kühlkörpers zu diesem Zeitpunkt t2 immer noch kleiner als minus 5 Grad Celsius beträgt, beginnt anschließend direkt danach ein zweiter Eisproduktionszyklus zum Zeitpunkt t3. Da jetzt aber die Regelklappe
Je größer die Masse des Kühlkörpers
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