DE1242645B - Regler fuer Eisbatterien - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.

F 25 b

DEUTSCHES

PATENTAMT Deutsche Kl.: 17 a - 4/02

PATENTSCHRIFT

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

1 242 645
R 390831 a/17 a 23. Oktober 1964 22. Juni 1967 7. Dezember 1967

Auslegetag:
Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler für die elektrische Kühleinrichtung in einem Tank einer Eisbatterie, der die Eisdicke im Tank innerhalb eines vorbestimmten Bereiches hält, mit einem Paar im Abstand voneinander in dem Tank angeordneter Elektroden, die miteinander durch einen elektrischen Strompfad verbunden sind, dessen elektrischer Widerstand zunimmt und abnimmt, wenn das Wasser in dem Pfad friert und schmilzt, mit einer Stromquelle, die mit den Elektroden in Reihe mit einem Widerstand verbunden ist, um eine Vorspannung längs des Widerstandes zu erzeugen, die dem Stromfluß zwischen den Elektroden entspricht, einem Relais zum Einschalten der Kühleinrichtung und einer Verstärkeranordnung, die in Abhängigkeit von der Vorspannung das Relais betätigt.

Derartige Regler verwendet man zum automatischen Regeln der Eisbildung in eisbatterieartigen Kühlgeräten, wie Kühlern für Milch oder andere Getränke, wobei durch zyklisches Inbetriebsetzen einer Friereinrichtung im Wasserbad in einem Tank eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur für die Erhaltung eines Eiskörpers im Wasser des Tanks eingehalten wird. Der Gefrierzyklus der Friereinrichtung wird eingeleitet, wenn das Eis bis auf eine vorbestimmte Dicke abgenommen hat, und beendet, wenn diese Eisdicke bis zu einem bestimmten Grad angewachsen ist. Dabei wird die Differenz zwischen der elektrischen Leitfähigkeit von Eis und Wasser ausgenutzt, um den Schaltzyklus der Friereinrichtung so zu bestimmen, wie es notwendig ist, um eine optimale Eisdicke in der Eisbatterie aufrechtzuerhalten.

Bekannt sind Regler der eingangs umrissenen Art, bei welchen die eigentliche Friereinrichtung über ein • Relais ein- und ausgeschaltet wird, welches betätigt wird, wenn der Widerstand zwischen einer Elektrode, die in das Wasser ragt, und Masse einen bestimmten Wert durchläuft. Eine derartige Einrichtung ist jedoch für die Praxis wenig tauglich, da sie die Friereinrichtung in sehr kurzen Abständen ein- und ausschaltet, was nicht nur zu einem starken Verschleiß der mechanischen Teile des Schaltrelais, sondern vor allem zu einem starken Verschleiß der beim Ein- und Ausschalten zu betätigenden Teile der eigentlichen Friereinrichtung führt.

Ferner ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisblöcken bekannt, bei welcher die Einschaltung der Friereinrichtung ebenfalls in Abhängigkeit von der Eisbildung an einer Elektrode ausgeschaltet wird. Das Einschalten der Friereinrichtung erfolgt jedoch in Abhängigkeit von einem Zeitgeber, welcher immer innerhalb bestimmter Perioden nach dem Erreichen einer Regler für Eisbatterien

Patentiert für:

Ranco Incorporated, Columbus, Ohio (V. St. A.) Vertreter:

Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf, Patentanwälte,

München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:

Jerome Lee Lorenz, Columbus, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Oktober 1963 (320 366)

bestimmten unteren Temperaturgrenze die Friereinrichtung in Tätigkeit setzt. Dadurch wird die obere Temperaturgrenze der Flüssigkeit, in welche die Friereinrichtung eintaucht, von der Kälteentnahme abhängig, da bei genügend großer Kälteentnahme in dem durch den mechanischen Zeitgeber festgelegten Zeitraum ohne Kühlung die Temperatur praktisch beliebig hoch ansteigen kann. Je höher die Temperatur ansteigt, um so länger dauert dann danach wieder das Abkühlen. Derartige Einrichtungen sind daher allenfalls für die Kälteerzeugung unter genau vorbekannten festgelegten Bedingungen geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler der eingangs umrissenen Art zu schaffen, welcher die Mängel der vorbekannten Einrichtungen nicht aufweist, d. h. unabhängig von der Kälteentnahme die Temperatur in einem bestimmten Bereich hält, und zwar mit einer Mindestzahl von Schaltvorgängen, die durch bestimmt ist, daß einmal der geregelte Temperaturbereich nicht übermäßig groß sein soll und zum anderen ebenfalls die Zahl der Schaltungen in der Zeiteinheit ein bestimmtes Maß nicht überschreiten soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromquelle ungefilterten, doppelweggleichgerichteten Wechselstrom liefert, daß das Relais bistabil bei halber Leistungszufuhr ist, daß die Ver-Stärkeranordnung eine Schalteinrichtung mit vorbestimmter Ansprechwelle ist, die in eine leitfähige Phase getriggert wird, wenn die Vorspannungsspitzen

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die Schwelle überragen, daß die Verstärkeranordnung bei jedem Absinken der Wechselspannungskomponente des genannten Doppelwegpotentials auf Null nichtleitend wird, so daß die Erregung des Relais mit halber Leistung erfolgt, wenn gerade'die Amplitude der Spannungsspitze der Vorspannung die Schwelle erreicht, und mit voller Leistung erfolgt, wenn die Vorspannungsamplitude über die Spannung anwächst, und abrupt auf Null fällt, wenn die Vorspannung unter den Schwellwert fällt.

Eine derartige Ausbildung erlaubt es, daß die Temperatur, bei welcher die Kühleinrichtung in Betrieb gesetzt wird, wesentlich über der Temperatur liegt, bei welcher sie wieder ausgeschaltet wird. Auf diese Weise erzielt man einen wellenförmigen Temperaturverlauf, dessen Amplitude frei wählbar ist.

Nachfolgend ist an Hand der Zeichnung die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als erläuterndes Beispiel beschrieben. Aus dieser Beschreibung gehen weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung hervor.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer Eisbatterie, die durch eine Schaltung gemäß Erfindung geregelt wird;

F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Regeleinrichtung gemäß Erfindung für eine Eisbatterie;

F i g. 3 zeigt eine abgebrochene perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung von F i g. 1 in vergrößertem Maßstab zur Veranschaulichung von deren Eisfühlelektroden;

F i g. 4 ist ein Teilschnitt im wesentlichen nach der Linie 4-4 von Fig. 3, und

Fig. 5a, 5b und 5c sind graphische Darstellungen von elektrischen Betriebscharakteristiken der Schaltung der F i g. 2.

In F i g. 1 ist eine im ganzen mit 10 bezeichnete Kühlvorrichtung für eine Eisbatterie dargestellt, die sich in einem Kühlgerät für Milch- oder andere Getränke verwenden läßt. Die Vorrichtung 10 weist einen Wasser 12 enthaltenden Tank 11 einer Eisbatterie auf, in deren Wasser eine Verdampferschlange 13 eingetaucht ist, die Teil eines Kühlsystems der üblichen Bauart mit Kompressions-, Kondensations- und Expansionseinrichtung ist. Die Verdampferschlange 13 weist ein Metallröhrensystem 13a auf, das in direktem Kontakt mit dem Wasser im Tank 11 steht. Das Kühlsystem umfaßt einen elektrisch angetriebenen Kompressor 15 für die Kompression eines Kühlmediums. Dieses wird durch eine Leitung 16 zu einer Kondensatorschlange 17 befördert, bei der Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird, und dann weiter durch eine Leitung 18 und eine Drossel 19 zur Verdampferschlange 13, in der dem Wasser 12 Wärme entzogen wird, wodurch sich eine Eisschicht 20 um den Verdampfer 13 bildet. Von dem Verdampfer 13 wird das verdampfte Kältemittel zum Kompressor zurückbefördert. Der elektrisch betriebene Kompressor 15 wird periodisch in einer im folgenden noch beschriebenen Weise so betrieben, daß die Dicke der Eisschicht 20 auf einem Optimalwert gehalten wird, während das Wasser 12 Wärme vom Getränkekühler od. dgl. aufnimmt, um in diesem eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.

Zu diesem Zweck ist eine elektronische Regelschaltung 21 (F i g. 2) vorgesehen, welche ein Elektrodenpaar Pl und P 2 aufweist, wie es in den F i g. 3 und 4 zu erkennen ist. Die Schaltung 21 spricht auf das

Anwachsen des elektrischen Widerstandswertes zwischen den Elektroden Pl und P 2 an, wenn sich zwischen diesen Eis bildet. Wenn Wasser die Elektroden verbindet, ist der Widerstand geringer. Die Elektroden Pl und P2 sind zweckmäßig aus rostfreiem Stahl und durch einen T-förmigen Isolator 22 gehaltert, der an die Röhre 13 a der Verdampferschlange 13 mittels eines geeigneten U-förmigen Haltebügels 23 angeklemmt ist. Vorzugsweise sind die ElektrodenPl

ίο und P2 langgestreckt ausgebildet und im Abstand parallel zueinander so angeordnet, daß sich ihre Längsachsen im rechten Winkel zur Röhre 13 a der Verdampferwicklung erstrecken. Bei dieser Anordnung, bei der die Elektroden in der Richtung des Wachstums der Eisschicht 20 ausgerichtet sind, nimmt die dem freien Wasser ausgesetzte Fläche jeder Elektrode dann, wenn die Eisdicke um die Röhre 13 ο anwächst, fortschreitend ab, und der Stromwiderstand zwischen den Elektroden nimmt zu.

Wie man aus F i g. 2 ersieht, weist die erfindungsgemäße elektronische Regelschaltung 21 einen die elektrische Spannung herabsetzenden Transformator 30 auf, dessen Primärwicklung 31 über die Leitungen Ll und L 2 mit einphasigem Wechselstrom verbunden ist, beispielsweise einem I15-Volt-60-Hertz-Hausnetz. Die Sekundärwicklung 32 des Transformators 30 weist Endanschlüsse 33 und 34 und eine zentrale Anzapfung 35 auf. Die Endanschlüsse 33 und 34 sind jeweils über diodenartige Gleichrichter 36 und 37 und Leitungen 38 und 39 mit der Eisfühlelektrode Pl verbunden. Die Elektrode P2 ist über eine Kapazität 40, einen Widerstand 41, eine Leitung 42, eine Widerstandsheizung 43 eines Thermorelais 44 und eine Leitung 45 mit der Zentralanzapfung 35 verbunden.

Die Gleichrichter 36 und 37 sind so ausgerichtet, daß sie der Verstärkerschaltung ein völlig gleichgerichtetes Potential liefern; man erkennt, daß dann, wenn sich ein leitfähiges Medium wie freies Wasser zwischen den Elektroden Pl und P 2 befindet, die Wechselspannungskomponente des ungefilterten, vollweg-gleichgerichteten Potentials einen Wechsejstrom zwischen den Elektroden Pl und P 2 erzeugt. Die Kapazität 40 sperrt die Gleichstromkomponente und begrenzt den Stromfluß zwischen den Elektroden, während der Widerstand 41 einen als Vorspannung dienenden Spannungsabfall proportional dem Elektrodenstrom zum Steuern einer Schaltverstärkereinrichtung mit den Transistoren Ql und Q2 liefert; die Form des Spannungsverlaufes entlang den Widerständen 41 und 43 ist bei A in F i g. 5 a, 5 b und 5 c dargestellt.

Die Transistoren öl und Q2 gebrauchen umgekehrt gerichtete Vorspannungen, und sie sind in komplementärer Weise direkt gekoppelt. So ist der Kollektor 48 des Transistors Ql, dessen Basisverbindung 47 . über die Kapazität 40 mit der Elektrode P 2 verbunden ist, direkt mit der Basisverbindung 49 des Transistors Q 2 und über einen Widerstand 52 und eine Leitung 53 mit der vollweg-gleichgerichteten Ausgang der Gleichrichter 36 und 37 verbunden. Der Emitteranschluß 54 des Transistors Ql ist über einen Widerstand 55 und eine Leitung 45 mit der Zentralanzapfung 35 verbunden.

Der Emitteranschluß 57 des Transistors Q 2 ist über die Leitung 53 mit dem Doppelweg-Gleichrichterausgang der Dioden 36 und 37 verbunden, während sein Kollektoranschluß 58 über die Relaisheizung 43 und die Leitung 45 mit der Zentralanzapfung 35

Claims (5)

sowie über die Leitung 42 und den Widerstand 41 mit dem Basisanschluß 47 des Transistors Ql verbunden ist. Das Thermorelais 44, das mit einem wärmeempfindlichen Bimetallglied 60 zum Steuern der Kontakte 61 ausgebildet ist, kann von jeder beliebigen, dem Fachmann bekannten Bauart sein, die bei halber Leistung bistabil ist. Wenn die Relaisheizung 43 stromlos ist, sind die Kontakte 61 offen, und sie bleiben offen, solange die Relaisheizung 43 nur bis zu ihrer halben Leistung mit Strom versorgt ist. Wenn die Stromzufuhr des Relais von halber Leistung auf einen Wert in der Nähe der vollen Leistung anwächst, biegt sich das Bimetall infolge des Anwachsens der Wärme aus, so daß die Kontakte 61 geschlossen werden; dieser Zustand wird auch dann aufrechterhalten, wenn die Leistung auf den halben Leistungswert reduziert wird, da eine vorgegebene Temperaturdifferenz erforderlich ist, um ein Öffnen der Kontakte durch das Bimetall zu bewirken. Anschließend bewirkt eine Reduzierung der Energiezufuhr unterhalb des Wertes halber Leistung auf einen Wert in der Nähe der Leistung Null ein Öffnen der Kontakte 61. Die Relaiskontakte 61 schließen im geschlossenen Zustand den Stromkreis des elektrisch angetriebenen Kompressers 15, der von der Kraftleitung L1 durch eine Leitung 63, den elektrisch betriebenen Kompressor 15, eine Leitung 64, die Kontakte 61 und eine Leitung 65 zur Leitung LI verlaufen kann. VVie weiter oben beschrieben, liefern die Gleichrichter 36 und 37 während des Betriebs der Regelschaltung 21 ein Potential vollweg-gleichgerichteten, ungefilterten Wechselstrom 5 an die Elektrode PI, bezogen auf die Zentralanzapfung 35 des Transformators. Wenn die ElektrodenPl und P 2 über einen Wasserweg verbunden sind, fließt zwischen ihnen Wechselstrom über den den Gleichstrom sperrenden Kondensator 40, wodurch die Spannung A längs des Vorspannungswiderstandes 41 und des Heizwiderstandes 43 abfällt. Die Funktion der Schaltung wird im folgenden an Hand der Fig. 5a, 5b und 5c näher erläutert, in denen der Heizstrom B im Vergleich mit der Vorspannung A dargestellt ist. So lange, wie das Eis 20 die Elektroden Pl und P 2 voneinander in einem solchen Ausmaß isoliert, daß sich die Spitzen der Vorspannung unterhalb der Schwell- bzw. Ansprechspannung C zwischen Basis und Emitter des Transistors Ql befinden, wie es in Fig. 5a dargestellt ist, ist der Transistor Ql nichtleitend, und der Heizstrom B ist im wesentlichen gleich Null. Die Relaiskontakte 61 sind dann geöffnet, und der elektrisch angetriebene Kompressor 15 ist außer Betrieb. Wenn das Eis 20 schmilzt und sein Durchmesser um die Röhre 13a der Verdampferschlange abnimmt, wird die Oberfläche der Elektroden Pl und P 2 in zunehmendem Maß dem Wasser im Tank ausgesetzt, und der Elektrodenstrom und die Vorspannung A nimmt infolge der Verringerung des elektrischen Widerstandes gegen Stromschluß zwischen den Elektroden schrittweise zu. Wenn, wie es in F i g. 5 b dargestellt ist, der Elektrodenstrom einen solchen Wert erreicht, daß die Spitzen der Spannungswellen A der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors Ql entsprechen, wird letzterer leitend und spannt den Transistor β 2 so vor, daß dieser leitend wird, so daß Spannung an die Relaisheizüng 43 angelegt wird und über den Widerstand 41 die Betriebsspannung von Q1 erhöht wird. Ql und β2 vollführen also eine »zukkende« Schaltaktion. Da die Vorspannungsspitze bei jedem Halbzyklus erscheint, erfolgt die Triggerung zuerst bei dieser Spitze oder überhaupt nicht. Dementsprechend springt die mittlere Leistung der Stromzuführung zur Heizung 43 durch den Strom B von Null auf annähernd den halben Leistungswert, wenn die Spannungsspitzen A zuerst die SchweIIspannungC erreichen, wie es in F i g. 5 b gezeigt ist. Da das Relais 44 bistabil bei halber Leistung ist, bleiben die Kontakte 61 offen, und die Spannung A wächst weiter an, wie es in F i g. 5 c gezeigt ist, so daß die Triggerung bei jedem Zyklus zunehmend früher erfolgt und der Heizstrom sich dem vollen Heizungswert nähert. Wenn der Heizstrom B in einem solchen Maß über den halben Leistungswert hinaus angewachsen ist, um das Relais betätigen zu können, schließen die Kontakte 61, und der elektrisch betriebene Kompressor wird in Betrieb gesetzt; dadurch wächst die Dicke des Eises 20 um die Röhre 13 a der Verdampferschlange wieder an. Wenn das Eis 20 an Dicke zunimmt, nimmt der Stromwiderstand zwischen den Elektroden P1 und P 2 zu, und die Vorspannung A nimmt ab, bis schließlich ihre Spannungsspitzen die Schwellspannung C erreichen, wobei eine entsprechende Abnahme des Heizstromes B von voller Leistung auf halbe Leistung bewirkt wird. Eine weitere Zunahme der Eisdicke isoliert die EIektrodenPl und P 2 in einem solchen Maß, daß die Spitzen der Spannung A unter das Schwellspannungsniveau fallen; in diesem Moment wird der Heizstrom unterbrochen und das Relais so betätigt, daß es die Kontakte 61 öffnet und den Kühlzyklus der Vorrichtung beendet. Die vorgenannte Folge von Vorgängen wiederholt sich so, wie es nötwendig ist, um die Dicke des Eises 20 um die Verdampferschlange in einem optimalen Bereich zu halten. Aus der vorhergehenden Beschreibung einer Regelschaltung gemäß Erfindung erkennt man, daß mit dieser eine besonders wirkungsvolle kostengünstige Regelschaltung geschaffen ist, die nur zwei Elektroden braucht und es trotzdem in gewünschter Weise gestattet, den Zeitabstand zwischen den Stromzuständen der Elektroden, die zum Beginn eines Kühlzyklus und zu dessen Beendigung dienen, ausein?nderzuziehen. Dadurch wird ein Vermeiden von Schalten des Apparates in kurzen Zeitabständen erzielt und die Lebensdauer der Vorrichtung wesentlich erhöht. Patentansprüche:

1. Regler für die elektrische Kühleinrichtung in einem Tank einer Eisbatterie, der die Eisdicke im Tank innerhalb eines vorbestimmten Bereiches hält, mit einem Paar im Abstand voneinander in dem Tank angeordneter Elektroden, die miteinander durch einen elektrischen Strompfad verbunden sind, dessen elektrischer Widerstand zunimmt und abnimmt, wenn das Wasser in dem Pfad friert und schmilzt, mit einer Stromquelle, die mit den Elektroden in Reihe, mit einem Widerstand verbunden ist, um eine Vorspannung längs des Widerstandes zu erzeugen, die dem Stromfluß zwischen den Elektroden entspricht, einem Relais zum Einschalten der Kühleinrichtung und einer Verstärkeranordnung, die in Abhängigkeit von

der Vorspannung das Relais betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle ungefilterten, doppelweg-gleichgerichteten Wechselstrom liefert, daß das Relais (44) bistabil bei halber Leistungszufuhr ist, daß die Verstärkeranordnung {Ql, Q2) eine Schalteinrichtung mit vorbestimmter Ansprechschwelle ist, die in eine leitfähige Phase getriggert wird, wenn die Vorspannungsspitzen die Schwelle überragen, daß die Verstärkeranordnung bei jedem Absinken der to Wechselspannungskomponente des genannten Doppelwegpotentials auf Null nichtleitend wird, so daß die Erregung des Relais mit halber Leistung erfolgt, wenn gerade die Amplitude der Spannungsspitze der Vorspannung die Schwelle erreicht, und mit voller Leistung erfolgt, wenn die Vorspannungsamplitude über die Spannung anwächst, und abrupt auf Null fällt, wenn die Vorspannung unter den Schwellwert fällt.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß die Schaltverstärkereinrichtung Transistoren aufweist, die zum rückgekoppel-

ten Ansprechen auf die Vorspannung geschaltet sind.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltverstärkereinrichtung einen ersten und einen zweiten Transistor aufweist, die in direkt gekoppelter komplementärer Konfiguration miteinander verbunden sind und auf die Vorspannung rückgekoppelt ansprechen.

4. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bistabile Relais eine Widerstandsheizung (43) und ein Bimetallglied (60) aufweist und die Heizung mit der Stromquelle über die Schaltverstärkereinrichtung verbunden ist.

5. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine in Wasser eingetauchte Verdampferröhre (13) aufweist und daß die Elektroden jeweils langgestreckte Metallglieder (PI und P 2) aufweisen, die isoliert mit Abstand parallel zueinander gehaltert sind und sich in der Richtung des Wachstums des Eises erstrecken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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