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Elektronische Steuervorrichtung für Gefrier- und
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Konservierungsgeräte Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung
für Gefrier- und Konservierungsgeräte, die zum automatischen Steuern des Sin- und
Ausschaltens des Kälteerzeugers eines Gefrier- und Konervierungsgerätes bestimmt
ist, und mit der das Schnellgefrieren und die Konservierung unabhängi von einem
manuellen Eingreifen durchführbar sind.
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Die Erfindung findet insbesonaere bei Industrie-oder Haushalt-Gefriergeräten
für Lebensmittel anwendung.
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Die an ein Gefrier- und Konservierungsgerät zesteilten Anforderungen
betreffen in der Hauptsache des schnelle Gefrieren des Inhaltes, die Aufrechterhaltung
der Konservierungstemperatur des Inhaltes, die schnelle Rückgewinnung der Konservierungstemperatur
im Falle plötzlicher Temperatursteigerungen, die auf verschiedene Ursachen, wie
z.B. vorübergehender Stromausfall, Einfüllen neuen Mater .,.s mit Raumtemperatur,
längeres
Öffnen usw., zurückzuführen sind, sowie Angabe der Funktion, die das Gerät gerade
ausführt (schnelles Gefrieren, Aufrechterhaltung, schnelle Rückgewinnung), und gegebenenfalls
die Anzeige der Temperatur in der Zelle.
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Die üblichen Vorrichtungen dieser Art arbeiten elektromechanisch oder
elektronisch und führen die oben genannten Funktionen folgendermaßen aus: Das schnelle
Gefrieren wird durch Randbetätigung eines Schalters durchgeführt, so daß der Kälteerzeuger
praktisch kontinuierlich arbeitet. Diese Arbeitsweise wird beendet, wenn durch erneute
Handbetätigung der gleiche Schalter auf normale Konservierung gestellt wird.
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Nachteilig ist hierbei, daß zu Eegin und am Ende des Gefriervorganges
eingegriffen und außerdem eine vom Hersteller des Gerätes mitgelieferte Tabelle
berücksichtigt werden muß, in der die ungefähre Dauer des Vorganges in Stunden angegeben
ist, da die erforderlichte gälte von der Menge und der Art der einzufrierenden Ware
abhängt. Dadurch ergibt sich, daß die Zeit und Gefriertemperatur nu ungefähr kontrollierbar
sind. Die Aufrechterhaltung der Eonservierungstemperatur wird durch die Temperaturregelung
der Zelle mit bekannten Einricntungen verwirklicht. Diese Temperatur beträgt im
allgemeinen ungefähr -2o 0C.
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Bei den bekannten Geräten wird die schnelle Rückgewinnung der Konservierungstemperatur
dadurch erreicht, daß nach einem Temperaturanstieg über einen vorbestimmten Sicherheitswert,
beispielsweise -150C, automatisch ein einziger Kühl zyklus einschaltet, der die
Temperatur in der Zelle auf -20 bis -300C bringt. Der Nachteil
dieses
Vorganges besteht darin, daß sich die Luft der Zelle aber nicht der Inhalt schnell
abkühlt, da für einen einzigen Zyklus die Eichung de Thermostats verändert wird,
der djnn von sich aus unabhängig von der Wärmeträgheit der einzufrierenden Masse
auf die Aufrechterhaltung der Temperatur kommt.
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Die Funktionen werden durch Kontrollampen verschledener Farben angezeigt,
die sich nacheinander einschalten und angeben, welcher von den drei Vorgängen Gefriergerätes
ausgeführt wird.
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Diese Kontrollampen weisen gegenwärtig den Nacht daß sie durchbrennen.
Da keine Temperaturanzeige tür die Zelle vorgesehen ist, ist dies fLr den Benutzer
unangenehm und mit Reparaturkosten verbunden.
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Die erfindungsgemäße elektronische Steuervorrichtung verfolgt das
Ziel, die oben genannten flachteile Z!.1 iberwinden und eine vollständig automatische
Betriebsweise zu ermöglichen, die die Menge und die Art des in die Zelle eingebrachten
Gutes und den Verlauf der Temperatur in der Zelle selbst berücksichtigt uns folglich
das Arbeiten des Gefriergerätes programmiert, um die für das Einfrieren und Aufrechterhalten
erforderlichen günstigten Bedingungen einzuhalten.
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Die elektronische Steuervorrichtung weist insbesondere einen in einer
Zelle des Gefriergerätes angeordneten Temperaturtaster auf, der erforderlichenfalls
einen Signalverstärker mit einer Thermostatschaltung zum Steuern des Eälteerzeugers
und mit einer Alarmtemperaturanzeigeschaitung verbunden ist, die eine logische
Schaltung
zur Kontrolle der Funktion der Thermostatschaltung steuert und das Zählen der Funktionszyklen
des Kälteerzeugers bei Gefriertemperatur durchführt, die wirksam mit der genannten
Thermostatschaltung verbunden ist und eingreift, wenn die Temperatur in der Zelle
den vorbestimmten :ert übersteigt, wobei die Eichung der Thermostatsteuerschaltung
des Kälteerzeugers (Eingriffsbedingung) von der Konservierungstemperatur auf die
Gefriertemperatur gebracht und diese für eine bestimmte Anzahl von Arbeitsabläufen
aufrechterhalten wird, bevor sie wieder automatisch in die Ausgangsstellung zurückkehrt,
um das in der Zelle befindliche Gut auch bei nicht gewünschten Temperaturerhöhungen
mit Sicherheit einzufrieren.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Beispiel erläutert.
Dabei zeigt: Figur 1 ein Blockschema der elektronisch Steuersorrichtung, Figur 2
ein Diagramm des Temperaturverlaufs in .ibhängigkeit der. Zeit; bei den drei Funktion
abläufen der Vorrichtung, und Figur 3 eine detaillierte elektrische Schaltung entsprechend
Figur 1.
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Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfaßt die Vorrichtung ein Temperaturtaster
1, der in einer Zelle im Inneren die Gefriergerätes angeordnet und gegebenenfalls
über einen Signalverstärker 2 mit einem Anzeiger 3 für die Alarmtemperatur T1 bzw.
mit einen Auslöseschaltung
4 verbunden ist, die den Kontrollthermostat
des Kälteerzeugers 6 bildet.
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Die Vorrichtung umfaßt außerdem eine vom Anzeigen 3 gesteuerte logische
Schaltung 5, die wirksam mit der Thernostatschaltung 4 zur Veränderung ihres Schaltwertes
verbunden ist, um ihn von einem Temperaturwert T2 für die normale Konservierung
des i Gefriergerät befindiichefi Gutes auf einen niedrigeren peraturwert T3 zum
Einfrieren zu verschieben, wobei die Zahl der vorbestimmten Arbeitsabläufe beischalte
wird.
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In Figur 1 ist auch die Verwendung möglicher Sichtanzeigeeinrichtungen
für die verschiedenen Funktionen des Gefriergerätes dargestellt, Insbesondere ist
mit 7 der Alarmtemperaturmelder TA: und mit 8 dt:- Konservierungstemperaturmelder
der T2 für den Arbeitsablauf der Konservierung bezeichnet, der vom Alarmtempraturanzeiger
3 gespeist wird.
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Mit 9 ist der von der logischen Schaltung 5 während des Gefriervorganges
gespeiste Gefriertemperaturmelder T3 bezeichnet. Ein für die Handeinschaltung des
Gefriervorganges bestimmter Schalter ist mit 10 bezeichnet.-Die verschiedenen Melder
können beliebiger Art, beispielsweise Sichtmelder sein. Die Sichtanzeige kann mit
einem Instrument erfolgen, das eine analoge oder digitale Temperaturskala hat.
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Das Diagramm in Figur 2 zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf. Von
einem beliebigen Zeitpunkt t1 ab, bei dem sich eine plötzliche Temperaturerhöhung
einstellt, beispielsweise beim Einbringen von einzufrierendem
Gut,
beginnt ein schneller Temperaturabfall, bis die vorgesehene Gefriertemperatur zum
Zeitpunkt t2 erreicht ist. Anschließend hält die Vorrichtung den Kälteerzeuger in
Betrieb, wobei dieser eine vorbestimmte Anzahl von Arbeitsläufen ausführt, rac denen
zum Zeitpunkt t3 das Gut mit Sicherheit eingefroren ist.
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Zum Zeitpunkt t3 wird das Schnellgefrieren bzw.
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Schockgefrieren abgeschaltet und der Kälteerzeuger bleibt bis zur
Zeitpunkt t4 außer Betrieb, d.h.
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bis die Temperatur im Inneren der Zelle des Gefriergerätes auf die
normale Konservierungstemperatur T2 angestiegen ist. Die Temperatur wird im wesentlichen
auf diesem Wert mit kurzen zyklischen Betätigungen des Kälteerzeugers 6 gehalten,
wenn weder durch äußere noch durch innere Gründe die Temperatur über den vorbestimmten
Grenzwert ansteigt. Wenn sich dieser Fall zum Zeitpunkt t5 einstellt und eine Alarmtemperatur
T1 zum Zeitpunkt t6 erreicht ist, schaltet sich die Vorrichtung wieder automatisch
zum Zeitpunkt t6#7 ein, um die Temperatur schnell auf den niedrigsten Temperaturwert
T3 abzusenken, wobei sie bis t8 während einer vorbestimmten Anzahl von Arbeitsabläufen
wie zuvor aufrechterhalten wird. Vom Zeitpunkt tB beginnt die Grundfunktion des
Gefriergerätes.
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In Figur 3 ist die elektrische Schaltung des Blockschaltbildes nach
Figur 1 dargestellt. Die in gebrochenen Linien dargestellten Abteilungen sind die
Baugruppen, die die Funktion der in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten
Blöcke ausführen.
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Um ein ausreichendes Gefrieren bei geringen @tr@@-verbrauch zu ermöglichen,
muß der Temperaturabfall bei dem in der Zelle befindlichen Gut so schnell wie möglich
erfolgen und nach Erreichen der Gefriertemperatur der konservierungskreislauf eingeleitet
werden. Diese an sich einfachen Vorgänge sind jedoch infloge der Wärmeträghiet des
Materials, der nicht einheitlichen Wärmeübertragung und der Unmöglichkeit, mit Hilfe
von Fühlern den Gefrierzustand des Gutes zu ermitteln, nicht leicht zu verwirklichen.
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Bei der erindungsgemäßen Steuervorrichtung ist eine elektronische
logische Schaltung vorgesehen, die bei höheren Temperaturen als die Konservierungstemperatur
automatisch die Eichung des Thermostat verändert und die vorbestimmte Anzahl von
Eingriffen zählt, bevor der Thermostat auf die anfängliche Konservierungstemperatur
T2 kommt.
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Durch die Verönderung der Eichung des Thermostat, wird beschleunigt
Wärme angeführt. Mit der Zählens, der Anzahl der vorbestimmten Arbeitsabläufe, die
im voraus versuchsweise festgelegt wird, wird @@@ Kälteabgabe in Abhängigkeit zu
dem einzufrierenden Gut gebracht.
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Die erste Funktion ist vorteilhaft, da sie eine höchstmögliche Temperaturänverung
bewirkt. Die zweite Funktion wird so bestimmt, daß die Gesamtzeit für den Betrieb
des Kälteerzeugers nach bestlegung der Anzahl der vorbestimmten Arbeitsabläufe durch
die Summe der Teilbetriebszeiten für jeden Arbeitsablauf vorgegeben wird, wobei
die Einzelzeiträuse
unmittelbar vom Wärmeverlust des Gefriege
rätes, dem Gut, der spezifischen Wärme und der in er Zelle befindlichen materialmenge
abhängen.
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In gleicher weise hänget die Stillstandszeit des Kälteerzeugers im
Grundbetrieb von denselben Kenngrößen ab.
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Daraus ergibt sich, daß die Gesamtzeit (Summe der Einzelzeiträume
jedes Arbeitsablaufes) auch bei gleicher Anzahl Arbeitsabläufe unmittelbar mit den
Eigenschaften und der Menge des einzufrierenden Gutes in Zusammnehang steht. Auf
diese Weise wird das Ziel erreicht, das Gut unter Stromersparnis ohne manuelles
Eingreifen schnell einzufrieren.
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Was die Beseitigung der Nachteile bezüglich den Anzeigegeräten der
bischerigen Steuerungsvorrichtungen betrifft, genügt es, zu bemerken, daß die erfindungsgemäße
Steuervorrichtung, wie aus dem Schaltplan (Figur 3) ersichtlich ist, mit Niederspannung
(unter 24 Volt) arbeitet und daß die Kontrolleuchten (vorzugsweisen in verschiedenen
Farben) sowie auch gegebenenfalls die Therommeterskala im festen Zustand (LED) praktisch
unbegrenzt störungsfrei arbeiten können. Eine Metallierte Darstellung der Steuervorrichtung
nach Figur 1 ist in figur 3 wiedergegeben. Der Tempereturtaster 1 bildet mit dem
Wiederstand R4 eine Teilerschaltung, bei der die Spannungsdifferenz Vs proportional
zur Temperaturänderung, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen ist. Der Linearverstärker
2 verstärkt das Signal Vs, sobald die Intesität zu saehr abnimmt. Der Alarmtemperaturanzeiger
3 umfaßt einen Differentialverstärker @l, dessen Ausgang Null bei Vs > V1 oder
1 bei Vs < V1 ist.
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Die Auslöseschaltung oder d.er Thermostat faßt einen Differentialverstärker
A2, der entsprechend lial.arbeitetjund ein Relais nit einen in der Versorgungsschaltung
des Kälteerzeugers 6 angeordneten Schließerkontakt. Das Relais wird von A2 angesteuert.
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Die logische Schaltung 5 umfaßt ein ODER-Glied.
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eine Speicherschaltung, beispielsweise ein Flip-Flop 11, und einen
Frequenzteiler 12 (dessen Teilung wahlweise die zweite Potenz ist). Diese Rauelemente
sind entsprechend Figur 3 miteinander verbunden.
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Der Kälteerzeuger 6 wird üblicherweise von einen mit Freon arbeitenden
Kompressor gebildet. Der Alarmtemperaturanzeiger 7 weist einen Leistungsverstärker-Inverter
auf, der vorzugsweise rote teuchtdioden LED steuert. Der Konservierungstemperaturanzeiger
8 weist einen Leistungsverstärk und eine vorzugsweise grüne Leuchtdichte @@i. Der
Anzeiger 9 für den Gefrierablauf entspricht @e@ zeiger 8, wobei die Farbe. der Leuchtdiode
weise gelb ist. Der Schalter 40 zur Handeins@h@-ist ein im Grundzustand offener
Druckschalter der mit dem Widerstand R8 einen Teiler bildet und einen Eingang des
ODER-Gliedes ein Signal "Null anlegt, wenn er unbetätigt und ein Signal 1 anlwenn
er geschlossen ist.
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Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Bei höherer Temperatur
als der Alarmtemperatur T1 in der Zelle, beispielsweise bei soeben aufzustelltem
Gefriergerät, d.h. Vs V1 und Vs V2, sind die Ausgänge A1 und A2 "1", d.h. an den
Ausgängen A1 und A2 ist die Versorgungsspannung positiv. Daraus ergibt
sich:
- Block 4: Relais entregt, Kontakt geschlossen - Block 5: Der Setzeingang ist "1",
Q "1", Q "0", der Zähleingang ist mit dem Ausgang A2 mit "1" verbunden; Qn (Ausgang
des Teilers) ist "0"; der Teiler beginnt mit dem Zählen der n Spannungsänderung
des Ausganges A2 und löst ein Einschalten des Relais aus. In diesem Zustand ist
der Kälteerzeuger 6 in Betrieb.
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- Die Lampen der Blöcke 7 und 9 sind eingeschaltet, während die Lampe
des Blockes 8 ausgeschaltet ist.
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Zu bemerken ist, daß in diesem Zustand durch die den Widerstand R9
umfassende wirksame Verbindung mit den Blöcken 4 und 5 die Spannung V2 über den
festgesetzten Wert des Teilers R6 # R7 steigt, so daß in Wirklichkeit der zu Beginn
genannte Zustand Vs < V2 nunrehr Vs # V2 wird (Thermostateichung auf "Einfrieren").
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Sobald der Kompressor arbeitet, fällt die Temperatur in der Zelle,
wie in Figur 2 dargestellt, und Vs steigt fortlaufend an.
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Die erste Änderung des oben beschriebenen Zustandes ergibt sich, wenn
Vs gleich V1 ist. Zu diesem Zeitpunkt ergibt sich, daß A1 den Ausgangsstand "1"
in "0" ändert, während A2 seinen Ausgang mit 1 beibehält, da Vs < V2 ist, wie
bereits gesagt wurde.
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Somit geht der Melder 7 aus, während 8 aufleuchtet und angibt, daß
die Temperatur in der Telle den "Konservierungswert" T2 erreicht hat. Während der
Dauer des Betriebes des Kompressors sinkt die Temperatur in der Zelle ständig, bis
der Stand Vs=V2 erreicht
ist, der die Zustandsänderung am Ausgang
A2 7.
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"1" nach "0" bewirkt, wobei das Relais 4 erregt wird, das seinen Kontakt
öffnet und dadurch den Kompressor abstellt. Die Zustände aller anderen Blöcke bleiben
unverändert. Bis zu diesem Zeitpunkt dauert die erste Stufe des Einfrierablaufes
tl bis t2 (Figur 2).
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Der Wärmeverlust des Gefriergerätes und die Kalorien, die das in die
Zelle eingebrachte Gut t, erhöhen laufend die Temperatur, bis der Stand Vs <
V2 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich erneut die Spannung am Ausgang
der Kompressor setzt wieder ein, bis er den Stand Vs=V2 erreicht hat und dann erneut
stillgesetzt wird. Dieser Zyklus wiederholt sich "n" mal, bis der Teiler 12 den
Zustand von "Qn" ändert. Damit ist die zweite stufe des Einfrierablaufes des Gefriergerätes
beendet (Zeitpunkt @@ Wenn der Ausgang "Qn" von anfangs 11011 zu 11 ü geht, wird
der mit ihm verbundene Rückstelleingang des Flip-Flop 11 (Figur 3) gesetzt, wodurch
sich die Zustände von Q und Q in Q t 0 und Q = 1 ändern.
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Diese Veränderungen haben zur Folge: - Auslöschen des Sichtmelders
9, -Veränderung des Wertes V2, dadurch R9 nach V2 selbst eine Spannung "0" anstelle
der vorherigen Spannung 11111 gebracht wird.
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Durch die angegebene Veränderung von V2 erfolgt der Übergang vom Stand
Vs = V2 zum Stand Vs > V2 (Eichung des Thermostats für Konservierung). Der Kompressor
bleibt außer Betrieb, bis durch die Temperaturerhöhung Vs <V2 erreicht ist. Zu
diesem Zeitpunkt ändert
A2 erneut den Ausgangszustand und geht
von zu "" über, das Relais entrerst sich und' der Kompressor wird erneut eingeschaltet.
Diese Arbeitsweise bildet den in Figur 2 mit t bis t5 angegebenen Konservierungsablauf.
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Der Konservierungszustand dauert fort, solange kein äußerer Grund
eintritt, der die Temperatur im Gefriergerät über die Alarmtemperatur T1 erhöht.
Der Teiler zählt die Arbeitsabläufe von A2 nicht mehr, da sein mit Q verbundener
Rückstelleingang auf "1" steht.
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Tritt der Fall ein, daß die Temperatur den Alarmwert überschreitet,
so wird wieder die Bedingung Vs V1 geschaffen und die Vorrichtung auf ihre anfängliche
Arbeitsweise zurückgeführt, d'j' sich auoh Vs @ V2 einstellt und der Thermostat
erneut durch Q bein Überdag von "O" auf "1" T3 eicht bzw. einstellt.
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Anhand von praktischen Versuchen, die mit mehr als einem Gefriergerät
und mit verschiedenartigen Waren durchgeführt wurden, konnte festgestellt werden,
daß die erfordliche Zeit zum Erreichen des Einfrierens der in der Zelle befindlichen
Waren 5 # 10 % der Zeit für das Kontinuierliche Funktionieren des Gefriergerätes
nicht überschreitet, während der Stromverbrauch etwas geringer ist.
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L e e r s e i t e