DE3205370C1 - Sensor zur Überwachung von Reif- und/oder Eisablagerungen auf Oberflächen, insbesondere auf Verdampferoberflächen von Kältemaschinen, Wärmepumpen oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Überwachung von Reif- und/oder Eisablagerungen auf Oberflächen, insbesondere auf Verdampferoberflächen von Kältemaschinen, Wärmepumpen oder dergleichen, in Form eines am Verdampfer in wärmeleitendem Kontakt anbringbaren, dosenartigen Gehäuses mit einer Membran, auf der ein durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzbarer elektroakustischer Wandler, wie ein piezoelektrisches Element oder dergleichen sitzt.

Bei einem aus der DE-OS 27 50 165 bekannten Sensor dieser Art ist die den elektroakustischen Wandler tragende Membran über einen elastischen Fallenbalg wärmeleitend mit einer Grundplatte verbunden, die ihrerseits in wärmeleitendem Kontakt an einer Verdampferoberfläche befestigbar ist. Sobald sich hierbei auf der Membran Reif bildet, wird auf diese ein Dämpfungseffekt ausgeübt, der mit zunehmender Stärke der Reifschicht größer wird. Durch die auf diese Weise zunehmende Dämpfung der Membran vergrößert sich auch die Impedanz des mit ihr verbundenen, in einer Oszilfatorschaltung liegenden elektroakustischen in Wandlers. Wenn daher der Reifansatz auf der Membran stärker wird, setzt bei einer durch die Dimensionierung der Schaltung bestimmbaren Stärke der Reifschicht die Schwingung des Oszillators aus, worauf über eine entsprechende Detektorschaltung ein Abtauvorgang η ausgelöst wird.

Aufgrund seiner besonderen Konstruktion ist dieser bekannte Sensor jedoch nur in der Lage, verhältnismäßig grobe Veränderungen des anfangs sehr amorphen Reifansatzes zu erfassen. Er kann daher den Abtauvorgang erst dann auslösen, wenn der Reifansatz bereits verhältnismäßig dick geworden ist und anfängt in einen Belag aus massivem Eis überzugehen. Durch den in diesem Stadium schon erheblich verminderten Wärmeübergang am Verdampfer steigert sich jedoch der Energieverbrauch der Kältemaschine erheblich. Darüber hinaus gestattet die spezielle Schaltung des elektrischen Wandlers nur eine Entscheidung zwischen den Zuständen »nicht bereift« und »bereits stark bereift«, so daß dieser bekannte Sensor nicht in der jo Lage ist, das Entstehen und Anwachsen der Reifschicht mit hinreichender Genauigkeit analog zu überwachen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs näher beschriebenen Art durch konstruktive Mittel so feinfühlig auszubilden, daß er in der Lage ist, auch schon geringen Reifansatz und/oder auch geringe Änderungen des Reif- bzw. Eisansatzes mit großer Genauigkeit sicher zu erfassen. Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß das Gehäuse auf seiner der Membran gegenüberliegenden Seite eil einer, ebenfalls mit einem elektroakustischen Wandler versehenen, zweiten Membran ausgestattet ist, welche der ersten in geringem Abstand gegenübersteht und bei deren Erregung durch Übertragung mit in Schwingung versetzt wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Sensors wird die von der, als Sender wirkenden einen Membran ausgehende Schwingungsenergie durch Körper- und/oder Luftschall auf die andere, als Empfänger dienende Membran übertragen, die dabei ihrerseits zu Schwingungen angeregt wird. Die auf diese Weise von dem auf der als Empfänger dienende Membran sitzenden elektroakustischen Wandler abgegebene Wechselspannung wird so als Signal für die Abtauregelung ausgewertet Da sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Sensors Reif an beiden Membranen ansetzt, wirkt sich der darauf zurückzuführende Dämpfungseffekt doppelt aus, so daß dieser Sensor in der Lage ist, auch geringsten Reifansatz und/oder kleinste Veränderungen des Reifansatzes besonders feinfühlig zu erfassen. Dadurch ist er in der Lage, einen Abtauprozeß optimal zu steuern oder eine Warnvorrichtung mit großer Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu betätigen.

f>5 Eine besonders günstige Wirkung wird erzielt, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß die zweite Membran wenigstens annähernd parallel zur ersten am Gehäuse angeordnet

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektroakustisehen Wandler als piezokeramisehe Schwinger ausgebildet sind, welche den mittleren Bereich der Membran bis -> nahe an deren Randzone abdecken und weitgehend übereinstimmende Eigenfrequenzen aufweisen.

Weitere, in den Ansprüchen gekennzeichnete vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Sensors sind in der nachfolgenüen Beschreibung anhand eines in der m Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen aus einem ringförmigen Gehäuse mit zwei an dessen Enden sitzenden Membranen gebildeten Sensor, gesehen in Achsrichtung des Gehäuses, ι,

Fig.2 einen axialen Schnitt durch den Sensor nach

Fig.3 als erstes Anwendungsbeispiel den in einen Durchbruch einer Verdampferplatte eingesetzten Sensor mit einem Abschnitt der Verdampferplatte und

Fig.4 als weiteres Anwendungstwispiel einen mit einer speziellen Halterung an einer Verdampterplatte befestigten Sensor.

Ein in den Fig. 1 bis 4 bezeichneter Sense* 10 zur Überwachung von Reif- und/oder Eisablagerungen auf Oberflächen, ist mit einem dosenartigen Gehäuse 11 in Form eines Hohlzylinders mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet Das aus einem gut wärmeleitendem Werkstoff, wie beispielsweise Al, Cu oder dergleichen, gefertigte Gehäuse 10 ist an seinen axialen Stirnseiten mit je einer kreisrunden Membran 12 verschlossen, deren Rand im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine stufenartige Einsenkung 13 an den axialer. Stirnseiten des Gehäuses 11 eingelassen und dort beispielsweise durch Ankleben oder dergleichen befestigt ist

Auf der Innenseite der, vorzugsweise aus einem schwingfähigen metallischen Werkstoff mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildeten Membran 12 sitzt ein elektroakustischer Wandler 14. Dieser ist in Form einer kreisrunden dünnen Scheibe aus Piezokeramik ausgebildet welche den mittleren Bereich der Membran 11 bis nahe an deren Randzone abdeckt. Mit der Membran 12 ist der elektroakustische Wandler 14 beispielsweise durch Kleben verbunden. Die in der üblichen Weise als Anschlußelektroden dienenden Stirnseiten des elektroakustisehen Wandlers 14 sind an Leitungen 15 und 16 angeschlossen, von denen die mit 16 bezeichnete unmittelbar an die als Elektrode ausgebildete Oberfläche des elektroakustisehen Wandlers gelegt ist, während die mit 15 bezeichnete mittelbar über die Membran mit der anderen Elektrode des elektroakustisehen Wandlers 14 in leitender Verbindung steht. Die Verbindungsleitungen 15 und 16 sind durch entsprechende, mit einer Vergußmasse luftdicht verschlossene Durchbrüche in der Wand des Gehäuses 11 nach außen geführt.

Bei dem Anwendungsbeispiel nach Fig.3 sitzt der Sensor 10 in gut wärmeleitender Verbindung in einem kreisrunden Durchbruch 17 einer mit Kälgemittelkanä- !en 18 versehenen Verdampferplattäne 19, Die beiden Membranen 12 liegen dabei im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Verdampferplattine 19 und sind von dieser nahezu gleich weit entfernt. Der Rand des den Sensor 10 aufnehmenden Durchbruchs 17 ist in t regelmäßigen Abstanden mit radialen Einschnitten 20 versehen, so daß am Rand des Durchbruchs 17 Lappen entstehen, welche wechselweise nach entgegengesetzten Seiten aus der Ebene der Verdsmpferplatte 19 herausgestellt sind. Auf diese Weise wird in der Verdampfcrplatte 19 eine sichere, gut wärmelettenda Verbindung zum Gehäuse 11 des Sensors 12 hergestellt In dem Anwendungsfall nach Fi g, 4 ist der Sensor 10 mit seinem Gehäuse 11 in einem Halteelement 21 gefaßt, welches mit einem flanschartigen Rand 22 versehen ist und beispielsweise mit Nieten 23 an der Verdampferplatte 19 befestigt ist In diesem Falle ist der Abstand des Sensors 10 von der Oberfläche der Verdampferplatte 19 möglichst gering so gewählt, daß über die Verdampferfläche nach unten laufende Wassertropfen gerade noch ungehindert ablaufen können, ohne zwischen der Verdampferplatte 19 und der dieser zugekehrten Membran 12 des Sensors 10 festgehalten zu werden.

Bei dem beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel wird der eine elektroakustische Wandler 12 als Sender betrieben, während der andere als -" Empfänger dient Dabei wird der Sender beispielsweise durch eine konstante sinusförmige Wechselspannung mit maximal etwa 20 V Spitzenspannung angeregt, deren Frequenz der tiefsten Eigenfrequenz des Systems entspricht Diese liegt etwa im Bereich von drei bis vier ?> KHz. Der auf diese Weise angeregte Sender gibt Luftschi.:! ab, der über das eingeschlossene Luftvolumen die als Empfänger dienende gegenüberliegende Membran 12 anregt Über das als Ring ausgebildete Gehäuse 11 wird auch Körperschall auf den Empfänger to übertragen. Der Empfänger, der seinerseits weitgehend die gleichen Eigenfrequenzen wird der Sender hat, gibt nun eine Wechselspannung mit der Anregungsfrequenz ab, deren Amplitude im unbelasteten Fall gleich oder geringfügig niedriger, im Falle der Resonanzüberhöij hung auch geringfügig höher als die Anregungsspannung ist. Durch die bei Betrieb der Kältemaschine eintretende Bereifung der beiden Membranen 12 wird die tiefste Resonanzfrequenz des Systems um 100 bis 1000 Hz, bei Vereisung jedoch bis zu 3000 Kz zu <» höheren Frequenzen hin verschoben. Zusätzlich bewirkt eine dünne Eisschicht eine starke Dämpfung des Systems. Durch beide Effekte wird bei der Anregung mit der Resonanzfrequenz des unbelasteten Systems der Pegel der Ausgangsspannung stark abgesenkt >"> Versuche haben ergeben, daß im Vergleich zur Ausgangsspannung U₀ des unbelasteten Systems der Ausgangspegel bei einem dünnen Wasserfilm auf den Membranen um ca. 1OdB, bei leichter Bereifung hingegen um ca. 2OdB sinkt. Bei stärkerer Bereifung >" sinkt der Ausgangspegel dagegen um ca. 30 dB und bei einer Eisschicht von ca. 1 mm Stärke um etwa 40 dB, während er bei starker Vereisung um mehr als 50 dB sinkt. Dabei gilt:

'' /, = 20 Ig ^- dB.

Die Änderung der Spannungsverhältnisse ist durch Bereifung oder Vereisung der Membranen so groß, daß mit einer einfachen elektronischen Schaltung, wie beispielsweise einem Schwellwertschalter, der Kältekreislauf mit den notwendigen Abtauperioden entsprechend gesteuert werden kann.

Der dargestellte und beschriebene Sensor 10 ist an einer StcMe des Verdampfers eines Kältegerätes anzubringen, an der die Bereifung oder Vereisung kontrolliert werden soll. Bei der Anbringung ist auf einwandfreien thermischen Kontakt zu achten, der

durch eine Halterung in der beschriebenen Weise Verdampfer 19 zugekehrte Membran 14 von der

hergestellt werden kann. Die Halterung darf jedoch die Oberfläche des Verdampfers gerade so weit entfernt

Membranen 12 nicht am Schwingen hindern. Darüber sein, daß ein Wassertropfen, der am Verdampfer

hinaus soll keine der Membranen 12 den Verdampfer 19 heruntergleitet, gerade noch nicht die Membran

berühren. Bei der Anbringung des Sensors im Falle nach > berührt,
dem Anwendungsbeispiel nach Fig.4 soll die dem

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche;

   U Sensor ?ur Überwachung von Reif- und/oder Eisablagerungen auf Oberflächen, insbesondere auf Verdampferoberflächen von Kältemaschinen, Wärmepumpen oder dergleichen, in Form eines am Verdampfer in wärmeleitendem Kontakt anbringbaren, dosenartigen Gehäuses, mit einer Membran, auf der ein durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzbarer elektroakustischer Wandler, wie ein piezoelektrisches Element oder dergleichen sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) auf seiner der Membran (12) gegenüberliegenden Seite mit einer, ebenfalls mit einem elektroakustischen Wandler (14) versehenen, zweiten Membran (12) ausgestattet ist, welche der ersten in geringem Abstand gegenübersteht und bei deren Erregung durch Übertragung mit in Schwingung versetzt wird.
2. 2. Sensor sich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Membran (12) wenigstens annähernd parallel und deckungsgleich zur ersten Membran (12) am Gehäuse angeordnet ist.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler (14) als piezokeramische Schwinger ausgebildet sind, welche den mittleren Bereich der Membranen (12) bis nahe deren Randzone abdecken und weitgehend übereinstimmende Eigenfrequenzen aufweisen.
4. 4. Sensor narh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezokeramische Schwinger (14) die Form einer Kreisscheibe hat, deren Räche nur wenig kleiner ist, als diejenige der Membran (12).
5. 5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) in einen Durchbruch (17) des Verdampfers derart einsetzbar ist, daß dessen Membranen (14) im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Verdampfers (19) liegen.
6. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) mit gut wärmeleitenden Halteelementen (21) in geringem Abstand wenigstens annähernd parallel zur Verdampferoberfläche befestigbar ist.
7. 7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) als Abschnitt eines Zylinders mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet ist, an dessen Enden die Membranen (12) befestigt sind.