DE3909262A1 - Steuersystem, atmosphaerische kuehlvorrichtung und verfahren zum betreiben der kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsschaltanordnung, bei der wenigstens eine piezoelektrische Relaiseinrichtung benutzt wird, und betrifft insbesondere die Steuerung einer besonderen Art von Vorrichtung mittels einer solchen Ein­ richtung.

Piezoelektrische Relaiseinrichtungen sind bekannt als Ein­ richtungen zum entweder Einleiten oder Unterbrechen eines Stromflusses zu einer Belastungseinrichtung. Eine bekannte piezokeramische Relaiseinrichtung für diesen Zweck ist in den beiden US-PS 46 70 682 und 46 89 517 der Anmelderin beschrie­ ben. Die Relaiseinrichtung enthält ein piezokeramisches Biege­ teil, das aus wenigstens zwei ebenen, vorgepolten piezokera­ mischen Plattenelementen besteht, die entgegengesetzt parallel zueinander sandwichartig auf entgegengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen, leitfähigen Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Oberflächen haben, die voneinander und von der zentralen, leitfähigen Oberfläche durch die dazwischen befind­ lichen Dicken der piezokeramischen Plattenelemente getrennt sind. Bewegliche Kontakte, die dem beweglichen Biegeteil zuge­ ordnet sind, wirken mit feststehenden Kontakten zusammen, die dadurch in der Lage sind, einen elektrischen Stromkreis, über den Strom von einer Stromquelle zu der Belastungseinrichtung fließt, entweder zu schließen oder zu unterbrechen. Bei einer repräsentativen Form dieses Typs von Relaiseinrichtung, wie er in den oben erwähnten US-Patentschriften beschrieben ist, wird ein piezokeramisches Biegeteil benutzt, welches mit Klemmein­ richtungen selektiv vorgepolt wird, die an ungepolten Teilen befestigt sind, welche dem selektiv vorgepolten Biegeteil be­ nachbart sind und dieses freitragend mechanisch haltern, um Paare von zusammenwirkenden elektrischen Kontakteinrichtungen zu betätigen, wobei die ungepolten Teile mechanisch unbean­ sprucht und elektrisch neutral sind. Das Biegeteil ist so aus­ gebildet, daß es jede Seite einer Mittelposition betätigt, die normalerweise durch das Biegeteil in einer unerregten Po­ sition eingenommen wird, um dadurch unterschiedliche Betriebs­ arten zu ermöglichen. In einer Betriebsart kann die Relais­ einrichtung einfach als ein Ein/Aus-Schalter dienen, wobei ein Paar zusammenwirkender Schalterkontakte den elektrischen Stromkreis in bezug auf die Belastungseinrichtung entweder herstellt oder unterbricht. In einer anderen Betriebsart je­ doch ist das Paar zusammenwirkender Schalterkontakte auf jeder Seite des Biegeteils vorgesehen, um eine wahlweise Speisung von mehreren Belastungseinrichtungen zu ermöglichen. Beide Betriebsarten mit dem bekannten "bimorphen" Typ von Biege­ schalteinrichtung ergeben sich auf ähnliche Weise, wenn das Gleichstromerregungspotential, das benutzt wird, um die Aus­ lenkung des Biegeteils zu bewirken, dieselbe Polarität wie die Polarität des Vorpolungspotentials hat, das benutzt wird, um die vorgepolten piezokeramischen Plattenelemente vorzupolari­ sieren. Die Depolarisation, die durch derartiges Betreiben der Relaiseinrichtungen vermieden wird, ergibt eine Dipolverstär­ kung, welche einen relativ langfristigen Betrieb bei Bela­ stungseinrichtungen ermöglicht, bei denen Lastspannungen von bis zu 5000 Volt und entsprechend starke Ströme von hunderten von Ampere benutzt werden.

Bei beiden vorgenannten Betriebsarten hat es sich gezeigt, daß diese piezokeramischen Relaiseinrichtungen die größten Betriebs- und Konstruktionsvorteile gegenüber entweder elek­ tromagnetischen Relais oder Halbleitereinrichtungen erbringen, wenn sie für Leistungsschaltzwecke eingesetzt werden. Diese Vorteile sind in der US-PS 46 58 154 der Anmelderin beschrie­ ben, die außerdem piezokeramische Relaisschaltkreise be­ schreibt, welche zum Steuern von Einzel- und Doppelbelastungs­ vorrichtungen benutzt werden. Die elektromagnetischen Relais, die für diesen Zweck noch weitgehend benutzt werden, bilden eine Schnittstelle zwischen, beispielsweise, einer elektro­ nischen Steuerschaltung und einem Belastungskreis, wobei die Steuerschaltung die Steuersignale niedriger Leistung zum wahl­ weisen Erregen der Relaisspule benutzt, um die Relaiskontakte geeignet zu positionieren, welche in dem Leistungskreis zusam­ menwirken, um relativ höhere Leistungswerte zu schalten. Wenn solche Relaiskontakte geschlossen sind, wird der Strom prak­ tisch ohne Verluste übertragen, und wenn sie getrennt werden, wird der Laststrom mit der Gewißheit unterbrochen, die nur ein Luftspalt bieten kann. über die Jahre haben Verbesserungen bei den elektromagnetischen Relais zu größerem Wirkungsgrad und zu geringerer physischer Größe geführt. Das heißt, diese Relais können mit Steuersignalen ziemlich geringen Energiein­ halts betätigt werden, um akzeptabel hohe Werte des Laststroms zu schalten. Zum Beispiel gibt es elektromagnetische Relais, die mit einem 1-Watt-Steuersignal betätigt werden können, um mehrere Kilowatt Leistung bei 115 oder 230 Volt Wechselspannung zu schalten. Infolgedessen können elektromagnetische Relais mit Signalen betätigt werden, die durch eine Festkörpersteuer­ schaltungsanordnung erzeugt werden. Andererseits bleiben die Nachteile beträchtlich, welche mit elektromagnetischen Relais verbunden sind, die zum Steuern eines Stromflusses in Last­ kreisen aufgrund von Steuersignalen benutzt werden. Die gegen­ wärtigen elektromagnetischen Relais sind zwar im Vergleich zu früheren Konstruktionen der Relais miniaturisiert worden, die zu ihrer Betätigung erforderlichen Leistungen sind aber im Vergleich zu bekannten Festkörperleistungsschaltern beispiels­ weise immer noch ziemlich groß. Die gegenwärtigen elektromag­ netischen Relais sind noch relativ komplex und teuer in der Herstellung, da beispielsweise ihre Spulen üblicherweise eine Vielzahl von Windungen sehr feinen Drahtes erfordern. Der Spulenwiderstand verbraucht eine gewisse Leistung, die durch eine akzeptabel starre Stromversorgung geliefert werden muß. Wenn beispielsweise elektromagnetische Relais in den Steuer­ einrichtungen von Haushaltsgeräten benutzt werden, muß die Relaisbetätigungsleistung einem 115- oder 230-Volt-Wechsel­ stromnetz entnommen werden. Die erforderliche Stromversorgung, insbesondere wenn ein elektromagnetisches Relais mit einer Festkörpersteuerschaltung verbunden ist, verlangt einen Trans­ formator, elektrolytische Kondensatoren, Regler und Schutz­ einrichtungen, damit das Vorhandensein einer zuverlässigen Quelle für den Relaisbetätigungsstrom gewährleistet ist. Sol­ che Stromversorgungen sind teuer und stellen eine beträcht­ liche Verlustleistungsquelle dar. Darüber hinaus müssen in einigen Fällen, in denen starke Umgebungsmagnetfelder vorhan­ den sind, beispielsweise bei Motoranlassern, die elektromag­ netischen Relais speziell abgeschirmt werden, um Fehlanspre­ chen zu vermeiden. Die Nachteile, die mit der Verwendung von elektromagnetischen Relais in einer Leistungsschaltanordnung verbunden sind, haben dadurch zu dem Trend geführt, Festkör­ perschalter wie Thyristoren, Triacs, MOSFETs, IGTs und dgl. als Leistungsschaltausgangseinrichtung zu benutzen. Solche Festkörperschalter werden zwar relativ billig und können eine kleinere physische Größe als elektromagnetische Relais ver­ gleichbarer Nennleistung haben, sie weisen jedoch einen ziem­ lich beträchtlichen "Ein"-Widerstand auf, der bei höheren Stromstärken zu beträchtlicher Verlustleistung führt. Daher müssen Halbleiterleistungsschalter, welche zum Schalten von starken Strömen eingesetzt werden, mit einer richtigen Wärme­ ableitung versehen sein, um sie vor thermischer Beschädigung zu schützen, weshalb sie mit ihren Wärmeableitern physisch mehr Raum einnehmen können als ihre als elektromagnetische Relais ausgebildeten Gegenstücke. Darüber hinaus müssen Festkörper­ leistungsschalter gegen mögliche Beschädigung bei Fehlanspre­ chen infolge von transienten, elektrostatischen Entladungen und elektromagnetischer Störung geschützt werden. Alle diese Schutzmaßnahmen bringen zusätzliche Kosten mit sich. Da solche Festkörperleistungsschalter keinen Luftspalt aufweisen, um den Stromfluß in ihrem "Aus"-Zustand zu unterbrechen, und wegen ihres Fehlbetriebes im "Ein"-Zustand hat das Versicherungs­ labor (Underwriters Laboratory) ihren Einsatz in zahlreichen Haushaltsgeräten nicht gebilligt. Diese Mißbilligung ist nur zum Teil mit einer Kombination aus Festkörperschaltern und in Reihe geschalteten elektromagnetischen Relais in eini­ gen Haushaltsgeräten, um so den verlangten Luftspalt zu schaffen, überwunden worden.

Sämtliche vorgenannten Hauptnachteile, die mit der Verwendung von entweder elektromagnetischen Relais oder Halbleiterschal­ tern als Leistungsschaltausgangseinrichtung verbunden sind, haben erneutes Interesse an piezoelektrischen Relais ein­ schließlich piezokeramischen Relaiseinrichtungen geweckt. Die jüngsten Verbesserungen der piezokeramischen Materialien haben deren elektromechanischen Wirkungsgrad für diese Relaiszwecke verbessert. Es sind piezokeramische Antriebselemente aus einer Anzahl von unterschiedlichen polykristallinen Keramikmateria­ lien wie Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat und dgl. hergestellt worden, welche in eine gewünschte Ge­ stalt, z.B. zu rechteckigen Keramikplatten, vorgegossen und gebrannt werden. Die piezokeramischen Relaiseinrichtungen er­ fordern einen sehr niedrigen Betätigungsstrom, haben eine minimale Verlustleistung beim Aufrechterhalten eines betätig­ ten Zustands und ziehen in ihrem Ruhe- oder unerregten Zustand keinen Strom. Die elektrischen Eigenschaften der piezokerami­ schen Antriebselemente sind grundsätzlich kapazitiver Natur, weshalb piezokeramische Antriebselemente gegen umgebende elektromagnetische Felder praktisch immun sind. Solche piezo­ keramischen Relaiseinrichtungen können in kleineren physischen Größen als elektromagnetische Relais vergleichbarer Nennlei­ stung hergestellt werden. Da bei den piezokeramischen Relais­ einrichtungen Schalterkontakte benutzt werden, ergibt die Kontakttrennung den Luftspalt in dem Lastkreis, der bei Haus­ haltsgeräten für die Anerkennung durch das Versicherungslabor erforderlich ist. Das Schließen dieser Relaiskontakte ergibt einen Strompfad mit vernachlässigbarem Widerstand und bringt daher, anders als Festkörperleistungsschalter, praktisch keinen Verlust in dem Lastkreis mit sich. Da sich zusätzliche konstruktive und betriebsmäßige Vorteile von solchen verbes­ serten piezokeramischen Relaiseinrichtungen in den oben er­ wähnten US-PS 46 70 682 und 46 89 517 finden, wird auf diese bezüglich weiterer Einzelheiten ausdrücklich verwiesen.

Die Geeignetheit von solchen piezokeramischen Relaiseinrich­ tungen bei dem Steuern des Stromflusses zu einer besonderen Vorrichtung erfordert verständlicherweise die Beachtung von noch weiteren Faktoren. Sowohl die Betriebseigenschaften, die bei der Vorrichtung erwünscht sind, als auch die Umgebungsbe­ dingungen, die angetroffen werden, müssen berücksichtigt wer­ den. Zum Beispiel wird bei einer überwiegend eingesetzten Haus­ haltskühlvorrichtung, nämlich dem Haushaltskühlschrank, eine Kühleinrichtung benutzt, um den Inhalt eines Lagerraums am Verderben zu hindern, während eine Abtaueinrichtung üblicher­ weise vorgesehen ist, um eine Reifansammlung von den Oberflä­ chen des Kühlverdampfers zu entfernen. Es ist erwünscht, den Betrieb dieses Haushaltsgerätes und von noch weiteren, ähn­ lichen Kühlvorrichtungen so zu steuern, daß diese direkt an der verfügbaren Netzspannungsstromversorgung bei minimaler An­ zahl und Größe der Komponenten in der Steuerschaltungsanordnung und bei weiterer Reduzierung von jedweder Empfindlichkeit der Steuerschaltungsanordnung für elektromagnetische Störung und Netzübergangsvorgänge betrieben werden können. Die Verwendung von wenigstens einer piezokeramischen Relaisvorrichtung in der Steuerschaltungsanordnung könnte theoretisch ermöglichen, einen Stromfluß zwischen der Kühl- und der Abtaueinrichtung in einer solchen Luftkühlvorrichtung bei relativer Immunität gegen umgebende elektromagnetische Felder am wirksamsten zu schalten. Die piezokeramischen Relaiseinrichtungen sind wei­ ter besonders geeignet für die Verwendung in Kombination mit eine geringe Leistung aufnehmenden elektronischen Schaltungs­ komponenten, um die Steuersignale für die Betätigung des piezokeramischen Biegeteils zu erzeugen und dadurch entweder das Öffnen oder das Schließen der Relaiskontakte zu ermög­ lichen. Es wäre weiter erwünscht, die separate Steuereinrich­ tung, die zur Zeit in den bekannten Luftkühlvorrichtungen benutzt wird, um die Kühl- und die Abtauvorrichtung einzeln zu steuern, durch eine einzelne Steuereinheit zu ersetzen, in welcher wenigstens eine piezokeramische Relaiseinrichtung be­ nutzt wird. Eine solche Vereinfachung wäre bei dem oben er­ wähnten Haushaltskühlgerät besonders attraktiv, da sie ge­ stattet, mehr Raum für die Lebensmittellagerung zu nutzen, und da sie es einfacher macht, die gesamte Steuereinrichtung in der Vorrichtung unterzubringen, wodurch das Aussehen des Kühlgerätes verbessert wird.

Die Fähigkeit einer piezokeramischen Relaiseinrichtung und ihrer zugeordneten Steuerschaltungsanordnung, in einer Umge­ bung relativ hoher Feuchtigkeit und niedriger Temperatur, die mit einer atmosphärischen Kühlvorrichtung verbunden ist, richtig arbeiten zu können, stellt verständlicherweise eine weitere wichtige Überlegung dar. Die Relaiskontakte müssen in dieser Betriebsumgebung während der relativ langen Lebensdauer, die bei den meisten Kühlvorrichtungen verlangt wird, zuverlässig öffnen und schließen. Piezokeramische Relaiseinrichtungen haben sich zwar als für einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb geeignet er­ wiesen, beträchtliche Kontaktprobleme sind jedoch immer noch vor­ handen, die bislang leider nur gemildert werden konnten, indem zusätzliche Schaltungseinrichtungen benutzt worden sind. Insbesondere kommt es zur Lichtbogenbildung an den Kontakten aus verschiedenen Gründen, wenn die Relaiskontakte geöffnet und geschlossen werden, was zusätzliche Schaltungseinrichtun­ gen erforderlich gemacht hat, um den Verschleiß an der Kontaktstelle zu verringern. Das Lichtbogenproblem, das auf­ tritt, wenn die Kontakte geöffnet werden, ist auf einen An­ stieg des wiederangelegten Vorwärtspotentials an die Kontakte zurückzuführen, wenn diese öffnen, was mit Snubber-Schaltun­ gen verringert werden kann, wie es in den beiden oben erwähn­ ten US-PS 46 58 154 und 46 70 682 vorgeschlagen ist. Das Lichtbogenproblem, das auftritt, wenn diese Kontakte ge­ schlossen werden, ist mechanischem Kontaktprellen bei dem Schließen zuzuschreiben, und mit diesem Problem befaßt sich die US-PS 46 26 698 der Anmelderin. Darin ist vorgeschlagen, neue Schaltungen mit einer piezokeramischen Relaiseinrichtung einschließlich einer Schaltungseinrichtung zu benutzen, um am Anfang ein Erregungspotential relativ niederiger Spannung an dem piezokeramischen Biegeteil einzuprägen, um dessen Bewegung zu verlangsamen und Kontaktprellen nach dem ersten Kontakt­ schließen zu verhindern. Es ist außerdem darin vorgeschlagen, daß diese Schaltungen betrieben werden, um einen Stromfluß über die Kontakte zu löschen, wenn diese geöffnet werden, um das vorerwähnte Lichtbogenproblem zu mildern.

Das Ausmaß von beiden Lichtbogenproblemen ist an einer weite­ ren Empfehlung zu erkennen, die in der vorgenannten Druck­ schrift gegeben wird, nämlich spezielle Kontaktmetalle zu be­ nutzen, welche die Lichtbogenbildung aushalten, zu der es immer dann kommt, wenn die Relaiskontakte getrennt werden.

Die jüngste Gesetzgebung in vielen Staaten verlangt nun, daß ein Haushaltsgerät hinsichtlich des energetischen Wirkungs­ grads Mindeststandards erfüllt. Bei Haushaltsluftkühlvorrich­ tungen, zu denen Kühlschränke, Luftkonditionierer, Wärmepum­ pen und dgl. gehören, verlangt diese Forderung verständlicher­ weise einen wirtschaftlichen Gebrauch der elektrischen Lei­ stung sowohl in der Kälte- als auch in der Abtaueinrichtung. Ein Hauptproblem tritt in dieser Hinsicht aufgrund der Art und Weise auf, auf die Abtaueinrichtungen bei sehr vielen der heutigen Haushaltsluftkühlgeräte betrieben werden. Beispiels­ weise wird in einem üblichen Haushaltskühlschrank der Betrieb des Kompressormotors in der Kälteeinrichtung durch eine Ther­ mostateinrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Tempera­ tur gesteuert. Die zugeordnete Abtaueinrichtung wird gesteu­ ert, indem ein Abtauheizelement in periodischen Intervallen, die durch einen Zeitgeber gesteuert werden, mit Strom versorgt wird. Da der Abtauzeitzyklus durch den Hersteller zur Zeit der Herstellung festgelegt wird, sind keine Vorkehrungen getrof­ fen, um diesen Abtauzyklus mit Änderungen, welche in der Be­ triebsumgebung auftreten, zu verändern. Demgemäß bleibt das Intervall, während welchem der Abtaueinrichtung zu arbeiten gestattet wird, trotz breiter Schwankungen konstant, welche in der feuchten Umgebung auftreten, wenn die Vorrichtung durch einen Benutzer betrieben wird. Es wird dadurch ermög­ licht, daß die Abtaueinrichtung die Verdampferoberflächen in einer Umgebung geringer Feuchtigkeit überhitzt, was gelegent­ lich zum Einbau zusätzlicher Thermostateinrichtungen zur vor­ sorglichen Unterbrechung des Abtauzyklus geführt hat. Darüber hinaus bringt der gegenwärtige Trend, aufgrund dessen das gesamte Steuersystem eines Haushaltskühlschranks und von noch weiteren Haushaltsluftkühlvorrichtungen in der besonderen Vorrichtung aus Gründen des Aussehens und wegen geringerer Verdrahtungskosten untergebracht wird, weitere Nachteile mit sich. Der Abtauzeitgebermotor wird nun den sehr hohen Umge­ bungsfeuchtigkeiten und niedrigen Temperaturen ausgesetzt, während er weiter Wärme abgibt, die durch die Kälteeinrich­ tung entfernt werden muß. Der letztgenannte Nachteil ver­ ringert verständlicherweise den thermischen Gesamtwirkungs­ grad der besonderen Vorrichtung, was es schwieriger macht, die oben erwähnten Mindeststandards bei der Energieausnutzung in Haushaltsgeräten zu erfüllen. Bei der Betrachtung dieser Energieausnutzungsstandards wird weiter deutlich, daß eine richtige Steuerung einer Luftkühlvorrichtung, die sowohl eine Kälteerzeugungs- als auch eine Abtaueinrichtung hat, jeden gleichzeitigen Betrieb dieser Vorrichtungen ausschließen sollte.

Gemäß der oben erwähnten US-PS 46 58 154 kann das Betreiben eines piezokeramischen Relais zum Steuern der Leistungsauf­ nahme von zwei ohmschen Belastungseinrichtungen auf derartige Weise, daß ein gleichzeitiger Betrieb der Einrichtungen ausge­ schlossen ist, mit einem Minimum an Stromverbrauch erfolgen. Diese Betriebssteuerung der Relaiseinrichtung wie sie in dieser US-Patentschrift beschrieben ist, benutzt eine für hohe Spannung ausgelegte integrierte Schaltungsanord­ nung, welche direkt aus einer herkömmlichen Stromquelle wie den verfügbaren 115-Volt- oder 230-Volt-Wechselstromquellen gespeist wird. Damit diese Relaissteuerschaltungsanordnung die Eingangsleistung einer atmosphärischen Kühlvorrichtung wirksam und zuverlässig steuern kann, die entweder eine Kälte­ einrichtung allein oder eine Kälteeinrichtung in Betriebszu­ ordnung mit einer Abtaueinrichtung hat, ist es jedoch erfor­ derlich, daß eine Anzahl und eine Vielfalt von noch weiteren wichtigen Kriterien erfüllt sind. Als wichtige Kriterien für das Steuern der Leistungsaufnahme jeder Einrichtung gibt es verständlicherweise die Notwendigkeit eines wirtschaftlichen Stromverbrauches, einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb der gewählten Leistungsschaltvorrichtungen und relativ geringe Kosten hinsichtlich der baulichen Realisierung der gewählten Leistungsschalteinrichtungen in einer besonderen Vorrichtung. Diese Kriterien können in Verbindung mit Steuereinrichtungen, die nun bei einem üblichen Haushaltskühlschrank untersucht werden, weiter verdeutlicht werden. Die herkömmliche Kälteein­ richtung steuert die Temperatur in einer oder mehreren Lebens­ mittelaufbewahrungskammern mit einem Thermostat, welcher den Kompressormotor in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur steuert. Die herkömmliche Abtaueinrichtung steuert den Betrieb des Abtauheizelements mit einem Zeitgebermotor, so daß ein Ab­ tauzyklus eingeleitet wird, nachdem ein festgelegtes Betriebs­ zeitintervall der Kälteeinrichtung verstrichen ist. Da der Abtauzeitgeberzyklus im allgemeinen so festgelegt wird, daß sich ein geeignetes Abtauen in einer Umgebung hoher Feuchtig­ keit und bei starkem Gebrauch ergibt, ist überschüssiges Ab­ tauvermögen vorhanden, wenn die Vorrichtung in einer Umgebung geringer Feuchtigkeit arbeitet. Daraus folgt, daß die Energie­ ausnutzung in dem herkömmlichen Leistungssteuersystem weniger als optimal ist und daß ein Steueralgorithmus, aufgrund dessen weniger Energie verbraucht wird, vorteilhaft wäre. Das Erset­ zen der separaten elektrischen Steuereinrichtung, die zur Zeit die Kälte- und die Abtaueinrichtung in der herkömmlichen Vor­ richtung betreibt, durch eine einzige Steuereinheit, in der eine piezokeramische Relaiseinrichtung benutzt wird, hat wei­ tere Vorteile. Die Verdrahtungskosten in der Vorrichtung können gesenkt werden, während die Betriebszuverlässigkeit aufgrund der einfacheren elektrischen Verbindungen gesteigert wird. Das Aufkommen von zuverlässigen und billigen Mikropro­ zessorsteuerschaltungen, was sich in deren breiter Anwendung in vielen gegenwärtigen Haushaltsgeräten ausdrückt, macht es weiter möglich, die Betätigungssignale an eine piezoelektri­ sche Relaiseinrichtung automatisch anzulegen, welche den oben erwähnten Steueralgorithmus für eine übliche Luftkühlvorrich­ tung erfüllen. Wenn das so gemacht wird, könnte eine im Handel erhältliche, als auf einem Chip integrierte Schaltung ausge­ bildete Vorrichtung mit den notwendigen Logik- und Taktbefeh­ len programmiert werden, um einen gewählten Steueralgorithmus auszuführen, und die Steuersignale könnten auf eine Weise ge­ wonnen werden, daß sich eine weitere integrierte Schaltungsan­ ordnung betätigen läßt,welche die piezokeramische Relaisein­ richtung betätigt. Die sich ergebende Steuerschaltungsanord­ nung könnte dann direkt und ohmisch mit einer geeigneten Strom­ quelle und mit den Anschlußeinrichtungen der piezokeramischen Relaiseinrichtung verbunden werden, um die erforderliche Be­ tätigungsleistung zu minimieren und die Relaiseinrichtung automatisch ansprechen zu lassen, damit eine Auslenkung in einer ersten Richtung zum Schließen eines elektrischen Strom­ kreises zwischen der Stromquelle und der Kälteeinrichtung er­ folgt, oder um eine Auslenkung in einer zweiten Richtung zu bewirken, damit ein elektrischer Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Abtaueinrichtung geschlossen wird, und das alles auf relativ ausfallsichere Weise.

Der wirtschaftlichere Einsatz der Energie sowie die einfachere und zuverlässigere Steuereinrichtungzur elektrischen Leistungs­ steuerung entweder der Kälteeinrichtung oder der Abtaueinrich­ tung, die in einer üblichen atmosphärischen Kühlvorrichtung benutzt werden, verlangt ein noch ausführlicheres Verständnis des herkömmlichen Steueralgorithmus. In dem oben erläuterten üblichen Haushaltskühlschrank stellt der gegenwärtige Steuer­ algorithmus ein täglich festgesetztes Zeitintervall zum Ab­ tauen zur Verfügung, statt für ein Abtauen nach Bedarf zu sorgen. Um es weiter zu erläutern, es gibt zwei elektrische Leistungssteuerelemente in dem gegenwärtigen Kälteerzeugungs­ steuersystem. Das erste ist die herkömmliche Kalt-Steuerung, bei welcher es sich um einen hydraulischen Kugelthermostat handelt, der den Kompressormotor in Abhängigkeit von der ge­ messenen Temperatur steuert. Der herkömmliche Kaltsteuerungs­ algorithmus sorgt, im Gegensatz zu einer Steuerung mit Rück­ führung der wahren Temperatur, für eine Temperatursteuerung der angeschlossenen Kammern für gefrorene und frische Lebens­ mittel in dem Kühlschrank mit einem einzigen Temperaturüber­ wachungssteuerpunkt. Da die herkömmlichen Kältesysteme ihren Spitzenwirkungsgrad nicht erreichen, sofern nicht dem Kompres­ sor gestattet wird, für eine ausreichend lange Zeitspanne zu arbeiten, beispielsweise von fünfzehn bis fünfundvierzig Minu­ ten, um stationäre Zustände zu erreichen, ist die gegenwärtige Kaltsteuerung ein technischer Kompromiß zwischen einer engen Steuerung der Temperatur in dem Überwachungspunkt und einem geeigneten Betrieb des Kältesystems selbst. Während dieser Mindestkompressorlaufzeit kann die Temperatur in jeder der beiden Kammern über die Solltemperatur überschwingen, während versucht wird, die Überschwingungsergebnisse zu minimieren, welche die Energieausnutzung des Kühlschranks senken. Es ist weiter klar, daß immer dann, wenn eine warme thermische Be­ lastung in eine der Lebensmittelkammern eingebracht wird, ein thermischer Übergangsvorgang auftritt. Eine ausreichende Kaltsteuerung wird erreicht durch Überwachen der Temperatur in der Frischlebensmittelkammer. Bei der herkömmlichen Kälte­ einrichtung wird die Temperatur der Verdampferaustrittsluft überwacht, indem ein Thermostat mit langer Zeitkonstante be­ nutzt wird, so daß kurze Störungen in der Austrittstemperatur nicht dazu führen werden, daß die Temperatursteuerung betätigt wird. Die Austrittsluft des Verdampferabschnitts ist im Ver­ gleich zu der Temperatur der Frischlebensmittelkammer kalt, weil es sich um ein Gemisch aus Luftströmen für frische und gefrorene Lebensmittel handelt. Deshalb erfordert die gegen­ wärtige Kaltsteuerung eine beträchtliche Hysterese von bei­ spielsweise 5, 6-7, 3°C (10-13°F) für einen stabilen Betrieb. Diese Hysterese garantiert außerdem die Mindestlauf- und -auszeiten für den Kompressor aufgrund der Zeitkonstante des Verdampfers und des Thermostats. Die Mindestlaufzeit ist für einen Betrieb mit gutem Wirkungsgrad erforderlich, während die Mindestauszeit erforderlich ist, damit sich der Kältemittel­ gasdruck ausgleicht, so daß der Kompressormotor nicht mit einem hohen Gegendruck zu starten versucht. Durch Verwenden der Austrittslufttemperatur aus dem Verdampfer wird ein Meßwert sowohl der Frisch- als auch der Gefrierlebensmittelkammer bei der Messung berücksichtigt, weil die Luft aus beiden Kammern in dem Verdampfer vermischt wird. Die Verwendung der Austritts­ lufttemperatur gestattet weiter einen Grad an thermischer Antizipation für das Temperatursteuersystem, wodurch die Werte des Temperaturüberschwingens, welche in den Frischlebensmittel­ kammern auftreten, minimiert werden, wodurch die Schädigung von Belastungen mit geringer thermischer Masse wie grünem Salat begrenzt wird. Vom Benutzer betätigte Einrichtungen sind weiter bei den herkömmlichen Kälteeinrichtungen vorgesehen zum Einstellen der Kammertemperaturen in einer ansonsten mit Rück­ führung arbeitenden Temperaturregelanordnung. Die Eichung der herkömmlichen Kaltsteuereinrichtung ist weiter von der Höhe abhängig, wo die Vorrichtung betrieben wird. Im Gegensatz zu der mit Temperaturrückführung arbeitenden Regeleinrichtung zum Betreiben der herkömmlichen Kälteeinrichtung leitet die zweite Abtausteuereinrichtung in der herkömmlichen Vorrichtung einen Abtauzyklus mit einem Zeitgeber ein, der das Abtauheiz­ element so steuert, daß es über eine feste Zeitspanne betrie­ ben wird. Üblicherweise ist ein 500-Watt-Heizelement vorge­ sehen, um den Reif, der sich auf der Verdampferoberfläche an­ gesammelt hat, periodisch zum Schmelzen zu bringen und den energetischen Wirkungsgrad der Kältevorrichtung aufrechtzuer­ halten. Gegenwärtige Abtauzeitgeber leiten üblicherweise einen Abtauzyklus immer dann ein, wenn der Kompressor in der Kälte­ einrichtung für eine feste Anzahl von Stunden gearbeitet hat.

Erreicht wird das dadurch, daß der Abtauzeitgeber parallel zu dem Kompressormotor verdrahtet wird. Der gegenwärtige Ab­ tauzeitgeberzyklus wird weiter an Kundenspezifikationen für besondere Kühlschrankkonstruktionen angepaßt, bei denen der Abtauzyklus nur einmal pro acht bis sechzehn Stunden Kompres­ sorlaufzeit eingeleitet wird, je nach Auslegung des besonderen Wärmetauschers des Kühlschranks. Das herkömmliche Abtauheiz­ element wird dadurch für eine maximale Zeit von einer halben Stunde mit Strom versorgt, woran sich eine kurze Aus-Zeit an­ schließt, damit sich der Gasdruck und die Temperatur in der Kühleinrichtung ausgleichen können. Die gegenwärtig verwendete Abtaueinrichtung mit fester Zeitspanne wird ineffizient, wenn der Kühlschrank in einer Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit arbeitet oder wenn er wenig benutzt wird, so daß sich eine sehr geringe Menge an Reif auf den Verdampferoberflächen an­ sammelt, was dazu führt, daß der Verdampfer auf sehr hohe Tem­ peraturen gebracht wird, wenn das 500-Watt-Heizelement für eine Zeitspanne von dreißig Minuten mit Strom versorgt wird, die nur bei sehr starker Reifansammlung erforderlich ist. Auf­ grund dieser Überhitzungsmöglichkeit enthält das herkömmliche Steuersystem weiter im allgemeinen ein Abtaubeendigungsther­ mostatsystem, durch welches der Abtauheizelementstrom immer dann unterbrochen wird, wenn der Verdampfer eine voreinge­ stellte Temperatur erreicht. Verständlicherweise werden durch das weitere Vorsehen dieses energetisch ineffizienten Steuer­ systems in der Lebensmittelkammer des Kühlschranks nicht nur sämtliche Komponenten einer Umgebung hoher Feuchtigkeit und niedriger Temperatur ausgesetzt, sondern es erfordert auch, daß zusätzliche thermische Belastungen, die durch das Steuer­ system selbst erzeugt werden, durch die Kälteeinrichtung ent­ fernt werden. Daß ein energetisch effizienterer Steueralgo­ rithmus benötigt wird, ergibt sich weiter aus der beträcht­ lichen Aktivität, die nun darauf verwandt wird, Reifmeßein­ richtungen als Ersatz für die herkömmliche Abtaueinrichtung, die mit fester Zeitspanne arbeitet, zu entwickeln.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein System mit besserem energetischen Wirkungsgrad für die Regulierung der elektri­ schen Leistung zu schaffen, welche die Kälte- und Abtauein­ richtungen aufnehmen, die in einer atmosphärischen Kühlvor­ richtung benutzt werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine Steuereinrichtung ge­ schaffen werden, in welcher wenigstens eine piezokeramische Relaiseinrichtung benutzt wird, um die elektrische Leistungs­ aufnahme einer atmosphärischen Kühlvorrichtung ausfallsicherer einzustellen.

Ferner soll durch die Erfindung eine Steuereinrichtung zum Einstellen der elektrischen Leistung geschaffen werden, wel­ che eine atmosphärische Kühlvorrichtung aufnimmt, bei der keine elektromechanische Zeitgebereinrichtung benutzt wird.

Außerdem soll durch die Erfindung eine verbesserte elektroni­ sche Steuereinrichtung zum automatischen Regeln der elektri­ schen Leistung, die eine atmosphärische Kühlvorrichtung auf­ nimmt, geschaffen werden.

Weiter soll durch die Erfindung ein neues Verfahren zum Ein­ stellen der elektrischen Leistung, die eine atmosphärische Kühlvorrichtung aufnimmt, geschaffen werden.

Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer piezokeramischen Relaiseinrichtung geschaffen werden, um die elektrische Eingangsleistung einer atmosphärischen Kühl­ vorrichtung effizienter zu regeln.

Außerdem soll durch die Erfindung ein effizienteres Verfahren zum automatischen Regulieren der elektrischen Leistungsaufnah­ me einer atmosphärischen Kühlvorrichtung geschaffen werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine effizientere atmosphäri­ sche Kühlvorrichtung geschaffen werden, bei der eine neue Steuereinrichtung zum Einstellen der elektrischen Leistungs­ aufnahme der Kälte- und der Abtaueinrichtung benutzt wird.

Ferner soll durch die Erfindung eine atmosphärische Kühlvor­ richtung geschaffen werden, bei der eine einfachere Steuer­ einrichtung zum Steuern der elektrischen Leistungsaufnahme mit einer piezokeramischen Relaiseinrichtung benutzt wird.

Außerdem soll durch die Erfindung eine atmosphärische Kühlvor­ richtung geschaffen werden, bei der eine verbesserte elektro­ nische Steuereinrichtung zum automatischen Regeln der elektri­ schen Leistungsaufnahme der Kälte- und der Abtaueinrichtung benutzt wird.

Weiter soll durch die Erfindung eine atmosphärische Haushalts­ kühlvorrichtung geschaffen werden, bei der eine neue Steuer­ einrichtung zum Regeln der elektrischen Leistungsaufnahme der Kälte- und der Abtaueinrichtung benutzt wird.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Haushaltskühlschrank geschaffen werden, bei dem eine neue Steuereinrichtung zum automatischen Regulieren der elektrischen Leistungsaufnahme zwischen der Kälte- und der Abtaueinrichtung benutzt wird.

Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Er­ findung.

Es sind nun neue Steuereinrichtungen zum Regeln der elektri­ schen Leistungsaufnahme entweder einer Kälteeinrichtung oder einer Abtaueinrichtung, die in einer atmosphärischen Kühlvor­ richtung benutzt werden, geschaffen worden, mit denen alle oben erwähnten erwünschten Verbesserungen erzielt werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung betreibt ein verbesserter Steueralgorithmus eine Abtaueinrichtung aufgrund von Steuer­ signalen, die durch das Betriebszeitintervall einer Kälteein­ richtung bestimmt werden, wobei aber der Betrieb der Abtauein­ richtung nun mehr von dem tatsächlichen Abtaubedarf abhängig gemacht wird. Diese verbesserte Abtaueinrichtung arbeitet zwar mit einem festen Zeitintervall, der Abtauzyklus wird je­ doch zeitabhängig, weil das Einleiten des Abtauzyklus abhängig ist von dem Betrieb der Kälteeinrichtung entweder für ein vor­ bestimmtes Zeitintervall oder immer dann, wenn ein vorbestimm­ tes Betriebszeitintervall der Kälteeinrichtung überschritten wird. Ein noch weiteres Zeitabhängigkeitsmerkmal bei diesem verbesserten Steueralgorithmus ermöglicht den Betrieb der Ab­ taueinrichtung auf die Steuersignale hin, wodurch der Abtau­ zyklus im Anschluß an das Verstreichen eines vorbestimmten Zeitintervalls anschließend an ihren vorangehenden Betrieb ein­ geleitet werden kann. Zum weiteren Veranschaulichen einer ge­ eigneten Art und Weise zum Ausführen dieses verbesserten Steueralgorithmus in bezug auf ein typisches Haushaltskühlge­ rät sei angegeben, daß eine Steuerschaltung die Betriebszeit des Kompressors in der Kälteeinrichtung überwacht, um einen Betriebsintervallwert zu ermitteln, wobei der Betriebsinter­ vallwert als diejenige Zeit definiert wird, in welcher der Kompressor über die Zeit hinaus, in welcher der Kompressor ab­ geschaltet gewesen ist, arbeitet. Wenn demgemäß das Kühlgerät vier Stunden lang betrieben wird, wobei der Kompressor drei Stunden eingeschaltet und eine Stunde ausgeschaltet ist, würde der Betriebsintervallwert zu dieser Zeit zwei Stunden betragen. Wenn während derselben Zeitspanne von vier Stunden der Kom­ pressor für zwei Stunden laufen und dann für zwei Stunden ab­ geschaltet würde, wäre das Betriebsintervall null, weil es kein über die Aus-Zeit hinausgehendes Kompressorbetriebszeit­ intervall gäbe. Ebenso, wenn der Kompressor während einer Zeit­ spanne von vier Stunden für eine Stunde eingeschaltet und für drei Stunden ausgeschaltet gewesen ist, wäre der Betriebsinter­ vallwert immer noch null, da er bei dem hier beschriebenen Steueralgorithmus als eine positive Zahl definiert ist. Ein Abtauzyklus wird immer dann eingeleitet, wenn das Betriebsin­ tervall einen vorbestimmten Wert übersteigt, oder immer dann, wenn eine relativ lange Kompressorbetriebszeitperiode von bei­ spielsweise achtundvierzig Stunden seit dem letzten Abtauzy­ klus verstrichen ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden einzelne Steuereinrichtungen benutzt zum Regeln der Eingangsleistung zwischen dem Kompressormotor der Kälteeinrichtung und dem Ab­ tauheizelement in der Abtaueinrichtung. Eine einzelne piezo­ keramische Relaiseinrichtung bewirkt die Leistungsumschaltung mit niedrigem Energieverbrauch in einer repräsentativen Aus­ führungsform, während die Steuerschaltungsanordnung, welche die Relaiseinrichtung betätigt, auch auf eine vergleichbare Weise arbeitet. Das Biegeteil der piezokeramischen Relaisein­ richtung in dieser Ausführungsform ist so ausgebildet, daß es auf die eine oder andere Seite einer Mittelposition, welche das Biegeteil in einer unerregten Position normalerweise ein­ nimmt, bewegt wird, wobei die Steuerschaltungsanordnung direkt und ohmisch oder galvanisch mit einer verfügbaren Wechselstrom­ versorgung sowie mit der Anschlußeinrichtung der piezokerami­ schen Relaiseinrichtung verbunden ist, so daß sie auf Steuer­ signale zur Betätigung des piezokeramischen Biegeteils an­ spricht, wodurch das Biegeteil veranlaßt wird, sich in einer ersten Richtung zu biegen, um einen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteein­ richtung zu schließen, oder sich in einer zweiten Richtung zu biegen, um einen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung zu schließen. Bei dieser relativ ausfallsicheren Betriebsweise ist klar, daß diese Steuereinrichtung niemals gleichzeitig Kühlen und Heizen einleiten kann und daß im wesentlichen keine elektrische Energie benötigt wird, um die elektrischen Kontakte des Re­ lais in einer geschlossenen Betriebsposition zu halten. Eine bevorzugte piezokeramische Relaiseinrichtung, welche diese verbesserte Betriebsweise ermöglicht, hat den oben erwähnten "bimorphen" Aufbau, bei dem das piezokeramische Biegeteil durch wenigstens zwei ebene, vorgepolte, piezokeramische Plat­ tenelemente gebildet wird, die in entgegengesetzter paralleler Anordnung sandwichartig auf entgegengesetzten Seiten wenig­ stens einer zentralen leitfähigen Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Oberflächen haben, welche von einander und der zentralen leitfähigen Oberfläche durch die dazwischen befindlichen Dicken der piezokeramischen Plattenelemente iso­ liert sind. Die bewegliche elektrische Kontakteinrichtung, welche dem beweglichen piezokeramischen Biegeteil betriebs­ mäßig zugeordnet ist, kann auf derselben Seite oder auf ent­ gegengesetzten Seiten des Biegeteils sowie an seitlichen Stel­ len oder sogar auf Fortsätzen, welche mit dem Biegeteil phy­ sisch verbunden sind, angeordnet sein, was alles hier noch weiter beschrieben wird und in den eingangs erwähnten US-Pa­ tentschriften beschrieben ist. Eine weitere bevorzugte Ausfüh­ rungsform des piezokeramischen Biegeteils, welches den "bimorphen" Aufbau hat, wird mittels Klemmeinrichtungen wahl­ weise vorgepolt, die an nichtgepolten Teilen befestigt sind, welche dem wahlweise vorgepolten Biegeteil benachbart und an demselben auf freitragende Weise mechanisch abgestützt sind, um einzelne oder mehrfache Paare von zusammenwirkenden elek­ trischen Kontakten zu betätigen, wobei die nichtgepolten Teile mechanisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind.

Die Steuerschaltungsanordnung, welche die piezokeramische Re­ laiseinrichtung mit niedrigem Stromverbrauch betreibt, ist an eines der vorgepolten piezokeramischen Plattenelemente paral­ lel angeschlossen, um das Gleichspannungserregerpotential für das wahlweise Biegen des Biegeteils aufgrund von Steuersigna­ len zu liefern, welche während des Betriebes einer zugeordne­ ten Kälte- oder Abtaueinrichtung gewonnen werden. Das Gleich­ stromerregerpotential wird vorzugsweise mit derselben Polari­ tät wie die Polarität des Vorpolungspotentials geliefert, das benutzt wird, um die piezokeramischen Plattenelemente zu pola­ risieren, so daß das Relais während des Betriebes nicht depo­ larisiert wird. Die Betätigung der Relaiseinrichtung aufgrund der Steuersignale kann mit Hilfe von zugeordneten elektroni­ schen Schaltungseinrichtungen erfolgen, die eine geringe Lei­ stungsaufnahme haben. Insbesondere kann eine geeignete Relais­ treiberschaltungseinrichtung für das oben erwähnte Haushalts­ kühlgerät einfach eine Diode-Kondensator-Schaltung zum Ausbil­ den des Gleichstromerregerpotentials hoher Spannung für den Betrieb der piezokeramischen Relaiseinrichtung in Kombination mit einer Vorwiderstandseinrichtung für die Steuerlogik und eine aktive Halbleitervorrichtung zum wahlweisen Anlegen der hohen Erregerspannung an das piezokeramische Biegeteil enthalten. In einer solchen Treiberschaltungsanordnung können in Reihe geschaltete Isolierwiderstandseinrichtungen vorgesehen sein, um den Strom zu begrenzen, der aus einer Wechselstromquelle aufgenommen wird, während Aufladewiderstandseinrichtungen auch vorgesehen sein können, um das Erregerpotential zu dem piezo­ elektrischen Biegeteil zu leiten. Solche Treiberschaltungsaus­ führungsformen können außerdem weitere Widerstandseinrichtun­ gen enthalten zum Entladen des ersten piezokeramischen Plat­ tenelements, wenn die Erregung desselben beendet worden ist, zusammen mit zweiten Widerstandseinrichtungen zum Entladen des zweiten piezokeramischen Plattenelements, wenn dessen Erregung beendet worden ist. Eine automatische Umschaltung der Relais­ kontakte kann mit betriebsmäßig zugeordneten elektronischen Schaltungseinrichtungen wie verschiedenen bereits verfügbaren Einrichtungen in Form von integrierten Chips erfolgen. Bei­ spielsweise kann eine bekannte CMOS-Steuerschaltung auf bekann­ te Weise mit sämtlichen Temperatur- und Zeitsteuerwerten pro­ grammiert werden, die das Einstellen einer gesteuerten Luft­ kühlvorrichtung auf diese Weise ermöglichen. Eine solche re­ präsentative digitale integrierte Schaltungseinrichtung wird einfach auf bekannte Weise mit dem Maximal- und Minimaltempe­ ratursollwert programmiert, die für die Temperaturrückfüh­ rungssteuerung der Kälteeinrichtung so festgelegt werden, daß der Kompressor bei einer vorbestimmten Temperatur betätigt wird und daß sein Betrieb bei einer zweiten, niedrigeren Tem­ peratur beendet wird. Weitere Temperatursteuersignale für den Betrieb der Kälteeinrichtung auf automatische Weise können gewonnen werden, wenn die Programmiersoftware so ausgelegt wird, daß sie auf die durch den Benutzer vorgenommenen Einstel­ lungen anspricht, welche gewünschte Temperaturwerte in einer oder mehreren Lebensmittelaufbewahrungskammern festlegen. Auf diese Weise kann eine Festkörperchipeinrichtung nach Kunden­ spezifikationen ausgelegt werden, um Steuersignale für den Betrieb der Abtaueinrichtung in verschiedenen vorbestimmten Zeitfolgen zu liefern. Das Einleiten des Abtauzyklus kann ein­ fach mit den Zeitsteuersignalen erfolgen, die festgelegt wer­ den, indem die verfügbaren 60 Hz des Wechselstromnetzes gezählt werden. Durch diese repräsentative Steuereinrichtung erfüllt die zugeordnete Chipvorrichtung sämtliche Takt-, Tem­ peraturmeß- und Relaistreiberfunktionen für den Steueralgo­ rithmus, wobei eine minimale Anzahl von externen Schaltungs­ komponenten in der gesamten Steuerschaltungsanordnung erfor­ derlich ist. Die Anwendung dieser auf dem Chip erfolgenden oder integralen Temperaturmessung eliminiert die Notwendigkeit einer gesonderten Unterbringung und eines gesonderten An­ schlusses des Sensors und der Vorspannungskomponenten, die sonst erforderlich wären. Demgemäß können noch weitere, gleiche Chipvorrichtungen bei der hier beschriebenen gesamten Steuerschaltungsanordnung benutzt werden, um die piezokerami­ sche Relaiseinrichtung direkt von der Chipvorrichtung aus zu steuern, wie diejenige, die bei der Hochspannungs-MOS-Technik vorge­ sehen ist, welche bereits kommerziell hergestellt wird. Zur weiteren Veranschaulichung sei angegeben, daß eine solche im Handel erhältliche Chipvorrichtung 500 Volt erreicht und Treibertransistoren mit niedrigem Stromverbrauch (10-20 mA) für die aktiven Vorrichtungen, welche weiter auf dem Chip an­ geordnet sein können, aufweist. Auf ähnliche Weise können an­ dere bekannte integrierte Chipvorrichtungen programmiert wer­ den, um sämtliche Takt-, Temperaturmeß- und Relaistreiberfunk­ tionen zu erfüllen, die in der hier beschriebenen Steuerschal­ tungsanordnung benutzt werden. Beispielsweise wäre es auch möglich, einen einfachen Chip auf CMOS-Mikroprozessorsteue­ rungsbasis zu benutzen, der zu einer Analog/Digital-Umwandlung an Bord in der Lage ist, so daß die Benutzersollwert- und Tem­ peraturrückführungssignale innerhalb des Reglers mit einem Minimum an externen Komponenten umgewandelt werden können. Es ist außerdem klar, daß Halbleiterelemente verschiedenen Typs, bei denen es sich um Transistoren handelt, als aktive Vorrich­ tungen in der oben dargelegten Gesamtsteuerschaltungsanordnung benutzt werden können. Demgemäß sind zahlreiche Verfahren be­ kannt zum Herstellen von Vorrichtungen für hohe Spannung und niedrigen Strom, welche bei der vorliegenden Steuerschaltungs­ anordnung benutzt werden können, wie beispielsweise CMOS, DMOS, PHMOS, NMOS, usw. Mit hoher Spannung, niedrigem Strom sind Spannungen in dem Bereich von 300 bis 600 Volt und Ströme im unteren Milliamperebereich gemeint. Geeignete Kandidaten sind die monolithischen DMOS-FET-Arrays, die von Supertex, Inc., angeboten werden (2NT001), die 2N9001-MOS-FETs, die von Siliconex angeboten werden und ET012PC-GTO-Transistor-Arrays, die von Hitachi angeboten werden. Ein typisches Softwarefluß­ diagramm, welches den voll automatisierten Betrieb bei einem Typ von atmosphärischer Kühlvorrichtung ermöglicht, in der eine Kälte- und eine Abtaueinrichtung benutzt werden, wird im folgenden in Verbindung mit den folgenden bevorzugten Ausfüh­ rungsformen weiter beschrieben.

Beträchtliche Energieeinsparungen können durch die Verwendung der oben dargelegten Leistungsregelausführungsformen möglich gemacht werden. Eine solche repräsentative Steuereinrichtung trägt zur Energieeinsparung hauptsächlich auf dreierlei Weise bei. Wie es in Verbindung mit einem typischen Haushaltskühlge­ rät noch näher erläutert wird, erfolgt die erste Reduktion aufgrund einer niedrigeren Verlustleistung in der Lebensmit­ telkammer aufgrund des Ersetzens des elektromechanischen Zeit­ gebers durch eine einen niedrigeren Stromverbrauch aufweisen­ de Steuerschaltungsanordnung. Eine zweite, ähnliche Reduktion ergibt sich durch eine reduzierte Anzahl von Abtauzyklen, die ausgeführt werden können, indem ein verbesserter Steueralgo­ rithmus benutzt wird. Eine dritte Leistungsreduktion kann möglich gemacht werden durch Betreiben des Kompressors mit einem Minimum an Ein- und Auszeiten, was den thermischen Wir­ kungsgrad der Kälteeinrichtung erhöhen dürfte. Da der her­ kömmliche Zeitgebermotor ungefähr 3,9 Kilowattstunden pro Jahr während des Betriebes benötigt, während die zusätzliche Kompressorenergie, die benötigt wird, um diese Wärme abzufüh­ ren, ungefähr 9,8 Kilowattstunden pro Jahr beträgt, sind es insgesamt 13,7 Kilowattstunden, die gegenwärtig bei dem her­ kömmlichen Steuersystem aufgewandt werden. Durch Ersetzen der herkömmlichen Steueranordnung durch eine elektronische CMOS- Steuerschaltungsanordnung, die eine Verlustleistung in dem Bereich von ungefähr 1,5 Kilowattstunden pro Jahr hat, dürfte sich eine Energieeinsparung von 12,2 Kilowattstunden pro Jahr erzielen lassen. Von größerer Bedeutung ist jedoch der Lei­ stungsverbrauch des herkömmlichen Haushaltskühlgerätes, bei dem das Abtauheizelement für bis zu eine halbe Stunde bei je­ weils 8-16 Stunden Kompressorbetrieb in Betrieb ist. 650 mögliche Abtauzyklen pro Jahr können sich bei dem herkömmlichen Gerät mit einem Energieverbrauch von ungefähr 164 Kilowattstunden aufgrund des Energieverbrauches allein in den Abtauzyklen er­ geben. Die Anwendung der oben dargelegten Steueralgorithmusver­ besserung sollte die jährliche Anzahl von Abtauzyklen auf bis zu 182 Zyklen in derselben Umgebung reduzieren, was mit einer Einsparung von 116 Kilowattstunden pro Jahr verbunden ist, wenn angenommen wird, daß es sich um dasselbe herkömmliche 500-Watt-Abtauheizelement handelt.

Gemäß nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann in Verbin­ dung mit einer atmosphärischen Kühlvorrichtung, die eine Käl­ teeinrichtung hat, welcher eine Abtaueinrichtung betriebsmä­ ßig zugeordnet ist, die vorliegende Steuereinrichtung so modi­ fiziert werden, daß sie die Leistungsregelung bei jeder Ein­ richtung mit einer individuellen piezokeramischen Relaisein­ richtung ermöglicht. Eine Leistungsregelung an einer repräsen­ tativen Kälteeinrichtung benutzt daher eine erste derartige Relaiseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie mit der Kälteeinrichtung verbindbar ist, wobei die piezokeramische Re­ laiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbin­ dung mit der Stromquelle und ein bewegliches vorgepoltes pie­ zokeramisches Biegeteil, das eine bewegliche elektrische Kon­ takteinrichtung hat, die mit feststehenden elektrischen Kon­ takteinrichtungen zusammenwirkt, welche ihr zugeordnet sind, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit der An­ schlußeinrichtung der Kälteeinrichtung verbunden sind, und wo­ bei das piezokeramische Biegeteil die bewegliche elektrische Kontakteinrichtung in einem unerregten Zustand auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, und eine Steuerschaltungsanordnung, die direkt und ohmisch mit der Stromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der piezokerami­ schen Relaiseinrichtung verbunden ist, welche auf Steuersigna­ le zur Betätigung des beweglichen piezokeramischen Biegeteils anspricht und das Biegeteil veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein­ richtung der Kälteeinrichtung zu schließen. Steuersignale zur Betätigung dieser piezokeramischen Relaiseinrichtung können mit­ tels Temperaturrückführungssteuerung gewonnen werden, wie oben dargelegt, so daß die Betätigung bei einer vorbestimmten Tem­ peratur und die Beendigung bei einer vorbestimmten, niedrige­ ren Temperatur erfolgt. Die Eingangsleistungsregelung an einer repräsentativen Abtaueinrichtung in der hier beschriebenen atmosphärischen Kühlvorrichtung benutzt eine zweite piezokera­ mische Relaiseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie den Anschluß an die Abtaueinrichtung ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung auf­ weist für den Anschluß an die Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes piezokeramisches Biegeteil, welches eine beweg­ liche elektrische Kontakteinrichtung hat, die mit festen elektrischen Kontakteinrichtungen zusammenwirkt, welche ihr zugeordnet sind, wobei die festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen mit der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung ver­ bunden sind und wobei das piezokeramische Biegeteil in einer unerregten Position die bewegliche elektrische Kontakteinrich­ tung auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen hält, und eine Steuerschaltungsanordnung, die mit der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaiseinrichtung direkt und ohmisch verbunden ist und auf Steuersignale zur Betätigung des beweglichen piezokeramischen Biegeteils anspricht und das Biegeteil veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung zu schließen. Wie weiter oben dargelegt, können die Steuersignale zur Betätigung der zweiten piezokeramischen Relaiseinrichtung gemäß der oben beschriebenen Steueralgorithmusverbesserung gewonnen werden, wodurch das Zeitintervall, während welchem die Abtaueinrich­ tung in Betrieb ist, durch das Betriebszeitintervall der be­ triebsmäßig zugeordneten Kälteeinrichtung bestimmt wird. Darüber hinaus können in einer solchen Ausführungsform mit mehreren Relaiseinrichtungen bekannte bauliche und/oder schal­ tungsmäßige Einrichtungen vorgesehen sein, die eine gleichzei­ tige Betätigung der Relaiseinrichtungen ausschließen.

Die Verwendung einer piezokeramischen Relaiseinrichtung, wie sie in den vorstehend beispielshalber angegebenen Ausführungs­ formen vorgesehen ist, bietet mehrere wichtige Vorteile hin­ sichtlich der Leistungsregelung für eine atmosphärische Kühl­ vorrichtung. Eine Anzahl von elektromagnetischen Relais wird in der herkömmlichen Vorrichtung für diesen Zweck benutzt, wo­ bei die Relaiseinrichtungen an unterschiedlichen Stellen in der Vorrichtung angeordnet sind. Der Leistungsbedarf für diese Relais erfordert weiter, daß eine beträchtliche Starkstromver­ drahtung für die zugeordnete Steuerschaltungsanordnung benutzt wird. Ein geringerer Leistungsbedarf und ein einfacherer Auf­ bau der piezokeramischen Relaiseinrichtung ermöglichen nun, die gesamte Steuereinrichtung für die Vorrichtung zentral auf minimalem Raum und mit beträchtlich verringerten Verdrah­ tungskosten vorzusehen. Es wird nun in Verbindung mit anderen Aspekten der Erfindung möglich, die verbesserte Steuereinrich­ tung als einen einzelnen Einsteckmodul auszuführen, welcher auf weit bequemere Weise Reparatur oder Wartung ermöglicht. Die herkömmliche Vorrichtung erhält weiter Thermostateinrich­ tungen zur Temperatursteuerung sowohl der Kälte- als auch der Abtaueinrichtung, um Steuersignale mit einem ausreichenden Leistungswert zum Betätigen der betriebsmäßig zugeordneten elektromagnetischen Relaiseinrichtungen zu liefern. Ein Nach­ teil, der nun bei den elektromechanischen Temperatursteuerein­ richtungen auftritt, ist die fehlende Steuerung außerhalb des gesteuerten Temperaturbereiches der Thermostatvorrichtung. Die Möglichkeit, eine piezokeramische Relaiseinrichtung mit einer elektronischen Schaltungseinrichtung mit niedrigerer Leistungsaufnahme betätigen zu können, ermöglicht nun, eine elektronische Temperatursteuereinrichtung zu verwenden, bei­ spielsweise eine Festkörperthermistoreinrichtung. Die elektro­ nische Temperaturmeßeinrichtung liefert ein kontinuierliches Rückführungssignal über einem weit breiteren Temperaturbereich als in einer atmosphärischen Kühlvorrichtung erforderlich ist, weshalb sie dazu dienen kann, Steuersignale zu liefern, die auf Temperaturbedingungen basieren, welche innerhalb und außerhalb des gesteuerten Temperaturbereiches auftreten. Von besonderer Bedeutung ist in dieser Hinsicht die Eliminierung der üblichen Praxis bei herkömmlichen atmosphärischen Kühlvor­ richtungen, bei denen dem Kompressor gestattet wird, für lange Zeitspannen zu laufen, wenn die Temperatur in der Vorrichtung sich außerhalb des gesteuerten Temperaturbereiches befindet, der durch einen Benutzer gewählt wird. Durch diesen Betrieb kann der Kompressormotor überhitzt werden, so daß es erwünscht wird, diesen Überbetriebszustand mit einem kontinuierlichen Temperaturrückführungssteuersignal immer dann abzuschwächen, wenn elektrischer Strom der Vorrichtung zugeführt wird. Das Erzielen einer genaueren Temperatursteuerung in der Vorrich­ tung aufgrund dieser Einrichtung hat noch weitere Vorteile, zu denen das Vermeiden des Auftretens eines Gefrieren-Abtauen- Zyklus in den gekühlten Lebensmitteln gehört. Darüber hinaus kann nun ein Haushaltskühlgerät weit empfindlicher gemacht wer­ den für eine Veränderung in den thermischen Belastungen, die in dem Gerät aufgrund der Betätigung durch den Benutzer auftritt, wie beispielsweise das Öffnen der abgedichteten Türen oder das Einbringen von warmen Speisen in die Lebensmittelaufbewahrungs­ kammern. Das Abgeben von solchen verbesserten Temperatursteuer­ signalen an eine die Eingangsleistung einer atmosphärischen Kühlvorrichtung steuernde piezokeramische Relaiseinrichtung ist nicht schwierig. Die vorgenannte elektronische Steuerschal­ tungsanordnung, welche der Relaiseinrichtung betriebsmäßig zu­ geordnet ist, kann einfach ein Festkörperthermistorelement, das in bereits bekannter Schaltungsbeziehung angeschlossen ist, mit Temperatursollwerten für ihren Betrieb und mit einem wei­ teren Benutzertemperatursollwert, wenn es sich um ein Haus­ haltskühlgerät handelt, enthalten.

Der Betrieb der Abtaueinrichtung in einer atmosphärischen Kühl­ vorrichtung kann gemäß noch weiteren Aspekten der Erfindung weiter verbessert werden. Die Strahlungsenergieheizelemente, die zur Zeit in herkömmlichen Vorrichtungen benutzt werden, haben einen schlechten energetischen Wirkungsgrad, weil sie mehr elektrische Energie benötigen als zum Schmelzen der Reif­ ansammlung erforderlich ist, insbesondere wenn weiter beachtet wird, daß sämtliche überschüssige Wärmeenergie mit der zuge­ ordneten Kälteeinrichtung abgeführt werden muß. Es ist nun herausgefunden worden, daß ein elektrisches Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelement) die her­ kömmliche Abtaueinrichtung ersetzen kann, wodurch beträchtli­ che Energieeinsparungen erzielt werden. Ein solches PTC-Heiz­ element umfaßt ein bereits weitgehend verwendetes elektrisches Kabel, das oft um Wasserrohre gewickelt wird, um sie gegen Einfrieren zu schützen, oder benutzt wird, um Dachrinnen von Häusern abzutauen, wobei der elektrische Widerstand in dem Ka­ bel schnell ansteigt, so daß bei einer Temperatur um 60°C sehr wenig Hitze durch die Vorrichtung erzielt wird. Ein im Handel erhältliches Kabel dieses Typs wird zur Zeit von der Raychem Corporation sowie von Ensign-Bickford und von anderen Herstellern vertrieben. Eine typische Kabelkonstruktion umfaßt zwei parallele Kupferleiter, die von einem mit Kohlenstoff versetzten Polyethylen-Heizelement umgeben sind, das mit einem Polyethylenmantel elektrisch isoliert ist. Zur Verbesserung des Abtauwirkungsgrades in einer atmosphärischen Kühlvorrich­ tung kann das Heizelementkabel einfach zwischen die Rippen eingeführt werden, die normalerweise in dem Verdampferab­ schnitt einer herkömmlichen Kälteeinrichtung benutzt werden, oder in enger physischer Nähe derselben angeordnet werden. In dieser Umgebung tritt bei dem Kabel ein großer Anstieg des elektrischen Widerstands oberhalb von 50°C auf, wodurch die Verlustleistung und die erreichte endgültige Temperatur be­ grenzt werden. Wenn sich kein Reif an einer Stelle in dem Ver­ dampfer befindet, wird das Kabel heißer, wodurch sein elektri­ scher Widerstand erhöht und dadurch die durch das Kabel aufge­ nommene Leistung verringert wird. Auf diese Weise regelt das Kabel automatisch und effizient die Wärmeaufnahme über der ge­ samten Verdampferoberfläche, die als eine im wesentlichen ver­ teilte, durchgehende Länge von parallel geschalteten, inte­ grierten Heizelementen abgetaut wird. Sowohl die Betriebskosten als auch die Qualität der Lebensmittelkonservierung werden mit dieser Art von Abtaueinrichtung verständlicherweise verbessert. Gewisse andere Materialien, zu denen Bariumtitanat, Vanadium­ verbindungen und andere mit elektrisch leitfähigem Material versetzte Polymere gehören, welche ein ähnliches nichtlinea­ res Widerstandsverhalten bei Temperaturänderung aufweisen, können sich daher für diese verbesserte Abtaueinrichtung als brauchbar erweisen. Demgemäß ist weiter vorgesehen, diese verbesserte Abtaueinrichtung in Kombination mit der Leistungs­ regeleinrichtung nach der Erfindung zu verwenden. Eine noch weitergehendere Erläuterung der verschiedenen Abtautechniken und Abtaubetriebsarten, die bei atmosphärischen Kühlvorrich­ tungen bereits angewandt worden sind, findet sich in einem technischen Manuskript mit dem Titel "Refrigeration Control Systems", AIEE Paper 60CPA5026, präsentiert 16.-17. Mai 1960.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht eines typischen Haushaltskühlschranks, der eine Ausführungsform der Steuereinrichtung nach der Erfindung aufweist,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer Steuereinrich­ tung, die für die Vorrichtung nach Fig. 1 geeig­ net ist,

Fig. 3 eine ausführlichere Konstruktionsansicht eines typischen Steuermoduls, der die Relaiseinrichtung und die Schaltungsanordnung hat, welche in Fig. 2 dargestellt sind,

Fig. 4 Längsseitenansichten von drei verschiedenen Aus­ führungsformen einer bimorphen piezokeramischen Relaiseinrichtung, die zur Verwendung in der Steuereinrichtung nach der Erfindung geeignet ist,

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Betriebskennlinien einer in Fig. 4 gezeigten Relaiseinrichtung darstellt,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer elek­ tronischen Steuereinrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 7 ein typisches Flußdiagramm zur automatisierten Leistungssteuerung, die unter Verwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ausgeführt wird.

In den Zeichnungen sind die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit einer atmosphärischen Kühlvor­ richtung in Form eines Haushaltskühlschranks des Typs, der in der US-PS 45 43 799 näher beschrieben ist, dargestellt. Auf diese US-Patentschrift der General Electric Company wird be­ züglich weiterer Einzelheiten ausdrücklich verwiesen. Fig. 1 zeigt einen Kühlschrank mit einem äußeren Gehäuse 1, der eine obere Gefrierkammer 2 und eine untere Kammer 3 für frische Lebensmittel hat. Beide Lager- oder Aufbewahrungskammern sind in Isoliermaterial 4 enthalten und weiter mit Zugangsöffnungen zu beiden Kammern versehen, welche durch mit Dichtungen ver­ sehene Türen (nicht gezeigt) verschlossen sind. Die Kälteer­ zeugung für die beiden Kammern erfolgt durch einen Verdampfer 5, der zwischen den beiden Kammern angeordnet ist, wobei die Kälteeinrichtung weiter einen durch einen Elektromotor ange­ triebenen Kompressor 6 und einen Kondensator 7 aufweist. Ein Gebläse 8 ist in einem Kanal angeordnet, welcher die Aufbewah­ rungskammern miteinander verbindet, um Luft aus den beiden Kammern über den Verdampfer 5 und zurück in die Kammern zu fördern. Eine Thermostateinrichtung 9 ist vorgesehen zum auto­ matischen Steuern des Betriebes des Kompressors 6, so daß die Temperatur innerhalb der Aufbewahrungskammern mit Hilfe einer weiteren betriebsmäßig zugeordneten Relaissteuereinrichtung 10, die in der Frischlebensmittelkammer untergebracht ist, inner­ halb eines gesteuerten Bereiches gehalten wird. Der Verdamp­ fer 5 arbeitet bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, und zum periodischen Entfernen einer Reifansammlung von der Verdampferoberfläche ist ein Abtauheizelement 13 vorgesehen, das auch durch die hier beschriebene Relaissteuereinrichtung 10 periodisch erregt wird.

Der Betrieb der hier beschriebenen Steuereinrichtung 10 wird unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte elektrische Schaltbild besser verständlich. Ein einzelner Steuermodul 11 ist in der Frischlebensmittelkammer vorgesehen, welcher eine piezokeramische Relaiseinrichtung 12 zum Steuern der elektri­ schen Eingangsleistung zwischen der Kälteeinrichtung und der Abtaueinrichtung in dem oben beschriebenen Kühlgerät hat. Die piezokeramische Relaiseinrichtung 12 ist elektrisch so ange­ schlossen, daß sie die individuelle Verbindung der Haushalts­ wechselstromquelle entweder mit der Kälteeinrichtung oder mit der Abtaueinrichtung gestattet, wobei die piezokeramische Re­ laiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung 14 aufweist zum An­ schließen an die Wechselstromquelle und ein bewegliches vorge­ poltes piezokeramisches Biegeteil 15, das zwei bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen 16 hat, die mit zwei feststehen­ den elektrischen Kontakteinrichtungen 17 und 18 zusammenwirken, die ihnen zugeordnet sind, wobei die beiden feststehenden elektrischen Kontakteinrichtungen separat an die Anschlußein­ richtung der Kälte- und der Abtaueinrichtung angeschlossen sind und wobei das Biegeteil zur einen oder anderen Seite einer Mittelposition bewegt wird, die das Biegeteil in einer unerregten Position, welche in der Zeichnung dargestellt ist, normalerweise einnimmt. Eine betriebsmäßig zugeordnete Schal­ tungsanordnung 19, die ebenfalls in dem Steuermodul 11 unter­ gebracht ist, betätigt die piezokeramische Relaiseinrichtung auf Steuersignale hin, was zur Folge hat, daß sich das beweg­ liche vorgepolte piezokeramische Biegeteil 15 endweder in einer ersten Richtung biegt, in welcher es einen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung schließt, oder sich in einer zweiten Richtung biegt und einen elektrischen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung der Abtauein­ richtung schließt. Für den gesteuerten Betrieb des Kühlgerätes auf diese Weise, welcher die gleichzeitige Betätigung der Kälte­ einrichtung und der Abtaueinrichtung verhindert, sind der Kon­ densatorgebläsemotor 26 und der Verdampfergebläsemotor 28 parallel an einen Versorgungsleiter 20 über den Steuermodul 11 angeschlossen, wobei der Kompressormotor 6, der Kondensa­ torgebläsemotor 26 und der Verdampfergebläsemotor 28 jeweils elektrische Rückleitungsverbindungen mit dem anderen Versor­ gungsleiter 22 haben. Eine entsprechende Steuerung der Abtau­ einrichtung erfolgt mit Hilfe des Abtauheizelements 13, das ebenfalls parallel in der Steuerschaltungsanordnung 19 über den Steuermodul 11 angeschlossen ist, und mit einer zusätzli­ chen Thermostateinrichtung 32, die ebenfalls in Reihe an das Abtauheizelement angeschlossen ist. In der auf hier beschrie­ bene Weise gesteuerten Betriebsart wird das Zeitintervall, während welchem die Abtaueinrichtung aufgrund von Steuersigna­ len in Betrieb ist, durch das Betriebszeitintervall der Kälte­ einrichtung bestimmt. Steuersignale zum Betätigen der Abtau­ einrichtung auf diese Weise werden gänzlich in der dargestell­ ten Steuerausführungsform gewonnen und können weiter zum Ein­ leiten des Abtauzyklus immer dann dienen, wenn ein vorbestimm­ tes Betriebszeitintervall der Kälteeinrichtung verstrichen ist. Darüber hinaus können weitere Steuersignale durch den Steuermodul gewonnen werden, wobei ein Abtauzyklus eingelei­ tet werden kann im Anschluß an das Verstreichen eines vorbe­ stimmten Zeitintervalls im Anschluß an einen vorhergehenden Abtauzyklus. Eine ähnliche Steuerung der Kälteeinrichtung in der dargestellten Ausführungsform erfolgt durch den Steuermo­ dul. Demgemäß wird die Thermostateinrichtung 9 benutzt, um Steuersignale an den Steuermodul zur Kompressorbetätigung bei einer vorbestimmten Temperatur und zum Beendigen des Kompres­ sorbetriebes bei einer zweiten, niedrigeren Temperatur abzu­ geben. Diese Betriebsweise kann innerhalb des Steuermoduls automatisch ausgeführt werden, wodurch erste Steuersignale gewonnen werden, welche die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der vorbestimmten zweiten, niedrigeren Tempera­ tur darstellen, während der Kompressor arbeitet, bis die ge­ messene Temperaturdifferenz null erreicht, woraufhin die elek­ trischen Kontakte der piezokeramischen Relaiseinrichtung, die den Kompressor zu arbeiten veranlassen, dann geöffnet werden. Dieser Temperatursteuerbereich ist unabhängig von der Höhe und kann so klein wie gewünscht gemacht werden, um ein ständiges Auftauen und Gefrieren der gelagerten Lebensmittel zu vermei­ den. Weitere Modifizierungen können in der dargestellten Käl­ teeinrichtung für den automatischen Betrieb durch den Steuer­ modul ebenfalls vorgenommen werden. So kann die Reifmeßein­ richtung (nicht gezeigt) an den Verdampferoberflächen angeord­ net werden, wobei daraus gewonnene Steuersignale mit der hier beschriebenen Steuerausführungsform realisiert werden. Thermi­ sche Schutzeinrichtungen können ebenfalls in der dargestellten Kälteeinrichtung vorgesehen werden, um den Kompressorbetrieb bei Bedarf durch den Steuermodul automatisch zu unterbrechen.

Fig. 3 zeigt eine ausführlichere Konstruktionsansicht der Steuereinrichtung, die in der unmittelbar vorhergehenden Aus­ führungsform dargestellt ist. Gemäß der ausführlicheren Dar­ stellung in Fig. 3 enthält der Steuermodul 11 physisch sämt­ liche Steuereinrichtungen, die erforderlich sind, um die Ein­ gangsleistung der Kälte- und der Abtaueinrichtung, welche in der dargestellten Vorrichtung benutzt werden, zu regeln. Dem­ gemäß sind die piezokeramische Relaiseinrichtung 12 und die ihr betriebsmäßig zugeordnete Steuerschaltungsanordnung 19 in einem kastenartigen Gehäuse 21 zusammen mit der Anschlußein­ richtung untergebracht, welche den elektrischen Anschluß an die betreffende Einrichtung ermöglicht. Das kastenartige Ge­ häuse hat eine elektrisch isolierende Basis 27, die bequem in dem Kühlschrank befestigt werden kann, und weiter einen Deckel 29 zum Schutz der darin untergebrachten elektrischen Bauele­ mente vor Reifansammlung. Die piezokeramische Relaiseinrich­ tung 12 und ihre Steuerschaltungsanordnung 19 sind an der isolierenden Basis 27 ebenso wie die Stromquellenanschlußlei­ tungen 20 und 22 und die beiden Klemmenverbindungen 23 und 25 mit den gesteuerten Einrichtungen befestigt. Weiter ist aus der vorliegenden Zeichnung zu erkennen, daß sich elektrische Verbindungen von einem Starkstromleiter 20 zu der Steuerschal­ tungsanordnung 19 erstrecken und weiter an die beweglichen Kontakte 16 A in der piezokeramischen Relaiseinrichtung 12 an­ geschlossen sind. Der andere Starkstromleiter 22 ist einfach zu der Steuerschaltungsanordnung 19 in Reihe geschaltet sowie außerhalb des Steuermoduls 11 (nicht dargestellt) sowohl mit der Kälte- als auch mit der Abtaueinrichtung verbunden, wodurch sich die elektrischen Stromkreise zu diesen schließen lassen. Daher bewirkt die Betätigung des beweglichen Biegeteils auf­ grund von Steuersignalen, daß sich das Biegeteil biegt und Kontakt mit einem der mit ihm zusammenwirkenden festen elek­ trischen Kontakte 17 und 18 herstellt, die benachbart zu den beweglichen Kontakteinrichtungen angeordnet sind. Wenn das Biegeteil 15 unerregt ist, weil keine Steuersignale an die zugeordnete Steuerschaltungsanordnung 19 angelegt worden sind, behalten die beweglichen Kontakte 16 A Abstand von den beiden mit ihnen zusammenwirkenden festen elektrischen Kontakten 17 und 18, mit dem Ergebnis, daß kein elektrischer Strom einer der gesteuerten Einrichtungen zugeführt werden kann.

Die Fig. 4A, 4 B und 4 C zeigen Längsseitenansichten von drei verschiedenen Konstruktionen einer piezokeramischen, bimorphen Relaiseinrichtung, die in der hier beschriebenen Steuereinrich­ tung benutzt werden kann. Die Relaiseinrichtung in Fig. 4A er­ möglicht einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb auf die oben in Verbindung mit den Fig. 1-3 beschriebene Weise, wobei der Strom zwischen der Kälte- und der Abtaueinrichtung mit einem einzigen Relais geschaltet wird. Die Relaiseinrichtung, die in Fig. 4B gezeigt ist, repräsentiert eine andere bauliche Ausführungsform, welche gestattet, bei dem Biegen von separaten Biegeelementen in derselben Richtung entweder der Kälte- oder Abtaueinrichtung Strom zuzuführen. Die Relaiseinrichtung in Fig. 4C zeigt noch eine weitere bauliche Ausführungsform, die eine entfernt angeordnete bewegliche Kontakteinrichtung, wel­ che einem einzigen Biegelement wirkungsmäßig zugeordnet ist, sowie eine entfernte Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle hat. Die letztgenannte Relaiseinrichtung eig­ net sich auch, um entweder die Kälte- oder die Abtaueinrich­ tung mit Strom zu versorgen, wobei ein Paar der Relais erfor­ derlich ist, um beide Einrichtungen mit Strom zu versorgen. Alle dargestellten Relaisausführungsformen werden auf gleiche Weise mit der hier beschriebenen Steuerschaltungsanordnung betrieben, jedoch dadurch, daß ein bewegliches Biegeteil ver­ anlaßt wird, sich aufgrund der Steuersignale zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und Anschlußeinrich­ tungen zu schließen, welche mit den betreffenden Einrichtungen in der gesteuerten Vorrichtung separat verbunden sind. Aus diesem Grund werden dieselben Buchstaben- und Zahlenbezeichnun­ gen in der vorliegenden Zeichnung benutzt, um gemeinsame bau­ liche Elemente in den Relaisausführungsformen sowie gemeinsame Anschlußverbindungen zu bezeichnen, soweit das möglich ist.

In Fig. 4A hat die piezokeramische, mit Biegeteil versehene Schalteinrichtung 34 wenigstens zwei ebene piezokeramische Plattenelemente, welche durch eine obere Platte 36 und eine untere Platte 37 gebildet werden, wie es in der Zeichnung zu erkennen ist. Die piezokeramischen Plattenelemente 36 und 37 sind in entgegengesetzter Parallelbeziehung sandwichartig auf entgegengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen leit­ fähigen Oberfläche 39 befestigt und haben äußere leitfähige Oberflächen 40 und 41, welche von einander und von der zentra­ len leitfähigen Oberfläche 39 durch die dazwischen angeordne­ ten Dicken der piezokeramischen Plattenelemente isoliert sind. Die piezokeramischen Plattenelemente 36 und 37 können aus Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat, Bariumtitanat oder ande­ ren bekannten piezokeramischen Materialien bestehen. Die leit­ fähigen Oberflächen 39, 40 und 41 können aus Nickel, Silber od.dgl. leitfähigen Materialien bestehen, die abgeschieden oder auf andere Weise an den Plattenelementen 36 und 37 be­ festigt sind. Die mit Biegeteil versehene piezokeramische Schalteinrichtung 34 hat weiter einen Satz von zusammenwirken­ den, feststehenden elektrischen Schaltkontakten 42 und 43, die an relativ starren Trageinrichtungen befestigt sind und aus­ reichend biegsam sein können, um einen Stoß zu schlucken, und bei dem Biegen eines vorpolarisierten, beweglichen Biegeteils geschlossen werden, welcher durch die piezokeramischen Platten­ elemente 36 A und 37 A der Biegeschalteinrichtung 34 gebildet wird. Die Kontakte 42 und 43 wirken mit elektrisch isolierten Kontakten 44 und 45 zusammen, welche an dem beweglichen Ende der Biegeteile 36, 37 befestigt sind, wenn sie durch Steuer­ signale betätigt werden, die gemäß der hier beschriebenen Steuereinrichtung geliefert werden. Die beweglichen Biegeteile 36, 37 der piezokeramischen Schalteinrichtung 34 sind auf freitragende Weise durch eine Klemmeinrichtung physisch gehal­ ten, die bei 46 gezeigt ist und dazu dient, die piezokerami­ schen Plattenelemente 36 und 37 mit der zentralen leitfähigen Oberfläche 39, die sandwichartig zwischen ihnen angeordnet ist, sowohl physisch zu halten als auch zusammenzuspannen. Die Klemmeinrichtung 46 ist über Teilen 36 B und 37 B der piezo­ keramischen Plattenelemente 36 und 37 angeordnet, die nicht vorpolarisiert wurden und deshalb ungepolt und elektrisch neutral sind, im Gegensatz zu den vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeteilen 36 A und 37 A der Plattenelemente, an denen die Kontakte 44 und 45 vorgesehen sind. Vorzugsweise ist die Klemmeinrichtung 46 über den Enden der nichtpolari­ sierten oder ungepolten Teile 36 B und 37 B angeordnet, die den Enden des vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeteils, die durch die Plattenelementteile 36 A und 37 A gebildet werden, welche vorpolarisiert worden sind, unmittelbar benachbart und physisch mit denselben integriert sind. Es ist herausgefunden worden, daß dadurch, daß die piezokeramischen Plattenelemente auf diese Weise befestigt werden, die Anzahl von Ausfällen auf­ grund von Brechen des Keramikmaterials an ihren Haltepunkten stark reduziert wird. Anschluß- oder Klemmeneinrichtungen T ₃, T ₄ und eine gemeinsame Klemme T _c bilden Einrichtungen, über die ein Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpola­ risierten, aktiven, beweglichen Biegeplattenteile 36 A und 37 A aufgrund von Steuersignalen angelegt wird, welche durch die vorliegende Steuerschaltungsanordnung 19 (nicht dargestellt) geliefert werden. Dieses Erregerpotential, das auch mit der Steuerschaltungsanordnung angelegt wird, bewirkt, daß die be­ weglichen Biegeteile wahlweise gebogen werden und ihre Kontak­ te 44 und 45 entweder an dem mit ihnen zusammenwirkenden feststehenden Kontakt 42 oder an dem mit ihnen zusammenwirken­ den feststehenden Kontakt 43 schließen. Durch das Schließen eines Paares von Kontaktelementen wird ein elektrischer Strom­ kreis zwischen Klemmen L ₁, welche mit der Stromquelle verbun­ den sind, und einer der weiteren Klemmen T ₁ und T ₂ geschlos­ sen, welche separat mit der Anschlußeinrichtung in der Kälte- und der Abtaueinrichtung der gesteuerten Vorrichtung verbunden sind. Demgemäß wird durch Aufwärtsbiegen des Biegeteils ein elektrischer Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Klem­ me T ₁ geschlossen, wogegen durch ein Abwärtsbiegen des Biege­ teils ein ähnlicher Stromkreis zu der Klemme T ₂ geschlossen wird. Bei dem Abschalten des Gleichstromerregerpotentials ent­ weder an der Klemme T ₃ oder an der Klemme T ₄ kehrt der aktive bewegliche Biegeteil in seine zentrale, neutrale, unerregte Position zurück, wodurch der Satz zusammenwirkender Kontakte 42, 44 oder 43, 45, je nachdem welcher geschlossen war, ge­ öffnet wird.

Die piezokeramische Biegeschalteinrichtung 47, die in Fig. 4B dargestellt ist, hat eine allgemeine konstruktive Konfigura­ tion, welche der oben beschriebenen Relaisausführungsform gleicht, weshalb dieselben Buchstaben- und Zahlenbezeichnungen beibehalten worden sind, um gemeinsame bauliche Elemente in der vorliegenden Relaiseinrichtung zu bezeichnen. Die vorlie­ gende Relaiseinrichtung unterscheidet sich dadurch, daß sie ein Paar gegabelte bewegliche Biegeteile 36 A, 37 A und 36 A′, 37 A′ hat, welche zum Schließen von elektrischen Stromkreisen zu den Klemmen T ₁ und T ₂ separat betätigt werden. Die beweg­ lichen Kontakte 44 und 45 sind auf derselben Seite der indivi­ duellen, beweglichen Biegeteile 36 A, 37 A bzw. 36 A′, 37 A′ be­ festigt, um die gewünschte unabhängige Betätigung der Abtau- und der Kälteeinrichtung zu ermöglichen. Separate Anschlußein­ richtungen sind ebenfalls an den individuellen, beweglichen Biegeteilen vorgesehen, wodurch das Gleichstromerregerpotenti­ al individuell an die Keramikplattenelemente jedes beweglichen Biegeteils angelegt werden kann, zusammen mit separaten An­ schlußeinrichtungen, welche zum Schließen der einzelnen Strom­ kreise zwischen der Stromquelle und einer der gesteuerten Einrichtungen vorgesehen sind. Demgemäß bilden die Anschluß­ einrichtungen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c die Ein­ richtung, durch die das Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplatten­ teile 36 A und 37 A aufgrund der Steuersignale angelegt wird, wogegen Klemmen T ₃′, T ₄′ und die gemeinsame Klemme T _c entspre­ chende Einrichtungen für die beweglichen Biegeplattenteile 36 A′ und 37 A′ bilden. Bei dem Schließen des zusammenwirkenden Kontaktpaares 42, 44 wird ein elektrischer Stromkreis zwischen der Klemme L ₁, die mit der Stromquelle verbunden ist, und der Klemme T ₁, die mit der Anschlußeinrichtung entweder in der Kälteeinrichtung oder in der Abtaueinrichtung verbunden ist, geschlossen. Auf ähnliche Weise schließt das Schließen des zusammenwirkenden Kontaktpaares 43, 45 einen elektrischen Stromkreis zwischen der Klemme L ₁′, die ebenfalls mit der Stromquelle verbunden ist, und der Klemme T ₂, die mit der an­ deren Einrichtung verbunden ist. Weiter ist in der Zeichnung zu erkennen, daß beide elektrische Stromkreise durch eine Ab­ wärtsbiegung der gegabelten beweglichen Biegeteile geschlos­ sen werden und daß die beweglichen Biegeteile, die zusammen­ wirkenden Kontakteinrichtungen in einem unerregten Zustand in gegenseitigem Abstand halten. Sowohl die Steuersignale als auch das Erregerpotential, welche die separate Betätigung der einzelnen beweglichen Biegeteile ermöglichen, werden wieder mit der vorliegenden Steuerschaltungsanordnung 19 (nicht dar­ gestellt) geliefert.

Die piezokeramische Biegeschalteinrichtung 48, die in Fig. 4C gezeigt ist, hat ebenfalls eine bauliche Gesamtkonfiguration, die der Ausführungsform nach Fig. 4A gleicht, so daß wiederum dieselben Buchstaben- und Zahlenbezeichnungen in der vorlie­ genden Zeichnung beibehalten werden, um gemeinsame bauliche Elemente zu bezeichnen. Aus der vorliegenden Zeichnung ist je­ doch zu erkennen, daß die Verwendung eines einzigen Paares von zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen in dieser Relaisausfüh­ rungsform ermöglicht, den Strom nur einer einzigen Einrichtung (der Kälte- oder der Abtaueinrichtung) zuzuführen. Demgemäß sind die piezokeramischen Plattenelemente 36 und 37 in entge­ gengesetzter Parallelbeziehung sandwichartig auf entgegenge­ setzten Seiten wenigstens einer zentralen leitfähigen Oberflä­ che befestigt und haben äußere leitfähige Oberflächen 40 bzw. 41, die von einander und von der zentralen leitfähigen Ober­ fläche 39 durch die dazwischen angeordneten Plattenelement­ dicken isoliert sind. Die Biegeschalteinrichtung 48 weist wei­ ter ein Paar zusammenwirkende Kontakteinrichtungen 43, 45 auf, die durch Abwärtsbiegen eines vorpolarisierten, beweglichen Biegeteils geschlossen werden, der durch die piezokeramischen Plattenelemente 36 A und 37 A der Biegeschalteinrichtung 48 ge­ bildet wird. In dieser Hinsicht ist jedoch zu erkennen, daß das bewegliche Kontaktelement 45 auf einem elektrisch leitfä­ higen Federelement 45 A angeordnet ist und daß sowohl der be­ wegliche Biegeteil als auch das Federelement durch ein Iso­ lierblockelement 46 A zur gemeinsamen Bewegung miteinander ver­ bunden sind. Durch weiteres elektrisches Verbinden des Feder­ elements 45 A mit der Stromquelle, wie es in der vorliegenden Zeichnung gezeigt ist, besteht keine weitere Notwendigkeit, den beweglichen Kontakt mit einem Drahtleiter oder einer "fliegenden Zuleitung", wie sie bei den vorherigen Ausführungs­ formen benutzt wird, zu verbinden. Die beweglichen Biegeteile 36, 37 der piezokeramischen Schalteinrichtung 48 sind zusammen mit dem Federelement 45 A an den entgegengesetzten Enden auf freitragende Weise durch die Klemmeinrichtung physisch gehal­ ten, welche bei 46 gezeigt ist und wiederum dazu dient, die piezokeramischen Plattenelemente 36 und 37 mit der zentralen leitfähigen Oberfläche 39, die zwischen ihnen angeordnet ist, physisch zu halten und zusammenzuspannen. Die Klemmeinrichtung 46 ist über Teilen 36 B und 37 B der piezokeramischen Platten­ elemente 36 und 37 angeordnet, die nicht vorpolarisiert und deshalb ungepolt und elektrisch neutral sind, im Gegensatz zu den vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeteilen 36 A und 37 A der Plattenelemente. Wiederum bilden die Anschlußeinrich­ tungen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c die Einrichtungen zum Anlegen des Gleichstromerregerpotentials an die vor­ polarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplattenteile 36 A und 37 A aufgrund der Steuersignale, was alles durch die vor­ liegende Steuerschaltungsanordnung 19 (nicht darge­ stellt) erfolgt. Bei dem Schließen der beiden zusammenwirkenden Kontakte 43, 45 auf die Steuersignale hin ist wieder zu erken­ nen, daß ein elektrischer Stromkreis zwischen der Stromquelle, die mit dem Federelement 45 A an der Klemme L ₁ verbunden ist, und einer der gesteuerten Einrichtungen (der Kälte- oder der Ab­ taueinrichtung), die an die Klemme T ₁ angeschlossen ist, ge­ schlossen wird. In dieser Ausführungsform ist weiter zu erken­ nen, daß das Abschalten des Gleichstromerregerpotentials an der Klemme T ₃ oder T ₄ bewirkt, daß der bewegliche Biegeteil das Paar zusammenwirkender Kontakte öffnet und es auf Abstand hält, während das Teil in einem unerregten Zustand ist. Es ist ferner für den Fachmann zu erkennen, daß eine ähnliche individuelle Regulierung der Eingan 34929 00070 552 001000280000000200012000285913481800040 0002003909262 00004 34810gsleistung einer zweiten Einrichtung (Kälte- oder Abtaueinrichtung) in derselben atmosphärischen Kühlvorrichtung mit einer zweiten keramischen Biegeschaltein­ richtung vorgesehen werden kann, welche denselben Aufbau hat und auf gleiche Weise wie hier dargestellt mit der zweiten Einrichtung in der Vorrichtung in Reihe geschaltet ist.

Bei der oben beschriebenen piezokeramischen Relaisausführungs­ form ist es zum richtigen Arbeiten für eine lange Zeitdauer in einer besonderen atmosphärischen Kühlvorrichtung verständlicher­ weise weiter erforderlich, daß das Biegeteil selbst die benö­ tigten Betriebseigenschaften beibehält. Um es weiter zu ver­ deutlichen, es wird erwartet, daß die Relaiskontakte, mit denen die Kälte- und die Abtaueinrichtung in einem typischen Haushaltskühlschrank betätigt werden, während ihrer Entwurfs­ laufzeit von zwanzig Jahren größenordnungsmäßig 500000-mal be­ tätigt werden. Diese ausgedehnte Betriebszeit eines piezokera­ mischen Biegeteils erfordert, daß geeignete Kraft- und Verla­ gerungseigenschaften vorhanden sind und dabei ein Relaisaus­ fall während des Betriebes aufgrund von Lichtbogenproblemen vermieden wird. Demgemäß wird die tatsächliche Erfüllung dieser kritischen Forderungen bei einem typischen piezokerami­ schen Biegeteil, das sich in den oben beschriebenen Vorrich­ tungsausführungsformen als geeignet erweist, weiter erläutert. Ein Diagramm, in welchem die Biege-und Kraftdaten für ein im Handel erhältliches, bimorphes, piezokeramisches Material dar­ gestellt sind, das von Piezoelectric Products Inc. bezogen wur­ de, ist in Fig. 5 gezeigt. Die angegebenen Werte wurden mit der oben beschriebenen Konfiguration eines gemäß Fig. 4A einseitig eingespannten Biegeteils erzielt, wobei die Ergebnisse gemäß der Kurve A für ein nichtversteiftes Teil gelten, wogegen die effektiveren Ergebnisse gemäß der Kurve B erzielt wurden, als das freie oder bewegliche Biegeteilende versteift worden war. Es ist bekannt, daß das bimorphe Teil nicht nur eine Biegung in der Längsrichtung erfährt, sondern daß das freie Ende auch in der Richtung rechtwinkelig zu der Biegerichtung aufgrund von zusätzlichen Kräften, die an den bimorphen Ecken wirken, konkav wird. Wenn ein Kontakt an dem zentralen Teil des bi­ morphen freien Endes befestigt ist, wird er die erzeugte Kraft und den verfügbaren Hub, die aus dem gesamten bimorphen freien Ende verfügbar sind, nicht vollständig ausnutzen. Es wurde dadurch bestimmt, daß die Größe der Kraft pro Einheit in dem Material optimiert werden konnte, indem ein Verstei­ fungselement an dem freien Ende des bimorphen Teils angebracht wurde. Ein repräsentatives Versteifungsteil war ein Stück glashaltiger Ultem-Kunststoff, das geschlitzt worden war, um über das freie Ende des bimorphen Teils geschoben werden zu können. Aus der erhaltenen Kraft-Weg-Kurve ist zu erkennen, daß die charakteristische Hysterese bei der Betätigung der be­ schriebenen bimorphen Teile in der Größenordnung von ungefähr zehn Prozent liegt. Das heißt, die freie Biegung aus der Ruhestellung bis zur blockierten Kraft und zurückführt wie­ der zu ungefähr 10% Hysterese bei der Biegung, die an dem freien Biegungsende der Kurve auftritt. Diese bekannte Hystere­ seeigenschaft muß bei der richtigen Auslegung der piezokerami­ schen Relaiseinrichtung berücksichtigt werden. Es ist weiter aus den erhaltenen Ergebnissen zu erkennen, daß das versteifte Biegeteil die mittlere blockierte Kraft von 119 auf 126 p er­ höht, wogegen die mittlere freie Biegung ebenfalls von unge­ fähr 0,495 µm (19,5 mils) auf 0,533 µm (21 mils) erhöht worden ist. Das ergibt eine Zunahme von vierzehn Prozent in dem Kraft-Weg-Produkt und deshalb die Kraft, die ein gegebenes bimorphes Biegeteil leisten kann. Diese Erhöhung in dem Kraft- Weg-Produkt, die dem Versteifen des freien Endes des bimor­ phen Teils zuzuschreiben ist, gestattet weiter eine beträcht­ liche Verringerung der Menge des piezokeramischen Materials, die sonst für einen bestimmten Relaisbetrieb erforderlich ist. Für den langfristigen Betrieb von dieser und von anderen, ähn­ lichen piezokeramischen Relaiseinrichtungen, wie sie in den Fig. 4B und 4C dargestellt und oben beschrieben sind, hat es sich gezeigt, daß ein stabilisierter Betrieb weiter erfordert, daß das angelegte Gleichstromerregerpotential in derselben Richtung wie die Polungsrichtung angelegt wird, um eine Abmes­ sungsverschiebung in dem piezokeramischen Material auszuschlie­ ßen. Wenn die Betätigungsspannung in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, erfolgt eine allmähliche Entpolung in dem piezokeramischen Material. Mit der Zeit wird ein bestimm­ ter Weg oder eine bestimmte Kraft aufgrund dieses Entpolungs­ effekts der angelegten Spannung allmählich auf null reduziert. Die Geschwindigkeit der Entpolung ist von den ursprünglichen Polungsbedingungen und von der angelegten Spannung abhängig. Bei einem angelegten Potential hoher Spannung kann die Entpo­ lung in 1-2 Minuten erfolgen, wogegen niedrigere Spannungen die Kraft lediglich über einer Zeitspanne von Jahren verrin­ gern. Aus diesem Grund wird es ratsam, das piezokeramische Re­ lais nur so zu betreiben, daß die Spannungen an die bimorphen Plattenelemente in der Polungsrichtung angelegt werden und daß gleichzeitig nur eines der keramischen Plattenelemente des bimorphen Teils erregt wird. Deshalb kann zum Aufwärtsbiegen des bimorphen Teils das obere keramische Plattenelement mit 300 Volt erregt werden, während die untere Platte elektrisch kurzgeschlossen ist. Zum Abwärtsbiegen des bimorphen Teils kann die obere Platte kurzgeschlossen und die untere Platte mit bis zu 300 Volt erregt werden.

Die vorstehende Erläuterung dürfte gezeigt haben, daß das Vor­ polen der keramischen Plattenelemente in einem bimorphen Bie­ geteil in den einzelnen Keramikkristallen Dipole bildet. Im Anschluß an das Anlegen eines Gleichstromerregerpotentials an ein vorgepoltes keramisches Plattenelement wird eine Dipolaus­ richtung der einzelnen Keramikkristalle erzeugt, was von einer Abmessungsänderung in dem erregten Plattenelement be­ gleitet ist. Unter dieser Spannungsbeanspruchung wird das er­ regte keramische Plattenelement in der Polaritätsrichtung der angelegten Spannung dicker, während es auch in der Länge kür­ zer wird. Das Anlegen eines solchen Gleichstromerregerpoten­ tials an ein nichteingespanntes Biegeteil erzeugt eine solche Abmessungsänderung, aber ohne davon begleitete Biegung des Biegeteils. Oben ist jedoch dargelegt worden, daß das Ein­ spannen eines vorgepolten bimorphen Biegeteils an einem Ende eine Biegung an dem entgegengesetzten beweglichen Biegeteil­ ende erzeugt, wenn die keramischen Plattenelemente so erregt werden. Das Anlegen des Gleichstromerregerpotentials an ein einzelnes vorgepoltes keramisches Plattenelement mit derselben Polarität wie das Vorpolungspotential steigert die gewünschte Dipolausrichtung, und die begleitenden Abmessungsänderungen, welche in den Plattenabmessungen hervorgerufen werden, blei­ ben im Laufe der Zeit stabil. Diese Dipolverstärkung erzeugt dadurch ein stabilisiertes Biegungs- oder Kraftverhalten, so­ lange die vorgepolte bimorphe piezokeramische Relaiseinrich­ tung mit dem in einer Richtung angelegten Gleichstrompotential betrieben wird, das in derselben Richtung ist wie die Richtung des Vorpolungspotentials.

Zum Mildern der Lichtbogenprobleme für einen langfristigen Be­ trieb der oben beschriebenen Relaisausführungsform gelten wei­ tere Überlegungen. In der Größe, die zur Verwendung für diesen Verwendungszweck geeignet ist, gibt es zwei Hauptarten von un­ erwünschter Kontaktverschweißung. Die erste Art beruht auf einer niedrigen Kontaktkraft während Perioden der Stromlei­ tung über das Paar zusammenwirkender Kontakte. Der Energie­ widerstand eines geschlossenen Kontaktpaares ist proportional zu dem Kehrwert der Quadratwurzel des Kontaktdruckes. Deshalb führt eine unzureichende Kontaktkraft zu einem hohen Energie­ widerstand, was zu hohen lokalen Temperaturen in dem Punkt der physischen Kontaktschließung führt. Diese hohen Temperaturen führen zu lokalen Mikroverschweißungen der Kontaktpaare, welche durch die Kraft des bimorphen Teils nicht aufgebrochen werden können. Die zweite Art der Kontaktverschweißung tritt in Steueranordnungen auf, wo es beträchtliches Kontaktprellen beim Schließen gibt. Wenn das Kontaktpaar in die offene Stel­ lung prellt, nachdem der Laststrom bereits fließt, wird ein Lichtbogen gezogen und durch die Netzspannung und den Last­ widerstand aufrechterhalten. Dieser Lichtbogen führt zur ört­ lichen Erhitzung der Kontaktpaare in dem Schließungspunkt. Jedes anschließende Prellen stellt den Lichtbogen wieder her und erhöht die Kontakttemperatur. In einem extremen Fall mit hohen Einschaltströmen und mehrfachem Prellen kann diese lo­ kale Erhitzung verflüssigtes Kontaktmaterial in dem Lichtbogen­ punkt ergeben, wodurch eine Mikroverschweißung der Kontaktpaare bei der letzten Schließung verursacht wird. Diese Verschwei­ ßung kann so stark sein, daß sie durch die Rückstellkraft des Relais nicht aufgebrochen werden kann, wenn dieses entregt wird. Bei piezokeramischen Relaiseinrichtungen wird die Öff­ nungskraft auf einen Wert begrenzt, der ungefähr gleich der Kontaktschließkraft ist. Zum Unterstützen des Verringerns der beiden oben beschriebenen Kontaktverschweißungsarten hat es sich gezeigt, daß das Herstellen der Kontakte aus einer nie­ drigschmelzenden Metallegierung wie Silbercadmiumoxid die zu­ sammenwirkenden Kontaktpaare bei der hier beschriebenen pie­ zokeramischen Relaiseinrichtung in einem arbeitsfähigen Zu­ stand halten konnte. Das Reduzieren der Kontaktverschweißung, die auf mechanisches Prellen beim Schließen der zusammenwir­ kenden Kontaktpaare zurückzuführen ist, kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Durch Betreiben der Relaiseinrichtungs­ schaltungsanordnung in der hier beschriebenen Steueranordnung derart, daß die bimorphe Kapazität mit einer langsameren Ge­ schwindigkeit aufgeladen wird, wird eine niedrigere Schließge­ schwindigkeit der Kontakte erreicht, wodurch der unerwünschte Prellzustand beträchtlich reduziert wird. Diese Modifizierung der Treiberschaltungsanordnung kann erfolgen, indem ein Wider­ stand in Reihe mit der Wechselstromquelle hinzugefügt wird, während danach dem Gleichstrompotential, das an die einzelnen piezokeramischen Plattenelemente angelegt wird, gestattet wird, auf den zuvor erläuterten Betriebswert von 300 Volt an­ zusteigen.

Ein elektrisches Schaltbild zeigt Fig. 6 für eine typische Steuereinrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung, gemäß wel­ chem diese vollautomatisch ausgeführt wird. Die gesamte Lei­ stungssteuerschaltungsanordnung 49, die für einen einzelnen Steuermodul 11 benutzt werden würde, um die Eingangsleistung zwischen der Kälte- und der Abtaueinrichtung in dem oben be­ schriebenen Haushaltskühlgerät automatisch zu regeln, ist da­ rin gezeigt. Zur Erleichterung des Verständnisses werden des­ halb dieselben Bezugszeichen in Fig. 6 benutzt, um dieselben Schaltungskomponenten zu bezeichnen, welche zuvor in der voran­ gehenden Kälteerzeugungssteuerschaltungsanordnung nach Fig. 3 bezeichnet worden sind. Gemäß Fig. 6 ist das piezokeramische Biegeteil 15 so angeschlossen, daß seine zentrale leitfähige Oberfläche 14 mit einem Starkstromleiter 20 verbunden ist, wo­ bei das bewegliche Ende 16 des piezokeramischen Biegeteils in einer zentralen, offenen Position bleibt, wenn die Relaisein­ richtung unerregt ist. Feste elektrische Kontakte 17 und 18 sind an die Schaltungsanordnung angeschlossen, welche eine elektrische Verbindung mit der Kälte- und der Abtaueinrichtung gestatten, alles wie oben bereits beschrieben. Wie weiter zu erkennen ist, ergibt der Relaiseinrichtungsanschluß eine me­ chanische Verriegelung derart, daß die Steuereinrichtung nie­ mals das gleichzeitige Kühlen und Erhitzen einleiten kann, wobei die Relaiseinrichtung sehr wenig Netzstrom bei ihrem Betrieb verbraucht, beispielsweise etwa 10 Mikrowatt. Die dar­ gestellte repräsentative Schaltungseinrichtung, welche das Gleichstromerregerpotential für die piezokeramische Relais­ einrichtung liefert, besteht einfach aus einer Schaltung aus Dioden und Kondensatoren, die mit einem Pumpkondensator 50, einem Speicherkondensator 51 und Verdopplungsdioden 52 und 53 versehen ist, um die 115 Volt Netzwechselspannung auf bekannte Weise zu verdoppeln. Strombegrenzungswiderstände 54 und 55 sind in der Steuerschaltungsanordnung vorgesehen, um die Empfindlichkeit der Schaltung für Übergangsvorgänge vom Netz her zu verringern. Der Relaistreiberteil wird in der darge­ stellten Schaltungsanordnung durch zwei aktive Vorrichtungen 56 und 57 vervollständigt, welche als diskrete Ausgangstran­ sistoren dargestellt sind. Steuersignale, welche die automa­ tische Betätigung der piezokeramischen Relaiseinrichtung in der Schaltungsanordnung ermöglichen, können mit einer nach Kundenspezifikation integrierten Schaltungseinrichtung 60 ge­ liefert und auf oben bereits beschriebene Weise erzeugt wer­ den. Zum weiteren Erläutern einer üblichen Erzeugung von Tem­ peratursteuersignalen für die Kälteeinrichtung, die hier dar­ gestellt ist, sei angegeben, daß in der dargestellten Schal­ tungsanordnung eine Rückführungssignalanordnung benutzt wird, in welcher eine Festkörperthermistoreinrichtung 62 mit einem Serienbegrenzungswiderstand 64 verbunden ist, um einen Brückenmeßwert mit der vom Benutzer betätigten Sollwertein­ stellpotentiometereinrichtung 66 und mit zwei Eichwiderständen 68 und 70, welche den Minimal- und den Maximaltemperatursoll­ wert festlegen, zu liefern. Die Logikstromversorgung in der Steuerschaltungseinrichtung 60 wird durch einen Vorwiderstand 72 und einen Energiespeicherkondensator 76 erzeugt. Diese Logikstromversorgung wird weiter durch einen auf dem Chip vor­ gesehenen Shunt-Regler geregelt, der in der dargestellten Steuerschaltungseinrichtung weiter vorgesehen ist. Zum Erregen der piezokeramischen Relaiseinrichtung mit einer einfachen einzelnen Transistortreibereinrichtung werden in der darge­ stellten Schaltungsanordnung weiter passive Pull-up-Widerstände 78 und 80 benutzt, um die piezokeramischen Plattenelemente immer dann zu entladen, wenn die wahlweise Erregung beendet wird. Bei der ersten Erregung wird die elektronische Steuer­ einrichtung bis etwa 3 Volt einschalten, so daß ein aktiver Treibertransistor 56 und ein Widerstand 81, die in Reihe ge­ schaltet sind, als eine gesteuerte Stromquelle arbeiten. Bei dem ersten Schließen der weiter angeschlossenen Relaiskontakte wird die Spannung, die an dem Gateanschluß der aktiven Vorrich­ tung 56 anliegt, daraufhin sofort auf die volle Logikbusspan­ nung erhöht, die von der elektronischen Steuerschaltungsein­ richtung geliefert wird und bis zu 10 Volt betragen kann. Diese schaltet dann die aktive Vorrichtung 56 voll ein, und das piezokeramische Relaisplattenelement, das so betätigt wird, wird daraufhin schnell aufgeladen, was die Kontaktkraft der Relaiskontakte erhöht und eine Verschweißung bei weiterem Schließkontakt verhindert. Auf ähnliche Weise werden die an­ dere aktive Vorrichtung 57 und ihr in Reihe geschalteter Wider­ stand 82 durch die elektronische Steuerschaltungseinrichtung betätigt. Weitere Strombegrenzungswiderstände 84 und 86, die mit den aktiven Vorrichtungen 56 bzw. 57 in Reihe geschaltet sind, verhindern einen übermäßigen Strom in den aktiven Vor­ richtungen, die einschalten, und sind an der Begrenzung der maximalen Schließgeschwindigkeit der piezokeramischen Relais­ kontakte beteiligt. Während das Relais durch die dargestellte Steuerschaltungsanordnung betätigt wird, fließt der Hauptbe­ lastungsstrom der Stromversorgung über die Shunt-Widerstands­ einrichtungen 78 und 80. Diese Betriebsweise begrenzt die maxi­ male Spannung, die an die Relaiseinrichtung aufgrund der Bela­ stung durch die Widerstandseinrichtungen der hohen Quellenim­ pedanz, welche die beschriebene Dioden-Kondensator-Schaltung darstellt, angelegt wird. Die Erosion der Relaiskontakte wird in dieser Betriebsart minimiert, da eine ziemlich langsame Trenngeschwindigkeit der Relaiskontakte durch sie bewirkt wird. Die übrigen Kondensatoreinrichtungen 88 und 90, die in der dargestellten Schaltungsanordnung gezeigt sind, dienen haupt­ sächlich zur Unterdrückung von Rauschen. Eine wahlweise vorhan­ dene Reifmeßeinrichtung 92 und eine bereits bekannte Kompres­ sorschutzeinrichtung 94 sind in der dargestellten Steuerschal­ tungsanordnung weiter vorgesehen, um noch weitere brauchbare Steuerfunktionen zu demonstrieren, die in den integrierten Schaltungsteil der Steuerschaltungsanordnung unter Verwendung von herkömmlicher Technologie ohne weiteres einprogrammierbar sind.

Der gesamte automatisierte Betrieb der oben beschriebenen Steuerschaltungsanordnung hat zur Folge, daß das piezokerami­ sche Biegeteil sich in einer ersten Richtung bei Steuersigna­ len biegt, welche durch die zugeordnete integrierte Schaltungs­ einrichtung geliefert werden, um einen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung zu schließen, die mit der Kälteeinrichtung verbunden ist, wogegen das Biegen des piezokeramischen Biegeteils in einer zweiten Richtung mittels zweiter Steuersignale, die durch die integrierte Schaltungseinrichtung geliefert werden, bewirkt, daß ein Strom­ kreis zwischen der Wechselstromquelle und der Abtaueinrichtung geschlossen wird. Bei diesem automatisierten Verfahren kann die Abtaueinrichtung für ein vorbestimmtes Zeitintervall aufgrund der zweiten Steuersignale betrieben werden, wobei die Betäti­ gung der Abtaueinrichtung immer dann eingeleitet wird, wenn ein vorbestimmtes Betriebszeitintervall der Kälteeinrichtung gemäß einer vorprogrammierten Sequenz, welche die integrierte Schaltung bereitstellt, überschritten wird. Wie oben erläutert, kann der Abtaueinrichtungsbetrieb weiter von den zweiten Steuersignalen so abhängig gemacht werden, daß ein Abtauzyklus anschließend an das Verstreichen eines vorbestimmten Zeitinter­ valls anschließend an ihren vorherigen Betrieb ermöglicht wird. Mit der in der Steuerschaltungsanordnung enthaltenen Reifmeßeinrichtung wird es weiter möglich, die Betätigung der Abtaueinrichtung durch zweite Steuersignale zu bewirken, wel­ che durch die Reifmeßeinrichtung geliefert werden. Auf ähnliche Weise kann die dargestellte integrierte Schaltung weiter ther­ mischen Schutz für die Kälteeinrichtung bieten, indem eine zu­ sätzliche Temperaturmeßeinrichtung an dem Kompressormotor vor­ gesehen wird. Repräsentative Steuerschritte, die gemäß einer typischen Betriebsart der dargestellten Schaltungsanordnung ausgeführt werden, beinhalten das Einleiten des Betriebes der Kälteeinrichtung bei einer vorbestimmten Temperatur, wobei der Wechselstrom zugeführt wird, wenn die elektrischen Kontakte der beweglichen piezokeramischen Relaiseinrichtung in eine erste Betriebsposition bewegt werden, wobei die Temperaturen gemessen werden, die in der besonderen atmosphärischen Kühl­ vorrichtung während des Betriebes der Kälteeinrichtung erzielt werden, um erste Steuersignale zu erzeugen, welche die Diffe­ renz zwischen der gemessenen Temperatur und einer vorbestimm­ ten zweiten, niedrigeren Temperatur darstellen, wobei die er­ sten Steuersignale gestatten, ein Gleichstromerregerpotential hoher Spannung und vorbestimmter Polarität an die piezokerami­ sche Relaiseinrichtung anzulegen, das Anlegen des Gleichstrom­ erregerpotentials hoher Spannung an die piezokeramische Relais­ einrichtung, bis die gemessene Temperaturdifferenz null er­ reicht, dann das Abschalten des Gleichstromerregerpotentials hoher Spannung, was zur Folge hat, daß die elektrischen Kontak­ te der piezokeramischen Relaiseinrichtung öffnen, das Erzeugen von zweiten Steuersignalen, wodurch das Zeitintervall, während welchem die Abtaueinrichtung in Betrieb ist, durch das Be­ triebszeitintervall der Kälteeinrichtung bestimmt wird, wobei die zweiten Steuersignale erlauben, ein Gleichstromerregerpo­ tential hoher Spannung und entgegengesetzter Polarität an die piezokeramische Relaiseinrichtung anzulegen, und das Anlegen des Gleichstromerregerpotentials hoher Spannung und entgegen­ gesetzter Polarität an die piezokeramische Relaiseinrichtung, was zur Folge hat, daß die elektrischen Kontakte der piezoke­ ramischen Relaiseinrichtung sich in eine zweite Betriebsposi­ tion bewegen, in welcher Wechselstrom zum Einleiten des Betrie­ bes der Abtaueinrichtung zugeführt wird. Wie oben erwähnt wird bei dem Auslegen einer typischen integrierten Schaltung für hohe Spannung nach Kundenspezifikation zum Ausführen die­ ser Steuerschritte herkömmliche Technologie benutzt. Die nach Kundenspezifikation ausgelegte Mikroprozessoreinheit, die in der integrierten Schaltungseinrichtung enthalten ist, erfüllt die dargestellten Steuerfunktionen gemäß Befehlen, welche in der Festwertspeicher(ROM)-Einheit enthalten sind, die ihr wir­ kungsmäßig zugeordnet ist. Daher kann jemand, der gewöhnliche Programmierkenntnisse hat, einen Satz von Befehlen zur dauer­ haften Speicherung in der ROM-Einheit des Mikroprozessors an­ fertigen, der dem Mikroprozessor anschließend ermöglicht, das Steuerprogramm routinemäßig auszuführen. Der verbesserte Steueralgorithmus gemäß einem Aspekt der Erfindung wird da­ durch einfach in diese Programmierbefehle eingegeben.

Eine repräsentative Ausführungsform für das oben beschriebene Kühlgerät, bei dem diese elektronische Steuereinrichtung be­ nutzt wird, um die Wechselstromeingangsleistung zwischen der Kälteeinrichtung und der Abtaueinrichtung zu regeln und gleich­ zeitigen Betrieb dieser beiden Einrichtungen zu vermeiden, kann enthalten (a) wenigstens eine piezokeramische Relaiseinrich­ tung, die eine erste Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit einer Wechselstromquelle hat, eine zweite Anschlußeinrichtung, welche die elektrische Verbindung der Wechselstromquelle mit der Kälteeinrichtung in einer Betriebsposition gestattet, und eine dritte Anschlußeinrichtung, welche eine elektrische Ver­ bindung der Wechselstromquelle mit der Abtaueinrichtung in einer zweiten Betriebsposition gestattet, wobei die Relaisein­ richtung weiter ein bewegliches piezokeramisches Biegeteil aufweist, das durch wenigstens zwei ebene, vorgepolte, piezo­ keramische Plattenelemente gebildet ist, die in entgegenge­ setzter paralleler Beziehung sandwichartig auf entgegengesetz­ ten Seiten von wenigstens einer zentralen leitfähigen Ober­ fläche befestigt sind und äußere leitfähige Oberflächen haben, die von einander und von der zentralen Oberfläche durch die dazwischen angeordneten Dicken der piezokeramischen Platten­ elemente isoliert sind, wobei das Biegeteil weiter ein Paar beweglicher elektrischer Kontakte hat, die auf entgegengesetz­ ten Seiten des Biegeteils angeordnet sind, um mit zwei fest­ stehenden elektrischen Kontakten zusammenzuwirken, die durch sie eingeschaltet werden, wobei die feststehenden elektrischen Kontakte mit einer Seite der Anschlußeinrichtung in der Kälte­ einrichtung separat verbunden sind, während sie auf der ande­ ren Seite mit der Anschlußeinrichtung in der Abtaueinrichtung verbunden sind, und wobei das Biegeteil so ausgebildet ist, daß es zur einen oder anderen Seite der Mittelposition gebo­ gen wird, welche das Biegeteil in einem unerregten Zustand normalerweise einnimmt, (b) eine Relaisschaltanordnung, wel­ che an die vorgepolten, piezokeramischen Plattenelemente ange­ schlossen ist, um ein Gleichstromerregerpotential zu liefern, welches die wahlweise Biegung des Biegeteils auf Steuersignale hin ermöglicht, die während des Betriebes der Kälte- und der Abtaueinrichtung erzeugt werden, und (c) die Relaisschaltein­ richtung, die direkt und ohmisch mit der Wechselstromquelle und mit den Anschlußeinrichtungen der piezokeramischen Relais­ einrichtung verbunden ist, um sie in eine erste Richtung zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung zu schließen oder um sie in eine zweite Richtung zu biegen und einen Strom­ kreis zwischen der Wechselstromquelle und der Anschlußeinrich­ tung der Abtaueinrichtung zu schließen, was mit einer weiter angeschlossenen integrierten Schaltungseinrichtung gesteuert wird. Eine geeignete piezokeramische Relaiseinrichtung, die auf diese Weise arbeitet und in Fig. 4A dargestellt ist, wird vorzugsweise mit einer Einspanneinrichtung wahlweise vorge­ polt, welche an nichtgepolten Teilen befestigt ist, die dem wahlweise vorgepolten Biegeteil benachbart sind und dieses me­ chanisch auf einseitig eingespannte Weise halten, um die Paare von zusammenwirkenden elektrischen Kontakten zu betätigen, wo­ bei die nichtgepolten Teile mechanisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind. Eine typische Relaisschaltanordnung, welche auf diese Weise benutzt wird, enthält eine Dioden-Kon­ densatorschaltung zum Bilden des Gleichstromerregerpotentials hoher Spannung und weiter in Reihe geschaltete Trennwider­ standseinrichtungen zum Begrenzen des aus der Wechselstrom­ quelle aufgenommenen Stroms. Außerdem sind in der repräsenta­ tiven Relaisschaltanordnung Ladewiderstandseinrichtungen ent­ halten, die so angeschlossen sind, daß sie das Erregerpoten­ tial zu der piezokeramischen Relaiseinrichtung leiten, und zwar zusammen mit ersten Widerstandseinrichtungen, die vorge­ sehen sind, um das erste piezokeramische Plattenelement zu entladen, wenn die Erregung desselben abgeschaltet worden ist, und zweite Widerstandseinrichtungen, die vorgesehen sind, um das zweite piezokeramische Plattenelement zu entladen, wenn dessen Erregung abgeschaltet worden ist. Bei einer Betriebsart der Abtaueinrichtung gemäß der oben beschriebenen Steueralgo­ rithmusverbesserung wird ein Abtauzyklus auf Steuersignale hin eingeleitet, die durch die angeschlossene integrierte Schal­ tungseinrichtung bei einem vorbestimmten Wert von 9,5 Stunden gemäß dem weiter oben definierten Betriebsintervallwert oder immer dann geliefert werden, wenn 48 Stunden seit dem letzten Abtauzyklus verstrichen sind. Dadurch, daß das beschriebene Haushaltsgerät auf diese Weise betrieben wird, ist klar, daß nun nicht nur eine einfachere Steuereinrichtung leichter und mit geringeren erforderlichen Verdrahtungskosten in die Vor­ richtung eingebaut werden kann, sondern daß ihr Betrieb einem Benutzer auch weniger kosten wird.

Das Flußdiagramm, daß in Fig. 7 gezeigt ist, repräsentiert einen typischen vorprogrammierten Befehl für die oben beschrie­ bene integrierte Schaltungseinrichtung zum Betreiben der ge­ steuerten Vorrichtung auf vollautomatische Weise. Das Fluß­ diagramm besteht aus einer Sequenz von Routinen, die ständig die Mikroprozessoreinheit durchlaufen, während die Steuer­ schaltungsanordnung ständig erregt wird, indem die gesteuerte Vorrichtung mit einer Stromquelle verbunden wird. Das Gesamt­ steuerprogramm ist in mehrere Steuerroutinen logisch aufge­ teilt. In der ersten Routine, die mit "T<T _U " bezeichnet ist und den Betrieb der Kälteeinrichtung steuert, wird die gemes­ sene Temperatur in der Lebensmittelkammer mit der maximalen Solltemperatur verglichen. Wenn die gemessene Temperatur die maximale Solltemperatur übersteigt, wird eine Unterroutine für den Kompressorbetriebsstatus abgetastet. In der Unterrou­ tine wird der Kompressor eingeschaltet, sofern er nicht be­ reits arbeitet, und der elektronische Abtauzeitgeber wird zu der Zeit gestartet, zu welcher der Kompressorbetrieb eingelei­ tet wird. Wenn festgestellt wird, daß der Kompressor arbeitet, wird eine zweite Unterroutine, die mit "T _D <T _DS oder T _E <T _ES " bezeichnet ist, abgetastet, um zu bestimmen, ob der Abtauzeit­ geberwert den Abtaustartzeitwert übersteigt oder ob ein Wert der verstrichenen Zeit einen vorbestimmten Wert einer maxima­ len verstrichenen Zeit übersteigt. Wenn die eine oder andere Übersteigung in dieser Unterroutine festgestellt wird, geht das Programm zurück zu dem Anfangsstartpunkt. Wenn jedoch keine Übersteigung in der letztgenannten Unterroutine festgestellt wird, dann startet das Programm das Abtauheizelement sowie den Abtauheizelementzeitgeber. Wie in der Zeichnung weiter zu erkennen ist, gibt es weitere Unterroutinen, welche das Steuer­ programm durchläuft, wenn es den Betrieb der Abtaueinrichtung einleitet. Die erste Unterroutine, die mit "T _H <T _HF oder T _S < T _HOT " bezeichnet ist′ vergleicht den Abtauheizelementzeitgeber­ wert mit einem vorbestimmten maximalen Heizelementsollwert und vergleicht weiter die Betriebstemperatur des Abtauheizelements mit dem maximalen Abtauheizelementsollwert. Diese Unterroutine wird solange durchlaufen, wie keine überschrittenen Werte festgestellt werden. Wenn eine Überschreitung in der Unter­ routine festgestellt wird, wird jedoch der Abtauzyklus been­ digt, und der Abtauzeitgeber, der Zeitgeber für die ver­ strichene Zeit und der Heizelementzeitgeber werden zu dieser Zeit rückgesetzt. Der Abtauzeitgeber wird außerdem in der nächsten Unterroutine wieder gestartet, so daß sein Wieder­ startzeitwert mit einem vorbestimmten Verzögerungszeitwert in der nächsten Unterroutine verglichen werden kann, die mit "T _H <T _HS " bezeichnet ist. Diese letzte Unterroutine in dem Abtausteuerprogramm ermög­ licht das Einführen einer Verzögerungsperiode, bevor die Kompressoreinrich­ tung betätigt wird, so daß sich der Kältemittelgasdruck aus­ gleichen kann, um das Starten des Kompressormotors mit einem hohen Gegendruck zu vermeiden. Bei Abschluß aller Unterrouti­ nen, die dem Betrieb der Abtaueinrichtung zugeordnet sind, geht das Steuerprogramm zurück zu seinem Startpunkt. Das fortgesetzte Durchlaufen des Steuerprogramms in bezug auf den weiteren Betrieb der Kälteeinrichtung führt zu einer nächsten Abtastroutine, die mit "T _L <T<T _U " bezeichnet ist, in welcher die gemessenen Temperaturen in der Lebensmittelkammer sowohl mit dem oberen als auch mit dem unteren Temperatursollwert verglichen werden. Diese Abtastroutine wird solange fortge­ setzt, wie die gemessenen Temperaturen innerhalb der festge­ legten Sollwerte bleiben, und während dieser Überwachung wird eine Unterroutine ausgeführt, um den Kompressor in seinem Be­ triebszustand zu halten. Die Unterroutine bringt dann entweder das Programm zurück zu der Unterroutine, die in dem vorangehen­ den Abtastprogramm in bezug auf den Betrieb der Kälteeinrich­ tung ausgeführt worden ist, wenn festgestellt wird, daß der Kompressor noch eingeschaltet ist, oder bringt das Programm zu einer anschließend ausgeführten Abtastroutine, wenn festge­ stellt wird, daß der Kompressor abgeschaltet ist. Wenn das Programm für den Betrieb der Kälteeinrichtung feststellt, daß die Betriebstemperatur in der Lebensmittelkammer nicht zwischen dem oberen und dem unteren festgelegten Sollwert ist, wird eine nächste Abtastroutine ausgeführt. In dieser Abtastroutine wird der Betriebszustand des Kompressors festgelegt, wobei der Kompressor zu dieser Zeit durch eine Programmunterroutine abge­ schaltet wird, die auch den Abtauzeitgeber umsteuert. Wenn festgestellt wird, daß der Kompressor zu dieser Zeit abge­ schaltet ist, dann geht das Steuerprogramm zu einer letzten Abtastroutine, die mit "T _E <T _ES " bezeichnet ist. In dieser letzten Abtast­ routine wird der Wert des Zeitgebers für die verstrichene Zeit mit dem Maximalzeitwert verglichen. Wenn der Wert des Zeitgebers der verstriche­ nen Zeit den Maximalwert der verstrichenen Zeit übersteigt, geht das Steuerprogramm zu den Unterroutinen, welche einen Ab­ tauzyklus einleiten. Wenn der Maximalwert der verstrichenen Zeit den Wert des Zeitgebers der verstrichenen Zeit in dieser Routine übersteigt, geht das Programm einfach zurück zu dem Startpunkt. Eine Betrachtung des Flußdiagramms zeigt, daß Be­ triebseinrichtungen vorgesehen sind zum automatischen Regeln der Kälte- und der Abtaueinrichtung derart, daß ein gleich­ zeitiger Betrieb dieser Einrichtungen vermieden wird. Darüber hinaus ist zu erkennen, daß diese automatische Regelung der Eingangsleistung zwischen den beiden genannten Einrichtungen auf effizientere Weise ausgeführt wird, wodurch der Betrieb der Abtaueinrichtung in der gesteuerten Vorrichtung reduziert werden kann.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß ein breit anwendbares Leistungsregelsystem offenbart worden ist, welches einen effizienteren Betrieb einer atmosphärischen Kühlvorrich­ tung gestattet. Es ist außerdem zu erkennen, daß Modifizie­ rungen bei den speziellen Verfahren und Steuereinrichtungen und bei der gesteuerten Vorrichtung, die hier beschrieben wor­ den sind, im Rahmen der Erfindung möglich sind. Zum Beispiel können weitere Steuerfunktionen als die oben speziell be­ schriebenen ohne weiteres in die verwendete integrierte Schal­ tungseinrichtung einprogrammiert werden, um die Steuerung der Kälte- und der Abtaueinrichtung zu erweitern. Darüber hinaus ist weiter zu erkennen, daß verschiedene Modifizierungen der besonderen Kälte- und Abtaueinrichtungen, die oben beschrie­ ben worden sind, auf der Basis derselben Steuerungsprinzipien, welche für die Erfindung beschrieben worden sind, möglich sind. Die Erfindung wird in ihrem Schutzumfang daher lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims (10)

1. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung einer atmosphärischen Kühlvorrichtung, die eine Kälteeinrichtung hat, gekennzeichnet durch:

• a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (12), die so ange­ schlossen ist, daß sie die Verbindung einer Stromquelle mit der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) gestattet, wobei die piezo­ keramische Relaiseinrichtung (12) eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg­ liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (15), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen (16) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontaktein­ richtungen (17, 18) mit der Anschlußeinrichtung der Kälte­ einrichtung (5, 6, 7) verbunden sind und das piezokerami­ sche Biegeteil (15) in einem unerregten Zustand die beweg­ lichen Kontakteinrichtungen (16) auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) hält, und
• b) eine Steuerschaltungsanordnung (19), die mit der Stromquel­ le und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relais­ einrichtung (12) direkt und ohmisch verbunden ist, welche auf Steuersignale zur Betätigung des beweglichen piezoke­ ramischen Biegeteils (15) anspricht und das Biegeteil (15) veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrich­ tung (5, 6, 7) zu schließen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung (19) weiter eine Schaltung aus Dio­ den und Kondensatoren enthält zum Bilden eines Gleichstromer­ regerpotentials hoher Spannung zum Betätigen der piezokerami­ schen Relaiseinrichtung (12).

3. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung einer atmosphärischen Kühlvorrichtung, die eine Abtaueinrichtung hat, gekennzeichnet durch:

• a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (12), die so ange­ schlossen ist, daß sie die Verbindung einer Stromquelle mit der Abtaueinrichtung (13) gestattet, wobei die piezo­ keramische Relaiseinrichtung (12) eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg­ liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (15), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen (16) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontaktein­ richtungen (17, 18) mit der Anschlußeinrichtung der Abtau­ einrichtung (13) verbunden sind und das piezokeramische Biegeteil (15) in einem unerregten Zustand die beweglichen Kontakteinrichtungen (16) auf Abstand von den festen elek­ trischen Kontakteinrichtungen (17, 18) hält, und
• b) eine Steuerschaltungsanordnung (19), die mit der Stromquel­ le und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relais­ einrichtung (12) direkt und ohmisch verbunden ist, welche auf Steuersignale zur Betätigung des beweglichen piezokera­ mischen Biegeteils (15) anspricht und das Biegeteil (15) veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung (13) zu schließen.

4. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung zwi­ schen der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) und der Abtaueinrichtung (13) in einer atmosphärischen Kühlvorrichtung, welches einen gleichzeitigen Betrieb dieser Einrichtungen verhindert, ge­ kennzeichnet durch:

• a) wenigstens eine piezokeramische Relaiseinrichtung (12), die so angeschlossen ist, daß sie eine individuelle Verbindung der Stromquelle entweder mit der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) oder mit der Abtaueinrichtung (13) ermöglicht, wobei die Relaiseinrichtung (12) eine Anschlußeinrichtung hat, welche einem beweglichen piezokeramischen Biegeteil (15) betriebs­ mäßig zugeordnet ist, das zusammenwirkende Kontakteinrich­ tungen (16, 17, 18) zur individuellen Verbindung mit An­ schlußeinrichtungen hat, welche in den Einrichtungen (5, 6, 7 bzw. 13) vorgesehen sind, und
• b) eine Steuerschaltungsanordnung (19), die mit der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Re­ laiseinrichtung (12) direkt und ohmisch verbunden ist und auf Steuersignale zur Betätigung des beweglichen piezokera­ mischen Biegeteils (15) anspricht und das Biegeteil (15) veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrich­ tung (5, 6, 7) zu schließen oder sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrich­ tung der Abtaueinrichtung (13) zu schließen.

5. Atmosphärische Kühlvorrichtung, die in Kombination ein Kühlgerät mit wenigstens einer Aufbewahrungskammer (12), einer Kälteeinrichtung (5, 6, 7) und einer elektrischen Steuerein­ richtung (19) zum Ermöglichen der Verbindung einer Stromquelle mit der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) aufweist, wobei die elektri­ sche Steuereinrichtung umfaßt:

• a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (12), welche so an­ geschlossen ist, daß sie eine Verbindung der Stromquelle mit der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) ermöglicht, wobei die Relaiseinrichtung (12) eine Anschlußeinrichtung zur Verbin­ dung mit der Stromquelle und ein bewegliches piezokerami­ sches Biegeteil (15) aufweist, das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen (16) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) mit der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) verbunden sind und wobei das piezokeramische Biegeteil (15) die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen (16) auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen (17, 18) hält, wenn es in einem unerregten Zustand ist, und
• b) eine Steuerschaltungsanordnung (19), die mit der Stromquel­ le und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relais­ einrichtung (12) direkt und ohmisch verbunden ist, auf Steuersignale zur Betätigung des beweglichen piezokerami­ schen Biegeteils (15) anspricht und das Biegeteil (15) ver­ anlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) zu schließen.

6. Atmosphärische Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (19) weiter eine Schaltung aus Dioden und Kon­ densatoren zum Bilden eines Gleichstromerregerpotentials hoher Spannung zum Betätigen der piezokeramischen Relaisein­ richtung (12) enthält.

7. Atmosphärische Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Betätigung der Kälteeinrichtung (5, 6, 7) auf die Steuersigna­ le hin außerdem von Temperaturmeßeinrichtungen abhängig ge­ macht ist.

8. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung einer atmosphäri­ schen Kühlvorrichtung, die eine Kälteeinrichtung aufweist, ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Wählen einer piezokeramischen Relaiseinrichtung, die eine Anschlußeinrichtung hat, welche mit der Stromquelle verbun­ den ist, und ein bewegliches piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen, welche mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen zusam­ menwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtun­ gen mit der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung ver­ bunden sind,
• b) Veranlassen, daß sich das Biegeteil in einer Richtung bei ersten Steuersignalen biegt, die durch eine zugeordnete Steuerschaltungsanordnung geliefert werden, so daß die ge­ genseitige Berührung der zusammenwirkenden Kontakteinrich­ tungen erfolgt, um einen Stromkreis zwischen der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung der Kälteeinrichtung zu schließen, und
• c) Erzeugen von zweiten Steuersignalen mit der zugeordneten Steuerschaltungsanordnung, welche bewirken, daß sich das Biegeteil in der entgegengesetzten Richtung biegt, um die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen voneinander zu trennen.

9. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung einer atmosphäri­ schen Kühlvorrichtung, die eine Abtaueinrichtung hat, gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:

• a) Wählen einer piezokeramischen Relaiseinrichtung, die eine Anschlußeinrichtung hat, welche mit der Stromquelle verbun­ den ist, und ein bewegliches piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen, welche mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen zu­ sammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen mit der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung verbunden sind,
• b) Veranlassen, daß sich das Biegeteil in einer Richtung bei ersten Steuersignalen biegt, die durch eine zugeordnete Steuerschaltungsanordnung geliefert werden, so daß die ge­ genseitige Berührung der zusammenwirkenden Kontakteinrich­ tungen erfolgt, um einen Stromkreis zwischen der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung der Abtaueinrichtung zu schließen, und
• c) Erzeugen von zweiten Steuersignalen mit der zugeordneten Steuerschaltungsanordnung, welche bewirken, daß sich das Biegeteil in der entgegengesetzten Richtung biegt, um die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen voneinander zu trennen.

10. Verfahren zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung zwischen der Kälteeinrichtung und der Abtaueinrichtung in einer atmosphärischen Kühlvorrichtung, wobei ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Relais als Schalteinrichtung be­ nutzt wird, um die gleichzeitige Betätigung der Kälteeinrich­ tung und der Abtaueinrichtung zu vermeiden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Wählen einer piezokeramischen Relaiseinrichtung, die ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil hat, welches auf die eine oder die andere Seite einer Mittelpo­ sition bewegt wird, die das Biegeteil in einem unerregten Zustand normalerweise einnimmt, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung weiter eine erste Anschlußeinrichtung hat zur Verbindung mit der Stromquelle, eine zweite Anschluß­ einrichtung, welche eine Verbindung der Stromquelle mit der Kälteeinrichtung in einer ersten Betriebsposition gestattet, und eine dritte Anschlußeinrichtung, welche eine Verbindung der Stromquelle mit der Abtaueinrichtung in einer zweiten Betriebsposition gestattet,
• b) Veranlassen, daß sich das Biegeteil in einer ersten Rich­ tung auf Steuersignale hin biegt, welche durch eine zuge­ ordnete Steuerschaltungsanordnung geliefert werden, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschluß­ einrichtung zu schließen, die mit der Kälteeinrichtung ver­ bunden ist, und
• c) Veranlassen, daß sich das Biegeteil in einer zweiten Rich­ tung auf zweite Steuersignale hin biegt, welche durch die zugeordnete Schaltanordnung geliefert werden, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Abtaueinrichtung zu schließen.