-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen gekühlte Vorrichtungen
mit gekühlten
Gehäusen,
wie z.B. Kühlanlagen
und/oder Gefriermaschinen. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung das Detektieren einer Ansammlung von Eis an einem der
gekühlten
Vorrichtung zugeordneten Verdampfer und das Ausführen eines Bedarfsabtauvorgangs,
um das Eis zu entfernen.
-
Kommerzielle
und häusliche
Kühlanlagen und
Gefrieranlagen sind mit einer Kühleinheit
zum Kühlen
ausgestattet. Die Kühleinheit
hat typischerweise einen Kompressor, der durch einen Kompressormotor
angetrieben wird, einen Kondensor und einen Verdampfer. Wenn die
Kühleinheit
arbeitet, kondensiert Wasserdampf an dem Verdampfer und führt zu der
Ansammlung von Frost und Eis an dem Verdampfer. Der angesammelte
Frost und das angesammelte Eis an dem Verdampfer führen zu
einer verringerten Luftströmung
durch den Verdampfer und einer verringerten Fähigkeit der Kühleinheit,
die Luft in der Kühlanlage
oder der Gefrieranlage zu kühlen. Um
den Wirkungsgrad von Kühlanlagen
zu erhöhen und
ihren Leistungsverbrauch zu reduzieren, sind viele Kühlanlagen
dazu ausgelegt, den Verdampfer periodisch abzutauen. Abtauvorrichtungen,
wie z.B. Heizer, werden häufig
verwendet, um den Abtauvorgang zu beschleunigen. Es sind ebenfalls
Kühlanlagen
bekannt, die nach Bedarf abtauen, indem eine Ansammlung von Eis
erfasst wird und, als Reaktion, ein Abtauvorgang beginnen wird.
Beispiele solcher Kühlanlagen
sind in US-Patent Nr. 4 850 204, 4 884 414, 4 916 912, 4 993 233
und 5 666 816 beschrieben, welche alle durch Inbezugnahme vollständig hierin
aufgenommen sind.
-
Diese
herkömmlichen
Kühlanlagen
versagen jedoch dabei, ein Bedarfsabtauschema zu lehren, das Temperaturmessungen
verwendet, die direkt bezogen sind auf Wärmeübertragungsprinzipien als eine
Basis zum Feststellen von Kondensatansammlung.
-
US 4 400 949 , von der die
unabhängigen
Ansprüche
abgegrenzt sind, lehrt ein Feststellen des Bedarfs nach Abtauen
eines gekühlten
Gehäuses, basierend
auf der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Luft in dem
gekühlten
Gehäuse und
auf der Spannung und dem Strom, die zum Betreiben eines Verdampfergebläses nötig sind.
-
Demgemäß weisen
die herkömmlichen
Kühlanlagen
inhärente
Leistungsschwächen
auf. Die herkömmlichen
Kühlanlagen
sind auch mit übermäßig komplexen
Algorithmen und Zeitbetrachtungen belastet.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine gekühlte Vorrichtung,
wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, vorgesehen.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Abtauen einer gekühlten
Vorrichtung vorgesehen, wie es in Anspruch 10 beansprucht ist.
-
Dieses
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen ersichtlich, wobei:
-
1 eine
perspektivische Ansicht einer Kühlanlage
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
-
2 ein
elektrisches Blockdiagramm einer Kühleinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
-
3 ein
mechanisches Blockdiagramm der Kühleinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
-
4a und 4b Flussdiagramme
sind, die die Arbeitsweise eines Bedarfsabtauschemas gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen.
-
5 eine
grafische Wiedergabe ist, die die Basis für das Bedarfsabtauschema gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
In
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wurden identischen
Bauteilen dieselben Bezugszeichen gegeben, und um die vorliegende
Erfindung klar und präzise
zu veranschaulichen, können bestimmte
Merkmale in einer einigermaßen
schematischen Form gezeigt sein.
-
1 veranschaulicht
eine gekühlte
Vorrichtung. Das veranschaulichte Beispiel der gekühlten Vorrichtung
ist eine kommerzielle Kühlanlage 10,
und die Beschreibung des nachfolgenden Bedarfsabtauschemas wird
auf die kommerzielle Kühlanlage 10 bezogen
sein. Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird jedoch
erkennen, dass die Erfindung für
die Verwendung in anderen gekühlten Vorrichtungen,
wie z.B. einer kommerziellen Kühlanlagen-/Gefrieranlagenkombination,
einer allein stehenden kommerziellen Gefrieranlage oder einer Haushalts-Kühlanlage/Gefrieranlage
angepasst sein kann. Die Kühlanlage 10 ist
mit einem gekühlten
Abteil, oder gekühlten
Gehäuse 12,
zum Aufbewahren von kaltzuhaltenden Objekten vorgesehen.
-
Unter
zusätzlicher
Bezugnahme auf die 2 und 3 ist eine
Kühleinheit 14 zum
Kühlen des
Gehäuses 12 gezeigt. 2 ist
ein elektrisches Blockdiagramm der Kühleinheit 14, und 3 ist
ein mechanisches Blockdiagramm der Kühleinheit 14. Wie
im Stand der Technik wohl bekannt, hat die Kühleinheit 14 einen
Kompressor 16, der durch einen Kompressormotor 18 angetrieben
ist, einen Kondensor 20, ein Kondensorgebläse 22,
das durch einen Kondensorgebläsemotor 24 angetrieben
ist, einen Verdampfer 26 und ein Verdampfergebläse 28,
das durch einen Verdampfergebläsemotor 30 angetrieben
ist. Luftströmung
durch den Kondensor 20 und den Verdampfer 26 ist
in 3 durch Pfeile 31 gezeigt. Kühlmittel
wird durch den Kompressor 16, den Kondensor 20 und
den Verdampfer 26 zirkuliert, die durch Kühlmittelrohre 32 verbunden
sind. Der Betrieb der Kühlanlage 10 wird
durch einen Mikroprozessor oder eine programmierbare Steuereinrichtung 40 gesteuert.
Die Steuereinrichtung 40 ist verantwortlich für das Aufrechterhalten
der Temperatur innerhalb des Gehäuses 12 durch
Steuern der Kühleinheit 14. Genauer
reguliert die Steuereinrich tung 40 Laufzeiten von Kompressormotor 18,
Kondensorgebläsemotor 24 und
Verdampfergebläsemotor 30.
Die Steuereinrichtung 40 hat eine Zeitmesseinrichtung oder
interne Uhr, um eine abgelaufene Zeitspanne für eine Vielzahl von Bedingungen
zu messen, wie unten in weiteren Einzelheiten diskutiert.
-
Wenn
die Kühleinheit 14 arbeitet,
kondensiert Wasserdampf an dem Verdampfer 26, was zu der
Ansammlung von Kondensat oder Frost und Eis an dem Verdampfer 26 führt. Die
Ansammlung von Frost und Eis an dem Verdampfer 26 führt zu einer verringerten
Luftströmung
durch den Verdampfer 26 und einer Reduzierung der Fähigkeit
der Kühleinheit 14,
die Luft innerhalb der Kühlanlage 10 zu
kühlen. Demgemäß ist die
Steuereinrichtung 40 ebenfalls verantwortlich dafür, die Kühleinheit
in einen Abtauvorgang eintreten zu lassen, um das Eis zu schmelzen.
Wie im Stand der Technik bekannt, bedingt der Abtauvorgang ein Stoppen
des Kühlvorgangs
der Kühleinheit 14 und
ein individuelles Steuern des Kompressormotors 18 und der
Gebläsemotoren 24, 30 in
einer solchen Weise, die dem Verdampfer 26 ermöglicht,
sich zu erwärmen
und das Eis zu schmelzem Vorzugsweise ist auch ein Abtauheizer 42 an oder
benachbart zu dem Verdampfer 26 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 40 schaltet
den Abtauheizer 42 während
des Abtauvorgangs an, um das Schmelzen des Eises zu beschleunigen.
Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird erkennen,
dass die Verwendung des Abtauheizers 42 optional ist.
-
Im
Allgemeinen erfasst die Steuereinrichtung 40 ein Ansammlung
von Eis an der Rohrschlange des Verdampfers 26 durch Feststellen
eines Temperaturdifferenzials zwischen einer Lufttemperatur in dem
Gehäuse 12 und
einer Kühlmitteltemperatur
in dem Verdampfer 26. Mit anderen Worten wird die Menge
an Eis aus Wärmeübertragungsprinzipien
extrapoliert, die mit der Übertragung
von Wärme
von der Luft in dem Gehäuse 12 auf
das Kühlmittel
in Bezug stehen. Die Wärmeübertragungsrate
ist abhängig
von drei Faktoren: Oberflächenfläche des
Verdampfers 26, einem Wärmeübertragungskoeffizienten
und einer Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Kühlmittel.
Für jede
Kühlanlage
ist die Oberflächenfläche des
Verdampfers 26 entweder tatsächlich eine Konstante, oder
sie wird als konstant angenommen. Wenn sich jedoch Eis an dem Verdampfer 26 ansammelt,
wird der Wärmeübertragungskoeffizient
reduziert. Dies bewirkt, dass die Temperatur des Kühlmittels
in dem Verdampfer sinkt und die Temperaturdifferenz zwischen der
Luft und dem Kühlmittel steigt.
Daher weist das Temperaturdifferenzial zwischen der Luft und dem
Kühlmittel
auf eine Eisansammlung hin. Das Temperaturdifferenzial zwischen der
Luft und dem Kühlmittel
wird hierin als Δt
bezeichnet.
-
Die
Kühlanlage 10 sieht
einen Lufttemperatursensor 44 zum Messen einer Lufttemperatur
vor. Der Lufttemperatursensor 44 befindet sich vorzugsweise
in der Nähe
einer Rückkehrluftpassage,
wo Luft von dem Gehäuse 12 auf
seinem Weg zu dem Verdampfer 26 strömt. Am stärksten bevorzugt ist der Lufttemperatursensor 44 nahe
dem Verdampfergebläse 28 montiert,
wie z.B. an einem Gitter oder Grill 46, das das Verdampfergebläse 28 abdeckt.
Ein Anordnen des Lufttemperatursensors 44 in dem Rückkehrweg
von Luft auf ihrem Weg zu dem Verdampfer 26 ermöglicht eine
präzise
Messung der Rückkehrluft,
angedeutet durch den Pfeil 48, was der am stärksten bevorzugte
Wert beim Berechnen von Δt
ist. Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird jedoch
erkennen, dass der Lufttemperatursensor 44 alternativ an
anderen Stellen in der Kühlanlage 10 platziert
werden kann.
-
Der
Lufttemperatursensor 44 ist vorzugsweise ein intelligenter
Sensor, der ein Lufttemperatursignal aus der gemessenen Lufttemperatur
erstellt. Solch ein intelligenter Sensor wird verkauft von Dallas
Semiconductor Corp., 4401 TS Beltwood Pkwy, Dallas, TX 75244-3292
unter der Bezeichnung DS1821. Der Lufttemperatursensor 44 kommuniziert mit
der Steuereinrichtung 40 und überträgt das Lufttemperatursignal
an die Steuereinrichtung 40. Der Lufttemperatursensor 44 ist
vorzugsweise so konfiguriert, dass er einen mit dem Mikroprozessor
verbundenen seriellen Kommunikationsanschluss hat. Das Lufttemperatursignal
wird direkt an den Mikroprozessor als ein Digitalwert ausgegeben.
Die Steuereinrichtung 40 wird vorzugsweise mit dem Lufttemperatursignal
derart versorgt, dass die Lufttemperatur der Steuereinrichtung 40 entweder
kontinuierlich oder innerhalb der Periode einer Erfassungsrate kurzer
Dauer bekannt ist.
-
Die
Kühlanlage 10 sieht
auch einen Kühlmitteltemperatursensor 50 zum
Messen der Kühlmitteltemperatur
vor. Der Kühlmitteltemperatursensor 50 ist
vorzugsweise an ein Einlassrohr 52 des Verdampfers 26 montiert
oder geklemmt, durch welches das Kühlmittel in den Verdampfer 26 eintritt.
Ein Anordnen des Kühlmitteltemperatursensors 50 an
dieser Stelle ermöglicht
die präzise
Messung der Kühlmitteltemperatur,
wenn das Kühlmittel
in den Verdampfer 26 eintritt. Dies ist der am stärksten bevorzugte
Wert beim Berechnen von Δt.
Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird jedoch erkennen,
dass der Kühlmitteltemperatursensor 50 an
anderen Stellen in oder benachbart dem Verdampfer 26 montiert sein
kann. Der oben diskutierte Kühlmitteltemperatursensor 50 ist
extern an dem Kühlmitteleinlassrohr 52 montiert.
Der Kühlmitteltemperatursensor 50 kann alternativ
intern an dem Kühlmitteleinlassrohr 52 montiert
sein, so dass er in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel kommt. Da jedoch ein
externes Anbringen des Kühlmitteltemperatursensors 50 einfach
und kosteneffizient ist, ist es bevorzugt.
-
Wie
der Lufttemperatursensor ist auch der Kühlmitteltemperatursensor vorzugsweise
ein intelligenter Sensor, der ein Kühlmitteltemperatursignal aus
der gemessenen Kühlmitteltemperatur
erstellt. Derselbe Typ von Sensor, wie er für den Lufttemperatursensor 44 verwendet
wird, ist zufriedenstellend. Demgemäß ist der Kühlmitteltemperatursensor 50 vorzugsweise
dazu ausgelegt, einen seriellen Kommunikationsanschluss aufzuweisen,
der mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Das Kühlmitteltemperatursignal wird
direkt an den Mikroprozessor als ein Digitalwert ausgegeben. Die
Steuereinrichtung 40 wird vorzugsweise mit dem Kühlmitteltemperatursignal versorgt,
so dass die Kühlmitteltemperatur
der Steuereinrichtung 40 entweder kontinuierlich oder innerhalb
der Periode einer Erfassungsrate kurzer Dauer bekannt ist.
-
Die
Kühlanlage 10 ist
mit einer Tür 54 (1)
vorgesehen, um Zugriff in das Gehäuse 12 zu gewähren. Wie
gezeigt, ist die Tür 54 eine
gekrümmte
Frontpaneele aus Glas, die durch einen Rahmen gehalten ist. Die
veranschaulichte Tür 54 ist entlang
ihrer oberen Kante gelenkig an dem Kasten der gekühlten Vorrichtung
angebracht und schwenkt nach oben. Diese Konfiguration ist jedoch
lediglich veranschaulichend, und jeder im Stand der Technik bekannte Typ
von Tür,
wie z.B. Schiebetüren
an der Rückseite
der Kühlanlage 10 oder
Türen im
Schrankstil, funktioniert mit äquivalenten
Ergebnissen. Die Kühlanlage 10 ist
mit einem Türsensor 56 vorgesehen,
wie z.B. einem Schalter, um ein Tür-offen-Signal an die Steuereinrichtung 40 zu
liefern, wenn die Tür 54 angelehnt
ist. Wenn die Tür 54 für eine lange
Zeitdauer, z.B. für
30 min, angelehnt bleibt, aktiviert die Steuereinrichtung 40 vorzugsweise
einen Alarm 58, um eine Person hörbar und/oder sichtbar zu warnen, dass
die Tür 54 offen
gelassen wurde.
-
Die
Kühlanlage 10 aktiviert
den Alarm 58 auch, wenn das Gehäuse 12 zu warm werden
sollte. Dies ist als Hochtemperaturalarm bekannt. Die Steuereinrichtung 40 ist
dafür verantwortlich,
durch Vergleichen des Lufttemperatursignals mit einer vorbestimmten
bevorzugten Betriebstemperatur oder einem Einstellpunkt festzustellen,
ob das Gehäuse 12 zu
warm geworden ist.
-
Die
Kühlanlage 10 ist
auch mit einer Anzeige 59 zum Anzeigen verschiedener informationseinzelheiten
vorgesehen, die für
eine Person, die die Kühlanlage 10 verwendet,
oder eine Person, die die Kühlanlage 10 wartet,
nützlich
sind. Die anzuzeigende Information wird der Anzeige 49 durch
die Steuereinrichtung 40 bereitgestellt. Anzuzeigende Information umfasst
z.B. die Temperatur des Gehäuses 12 und die
Position der Tür 54 (offen
oder geschlossen). Wie in genaueren Einzelheiten weiter unten diskutiert, wird
die Anzeige 59 auch verwendet, um Fehlerinformation anzuzeigen.
-
Unter
zusätzlicher
Bezugnahme auf 4a wird die Arbeitsweise der
Kühlanlage 10 beschrieben mit
besonderem Schwerpunkt auf die Bedarfsabtaueigenschaften der bevorzugten
Ausführungsform. Die
Steuereinrichtung 40 ist mit einer Softwareroutine programmiert,
um die Arbeitsweise der Kühlanlage 10 zu
steuern, nämlich
den Lauf des Kompressormotors 18, des Verdampfergebläsemotors 30,
des Kondensorgebläsemotors 24 und,
falls vorgesehen, des Abtauheizers 42. Elektrischer Strom
zu dem Kompressormotor 18, dem Verdampfergebläsemotor 30,
dem Kondensorgebläsemotor 24 und
dem Abtauheizer 42 wird vorzugsweise von einer Stromquelle 60 durch
kleine (miniaturisierte) elektromechanische Relais 62 geliefert.
Die Relais 62 werden durch die Steuereinrichtung 40 angeregt,
die vorzugsweise so programmiert ist, dass die Relais 62 nahe
dem Nulldurchgang des Stromflusses geschaltet werden. Es ist die
Absicht, die Lebensdauer des Relais 62 zu verlängern durch
Minimieren der Relaiskontakterosion, die normalerweise auftritt,
wenn die Kontakte geöffnet
und geschlossen werden, wenn das Stromniveau hoch ist. Über eine Überwachungsschaltung 64 überwacht
die Steuereinrichtung 40 die Leitungsspannung und verwendet
die Spannungsphase als eine Zeitbasis zum Anregen der Relais 62.
Die Steuereinrichtung 40 muss die Reaktionszeit des Relais 62 und die
Stromphasenverzögerung
kompensieren. Daher wird das Relais 62 60° bis 85° vor dem
Strom-Nulldurchgang aktiviert. Dies entspricht einem Betätigen des
Relais 62 bei einem Spannungsphasenwinkel von 95° bis 120°.
-
Die
Kühlanlage 10 ist
mit einem Temperatureinstellpunkt vorgesehen, der die Zieltemperatur
ist, die in dem Gehäuse 12 gehalten
wird. Der Temperatueinstellpunkt wird in die Steuereinrichtung 40 programmiert
und kann optional mittels einer Temperaturanpasswählscheibe,
wie im Stand der Technik wohl bekannt, angepasst werden.
-
Wenn
die Kühlanlage 10 anfänglich eingeschaltet
wird, vorzugsweise durch Zuführen
von elektrischem Strom zu der Kühlanlage 10,
beginnt die Steuereinrichtung 40 die Softwareroutine, wie
in 4a durch Bezugszeichen 100 angegeben.
Die Steuereinrichtung 40 betreibt die Kühleinheit 14 derart,
dass das Gehäuse 12 gekühlt wird,
wie durch Kasten 102 angegeben. Ein Betreiben der Kühleinheit 14 umfasst
ein Zirkulieren des Kühlmittels
durch den Kompressor 16, den Kondensor 20 und
den Verdampfer 26 durch Anschalten des Kompressormotors 18.
Ein Betreiben der Kühleinheit 14 umfasst ebenfalls
ein Zirkulieren von Luft aus der umgebenden Atmosphäre durch
den Kondensor 20 durch Anschalten des Kondensorgebläsemotors 24,
um das Kondensorgebläse 22 anzutreiben.
Ein Betreiben der Kühleinheit 14 umfasst
ebenfalls ein Zirkulieren von Luft aus dem Gehäuse 12 durch den Verdampfer 26 durch
Anschalten des Verdampfergebläsemotors 30, um
das Verdampfergebläse 28 anzutreiben.
Zeitverzögerungen
zum Starten oder Stoppen eines oder beider Gebläsemotoren 24, 30 relativ
zu dem Kompressormotor 18 können verwendet werden, um den Kühlwirkungsgrad
der Kühleinheit 14 zu
maximieren. Die Steuereinrichtung 40 überwacht das Lufttemperatursignal,
und sobald der Einstellpunkt erreicht wurde, Entscheidungskasten 104,
wird die Kühleinheit 14 intermittierend
oder zyklisch betrieben, auf einer Bedarfbasis, um das Gehäuse 12 auf
dem Einstellpunkt zu halten, Kasten 106.
-
Während zyklischem
Betrieb der Kühleinheit 14 überwacht
die Steuereinrichtung 40 drei Bedingungen. Wenn eine der
Bedingungen erfüllt
ist, wird eine Abtauroutine initiiert, Kasten 108. Wie
zuvor genannt, umfasst die Abtauroutine ein individuelles Steuern,
durch An- oder Abschalten des Kompressormotors 18, der
Gebläsemotoren 24, 30 und
des Abtauheizers 42, falls vorgesehen, um dem Verdampfer
zu ermöglichen,
sich zu erwärmen
und das Eis zu schmelzen.
-
Die
erste Bedingung ist der Status der Tür 54. Wie oben angegeben,
wird die Steuereinrichtung 40 mit dem Tür-offen-Signal versorgt, wenn
die Tür 54 angelehnt
ist. Wenn die Tür 54 kontinuierlich
für eine
Zeitdauer, die größer oder
gleich einer vorbestimmten, Zeit oder Tdoor,
ist, offen gelassen wird, initiiert die Steuereinrichtung 40 die
Abtauroutine, wie durch den Entscheidungskasten 110 angegeben.
Für die
meisten kommerziellen Kühlanlagen
oder Gefrieranlagen ist Tdoor vorzugsweise
etwa 30 min. Alternativ kann die Steuereinrichtung 40 so
programmiert werden, die Anzahl von Öffnungen der Tür 54 zu überwachen
oder die offene Zeit der Tür 54 während einer
spezifischen Zeitdauer zu kumulieren. Wenn die Anzahl der Öffnungen
der Tür 54 oder
die kumulierte offene Zeit der Tür 54 einen
bestimmten Schwellenwert überschreitet,
initiiert die Steuereinrichtung 40 die Abtauroutine.
-
Die
zweite Bedingung ist die verstrichene Zeit seit einem vorangehenden
Abtauvorgang. Nachdem ein Abtauvorgang abgeschlossen ist, überwacht die
Steuereinrichtung 40 die verstrichene Zeit. Wenn die seit
dem vorangehenden Abtauvorgang verstrichene Zeit gleich oder größer einem
programmierten Schwellenwert, oder Tlastdefrost,
ist, initiiert die Steuereinrichtung 40 die Abtauroutine,
wie durch den Entscheidungskasten 112 angegeben. Für die meisten kommerziellen
Kühlanlagen
oder Gefrieranlagen ist Tlastdefrost vorzugsweise
etwa 72 h.
-
Die
dritte Bedingung basiert auf Ansammlung von Eis an dem Verdampfer 26,
wie sie durch die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Kühlmittel, Δt, angegeben
ist. Wie aus der Diskussion unten ersichtlich wird, ist diese Bedingung
zum Initiieren eines Abtauens basiert auf dem Bedarf zum Entfernen
einer Eisansammlung und wird als Bedarfabtauen bezeichnet. Wie zuvor
genannt, wird Δt durch
die Steuereinrichtung 40 durch Vergleichen des Lufttemperatursignals
mit dem Kühlmitteltemperatursignal
berechnet. Wenn Δt
gleich oder größer einem
Abtauschwellenwert ist, ist Bedarfabtauen erwünscht, und die Steuereinrichtung 40 initiiert
die Abtauroutine, wie durch den Entscheidungskasten 114 angegeben.
Der Abtauschwellenwert ist das Ergebnis einer Funktion, basierend
auf einer kleinsten, oder minimalen, gemessenen Temperaturdifferenz Δt zu einem
vorherigen Kühleinheit-Kühlzyklus 106. Demgemäß kann der
Abtauschwellenwert ausgedrückt
werden als fminΔt,
wobei minΔt
die minimale Temperaturdifferenz ist. Der vorhergehende Zyklus, während dem
minΔt berechnet
wird, wird vorzugsweise so verstanden, dass das minΔt gemeint
ist, welches an irgendeinem Punkt während des zyklischen Kühlbetriebs
der Kühleinheit
erreicht wird, der seit dem Ende der zuletzt vorangehenden Abtauroutine
aufgetreten ist. Unter dieser Definition wird ein neues minΔt nach jeder
Abtauroutine ermittelt. Wenigstens zwei weniger bevorzugte Bedeutungen
für den
vorhergehenden Zyklus werden in Erwägung gezogen. Der vorhergehende
Zyklus, während
dem minΔt
berechnet wird, wird weniger bevorzugt dahingehend verstanden, dass
das minΔt
gemeint ist, das an irgendeinem Punkt während des Betriebs der Kühleinheit
erreicht wird, unabhängig
davon, ob eine Abtauroutine aufgetreten ist, seitdem das minΔt erreicht
wurde. Unter dieser Definition wird minΔt durch die Steuereinrichtung
von einer Abtauroutine zu der nächsten
in Erinnerung gehalten und wird nur geändert, wenn ein kleineres Temperaturdifferenzial
auftritt. Der vorhergehende Zyklus, während dem minΔt berechnet
wird, wird auch weniger bevorzugt dahingehend verstanden, dass eine
adaptive Reaktion auf jedes minΔt,
das zwischen jeder Abtauroutine erreicht wird, gemeint ist.
-
Mit
zusätzlicher
Bezugnahme auf 5 wird die Bestimmung von minΔt erklärt. 5 ist
eine grafische Wiedergabe von Δt,
wenn die Zeit während
eines Kühlzyklus
der Kühlanlage 10 fortschreitet. Wenn
die Kühleinheit 14 arbeitet,
sinkt die Lufttemperatur in dem Gehäuse 12. Als Ergebnis
wird Δt
kleiner, wenn Zeit verstreicht. Solange der Verdampfer 26 frei
von Eis bleibt oder sich nur eine geringe Menge von Eis angesammelt
hat, wird Δt
fortfahren, zu sinken. Wenn sich jedoch Eis in einer signifikanten Menge
an dem Verdampfer 26 zu bilden beginnt, wird die Übertragung
von Wärme
aus der Luft an das Kühlmittel
weniger effizient, und Δt
beginnt zu sinken. Der Punkt, an dem Δt am kleinsten ist, ist die
minimale Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Kühlmittel,
oder minΔt,
wie durch Punkt a in 5 angegeben.
-
Die
Steuereinrichtung 40 ist dahingehend programmiert, dass
sie die Abtauroutine initiiert, wenn Δt gleich oder größer als
ein aus minΔt
abgeleiteter Abtauschwellenwert ist. Die Funktion fminΔt ist vorzugsweise
minΔt, multipliziert
mit einem Koeffizienten α und
kann ausgedrückt
werden als α·minΔt, wie durch
Punkt b in 5 angegeben. Der Koeffizient α ist eine
Zahl, basierend auf der spezifischen Kühlanlage, die gesteuert wird,
und ihren Kühlanforderungen.
Kühlanforderungen
basieren hauptsächlich
auf dem Einstellpunkt, der Größe des Gehäuses 12 und
der Anzahl und Dauer von Öffnungen
der Tür 54.
Dementsprechend kann der Koeffizient α eine feste Zahl sein. Beispiele
für den
Koeffizienten α umfassen
2, 2,5, 3, 3,25, 3,5 und 4. Als ein Beispiel kann eine typische
Kühlanlage
ein minΔt
von etwa 2,7°C
(5°F) haben.
Für dieselbe
Kühlanlage kann
ein Δt von
8,3°C (15°F) einen
unerwünschten Vereisungszustand
angeben und den Schwellenwert wiedergeben, um eine Abtauroutine
auszulösen.
In diesem Beispiel ist daher die Steuereinrichtung 40 mit
einem Koeffizienten α von
3 programmiert.
-
Der
Koeffizient α kann
eine feste Zahl sein, wie oben beschrieben, oder der Koeffizient α ist, stärker bevorzugt,
eine Variable mit einem numerischen Wert, der durch die Steuereinrichtung 40 bestimmt wird,
um ein Abtauen der Kühlanlage 10 während Zeitspannen,
in denen diese nicht verwendet wird, anzuregen. Mit anderen Worten
ist die Steuereinrichtung 40 dahingehend programmiert,
den Abtauschwellenwert zu lockern, wenn die Kühlanlage 10 nicht
verwendet wird. Die Steuereinrichtung 40 verwendet Öffnungen
der Türen 54 als
einen Hinweis auf Verwendung. Wenn die Tür 54 für eine lange
Periode geschlossen war, z.B. für
vier Stunden, gibt es einen starken Hinweis darauf, dass die Kühlanlage 10 nicht
in einem Zeitraum der Verwendung ist. Es ist daher wünschenswert,
aus dieser Gelegenheit Vorteil zu ziehen, um den Verdampfer 26 abzutauen, wenn
die Kühlanforderungen
der Kühlanlage 10 gering
sind. Dies beachtend ist die Steuereinrichtung 40 vorzugsweise
dahingehend programmiert, dass sie einen Koeffizienten β normalen
Betriebs und einen Koeffizienten γ geringer
Verwendung hat. Während normalem
Betrieb, wenn die Tür 54 regelmäßig geöffnet wird,
initiiert die Steuereinrichtung 40 die Abtauroutine, wenn
der Abtauschwellenwert auf fminΔt
unter Verwendung des Koeffizienten β basiert. Während Zeitspannen, in denen
keine Verwendung vorliegt, initiiert die Steuereinrichtung 40 die
Abtauroutine, wenn der Abtauschwellenwert auf fminΔt unter Verwendung
des Koeffizienten γ basiert,
wobei der Koeffizient γ geringer
ist als der Koeffizient β.
-
Durch
Verwenden eines variablen Koeffizienten, um den Abtauschwellenwert
während
Zeitspannen, in denen keine Verwendung vorliegt, zu lockern, wird
die Kühlanlage 10 energieeffizienter
gemacht und besser in die Lage versetzt, die Temperatur des Gehäuses 12 aufrechtzuerhalten.
Wenn die Kühlanlage
ein fminΔt
von 2,7°C
(5°F) und
ein Δt von 8,3°C (15°F), was einen
unerwünschten
Vereisungszustand angibt, hat, ist z.B. der Koeffizient β normalen
Betriebs 3, und der Abtauschwellenwert ist 8,3°C (15°F). Wenn
der Koeffizient γ geringer
Verwendung dazu programmiert wird, dass er 2 ist, wird der Abtauschwellenwert
auf 5,6°C
(10°F) reduziert.
Das Vorliegen eines geringeren Abtauschwellenwerts bedeutet, dass
weniger Eis nötig
ist, um ein Δt
auszulösen,
das den Abtauschwellenwert erfüllt
oder übertrifft.
Es folgt, dass die Kühlanlage 10 wahrscheinlicher
in ein Abtauen während
Zeitspannen, in denen keine Verwendung vorliegt, wenn die Kühlanforderungen
der Kühlanlage 10 gering
sind, eintritt. Auf diese Weise wird der Verdampfer 26 wahrscheinlicher
frei von Eis sein, wenn normale Verwendung von der Kühlanlage 10 gemacht
wird. Dies ist vorteilhaft, da es weniger wünschenswert ist, eine Abtauroutine
während
Zeitspannen normaler oder starker Verwendung zu initiieren. Während Zeitspannen
normaler oder starker Verwendung ist die Temperatur innerhalb des Gehäuses 12 aufgrund
von Eis, das die Effektivität
der Wärmeübertragung
reduziert, und Wärmeverlust
durch die Tür 54 schwieriger
aufrechtzuerhalten. Wenn ein Abtauen während der Verwendung initiiert
wird, ist die Temperatur in dem Gehäuse 12 noch schwieriger
aufrechtzuerhalten, weil die Kühleinheit 14 während der
Abtauzeitspanne nicht in Kühlzyklen
eintritt. Selbst in Erwägung
dieser Betrachtungen wird sich Eis schnell während Zeitspannen starker Verwendung
ansammeln, und wenn Δt den
Abtauschwellenwert für
normalen Betrieb überschreitet,
ist ein Abtauen notwendig, und die Abtauroutine wird initiiert.
-
Es
wurde herausgefunden, dass die Verwendung des Koeffizienten α oder der
Koeffizienten β und γ in fminΔt dahingehend
wirksam ist, den Abtauschwellenwert festzulegen. Mit dem Stand der Technik
vertraute Fachleute werden jedoch erkennen, dass für fminΔt anstatt
eines Koeffizienten andere Berechnungen verwendet werden können.
-
4b ist
ein Flussdiagramm der Abtauroutine. Wenn die Abtauroutine initiiert
wird, ist die Steuereinrichtung 40 dahingehend programmiert,
in einen ersten Abtauvorgang zum Schmelzen von Eis von dem Verdampfer
einzutreten. Ein Beenden des ersten Abtauvorgangs ist abhängig von
zwei Bedingungen. Im Allgemeinen ist die erste Bedingung die Kühlmitteltemperatur,
und die zweite Bedingung ist die verstrichene Zeit. Wenn die Kühlmitteltemperatur
einen vorbestimmten Wert während
des ersten Abtauvorgangs erreicht oder überschreitet, wird die Kühlanlage 10 zum
normalen zyklischen Betrieb zurückgeführt, Kasten 106.
Wenn eine bestimmte Zeit verstreicht, bevor die Kühlmitteltemperatur
den vorbestimmten Wert erreicht, wird der erste Abtauvorgang basierend
auf der Zeit beendet. Wenn der erste Abtauvorgang basierend auf
der Zeit beendet wird, ist die Steuereinrichtung 40 dahingehend
programmiert, einen Kühlzyklus
für eine
vorbestimmte Zeitdauer zu initiieren und dann den Verdampfer 26 wieder
abzutauen, oder einen zweiten Abtauvorgang. Die Bedingungen für das Beenden
des zweiten Abtauvorgangs sind vorzugsweise dieselben wie der zweite
Abtauvorgang. Wenn der zweite Abtauvorgang basierend auf der Kühlmitteltemperatur
endet, wird normales zyklisches Kühlen fortgesetzt. Wenn jedoch
der zweite Abtauvorgang basierend auf der Zeit en det, gibt es einen
Hinweis dahingehend, dass ein Problem existiert, und die Steuereinrichtung 40 zeigt
eine Fehlermeldung auf der Anzeige 59 vor dem Rückkehren
der Kühlanlage 10 zu
normalem zyklischen Kühlen
an.
-
Wie
mit dem Stand der Technik vertraute Fachleute erkennen werden, kann
die vorangehende Abtauroutine in einer Anzahl von äquivalenten
Arten implementiert sein. Das Nachfolgende ist eine Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
zum Implementieren der Abtauroutine. Die Steuereinrichtung 40 ist
dahingehend programmiert, sich daran zu erinnern, dass ein erster
Abtauvorgang initiiert worden ist. Softwareflags werden typischerweise
verwendet, um sich zu erinnern und die Information dieses Typs durch
ein programmierbares Gerät
abzurufen. Dementsprechend setzt die Steuereinrichtung 40 ein
Softwareflag, hierin im Anschluss ein Abtauflag, um anzugeben, dass
der erste Abtauvorgang initiiert worden ist. Zum Beispiel kann das
Abtauflag auf 1 gesetzt werden, wie durch Kasten 120 angegeben.
-
Die
Steuereinrichtung 40 ist auch dahingehend programmiert,
sich zu erinnern, wie viel Zeit verstrichen ist seit dem Start des
ersten Abtauvorgangs, oder Tdefrost. Zeitgeber
werden typischerweise verwendet, um sich zu erinnern und die Information dieses
Typs durch ein programmierbares Gerät abzurufen. Demgemäß startet
die Steuereinrichtung 40 einen Abtauzeitgeber, um Tdefrost zu beobachten, wie durch Kasten 122 angegeben.
-
Die
Temperatur des Kühlmittels
gibt an, ob das Eis von dem Verdampfer 26 beseitigt wurde.
Daher wird der erste Abtauvorgang beendet, wenn die Kühlmitteltemperatur
gleich oder größer als
eine Abtaubeendigungstemperatur ist, wie durch den Entscheidungskasten 124 angegeben.
Sollte die Temperatur des Kühlmittels
die Abtaubeendigungstemperatur erreichen oder überschreiten, ist die Steuereinrichtung 40 dahingehend
programmiert, die Kühleinheit 14 zu
normalem Betrieb zurückzuführen durch zyklisches
Betreiben der Kühleinheit 14,
wie durch Kasten 106 angegeben. Für eine typische kommerzielle
Kühlanlage
ist die Abtaubeendigungstemperatur etwa 10°C (50°F), und für eine typische kommerzielle Gefrieranlage
ist die Abtaubeendigungstemperatur etwa 3,3°C (38°F).
-
Wenn
die Abtaubeendigungstemperatur nicht in einer bestimmten Zeitdauer,
oder Beendigungszeit, Ttermination erreicht
wird, beendet die Steuereinrichtung 40 den ersten Abtauvorgang,
aber die Kühleinheit 14 wird
nicht zu normalem zyklischen Betrieb zurückgeführt. Die Steuereinrichtung 40 implementiert
zeitbasierte Beendigung durch Vergleichen von Tdefrost und
Ttermination. Wenn Tdefrost größer oder gleich
Ttermination ist, beendet die Steuereinrichtung 40 den
ersten Abtauvorgang, wie durch den Entscheidungskasten 126 angegeben.
Ttermination ist vorzugsweise etwa 45 min
für kommerzielle
Kühlvorrichtungen.
-
Sollte
der erste Abtauvorgang basierend auf der Zeit beendet werden, ist
die Steuereinrichtung 40 dahingehend programmiert, den
zweiten Abtauvorgang durchzuführen.
Die Steuereinrichtung 40 ist dahingehend programmiert,
das Abtauflag zu prüfen. Wenn
das Abtauflag gleich seiner Ursprungseinstellung ist, Entscheidungskasten 128,
dann fährt
die Steuereinrichtung 40 mit der Abtauroutine fort. Wenn jedoch
das Abtauflag inkrementiert wurde, unten diskutiert, verlässt die
Steuereinrichtung 40 die Abtauroutine, indem zuerste eine
Abtaufehlermeldung an der Anzeige 59 angezeigt wird, wie
in Kasten 130 angegeben, und führt dann die Kühlanlage 10 zu
normalem zyklischen Betrieb zurück,
Kasten 106. Alternativ kann die Steuereinrichtung dahingehend
programmiert sein, unter anderen Parametern in einem Fehlerzustand
zu laufen.
-
Wenn
der zweite Abtauvorgang fortzuführen ist,
wird die Steuereinrichtung 40 zuerst einen Hilfszeitgeber
starten, um verstrichene Zeit seit dem Ende des ersten Abtauvorgangs
zu messen, angegeben durch Kasten 132. Als Nächstes kühlt die
Steuereinrichtung 40 das Gehäuse 12 durch zyklisches
Betreiben der Kühleinheit 14,
wie durch Kasten 134 angegeben. Die Kühleinheit 14 wird
für eine
vorbestimmte Zeitdauer zyklisch betrieben, Tcycle.
Genauer ausgedrückt
werden die Kühlzyklen
beendet, wenn der Hilfszeitgeber Tcycle entspricht
oder überschreitet,
wie durch Entscheidungskasten 136 angegeben. Tcycle ist vorzugsweise
etwa 2,9 h. Wenn der Hilfszeitgeber Tcycle erreicht
oder übertrifft,
inkrementiert die Steuereinrichtung 40 das Abtauflag, Kasten 138,
um anzugeben, dass der zweite Abtauvorgang begonnen hat. Als Nächstes wird
der Verdampfer 26 abgetaut. Die Steuereinrichtung 40 ist
vorzugsweise dahingehend programmiert, den zweiten Abtauvorgang
aufgrund derselben Bedingungen zu beenden wie den ersten Abtauvorgang.
Mit dem Stand der Technik vertraute Fachleute werden jedoch erkennen,
dass eine zweite Abtaubeendigungstemperatur und ein zweites Ttermination in die Steuereinrichtung programmiert
werden kann, um den zweiten Abtauvorgang zu beenden. Dementsprechend
wird der Abtauzeitgeber gestartet, wie in Kasten 122 angegeben.
Wenn die Kühlmitteltemperatur
die Abtaubeendigungstemperatur erreicht oder übertrifft, wird die Kühlanlage 10 zu
normalem zyklischem Betrieb zurückgeführt, wie
durch den Entscheidungskasten 124 angegeben. Wenn der Abtauzeitgeber
Ttermination erreicht oder übertrifft,
bevor die Abtaubeendigungstemperatur erreicht ist, wird der zweite
Abtauvorgang basierend auf der Zeit beendet, wie durch den Entscheidungskasten 126 angegeben.
Wenn der zweite Abtauvorgang basierend auf der Zeit beendet wird,
prüft die
Steuereinrichtung 40, um zu sehen, wie viele Abtauvorgänge stattgefunden
haben, durch Feststellen, ob das Abtauflag inkrementiert wurde,
wie in Entscheidungskasten 128 angegeben. An diesem Punkt
in der Abwicklung des zweiten Abtauvorgangs wurde das Abtauflag
inkrementiert. Dementsprechend zeigt die Steuereinrichtung 40 eine
Fehlermeldung an der Anzeige 59 an, wie in Kasten 130 angegeben.
Als Nächstes
wird die Kühlanlage 10 zu
normalem zyklischem Betrieb zurückgeführt, wie
in Kasten 106 angegeben, oder anderweitig programmiert.
-
Zusätzlich zu
der vorhergehenden Programmierung ist die Steuereinrichtung 40 mit
mehreren Ausfallabsicherungen programmiert. Die Programmierung umfasst
einen zyklischen Redundanzcheck (cyclic redundancy check, CRC),
um sicherzustellen, dass Kommandos und Kommunikationen präzise sind.
Die Steuereinrichtung 40 enthält auch eine Laufzeitüberwachung,
um das Programm zurückzusetzen,
wenn das Programm in einer Schleife festsitzt.
-
Die
Steuereinrichtung 40 ist auch dahingehend programmiert,
ein Versagen des Kühlmitteltemperatursensors 50 und/oder
des Lufttemperatursensors 44 zu behandeln. Wenn einer oder
beide dieser Sensoren 44, 50 versagen, wird ein
Alarm auf der Anzeige 59 angezeigt. Wenn die Steuereinrichtung 40 dabei
versagt, das Kühlmitteltemperatursignal
von dem Kühlmitteltemperatursensor 50 zu
empfangen, fährt
die Steuereinrichtung 40 damit fort, das Gehäuse 12 an dem
Einstellpunkt durch zyklisches Betreiben der Kühleinheit 14 und Überwachen
des Lufttemperatursignals zu kühlrn.
Da die Abtauroutine abhängig
ist von der Kühlmitteltemperatur,
geht das hierin beschriebene Abtauschema verloren, wenn der Kühlmitteltemperatursensor 50 versagt.
Die Steuereinrichtung 40 wird jedoch den Verdampfer 26 periodisch
abtauen, selbst wenn der Kühlmitteltemperatursensor 50 versagt.
Zum Beispiel wird die Steuereinrichtung 40 die Kühleinheit 14 acht
Stunden lang zyklisch betreiben und dann den Verdampfer 26 für eine vorbestimmte
Zeitdauer abtauen.
-
Wenn
die Steuereinrichtung 40 dabei versagt, das Lufttemperatursignal
von dem Lufttemperatursensor 44 zu empfangen, wird die
Steuereinrichtung 40 fortfahren, das Gehäuse 12 durch
zyklisches Betreiben der Kühleinheit 14 zu
kühlen.
Während
dieses zyklischen Betreibens wird die Steuereinrichtung 40 die
Kühleinheit 14 laufen
lassen, bis die Kühlmitteltemperatur
auf einen vorbestimmten Punkt, wie z.B. –40°C (°F), fällt. Wenn der Kühlmitteltemperatursensor 50 versagt,
wird die Steuereinrichtung 40 den Verdampfer 26 periodisch
abtauen. Die Steuereinrichtung 40 wird z. B. die Kühleinheit 14 acht
Stunden lang zyklisch betreiben und dann den Verdampfer 26 für eine vorbestimmte
Zeitdauer abtauen.
-
Wenn
sowohl der Kühlmitteltemperatursensor 50 als
auch der Lufttemperatursensor 44 versagen, ist die Steuereinrichtung 40 dahingehend
programmiert, die Kühleinheit 14 kontinuierlich
laufen zu lassen mit periodischen Unterbrechungen, um den Verdampfer 26 für eine vorbestimmte
Zeitdauer abzutauen. Zum Beispiel wird die Kühleinheit 14 acht Stunden
lang laufen gelassen und dann abgetaut.
-
Obwohl
spezielle Ausführungsformen
der Erfindung in Einzelheiten beschrieben wurden, soll verstanden
werden, dass die Erfindung nicht im Umfang entsprechend beschränkt ist,
sondern alle Änderungen
und Modifikationen, die in den Umfang der hieran angefügten Ansprüche kommen,
umfasst.