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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 und andererseits eine Anordnung, wie sie in Anspruch
8 definiert ist.
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Ein
derartiges Verfahren ist zur Steuerung der Kühlung von kleinen Milchmengen
bestimmt, die nacheinander und in gewissen Zeitabständen in
einen Kühlbehälter gelangen,
in dem sich eine Rühreinrichtung
und mindestens eine in Berührung
mit der Milch stehende Kühlfläche befindet,
die Teil eines Kühlkreislaufs
ist.
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Eine
Anordnung, die zur Durchführung
dieses Verfahrens geeignet ist, umfasst einen Kühlbehälter mit einer Rühreinrichtung
und einer Milchkühlfläche, die
Teil eines Verdampfers in einem Kühlkreislauf ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
automatisches Melksystems (AMS) ermöglicht es Milchkühen, freiwillig
oder auf Wunsch gemolken zu werden, mit geringer oder keiner menschlichen
Einwirkung. Mit einer Melkmaschine, die in einem AMS verwendet wird,
wird das Melken an jedem individuellen Viertel des Euters der gemolkenen
Kuh durchgeführt.
Um ein Bakterienwachstum und den Gehalt an freien Fettsäuren (FFS)
in der Milch, die einer mittels einer Viertelmelkeinrichtung gemolkenen
Kuh entnommen wird, zu minimieren, ist es in höchstem Maße wünschenswert, die Milch sobald
wie möglich
vor oder spätestens
in dem gekühlten
Sammelbehälter
abzukühlen.
Bei einem AMS ist es gelegentlich notwendig, kleine Milchmengen
zu dem Sammelbehälter
zu transportieren. Dies ist insbesondere nachts der Fall, wenn erhebliche
Zeitspannen auftreten, in denen lediglich ein geringer Milchfluss
stattfindet, da nur eine geringe Bereitschaft der Kühe zum Melken
besteht. Lange Förderleitungen
für die
Milch von den Zitzenbechern zum Sammelbehälter verstärken die Notwendigkeit einer wirksamen
Kühlung
der Milch, sobald sie in den Sammelbehälter gelangt, oder in den ersten
gekühlten Behälter des
Systems.
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In
einigen Fällen
kann es angemessen sein, einen vorkühlenden Hilfssammelbehälter stromaufwärts von
dem gekühlten
Sammelbehälter
zu verwenden.
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Jedoch
besteht in Anbetracht der gelegentlichen kleinen Milchmengen, die
in einen derartigen Kühlbehälter gelangen – der der übliche gekühlte Sammelbehälter oder
ein anderer Kühlbehälter sein kann – ein offensichtliches
Risiko, dass die kleinen Milchmengen, die in einen derartigen, nahezu
leeren Kühlbehälter gelangen,
an dessen Kühlflächen festfrieren.
Ein Einfrieren der Milch wird einen nachteiligen Einfluss auf die
Milchqualität
haben.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Eine
vorrangige Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hohe Milchqualität zu gewährleisten, indem
das Risiko eines Einfrierens geringer Milchmengen an den Kühlflächen eines
leeren oder nahezu leeren Kühlbehälters (entweder
ein gekühlter Sammelbehälter oder
eine andere Art von Behälter) vermieden
wird, insbesondere wenn die Milch in derart geringen Mengen in den
Behälter
gelangt und zwischen dem Zuführen
der Milchmengen erhebliche Zeitintervalle bestehen.
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In
anderen Worten besteht die Aufgabe somit darin, eine geringe Milchmenge
abzukühlen,
beispielsweise eine dünne
Milchschicht am Boden eines Milchkühlbehälters, ohne das Risiko einer
Eisbildung in der Milch, da eine derartige Eisbildung die Milchqualität verschlechtern
wird. Dieses Problem wird weiter verstärkt in Fällen, in denen ein wirksames Umrühren der
Milch nicht möglich
ist, beispielsweise aufgrund einer defekten Rühreinrichtung oder da die Milchmenge
zu gering ist (beispielsweise eine zu dünne Milchschicht), um eine
befriedigende Funktion der Rühreinrichtung
zu gewährleisten.
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Eine
sekundäre
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kleineren und kostengünstigeren Kühlapparat
verwenden zu können,
der eine geringere Kühlkapazität als derzeitige
Kühlbehälter aufweist, jedoch
bei Bedarf trotzdem eine hinreichende Kapazität aufweist, um den Milchfluss
von einer Anzahl hochergiebiger Kühe, die das Melksystem in kurzen Zeitabständen verwenden,
zu kühlen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgaben der Erfindung werden durch den Einsatz des in Anspruch
1 definierten Kühlverfahrens
gelöst
und mittels der in Anspruch 8 definierten Anordnung. Weitere Verfahrensschritte
und Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 – 7 und 9 – 10 angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- a)
Bereitstellen eines Mittels zum Messen der sich in dem Behälter befindenden
Milchmenge und eines Messwertgebers zur Überwachung der Milchtemperatur
in dem Behälter,
- b) Bereitstellen in der Reihenfolge des Kühlkreislaufes eines mit der
unteren Wandpartie des Behälters
verbundenen Verdampfers, eines Kompressors und eines Kondensators,
- c) Steuerung der Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer
durch Regelung des Verdampfungsdrucks des Kühlmittels, derart dass die
Temperatur der in Kontakt mit der Kühlfläche stehenden Milch stets et was
höher als
0 °C ist,
während die
Temperatur der Kühlmittels
in dem Verdampfer geringer als 0 °C
ist, wenn der Kompressor in Betrieb ist,
- d) Überwachung
der Milchmenge in dem Behälter mittels
des Messmittels und Starten/Anhalten der Rühreinrichtung, wenn die Milchmenge
sich als genügend/ungenügend für den ordentlichen
Betrieb der Rühreinrichtung
erweist.
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Der
Temperaturgeber (der zur Überwachung der
Milchtemperatur in dem Behälter
bestimmt ist) kann innerhalb des Behälters oder außerhalb
des Behälters
angeordnet sein. Es kommt nicht auf die Anordnung des Temperaturgebers
an sich an, sondern auf seine Fähigkeit,
einen aussagekräftigen
Wert der Milchtemperatur im Behälter
anzugeben.
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Wenn
der Temperaturgeber außerhalb
des Behälters
angeordnet werden soll, wäre
eine geeignete Position an der äußeren Oberfläche der
Behälterwandung,
vorzugsweise auf der Außenseite
der unteren Behälterwandung
im Abstand zu dem Verdampfer.
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Der
Temperaturgeber kann jeglicher geeigneter Typ eines elektrischen
oder elektronischen Temperaturgebers sein.
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Der
Verdampfer, der an der unteren Wandpartie des Behälters angeordnet
ist, kann Kühlmittelkanäle zwischen
der Außenseite
der unteren Wandpartie des Behälters
und der Innenseite eines Blechgehäuses aufweisen, das an der
Außenseite
der Wandpartie angeschweißt
ist. Das Kühlmittel
wird (bei niedrigem Druck) in diesen Kanälen durch die Wärme der
Milch innerhalb des Behälters
verdampft. Eine Kühlmitteltemperatur
unterhalb von 0 °C
wird in dem Verdampfer tatsächlich
nur erreicht, wenn der Kompressor einige Zeit gelaufen ist.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, eine Eisbildung in der Milch am
Boden des Behälters
zu verhindern, indem der Druck des Kühlmittels im Verdampfer überwacht
und gesteuert wird.
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Aus
allgemeiner Sicht hängt
der Kühlvorgang
der Milch hauptsächlich
ab von: der Milchmenge im Behälter;
der Größe der Milchkühlfläche; der Temperaturdifferenz
zwischen der Temperatur der zu kühlenden
Milch und der Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer;
und dem Fluss der Milch über
die Kühlfläche.
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Verschiedene
Schritte zum Erreichen der gewünschten
Steuercharakteristiken sind in den abhängigen Ansprüchen 2-7
definiert.
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Da
die dem Kühlbehälter zugeführte Milch
in diesen in Form von kleinen Mengen in Zeitintervallen eintritt
(d.h. über
die 24 Stunden von Tag und Nacht verteilt), kann die Kühlkreisvorrichtung
(Kompressor, Kondensator und Verdampfer) eine kleine und kostengünstige Einheit
mit einer begrenzten Kühlkapazität sein.
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Da
die Verdampfungstemperatur (d.h. die Dampfbildungstemperatur) vom
Druck in dem Verdampfer abhängt,
ist es wünschenswert,
diesen Druck steuern zu können.
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Weiterhin
wird eine erfindungsgemäße Anordnung
zum geregelten Abkühlen
von kleinen Milchmengen durch die Merkmale des Anspruchs 8 definiert.
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Bei
einer derartigen Anordnung weist der Kühlkreislauf in Serie einen
Verdampfer, einen Motor getriebenen Kompressor, der mit einem Kühlmittelauslass
des Verdampfers und, über
einen zwischengeschalteten Kondensator und ein stromabwärts von letzterem
angeordnetes Expansionsventil, mit einem Kühlmitteleinlass des Verdampfers
verbunden ist. Eine Milchmengenmesseinrichtung und ein Temperaturgeber
(zur Überwachung
der Milchtem peratur in dem Behälter)
sind in der Anordnung vorgesehen. Der Temperaturgeber kann innerhalb
des Behälters oder
an dessen Außenseite
angeordnet sein und die Milchmengenmesseinrichtung kann in einem
Teil der Melkgeräte
stromaufwärts
vom Behälter
angeordnet sein, oder in einer Wandung des Behälters, oder sogar innerhalb
des Behälters.
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Vorzugsweise
ist ein Steuergerät
mit dem Temperaturgeber (zur Aufnahme eines Temperatureingangs)
und auch dem Antriebsmotor des Kompressors zu deren Steuerung verbunden.
Ein Temperatursensor, der zwischen dem Verdampferausgang und dem
Kompressoreinlass angeschlossen ist und die Temperatur des Dampfflusses
dazwischen misst, dient zur Steuerung des Expansionsventils.
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Weiterhin
liefert ein Drucksensor, der zwischen dem Temperatursensor und dem
Kompressoreinlass angeschlossen ist und zur Messung des Dampfdruckes
dient, ein Ausgangssignal an das Steuergerät.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in der beigefügten Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt:
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1 – 4 sehr
schematische Darstellungen eines Kühlsystems, das entsprechend
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung arbeitet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
vier Figuren der beigefügten
Zeichnung zeigen einige alternative Anordnungen für das geregelte
Abkühlen
von kleinen Milchmengen, die nacheinander mit zeitlichen Abständen durch
eine Milcheinlassleitung 1 in einen Kühlbehälter 2 eintreten,
der stromabwärts
von (nicht dargestellten) Zitzen bechern einer Melkmaschine, die
Teil eines automatischen Melksystems (AMS) ist oder vorzugsweise
eines freiwilligen Melksystem (FMS), als Milchsammelbehälter verwendet
wird. Das Milchvolumen im Behälter 2 ist
mit 3 bezeichnet und dieses Milchvolumen kann mittels eines
Kühlkreislaufs
gekühlt
werden, der im Folgenden unter Bezugnahme auf die individuellen
Figuren näher
beschrieben wird. Der Kühlkreislauf
umfasst in Serienanordnung einen Verdampfer 4, einen Motor
getriebenen Kompressor 5, der mit einem Kühlmittelauslass 6 des
Verdampfers und unter Zwischenschaltung eines stromabwärts angeordneten
Kondensators 7 und Expansionsventils 8 mit einem
Kühlmitteleinlass
des Verdampfers verbunden ist. Eine Milchmengenmesseinrichtung 10 und
ein Temperaturgeber 11 (zur Überwachung der Milchtemperatur
in dem Behälter 2)
sind in dem Behälter 2 angeordnet.
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Ein
derartiger Temperaturgeber kann jedoch auch alternativ auf der Außenseite
der Behälterwandung
angeordnet sein, wie z.B. der Geber 11b in 1.
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Die
Messeinrichtung 10 kann jeglicher geeigneter Art sein und
kann, oder kann nicht, einen in dem Behälter angeordneten Sensor oder
einen in eine Wandpartie des Behälters
integrierten Sensor aufweisen. Die Messung der Milchmenge kann durch Messung
des Milchpegels oder ein Wiegen des Behälters einschließlich seines
Milchinhalts erfolgen.
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Im
Einzelnen zeigen die 1 – 4 Anordnungen
zur Steuerung des Verdampfungsdrucks. In 1 weist
der Verdampfer 4 üblicherweise
Kühlkanäle auf,
die unterhalb einer unteren Wandpartie 12 der Behälterwandung
an deren Unterseite angeordnet sind. Die mit der Kühlfläche auf
der Innenseite der Wandungspartie 12 in Kontakt stehende
Milch ist mit 12' bezeichnet.
Der Kühlkompressor 5 ist
mit einem Antriebsmotor 13 versehen. Der Kondensator 7 für unter
Druck stehendes Kühlmittel
wird mittels eines Gebläses 14 gekühlt, kann
aber alternativ auch durch Wasser gekühlt sein. Kondensiertes Kühlmittel kann über eine
Leitung 15 zum Expansionsventil 8 strömen. Wenn der Kompressor 5 gestartet
wird, wird der Druck im Verdampfer 4 vermindert, und diese Druckverminderung
hat auch einen Einfluss auf das Expansionsventil 8, so
dass das Ventil öffnet
und Kühlmittel
in den Verdampfer einlässt.
Das Expansionsventil ist mit einer Einrichtung 16 versehen,
die die Temperatur des Dampfstroms vom Verdampfer zum Kompressor
misst. Wenn die Temperatur dieses Dampfstroms absinkt, wird das
Expansionsventil den Fluss des Kühlmittels
drosseln. Diese Überhitzung des
Dampfs kann verwendet werden, um zu verhindern, dass der Verdampfer
sich mit flüssigem
Kühlmittel
füllt,
so dass derartige Flüssigkeit
zum Kompressor transportiert wird. Der Kühlkompressor wird durch den
Temperaturgeber 11 im Milchbehälter
gestartet und gestoppt.
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In 1 weist
die Kühlanordnung
einen Drucksensor 17 auf. Wenn der Druck und die Temperatur
in dem Verdampfer unter einen vorgegebenen Wert fallen und wenn
das Risiko einer Eisbildung in der Milch bei einem kleinen Füllvolumen
und einer defekten Rühreinrichtung
besteht, wird das Steuergerät 18 derart
beeinflusst, dass der Kompressor vorübergehend gestoppt wird. Das
Steuergerät
wird den Kompressor nach einer Zeitdauer neu starten, die durch
die Milchmenge in dem Behälter
und/oder die Milchtemperatur in dem Behälter bestimmt wird. Wenn die
Milchmenge in dem Behälter
ausreichend für
die ordnungsgemäße Funktion
der herkömmlichen
Rühreinrichtung 19 (beispielsweise
ein Rührpaddel)
ist, wird die Steuerung durch den Drucksensor 17 umgangen.
Der Milchfluss wird durch (nicht dargestellte) Milchzähler in
den Melkgeräten
gemessen und in einer (nicht dargestellten) zentralen Steuereinheit
registriert, die das Steuergerät 18 der Kühlanordnung
mit allen erforderlichen Signalen für Neustarts und Einstellungen
versorgt. Selbst die Milchmenge, die ansonsten mittels einer Messeinrichtung 10 gemessen
wird, kann durch die Signale von den stromaufwärts angeordneten Milchzählern bestimmt
werden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Verdampfungsdruck bei niedrigem Pegel im Behälter durch
das Ventil 20 konstant gehalten wird. Das Ventil 20 weist
einen Drucksensoranschluss an die Dampfleitung zwischen dem Verdampfer
und dem Kompressor auf. Wenn der Verdampfungsdruck unter einen vorgegebenen
Wert fällt, öffnet das
Ventil und lässt
heißes,
gasförmiges
Kühlmittel,
das mit kondensiertem, flüssigem
Kühlmittel
vermischt wird, in die Mischkammer 21. Die Temperatur wird
durch Verdampfung von flüssigem
Kühlmittel
ausgeglichen, der Rest wird in dem Kühlkanal verdampft und der Dampffluss,
der die Saugseite des Kompressors erreicht, entspricht dem vorgegebenen
Druckniveau. Wenn es zu einer Verwendung zur Milchkühlung in einem
Massenmilchkühler
kommt, ist ein Ventil 22 vorgesehen, das eine Rückführung von
heißem Dampf
bei niedrigem Milchniveau im Behälter öffnet und
aktiviert. Das Ventil 22 wird durch die zentrale Steuereinheit
der Melkgeräte
betätigt.
Die Kühlanordnung
wird durch den Temperaturgeber 11 gestartet und gestoppt,
der das Steuergerät 23 für den Motor 13 des
Kühlkompressors 5 betätigt.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem ein Druckhalteventil 30 den Druck
in der Saugleitung für
die Rückführung von
Dampf zum Kompressor misst und der einen zu niedrigen Druck dadurch
kompensiert, dass es für
einen Fluss von Kühlmittel
zu einem Verdampfer 32 um den Heißgasauslass des Kompressors 5 herum öffnet. Die
Druckhaltefunktion wird bei niedrigen Milchpegeln im Behälter aktiviert,
in dem das Ventil 31 geöffnet
wird.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem ein Drucksensor 40 und ein Steuergerät 41 die Kompressorgeschwindigkeit
regeln, so dass der Verdampfungsdruck konstant gehalten werden kann, und
zwar unabhängig
von der Wärmeübertragung von
der Milch auf das Kühlmittel.
Bei einem fortschrittlicheren Ausführungsbeispiel wird das Druckniveau
durch die zentrale Steuereinheit des Melkgeräts gesteuert, so dass der Verdampfungsdruck
vermindert wird, wenn das Milchniveau in dem Behälter ansteigt und/oder die
Wärmeübertragung
zwischen der Milch und dem Boden des Behälters verbessert wird, beispielsweise
durch eine stärkere
Agitation. Wenn die Tempe ratur der Wandung 12 des Kühlbehälters mittels
eines Temperaturgebers 42 gemessen wird, an einem oder
mehreren kritischen Stellen, kann die Wandungstemperatur zur Steuerung
des Verdampfungsdrucks verwendet werden, so dass die Wärmeübertragung
optimiert wird, ohne jegliches Risiko eines Einfrierens. Diese kritischen
Punkte werden vorzugsweise im Bereich der Verdampferzone des Behälters angeordnet
sein, entweder auf der Innenseite oder der Außenseite der Behälterwandung, oder
alternativ in Löchern,
die in die Behälterwandung
gebohrt sind. Die erforderliche Einstellung wird durch eine Kombination
aus Kompressorgeschwindigkeitssteuerung und Einstellung der Durchlasscharakteristik
des Expansionsventils 8 erreicht. Die durch den Temperaturgeber 11 in
dem Behälter
gemessene Milchtemperatur kann alternativ die Kompressorgeschwindigkeit
beeinflussen, so dass die Kühlwirkung
ohne ein Risiko eines Einfrierens optimiert wird.