EP3759405A1 - Kältegerät mit abtauheizung - Google Patents

Kältegerät mit abtauheizung

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EP3759405A1
EP3759405A1 EP19706582.4A EP19706582A EP3759405A1 EP 3759405 A1 EP3759405 A1 EP 3759405A1 EP 19706582 A EP19706582 A EP 19706582A EP 3759405 A1 EP3759405 A1 EP 3759405A1
Authority
EP
European Patent Office
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evaporator
fan
refrigerating appliance
control unit
appliance according
Prior art date
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Granted
Application number
EP19706582.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3759405B1 (de
Inventor
Andreas BABUCKE
Frank Cifrodelli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Hausgeraete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by BSH Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Hausgeraete GmbH
Publication of EP3759405A1 publication Critical patent/EP3759405A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3759405B1 publication Critical patent/EP3759405B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D21/00—Defrosting; Preventing frosting; Removing condensed or defrost water
    • F25D21/02—Detecting the presence of frost or condensate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D21/00—Defrosting; Preventing frosting; Removing condensed or defrost water
    • F25D21/002—Defroster control

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration device with a defrost heater, in particular a household refrigeration appliance in no-frost construction, in which an evaporator to be defrosted by the defrost heater is housed in a separate evaporator chamber from a storage chamber and the storage chamber is cooled by an air flow from a fan is circulated between the evaporator chamber and the storage chamber.
  • the increasing thickness of the frost layer over time obstructs both air circulation and heat exchange between the air circulating in contact with the evaporator and a refrigerant evaporating in the evaporator, so that with increasing thickness of the frost layer, an ever higher fan output is required, to maintain the air circulation between the evaporator chamber and the storage chamber, and an ever lower evaporator temperature is required to cool the circulating air to a desired temperature for the storage compartment. Both increase the energy consumption of the refrigerator.
  • the frost layer must be removed from time to time.
  • a simple solution is to operate the defrost heater at regular intervals. However, this leads to the defrost heater also being turned on unnecessarily if little or no frost has formed within the fixed time interval. In such a case, the energy expenditure for defrosting unnecessarily impairs the energy efficiency of the refrigeration appliance.
  • US 5 522 232 A describes a hoop sensor in which a first temperature sensor in a hermetically sealed chamber and a second temperature sensor is housed in a chamber communicating with its surroundings via slots, and the temperature difference between the sensors disappears when the slots are closed by frost.
  • EPO 713 065 B1 describes the use of a capacitive sensor for detecting ice on an evaporator.
  • Object of the present invention is to provide a refrigeration device and an operating method for this, which allow simple and inexpensive means a needs-based control of the defrost heater.
  • a refrigerating appliance in particular a household refrigeration appliance, with an evaporator, a fan for driving an air flow through the evaporator, a cooled by the air flow storage chamber, a defrost heater for defrosting the evaporator and a control unit for controlling the operation the defrost heater, the control unit is adapted to compare a representative of a pressure drop at the evaporator size with a limit and to start the defrost heater when the limit is exceeded.
  • control unit may be connected to at least one pressure sensor which is exposed to the air pressure prevailing on an inlet side or an outlet side of the evaporator. If such a pressure sensor is already provided, for example, to control a door opening aid, it can be used at no additional cost for the control of the defrost heater.
  • the representative variable responsible for the pressure drop is an electrical quantity of the fan. Electrical quantities can be detected without the need for an additional sensor in the vicinity of the evaporator; the measurement data required to determine the representative quantity can be obtained via suitable circuits on an engine of the Fan and in particular be tapped at a power supply of the fan.
  • the electric power of the fan can be used as a representative variable. Since the operating voltage of the fan is fixed and immutable in the simplest case, a measurement of the current consumed by the fan is equivalent to a determination of the power. In the case that the operating voltage of the fan is variable, the quotient of electric power and operating voltage can be equivalently determined as a representative quantity.
  • the fan speed can also be used as the representative variable associated with the power.
  • the control unit should be set up to monitor the ratio of the representative size when the door of the storage chamber is closed and to interrupt monitoring when the door is open. There may be several reasons for such an interruption, for example, the operation of the fan may be coupled to the position of the door to prevent hot, humid air from entering the storage chamber when the door is open by turning off the fan when the door is open and their moisture can immediately settle on the evaporator. If the fan is off when the door is open, there is no meaningful measure of the horsepower output and fan speed.
  • a second reason is that the performance of the fan is determined not only by the flow resistance of the evaporator, but also by that of the storage chamber. Therefore, due to the removal or addition of refrigerated goods in the storage chamber with the door open the flow resistance can change suddenly, without this being due to a change in the amount of frost on the evaporator.
  • the limit may be the sum of the representative quantity immediately after defrosting of the evaporator and a predetermined deviation.
  • the control unit should be set up to update the limit value after closing the door
  • control unit can be set up to detect the representative size before and after closing the door and to adjust the limit value based on the difference between these two detected variables, in particular to change it by this difference. This can prevent that changes in the representative size, which arise during the opening of the door by removal or addition of refrigerated goods, affect the control of the defrost heater.
  • control unit should be arranged to detect the representative size prior to compressor shutdown so that when the door is opened while the compressor is off, a meaningful representative value measurement is available.
  • the object is further achieved by a method for operating a refrigeration device, in particular as described above, with the steps:
  • Fig. 2 the relationship between pressure loss and fin spacing in one
  • Lamella evaporator Lamella evaporator
  • Fig. 3 characteristics of a fan
  • FIG. 4 shows an exemplary temporal development of the pressure drop at the evaporator of the refrigerator of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a flow chart of a working method executed by a control unit of the refrigerator of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a no-frost combination device in a schematic section in the depth direction.
  • a body 1 of the refrigerator two cavities are bounded by a preferably made of plastic integrally deep-drawn inner container 2.
  • One of the cavities is a storage chamber, here a normal cooling compartment 3.
  • the other cavity is divided by a vertical partition 4 in a second storage chamber, here a freezer compartment 5, and an evaporator chamber 6.
  • Both storage chambers 3, 5 are each closed by a door 20.
  • the invention described below is of course also applicable to refrigerators with a single or more than two storage chambers.
  • the evaporator chamber 6 includes a fin evaporator 7 with arranged parallel to the sectional plane of Fig. 1 fins.
  • a defrost heater 10 for defrosting the finned evaporator 7 is housed.
  • a compressor 19 for driving the flow of refrigerant through the finned evaporator 7 is housed.
  • the space 8 forms here an inlet volume at an upstream side of the finned evaporator 7, which communicates with the freezer compartment 5 via an entrance slit 1 1.
  • the vertical partition wall 4 contains a distribution chamber 12, which communicates via an opening, on which a fan 13 is arranged, with a second, here downstream, free space 14 of the evaporator chamber 6 above the evaporator 7.
  • a first outlet 15 of the distribution chamber 12 opens into the freezer compartment 5 close to the ceiling.
  • Another outlet is formed by a line 16 extending in a wall of the body 1 to the normal cooling compartment 3.
  • a controlled by a thermostat flap can be provided, which allows to suppress the cold air supply to the normal refrigeration compartment 3, if there is only 5 cooling needs in the freezer compartment. If there is a need for cooling in the normal cooling compartment 5 and the flap is therefore open, the cold air circulated by the fan 13 is distributed to both storage chambers 3, 5.
  • a fan in the evaporator cools air cooled into the freezer, air from the freezer via a gap or other passage passes into the normal refrigeration compartment and air is sucked from the normal refrigeration compartment in the evaporator.
  • the pressure drop Dr at the evaporator 7 can be estimated by the following formula:
  • L is the length of the evaporator 7 in the flow direction of the air flow
  • H is the height of the evaporator measured transversely to the flow direction in the plane of one of the slats
  • d is the free slit width between two slats
  • n is the number of slats
  • m is the dynamic viscosity of the air
  • V designates the volume flow.
  • the pressure loss Dr is inversely proportional to the cube of the free gap width d and thus reacts sensitively to the thickness of the frost layer on the lamellae.
  • a differential pressure sensor 21 may be connected to the two free spaces 8, 14.
  • an absolute pressure sensor may alternatively be provided on one of the two free spaces 8, 14. A pressure sensor is not needed when the pressure loss Dr is estimated from electric operating quantities of the fan 13, as described below.
  • FIG. 2 illustrates the pressure loss Dr, against which the fan 13 works, as a function of the gap width d.
  • a free gap width d of 5 mm between the lamellae and for the circulation through the storage chambers 3, 5 is assumed to be independent of the gap width contribution to the pressure loss Dr of 15 Nm / m 2 .
  • the electric motor of the fan 13 can react differently to the change in the pressure loss Dr depending on the design or operating point, for example by slower running or by increased power consumption.
  • 3 shows exemplary characteristic curves for the power P, the efficiency n and the pressure drop Dr of the fan 13 as a function of the volume flow V.
  • the operating point of the fan 13 should be in the vicinity of a maximum of the efficiency n, shown as a solid curve.
  • the pressure loss Dr shown as dashed curve
  • the power P shown as a dotted curve
  • FIG. 4 shows schematically a temporal development of the pressure drop at the evaporator 7 of the refrigeration device from FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a flowchart of a working method executed by a control unit 18 of the refrigeration device from FIG. 1.
  • the free gap width in the evaporator 7 is in each case a maximum, if eliminated by the operation of the defrost heater 10 all adhering to the fins of the evaporator 7 frost.
  • the pressure loss Dr, against which the fan 13 must work essentially determined by a flow resistance of the bearing chambers 3, 5.
  • this is not known a priori, since in the storage chambers 3, 5 refrigerated goods placed depending on its amount and Arrangement, the flow of air can impede different degrees.
  • step S2 the control unit 18 sets the compressor 19 in motion to resume the cooling of the evaporator 7.
  • step S3 the fan 13 is turned on. If this has reached a stationary rotational speed after a few seconds, the current I detected by the fan 13 is detected as the quantity representative of the pressure loss Dr (S4).
  • the measured value l 0 obtained in this case is stored in step S5. Its amount will generally vary from one defrosting operation to another since it depends on the distribution of the refrigerated goods in the chambers 3, 5.
  • a limit value l en d of the amperage is set which, if exceeded, is assumed to have accumulated again so much frost on the evaporator 7 that defrosting is necessary.
  • the limit l en d is calculated in step S6 as the sum of the previously stored initial value l 0 and a predetermined difference value D.
  • the current intensity I is again detected and compared in step S8 with the limit value l en d.
  • the process branches to step S9 to check whether the door 20 of one of the storage chambers 3, 5 is open.
  • step S10 If the doors 20 are closed, it is next checked in step S10 whether the compressor 19 - because the cooling demand is satisfied in both storage compartments 3, 5 - is turned off. Then, in the sequence, the fan 13 is turned off, so that no meaningful reading of the current I is more to win. In this case, the checks of steps S9, S10 are repeated until either refrigeration demand in at least one of the storage compartments 3, 5 causes the compressor 19 and consequently also the fan 13 to be switched on again and the method to step 7 returns or a user opens one of the doors 20.
  • the last measured value l t of the current intensity (which may be a value that has not been updated since the compressor 19 was switched off) is stored in step S1 1.
  • the fan 13 is turned off S12, to prevent moist ambient air that passes through the open door 20 in the storage chamber 3 or 5, from there immediately to the evaporator 7 is pumped further and there contributes to the formation of frost.
  • Evaporator 7 is deposited, which is recorded by the fan 13
  • the processing unit waits until the door 20 is closed again at time t 2 in FIG. 4, and then returns to step S3.
  • the fan 13 is running again, and the frost layer in the evaporator 7 continues to increase in thickness.
  • the current value can be exceeded the limit which was valid in the time interval [0, ti], without triggering a start of the defrost heater 10.
  • the door 20 is opened again, which the control unit 18 recognizes in step S9, the most recent interim current measured value is stored in step S1 1, and based on the stored value, the difference value D is updated again in step S13.
  • step S3 the door is closed again 20, so that the process returns to step S3.
  • the storage chambers 3, 5 are vacated this time largely empty, so that contained refrigerated goods hardly contributes to the pressure loss Dr and now measured current strength l 4 is significantly lower than before the door opening.
  • the limit value l end is updated once more in step S6. Since the few chilled goods still containing only a small amount of moisture, the increase of the frost in the evaporator 7 is also reduced, which is reflected in a slower increase in the current intensity I from t 4 compared to the time interval [t 2 , t 3 ].
  • step S15 in which the heater 10 is turned on.
  • compressor 19 and fan 13 are turned off.
  • the difference value D is reset to a predetermined value D 0 corresponding to a vaporizer 7 which has been completely freed of frost. If it is determined in step S17 that the defrosting operation is completed and refrigeration is required again in one of the storage chambers 3, 5, the process returns to step S2.

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Abstract

Ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, umfasst einen Verdampfer (7), einen Ventilator (13) zum Antreiben eines Luftstroms durch den Verdampfer (7), eine durch den Luftstrom gekühlten Lagerkammer (3, 5), eine Abtauheizung (10) zum Abtauen des Verdampfers (7) und einer Steuereinheit (18) zum Steuern des Betrieb der Abtauheizung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, eine für einen Druckabfall am Verdampfer repräsentative Größe (I) mit einem Grenzwert (Iend) zu vergleichen und die Abtauheizung (10) bei Überschreitung des Grenzwerts zu starten.

Description

Kältegerät mit Abtauheizung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät mit einer Abtauheizung, insbesondere ein Haushaltskältegerät in No-Frost-Bauweise, bei dem ein durch die Abtauheizung abzutauender Verdampfer in einer von einer Lagerkammer getrennten Verdampferkammer untergebracht ist und die Lagerkammer durch einen Luftstrom gekühlt wird, der von einem Ventilator zwischen der Verdampferkammer und der Lagerkammer umgewälzt wird.
Feuchtigkeit, die vom in der Lagerkammer untergebrachten Kühlgut abgegeben wird oder die beim Öffnen einer Tür der Lagerkammer von außen in die Lagerkammer hineingelangt, schlägt sich im Laufe der Zeit auf dem Verdampfer als Reif nieder. Die im Laufe der Zeit zunehmende Dicke der Reifschicht behindert sowohl die Luftzirkulation als auch den Wärmeaustausch zwischen der im Kontakt mit dem Verdampfer zirkulierenden Luft und einem in den Verdampfer verdampfenden Kältemittel, so dass mit zunehmender Dicke der Reifschicht eine immer höhere Leistung des Ventilators erforderlich ist, um die Luftzirkulation zwischen Verdampferkammer und Lagerkammer aufrechtzuerhalten, und eine immer tiefere Verdampfertemperatur benötigt wird, um die zirkulierende Luft auf eine für das Lagerfach gewünschte Temperatur herunterzukühlen. Beides erhöht den Energieverbrauch des Kältegeräts.
Um einen energieeffizienten Betrieb des Kältegeräts zu ermöglichen, muss die Reifschicht daher von Zeit zu Zeit beseitigt werden. Eine einfache Lösung ist, die Abtauheizung jeweils in regelmäßigen Zeitabständen zu betreiben. Dies führt jedoch dazu, dass die Abtauheizung auch unnötigerweise eingeschaltet wird, wenn sich innerhalb des fest vorgegebenen Zeitintervalls nur wenig oder kein Reif gebildet hat. In einem solchen Fall beeinträchtigt der Energieaufwand für das Abtauen unnötigerweise die Energieeffizienz des Kältegeräts.
Um eine bedarfsangepasste und dadurch energieeffiziente Abtauung zu erreichen, sind diverse Sensoren vorgeschlagen worden. In US 5 522 232 A ist ein Reif-Sensor beschrieben, bei dem ein erster Temperatursensor in einer hermetisch dichten Kammer und ein zweiter Temperatursensor in einer mit ihrer Umgebung über Schlitze kommunizierenden Kammer untergebracht ist und die Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren verschwindet, wenn die Schlitze durch Reif verschlossen werden.
EPO 713 065 B1 beschreibt die Verwendung eines kapazitiven Sensors zur Erfassung von Eis auf einen Verdampfer. Es sind auch optische und akustische Methoden zur Reiferfassung bekannt. Allen diesen Methoden ist gemeinsam, dass zusätzliche, zum Teil aufwändige Sensoren für die Reiferfassung benötigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät und ein Betriebsverfahren dafür zu schaffen, die mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine bedarfsgerechte Steuerung der Abtauheizung ermöglichen.
Die Aufgabe wird zum einen gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einem Verdampfer, einem Ventilator zum Antreiben eines Luftstroms durch den Verdampfer, einer durch den Luftstrom gekühlten Lagerkammer, einer Abtauheizung zum Abtauen des Verdampfers und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Abtauheizung die Steuereinheit eingerichtet ist, eine für einen Druckabfall am Verdampfer repräsentative Größe mit einem Grenzwert zu vergleichen und die Abtauheizung bei Überschreitung des Grenzwerts zu starten.
Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge kann zu diesem Zweck die Steuereinheit mit mindestens einem Drucksensor verbunden sein, der dem an einer Einlassseite oder einer Auslassseite des Verdampfers herrschenden Luftdruck ausgesetzt ist. Wenn ein solcher Drucksensor bereits vorgesehen ist, um zum Beispiel eine Türöffnungshilfe zu steuern, kann er ohne Mehrkosten auch für die Steuerung der Abtauheizung herangezogen werden.
Einer zweiten, bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist die für den Druckabfall verantwortliche repräsentative Größe eine elektrische Größe des Ventilators. Elektrische Größen können erfasst werden, ohne dass dafür ein zusätzlicher Sensor in der Umgebung des Verdampfers benötigt wurde; die zur Ermittlung der repräsentativen Größe benötigten Messdaten können über geeignete Schaltungen an einem Motor des Ventilators und insbesondere an einer Stromversorgung des Ventilators abgegriffen werden.
Als repräsentative Größe kann insbesondere die elektrische Leistung des Ventilators herangezogen werden. Da die Betriebsspannung des Ventilators im einfachsten Fall fest und unveränderlich ist, ist eine Messung der vom Ventilator aufgenommenen Stromstärke gleichbedeutend mit einer Ermittlung der Leistung. In dem Fall, dass die Betriebsspannung des Ventilators veränderlich ist, kann in äquivalenter Weise der Quotient von elektrischer Leistung und Betriebsspannung als repräsentative Größe ermittelt werden.
Falls der Ventilator ein Tachosignal liefert, kann auch die Drehzahl des Ventilators als mit der Leistung verknüpfte repräsentative Größe genutzt werden.
Die Steuereinheit sollte eingerichtet sein, bei geschlossener Tür der Lagerkammer das Verhältnis die repräsentative Größe zu überwachen und bei offener Tür die Überwachung zu unterbrechen. Für eine solche Unterbrechung kann es mehrere Gründe geben, zum Beispiel kann der Betrieb des Ventilators an die Stellung der Tür gekoppelt sein, um durch Ausschalten des Ventilators bei offener Tür zu verhindern, dass warme, feuchte Luft, die bei offener Tür in die Lagerkammer gelangt und ihre Feuchtigkeit sofort am Verdampfer abscheiden kann. Wenn der Ventilator bei offener Tür ausgeschaltet ist, stehen keine für die Reifdicke aussagekräftigen Messwerte von Leistung und Drehzahl des Ventilators zur Verfügung.
Ein zweiter Grund ist, dass die Leistung des Ventilators nicht allein durch den Strömungswiderstand des Verdampfers bestimmt ist, sondern auch durch den der Lagerkammer. Deshalb kann sich aufgrund der Entnahme oder Hinzufügung von Kühlgut in der Lagerkammer bei offener Tür der Strömungswiderstand sprunghaft ändern, ohne dass dies auf eine Änderung der Reifmenge am Verdampfer zurückzuführen ist.
Im einfachsten Fall, insbesondere dann, wenn die Tür lange Zeit nicht geöffnet wird, kann der Grenzwert die Summe aus der repräsentativen Größe unmittelbar nach einem Abtauen des Verdampfers und einer vorgegebenen Abweichung sein. Indem die repräsentative Größe unmittelbar nach dem Abtauen erfasst wird, kann einem a priori nicht bekannten Strömungswiderstand der Lagerkammer Rechnung getragen werden; sobald die repräsentative Größe um die vorgegebene Abweichung zugenommen hat, kann davon ausgegangen werden, dass die Reifschicht vom Verdampfer dick genug geworden ist, um ein Abtauen notwendig zu machen.
Da ein Großteil der sich als Reif am Verdampfer niederschlagenden Feuchtigkeit durch Öffnen der Tür in die Lagerkammer gelangt, ist der Fall, dass der Grenzwert überschritten wird, ohne dass seit dem vorhergehenden Abtauen die Tür geöffnet worden ist, in der Praxis recht selten. Meist wird zwischen zwei Abtauvorgängen die Tür ein oder mehrere Male geöffnet. Um den sich dabei durch hinzukommendes oder entferntes Kühlgut ändernden Strömungswiderstand der Lagerkammer zu berücksichtigen, sollte die Steuereinheit eingerichtet sein nach einem Schließen der Tür den Grenzwert zu aktualisieren
Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die repräsentative Größe vor und nach dem Schließen der Tür zu erfassen und den Grenzwert anhand der Differenz dieser beiden erfassten Größen zu anzupassen, insbesondere ihn um diese Differenz zu verändern. So kann verhindert werden, dass Veränderungen der repräsentativen Größe, die sich während des Offenstehens der Tür durch Entnahme oder Hinzufügung von Kühlgut ergeben, auf die Steuerung der Abtauheizung auswirken.
Des weiteren sollte die Steuereinheit eingerichtet sein, auch vor einem Ausschalten eines Verdichters die repräsentative Größe zu erfassen, damit, wenn die Tür geöffnet wird, während der Verdichter ausgeschaltet ist, ein aussagekräftiger Messwert für die repräsentative Größe zur Verfügung steht.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältegeräts, insbesondere wie oben beschrieben, mit den Schritten:
a) Erfassen einer für einen Druckabfall am Verdampfer repräsentativen Größe, b) Vergleichen der erfassten Größe mit einem Grenzwert und
c) Starten der Abtauheizung bei Überschreitung des Grenzwerts. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 : einen schematischen Schnitt in Tiefenrichtung durch ein erfindungsgemäßes
Haushaltskältegerät;
Fig. 2: den Zusammenhang zwischen Druckverlust und Lamellenabstand in einem
Lammellenverdampfer;
Fig. 3: Kennlinien eines Ventilators;
Fig. 4: eine exemplarische zeitliche Entwicklung des Druckabfalls am Verdampfer des Kältegeräts aus Figur 1 ; und
Fig. 5: ein Flussdiagramm eines von einer Steuereinheit des Kältegeräts der Figur 1 ausgeführten Arbeitsverfahrens.
Als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Kältegerät zeigt Fig. 1 ein No-Frost- Kombinationsgerät in einem schematischen Schnitt in Tiefenrichtung. In einem Korpus 1 des Kältegeräts sind zwei Hohlräume durch einen vorzugsweise aus Kunststoff einteilig tiefgezogenen Innenbehälter 2 begrenzt. Einer der Hohlräume ist eine Lagerkammer, hier ein Normalkühlfach 3. Der andere Hohlraum ist durch eine vertikale Zwischenwand 4 in eine zweite Lagerkammer, hier ein Gefrierfach 5, und eine Verdampferkammer 6 unterteilt. Beide Lagerkammern 3, 5 sind jeweils durch eine Tür 20 verschlossen. Die im folgenden beschriebene Erfindung ist selbstverständlich auch anwendbar auf Kältegeräte mit einer einzigen oder mit mehr als zwei Lagerkammern.
Die Verdampferkammer 6 enthält einen Lamellenverdampfer 7 mit parallel zur Schnittebene der Fig. 1 angeordneten Lamellen. In einem unterhalb des Lamellenverdampfers 7 liegenden Freiraum 8 der Verdampferkammer 6 ist eine Abtauheizung 10 zum Abtauen des Lamellenverdampfers 7 untergebracht. In einem in Höhe des Gefrierfachs 5 vom Korpus 1 abgeteilten Maschinenraum ist ein Verdichter 19 zum Antreiben des Kältemittelflusses durch den Lamellenverdampfer 7 untergebracht. Der Freiraum 8 bildet hier ein Einlassvolumen an einer stromaufwärtigen Seite des Lamellenverdampfers 7, das mit dem Gefrierfach 5 über einen Eintrittspalt 1 1 kommuniziert.
Die vertikale Zwischenwand 4 enthält eine Verteilerkammer 12, die über eine Öffnung, an der ein Ventilator 13 angeordnet ist, mit einem zweiten, hier stromabwärtigen, Freiraum 14 der Verdampferkammer 6 oberhalb des Verdampfers 7 kommuniziert. Ein erster Auslass 15 der Verteilerkammer 12 mündet deckennah in das Gefrierfach 5. Ein anderer Auslass ist durch eine sich in einer Wand des Korpus 1 zum Normalkühlfach 3 erstreckende Leitung 16 gebildet. In dieser Leitung 16 kann eine durch einen Thermostaten angesteuerte Klappe vorgesehen sein, die es erlaubt, die Kaltluftzufuhr zum Normalkühlfach 3 zu unterbinden, wenn nur im Gefrierfach 5 Kühlbedarf besteht. Falls im Normalkühlfach 5 Kühlbedarf besteht und die Klappe deshalb offen ist, verteilt sich die vom Ventilator 13 umgewälzte Kaltluft auf beide Lagerkammern 3, 5.
Alternativ kommt auch ein Aufbau in Betracht, bei dem ein Ventilator im Verdampfer abgekühlte Luft in das Gefrierfach pumpt, Luft aus dem Gefrierfach über einen Spalt oder anderweitigen Durchgang in das Normalkühlfach gelangt und Luft aus dem Normalkühlfach in den Verdampfer eingesaugt wird.
Feuchtigkeit, die von der Luft beim Zirkulieren durch die Lagerkammern 3, 5 aufgenommen wird, schlägt sich an den Lamellen des Verdampfers 7 nieder und reduziert so die freie Spaltbreite zwischen den Lamellen. Diese Spaltbreite hat einen starken Einfluss auf den Druckverlust der zirkulierenden Luft. Der Druckverlust Dr am Verdampfer 7 kann anhand folgender Formel abgeschätzt werden:
wobei L die Länge des Verdampfers 7 in Flussrichtung der Luftströmung, H die quer zur Flussrichtung in der Ebene einer der Lamellen gemessene Höhe des Verdampfers, d die freie Spaltbreite zwischen zwei Lamellen, n die Zahl der Lamellen, m die dynamische Viskosität der Luft und V den Volumenstrom bezeichnet. Der Druckverlust Dr ist umgekehrt proportional zur dritten Potenz der freien Spaltbreite d und reagiert damit empfindlich auf die Dicke der Reifschicht auf den Lamellen. Um den Druckverlust Dr zu messen, kann ein Differenzdrucksensor 21 mit den beiden Freiräumen 8, 14 verbunden sein. Da der Druck in den Lagerkammern 3, 5 (zumindest unter stationären Betriebsbedingungen, wenn ein Schließen der Türen 20 lange genug zurückliegt) nicht wesentlich vom Atmosphärendruck abweicht, kann alternativ auch ein Absolutdrucksensor an einem der beiden Freiräume 8, 14 vorgesehen sein. Ein Drucksensor wird nicht benötigt, wenn der Druckverlust Dr, wie nachfolgend beschrieben, anhand von elektrischen Betriebsgrößen des Ventilators 13 abgeschätzt wird.
Das Diagramm der Fig. 2 veranschaulicht den Druckverlust Dr, gegen den der Ventilator 13 anarbeitet, als Funktion der Spaltbreite d. Für einen soeben abgetauten, eisfreien Verdampfer 7 ist eine freie Spaltbreite d von 5 mm zwischen den Lamellen und für die Zirkulation durch die Lagerkammern 3, 5 ein von der Spaltbreite unabhängiger Beitrag zum Druckverlust Dr von 15 Nm/m2 angenommen. Eine durchgezogene Kurve zeigt die Entwicklung des absoluten Druckverlusts Dr bei durch Reifwachstum abnehmender Spaltbreite d; eine gestrichelte Kurve zeigt die prozentuale Änderung des Druckverlusts Dr im Vergleich zum Zustand bei d = 5 mm. Eine Halbierung der Spaltbreite d führt zu einer deutlich messbaren Änderung des Druckverlusts Dr.
Der Elektromotor des Ventilators 13 kann auf die Änderung des Druckverlusts Dr je nach Bauart oder Arbeitspunkt unterschiedlich reagieren, zum Beispiel durch langsameren Lauf oder durch erhöhte Leistungsaufnahme. Fig. 3 zeigt exemplarische Kennlinien für die Leistung P, den Wirkungsgrad n und den Druckverlust Dr des Ventilators 13 als Funktion des Volumenstroms V. Der Arbeitspunkt des Ventilators 13 sollte in der Umgebung eines Maximums der Effizienz n, dargestellt als durchgezogene Kurve, liegen. In diesem im Diagramm der Fig. 3 durch Schraffur hervorgehobenen Bereich sind sowohl der Druckverlust Dr, dargestellt als gestrichelte Kurve, als auch die Leistung P, dargestellt als strichpunktierte Kurve, eindeutige Funktionen des Volumenstroms V, so dass aus einer gemessenen Leistung P des Ventilators 13 eindeutig auf den Druckverlust Dr am Verdampfer 7 und damit auf die Stärke der Reifschicht geschlossen werden kann. Bei fester Betriebsspannung des Ventilators 13 genügt daher die Kenntnis der vom Ventilator 13 aufgenommenen Stromstärke, um die Dicke der Reifschicht an den Lamellen des Verdampfers 7 abschätzen zu können. Die praktische Anwendung dieses Gedankens wird anhand der Figuren 4 und 5 erläutert. Figur 4 zeigt schematisch eine zeitliche Entwicklung des Druckabfalls am Verdampfer 7 des Kältegeräts aus Figur 1 ; Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm eines von einer Steuereinheit 18 des Kältegeräts aus Fig. 1 ausgeführten Arbeitsverfahrens.
Die freie Spaltbreite im Verdampfer 7 ist jeweils dann maximal, wenn durch den Betrieb der Abtauheizung 10 aller an den Lamellen des Verdampfers 7 haftende Reif beseitigt ist. In diesem Fall ist der Druckverlust Dr, gegen den der Ventilator 13 anarbeiten muss, im Wesentlichen bestimmt durch einen Strömungswiderstand der Lagerkammern 3, 5. Dieser ist jedoch a priori nicht bekannt, da in den Lagerkammern 3, 5 platziertes Kühlgut je nach seiner Menge und Anordnung die Strömung der Luft unterschiedlich stark behindern kann.
Die Beschreibung des Verfahrens setzt daher in Fig. 5 damit ein, dass in Schritt S1 die Abtauheizung 10 nach vollständigem Abtauen des Verdampfers 7 ausgeschaltet wird. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Zeitpunkt t = 0 im Diagramm der Figur 4.
In Schritt S2 setzt die Steuereinheit 18 den Verdichter 19 in Gang, um die Kühlung des Verdampfers 7 wieder aufzunehmen. Gleichzeitig wird, vorzugsweise etwas verzögert nach Einsetzen der Kühlung des Verdampfers 7, in Schritt S3 auch der Ventilator 13 eingeschaltet. Wenn dieser nach einigen Sekunden eine stationäre Drehzahl erreicht hat, wird als für den Druckverlust Dr repräsentative Größe die vom Ventilator 13 aufgenommene Stromstärke I erfasst (S4). Der dabei erhaltene Messwert l0 wird in Schritt S5 gespeichert. Sein Betrag wird im Allgemeinen von einem Abtauvorgang zum anderen variieren, da er von der Verteilung des Kühlguts in den Kammern 3, 5 abhängt.
Anschließend wird ein Grenzwert lend der Stromstärke festgelegt, bei deren Überschreitung davon ausgegangen wird, dass auf dem Verdampfer 7 wieder so viel Reif angesammelt ist, dass ein Abtauen nötig ist. Um sicherzustellen, dass auch bei unterschiedlicher Beladung der Lagerkammern 3, 5 mit Kühlgut bei gleicher Dicke der Reifschicht abgetaut wird, wird der Grenzwert lend in Schritt S6 als Summe des zuvor gespeicherten Anfangswerts l0 und eines vorgegebenen Differenzwerts D berechnet. In Schritt 7 wird die Stromstärke I erneut erfasst und in Schritt S8 mit dem Grenzwert lend verglichen. So lange der Grenzwert lend noch nicht erreicht ist, verzweigt das Verfahren zu Schritt S9, um zu prüfen, ob die Tür 20 einer der Lagerkammern 3, 5 offen ist.
Wenn die Türen 20 geschlossen sind, wird als nächstes in Schritt S10 geprüft, ob der Verdichter 19 - weil der Kühlbedarf in beiden Lagerfächern 3, 5 befriedigt ist - ausgeschaltet ist. Dann wird in der Folge auch der Ventilator 13 ausgeschaltet, so dass kein aussagekräftiger Messwert der Stromstärke I mehr zu gewinnen ist. In diesem Fall werden die Überprüfungen der Schritte S9, S10 so lange wiederholt, bis entweder Kältebedarf in wenigstens einem der Lagerächer 3, 5 dazu führt, dass der Verdichter 19 und in der Folge auch der Ventilator 13 wieder angeschaltet werden und das Verfahren zu Schritt 7 zurückkehrt, oder ein Benutzer eine der Türen 20 öffnet.
Im letzteren Fall wird der zuletzt gewonnene Messwert lt der Stromstärke (bei dem es sich um einen seit Ausschalten des Verdichters 19 nicht mehr aktualisierten Wert handeln kann) in Schritt S1 1 gespeichert. Der Ventilator 13 wird ausgeschaltet S12, um zu verhindern, dass feuchte Umgebungsluft, die durch die offene Tür 20 in die Lagerkammer 3 oder 5 gelangt, von dort sofort zum Verdampfer 7 weitergepumpt wird und dort zur Reifbildung beiträgt. Diese Phase entspricht zum Beispiel dem Zeitpunkt L im Diagramm von Fig. 4. Da seit dem Zeitpunkt t = 0 sich wieder Reif auf den Lamellen des
Verdampfers 7 niedergeschlagen hat, ist die vom Ventilator 13 aufgenommene
Stromstärke von l0 auf angewachsen. Die verbleibende Differenz zum Grenzwert der
Stromstärke lend wird berechnet (S13) und als neuer Differenzwert D gespeichert.
Anschließend wartet die Verarbeitungseinheit, bis die zum Zeitpunkt t2 in Fig. 4 die Tür 20 wieder geschlossen wird, um dann zu Schritt S3 zurückzukehren.
In der Zeitspanne [t1 ; t2], in der die Tür 20 offen gestanden ist, hat der Benutzer frisches Kühlgut in die Kammern 3, 5 eingeladen, wodurch sich der Druckverlust Dr deutlich erhöht, so dass, wenn der Schritt S5 wiederholt wird, eine deutlich höhere Stromstärke l2 als vor dem Öffnen der Tür gemessen wird.
Dieser neue Messwert wird wiederum in Schritt S5 gespeichert, und unter Zugrundelegung des im vorhergehenden Schritt S13 aktualisierten Differenzwerts D wird in Schritt S6 der Grenzwert lend neu berechnet. io
Ab dem Zeitpunkt t2 des Schließens der Tür läuft der Ventilator 13 wieder, und die Reifschicht im Verdampfer 7 nimmt weiter an Dicke zu. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann die Stromstärke den Grenzwert, der im Zeitintervall [0, ti] Gültigkeit hatte, überschritten werden, ohne dass dies einen Start der Abtauheizung 10 auslöst. Zum Zeitpunkt t3 wird die Tür 20 erneut geöffnet, was die Steuereinheit 18 in Schritt S9 erkennt, der jeweils jüngste zwischenzeitlich gewonnene Strommesswert wird in Schritt S1 1 gespeichert und anhand des gespeicherten Wertes wird der Differenzwert D im Schritt S13 erneut aktualisiert.
Zum Zeitpunkt t4 wird die Tür erneut 20 geschlossen, so dass das Verfahren zu Schritt S3 zurückkehrt. Die Lagerkammern 3, 5 sind diesmal weitgehend leer geräumt, so dass darin enthaltenes Kühlgut kaum mehr zum Druckverlust Dr beiträgt und die nun gemessene Stromstärke l4 deutlich niedriger ist als vor der Türöffnung. Der Grenzwert lend wird ein weiteres Mal in Schritt S6 aktualisiert. Da das wenige noch enthaltene Kühlgut nur wenig Feuchtigkeit abgibt, ist auch der Zuwachs des Reifs im Verdampfer 7 vermindert, was sich in einem gegenüber dem Zeitintervall [t2, t3] verlangsamtem Anstieg der Stromstärke I ab t4 widerspiegelt.
Zum Zeitpunkt t5 wird die Überschreitung des aktuellen Grenzwerts lend festgestellt. Das Verfahren verzweigt nun zu Schritt S15, in dem die Heizung 10 eingeschaltet wird. Gleichzeitig werden, sofern nicht bereits vorher geschehen, Verdichter 19 und Ventilator 13 ausgeschaltet. Der Differenzwert D wird auf einen vorgegebenen, einem völlig von Reif befreiten Verdampfer 7 entsprechenden Wert D0 zurückgesetzt. Wenn in Schritt S17 festgestellt wird, dass der Abtauvorgang abgeschlossen ist und wieder Kältebedarf in einer der Lagerkammern 3, 5 besteht, kehrt das Verfahren zurück zu Schritt S2.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann sichergestellt werden, dass trotz wechselnder Beladung der Lagerkammern 3, 5 eine Abtauung jeweils bedarfsgerecht bei einer vorgegebenen Dicke der Reifschicht im Verdampfer 7 ausgelöst wird, ohne dass dafür der Einbau von Sensoren in den Lagerkammern 3, 5 oder der Verdampferkammer 6 erforderlich ist. BEZUGSZEICHEN
1 Korpus
2 Innenbehälter
3 Normalkühlfach
4 Zwischenwand
5 Gefrierfach
6 Verdampferkammer
7 (Lamellen-)Verdampfer
8 Freiraum
9 Unterkante
10 Abtauheizung
1 1 Eintrittsspalt
12 Verteilerkammer
13 Ventilator
14 Frei raum
15 Auslass
16 Leitung
17 Klappe
18 Steuereinheit
19 Verdichter
20 Tür
21 Differenzdrucksensor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einem Verdampfer (7), einem Ventilator (13) zum Antreiben eines Luftstroms durch den Verdampfer (7), einer durch den Luftstrom gekühlten Lagerkammer (3, 5), einer Abtauheizung (10) zum Abtauen des Verdampfers (7) und einer Steuereinheit (18) zum Steuern des Betriebs der Abtauheizung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, eine für einen Druckabfall am Verdampfer repräsentative Größe (I) mit einem Grenzwert ( lend) zu vergleichen und die Abtauheizung (10) bei Überschreitung des Grenzwerts zu starten.
2. Kältegerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) mit wenigstens einem Drucksensor verbunden ist, der dem an einer Einlassseite oder einer Auslassseite des Verdampfers (7) herrschenden Druck ausgesetzt ist.
3. Kältegerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die repräsentative Größe eine elektrische Größe des Ventilators (13) ist.
4. Kältegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die repräsentative Größe aus Leistung und Betriebsspannung des Ventilators (13) abgeleitet ist.
5. Kältegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die repräsentative Größe die elektrische Leistung oder Betriebsstromstärke (I) des Ventilators (13) bei gegebener Betriebsspannung ist.
6. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die repräsentative Größe von der Drehzahl des Ventilators (13) abgeleitet ist.
7. Kältegerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, bei geschlossener Tür (20) der Lagerkammer (3, 5) die repräsentative Größe (I) zu überwachen und bei offener Tür (20) die Überwachung zu unterbrechen.
8. Kältegerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert die Summe aus der repräsentativen Größe unmittelbar nach einem Abtauen des Verdampfers (7) und einer vorgegebenen Abweichung (D) ist.
9. Kältegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, nach einem Schließen der Tür (20) den Grenzwert zu
aktualisieren.
10. Kältegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, die repräsentative Größe (I) vor und nach dem Schließen der Tür (20) zu erfassen und den Grenzwert und den Grenzwert (lend) anhand der Differenz dieser beiden erfassten Größen zu anzupassen.
1 1. Kältegerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, vor einem Ausschalten eines Verdichters (19) die repräsentative Größe (I) zu erfassen.
12. Verfahren zum Betreiben eines Kältegeräts, welches einen Verdampfer (7), einen Ventilator (13) zum Antreiben eines Luftstroms durch den Verdampfer (7), eine durch den Luftstrom gekühlte Lagerkammer (3, 5) und eine Abtauheizung (10) zum Abtauen des Verdampfers (7) umfasst, mit den Schritten:
a) Erfassen einer für einen Druckabfall (Dr) am Verdampfer (7)
repräsentativen Größe (I) (S4),
b) Vergleichen der erfassten Größe mit einem Grenzwert (lend) und c) Starten der Abtauheizung (10) bei Überschreitung des Grenzwerts (lend)·
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