СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЯ СИСТЕМЫ ОТТАИВАНИЯ И ХОЛОДИЛЬНИК СО ВСТРОЕННЫМ НАГРЕВАТЕЛЕМ СИСТЕМЫ ОТТАИВАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F25D21/08 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к способу регулирования мощности нагревателя для системы оттаивания в холодильном аппарате в зависимости от питающего напряжения нагревателя для системы оттаивания и к холодильному аппарату с встроенным нагревателем системы оттаивания, в особенности для осуществления указанного способа.

Уровень техники

В холодильных аппаратах, например в домашних холодильниках, возникает проблема, заключающаяся в образовании льда на генерирующем холод испарителе. Этот лед является изолятором, затрудняющим теплообмен между испарителем и холодильной камерой. По этой причине лед нужно периодически оттаивать. Для этого во многих холодильных аппаратах, в особенности в так называемых необмерзающих (frost-free) аппаратах, имеется нагреватель системы оттаивания.

Таким нагревателем системы оттаивания могут управлять, например, датчики обледенения, запускающие процесс оттаивания, когда измеряемое количество льда превысит заданное значение, и прерывающие его, когда лед больше не будет обнаруживаться. Однако стоимость подобных датчиков обледенения высока, а их надежность ограничена. Кроме того, требуется несколько таких датчиков, для того чтобы надежно оценить общее количество льда (толщина которого может меняться от места к месту).

Поэтому предпочтительное решение состоит в том, чтобы с помощью таймера периодически запускать процесс оттаивания заданной продолжительности. Такой способ регулирования прост, дешев и надежен. Однако этот способ имеет недостаток, состоящий в том, что фактически требуемое время для оттаивания заданного количества льда зависит от мощности нагревателя системы оттаивания, а тем самым от его питающего напряжения. В то же время, поставляемое из внешней электросети питающее напряжение не обязательно равно номинальному значению напряжения в каждой точке сети, а, напротив, оно может от точки к точке и от одного момента времени до другого колебаться в заданных пределах относительно номинального значения.

Если питающее напряжение слишком мало, то может случиться, что заданная продолжительность оттаивания окажется недостаточной для полного оттаивания, так что количество льда на протяжении нескольких циклов оттаивания будет непрерывно нарастать. Это может отрицательно сказаться на работоспособности холодильного аппарата.

Если задать продолжительность оттаивания так, чтобы даже при минимальном напряжении питания в пределах допустимых значений было гарантировано полное оттаивание, то при этом в случае более высокого напряжения питания будет выделяться больше тепла, чем фактически требуется для оттаивания. Это тепло затем нужно будет снова отвести за счет дополнительной работы холодильной машины, что приведет к снижению экономичности холодильного аппарата.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит поэтому в том, чтобы предложить новый способ регулирования мощности нагревателя для системы оттаивания в холодильном аппарате и новый холодильный аппарат, в особенности, для осуществления указанного способа, в которых преодолены указанные недостатки.

Эта задача согласно изобретению решается способом эксплуатации нагревателя системы оттаивания холодильного аппарата, состоящим из следующих этапов:

a) определение значения напряжения питания, подводимого к нагревателю системы оттаивания,

b) определение коэффициента заполнения питающего тока (т.е. частоты повторения подачи питающего тока) в зависимости от измеренного напряжения,

c) подача к нагревателю системы оттаивания тока питания в соответствии с полученным коэффициентом заполнения.

Упомянутая задача решена далее посредством холодильного аппарата с встроенным нагревателем системы оттаивания, в особенности, для осуществления предлагаемого в изобретении способа, с измерительной схемой для измерения напряжения на одном из выводов питания нагревателя системы оттаивания и для создания управляющих импульсов в соответствии с зависящим от измеренного напряжения коэффициентом заполнения и с прерывателем подводимого к нагревателю системы оттаивания тока, приводимым в действие управляющими импульсами.

В известных до настоящего времени устройствах для оттаивания испарителей в холодильных аппаратах нагреватель системы оттаивания включается независимо от имеющегося напряжения без модуляции, т.е. с коэффициентом заполнения 100%. Это может, как уже сказано, привести к тому, что при колебаниях напряжения нагрев будет либо недостаточным, либо чрезмерным, так как мощность нагрева изменяется пропорционально квадрату питающего напряжения нагревателя системы оттаивания. При недостаточном нагреве оттаивание может оказаться неполным, а чрезмерный нагрев сопряжен с бесполезной растратой энергии. Модуляция работы нагревателя системы оттаивания (в том числе в соответствующих случаях нагревателя лотка (Rinnenheizung)) снимает эти проблемы, поскольку относительная продолжительность включения нагревателя системы оттаивания убывает при увеличении питающего напряжения.

Для простоты осуществления зависимость коэффициента заполнения от питающего напряжения выражается ступенчатой функцией, по меньшей мере, с двумя, а предпочтительно с тремя или четырьмя дискретными значениями.

В пределах допустимого диапазона колебаний питающего напряжения эта ступенчатая функция может иметь два, а предпочтительно три или четыре значения.

Применение ступенчатой функции соответствует подразделению диапазона значений на несколько интервалов, причем каждому интервалу соответствует одно из дискретных значений ступенчатой функции. Чтобы ширина колебания мощности нагрева в каждом интервале была приблизительно одинакова, границы интервалов предпочтительно задаются такими, чтобы отношение верхней границы к нижней в каждом диапазоне было практически одинаково и составляло от 1,1 до 1,2.

В особенно предпочтительном варианте предлагаемого в изобретении способа модулирование начинается только после того, как напряжение превысит предварительно заданное минимальное значение. Пока напряжение не достигнет этого минимального значения, нагрев производится непрерывно, т.е. с коэффициентом заполнения 1. Это минимальное напряжение должно составлять не менее 2/3 номинального напряжения, т.е. 150 В при номинальном напряжении 230 В переменного тока, а предпочтительно не менее 70% номинального напряжения (165 В переменного тока). При превышении этого минимального напряжения нагрев осуществляется в модулированном режиме.

Краткий перечень фигур чертежей

Прочие признаки и преимущества изобретения вытекают из следующего описания примеров реализации со ссылками на прилагаемые фигуры. На них изображены:

Фиг.1 - первое схематическое изображение холодильного аппарата, в котором реализовано предлагаемое изобретение;

Фиг.2 - второе схематическое изображение холодильного аппарата в соответствии с изобретением; и

Фиг.3 - характеристика мощности нагрева в функции питающего напряжения нагревателя системы оттаивания согласно изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображен в сильно схематизированном виде холодильный аппарат системы No-Frost, в котором реализовано предлагаемое изобретение. Холодильный аппарат состоит, как обычно, из теплоизоляционного корпуса 1, внутри которого образована камера 2 для охлаждаемых продуктов, отделенная перегородкой 3 от камеры 5 испарителя и сообщающаяся с ней посредством отверстий 4 в перегородке 3. В камере 5 испарителя находится пластинчатый испаритель 7, в который холодильная машина 6 подает хладагент, и находящийся в тесном контакте с испарителем 7 нагреватель 8 системы оттаивания.

В нагреватель 8 системы оттаивания через прерыватель 9, управляемый регулятором 10, подается ток нагрева. Нагреватель 8 системы оттаивания подключен здесь параллельно с холодильной машиной 6 к зажимам 11 электроосветительной сети, номинальное значение питающего напряжения составляет 230 В переменного тока. В качестве прерывателя 9 предпочтительно используется силовой транзистор или тиристор.

Измерительный сигнал напряжения поступает в регулятор 10 от параллельно подключенного к зажимам 11 измерителя 12 напряжения. В зависимости от измеренного значения регулятор 10 вырабатывает коэффициент заполнения для управления прерывателем 9 по следующей схеме:

160-186 В переменного тока относительная продолжительность включения 100% 186-216 В переменного тока относительная продолжительность включения 74% (ВКЛ.: 22 с; ОТКЛ.: 8 с) 216-252 В переменного тока относительная продолжительность включения 55% (ВКЛ.: 16 с; ОТКЛ.: 14 с) свыше 252 В переменного тока относительная продолжительность включения 40% (ВКЛ.: 12 с; ОТКЛ.: 18 с)

На фиг.2 схематически изображен второй вариант холодильного аппарата No Frost согласно предлагаемому изобретению. Компоненты, которые соответствуют компонентам, уже описанным со ссылками на фиг.1, имеют те же обозначения и не описываются повторно. Существенное различие между двумя вариантами состоит в том, что в варианте, изображенном на фиг.2, измеритель 12 напряжения расположен не между зажимами 11 и прерывателем 9, а включен непосредственно параллельно нагревателю 8 системы оттаивания после прерывателя 9 и, следовательно, может измерять напряжение на его входе, не подвергаясь воздействию помех от предвключенных элементов схемы. Чтобы результат измерения измерителя 12 не зависел от коэффициента заполнения прерывателя 9, измеритель 12 включен последовательно с диодом 13 и параллельно с конденсатором 14, благодаря которым к измерителю 12 постоянно приложено амплитудное значение напряжения одной из полуволн питающего напряжения.

На фиг.3 в виде диаграммы приведены результаты вышеописанного примера по сравнению с нагревом без модулирования.

При нагреве без модулирования мощность нагрева возрастает пропорционально квадрату напряжения, как показано пунктирной кривой на фиг.3. Мощность нагрева при номинальном напряжении 230 В переменного тока приравнена здесь 100%. Если фактическое напряжение питания холодильного аппарата составляет не 230 В, а, например 160 В переменного тока, то мощность нагрева составит всего лишь около 50%. Если для процесса оттаивания задан фиксированный промежуток времени, выбранный так, что при номинальном напряжении ожидаемое количество льда на испарителе 7 растает полностью, то при 160 В переменного тока растает только половина этого количества. Если фактическое напряжение питания превышает напряжение питания, то нагреватель 8 системы оттаивания выделит при оттаивании больше тепла, чем требуется. Так, например, при 290 В переменного тока мощность нагрева достигнет уже 160%. Это значит, что 60% мощности нагрева вообще не требуются для оттаивания и только ухудшают энергетический баланс холодильного аппарата.

Согласно изобретению диапазон питающего напряжения от 160 до 290 В разделен на четыре интервала с границами, указанными в вышеприведенной таблице, причем каждому интервалу соответствует фиксированный коэффициент заполнения.

Отношение между верхней и нижней границами интервала составляет здесь около 1,15, так что в пределах одного интервала мощность нагревателя системы оттаивания заключена в диапазоне 100±15% относительно номинальной мощности.

При таких небольших отклонениях мощности нагрева от заданного значения обеспечивается равномерное и лучше воспроизводимое оттаивание испарителя даже при значительных колебаниях напряжения.

В целом можно сказать, что при увеличении количества интервалов напряжения отклонение от заданного значения мощности оттаивания в широком диапазоне напряжений будет мало, и наоборот.

Очевидно, что интервалы напряжения могут быть выбраны и по-другому. Если, например, выбрать их еще меньшими, и, следовательно, увеличить их количество, то отклонение от заданной мощности оттаивания будет еще меньше. Можно, например, представить себе 10 интервалов напряжения переменного тока. При этом конечно потребуется согласовать относительные продолжительности включения с интервалами напряжения.

При этом, однако, следует учитывать, что стратегия, состоящая в периодическом оттаивании в течение фиксированного промежутка времени, основана на предположении, что количество льда, скапливающееся на испарителе 7 за время между двумя процессами оттаивания, остается постоянным. Это предположение, конечно, не выполняется с точностью, так как образующееся количество льда может изменяться в зависимости от условий эксплуатации (заданная температура охлаждения, частота открытия двери) и от условий окружающей среды (температура, влажность воздуха). Хотя с технической точки зрения поддержание постоянства количества тепла, отдаваемого в процессе оттаивания, с точностью до нескольких процентов или с еще большей точностью не составило бы проблемы, однако связанные с этим затраты вряд ли оправдают себя, если оттаиваемое количество льда будет колебаться сильнее. Поэтому разделение интересующего диапазона питающего напряжения на интервалы таким образом, чтобы мощность нагрева на отдельных интервалах колебалась не более чем на ±15% представляется удачным компромиссом между воспроизводимостью энергии нагрева и простотой реализации.

Разумеется, период модуляции может быть другим, чем в вышеприведенном примере. В этом примере период составляет 30 с. Но он может быть выбран и большим (например, 1 мин), и меньшим (например, 15 с).

Если, как в рассматриваемом здесь случае, ток, подаваемый на нагреватель 8 системы оттаивания, является переменным током, то важно, чтобы период модуляции охватывал большое количество периодов этого тока, с тем чтобы было обеспечено линейное соотношение между коэффициентом заполнения и мощностью нагрева. При обычной частоте переменного тока 50 или 60 Гц это требование, во всяком случае, соблюдается, если период модуляции превышает 1 с.

Изобретение относится к холодильному аппарату с встроенным нагревателем (8) системы оттаивания, снабженному измерительным устройством (10, 12) для измерения напряжения на питающих выводах (11) нагревателя (8) системы оттаивания и для выработки модулированного управляющего сигнала с коэффициентом заполнения, зависящим от измеренного значения напряжения. Прерыватель (9) тока, подаваемого на нагреватель (8) системы оттаивания, приводится в действие управляющим сигналом. Коэффициент заполнения питающего напряжения изменяется в зависимости от измеренного напряжения, чтобы ограничить колебания мощности нагревателя системы оттаивания, вызванные колебаниями напряжения. Технический результат заключается в обеспечении эффективности системы оттаивания и повышении экономичности нагревателя системы оттаивания. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации нагревателя системы оттаивания холодильного аппарата, состоящий из следующих этапов:
a) определяют значение напряжения питания, подводимого к нагревателю системы оттаивания;
b) определяют коэффициент заполнения питающего тока в зависимости от измеренного напряжения;
c) подают к нагревателю системы оттаивания ток питания в соответствии с полученным коэффициентом заполнения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент заполнения задают как убывающую ступенчатую функцию измеренного значения напряжения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ступенчатая функция в пределах допустимого диапазона колебаний напряжения имеет, по меньшей мере, два, а предпочтительно три или четыре дискретных значения.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что диапазон значений напряжения подразделяется на ряд интервалов, для каждого из которых определен фиксированный коэффициент заполнения, и что отношение между верхней и нижней границей каждого интервала заключено между 1,1 и 1,2.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что значениям напряжения ниже 150 В переменного тока, а предпочтительно ниже 165 В переменного тока соответствует коэффициент заполнения 1.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ток питания является переменным током и модулируется с частотой, составляющей небольшую долю по сравнению с частотой переменного тока.

7. Холодильный аппарат со встроенным нагревателем (8) системы оттаивания, отличающийся измерительным устройством (10, 12) для измерения напряжения на питающих выводах (11) нагревателя (8) системы оттаивания и для выработки модулированного управляющего сигнала с коэффициентом заполнения, зависящим от измеренного значения напряжения, а также прерывателем (9) тока, подаваемого на нагреватель (8) системы оттаивания, приводимым в действие управляющим сигналом.

8. Холодильный аппарат по п.7, отличающийся тем, что коэффициент заполнения задается как убывающая ступенчатая функция измеренного значения напряжения.

9. Холодильный аппарат по п.8, отличающийся тем, что ступенчатая функция в пределах допустимого диапазона колебаний напряжения имеет, по меньшей мере, два, а предпочтительно три или четыре дискретных значения.

10. Холодильный аппарат по п.8 или 9, отличающийся тем, что диапазон значений напряжения подразделяется на ряд интервалов, для каждого из которых определен фиксированный коэффициент заполнения, и что отношение между верхней и нижней границей каждого интервала заключено между 1,1 и 1,2.

11. Холодильный аппарат по одному из пп.7-9, отличающийся тем, что значениям напряжения ниже 150 В переменного тока, а предпочтительно ниже 165 В переменного тока схема измерения (10, 12) присваивает коэффициент заполнения 1.