CN103597300A - 具有热存储器的制冷器具 - Google Patents

Abstract

在制冷器具、尤其家用制冷器具中，该制冷器具具有一用于冷却物的存放室（3）、一布置得与该存放室（3）处于热接触中并且为了使该存放室（3）保持在预先给定的温度范围内而间歇地工作的蒸发器（5）和一配置给该蒸发器（5）的热存储器（10），该热存储器包含存储介质（12），该存储介质在蒸发器（5）的运行阶段和静止阶段中分别改变其聚集态，所述存储介质（12）的相变温度距离所述预先给定的温度范围比距离所述蒸发器（5）的在持续运行时能够达到边界温度更接近。

Description

具有热存储器的制冷器具

本发明涉及一种制冷器具、尤其家用制冷器具，其具有一用于冷却物的存放室、一布置得与该存放室处于热接触中的、为了使该存放室保持在预先给定的温度范围内而间歇地工作的蒸发器和一配置给该蒸发器的热存储器，该热存储器包含存储介质，该存储介质在蒸发器的运行阶段和静止阶段中分别改变其聚集态。

这种类型的制冷器具由DE 10 2004 035 017 A1已知。

在制冷器具的压缩机停机的静止阶段中，冷凝器和蒸发器的温度等于制冷器具的或者说由蒸发器冷却的存放室的环境温度。因此，在压缩机重新启动时，必须每次耗费能量以建立冷凝器和环境或者说蒸发器和存放室之间的温度差，以便发生从存放室向蒸发器或从冷凝器向环境的热流。配置给蒸发器的热存储器允许降低这种能量消耗，其方式是，热存储器引起压缩机的运行阶段和静止阶段的延长。为了实现这种效果，该热存储器必须具有显著的热容。为安装相应大型的热存储器所需要的容积不再供放置冷却物所用，因而又间接地损害了制冷器具的经济性。

本发明的任务在于，提供一种具有热存储器的制冷器具，该制冷器具即使在热存储器的热容小的情况下也实现能量高效的运行。

制冷器具尤其是指家用制冷器具，即用于家庭中的家用或者也可能用于餐饮领域中的制冷器具，并且尤其用于在确定的温度下存放家庭常用量的食物和/或饮料，例如冷藏柜、冻结柜、冷藏冻结组合柜、冻结箱或者储酒柜。

该任务的解决方式是，在开头定义的类型的制冷器具中，所述存储介质的相变温度处于比接近所述蒸发器在持续运行时能够达到边界温度而言更接近所述预先给定的温度范围。

热存储器与蒸发器的接触使得，只要热存储器的存储介质还未冻结，蒸发器就不能冷却得远低于存储介质的融化温度。尤其是，只要存储介质未完全冻结，蒸发器就不能够达到所述边界温度。因而，通过热存储器使蒸发器在运行阶段中长时间地保持在接近预先给定的存放室温度范围的高温度上，确保蒸发器中的制冷剂的高蒸气压力。在压缩机的给定的体积通量下引起大量的制冷剂被转换，并且，因为压缩机的摩擦损耗和其他损耗基本上与体积通量成比例，压缩机以高效率工作。当存储介质完全冻结时蒸发器才能够继续冷却，其后果是，与蒸发器中的蒸气压力的降低成比例地，循环的制冷剂的量也降低、进而压缩机的效率也降低。

存储介质的相变温度和所能达到的边界温度之间的差应优选为至少10℃，即，对于在持续运行时可以达到-20℃的温度的普通冷却格或保鲜冷却格的蒸发器，存储介质的融化温度应不低于-10℃。

另一方面，存储介质的融化温度优选低于-2℃，以便可能需要的蒸发器除霜不由于同时必须使存储介质融化而延迟。

通常水溶液适合作为满足以上要求的存储介质，尤其乙二醇或尿素的水溶液。

为了在压缩机运转时有效地延迟蒸发器的冷却，相对小的、不明显损害制冷器具存放室的容量的存储介质量就足够了。优选地，存储介质量这样协调于蒸发器的冷却功率，使得最多20分钟的蒸发器运行足以使存储介质冻结。为使存储介质不长于两分钟就冻结所需的过小的存储介质量仅对制冷器具的效率起小的作用并且因此不优选。

如果使用具有充分高的融化热的存储介质、尤其水基的存储介质，则相应于在蒸发器表面上分布一最多5毫米厚度的层的存储介质量就足够了。

蒸发器的运行阶段的平均持续时间应比为冻结存储介质所需的时间长，以便完全利用其作用潜能。另一方面，该持续时间应该不显著更长，尤其最多是为冻结存储介质所需的时间的两倍长，以使蒸发器温度明显低于存储介质冻结温度并且蒸发器的能量效率相应受限的时间在制冷器具的总运行时间中所占份额保持得小。

因为为了感测存放室中的冷却物的平均温度而与蒸发器隔开间距地布置的温度传感器几乎不适用于感测存储介质的完全冻结，因而这样的传感器符合目的地应仅被用于确定压缩机的接通时间点。为了确定关断时间点，可引入一第二温度传感器，该第二温度传感器布置得足够靠近蒸发器或热存储器，以感测跟随在存储介质完全冻结之后的温度下降，或者可以设置一定时开关，该定时开关将压缩机的运行阶段分别限制在一事先已知的、对于存储介质完全冻结足够的时间段内。

因为溶液、尤其水溶液在有些状态下易于混合并且溶剂会挥发，符合目的的是，存储介质在热存储器中精细地分布。这例如能够由此实现，即，存储介质被复合在热存储器的塑料基体中。替代地，热存储器可以包括载体材料，在该载体材料中存储介质滴式地复合在小室中。

如果存储介质被包含在封罩囊中，该封罩囊被埋入在该载体材料中，则能够实现存储介质的特别高的稳定性和载体材料的良好的可操作性。如果封罩囊的材料在载体材料变软的温度下还是稳定的，则例如可能的是，载体材料连同包含在其中的封罩囊一起热塑性地成型，以制成热存储器。

如果蒸发器布置在存放室中，则该热存储器是特别有效的。虽然本发明也能够应用在例如冷壁式蒸发器上，该冷壁式蒸发器在存放室之外布置在存放室和制冷器具隔热层之间，但是在布置在存放室中的蒸发器的情况下在效率方面的收获更大。

为了有效，热存储器优选布置得与蒸发器处于体接触中。

如果蒸发器为板形的，则在蒸发器的一侧面至少大部分被热存储器覆盖的情况下能够实现蒸发器和热存储器之间的紧密热接触。

如果蒸发器与存放室的壁相邻地布置，则该热存储器优选位于蒸发器的背离所述壁的一侧上，从而存放室中的冷却物基本上通过该热存储器被冷却。

如果蒸发器为压焊式蒸发器或管板式蒸发器，则热存储器符合目的地布置在蒸发器的平坦的侧面上。

本发明的其他特征和优点借助下面参考附图对实施例的说明来清晰阐明。从该说明和附图中也获知这些实施例的未在权利要求中提及的特征。这样的特征也能够以和在这里特别公开的组合不同的组合出现。因此，多个这样的特征在相同的句子中或在另一形式的上下文相互关系中提及，不代表它们仅能够以特别公开的组合出现；取而代之，原则上认为，在多个这样的特征中也能够去掉或改变其中的个别特征，只要这不影响本发明的功能性。附图示出：

图1根据本发明的制冷器具的示意性横截面；

图2根据第一构型的、来自图1的放大细节；

图3根据第二构型的同一细节；

图4传统的蒸发器的和根据当前发明的蒸发器的在运行阶段期间的以及随后的典型温度变化曲线；

图5根据当前发明的蒸发器在除霜阶段期间的典型温度变化曲线。

图1以沿着竖直剖切面的示意性剖面图示出根据当前发明的家用冷柜。本体1和连接在该本体上的门2包围一存放室3。本体1和门2以已知的方式分别包括一牢固的外壳、一内壳和一由泡沫材料制成的隔热层，该层填满所述壳之间的中间空间。

在存放室3的内部，相对于本体1的背壁4具有小间距地安装一板形的蒸发器5。蒸发器5可以尤其如在图中表明的那样为压焊式蒸发器或管板式蒸发器。两种蒸发器类型都以传统的方式包括一平板6，该平板构成蒸发器的平坦的第一主表面，一呈在第二平板7中凹陷的通道或者在单侧钎焊到平板6上的管的形式的制冷剂管道8在蒸发器5的对置的第二主表面上突出。在这里，平坦的第一主表面朝向存放室3的可供冷却物用的部分，而承载制冷剂管道8的主表面在构成狭窄的空隙9的情况下朝向背壁4。裸露地布置在存放室3的内部使得蒸发器5能够通过它的两个主表面与存放室3交换热。因此，与冷壁式蒸发器相比而言，该蒸发器5的尺寸可以保持得小。

朝向存放室3的主要部分的平坦主表面完全或几乎完全被热存储器10覆盖。热存储器10为具有几毫米的厚度的、由塑料载体材料制成的薄膜或薄板，在该塑料载体材料中复合了存储介质。存储介质，例如乙二醇或尿素的水溶液，可以匀质地分布在塑料材料的基体中，或者以滴状的形式填充塑料材料的小的空心腔。

以液态制冷剂供应蒸发器5的压缩机15和冷凝器安装在背壁4的底脚部的机器室壁龛中。在超过由使用者设定的阈值温度时接通压缩机15的温度感应器16以通常的方式远离蒸发器5地布置在存放室3上。由于远离热存储器10，由温度感应器16在压缩机15运行阶段中所感测的温度不能可靠地推断出存储介质的聚集态。

图2示出热存储器10和承载该热存储器的平板6的放大的示意性剖面图，在该剖面图中可识别到在热存储器10的载体材料14中的随机分布的、以存储介质填充的、不同大小的大量空心腔11。在图2的图示中，空心腔11为球体形的，并且载体材料14的使相邻的空心腔11分隔开的壁的厚度和空心腔11的直径为同一数量级。在极端情况下，载体材料14可以构成闭孔的泡沫材料，即，空心腔11不再是如该图中所示的球体形的，而是具有不规则的、分别通过载体材料的薄的隔膜相互分开并以存储介质填充的多面体的形状。

根据在图3中直观示出的优选变型方案，存储介质12被封罩在薄壁的、防扩散地密封的塑料空心球13中，所述塑料空心球13本身被埋入在载体材料14中。该封罩允许通过将封罩囊混入到载体材料中并将混合物成型为所希望的厚度的板来方便地制成热存储器10。

图4相比较地示出图1中所示的具有热存储器10的蒸发器5的、暴露地布置在存放室中的无热存储器的蒸发器的和冷壁式蒸发器的典型温度变化曲线。无热存储器的、自由悬挂的蒸发器由曲线A表示，在其运行阶段的开始，即时间=0时，具有非常陡的温度下降；这持续将近一分钟，以使蒸发器从+5℃冷却到-15℃，然后在运行四分钟后达到基本上平稳的、大约-20℃的边界温度。因此，蒸发器中的蒸发压力在蒸发器的运行阶段绝大部分上具有非常低的值，使得衔接在蒸发器后的压缩机必须压缩大的体积，以将制冷剂的给定量从蒸发器中抽出，并且，为了液化制冷剂所要克服的压力差高。非常迅速的温度下降的原因是蒸发器的小的热容和这样的事实：来自周围的存放室3的热通过在各侧包围蒸发器的空气仅缓慢地到达蒸发器。

在由曲线B表示的冷壁式蒸发器的情况下，可观察到在运行阶段开始时略慢的温度下降。较慢的下降的原因在于冷壁式蒸发器与制冷器具本体的内壳和隔热材料层的紧密热接触，冷壁式蒸发器埋入在所述内壳和隔热材料层之间并且使它们同蒸发器一起冷却。然而在这里，将近两分钟也足够以使蒸发器冷却到-10℃，并且在运行阶段的大约一半期间，蒸发器平稳地在大约-20℃的边界温度工作。

曲线C示出图1中的制冷器具的蒸发器5的温度变化曲线。在运行阶段开始时，冷却的速度大致相应于曲线B，因为热存储器10的热容在这个温度范围内与冷壁式蒸发器中的内壳和隔热层的热熔可类比。在将近两分钟之后，以-5℃达到热存储器10的存储介质12的冻结温度。该温度保持基本上不变直到存储介质12完全冻结。只要存储介质完全冻结，蒸发器5中的蒸气压力就高了，并且制冷剂能够有效地转化。在存储介质完全冻结之后温度才继续下降，而蒸发器5的运行阶段在它被冷却到曲线A，B的边界温度之前就已经结束。

为了能够在考虑蒸发器温度的这种发展的情况下控制压缩机15并且避免在低温下长时间持续地运行，可以在蒸发器5上布置第二温度感应器17，该第二温度感应器在低于第二阈值温度时又关断压缩机15，该第二阈值温度低于存储介质12的冻结温度。因为不能被存放室中的随机温度梯度影响，优选通过定时开关来控制，该定时开关每次在接通压缩机15时投入运作并且在一预先给定的、对于冻结存储介质足够的时间段（在图4的情况下为大约25分钟）之后又关断压缩机。

如果将例如100瓦的值作为蒸发器5在运行阶段中的冷却功率的基础并且由于方便性而假定，该冷却功率仅冷却热存储器10，而不冷却周围的存放室3，则直到存储介质12完全冻结位为止在约15分钟的时间段中从热存储器10中提取的热量为750千焦。在水质存储介质冻结时释放的潜热为大约300焦/克。因此，存储介质12的大约250克的量足以得到15分钟的冻结阶段。如果假定，这250克的存储介质12分布在蒸发器5的例如40厘米乘40厘米的面积上，则在蒸发器的每平方厘米上有0.15克的存储介质12。这表明，热存储器10的几毫米的层厚度足以实现曲线C的温度变化曲线。

在蒸发器的运行阶段的结束时，即t=大约25分钟时，在所有三条曲线A，B，C上温度又升高，其中，在曲线B，C上，由于可类比的热容，升高速度起先又是类似的，并且低于曲线A上的升高速度。然而，一旦达到存储介质12的冻结温度，曲线C停滞，并且可能出现这样的情况：在蒸发器的下一个运行阶段开始之前该曲线不再升高到0℃。因为这导致霜积累在蒸发器5上，因而需要以规律的间隔对蒸发器5除霜。出于该目的，蒸发器5的下一个运行阶段被延迟，造成在图5中示出的温度变化曲线。停滞阶段在这里占据从t=0到大约t=16分钟的时间区间。在存储介质12解冻之后，紧接着蒸发器温度相对快地升高到0℃并且达到新的停滞阶段，在该停滞阶段中蒸发器5上的霜融化并且露水流出。该阶段的结束可在蒸发器5的温度进一步升高到存放室3的运行温度或者因为直至需要的蒸发器运行被延迟以便能够解冻而甚至升高到一略高于存放室运行温度处看出。在时间大约t=30分钟时，蒸发器5的运行又开始，并且重复在图4中作为曲线C示出的变化曲线。

Claims (16)

1.制冷器具，尤其家用制冷器具，具有一用于冷却物的存放室（3）、一布置得与该存放室（3）处于热接触中并且为了使该存放室（3）保持在预先给定的温度范围内而间歇地工作的蒸发器（5）和一配置给该蒸发器（5）的热存储器（10），该热存储器包含存储介质（12），该存储介质在蒸发器（5）的运行阶段和静止阶段中分别改变其聚集态，其特征在于，所述存储介质（12）的相变温度距离所述预先给定的温度范围比距离所述蒸发器（5）的在持续运行中能够达到的边界温度更接近。

2.根据权利要求1的制冷器具，其特征在于，所述存放室（3）的所述预先给定的温度范围高于0℃，并且，所述存储介质（12）的融化温度低于0℃。

3.根据权利要求2的制冷器具，其特征在于，所述存储介质（12）的所述融化温度低于-2℃和/或高于-10℃。

4.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述存储介质（12）为水溶液，尤其为乙二醇或尿素的水溶液。

5.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，测量所述蒸发器（5）在运行阶段中的冷却功率，以使所述存储介质（12）在至少两分钟内和/或最多二十分钟内冻结。

6.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述蒸发器（5）的运行阶段的平均持续时间比为所述存储介质（12）冻结所需的时间长和/或最多是为所述存储介质（12）冻结所需的时间的两倍长。

7.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述压缩机（15）被温度控制地接通并且被时间控制地关断。

8.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述存储介质（12）的量相当于所述存储介质（12）的一个在所述蒸发器（5）的表面上分布的、最高5毫米厚度的层。

9.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述存储介质（12）被复合在所述热存储器（10）的塑料基体中。

10.根据权利要求1至8之一的制冷器具，其特征在于，所述热存储器（10）包括载体材料（14），在该载体材料中，所述存储介质（12）滴式地复合在小室（11）中。

11.根据权利要求1至8之一的制冷器具，其特征在于，所述热存储器（10）包括载体材料（14），在该载体材料中埋入有包含所述存储介质（12）的封罩囊（13）。

12.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述蒸发器（5）布置在所述存放室（3）中。

13.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述热存储器（10）布置得与所述蒸发器（5）处于体接触中。

14.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述蒸发器（5）为板形的，并且，所述蒸发器（5）的一侧面（6）至少大部分被所述热存储器（10）覆盖。

15.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述蒸发器（5）与所述存放室（3）的一壁（4）相邻地布置并且所述热存储器（10）布置在所述蒸发器（5）的背离所述壁（4）的侧面上。

16.根据前述权利要求之一的制冷器具，其特征在于，所述蒸发器（5）为压焊式蒸发器或管板式蒸发器，并且，所述热存储器（10）布置在所述蒸发器（5）的一平坦的侧面（6）上。

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