DE102004006270A1

DE102004006270A1 - (Tief)Kühlmöbel mit Naturumlauf

Info

Publication number: DE102004006270A1
Application number: DE102004006270A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schierhorn
Original assignee: Linde Kaeltetechnik GmbH
Current assignee: Carrier Kaeltetechnik Deutschland GmbH
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005075904A1; WO2005075904A8

Abstract

Es wird ein (Tief)Kühlmöbel mit einem Kältemittel(gemisch)kreislauf, aufweisend einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Verflüssiger und eine Expansionsvorrichtung, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß DOLLAR A - ist der Verdichter als ein modifizierter Linearverdichter (9) oder ein Verdichter, dem eine Bypassleitung (9') zugeordnet ist, ausgebildet und DOLLAR A - die Expansionsvorrichtung ist als ein modifiziertes Expansionsventil (4), eine modifizierte lineare Expansionsmaschine oder ein Expansionsventil bzw. eine Expansionsmaschine, dem bzw. der eine Bypassleitung (4') zugeordnet ist, ausgebildet, DOLLAR A - wobei der modifizierte Linearverdichter (9) und das modifizierte Expansionsventil (4) bzw. die modifizierte lineare Expansionsmaschine eine Arbeitsstellung aufweisen, die ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall ermöglichen, DOLLAR A - ist der Verdampfer (7) oberhalb des Verflüssigers (1) angeordnet und DOLLAR A - sind der Verdampfer (7) und der Verflüssiger (1) gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet, DOLLAR A - wobei der Verdampfereingang tiefer als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang höher als der Verflüssigerausgang oder DOLLAR A - der Verdampfereingang höher als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang tiefer als der Verflüssigerausgang angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein (Tief)Kühlmöbel mit einem Kältemittel(gemisch)kreislauf, aufweisend einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Verflüssiger und eine Expansionsvorrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines (Tief)Kühlmöbels.
Unter dem Begriff "(Tief)Kühlmöbel" seien alle bekannten Typen von Warenpräsentationsmöbeln zu verstehen, die wenigstens einen gekühlten Warenraumbereich aufweisen, wobei dieser für die so genannte Normal- als auch für die so genannte Tiefkühlung ausgebildet sein kann.
Unter dem Begriff "Kältemittel(gemisch)" bzw. "Kältemittel(gemisch)kreislauf" seien nachfolgend beliebige ein- oder mehrkomponentige Kältemittel bzw. beliebige Kältemittelkreisläufe, in denen ein- oder mehrkomponentige Kältemittel zirkulieren, zu verstehen.
Unter dem Begriff "Verflüssiger" seien nachfolgend Verflüssiger, Wärmetauscher, Wärmeübertrager und Gaskühler zu verstehen.
Gattungsgemäße (Tief)Kühlmöbel, die einen eigenen Kältemittel(gemisch)kreislauf aufweisen, sind hinlänglich bekannt; sie werden im Regelfall als so genannte steckerfertige Warenpräsentationsmöbel bezeichnet.
Das in ihrem Kältemittel(gemisch)kreislauf zirkulierende Kältemittel(gemisch) wird in einem Verflüssiger – vorzugsweise gegen Umgebungsluft – verflüssigt bzw. rückgekühlt und anschließend einer Expansionsvorrichtung zugeführt. Bei dieser handelt es sich im Regelfall um ein Expansionsventil, in dem das Kältemittel(gemisch) entspannt und anschließend einem Verdampfer zugeführt wird. In dem Verdampfer – selbstverständlich können bei entsprechender (Tief)Kühlmöbelgröße auch mehrere parallel und/oder seriell geschaltete Verdampfer vorgesehen werden – wird das Kältemittel(gemisch) gegen einen oder mehrere, in dem (Tief)Kühlmöbel zirkulierende Kühlluftströme angewärmt. Das angewärmte Kältemittel(gemisch) wird sodann mittels eines Verdichters wieder dem vorbeschriebenen Verflüssiger zugeführt.
Als Verdichter kommen im Regelfall rotativ angetriebene, ölgeschmierte Hubkolbenverdichter zur Anwendung.
Warenpräsentationsmöbel, in denen eine Tiefkühlung realisiert wird, verfügen im Regelfall über einen inneren Wärmeübertrager, der der Unterkühlung des Kältemittel(gemisch)es dient.
Die in gattungsgemäßen (Tief)Kühlmöbeln angeordneten Verdampfer müssen in regelmäßigen Abständen abgetaut werden, da Verreifungen bzw. Vereisungen der Verdampfer zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Verdampfer führen. Eine Möglichkeit der Abtauung ist die so genannte Elektroabtauung. Bei dieser werden die Verdampfer mittels an und/oder in ihnen angeordneten Heizungen abgetaut. Diese Verfahrensweise führt jedoch zu einem unerwünschten Mehrverbrauch an elektrischer Energie. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, den Abtauprozess mittels Umluft zu bewerkstelligen, wobei jedoch nur Anwendungen in der Normalkühlung möglich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes (Tief)Kühlmöbel sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines (Tief)Kühlmöbels anzugeben, das die Realisierung einen Abtauprozesses, der keine zusätzlichen Komponenten erfordert, ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein (Tief)Kühlmöbel mit einem Kältemittel(gemisch)kreislauf vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass

– der Verdichter als ein modifizierter Linearverdichter oder ein Verdichter, dem eine Bypassleitung zugeordnet ist, ausgebildet ist und
– die Expansionsvorrichtung als ein modifiziertes Expansionsventil, eine modifizierte lineare Expansionsmaschine oder ein Expansionsventil bzw. eine Expansionsmaschine, dem bzw. der eine Bypassleitung zugeordnet ist, ausgebildet ist,
– wobei der modifizierte Linearverdichter und das modifizierte Expansionsventil bzw. die modifizierte lineare Expansionsmaschine eine Arbeitsstellung aufweisen, die ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall ermöglichen,
– der Verdampfer oberhalb des Verflüssigers angeordnet ist, und
– der Verdampfer und der Verflüssiger gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet sind,
– wobei der Verdampfereingang tiefer als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang höher als der Verflüssigerausgang oder
– der Verdampferingang höher als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang tiefer als der Verflüssigerausgang angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines (Tief)Kühlmöbels ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Abtauphase des Verdampfers der modifizierte Linearverdichter und/oder das modifizierte lineare Expansionsventil oder die modifizierte lineare Expansionsmaschine in die Arbeitsstellungen) verfahren wird bzw. werden, in der bzw. in denen ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall möglich ist, und/oder die dem Verdichter zugeordnete Bypassleitung und/oder die dem Expansionsventil bzw. der Expansionsmaschine zugeordnete Bypassleitung geöffnet wird bzw. werden.

Die meisten Linearverdichter arbeiten als ölfreie Kryo-Stirlingkühler bei tiefsten Temperaturen und kleinsten Leistungen, also in der Kaltgaskompression. Linearverdichter werden in der Kaltdampfkompression erst seit einigen Jahren realisiert und bisher nur in geringem Umfange eingesetzt. Der Anmelderin ist im Kühlbereich lediglich eine Anwendung bekannt, nämlich die Verwendung eines Linearverdichters in einem Haushaltskühlschrank. Von Nachteil bei Linearverdichtern ist, dass ihre Herstellkosten bisher noch deutlich über denjenigen von rotativ angetriebenen Hubkolbenverdichtern liegen, jedoch in ähnlicher Größenordnung wie Inverterverdichter. Erstmals gab es in den sechziger Jahren Bestrebungen, die Vorteile von Linearverdichtern zu nutzen. Bereits aus dieser Zeit stammt das Prinzip, den Kolben reibungsfrei zu lagern. Erst in den neunziger Jahren wurden jedoch Verbesserungen bezüglich der Betriebssicherheit dank zuverlässiger, elektronischer Hubsteuerungen erzielt. Hierbei war bzw. ist insbesondere darauf zu achten, dass beispielsweise wechselnde Drücke weder zum Anschlagen des Kolbens am Zylinderkopf noch zu einem vorzeitigen Beenden des Hubvorganges am oberen Totpunkt, verbunden mit zuviel Schadraumvolumen und volumetrischen bzw. energetischen Nachteilen einer Rückexpansion, führen dürfen.

Linearverdichter haben den Vorteil, dass sie eine stufenlose Leistungsregelung erlauben. Des Weiteren können sie ölfrei betrieben werden. Darüber hinaus führt das im Abtaubetrieb zwangsläufig anfallende Kondensat bei ihnen zu keinen Schäden. Rotativ angetriebenen, ölgeschmierten Hubkolbenverdichtern sind sie ferner energetisch überlegen, was durch eine Hubregelung realisiert wird.

Obwohl sie ölfrei betrieben werden, sind die ölgeschmierten, rotativ angetriebenen Verdichtern energetisch überlegen. Dies resultiert einerseits aus dem effizienten Linearmotor, andererseits aus dem Wegfall der mechanischen Verluste, die zu etwa 80 % am Triebwerk und zu etwa 20 % am Kolben entstehen. Der Kolben eines Linearverdichters ist berührungsfrei gelagert und wird durch sogenannte "Flexible Bearings" geführt – also flexible Lager -, die axiale Beweglichkeit, kombiniert mit radialer Steifigkeit ermöglichen. Letztendlich handelt es sich um eine Federkombination von ab- und aufwickelnder Feder, die den Kolben, zusätzlich zu seiner periodischen translatorischen Bewegung, in eine Drehbewegung um seine Längsachse versetzt.

Linearverdichter können, da sie keine Gleitlager besitzen, ölfrei betrieben werden. Aus dieser Ölfreiheit resultieren eine Vielzahl von Vorteilen. Im Falle einer Druckgasabtauung mit Kondensation können die bisher vergleichsweise anfälligen Lager nicht mehr durch flüssiges Kältemittel(gemisch) beschädigt werden. Die bei den Schmierölen bekannte Säurebildung, welche bei Einbaumotoren zum sogenannten Burn-Out der Wicklung führen kann, wird bisher mehr oder weniger wirksam durch den Einsatz von Kältemitteltrocknern vermieden. Diese Molsiebtrockner können nunmehr entfallen, es sei denn, der Wassergehalt ist so hoch, dass bei der Expansion Eisausfall zu befürchten ist. Unabhängig davon empfiehlt es sich, Schmutzfilter unmittelbar vor den Expansionsventilen bzw. -maschinen vorzusehen.

Auch weisen Linearverdichter den Vorteil auf, dass sie auch durch das Pumpen von Flüssigkeit – im Gegensatz zu anderen Verdichterkonstruktionen – nicht beschädigt werden. Das Pumpen von Flüssigkeit ist insbesondere nach der Beendigung eines Abtauprozesses ein Thema, da zu diesem Zeitpunkt u. U. noch Kondensat in den abgetauten Verdampfern verblieben ist, das bei der Wiederinbetriebnahme des Verdichters von diesem angesaugt wird. Zweckmäßigerweise ist jedoch darauf zu achten, dass das Pumpen von Flüssigkeit vorsichtig erfolgt. Dies bedeutet, dass zunächst mit kleinen Hüben begonnen wird, um die Maximalleistung des Verdichters während der Flüssigkeitsförderung zu begrenzen und die Arbeitsventile sowie Hubfänger zu schonen.

Das erfindungsgemäße (Tief)Kühlmöbel, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines (Tief)Kühlmöbels sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die 1 und 2 zeigen – lediglich schematisch dargestellt – zwei Ausführungsformen von Kälte(gemisch)kreisläufen, wie sie in allen bekannten (Tief)Kühlmöbeltypen Anwendung finden können.
Im Kühlbetrieb wird das Kältemittel(gemisch) aus dem Verflüssiger 1 über die Leitung 2 einem Expansionsventil 4 zugeführt. Dieses ist erfindungsgemäß als ein modifiziertes Expansionsventil 4 ausgebildet. Alternativ kann das Expansionsventil 4 auch als eine modifizierte lineare Expansionsmaschine ausgebildet sein; diese Ausgestaltung ist in den 1 und 2 nicht dargestellt. Ferner kann – wie in den 1 und 2 ebenfalls dargestellt – auch ein herkömmliches Expansionsventil, dem eine Bypassleitung 4' zugeordnet ist, vorgesehen werden.
Dem (modifizierten) Expansionsventil 4 nach- und dem Verdampfer 7 vorgeschaltet ist ein optional vorzusehender Pufferbehälter 5.
Dieser Pufferbehälter 5 dient als zusätzliches Kältemittelreservoir im Nassdampfgebiet und verbessert den nachfolgend beschriebenen Naturumlauf. Er sorgt ferner beim Umschalten auf den Naturumlauf für eine ausreichende Zulaufhöhe und damit für eine statische (treibende) Druckdifferenz. Besonders wichtig ist dies dann, wenn es sich um einen überkritischen Betrieb handelt, bei dem sich erfahrungsgemäß wenig Kältemittelmasse im Gaskühler befindet, jedoch trotzdem im Pufferbehälter 5 ein Nassdampfzustand herrscht und damit zusätzliche Kältemittelflüssigkeit bevorratet und genutzt werden kann.
Aus dem Pufferbehälter 5 wird über Leitung 6 das in dem (modifizierten) Expansionsventil 4 entspannte Kältemittel(gemisch) dem Verdampfer 7 zugeführt.
Erfindungsgemäß ist der Verdampfer 7 oberhalb des Verflüssigers 1 angeordnet. Eine derartige Anordnung lässt sich im Regelfall in allen bekannten (Tief)Kühlmöbeltypen ohne weiteres realisieren.
Sowohl der Verdampfer 7 als auch der Verflüssiger 1 sind – wie in den 1 und 2 dargestellt – gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet. Hierbei liegt – gemäß einer ersten möglichen, in der 1 gezeigten Ausführungsform – der Eingang des Verdampfers 7 tiefer als sein Ausgang, während der Eingang des Verflüssigers 1 höher liegt als sein Ausgang.
Die Begriffe "Eingang" und "Ausgang" sind hierbei in Bezug auf die Strömungsrichtung des zirkulierenden Kältemittel(gemische)s während des Normal- bzw. Kühlbetriebes zu verstehen.
Alternativ dazu kann – wie in der 2 dargestellt – der Eingang des Verdampfers 7 auch höher als der Verdampferausgang angeordnet sein, jedoch muss dann der Eingang des Verflüssigers 1 tiefer als der Verflüssigerausgang angeordnet werden.
Aus dem Verdampfer 7 wird das verdampfte Kältemittel(gemisch) über Leitung 8 dem erfindungsgemäß vorzusehenden modifizierten Linearverdichter 9 zugeführt, in diesen auf den gewünschten Druck verdichtet und anschließend über die Leitung 10 wiederum dem bereits beschriebenen Verflüssiger 1 zugeführt. Alternativ zu einem modifizierten Linearverdichter kann auch ein herkömmlicher Verdichter, dem eine Bypassleitung 9' zugeordnet ist, vorgesehen werden,
Wird der Kältemittel(gemisch)kreislauf innerhalb eines (Tief)Kühlmöbels realisiert, so wird im Regelfall ein innerer Wärmeübertrager 3, in dem das kalte Kältemittel(gemisch) gegen das verdampfte Kältemittel(gemisch) unterkühlt wird, vorgesehen.
Wird der Kältemittel(gemisch)kreislauf nunmehr aus dem Normal- bzw. Kühlbetrieb in den Abtaubetrieb geschaltet, so werden bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen (Tief)Kühlmöbels der modifizierte Linearverdichter 9 und das modifizierte Expansionsventil 4 in ihre Arbeitsstellungen verfahren, in denen ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall möglich ist.
Alternativ dazu können auch die dem Verdichter zugeordnete Bypassleitung 9' sowie die dem Expansionsventil zugeordnete Bypassleitung 4' geöffnet werden.
Für die Realisierung der Erfindung gemäß der vorbeschriebenen ersten Variante geeignet sind daher nur Linearvedichter und Expansionsventile, die eine Arbeitsstellung, die ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall ermöglicht, aufweisen.
Nunmehr beginnt warmes, flüssiges Kältemittel(gemisch) aus dem Verdampfer 7 entgegen der während des Kühlbetriebes eingestellten Strömungsrichtung über die Leitung 6 durch den Pufferbehälter 5, das geöffnete modifizierte Expansionsventil 4, ggf. durch den inneren Wärmeübertrager 3 und über Leitung 2 in den Verflüssiger 1 zu strömen.
Sofern es sich bei der mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichneten Komponente um einen Verflüssiger oder Gaskühler handelt, wird das warme Kältemittel(gemisch) in diesem gegen Umgebungsluft weiter angewärmt und verdampft, so dass es über den Ausgang des Verflüssigers 1, die Leitung 10, den geöffneten modifizierten Linearvedichter 9, ggf. durch den Wärmeübertrager 3 sowie die Leitung 8 dem Verdampfer 7 zugeführt wird.
Ist die mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichneten Komponente ein Wärmeübertrager, der von einem Kälte- bzw. Wärmeträger, der über die in der 1 gestrichelt gezeichnete Leitung 11 durch den Wärmeübertrager 1 geführt wird, durchströmt wird – eine derartige Anordnung wird beispielsweise in (Verbund)Kälteanlagen realisiert –, wird das warme Kältemittel(gemisch) in dem Wärmeübertrager 1 folglich gegen diesen Kälte- bzw. Wärmeträger angewärmt und verdampft.
Es stellt sich somit erfindungsgemäß ein Naturumlauf des Kältemittel(gemische)s ein, durch den der Verdampfer 7 abgetaut wird. Hierzu bedarf es keinerlei zusätzlicher Komponenten oder Aggregate, die ein Umpumpen des Kältemittel(gemische)s während des Abtaubetriebes bewirken.
Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen (Tief)Kühlmöbels wird also die Strömungsrichtung des Kältemittel(gemische)s während des Abtaubetriebes umgekehrt.
Sind die Ein- bzw. Ausgänge des Verflüssigers 1 sowie des Verdampfers 7 gemäß der in der 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen (Tief)Kühlmöbels angeordnet, so ändert sich die Strömungsrichtung des Kältemittel(gemische)s während der Abtauphase nicht.

Claims

(Tief)Kühlmöbel mit einem Kältemittel(gemisch)kreislauf, aufweisend einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Verflüssiger und eine Expansionsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verdichter als ein modifizierter Linearverdichter (9) oder ein Verdichter, dem eine Bypassleitung (9') zugeordnet ist, ausgebildet ist und – die Expansionsvorrichtung als ein modifiziertes Expansionsventil (4), eine modifizierte lineare Expansionsmaschine oder ein Expansionsventil bzw. eine Expansionsmaschine, dem bzw. der eine Bypassleitung (4') zugeordnet ist, ausgebildet ist, – wobei der modifizierte Linearverdichter (9) und das modifizierte Expansionsventil (4) bzw. die modifizierte lineare Expansionsmaschine eine Arbeitsstellung aufweisen, die ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall ermöglichen, – der Verdampfer (7) oberhalb des Verflüssigers (1) angeordnet ist, und – der Verdampfer (7) und der Verflüssiger (1) gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet sind, – wobei der Verdampfereingang tiefer als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang höher als der Verflüssigerausgang oder – der Verdampfereingang höher als der Verdampferausgang und der Verflüssigereingang tiefer als der Verflüssigerausgang angeordnet sind.
(Tief)Kühlmöbel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (7) ein unterhalb von ihm angeordneter Pufferbehälter (5) vorgeschaltet ist.
(Tief)Kühlmöbel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel(gemisch)kreislauf (2, 6, 8, 10) einen inneren Wärmeübertrager (3) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines (Tief)Kühlmöbels nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abtauphase des Verdampfers (7) der modifizierte Linearverdichter (9) und/oder das modifizierte lineare Expansionsventil (4) oder die modifizierte lineare Expansionsmaschine in die Arbeitsstellungen) verfahren wird bzw. werden, in der bzw. in denen ein Durchströmen ohne nennenswerten Druckabfall möglich ist, und/oder die dem Verdichter zugeordnete Bypassleitung (9') und/oder die dem Expansionsventil bzw. der Expansionsmaschine zugeordnete Bypassleitung (4') geöffnet wird bzw. werden.