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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer ersten und einer zweiten Kühlzone, zum Beispiel einem Normalkühlfach und einem Gefrierfach.
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Um zwei Kühlzonen in einem Kältegerät zu kühlen, sind verschiedene Strukturen von Kältemittelkreisen gebräuchlich. Die einfachste Struktur ist ein Einkreissystem, bei dem ein Verdichter, ein Verflüssiger, ein Verdampfer des Gefrierfachs und ein Verdampfer des Normalkühlfachs in Reihe verbunden sind, so dass in dem Verflüssiger verflüssigtes Kältemittel nacheinander den Verdampfer des Gefrierfachs und dann den des Normalkühlfachs durchströmt. Bei einem solchen Gerät ist die Aufteilung der Kühlleistung auf Gefrierfach und Normalkühlfach fest vorgegeben, so dass die Betriebstemperaturen der beiden Fächer nicht unabhängig voneinander regelbar sind. Es wird ein starker Druckabfall zwischen Verflüssiger und Gefrierfachverdampfer benötigt, um das Kältemittel von der am Verflüssiger herrschenden Umgebungstemperatur auf die Gefrierfachtemperatur abzukühlen. Um diesen Druckabfall zu erzeugen, wird ein leistungsstarker Verdichter benötigt.
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Eine zweite bekannte Kältemittelkreisstruktur umfasst ein Magnetventil, über das Kältemittel vom Verflüssiger wahlweise in einen Gefrierfachverdampfer oder einen Normalkühlfachverdampfer eingespritzt werden kann. Der Gefrierfachverdampfer ist dem Verdampfer des Normalkühlfachs nachgeschaltet, so dass in Letzteren eingespritztes Kältemittel auch den Gefrierfachverdampfer durchläuft, bevor es zum Verdichter zurückkehrt. Auch hier muss die Verdunstungstemperatur des Kältemittels im Wesentlichen der des Gefrierfachs entsprechen, da anderenfalls bei Einspritzung in den Verdampfer des Normalkühlfachs durch den Gefrierfachverdampfer Kältemittel zirkulieren würde, das wärmer als das Gefrierfach ist und somit das Gefrierfach beheizt statt gekühlt würde. Folglich ist auch hier eine hohe Verdichterleistung erforderlich.
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Eine dritte Möglichkeit ist, Kältemittelkreise des Gefrierfachs und des Normalkühlfachs völlig getrennt zu realisieren. In diesem Fall braucht das Kältemittel beim Eintritt in den Verdampfer des Normalkühlfachs nicht wesentlich unter dessen Betriebstemperatur abgekühlt zu werden, so dass die zum Bereitstellen des Kältemittels für das Normalkühlfach erforderliche Verdichterleistung relativ gering ist. Im Kältemittelkreislauf des Gefrierfachs ist die Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer weiterhin hoch, so dass eine hohe Druckdifferenz zwischen beiden und dementsprechend eine hohe Verdichterleistung benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät mit wenigstens zwei Kühlzonen zu schaffen, das einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Kühlzone, einem ersten Kältemittelkreis, der einen die erste Kühlzone kühlenden ersten Verdampfer aufweist, und einem zweiten Kältemittelkreis, der einen die zweite Kühlzone kühlenden zweiten Verdampfer aufweist, ein Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises in thermischem Kontakt mit der ersten Kühlzone angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird die Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer des zweiten Kältemittelkreises verringert, und dementsprechend verringert sich auch der Druckunterschied, der zwischen Verflüssiger und Verdampfer des zweiten Kältemittelkreises erforderlich ist, um die Temperaturdifferenz zwischen ihnen aufrecht zu erhalten. Je geringer diese Druckdifferenz ist, um so weniger Leistung geht beim Entspannen des Kältemittels beim Übergang vom Verflüssiger zum Verdampfer ungenutzt verloren, das heißt ein um so höherer Wirkungsgrad des Kältemittelkreises kann erreicht werden.
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Natürlich sollte die Betriebstemperatur der ersten Kühlzone höher sein als die der zweiten Kühlzone.
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Ein Verflüssiger des ersten Kältemittelkreises sollte in an sich üblicher Weise in thermischem Kontakt mit der Umgebung des Kältegeräts angeordnet sein.
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Um vom Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises abgegebene Wärme zeitweilig zu speichern und lange, energieökonomische Betriebsphasen des ersten Kältemittelkreises zu ermöglichen, weist die erste Kühlzone vorzugsweise eine thermische Ballastmasse auf.
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Um eine zügige Abfuhr der von dem Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises abgegebenen Wärme zu gewährleisten, sollte die thermische Ballastmasse in Kontakt mit dem Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises und dem Verdampfer des ersten Kältemittelkreises stehen.
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Die thermische Ballastmasse ist vorzugsweise bei der Betriebstemperatur der ersten Kühlzone flüssig, um einen schnellen Wärmetransport vom Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises zum Verdampfer des ersten Kältemittelkreises durch Konvektion zu ermöglichen.
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Wenn der Verdampfer des ersten Kältemittelkreises unter die Gefriertemperatur der thermischen Ballastmasse abkühlbar ist, kann die Ballastmasse bei geringem Platzbedarf und geringem Temperaturhub eine große Wärmemenge zwischenspeichern.
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Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die erste Kühlzone auch eine Lagerkammer für Kühlgut umfasst, deren Temperatur, um die Haltbarkeit des Kühlguts nicht zu beeinträchtigen, trotz der über den Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises eingetragenen Wärme möglichst wenig schwanken sollte.
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Zur Minimierung von Temperaturschwankungen der Lagerkammer trägt auch bei, wenn die thermische Ballastmasse die Lagerkammer von dem Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises und/oder dem Verdampfer des ersten Kältemittelkreises trennt.
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Der erste und der zweite Kältemittelkreis können vollständig unabhängig voneinander realisiert sein und insbesondere jeweils einen eigenen Verdichter aufweisen. Dadurch ist es insbesondere möglich, beide Kältemittelkreise gleichzeitig zu betreiben, so dass vom Verflüssiger des zweiten Kältemittelkreises an die erste Kühlzone abgegebenen Wärme aus dieser sofort wieder abgeführt werden kann. Die Menge an thermischem Ballast, die erforderlich ist, um Temperaturschwankungen der ersten Kühlzone auf ein vorgegebenes Maß zu begrenzen, ist dann relativ gering, und Platz, der nicht für die Ballastmasse benötigt wird, steht zur Unterbringung von Kühlgut zur Verfügung.
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Um Kosten zu sparen, kann es sinnvoll sein, dass der erste und der zweite Kältemittelkreis auch einen gemeinsamen Verdichter aufweisen. Wenn dessen Durchsatz nur zum Betreiben eines Kältemittelkreises ausreicht, können die beiden Kältemittelkreise jeweils nur abwechselnd betrieben werden; in diesem Fall ist eine große thermische Ballastmasse erforderlich, um den Temperaturhub der ersten Kühlzone wirksam zu begrenzen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Haushaltskältegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 eine zu 1 analoge Darstellung gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
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3 einen schematischen Teilschnitt durch eine erste Kühlzone des Kältegeräts;
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4 einen Teilschnitt durch die erste Kühlzone gemäß einer alternativen Ausgestaltung; und
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5 eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts, das drei Kühlzonen aufweist.
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1 zeigt schematisch ein Kombinations-Haushaltskältegerät mit einer ersten Kühlzone 1 und einer zweiten Kühlzone 2, die von einem wärmeisolierenden Gehäuse 3 umgeben sind. Die Kühlzonen 1, 2 können jeweils ein Normalkühlfach bzw. ein Gefrierfach umfassen; es kommen jedoch für andere Temperaturbereiche ausgelegte Kühlzonen wie etwa ein Frischkühlfach, ein Weinlagerfach oder dergleichen in Betracht. Die Kühlzonen 1, 2 können, wie in der Fig. gezeigt übereinander oder auch nebeneinander, in Art eines Side-by-Side-Kältegeräts, angeordnet sein.
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Jeder Kühlzone 1 bzw. 2 ist ein eigener vollständiger Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter 4 bzw. 5, einem Verflüssiger 6 bzw. 7, einer Kapillare 8 bzw. 9 und einem Verdampfer 10 bzw. 11 zugeordnet. Der Verflüssiger 6 des ersten Kältemittelkreises ist in fachüblicher Weise an einer Außenseite des Geräts angeordnet, um Abwärme ins Freie abzugeben. Der Verdampfer 10 des ersten Kältemittelkreises ist zusammen mit dem Verflüssiger 7 des zweiten Kältemittelkreises in einem mit einer eutektischen Lösung gefüllten Behälter 12 untergebracht, der in unmittelbarem thermischem Kontakt mit der ersten Kühlzone 1, z. B. innerhalb von dieser, angeordnet ist. Somit kühlt der Verdampfer 10, wenn der Verdichter 4 des ersten Kältemittelkreises in Betrieb ist, zunächst das Eutektikum 18 im Behälter 12, und dieses kühlt die Kühlzone 1, von der der Behälter 12 umgeben ist.
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Gleichzeitig kann der Verdichter 5 in Betrieb sein, um Wärme aus der Kühlzone 2 aufzunehmen und über den Verflüssiger 7 an das Eutektikum 18 abzugeben. Wenn beide Verdichter 4, 5 gleichzeitig in Betrieb sind, kann eine Erwärmung des Eutektikums 18 über die Temperatur der ersten Kühlzone 1 vermieden werden, d. h. die zweite Kühlzone 2 kann gekühlt werden, ohne dass dies zu einer Erwärmung der Kühlzone 1 führt.
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Während bei einem herkömmlichen Kältegerät, bei dem ein Verflüssiger des ein Gefrierfach kühlenden Kältemittelkreislaufs typischerweise bis zu 40°C wärmer sein kann als das Gefrierfach, beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger bei beiden Kältemittelkreisen des Kältegeräts der 1 typischerweise nur ca. 20°C. Infolgedessen ist die Druckdifferenz zwischen Verflüssiger 6, 7 und Verdampfer 10, 11 in beiden Kältemittelkreisen relativ gering, und es genügt ein kleiner, preiswerter Verdichter 4 bzw. 5 mit niedrigem Ausgangsdruck, um beide Kältemittelkreise zu betreiben. Aufgrund der relativ geringen Druckdifferenz ist die zum Umwälzen des Kältemittels erforderliche Antriebsleistung der Verdichter gering, so dass ein hoher Wirkungsgrad der Kühlung erreicht werden kann.
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Wenn die eutektische Lösung 18 im Behälter 12 im Betrieb normalerweise flüssig ist, ermöglicht sie einen schnellen Wärmetransport vom Verflüssiger 7 zum Verdampfer 10 durch Konvektion, insbesondere wenn, wie in 1 angedeutet, der Verdampfer 10 oberhalb des Verflüssigers 7 im Behälter 12 angeordnet ist.
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Um jegliche Erwärmung der ersten Kühlzone 1 durch den Betrieb des zweiten Kältemittelkreises zu vermeiden, ist es auch möglich, die eutektische Lösung 18 „auf Vorrat” zu kühlen, in dem, wenn Kühlbedarf in der Kühlzone 2 festgestellt wird, zunächst der Verdichter 4 des ersten Kältemittelkreises eingeschaltet wird. Auf diese Weise kann der Behälter 12 deutlich unter die normale Temperatur der ersten Kühlzone 1 abgekühlt werden, bevor der Verdichter 5 eingeschaltet wird und Wärme aus der Kühlzone 2 an das Eutektikum 18 abgegeben wird. Wenn die Gefriertemperatur des Eutektikums 18 knapp unterhalb der normalen Betriebstemperatur der Kühlzone 1 gewählt ist, kann ein solches Vorkühlen zum wenigstens partiellem Gefrieren des Eutektikums führen. Dies erlaubt es, eine große Wärmemenge bei geringem Temperaturhub in dem Behälter 12 zwischenzuspeichern.
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Bei der in 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Kältegeräts ist die Anordnung der Verdichter 4, 5 und Verflüssiger 6, 7 an den Kühlzonen 1, 2 dieselbe wie im Falle der 1. Ein Unterschied liegt darin, dass gemäß 2 nur ein einziger Verdichter 13 vorgesehen ist, der mit Hilfe von Wegeventilen 14, 15 umschaltbar ist, um die Kältemittelzirkulation entweder über den Verflüssiger 6, die Kapillare 8 und den Verdampfer 10 des ersten Kältemittelkreises oder über den Verflüssiger 7, die Kapillare 9 und den Verdampfer 11 des zweiten Kältemittelkreises anzutreiben. Indem das Eutektikum 18 im Behälter 12 gefriert, wenn das Kältemittel über den Verdampfer 10 zirkuliert und auftaut, wenn das Kältemittel über den Verflüssiger 7 zirkuliert, können unerwünschte Temperaturschwankungen der Kühlzone 1 trotz des zeitversetzten Betriebs der zwei Kältemittelkreise vermieden werden.
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3 zeigt in einem schematischen Querschnitt ein konkretes Beispiel für die Anordnung des Behälters 12, des Verflüssigers 7 und des Verdampfers 10 in der Kühlzone 1. Man erkennt ein Stück eines die Kühlzone 1 umschließenden Innenbehälters 16 und einer den Innenbehälter umgebenden Isolationsmaterialschicht 17 des Kältegerätekorpus. Der Behälter 12 ist frei und vom Innenbehälter 16 beabstandet in der Kühlzone 1 angeordnet. Eine inmitten des Behälters 12 angeordnete, allseits vom Eutektikum 18 umgebene Trägerplatte 19 ist mit Kältemittelleitungen 20, 21 versehen, von denen die eine, 20, zum Verdampfer 10 und die andere, 21, zum Verflüssiger 7 gehört. Die Kältemittelleitungen können, wie angedeutet, als in Mäandern verlegte, auf der Trägerplatte 19 verklebte oder verlötete Rohrleitungen ausgebildet sein; denkbar ist auch, einen Wärmetauscher in Rollbond-Technik auszubilden, der zwei voneinander getrennte, jeweils den Verdampfer 10 bzw. den Verflüssiger 7 bildende Leitungssysteme aufweist. Indem sich im einen wie im anderen Falle der Verflüssiger 7 und der Verdampfer 10 die eine Trägerplatte 19 teilen, ist ein sehr schneller und direkter Wärmeübergang zwischen beiden gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht die gemeinsame Trägerplatte 19 auch Kosteneinsparungen im Vergleich zu einer Ausgestaltung, bei der der Verflüssiger 7 und der Verdampfer 10 körperlich voneinander getrennt sind.
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Eine solche Ausgestaltung ist schematisch in 4 dargestellt. Hier ist der Verdampfer 10 in dem Fachmann an sich vertrauter Weise als Coldwall-Verdampfer zwischen dem Innenbehälter 16 und der ihn umgebenden Isolationsmaterialschicht 17 angeordnet. Der Verflüssiger 7 ist parallel zum Verdampfer 10 in der die Kühlzone 1 umgebenden Wand angeordnet, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Verdampfer 10 und dem Verflüssiger 7 durch einen mit Eutektikum 18 gefüllten Kunststoffbeutel 22 ausgefüllt ist. Der Beutel 22 schmiegt sich eng an die Kältemittelleitung 20 an der von der Kühlzone 1 abgewandten Seite des Verdampfers 10 an und ermöglicht so einen schnellen Wärmetransport vom Verflüssiger 7 zum Verdampfer 10.
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Selbstverständlich ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch auf Kältegeräte mit mehr als zwei Kühlzonen erweiterbar. So kann beispielsweise bei einem Gerät mit drei Kühlzonen 1, 2, 2', wie in 5 gezeigt, ein erster Kältemittelkreis vorgesehen sein, um Wärme aus der wärmsten Kühlzone an die Umgebung abzuführen, ein zweiter Kältemittelkreis, um Wärme aus der zweitwärmsten in die wärmste Kühlzone zu befördern, und ein dritter Kältemittelkreis, um Wärme aus der kältesten in die zweitwärmste Kühlzone zu befördern. Zwar lassen sich auf diese Weise die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der einzelnen Verdichter abermals verringern, andererseits wird zum Puffer von Temperaturschwankungen thermischer Ballast wie etwa das oben erwähnte Eutektikum an zwei Stellen, in der wärmsten und der zweitwärmsten Kühlzone, benötigt und belegt dort Platz. Um die Menge und den Platzbedarf des Eutektikums zu verringern, kann es daher zweckmäßig sein, dass der dritte Kältemittelkreis Wärme direkt von der kältesten Kühlzone 2' zur wärmsten 1 befördert. Zu diesem Zweck kann er diverse Komponenten mit dem zweiten Kältemittelkreis gemeinsam haben; in der in 5 sind diese gemeinsamen Komponenten der Verdichter 5 und der Verflüssiger 7. Zum Umschalten des Kältemittelstroms zwischen den Verdampfern 11, 11' der Kühlzonen 2, 2' sind Wegeventile 14, 15 vorgesehen. Generell kommt zum Kühlen der Kühlzonen 2, 2' jede der drei in der Einleitung beschriebenen Strukturen in Betracht.
