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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer beheizten Verdunstungsschale.
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Unter einem Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät das zur Haushaltsführung in Haushalten oder eventuell auch im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke in haushaltsüblichen Mengen bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, eine Kühlgefrierkombination oder ein Weinlagerschrank.
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Feuchtigkeit, die z. B. als Luftfeuchtigkeit beim Türöffnen oder als Bestandteil von Kühlgut in die Lagerkammer eines Kältegerätes gelangt, schlägt sich im Laufe des Betriebs dort an der kältesten Stelle nieder, d. h. je nach Bauart des Kältegeräts z. B. unmittelbar an einem Verdampfer oder an einer durch den Verdampfer gekühlten Wand der Lagerkammer. Von dort muss die Feuchtigkeit beseitigt werden, damit sie nicht den Wärmeaustausch zwischen der Lagerkammer und dem Verdampfer und damit den Wirkungsgrad des Kältegerätes beeinträchtigt und/oder damit von dieser kältesten Stelle abfließendes Wasser nicht das Kühlgut durchnässt. Es ist daher üblicherweise unterhalb dieser kältesten Stelle eine Auffangrinne oder -schale vorgesehen, in der sich das Tauwasser sammeln kann und von wo aus es durch einen Durchgang in der wärmeisolierenden Wand des Kältegerätes zu einer Verdunstungsschale geleitet wird. Die Verdunstungsschale ist außerhalb der wärmeisolierenden Wand angeordnet, um aus ihr verdunstende Feuchtigkeit frei an die Umgebung abgeben zu können. Um die Verdunstung in der Schale zu fördern, ist sie herkömmlicherweise in einem Maschinenraum des Kältegerätes auf einem Verdichter montiert, um durch dessen Abwärme beheizt zu werden.
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Verbesserungen der Isolation und der Kälteerzeugung führen bei modernen Kältegeräten dazu, dass das Verhältnis von anfallendem Tauwasser zur am Verdichter verfügbaren Abwärme immer ungünstiger wird. Wenn jedoch das Tauwasser schneller anfällt, als es in der Verdunstungsschale verdunsten kann, dann läuft diese über, und das auslaufende Wasser kann zu Schäden am Gerät und an dessen Umgebung führen.
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Es sind daher zahlreiche Versuche unternommen worden, die Verdunstung des Tauwassers in einem Kältegerät zu effektivieren. Ein Ansatz dafür ist eine Vergrößerung der Wasseroberfläche, auf der die Verdunstung stattfinden kann. Die Oberfläche, die eine Verdunstungsschale maximal haben kann, ist jedoch durch die Abmessungen des Maschinenraums begrenzt, in dem sie untergebracht ist, so dass durch eine Oberflächenvergrößerung der Schale die Verdunstungsleistung nur sehr begrenzt gesteigert werden kann. Versuche, die Verdunstungsoberfläche zu vergrößern, indem mehrere Schalen auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet werden, sind auch nur eingeschränkt erfolgreich, da eine Vielzahl großflächiger flacher Schalen im Maschinenraum die Luftzirkulation behindert. Wenn aber mit Feuchtigkeit gesättigte Luft den Maschinenraum nur langsam verlassen kann, bremst dies wieder die Verdunstung. Da außerdem zusätzliche Schalen allenfalls denjenigen Platz im Maschinenraum nutzen können, der zwischen anderen dort montierten Komponenten wie etwa Verdichter, Verflüssiger etc. frei bleibt, wird eine große Zahl kompliziert geformter Schalen benötigt, was die Fertigungskosten erhöht.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Verdunstung zu effektivieren, indem eine Rohrleitung mit verdichtetem, warmen Kältemittel aus dem Verdichter durch die Verdunstungsschale geführt ist. Auch dieser Ansatz verkompliziert jedoch deutlich den Aufbau des Kältegerätes und führt somit zu hohen Fertigungskosten.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, eine einfache und preiswert realisierbare Lösung anzugeben, mit der eine ausreichende Verdunstung von Kondenswasser auch unter ungünstigen Bedingungen mit guter Energieeffizienz sichergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einer beheizten Verdunstungsschale für Tauwasser die Verdunstungsschale durch ein elektrisches Heizelement beheizt ist und die Leistung des elektrischen Heizelements in Abhängigkeit vom Wasserstand in der Verdunstungsschale variabel ist. Ein elektrisches Heizelement kann bei geringen Kosten in kompakter Form bereitgestellt werden, so dass es unproblematisch und mit geringem Entwicklungsaufwand in existierende Kältegerätekonstruktionen integriert werden kann. Die Variabilität der Leistung des elektrischen Heizelements in Abhängigkeit vom Wasserstand in der Verdunstungsschale gewährleistet, dass das Heizelement nicht mehr Heizenergie verbraucht, als zum Verdunsten des Wassers tatsächlich erforderlich ist.
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Einer besonders bevorzugten Ausgestaltung zufolge umfasst das elektrische Heizelement ein PTC-Material. Wenn dieses Material durch das Wasser in der Verdunstungsschale gekühlt ist, ist sein ohmscher Widerstand gering, so dass eine hohe Heizleistung freigesetzt wird. Wenn diese hohe Heizleistung dazu führt, dass der Wasserstand in der Verdunstungsschale fällt und dadurch der thermische Kontakt des PTC-Materials zum Wasser verloren geht, erwärmt sich das PTC-Material, und die daraus resultierende Zunahme des ohmschen Widerstandes führt zu einer Drosselung der Heizleistung. Die Heizleistung des Heizelements regelt sich somit vollauf selbstständig, ohne dass außerhalb des Heizelements Schalter, Regler, Sensoren oder dergleichen benötigt werden.
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Vorzugsweise weist das elektrische Heizelement eine langgestreckte Form auf, und das PTC-Material ist zwischen zwei sich über die Länge des Heizelements erstreckenden Versorgungsleitern angeordnet. Die langgestreckte Form erlaubt es, innerhalb des Heizelements von einem Ende zum anderen einen Temperaturgradienten aufrecht zu erhalten, wobei die Ausdehnung warmer und kalter Bereiche innerhalb des elektrischen Heizelements in Abhängigkeit vom Wasserstand variabel sein kann. Indem sich die Versorgungsleiter über die Länge des Heizelements erstrecken, erreichen sie sowohl warme als auch kalte Bereiche des Heizelements, und der geringe ohmsche Widerstand des PTC-Materials im kalten Bereich führt dazu, dass dort eine deutlich höhere Heizleistung freigesetzt wird als im warmen Bereich. Die Heizleistung wird also genau dort freigesetzt, wo sie benötigt wird, nämlich in dem durch das Tauwasser gekühlten Bereich des Heizelements, und die Heizleistung des gesamten Heizelements passt sich selbsttätig dem Wasserstand an.
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Vorzugsweise ist das elektrische Heizelement in einem bodenfernen Bereich der Verdunstungsschale angeordnet. Wenn der Wasserstand in der Verdunstungsschale niedrig ist und der Wasserspiegel unterhalb des elektrischen Heizelements liegt, wird das Tauwasser im Wesentlichen nicht durch das Heizelement erwärmt, und lediglich auf anderen Quellen zur Verdunstungsschale gelangende Abwärme wird genutzt, um die Verdunstung zu fördern. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch des Heizelements auf ein Minimum beschränkt werden, wenn der Zustrom von Tauwasser zur Verdunstungsschale gering ist, z. B. weil das Kältegerät nur selten geöffnet wird, um Kühlgut zu entnehmen oder frisches Kühlgut hinzuzufügen.
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Als eine Hauptquelle für Abwärme zum Erwärmen des Tauwassers in der Verdunstungsschale kommt, wie bereits erwähnt, der Verdichter in Betracht, so dass die Verdunstungsschale zweckmäßigerweise auf diesem oder anderweitig in engem thermischen Kontakt mit ihm montiert sein saute. In diesem Fall ist das elektrische Heizelement vorzugsweise oberhalb einer Kontaktfläche zwischen Verdunstungsschale und Verdichter angeordnet, so dass es erst dann mit dem Tauwasser in Kontakt kommt, wenn dieses die Kontaktfläche vollständig überflutet hat und die nutzbare Abwärme des Verdichters auf diese Weise bereits vollständig in das Tauwasser eingeleitet wird. Das Heizelement wird somit nur dann aktiv, wenn die Abwärme des Verdichters nicht genügt, um ein Ansteigen des Wasserstands in der Verdunstungsschale zu verhindern.
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Das Heizelement sollte von einer Wand der Verdunstungsschale beabstandet gehalten sein, um Wärmeverluste über diese Wand nach außen zu minimieren.
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Ferner sollte das Heizelement eine größere Abmessung in der Horizontalen als in der Vertikalen aufweisen, um den Wasserspiegel in engen, in etwa der vertikalen Abmessung des Heizelements entsprechenden Grenzen konstant haften zu können und im Bedarfsfall eine ausreichende Heizleistung freisetzen zu können.
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Vorzugsweise umfasst das Heizelement einen in einem Rohr vergossenen Heizwiderstand.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 einen schematischen partiellen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Haushaltskältegerät;
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2 einen schematischen Schnitt durch eine Verdunstungsschale und ein daran angeordnetes Heizelement gemäß einer ersten Abwandlung der Erfindung;
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3 einen Querschnitt durch das Heizelement; und
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4 einen Querschnitt durch die Verdunstungsschale und das darin angeordnete Heizelement gemäß einer zweiten Abwandlung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Haushaltskältegerät in einem schematischen Teilschnitt. Zu sehen ist ein Teil eines Korpus 1 des Kältegerätes mit einer Rückwand 2, einer Bodenplatte 3 und einem an einer hinteren unteren Ecke des Korpus 1 ausgesparten Maschinenraum 4, indem in an sich üblicher Weise ein Verdichter 5 untergebracht ist. Der Verdichter 5 ist zusammen mit einem nicht dargestellten Verflüssiger und einem in thermischen Kontakt zu einer Lagerkammer 6 angeordneten Verdampfer 7, hier einem Coldwall-Verdampfer, Teil eines Kältemittelkreislaufs des Gerätes.
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Unterhalb des Verdampfers 7 ist am Fuß der Rückwand 2 eine Tauwasserauffangrinne 8 gebildet, in der sich an der vom Verdampfer 7 gekühlten Rückwand 2 niedergeschlagene Feuchtigkeit sammelt. Eine Rohrleitung 9 erstreckt sich von der Tauwasserauffangrinne 8 durch den Korpus 1 zu einer Verdunstungsschale, die in dem Maschinenraum 4 auf dem Verdichter 5 montiert ist. Am Boden der Verdunstungsschale 10 ist eine nach unten offene, vom Verdichter 5 exakt ausgefüllte Aussparung 11 gebildet Die Aussparung 11 ist dünnwandig, um einen effizienten Übergang von Abwärme des Verdichters 5 in die Verdunstungsschale 10 zu gewährleisten. Seitenwände 12 der Verdunstungsschale 10 können demgegenüber wesentlich stärker sein, um den Abfluss von Wärme aus dem in der Verdunstungsschale 10 enthaltenen Wasser über die Seitenwände 12 zu begrenzen.
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Ein elektrisches Heizelement 14 ist in der Verdunstungsschale 12 oberhalb der Aussparung 11 montiert. Die Heizleistung des Heizelements 14 basiert praktisch vollständig auf der Erwärmung eines PTC-Materials durch hindurchfließenden elektrischen Strom, d. h. sie ist um so großer, je kälter das Heizelement 14 ist.
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Je nach dem, wie oft die Tür des Kältegerätes geöffnet und welche Menge an Feuchtigkeit mit der Umgebungsluft bei jedem Öffnen der Tür in die Lagerkammer 6 gelangt und wie viel Feuchtigkeit durch darin untergebrachtes Kühlgut verdunstet wird, variiert die Menge des der Verdunstungsschale 10 zufließenden Tauwassers. Entsprechend kann der Wasserspiegel in der Verdunstungsschale 10 variieren. Wenn der Tauwasserzufluss sehr gering und der Wasserspiegel in der Verdunstungsschale 10 dementsprechend auf einem sehr niedrigen Niveau 13 ist, dann ist ein großer Teil der Aussparung 11 nicht von Wasser bedeckt, und die Abwärme des Verdichters 5 wird über die unbedeckten Teile der Aussparung 11 unmittelbar an die Luft in der Verdunstungsschale 10 abgegeben. Wenn der Tauwasserzufluss etwas stärker ist, steigt der Wasserspiegel, z. B. auf das Niveau 13'. Bei diesem Niveau ist die Aussparung 11 vollständig von Wasser bedeckt, und die gesamte Abwärme, die der Verdichter 5 an die Verdunstungsschale 10 abgibt, kommt der Verdunstung des Tauwassers zugute. Das elektrische Heizelement 14 liegt in diesem Fall noch oberhalb des Wasserspiegels. Da es im Wesentlichen überall von Luft umgeben ist, ist der Wärmeabfluss vom Heizelement 14 gering, und es genügt eine kleine Heizleistung, um das Heizelement 14 auf einer Temperatur zu halten, bei der das PTC-Material des Heizelements 14 einen hohen Widerstand annimmt. Die elektrische Leistung, die benötigt wird, um den Widerstand des PTC-Materials hoch zu halten, beeinträchtigt nicht wesentlich die Gesamtenergieeffizienz des Kältegerätes.
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Wenn der Zufluss von Tauwasser stark zunimmt, steigt der Wasserspiegel, und das Heizelement 14 wird überflutet. Da es nicht mehr von schlecht wärmeleitender Luft umgeben ist, sondern von Wasser, fällt seine Temperatur, der Widerstand nimmt ab, und dementsprechend nimmt die Heizleistung zu. Das Wasser in der Verdunstungsschale 10 wird folglich so lange stark erwärmt, bis der Wasserspiegel wieder unter das Heizelement 14 abgefallen ist. Sobald dies der Fall ist und das Heizelement 14 nicht mehr effizient durch das Tauwasser gekühlt ist, erhitzt es sich wieder, und das PTC-Material kehrt in den Hochwiderstandszustand zurück. Da sich die Leistung des Heizelements 14 ohne Rückgriff auf externe Sensoren oder Steuerelemente selbsttätig an den Wasserstand anpasst, kann das Heizelement 14 direkt ans Wechselstromnetz angeschlossen sein.
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2 zeigt eine Verdunstungsschale 10 und ein Heizelement 14 gemäß einer ersten Abwandlung der Erfindung. Das Heizelement 14 ist wie im Falle der 1 langgestreckt stabförmig, es ist jedoch nicht horizontal angeordnet, wie In 1 gezeigt, sondern leicht gegen den Wasserspiegel 13 geneigt. Es kann daher der in 2 gezeigte Fall auftreten, dass das Heizelement 14 in seiner Längsrichtung in drei Bereiche unterteilt ist, einen Bereich 14a, in dem das Heizelement sich auf seinem gesamten Umfang über der Wasseroberfläche befindet, einen Bereich 14b, in dem sich jeweils ein Teil des Umfangs über und ein Teil unter der Wasseroberfläche befindet, und einen voll untergetauchten Bereich 14c.
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3 zeigt einen Querschnitt des Heizelements 14. Ein erster Versorgungsleiter 15 aus den elektrischen Strom gut leitendem Metall erstreckt sich zentral durch das Heizelement 14. Eine rechteckige Schicht des im Vergleich zu dem Metall relativ schlecht leitenden PTC-Materials 16 ist auf einer elektrisch isolierenden Folie 17 verteilt, wobei sich der Versorgungsleiter in kontinuierlichem elektrisch leitenden Kontakt mit einem Rand der Schicht erstreckt. Die Folie 17 und die Schicht des PTC-Materials sind um den Versorgungsleiter 15 spiralig aufgewickelt, um einen in etwa zylindrischen Heizkörper zu bilden. Ein zweiter Versorgungsleiter 18 erstreckt sich parallel zum Versorgungsleiter 15 in Kontakt mit einem gegenüberliegenden Rand der Schicht aus PCT-Material 16, am Umfang des Heizkörpers. Der gesamte Heizkörper ist von einer Schutzisolierung 19 umgeben und in einem einseitig verschlossenem Rohr 20, z. B. aus Edelstahl, durch eine Kunststoff-Vergussmasse 21 fixiert. Die Versorgungsleiter 15, 18 sind am offenen Ende des Rohrs 20 durch die Vergussmasse 21 hindurch herausgeführt.
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Die gewickelte Struktur des PTC-Materials 16 und die Anordnung der Versorgungsleiter 15, 18 an entgegengesetzten Rändern der PTC-Schicht erzwingt einen Stromfluss zwischen den Versorgungsleitern 15, 18 entlang eines spiralförmigen Weges. Der Stromfluss im PTC-Material 16 ist somit rein in Umfangsrichtung des Rohrs 20 des Heizelements 14 und in Richtung seines Radius orientiert, nicht aber axial. Infolgedessen können die Bereiche 14a, 14b, 14c als elektrisch parallel angeordnete Schaltungskomponenten aufgefasst werden. Da sie sich in ihrer Temperatur und damit in ihrem spezifischen Widerstand unterscheiden, ergeben sich unterschiedliche Stromdichten in den drei Bereichen 14a, 14b, 14c. Im freiliegenden Bereich 14a sind Temperatur und spezifischer Widerstand hoch, und dementsprechend gering sind Stromdichte und Leistungsdichte. Eine mittlere Leistungsdichte ergibt sich im teileingetauchten Bereich 14b, und eine hohe Leistungsdichte im eingetauchten Bereich 14c. Größe und Lage der Bereiche 14a, 14b, 14c variiert je nach Wasserstand in der Verdunstungsschale 10. Somit ist sowohl die Heizleistung, die das Heizelement 14 als Ganzes freisetzt, als auch der Ort, an dem die Heizleistung innerhalb des Heizelements 14 freigesetzt wird, stets ideal an den Wasserstand angepasst.
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4 zeigt eine zweite Abwandlung der Verdunstungsschale 10 und des Heizelements 14. Das Rohr des Heizelements ist hier zu einer Wendel geformt, die sich innerhalb der Verdunstungsschale 10 schraubenlinienförmig um eine vertikale Achse erstreckt. Die Schraubenlinienform ermöglicht eine starke Variabilität der Länge des voll untergetauchten, für die Beheizung des Tauwassers wirksamsten Bereichs 14c in Abhängigkeit vom Wasserspiegel. Das Heizelement 14 ist in Position gehalten durch eine Mehrzahl von aus Draht gebogenen Stützen 22, die die einzelnen Windungen des Heizelements 14 umschlingen und rings um die Aussparung 11 auf dem Boden der Verdunstungsschale 10 ruhen. Die Stützen 22 sind jeweils geformt, um einen Kontakt des Heizelements 14 mit der Seitenwand 12 der Schale 10, über die Wärme des Heizelements 14 ungenutzt abfließen könnte, zu verhindern. Dies gelingt beispielsweise in dem in 4 gezeigten Fall dadurch, dass, wie an der rechten Stütze 22 zuerkennen, eine Stütze 22 jeweils an der Aussparung 11 anstößt, bevor ein ihr diametral entgegengesetzter Teil des Heizelements 14 in Kontakt mit der ihm benachbarten Seitenwand 12 kommen kann. Da die Stützen 22 stets ins Wasser eintauchen, solange die Verdunstungsschale 10 überhaupt welches enthält, kommt Wärme, die über die Stützen 22 vom Heizelement 14 abfließt, wenn dieses nicht ins Wasser eintaucht, ebenfalls der Verdunstung zugute.
