DE102011086554A1

DE102011086554A1 - Household refrigerator for use in arrangement, has refrigerant circuit, in which compressor circulates refrigerant between condenser and evaporator, and internal combustion engine for driving compressor

Info

Publication number: DE102011086554A1
Application number: DE201110086554
Authority: DE
Inventors: Athanasios Athanasiou
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23

Abstract

The household refrigerator has a refrigerant circuit, in which a compressor (9) circulates a refrigerant between a condenser and an evaporator, and an internal combustion engine for driving the compressor. The internal combustion engine is designed for gaseous fuel and is manufactured with micro-structure techniques. The internal combustion engine is a turbine, and the compressor has a blade wheel. An independent claim is included for an arrangement with a biogas generator.

Description

Haushaltskältegeräte wie etwa Kühlschränke, Gefrierschränke oder -truhen sind in den Privathaushalten der Industrieländer allgemein verbreitet und leisten einen signifikanten Beitrag zum privaten Verbrauch an elektrischer Energie. Um diesen Verbrauch zu verringern, sind in den letzten Jahren zahlreiche Anstrengungen unternommen worden, die beispielsweise Verbesserungen der Wärmeisolation, die Entwicklung neuer, effizienterer Typen von Verdichtern, die Vermeidung von unnötigen Temperaturgradienten innerhalb der Geräte, und vieles mehr betroffen haben. Verbesserungen, die mit einfachen Mitteln substantielle Verbrauchseinsparungen erreichen, werden kaum mehr gefunden, und in vielen Fällen ist es fraglich, ob die mit einer Verbesserung im Betrieb erreichbaren Verbrauchseinsparungen den mit ihrer Realisierung verbundenen erhöhten Fertigungsaufwand wirtschaftlich rechtfertigen. Domestic refrigerators, such as refrigerators, freezers or freezers, are widely used in private households in industrialized countries and make a significant contribution to the private consumption of electrical energy. To reduce this consumption, many efforts have been made in recent years which have concerned, for example, improvements in heat insulation, the development of new, more efficient types of compressors, the avoidance of unnecessary temperature gradients within the devices, and much more. Improvements that achieve substantial fuel savings by simple means are barely found, and in many cases it is questionable whether the savings in consumption that can be achieved with an improvement in operation economically justify the increased production costs associated with their implementation.

Bei allen Bemühungen, den Energieverbrauch von Kältegeräten zu reduzieren, bleibt in der Regel außer Betracht, dass die ökologischen Auswirkungen des Betriebs eines Kältegeräts nicht direkt und lediglich mit dessen Verbrauch an elektrischer Energie zusammenhängt, sondern auch mit der Art und Weise, wie diese elektrische Energie erzeugt wird. Die Stromproduktion basiert weltweit zu einem wesentlichen Teil auf der Verbrennung von fossilem Kohlenstoff, und es ist damit zu rechnen, dass sich dies trotz politischer Bemühungen allenfalls mittelfristig ändern wird. Um die ökologischen Auswirkungen des Betriebs von Kältegeräten, insbesondere ihres zunehmenden Einsatzes in ländlichen Gebieten der dritten Welt, zu verringern, sind andere, wirkungsvollere Ansätze erforderlich. In all efforts to reduce the energy consumption of refrigerators, it usually remains out of the question that the environmental impact of the operation of a refrigerator is not directly and solely related to its consumption of electrical energy, but also with the way in which this electrical energy is produced. Electricity production worldwide is based to a large extent on the combustion of fossil carbon, and it is likely that this will change in the medium term, despite political efforts. In order to reduce the environmental impact of the operation of refrigeration appliances, and in particular their increasing use in rural areas of the third world, other, more effective approaches are needed.

Aufgabe der Erfindung ist daher, den ökologischen Fußabdruck des Betriebs von Haushaltskältegeräten zu minimieren. The object of the invention is therefore to minimize the ecological footprint of the operation of household refrigerators.

Unter einem Haushaltskältegerät wird ein Kältegerät verstanden 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, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinlagerschrank.Under a household refrigeration appliance, a refrigeration appliance is understood that is used for household management in households or possibly in the catering sector, and in particular serves to store food and / or drinks in household quantities at certain temperatures, such as a refrigerator, a freezer, a Kühlgefrierkombination, a Freezer or a wine storage cabinet.

Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem Haushaltskältegerät mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Verdichter Kältemittel zwischen einem Verflüssiger und einem Verdampfer umwälzt, der Verdichter durch eine Brennkraftmaschine angetrieben ist. Indem auf diese Weise der Umweg über eine Verstromung des Brennstoffs vermieden wird, kann, selbst bei mäßigem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ein erheblich günstigeres Verhältnis von Kühlleistung zu CO₂-Produktion erreicht werden, als wenn durch Verbrennung erzeugter elektrischer Strom zum Betrieb des Verdichters genutzt wird. The object is achieved by the compressor is driven by an internal combustion engine in a domestic refrigerator with a refrigerant circuit in which a compressor circulates refrigerant between a condenser and an evaporator. In this way, by avoiding the detour via power generation of the fuel, a considerably more favorable ratio of cooling power to CO ₂ production can be achieved, even with moderate efficiency of the internal combustion engine, than if electric current generated by combustion is used to operate the compressor.

Der ökologische Fußabdruck kann noch erheblich weiter verringert werden, wenn nachwachsender anstelle von fossilem Brennstoff verwendet wird. Nachwachsender Brennstoff kann mit einfachen, auch für den Einsatz in ländlichen Gebieten der dritten Welt geeigneten Techniken, in Gasform bereitgestellt werden, weswegen die Brennkraftmaschine vorzugweise für gasförmigen Brennstoff ausgelegt ist.The ecological footprint can be significantly reduced further if renewable energy is used instead of fossil fuel. Renewable fuel can be supplied in gas form with simple techniques, also suitable for use in rural areas of the third world, which is why the internal combustion engine is preferably designed for gaseous fuel.

Für den Betrieb eines Haushaltskältegeräts reicht eine Leistung der Brennkraftmaschine von wenigen 10 Watt, was erheblich weniger ist als die Leistung von gegenwärtig im Fahrzeugbau oder für mobile Stromgeneratoren eingesetzten Verbrennungsmotoren. Die Brennkraftmaschine des erfindungsgemäßen Haushaltskältegeräts kann daher im Vergleich zu solchen Motoren extrem klein sein, sodass sich zu ihrer Fertigung insbesondere aus dem Gebiet der Halbleiterfertigung bekannte Mikrostrukturtechniken anbieten. For the operation of a domestic refrigeration appliance, an output of the internal combustion engine of a few 10 watts, which is considerably less than the power of currently used in vehicle or for mobile power generators internal combustion engines. The internal combustion engine of the household refrigerating appliance according to the invention can therefore be extremely small in comparison to such motors, so that offer for their production in particular from the field of semiconductor manufacturing known microstructure techniques.

Der im Vergleich etwa zu einem Hubkolbenmotor geringeren Zahl der benötigten beweglichen Teile wegen ist die Brennkraftmaschine vorzugsweise als Turbine ausgebildet. The smaller compared to about a reciprocating engine required number of moving parts because of the internal combustion engine is preferably designed as a turbine.

Der mit einer solchen Turbine zusammenwirkende Verdichter kann als die Verdichtung bewirkendes bewegliches Bauteil zweckmäßigerweise ein Schaufelrad aufweisen. The cooperating with such a turbine compressor can expediently have a paddle wheel as the compacting effecting moving component.

Erfindungsgegenstand ist ferner eine Anordnung mit einem Haushaltskältegerät wie oben beschrieben und einem Biogasgenerator, der mit einem Brennstoffeinlassanschluss der Brennkraftmaschine verbunden ist. Subject of the invention is also an arrangement with a household refrigerator as described above and a biogas generator which is connected to a fuel inlet port of the internal combustion engine.

Zum Zwischenspeichern von Gas kann zweckmäßigerweise ein Vorratsbehälter zwischen dem Biogasgenerator und dem Brennstoffeinlassanschluss angeordnet sein.For temporarily storing gas, it is expedient to arrange a reservoir between the biogas generator and the fuel inlet connection.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus 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:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures. From this description and the figures also show features of the embodiments, which are not mentioned in the claims. Such features may also occur in combinations other than those specifically disclosed herein. The fact that several such features are mentioned in the same sentence or in a different type of textual context therefore does not justify the conclusion that they can only occur in the specifically disclosed combination; instead, it is generally to be assumed that it is also possible to omit or modify individual ones of several such features, provided this does not call into question the functionality of the invention. Show it:

1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung; 1 a block diagram of an inventive arrangement;

2 einen schematischen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine und einen Verdichter des Kältegeräts der 1. 2 a schematic section through an internal combustion engine and a compressor of the refrigeration device of 1 ,

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage mit einem Gärbehälter oder Digestor 1, einem Vorratstank 2 und einem Kältegerät wie etwa einem Kühlschrank 3. Der Digestor 1 ist ein im Wesentlichen luftdichter Behälter mit einem Fassungsvermögen von typischerweise einigen 10 bis wenigen 100 l, der über einen Befüllstutzen 4 mit Küchenabfällen oder anderem organischem Material beschickbar ist. Eine im Innern des Digestors 1 ablaufende anaerobe Gärung setzt sogenanntes Biogas, ein im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid bestehendes Gasgemisch frei, das über eine Leitung 5 aus dem Digestor 1 abgezogen und dem Vorratstank 2 zugeführt wird. Der Befüllstutzen 4 ist als Schleuse ausgebildet, mit einer Schleusenkammer, die entweder nur mit der Umgebung oder nur mit dem Digestor 1 in Verbindung steht, um ein unkontrolliertes Entweichen des Biogases zu verhindern. Über einen Hahn 6 im unteren Teil des Digestors 1 kann vollständig vergorene Flüssigkeit abgelassen und so Platz geschaffen werden für neues, über den Befüllstutzen 4 zugeführtes Material. 1 schematically shows a plant according to the invention with a fermenter or digester 1 , a storage tank 2 and a refrigeration device such as a refrigerator 3 , The digestor 1 is a substantially airtight container with a capacity of typically a few 10 to a few 100 l, which via a filling nozzle 4 with kitchen waste or other organic material is chargeable. One inside the digester 1 Expired anaerobic fermentation releases so-called biogas, a gas mixture consisting essentially of methane and carbon dioxide, which passes through a pipe 5 from the digestor 1 deducted and the storage tank 2 is supplied. The filling nozzle 4 is designed as a lock, with a lock chamber, either only with the environment or only with the digester 1 communicates to prevent an uncontrolled escape of biogas. About a cock 6 in the lower part of the digester 1 completely drained liquid can be drained off, thus making room for new, over the filling nozzle 4 supplied material.

Eine vom Vorratstank 2 ausgehende Leitung 7 kann neben dem Kältegerät 3 noch diverse andere Verbraucher wie etwa einen Herd oder dergleichen versorgen. Der Energiebedarf eines Kühlschranks von 120 l Fassungsvermögen entspricht ca. 20 g Gas pro Tag, während die aus einem Kilogramm Bioabfall gewinnbare Gasmenge ca. 85 g Methan entspricht. Die Bioabfallproduktion eines Haushalts ist daher in der Regel mehr als ausreichend, um den Energiebedarf des Kühlschranks 3 zu decken.One from the storage tank 2 outgoing line 7 can be next to the refrigerator 3 still supply various other consumers such as a stove or the like. The energy requirement of a refrigerator of 120 l capacity corresponds to approx. 20 g of gas per day, while the amount of gas recoverable from one kilogram of biowaste corresponds to approx. 85 g of methane. The biowaste production of a household is therefore usually more than adequate to the energy needs of the refrigerator 3 cover up.

Der Kühlschrank 3 umfasst eine an sich herkömmliche und daher hier nicht im Detail nicht beschriebene Kältemaschine mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, der die Wärme des verdichteten Kältemittels an die Umgebung abgibt, einer Drosselstelle, und einem Verdampfer, in welchem das an der Drosselstelle entspannte Kältemittel in thermischem Kontakt mit einer Lagerkammer des Kühlschranks 3 verdunstet und so Wärme aus der Lagerkammer aufnimmt. Während jedoch bei einem herkömmlichen Kältegerät der Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben ist, ist hier ein mit dem Gas des Digestors 1 gespeister Verbrennungsmotor vorgesehen. The refrigerator 3 comprises a per se conventional and therefore not described in detail here chiller with a compressor, a condenser, which emits the heat of the compressed refrigerant to the environment, a throttle point, and an evaporator, in which the relaxed at the throttle refrigerant in thermal contact with a storage chamber of the refrigerator 3 evaporates and absorbs heat from the storage chamber. However, while in a conventional refrigerator the compressor is driven by an electric motor, here is one with the gas of the digester 1 supplied internal combustion engine.

Insbesondere kann es sich bei dem Verbrennungsmotor um eine Miniatur-Gasturbine handeln, wie sie in 2 in einem schematischen Schnitt dargestellt ist. Miniatur-Gasturbinen für die Stromerzeugung und Techniken zu ihrer Fertigung sind z.B. aus US 6 392 313 B1 bekannt und können für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung angepasst werden. In particular, the internal combustion engine may be a miniature gas turbine, as in 2 is shown in a schematic section. Miniature gas turbines for power generation and techniques for their production are, for example US Pat. No. 6,392,313 B1 and can be adapted for use in the context of the present invention.

In 2 sind eine solche Miniatur-Gasturbine 8 und ein Verdichter 9 über eine gemeinsame Welle 10 starr miteinander verbunden dargestellt; um eine hermetische Abschirmung der in Turbine 8 und Verdichter 9 zirkulierenden Medien voneinander zu erleichtern, könnte auch die Welle 10 zwei voneinander durch eine Wand getrennte, über die Wand hinweg magnetisch aneinander gekoppelte Abschnitte umfassen. Die Turbine 8 umfasst ein Gehäuse 11 und zwei in Kammern 17, 18 des Gehäuses 11 aufgenommene Rotoren, einen Verdichterrotor 12 und einen Turbinenrotor 13. Beide Rotoren 12, 13 umfassen jeweils eine kreisrunde Grundplatte 14, 15 und von der Grundplatte 14 bzw. 15 in axialer Richtung abstehende Rotorschaufeln 16, 17. Den Rotorschaufeln 16, 17 liegen in radialer Richtung jeweils Statorschaufeln 18, 19 des Gehäuses 11 gegenüber. Der Verdichterrotor 12 saugt durch seine Drehung Frischluft und Brenngas über eine Einlassöffnung 20 des Gehäuses 11 an und verdichtet sie zusammenwirkend mit den um ihn herum angeordneten Statorschaufeln 18 in eine sich ringförmig um diese Statorschaufeln 18 erstreckende Vorkammer 21 hinein. Von dort gelangt das Gemisch in eine sich ringförmig um den Turbinenrotor 13 erstreckende Brennkammer 22. Der aus der dort stattfindenden Verbrennung resultierende Druck treibt das Gas zwischen den Statorschaufeln 19 hindurch gegen die Rotorschaufeln 17 des Turbinenrotors 13 und treibt so einerseits den Verdichterrotor 12 und andererseits einen zweiten Verdichterrotor 23 des Kältemittelverdichters 9 an. Form und Anordnung der Rotor- und Statorschaufeln 16, 18 kann im Verdichter 9 dieselbe sein wie beim Verdichterrotor 12 und der Vorkammer 21 der Turbine 8, so dass der Verdichter 9 Kältemittel über eine die Welle 10 umgebende Öffnung 24 ansaugt, und das verdichtete Kältemittel eine sich rings um die Statorschaufeln 18 erstreckende Kammer 25 über einen Durchgang 26 verlässt. In 2 are such a miniature gas turbine 8th and a compressor nine about a common wave 10 shown rigidly connected to each other; around a hermetic shield in turbine 8th and compressors nine To facilitate circulating media from each other could also be the wave 10 two separate from each other by a wall, over the wall of magnetically coupled together sections. The turbine 8th includes a housing 11 and two in chambers 17 . 18 of the housing 11 recorded rotors, a compressor rotor 12 and a turbine rotor 13 , Both rotors 12 . 13 each include a circular base plate 14 . 15 and from the base plate 14 respectively. 15 axially projecting rotor blades 16 . 17 , The rotor blades 16 . 17 lie in the radial direction in each case stator blades 18 . 19 of the housing 11 across from. The compressor rotor 12 sucks fresh air and fuel gas through an inlet through its rotation 20 of the housing 11 and compresses them in cooperation with the stator blades arranged around it 18 in a ring around these stator blades 18 extending antechamber 21 into it. From there, the mixture enters a ring around the turbine rotor 13 extending combustion chamber 22 , The pressure resulting from the combustion takes place between the stator blades 19 through against the rotor blades 17 of the turbine rotor 13 and so on the one hand drives the compressor rotor 12 and on the other hand, a second compressor rotor 23 of the refrigerant compressor nine at. Shape and arrangement of the rotor and stator blades 16 . 18 can in the compressor nine the same as the compressor rotor 12 and the antechamber 21 the turbine 8th so that the compressor nine Refrigerant over a the shaft 10 surrounding opening 24 sucks, and the compressed refrigerant around the stator blades 18 extending chamber 25 over a passage 26 leaves.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6392313 B1 [0018]

Claims

Household refrigeration appliance ( 3 ) with a refrigerant circuit in which a compressor ( nine ) circulates a refrigerant between a condenser and an evaporator, characterized by an internal combustion engine driving the compressor ( 8th ).

Domestic refrigerating appliance according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine ( 8th ) is designed for gaseous fuel.

Domestic refrigerating appliance according to claim 1 or 2, characterized in that the internal combustion engine ( 8th ) is made with microstructure techniques.

Domestic refrigerating appliance according to one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine ( 8th ) is a turbine.

Domestic refrigerating appliance according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( nine ) a paddle wheel ( 23 ) having.

Arrangement with a domestic refrigerator according to one of the preceding claims and with a fuel inlet connection ( 20 ) of the internal combustion engine ( 8th ) connected biogas generator ( 1 ).

Arrangement according to claim 6, characterized in that the biogas generator ( 1 ) with the fuel inlet port ( 20 ) via a storage container ( 2 ) connected is.