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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, und eine darin verwendete Kältemaschine.
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Kältemaschinen für Haushaltskältegeräte umfassen im Allgemeinen einen Verdichter, einen Verflüssiger und einen Verdampfer, die miteinander in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf verbunden sind, so dass von dem Verdichter verdichtetes Kältemittel im Verflüssiger unter Wärmeabgabe kondensiert und nach Entspannung, durch Verdampfen bei niedriger Temperatur, den Verdampfer kühlt.
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Aus
US 2 962 871 ist eine Kältemaschine bekannt, bei der eine Nebenflussleitung mit dem Kältemittelkreislauf einerseits über einen zwischen einem Druckanschluss des Verdichters und dem Verflüssiger angeordneten ersten Anschlusspunkt und andererseits über einen zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer angeordneten zweiten Anschlusspunkt verbunden ist und so Druckanschluss und Sauganschluss des Verdichters über den Verdampfer miteinander kurzschließt. Ein Absperrventil ist in der Nebenflussleitung angeordnet, um einen Kältemittelfluss über den Verflüssiger erzwingen zu können.
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Die bei diesem herkömmlichen Kältegerät vorgesehen kurzen Ruhephasen des Verdichters reichen nicht aus, um einen Druckausgleich zwischen Druckanschluss und Sauganschluss des Verdichters herbeizuführen, sodass der Verdichter, wenn er gegen den im Verflüssiger herrschenden Überdruck anarbeiten muss, Schwierigkeiten hat, zu starten. Indem bei einem Start des Verdichters das Absperrventil in der Nebenflussleitung geöffnet wird, kann ein Druckausgleich zwischen Druck- und Sauganschluss des Verdichters herbeigeführt werden, und die Anlaufschwierigkeiten des Verdichters werden vermieden.
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Allerdings führt jedes Öffnen des Absperrventils zu erheblichen Effizienzverlusten, da der Überdruck im Verflüssiger abgebaut und in ihm gespeicherte mechanische Arbeit ungenutzt verloren geht, zum anderen, weil der Druckabfall im Verflüssiger dort zu einer Verdampfung und einer starken Abkühlung führt, was zur Folge hat, dass der Verflüssiger Umgebungswärme aufnimmt, anstatt, seiner eigentlichen Bestimmung gemäß, Wärme an die Umgebung abzugeben. Nicht zuletzt gelangt durch den Druckausgleich gasförmiges Kältemittel in den Verdampfer und gibt dort in erheblicher Menge Kondensationswärme ab, die zu Beginn jeder Betriebsphase des Verdichters erst wieder beseitigt werden muss, bevor der Verdampfer seinerseits wirksam ein Kühlfach kühlen kann.
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Um die Kältemaschine auch gegen einen Überdruck am Druckanschluss des Verdichters starten zu können, könnte auch ein drehzahlgeregelter Verdichter eingesetzt werden. Die Kosten für einen solchen Verdichter und die Steuerung, die ihn zunächst langsam anfahren und dann beschleunigen lässt, sind jedoch deutlich höher als die eines nicht drehzahlgeregelten Verdichters.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kältemaschine zu schaffen, die einerseits ein leichtes Anfahren des Verdichters trotz bestehender Druckunterschiede zwischen Verflüssiger und Verdampfer ermöglicht, die aber gleichzeitig die mit der oben beschriebenen herkömmlichen Technik verbundenen Wirkungsgradverluste vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Kältemaschine mit einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Verdampfer, die miteinander in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf verbunden sind, und einer Nebenflussleitung, die mit dem Kältemittelkreislauf einerseits über einen zwischen einem Druckanschluss des Verdichters und dem Verflüssiger angeschlossenen ersten Anschlusspunkt und andererseits über einen zwischen dem Verflüssiger und Verdampfer angeordneten zweiten Anschlusspunkt verbunden ist, Ventilmittel zum Absperren des Kältemittelkreislaufs zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem Verflüssiger sowie zwischen dem Verflüssiger und dem zweiten Anschlusspunkt vorgesehen sind. Diese Ventilmittel erlauben es, einen Druckausgleich zwischen Saug- und Druckanschluss des Verdichters herzustellen, gleichzeitig aber einen Druckausgleich zwischen Verdampfer und Verflüssiger und damit eine unerwünschte Erwärmung des Verdampfers bzw. Abkühlung des Verflüssigers bzw eine Verlagerung von Kältemitteldampf vom Verflüssiger zum Verdampfer zu vermeiden.
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Eines dieser Ventilmittel ist vorzugsweise ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil, d.h. ein Wegeventil mit 3 Anschlüssen und 2 Stellungen, das in einer ersten Stellung einen verflüssigerseitigen ersten Anschluss mit dem dritten Anschluss und in der zweiten Stellung einen nebenflussseitigen zweiten Anschluss mit dem dritten Anschluss verbindet, aber in keiner Stellung den ersten mit dem zweiten verbindet.
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Als ein weiteres Ventilmittel kann ein einfaches Rückschlagventil verwendet werden.
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Vorzugsweise ist das Rückschlagventil zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem Verflüssiger vorgesehen, da ein Ventilmittel an dieser Stelle, um den Fluss des dort gasförmigen Kältemittels zu steuern, einen relativ weiten Leitungsquerschnitt haben muss, der mit dem einfachen und preiswerten Rückschlagventil günstiger realisierbar ist als mit dem Wegeventil. Wenn stattdessen das Wegeventil zwischen Verflüssiger und Verdampfer angeordnet ist, wo das Kältemittel im Wesentlichen flüssig ist, kann der Querschnitt des Wegeventils relativ gering gehalten werden, was die Verwendung eines kompakten und preiswerten Wegeventils ermöglicht.
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Eine Drosselstelle, an der sich das vom Verdichter komprimierte Kältemittel vor dem Eintritt in den Verdampfer wieder entspannt, ist vorzugsweise zwischen dem Verflüssiger und dem zweiten Anschlusspunkt vorgesehen. So kann Kältemittel über die Nebenflussleitung dem Verdampfer zugeführt werden, ohne vorher die Drosselstelle zu passieren, was einen schnellen Druckanstieg am Druckausgang des Verdichters beim Verdichterstart zu vermeiden hilft und somit das Anlaufen des Verdichters unterstützt.
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Eine den Ventilmitteln zugeordnete Steuereinheit sollte eingerichtet sein, um in einer stationären Betriebsphase des Verdichters die Nebenflussleitung geschlossen zu halten und sie vor Erreichen der stationären Betriebsphase wenigstens zeitweilig offenzuhalten, um den Druckausgang zwischen den Anschlüssen des Verdichters herzustellen. Der Offenstand der Nebenflussleitung kann bereits beim Start des Verdichters beendet sein; vorzugsweise besteht er noch kurze Zeit fort, während der Verdichter beschleunigt, so dass in dieser Zeit kein Gegendruck das Beschleunigen behindert.
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Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, um Abtaubedarf des Verdampfers zu erkennen und bei Bestehen von Abtaubedarf den Verdichter bei offener Nebenflussleitung zu betreiben. Wenn das Kältemittel unter Umgehung des Verflüssigers umgewälzt wird, erwärmt es sich durch Aufnahme von Wärmeenergie des Zylinderkopfes, und diese im Verdampfer freigesetzte Wärme unterstützt dort den Abtauvorgang, so dass auf zusätzliche Mittel zum Erwärmen des Verdampfers wie etwa eine elektrische Heizung verzichtet werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Haushaltskältegerät mit einer Kältemaschine wie oben beschrieben.
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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:
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1 ein erfindungsgemäßes Kältegerät in einem schematischen Querschnitt; und
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2 ein Blockdiagramm einer Kältemaschine des Kältegeräts aus 1
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1 zeigt in einem schematischen Querschnitt ein Haushaltskältegerät wie etwa einen Kühlschrank mit einem Korpus 1 und einer Tür 2, die ein wärmeisolierendes Gehäuse rings um einen Innenraum bilden. Bei dem hier als Beispiel dargestellten Nofrost-Kühlschrank ist der Innenraum durch eine Trennwand 3 unterteilt in eine Lagerkammer 4 und eine Verdampferkammer 5, und ein Ventilator 6 ist an einem Durchgang der Trennwand 3 zwischen Lagerkammer 4 und Verdampferkammer 5 angeordnet, um den Luftaustausch zwischen beiden anzutreiben. Die Erfindung ist aber auch bei anderen Kältegerätetypen, z.B. in Coldwall-Bauweise, anwendbar.
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Eine Kältemaschine 23 des Kühlschranks umfasst, wie auch in 2 zu erkennen, in an sich bekannter Weise einen Verdichter 7, einen mit einem Druckanschluss 8 des Verdichters 7 verbundenen Verflüssiger 9 und einen in der Verdampferkammer 5 angeordneten Verdampfer 10, der einerseits über eine Drosselstelle 11 mit dem Verflüssiger 9 und andererseits mit dem Sauganschluss 12 des Verdichters 7 verbunden ist. Die Drosselstelle 11 kann als Kapillare ausgebildet sein, die auf einem Teil ihrer Länge in thermischem Kontakt an einer vom Verdampfer 10 zum Verdichter 7 verlaufenden Saugleitung 17 an deren Oberfläche oder in deren Innerem geführt ist.
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Zwischen dem Druckanschluss 8 des Verdichters 7 und einem Einlassanschluss des Verflüssigers ist ein Rückschlagventil 13 so angeordnet, das es ein Kältemittelfluss vom Verdichter 7 zum Verflüssiger 9 zulässt, nicht aber einen Fluss in entgegengesetzter Richtung, wenn der Verdichter 7 ausgeschaltet ist. Eine Nebenflussleitung 14 erstreckt sich von einem ersten Anschlusspunkt 15 zwischen Druckanschluss 8 und Rückschlagventil 13 zu einem ersten Anschluss 20 eines 3/2-Wegeventils 16, dessen zwei andere Anschlüsse 21, 22 mit der Drosselstelle 11 bzw. dem Verdampfer 10 verbunden sind. Da das Kältemittel nach Durchgang durch die Drosselstelle 11 bereits entspannt und auf niedriger Temperatur ist, wenn es das Wegeventil 16 erreicht, ist das Wegeventil 16, wie in 1 gezeigt, im Innenraum des Kältegeräts, insbesondere in der Verdampferkammer 5, angeordnet.
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Eine Steuerschaltung 18 ist mit einem an der Lagerkammer 4 angeordneten Temperatursensor 19 verbunden, um den Verdichter 7 einzuschalten, wenn die Temperatur der Lagerkammer 4 eine Einschaltschwelle überschreitet, und ihn wieder auszuschalten, wenn sie einen Ausschaltschwelle unterschreitet. Diese einfache Art der Ansteuerung erlaubt die Verwendung eines preiswerten, nicht drehzahlgeregelten Verdichters. Die Steuerschaltung 18 ist ferner mit dem Wegeventil 16 verbunden, um jeweils beim Ausschalten des Verdichters 7 den Kältemittelkreislauf zwischen der Drosselstelle 11 und dem Verdampfer 10 zu unterbrechen und stattdessen den Eingang des Verdampfers 10 über die Nebenflussleitung 14 direkt mit dem Druckanschluss 8 des Verdichters 7 zu verbinden. So bleibt in einer Ausschaltphase des Verdichters 7 ein hoher Druck im Verflüssiger 9 zwischen dem Wegeventil 16 und dem Rückschlagventil 13 bestehen, und ein beträchtlicher Teil des gesamten in der Kältemaschine 23 zirkulierenden Kältemittels ist in dem zwischen Rückschlagventil 13 und Wegeventil 16 abgetrennten Teil des Kältemittelkreislaufs eingeschlossen.
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Wenn der Verdichter 7 wieder eingeschaltet wird, belässt die Steuerschaltung 18 das Wegeventil 16 solange in der beschriebenen Stellung wie erforderlich, damit der Verdichter 7 eine Laufgeschwindigkeit erreicht, in der gegen den Druck im Verflüssiger 9 anarbeiten kann. Das Beschleunigen des Verdichters 7 ist hier nicht zuletzt durch die Tatsache erleichtert, dass aufgrund des Einschlusses eines Großteils des Kältemittels im Verflüssiger 9 der Druck an den Anschlüssen des Verdichters 7 auch zum Zeitpunkt des Einschaltens niedrig und der Massenfluss des Kältemittels daher auch dann gering bleibt, wenn der Verdichter 7 beschleunigt. Nach einer vorgegebenen Wartezeit, wenn der Verdichter 7 seine Nenndrehzahl erreicht hat oder kurz davor, wird das Wegeventil 16 umgeschaltet, um die Nebenflussleitung 14 zu sperren und den Kältemittelfluss zum Verdampfer 10 über die Drosselstelle 11 wieder freizugeben.
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Im Extremfall kann die Zeitverzögerung zwischen dem Einschalten des Verdichters 7 und dem Umschalten des Wegeventils 16 sogar Null sein; in diesem Fall genügt das Volumen der Nebenflussleitung 14, um den Druckanstieg am Druckanschluss 8 beim Verdichterstart soweit zu verzögern, dass der Verdichter 7 problemlos anläuft.
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Bei einem Nofrost-Kältegerät wie in 1 gezeigt können einer Weiterbildung der Erfindung zufolge die Nebenflussleitung 14 und das Wegeventil 16 auch zum Abtauen des Verdampfers 10 im Bedarfsfall genutzt werden. Abtaubedarf kann jeweils in festen Zeitabständen oder nach Verstreichen einer vorgegebenen Betriebszeit des Verdichters 7 angenommen werden. Basierend auf Messergebnissen des Temperatursensors 19 kann die Steuerschaltung 18 auf Abtaubedarf schließen, wenn die Lagerkammer 4 sich nach Einschalten des Verdichters 7 langsamer abkühlt als normal; alternativ kann auch ein Eissensor unmittelbar am Verdampfer 10 vorgesehen sein. Wenn Abtaubedarf festgestellt worden ist, betreibt die Steuerschaltung 18 den Verdichter 7, während gleichzeitig der Weg des Kältemittels über die Nebenflussleitung 14 offen bleibt. Der Verdichter erzeugt – etwa durch Reibung eines Kolbens an den Wänden eines Zylinders, in dem er sich hin und herbewegt – Reibungswärme, die von dem dabei umgewälzten Kältemittelgas aufgenommen und über die Nebenstromleitung 14 zum Verdampfer 10 transportiert und dort abgegeben wird.
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Um den Abtauprozess zu effektivieren, kann vorgesehen sein, dass vor Beginn des Abtauens das Wegeventil 16 eine Zeit lang die Verbindung zwischen Verflüssiger 9 und Verdampfer 10 herstellt, um die Menge des während des Abtauvorgangs zirkulierenden Kältemittels zu erhöhen und so die am Verdampfer 10 verfügbare Heizleistung zu steigern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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