DE102013223737A1

DE102013223737A1 - Einkreis-Kältegerät

Info

Publication number: DE102013223737A1
Application number: DE102013223737.5A
Authority: DE
Inventors: Niels Liengaard
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-21
Also published as: CN105745503A; EP3071900A1; CN105745503B; US20160273822A1; RU2651302C1; RU2016120463A; WO2015074894A1

Abstract

Ein Einkreis-Kältegerät umfasst ein wärmeisolierendes Gehäuse und einen Kältemittelkreislauf, an dem zwischen einem Druckanschluss (2) und einem Sauganschluss (3) eines Verdichters (1), der Reihe nach hintereinandergeschaltet sind: ein Verflüssiger (5), eine erste Drosselstelle (6), ein eine erste in dem Gehäuse gebildete Lagerkammer (12) kühlender erster Verdampfer (7), eine zweite Drosselstelle (8), ein eine zweite in dem Gehäuse gebildete Lagerkammer (13) kühlender zweiter Verdampfer (9), wobei die zweite Drosselstelle (8) einen verstellbaren Strömungsleitwert aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einkreis-Kältegerät mit zwei unabhängig voneinander temperierbaren Lagerkammern.
In einem Einkreis-Kältegerät sind ein Verdichter, ein Verflüssiger und die Verdampfer von typischerweise zwei Lagerkammern in einem Kältemittelkreislauf in Reihe verbunden, so dass der gesamte Strom des vom Verdichter umgewälzten Kältemittels nacheinander beide Verdampfer durchfließt.
Die Verteilung der verfügbaren Kühlleistung auf die Verdampfer der Lagerkammern ist bei einem solchen Einkreis-Kältegerät herkömmlicherweise durch die Geometrie und Anordnung der Verdampfer fest vorgegeben. Der Anteil der einzelnen Lagerkammern am Gesamtkältebedarf des Geräts variiert jedoch je nach Umgebungstemperatur. Wenn ein solches Kältegerät bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur betrieben wird als derjenigen, für die es optimiert ist, nimmt der Kältebedarf der wärmeren Lagerkammer im Verhältnis stärker ab als der der kälteren Lagerkammer, so dass, wenn der Betrieb des Verdichters anhand des Kältebedarfs der wärmeren Lagerkammer gesteuert wird, die kältere Lagerkammer nicht mehr ausreichend gekühlt wird. Würde hingegen der Verdichterbetrieb anhand des Kältebedarfs der kälteren Lagerkammer gesteuert, wäre eine Unterkühlung der wärmeren Lagerkammer die Folge. Eine bekannte Lösung dieses Problems ist, an der wärmeren Lagerkammer eine Heizung vorzusehen, die beim Betrieb in kalter Umgebung zugeschaltet werden kann, um den Kältebedarf der wärmeren Lagerkammer künstlich zu erhöhen und so eine Verdichterlaufzeit sicherzustellen, die ausreicht, um auch die kältere Lagerkammer auf einer Solltemperatur zu halten. Es liegt auf der Hand, dass eine solche Heizung die Energieeffizienz des Kältegeräts empfindlich beeinträchtigt.
Zweikreis-Kältegeräte erlauben eine Temperaturregelung von zwei Lagerkammern eines Kältegeräts unabhängig voneinander. Bei diesen Geräten umfasst die Kältemittelleitung zwei Zweige, wobei über einen dieser Zweige nur einer der beiden Verdampfer mit Kältemittel beaufschlagbar ist und über den anderen Zweig entweder der andere oder beide Verdampfer in Reihe mit Kältemittel versorgt werden. Die notwendige Verzweigung macht den Kältemittelkreis deutlich komplizierter und führt zu höheren Fertigungskosten als bei einem Einkreis-Kältegerät.
Bei NoFrost-Kältegeräten besteht die Möglichkeit, die Aufteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern zu steuern, indem mit Hilfe eines Ventilators der Wärmeaustausch zwischen Verdampfer und Lagerkammer moduliert wird. Auch der Einsatz von Ventilatoren steigert Komplexität und Fertigungskosten des Geräts; außerdem erreicht ein Verdampfer, wenn der Wärmeaustausch zwischen ihm und einer zugeordneten Lagerkammer durch Ausschalten des Ventilators blockiert ist, sehr niedrige Temperaturen, die ebenfalls die Energieeffizienz des Geräts in Mitleidenschaft ziehen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Einkreis-Kältegerät zu schaffen, das eine Temperaturregelung von zwei Lagerkammern unabhängig voneinander ermöglicht, ohne dafür eine der Lagerkammern beheizen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst, in dem bei einem Einkreis-Kältegerät mit einem wärmeisolierenden Gehäuse und einem Kältemittelkreislauf, an dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters ein Verflüssiger, eine erste Drosselstelle, ein erster Verdampfer zum Kühlen einer ersten in dem Gehäuse gebildeten Lagerkammer, eine zweite Drosselstelle und ein eine zweite in dem Gehäuse gebildete Lagerkammer kühlender zweiter Verdampfer hintereinander geschaltet sind, die zweite Drosselstelle einen verstellbaren Strömungsleitwert aufweist. Die Verstellbarkeit des Strömungsleitwerts ermöglicht es, während des Betriebs des Verdichters unterschiedliche Drücke in den beiden Verdampfern und damit auch unterschiedliche Verdampfungstemperaturen des Kältemittels in den beiden Verdampfern, je nach gewünschter Temperatur in der betreffenden Lagerkammer, einzustellen.
Diese Lösung ist insbesondere auch bei Coldwall-Geräten anwendbar und erlaubt daher die Fertigung von hoch energieeffizienten und dennoch preiswerten Kältegeräten.
Eine Steuerschaltung kann mit einem an der ersten Lagerkammer angeordneten ersten Temperatursensor und mit der zweiten Drosselstelle verbunden und eingerichtet sein, den Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle bei Kältebedarf in der ersten Lagerkammer heraufzusetzen. Durch die Heraufsetzung des Strömungsleitwerts wird der Druck des Kältemittels in dem ersten Verdampfer heruntergesetzt, und durch die resultierende niedrigere Verdampfertemperatur wird die erste Lagerkammer verstärkt gekühlt.
Umgekehrt kann die Steuerschaltung mit einem an der zweiten Lagerkammer angeordneten zweiten Temperatursensor verbunden und eingerichtet sein, den Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle bei Kältebedarf in der zweiten Lagerkammer herabzusetzen. Dies führt zu einem Druck- und folglich auch einem Temperaturanstieg an dem ersten Verdampfer, so dass dieser weniger Wärme aus der ersten Lagerkammer aufnimmt und ein größerer Anteil der verfügbaren Kühlleistung zum Kühlen der zweiten Lagerkammer zur Verfügung steht.
Wenn Kältebedarf in beiden Lagerkammern auftritt, sollte die Steuerschaltung in der Lage sein, mehr Kühlleistung bereitzustellen, indem sie die Drehzahl des drehzahlgeregelten Verdichters heraufsetzt.
Der Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle kann in einem Zustand maximaler Öffnung groß im Vergleich zum Strömungsleitwert der ersten Drosselstelle sein. So fällt, wenn sich die zweite Drosselstelle im Zustand maximaler Öffnung befindet, der vom Verdichter aufgebaute Druck im Wesentlichen vollständig an der ersten Drosselstelle ab, und die Druckdifferenz zwischen den beiden Verdampfern ist gering, so dass in beiden Lagerkammern im Wesentlichen gleiche Temperaturen erhalten werden können.
Da der Druck im stromabwärtigen Verdampfer nicht höher sein kann als im stromaufwärtigen Ersten, ist die zweite Lagerkammer zweckmäßigerweise für eine tiefere Betriebstemperatur ausgelegt als die erste Lagerkammer. Insbesondere sollte wenigstens die zweite Lagerkammer als Gefrierfach betreibbar sein. Ob die erste Lagerkammer ebenfalls als Gefrierfach oder bei einer höheren Temperatur nutzbar ist, ist über die Einstellung der zweiten Drosselstelle festlegbar.
Umgekehrt sollte wenigstens die erste Lagerkammer als Normalkühlfach betreibbar sein, was den Einsatz bei tieferen Temperaturen, bei entsprechender Einstellung der zweiten Drosselstelle, nicht ausschließt.
Um die Betriebsgeräuschemission durch das Kältegerät zu minimieren, sollte die zweite Drosselstelle ein Stetigventil umfassen. Da an einem solchen Ventil unterschiedliche Durchgangsquerschnitte konstant eingestellt werden können, werden Druckschwankungen des Kältemittels während des Verdichterbetriebs minimiert, was es erlaubt, die Geräuschemission des Kältegeräts insgesamt gering zu halten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines erfindungsgemäßen Kältegeräts; und
2 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse des Kältegeräts.
Der in 1 gezeigte Kältemittelkreislauf umfasst einen drehzahlgeregelten Verdichter 1 mit einem Druckanschluss 2 und einem Sauganschluss 3. Eine von dem Druckanschluss 2 ausgehende Kältemittelleitung 4 verläuft in Zirkulationsrichtung des Kältemittels zunächst über einen Verflüssiger 5 und eine erste Drosselstelle 6, hier in fachüblicher Weise als Kapillarleitung realisiert, zu einem ersten Verdampfer 7. Eine zweite, verstellbare Drosselstelle 8 befindet sich zwischen einem Auslassanschluss des Verdampfers 7 und einem Einlassanschluss eines zweiten Verdampfers 9. Ein Auslassanschluss des Verdampfers 9 ist mit dem Sauganschluss 3 des Verdichters 1 verbunden.
Zwei Temperaturfühler 10, 11 sind in von den Verdampfern 7 bzw. 9 gekühlten Lagerkammern 12, 13 angeordnet und mit einer Steuereinheit 14 verbunden, die anhand der von den Temperaturfühlern 10, 11 erfassten Temperaturen die Drehzahl des Verdichters 1 und den Strömungsleitwert der Drosselstelle 8 steuert.
In einem ersten Betriebsmodus vergleicht die Steuereinheit 14 fortlaufend die von den Temperaturfühlern 10, 11 erfassten Temperaturen mit in herkömmlicher Weise durch einen Benutzer einstellbaren Solltemperaturen für die Lagerkammern 12, 13. Wenn die in einer der Lagerkammern 12, 13 erfasste Temperatur die eingestellte Solltemperatur signifikant, um mehr als einen vorgegebenen Wert ε, überschreitet, stellt die Steuereinheit 14 Kältebedarf der betreffenden Lagerkammer fest; Diese Feststellung bleibt so lange bestehen, bis die in der betreffenden Kammer gemessene Temperatur um mehr als ε unter die Solltemperatur des betreffenden Fachs abgefallen ist.
Wenn zum Beispiel Kältebedarf in der Lagerkammer 12 festgestellt wird, nicht aber in der Lagerkammer 13, dann setzt die Steuereinheit 14 den Strömungsleitwert der Drosselstelle 8 um ein vorgegebenes Inkrement herauf, mit der Folge, dass der Druckabfall an der Drosselstelle 8 ab- und an der Drosselstelle 6 zunimmt. Der Druck im Verdampfer 7 nimmt ab, folglich sinkt auch die Siedetemperatur des Kältemittels im Verdampfer 7, und die Lagerkammer 12 wird verstärkt gekühlt. Da die Leistung des Verdichters 1 nicht verändert wird, nimmt im Gegenzug die am Verdampfer 9 verfügbare Kühlleistung ab.
Das Inkrement kann fest vorgegeben sein oder von der Steuereinheit 14 proportional zur Abweichung der gemessenen Temperatur von der Solltemperatur der betreffenden Lagerkammer festgelegt werden. Wenn einige Minuten nach dem Verstellen der Drosselstelle 8 eine Temperaturabnahme festgestellt wird, ist die Verstellung der Drosselstelle 8 offensichtlich ausreichend; wird keine Temperaturabnahme festgestellt, dann wird der Strömungsleitwert erneut inkrementiert.
Wenn es dadurch zu einer Erwärmung der Lagerkammer 13 kommt, und deren Temperatur den Sollwert für dieses Fach um mehr als ε überschreitet, stellt die Steuereinheit 14 Kältebedarf in der Lagerkammer 13 fest. Auch diese Feststellung bleibt so lange bestehen, bis die Temperatur in der Lagerkammer 13 fällt um wenigstens ε unter den Sollwert abgefallen ist.
Wenn in der Lagerkammer 13 Kältebedarf besteht, in der Lagerkammer 12 aber nicht, reagiert die Steuereinheit 14 durch ein Herabsetzen des Strömungsleitwerts der Drosselstelle 8. Dadurch steigt der Druck im Verdampfer 7, und der im Verdampfer 9 fällt. Infolgedessen steigt die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 7 an, und es wird weniger Wärme aus der Lagerkammer 12 aufgenommen, so dass ein größerer Anteil des Kältemittels in flüssigem Zustand den Verdampfer 9 erreicht. Somit steht, zu Lasten der Kühlung der Lagerkammer 12, mehr Kühlleistung zum Kühlen der Lagerkammer 13 zur Verfügung.
Wenn die Drehzahl des Verdichters 1 insgesamt ausreichend ist, um beide Kammern 12, 13 auf ihren Solltemperaturen zu halten, wechseln sich somit Phasen verstärkter Kühlung der Kammer 12 und Phasen verstärkter Kühlung der Kammer 13 ab. Wenn längere Zeitspannen existieren, in denen weder die Kammer 12 noch die Kammer 13 Kältebedarf hat, ist die Leistung des Verdichters 1 höher als zum Kühlen der Kammern 12, 13 erforderlich; in diesem Fall wird die Drehzahl des Verdichters 1 langsam und in kleinen Schritten dekrementiert, um einen Einstellwert zu finden, bei dem die Leistung des Verdichters 1 dem Kältebedarf der Kammern 12, 13 möglichst exakt entspricht.
Gleichzeitiger Kältebedarf in beiden Kammern 12, 13 ist ein Indiz dafür, dass die Leistung des Verdichters 1 nicht ausreicht, um die Kammern 12, 13 auf Solltemperatur zu halten; daher inkrementiert in einem solchen Fall die Steuereinheit 14 langsam und schrittweise die Drehzahl des Verdichters 1, bis in einer der Lagerkammern 12, 13 kein Kältebedarf mehr besteht.
Unter stationären Bedingungen führt die oben beschriebene Hysterese bei der Feststellung des Bestehens bzw. Nichtmehrbestehens von Kältebedarf dazu, dass die Lagerkammern 12, 13 dazu neigen, jeweils phasenversetzt Kältebedarf aufzuweisen. Der Verdichter 1 kann daher sehr gleichmäßig, mit selten und nur um einen über wenige Schritte veränderter Drehzahl, arbeiten; für die Aufteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 12, 13 genügen geringfügige Änderungen des Strömungsleitwerts an der Drosselstelle 8. Aufgrund des kontinuierlichen Betriebs können die Temperaturen beider Verdampfer 7, 9 nahe an der Solltemperatur der jeweils entsprechenden Lagerkammer 12 bzw. 13 gehalten werden, was einen sehr energieeffizienten Betrieb erlaubt. Indem die Drosselstelle 8 durch ein Stetigventil gebildet ist, dessen Durchgangsquerschnitt zahlreiche den jeweils zu realisierenden Strömungsleitwerten entsprechende Stellungen stationär einnehmen kann, werden Druckschwankungen im Kältemittelkreislauf vermieden, die zur Emission von Betriebsgeräuschen führen könnten.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Kältegerät mit dem in 1 gezeigten Kältemittelkreislauf. Sein Gehäuse 15 umfasst in fachüblicher Weise einen wärmeisolierenden Korpus 16, in welchem die zwei Lagerkammern 12, 13, jeweils von einer Tür 17 verschlossen, gebildet sind. Die Verdampfer 7, 10 sind jeweils zwischen einem Innenbehälter 20 der Lagerkammern 12, 13 und einer diesen umgebenden Isolationsmaterialschicht 18 angeordnet. Sie können, im Falle der Lagerkammer 12, nur an einer Rückwand 19 angeordnet sein oder, wie im Falle der Lagerkammer 13, sich auch auf andere Wände des Innenbehälters 20 erstrecken. Der Verdichter 1 und, im hier betrachteten Fall, auch der Verflüssiger 5 und die zweite Drosselstelle 8 sind in einem Maschinenraum 21 an der Rückseite des Korpus 15 untergebracht.
Der im Kältemittelkreislauf stromaufwärts gelegene Verdampfer 7 ist hier auch der Verdampfer der oberen Lagerkammer 12, so dass die Zirkulationsrichtung des flüssigen Kältemittels durch die Verdampfer 7, 9 im Wesentlichen von oben nach unten verläuft. Da der Druck im stromaufwärtigen Verdampfer 7 niemals niedriger sein kann als im stromabwärtigen Verdampfer 9, kann die Lagerkammer 12 als Normalkühlfach und die Lagerkammer 13 als Gefrierfach benutzt werden, nicht aber umgekehrt.
Es kann ein zweiter Betriebsmodus an der Steuereinheit 14 einstellbar sein, in welchem die Drosselstelle 8 stets in einem Zustand maximalen Durchgangsquerschnitts gehalten ist, so dass die Druckdifferenz zwischen den beiden Verdampfern 7, 9 vernachlässigbar ist gegenüber derjenigen an der Drosselstelle 6. In diesem Betriebszustand sind, je nach Einstellung der Leistung des Verdichters 1, beide Lagerkammern 12, 13 mit gleicher Solltemperatur, insbesondere als Normalkühlfach oder als Gefrierfach, betreibbar.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Druckanschluss
3: Sauganschluss
4: Kältemittelleitung
5: Verflüssiger
6: erste Drosselstelle
7: erster Verdampfer
8: zweite Drosselstelle
9: zweiter Verdampfer
10: Temperaturfühler
11: Temperaturfühler
12: Lagerkammer
13: Lagerkammer
14: Steuereinheit
15: Korpus
16: Tür
17: Tür
18: Isolationsmaterialschicht
19: Rückwand
20: Innenbehälter
21: Maschinenraum

Claims

Einkreis-Kältegerät mit einem wärmeisolierenden Gehäuse (15) und einem Kältemittelkreislauf, an dem zwischen einem Druckanschluss (2) und einem Sauganschluss (3) eines Verdichters (1), der Reihe nach hintereinandergeschaltet sind: ein Verflüssiger (5), eine erste Drosselstelle (6), ein eine erste in dem Gehäuse (15) gebildete Lagerkammer (12) kühlender erster Verdampfer (7), eine zweite Drosselstelle (8), ein eine zweite in dem Gehäuse (15) gebildete Lagerkammer (13) kühlender zweiter Verdampfer (9), wobei die zweite Drosselstelle (8) einen verstellbaren Strömungsleitwert aufweist.
Einkreis-Kältegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfer (7, 9) Coldwall-Verdampfer sind.
Einkreis-Kältegerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (14), die mit einem an der ersten Lagerkammer (12) angeordneten ersten Temperatursensor (10) verbunden ist und eingerichtet ist, den Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle (8) bei Kältebedarf in der ersten Lagerkammer (12) heraufzusetzen.
Einkreis-Kältegerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (14), die mit einem an der zweiten Lagerkammer (13) angeordneten zweiten Temperatursensor (11) verbunden ist und eingerichtet ist, den Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle (8) bei Kältebedarf in der zweiten Lagerkammer (13) herabzusetzen.
Einkreis-Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (14), die eingerichtet ist, die Drehzahl des drehzahlgeregelten Verdichters (1) bei Kältebedarf in der ersten und der zweiten Lagerkammer heraufzusetzen.
Einkreis-Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitwert der zweiten Drosselstelle (8) in einem Zustand maximaler Öffnung groß ist im Vergleich zum Strömungsleitwert der ersten Drosselstelle (6).
Einkreis-Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drosselstelle (8) ein Stetigventil umfasst.
Einkreis-Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die zweite Lagerkammer (13) als Gefrierfach betreibbar ist.
Einkreis-Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Lagerkammer (12) als Normalkühlfach betreibbar ist.