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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit zwei von einer Wärmedämmschicht umgebenen Kühlzonen wie etwa einer Normalkühlzone und einer Gefrierzone.
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Derartige Kombinationskältegeräte haben oft eine Kältemaschine, bei der Verdampfer der verschiedenen Kühlzonen in einem Kältemittelkreislauf in Reihe verbunden sind. Ein solcher Kältemittelkreislauf hat ein recht großes Volumen und benötigt zu seiner Füllung eine entsprechend große Menge an Kältemittel. Aus Umweltschutzgründen und auch aufgrund gesetzlicher Bestimmungen auf manchen Märkten ist es wünschenswert, mit einer geringen Menge an Kältemittel auskommen zu können.
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Eine Verringerung der Kältemittelmenge ist möglich, wenn die Kältemaschine nur einen einzigen Verdampfer umfasst und an dem Verdampfer abgekühlte Luft gesteuert umgewälzt wird, um wahlweise verschiedene Fächer des Kältegeräts zu kühlen. Nachteilig an dieser Technik ist, dass infolge des unvermeidlichen Luftaustauschs zwischen den Kühlzonen Gerüche sich von einer Kühlzone in die andere ausbreiten und dass Feuchtigkeit aus der Luft der wärmeren Kühlzone am Verdampfer stark auskondensiert, so dass der Verdampfer schnell vereist und häufig abgetaut werden muss und auch Kühlgut in der wärmeren Kühlzone schnell austrocknet.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Kombinationskältegerät zu schaffen, bei dem eine starke Austrocknung der wärmeren Kühlzone und eine schnelle Vereisung des Verdampfers vermieden werden können und gleichzeitig die Menge des verwendeten Kältemittels niedrig gehalten werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit zwei von einer Wärmedämmschicht umgebenen Kühlzonen und einer Kältemaschine, die einen Verdichter, einen außerhalb der Wärmedämmschicht angeordneten Verflüssiger und einen innerhalb der Wärmedämmschicht, an einer ersten der beiden Kühlzonen, angeordneten Verdampfer umfasst, ein Thermosiphon angeordnet ist, um Wärme von der zweiten in die erste Kühlzone zu transportieren.
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Da die zweite Kühlzone über den Thermosiphon gekühlt ist, benötigt die Kältemaschine keinen eigenen, an der zweiten Kühlzone angeordneten Verdampfer. Gleichzeitig macht der Thermosiphon einen Luftaustausch zwischen den Kühlzonen überflüssig, so dass auch eine übermäßige Austrocknung der Luft der zweiten Kühlzone vermieden werden kann und der Verdampfer seltener abgetaut werden muss.
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Ein Thermosiphon umfasst im Allgemeinen einen Verdampfungsbereich, in dem ein in dem Thermosiphon zirkulierender Wärmeträger verdampft und dabei Wärme aufnimmt, und einen Kondensationsbereich, in dem er kondensiert und dabei die Wärme wieder abgibt. Ein solcher Kondensationsbereich ist bei dem erfindungsgemäßen Kältegerät zweckmäßigerweise in thermischem Kontakt mit der ersten Kühlzone angeordnet, während der Verdampfungsbereich in thermischem Kontakt mit der zweiten Kühlzone steht.
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Ein erster Durchgang kann von einem unteren Ende des Kondensationsbereichs aus abwärts zum Verdampfungsbereich verlaufen, damit darin kondensierter Wärmeträger seinem eigenen Gewicht folgend zum Verdampfungsbereich abfließen kann, ohne dass es dafür einer Pumpe oder dergleichen bedarf.
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Ein zweiter Durchgang zwischen Kondensations- und Verdampfungsbereich erleichtert die Zirkulation des Wärmeträgers, da Wärmeträgerflüsse vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich und in entgegengesetzter Richtung voneinander getrennt gehalten werden können.
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Der zweite Durchgang kann vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich wenigstens abschnittweise abwärts verlaufen, um die Ausbildung einer Wärmeschichtung im zweiten Durchgang zu ermöglichen, durch den der Wärmeträgerfluss im zweiten Durchgang im Wesentlichen zum Erliegen gebracht werden kann, ohne dass es dafür einer mechanischen Sperrung des zweiten Durchgangs bedarf.
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Eine Steuereinheit ist zweckmäßigerweise mit einem Temperatursensor der zweiten Kühlzone verbunden und eingerichtet, den Wärmetransport von der zweiten in die erste Kühlzone freizugeben, wenn die von dem ersten Temperatursensor erfasste Temperatur einen Grenzwert übersteigt.
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Es kann ein zweiter Grenzwert der von diesem Temperatursensor erfassten Temperatur festgelegt sein, bei dessen Unterschreitung die Steuereinheit den Wärmetransport unterbindet.
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Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Wärmetransport zu unterbinden, wenn die Temperatur der ersten Kühlzone einen Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine übermäßige Erwärmung der ersten Kühlzone verhindert werden, falls die zweite Kühlzone nicht korrekt verschlossen ist und einem starken Zufluss von Umgebungswärme ausgesetzt ist.
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Um den Wärmetransport zwischen den Kühlzonen freizugeben bzw. zu unterbinden, kommen verschiedene Ansätze in Betracht. Einem ersten Ansatz zu Folge kann ein Durchgang, insbesondere der oben erwähnte erste Durchgang, zwischen einem in thermischem Kontakt mit der ersten Kühlzone stehenden Kondensationsbereich und einem in thermischem Kontakt mit der zweiten Kühlzone stehenden Verdampfungsbereich des Thermosiphons durch ein von der Steuereinheit gesteuertes Ventil absperrbar sein.
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Dem Verdampfer kann ferner ein Ventilator zugeordnet sein, um den Wärmeaustausch des Verdampfers mit der ersten Kühlzone zu intensivieren. Wenn der Kondensationsbereich in der ersten Kühlzone in engem thermischem Kontakt mit dem Verdampfer steht, dann sollte im Regelbetrieb, um eine Ausbreitung von durch den Thermosiphon aus der zweiten Kühlzone herangeführter Wärme in der ersten Kühlzone zu vermeiden, der Anteil der Betriebszeit des Ventilators an der Betriebszeit des Verdichters bei gesperrtem Wärmetransport größer sein als an der Betriebszeit des Verdichters bei freigegebenem Wärmetransport. Idealerweise sollte dann der Ventilator ausschließlich bei gesperrtem Wärmetransport im Betrieb sein.
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Falls hingegen Verdampfer und Kondensationsbereich in der ersten Kühlzone räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, dann kann es auch vorteilhaft sein, den Ventilator zu betreiben, während der Wärmetransport über den Thermosiphon freigegeben ist, um so den Wärmeaustausch zwischen dem Verdampfer und dem Kondensationsbereich zu fördern.
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Unabhängig von der Anordnung des Verdampfers und des Kondensationsbereichs zueinander kann ein Betrieb des Ventilators bei freigebenem Wärmetransport über den Thermosiphon sinnvoll sein, um z.B. bei einem anfänglichen Abkühlen des Geräts nach Inbetriebnahme, wenn erste und zweite Kühlzone weit über ihren Solltemperaturen sind, eine hohe Verdampfungstemperatur zu erzielen.
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Die erste Kühlzone kann in eine den Verdampfer aufnehmende Verdampferkammer und eine Lagerkammer unterteilt sein. In einem solchen Fall kann der Ventilator angeordnet sein, um einen Luftaustausch zwischen der Verdampferkammer und der Lagerkammer anzutreiben. Eine Ausbreitung von durch den Thermosiphon aus der zweiten Kühlzone abtransportierter Wärme in die Lagerkammer kann so weitgehend vermieden werden.
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Des Weiteren kann diese aus der zweiten Kühlzone herantransportierte Wärme für ein energiesparendes Abtauen des Verdampfers genutzt werden.
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Auch dem Verdampfungsbereich des Thermosiphons kann zum Intensivieren des Wärmeaustauschs mit der zweiten Kühlzone ein Ventilator zugeordnet sein. Wenn dieser Ventilator geeignet angeordnet ist, kann es zum Unterbinden des Wärmetransports über den Thermosiphon genügen, dass die Steuereinheit den Ventilator ausschaltet. Das oben erwähnte zweite Ventil kann dann entfallen.
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Um den Wärmetransport über den Thermosiphon auf diese Weise unterbinden zu können, ist zweckmäßigerweise die zweite Kühlzone in eine den Verdampfungsbereich des Thermosiphons aufnehmende Nebenkammer und eine Lagerkammer unterteilt.
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Um eine effiziente Wärmeübertragung vom Thermosiphon auf den Verdampfer zu erreichen, umfasst der Kondensationsbereich des Thermosiphons vorzugsweise eine Wärmeträgerleitung, die durch den Verdampfer selbst verläuft.
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Wenn der Verdampfer ein Lamellenverdampfer ist, kann eine solche Wärmeträgerleitung – in gleicher Weise wie üblicherweise eine Kältemittelleitung – die Lamellen des Lamellenverdampfers kreuzen.
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Wenn der Verdampfer ein Plattenverdampfer ist, können auf diesem eine Kältemittelleitung und die Wärmeträgerleitung nebeneinander verlaufen.
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Ferner kann der Verdampfer ein Mehrkanalrohr umfassen, wobei ein Kanal des Mehrkanalrohrs Kältemittel der Kältemaschine und ein anderer Kanal den Wärmeträger des Thermosiphons führt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kältegeräts;
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2 einen schematischen Schnitt durch einen Korpus des Kältegeräts;
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3 einen schematischen Schnitt durch den Korpus des Kältegeräts gemäß einer Abwandlung;
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4 ein Bruchstück eines Plattenwärmetauschers zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Kältegerät;
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5 ein Bruchstück eines Drahtrohrwärmetauschers;
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6 einen Lamellenwärmetauscher; und
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7 ein Bruchstück eines Wärmetauschers mit einem Mehrkanalrohr.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Kältegeräts gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem Korpus 1 sind, jeweils von einer Wärmedämmschicht 2 umgeben, zwei Kühlzonen, hier eine Gefrierzone 3 und eine Normalkühlzone 4, ausgespart. Eine Kältemaschine umfasst einen an der Gefrierzone 3 angeordneten Verdampfer 5, einen Verdichter 6, der Kältemitteldampf vom Verdampfer 5 absaugt, einen Verflüssiger 7, der außerhalb der Wärmedämmschicht 2 angeordnet ist und das verdichtete Kältemittel vom Verdichter 6 empfängt, um dessen Wärme an die Umgebung abzugeben, sowie eine Kapillare 8, in der das Kältemittel sich entspannt und abkühlt, während es vom Verflüssiger 7 zurück zum Verdampfer 5 strömt.
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Ein Thermosiphon 9 umfasst einen Kondensationsbereich 10 am Verdampfer 5, einen Verdampfungsbereich 11 an der Normalkühlzone 4 sowie Durchgänge 12, 13, die eine Zirkulation von Wärmeträger zwischen Kondensationsbereich 10 und Verdampfungsbereich 11 erlauben.
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Der Durchgang 12 geht aus von einem tiefsten Punkt 14 des Kondensationsbereichs 10, an dem sich kondensierter Wärmeträger sammelt, und erstreckt sich von dort abwärts zum Verdampfungsbereich 11. Im Durchgang 12 ist ein Ventil 15 angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit 16 steuert das Ventil 15 anhand von Messwerten eines in der Normalkühlzone 4 angeordneten Temperatursensors 17.
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Der zweite Durchgang 13 verläuft vom Verdampfungsbereich 11 aufwärts zum Kondensationsbereich 10. Zwischen einem Scheitelpunkt 18 und einem Eingangsanschluss des Kondensationsbereichs 10 weist der Durchgang 13 einen zum Kondensationsbereich 10 hin abschüssigen Abschnitt 19 auf.
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Wenn das Ventil 15 offen ist, kann im Kondensationsbereich 10 kondensierter Wärmeträger über den Durchgang 12 frei in den Verdampfungsbereich 11 abfließen, und der dort entstehende Wärmeträgerdampf gelangt über den Durchgang 13 zum Kondensationsbereich 10 zurück und führt so Wärme aus der Normalkühlzone 4 ab. Wenn das Ventil 15 geschlossen ist, staut sich der kondensierte Wärmeträger im Kondensationsbereich 10, die Verdampfung im Verdampfungsbereich 11 kommt zum Erliegen, und im abschüssigen Abschnitt 19 bildet sich eine Temperaturschichtung aus, die einen Abfluss von kaltem Wärmeträger aus dem Kondensationsbereich 10 auch über den Durchgang 13 verhindert.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Kältegeräts in einem schematischen Schnitt. Auch hier sind in einem Korpus 1 des Kältegeräts eine Gefrierzone 3 und darunter eine Normalkühlzone 4 gebildet, allerdings sind diese jeweils durch eine Trennwand 20 in eine Lagerkammer 21 und eine Verdampferkammer 22 bzw. in eine Lagerkammer 23 und eine Nebenkammer 24 unterteilt. Die Verdampferkammer 22 enthält den Verdampfer 5 sowie den Kondensationsbereich 10 des Thermosiphons 9, die Nebenkammer 24 enthält den Verdampfungsbereich 11. Der Verdampfungsbereich 11 kann weitgehend wie ein herkömmlicher No-Frost-Verdampfer aufgebaut sein; allenfalls sind seine Leitungen etwas kürzer und haben einen größeren Querschnitt als die eines üblichen Verdampfers, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Wärmeträger, der im Thermosiphon 9 zirkuliert, im Gegensatz zum Kältemittel in einer Kältemaschine nicht zwangsumgewälzt ist und dementsprechend langsam umläuft. Öffnungen in den Trennwänden 20 ermöglichen einen Luftaustausch zwischen den Kammern 21, 22 bzw. 23, 24. In einer der Öffnungen jeder Trennwand 20 ist ein Ventilator 25, 26 angeordnet, der in ausgeschaltetem Zustand den Luftaustausch stark behindert und der von der Steuereinheit 16 eingeschaltet werden kann, wenn der Temperatursensor 17 in der Lagerkammer 23 oder ein Temperatursensor 27 in der Lagerkammer 21 Kühlbedarf der betreffenden Lagerkammer anzeigt.
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Wenn der Temperatursensor 17 anzeigt, dass in der Lagerkammer 23 ein Temperaturgrenzwert überschritten ist und Kühlbedarf besteht, schaltet die Steuereinheit 16 den Ventilator 26 ein, so dass am Verdampfungsbereich 11 abgekühlte Luft in die Lagerkammer 23 gelangt und relativ warme Luft von dort in die Nebenkammer 24 zurückfließt. Dadurch verdampft Wärmeträger im Verdampfungsbereich 11, der Dampf gelangt über den Durchgang 13 in den Kondensationsbereich 10, gibt dort durch Kondensieren seine Wärme ab und fließt über den Durchgang 12 zurück in den Verdampfungsbereich 11.
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Die Steuereinheit 16 kann eingerichtet sein, um zusammen mit dem Ventilator 26 auch den Verdichter 6 zu betreiben und so die der Verdampferkammer 22 über den Thermosiphon 9 zugeführte Wärme sofort wieder von dort abzuführen. Zumindest von Zeit zu Zeit jedoch sollte der Ventilator 26 in Betrieb sein, ohne dass gleichzeitig der Verdichter 6 läuft. Mit der auf diese Weise in der Verdampferkammer 22 freigesetzten Wärme kann der Verdampfer 5, wenn Bedarf dazu besteht, abgetaut werden. Denkbar ist auch, den Ventilator 26 immer bei ausgeschaltetem Verdichter 6 zu betreiben und so in relativ kurzen Zeitabständen eine Erwärmung des Verdampfers 5 zu bewirken, die die Entstehung einer dicken Eisschicht auf dem Verdampfer 5 von vornherein verhindert.
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Wenn sich die in der Verdampferkammer 22 freigesetzte Wärme in die Lagerkammer 21 der Gefrierzone 3 ausbreitet, so wird dies vom Temperatursensor 27 erfasst. Wenn die erfasste Temperatur einen Grenzwert überschreitet, schaltet die Steuereinheit 16 den Verdichter 6 ein.
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Wenn der Verdichter 16 aufgrund von Kältebedarf in der Gefrierzone 3 eingeschaltet wird, kann vorgesehen werden, dass die Steuereinheit 16 gleichzeitig den Ventilator 26 ausschaltet. Da bei der Ausgestaltung der 2 im Durchgang 12 kein Ventil vorgesehen ist, fließt dann zwar zunächst weiterhin kondensierter Wärmeträger in den Verdampfungsbereich 11, doch da der Wärmeaustausch zwischen Nebenkammer 24 und Lagerkammer 23 der Normalkühlzone 4 weitgehend zum Erliegen kommt, gelangt nur noch wenig Wärmeträgerdampf zurück in den Kondensationsbereich 10. Der Wärmeträger sammelt sich in flüssiger Form im Verdampfungsbereich 11 an, und die Wärmezufuhr aus der Normalkühlzone 4 zur Verdampferkammer 22 wird auf ein Minimum beschränkt.
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Durch einen zeitversetzten Betrieb der Ventilatoren 25, 26 kann ausgeschlossen werden, dass aus der Verdampferkammer 22 Luft in die Lagerkammer 21 gelangt, die am Kondensationsbereich 10 auf eine höhere Temperatur als die der Lagerkammer 21 erwärmt ist.
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3 zeigt eine alternative Anordnung der Verdampferkammer 22 im Korpus 1. Die Trennwand 20 der Gefrierzone 3 verläuft hier im Wesentlichen horizontal zwischen der unter der Decke der Gefrierzone 3 liegenden Verdampferkammer 22 und der darunterliegenden Lagerkammer 21, und ein in der Verdampferkammer 22 stromabwärts vom Verdampfer 5 angeordneter Ventilator 25 saugt Luft aus der Lagerkammer 21 über Öffnungen 28 an, die an einem zu einer Tür 29 der Lagerkammer 21 benachbarten Rand der Trennwand 20 ausgespart sind, und bläst sie über entlang einer Rückwand 30 verteilte Öffnungen 31 wieder in die Lagerkammer 21 ein. Der Kondensationsbereich 10 des Thermosiphons 9 ist in den Verdampfer 5 integriert. Beispiele für einen solchen integrierten Aufbau sind im folgenden Rand der 4 bis 7 beschrieben.
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4 zeigt als ein erstes Beispiel für den Verdampfer 5 ein Bruchstück eines Rollbond-Verdampfers. Auf einer Grundplatte 32 sind nebeneinander Rohre einer den Wärmeträger führenden, den Kondensationsbereich 10 des Thermosiphons bildenden Leitung 33 sowie einer Leitung 34 für das vom Verdichter 8 umgewälzte Kältemittel verlegt. Der Rollbond-Verdampfer kann frei in einer Verdampferkammer, etwa der Verdampferkammer 22 der 2 montiert sein; bei einem Kältegerät ohne abgeteilte Verdampferkammer, wir in 1 dargestellt, kann er als Coldwall-Verdampfer montiert sein.
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Eine entsprechende Anordnung von Wärmeträgerleitung 33 und Kältemittelleitung 34 zeigt 5, allerdings bilden die Leitungen 33, 34 zusammen mit sie verbindenden Drähten 35 hier einen Drahtrohrwärmetauscher, der sowohl in einer abgetrennten Verdampferkammer 22 gemäß 2 als auch, insbesondere in horizontaler Orientierung als Kühlgutträger, frei in der Gefrierzone 3 gemäß 1 montiert Verwendung finden kann.
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6 zeigt eine Seitenansicht eines Lamellenverdampfers zum Einbau in einen Kältegerätekorpus 1 insbesondere vom in 3 gezeigten Typ. Die Kältemittelleitung 34 bildet in an sich bekannter Weise eine obere und eine untere Lage 36, 37 aus die Lamellen 38 senkrecht kreuzenden, in Blickrichtung des Betrachters verlaufenden geradlinigen Abschnitten 39, die untereinander über abwechselnd an der dem Betrachter zugewandten Seite des Verdampfers bzw., gestrichelt dargestellt, an der von ihm abgewandten Seite überstehende Bögen 40 verbunden sind. Ein weiterer über die Lamellen 38 überstehender Bogen 41 stellt eine Reihenverbindung zwischen den zwei Lagen 36, 37 her. Die Wärmeträgerleitung 33 bildet ebenfalls eine obere und eine untere Lage 42, 43, allerdings liegen diese, anders als die Lagen 36, 37, exakt in einer Ebene, so dass sie auf ihrer gesamten Länge kontinuierlich abschüssig sind. So kann flüssiger Wärmeträger, egal an welcher Stelle der Lagen 42, 43 er sich bildet, in der Wärmeträgerleitung 33 frei zum tiefsten Punkt 14 des Verdampfers 5 abfließen und von dort zum Verdampfungsbereich 11 des Thermosiphons 9 gelangen.
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Die untere Lage 43 verläuft hier an einer Unterkante der Lamellen 38, zum einen, weil an den Lagen 42, 43 erwärmte Luft die Wärme nur nach oben transportiert, zum anderen kann sie so in Kontakt mit einem Bodenblech der Verdampferkammer 22 auch dafür sorgen, dass ein Abflusskanal für das Tauwasser von eventuellem Eis befreit wird und das Tauwasser aus der Verdampferkammer 22 abfließen kann.
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7 zeigt ein Fragment eines aus Mehrkanalrohr 44 gebildeten Wärmetauschers. Das aus Metall, insbesondere Aluminium, extrudierte Mehrkanalrohr 44 hat einen bandförmig langgestreckten Querschnitt und lässt sich leicht in einer Orientierung biegen, in der seine Hauptoberflächen 45, 46 Außen- und Innenseiten einer Biegung bilden. Kanäle 47 des Mehrkanalrohrs 44 gehören jeweils abwechselnd der Wärmeträgerleitung 33 bzw. der Kältemittelleitung 34 an und ermöglichen so eine extrem schnelle Erwärmung des Verdampfers beim Abtauen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Korpus
- 2
- Wärmedämmschicht
- 3
- Gefrierzone
- 4
- Normalkühlzone
- 5
- Verdampfer
- 6
- Verdichter
- 7
- Verflüssiger
- 8
- Kapillare
- 9
- Thermosiphon
- 10
- Kondensationsbereich
- 11
- Verdampfungsbereich
- 12
- Durchgang
- 13
- Durchgang
- 14
- tiefster Punkt
- 15
- Ventil
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Temperatursensor
- 18
- Scheitelpunkt
- 19
- abschüssiger Abschnitt
- 20
- Trennwand
- 21
- Lagerkammer
- 22
- Verdampferkammer
- 23
- Lagerkammer
- 24
- Nebenkammer
- 25
- Ventilator
- 26
- Ventilator
- 27
- Temperatursensor
- 28
- Öffnung
- 29
- Tür
- 30
- Rückwand
- 31
- Öffnung
- 32
- Grundplatte
- 33
- Wärmeträgerleitung
- 34
- Kältemittelleitung
- 35
- Draht
- 36
- obere Lage
- 37
- untere Lage
- 38
- Lamelle
- 39
- geradliniger Abschnitt
- 40
- Bogen
- 41
- Bogen
- 42
- obere Lage
- 43
- untere Lage
- 44
- Mehrkanalrohr
- 45
- Hauptoberfläche
- 46
- Hauptoberfläche
- 47
- Kanal
