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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einkreis-Kältegerät mit zwei Temperaturzonen, die durch in einem Kältemittelkreis in Reihe hintereinander geschaltete Verdampfer gekühlt sind.
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Wenn die beiden Verdampfer im Kältemittelkreis ohne nennenswerten Strömungswiderstand zwischen ihnen verbunden sind, stellen sich in beiden in etwa gleiche Drücke und diesen Drücken jeweils entsprechende Verdampfungstemperaturen ein. Diese Verdampfungstemperaturen müssen niedriger sein als die Temperatur der jeweils kältesten Temperaturzone. Dementsprechend groß ist die Temperaturdifferenz zwischen den Verdampfern und der wärmeren der beiden Temperaturzonen.
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Aus
DE 10 2013 223 737 A1 ist ein Einkreis-Kältegerät bekannt, bei dem in einem Kältemittelkreislauf zwischen erstem und zweitem Verdampfer ein Drosselabschnitt eingefügt ist, der für unterschiedliche Drücke und folglich auch für unterschiedliche Verdampfungstemperaturen in den beiden Verdampfern sorgt. Über die Steuerung der Verdampfungstemperaturen kann die Kühlleistung auf beide Verdampfer jeweils dem Kältebedarf entsprechend verteilt werden, und der Verdichter kann kontinuierlich laufen. Start-Stopp-Verluste und unnötige Temperaturschwankungen können so vermieden werden, was die Energieeffizienz der Kühlung verbessert.
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Eine allgemein verbreitete Maßnahme zur Verbesserung der Energieeffizienz eines Kältegeräts ist, eine Kapillare, die sich vom Verflüssiger zum Verdampfer erstreckt, und eine Saugleitung, die vom Ausgang des Verdampfers zum Verdichter führt, zu einem Wärmetauscher zu verbinden, so dass das Kältemittel, das in der Kapillare zum Verdampfer strömt, gekühlt und der aus dem Verdampfer abgesaugte Kältemitteldampf aufgewärmt wird.
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Wenn ein solcher Wärmetauscher bei dem Kältegerät bei dem aus
DE 10 2013 223 737 A1 bekannten Kältegerät vorgesehen wird, dann hat der Kältemitteldampf beim Eintritt in den Wärmetauscher die Temperatur des zweiten, kälteren Verdampfers, mit der Folge, dass das Kältemittel aus der Kapillare beim Eintritt in den ersten Verdampfer eine Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur des ersten Verdampfers aufweisen kann. Wenn dies der Fall ist, dann ist eine Verdampfung von Kältemittel in der Kapillare, vor Erreichen des ersten Wärmetauschers, ausgeschlossen. Ohne den verzögernden Einfluss von Dampfblasen wird der Massendurchsatz der Kapillare höher als der des Verdichters, mit der Folge, dass vor der Kapillare aufgestautes flüssiges Kältemittel schneller abfließt, als es im Verflüssiger nachgebildet werden kann. Wenn es abgeflossen ist und nur noch Kältemitteldampf aus dem Verflüssiger in die Kapillare nachfließen kann, nimmt deren Massendurchsatz stark ab, der Druck im Verflüssiger steigt, so dass vermehrt flüssiges Kältemittel nachgebildet wird und alsbald wieder mit hohem Massendurchsatz durch die Kapillare strömt. Der ständige Wechsel zwischen flüssigem Kältemittel und Dampf bzw. zwischen hohem und niedrigem Massendurchsatz in der Kapillare führt zu störenden Betriebsgeräuschen.
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Zwar ließe sich eine zu starke Abkühlung des Kältemittels am Ausgang der Kapillare ohne weiteres verhindern, wenn der Wärmetauscher verkürzt oder in anderer Weise weniger leistungsfähig gebaut würde, doch wäre die Folge daraus eine Einbuße an Energieeffizienz.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Einkreis-Kältegerät mit bei unterschiedlichen Drücken betreibbaren Verdampfern zu schaffen, bei dem ohne Beeinträchtigung der Energieeffizienz die Geräuschemission reduziert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Einkreis-Kältegerät mit einem Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters der Reihe nach hintereinander geschaltet sind:
- – ein Verflüssiger,
- – ein erster Drosselabschnitt,
- – ein erster Verdampfer zum Kühlen einer ersten Temperaturzone des Einkreis-Kältegeräts,
- – ein zweiter Drosselabschnitt,
- – ein zweiter Verdampfer zum Kühlen einer zweiten Temperaturzone des Einkreis-Kältegeräts und
- – eine Saugleitung,
ein stromabwärtiger Abschnitt der Saugleitung mit dem ersten Drosselabschnitt zu einem ersten Wärmetauscher verbunden ist und ein stromaufwärtiger Abschnitt der Saugleitung mit dem zweiten Drosselabschnitt zu einem zweiten Wärmetauscher verbunden ist. So ist der Kältemitteldampf in der Saugleitung, wenn er deren stromabwärtigen Abschnitt erreicht, bereits durch den zweiten Wärmetauscher auf eine Temperatur vorgewärmt, die allenfalls wenig unter der Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer liegt. Eine Abkühlung des Kältemittels im ersten Drosselabschnitt auf eine Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur des ersten Verdampfers kann so ausgeschlossen werden. Somit bleibt eine partielle Verdampfung des Kältemittels im ersten Drosselabschnitt möglich, und wenn der im ersten Drosselabschnitt entstehende Dampf dessen Massendurchsatz ständig begrenzt, können geräuschintensive Fluktuationen, wie oben beschrieben, verhindert werden.
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Um den zweiten Wärmetauscher zu bilden, kann der zweite Drosselabschnitt einen Leitungsabschnitt umfassen, der mit dem stromaufwärtigen Abschnitt der Saugleitung durch eine Klebung, insbesondere durch ein Klebeband, verbunden ist.
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Einer alternativen Ausgestaltung zu Folge kann der zweite Drosselabschnitt einen Leitungsabschnitt umfassen, der innerhalb des stromaufwärtigen Abschnitts der Saugleitung geführt ist.
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Noch einer Alternative zu Folge umfasst der zweite Drosselabschnitt einen Leitungsabschnitt, der um den stromaufwärtigen Abschnitt der Saugleitung gewickelt ist.
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Um eine effiziente Wärmeübertragung im zweiten Wärmetauscher zu erzielen, sind geringe Durchmesser der den Wärmetauscher bildenden Leitungen hilfreich. Insbesondere kann der Leitungsabschnitt des zweiten Drosselabschnitts als Kapillare ausgebildet sein.
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Zweckmäßig ist ferner, wenn der zweite Drosselabschnitt einen verstellbaren Strömungsleitwert aufweist, durch den sich unterschiedliche Druckdifferenzen und somit auch unterschiedliche Temperaturverhältnisse zwischen erstem und zweitem Verdampfer einstellen lassen.
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Insbesondere kann der zweite Drosselabschnitt zum Verstellen des Strömungsleitwerts ein steuerbares Expansionsventil umfassen.
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Das Expansionsventil kann im Wesentlichen allein für den Druckabfall zwischen erstem und zweitem Verdampfer verantwortlich sein; es kann aber auch mit einer Kapillare in Reihe verbunden sein, so dass der Druckabfall sich aus einem festen Beitrag der Kapillare und einem variablen Beitrag des Expansionsventils zusammensetzt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines erfindungsgemäßen Kältegeräts;
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2 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse des Kältegeräts;
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3 eine erste Ausgestaltung eines Wärmetauschers des Kältegeräts,
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4 eine zweite Ausgestaltung des Wärmetauschers; und
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5 eine dritte Ausgestaltung des Wärmetauschers.
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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 einen ersten Drosselabschnitt 6, hier in fachüblicher Weise als Kapillarleitung 7 realisiert, zu einem ersten Verdampfer 8. Ein zweiter Drosselabschnitt 9 mit verstellbarem Strömungsleitwert befindet sich an der Kältemittelleitung 4 zwischen einem Auslassanschluss des ersten Verdampfers 8 und einem Einlassanschluss eines zweiten Verdampfers 10. Eine Saugleitung 11 erstreckt sich von einem Auslassanschluss des Verdampfers 10 zum Sauganschluss 3 des Verdichters 1.
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Wie besser in dem schematischen Schnitt der 2 zu erkennen, kühlt der entlang der Kältemittelleitung 4 stromaufwärts liegende Verdampfer 8 ein Normalkühlfach 16 und der stromabwärts liegende Verdampfer 10 ein Gefrierfach 17 eines Haushaltskältegeräts.
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Wiederum auf 1 bezogen umfasst der zweite Drosselabschnitt 9 einen Leitungsabschnitt 18 und ein mit dem Leitungsabschnitt 18 in Reihe verbundenes, steuerbares Expansionsventil 22. Der Leitungsabschnitt 18 kann einen ähnlichen Leitungsquerschnitt wie die Kältemittelleitung des Verdampfers 6 haben, er kann aber auch wie der erste Drosselabschnitt 6 durch eine Kapillare gebildet sein.
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Vorzugsweise ist der als Kapillare ausgebildete Leitungsabschnitt 18 lang genug, um einen Druckabfall zwischen den Verdampfern 8, 10 sicherzustellen, der einem Unterschied der Verdampfungstemperaturen der Verdampfer 8, 10 von mehreren °C entspricht, auch wenn das Expansionsventil 22 maximal geöffnet ist. So ist im Rahmen des Verstellbereichs des Expansionsventils 22 eine genauere Regelung der Druckdifferenz zwischen den Verdampfern 8, 10 möglich, als wenn diese Druckdifferenz vom Expansionsventil 22 allein aufrecht erhalten werden müsste.
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Ein stromaufwärtiger Abschnitt 12 der Saugleitung 11 ist thermisch mit dem zweiten Drosselabschnitt 9 verbunden, um einen Wärmetauscher 14 zu bilden; ein stromabwärtiger Abschnitt 13 der Saugleitung 11 bildet einen weiteren Wärmetauscher 15 zusammen mit dem ersten Drosselabschnitt 6.
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An jedem der Fächer 16, 17 ist ein Temperaturfühler 19 bzw. 20 angeordnet. Die Temperaturfühler 19, 20 sind mit einer Steuereinheit 21 verbunden, die durch Vergleich der von den Temperaturfühlern 19, 20 gemeldeten Temperaturen mit von einem Benutzer eingestellten Solltemperaturen der Fächer 16, 17 die Drehzahl des Verdichters 1 sowie den Öffnungsgrad des Expansionsventils 22 regelt. Wenn etwa der Temperaturfühler 19 Kühlbedarf im Normalkühlfach 16 anzeigt, d.h. wenn die Temperatur im Normalkühlfach 16 am oberen Rand eines Toleranzintervalls rings um die vom Benutzer eingestellte Solltemperatur liegt, dann überprüft die Steuereinheit 21 die Temperatur des Gefrierfachs 17. Wenn diese im oberen Teil eines Toleranzintervalls rings um den eingestellten Sollwert des letzteren liegt, inkrementiert die Steuereinheit 21 die Drehzahl des Verdichters 1, so dass beide Fächer 16, 17 stärker gekühlt werden; liegt hingegen die Temperatur des Gefrierfachs 17 im unteren Teil des Toleranzintervalls, so dass eine intensivere Kühlung dazu führen würde, dass das Toleranzintervall nach unten verlassen wird, dann inkrementiert die Steuereinheit den Öffnungsgrad des zweiten Drosselabschnitts 9, so dass der Druck im Verdampfer 8 abnimmt. Die Gesamtkühlleistung bleibt dadurch im Wesentlichen unverändert, es nimmt jedoch der Anteil der Gesamtkühlleistung zu, der auf das Normalkühlfach 16 entfällt, so dass dieses gekühlt werden kann, ohne dass es gleichzeitig zu einer Unterkühlung des Gefrierfachs 17 kommt.
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Entsprechend entscheidet die Steuereinheit 21, wenn die Temperatur im Gefrierfach 17 den oberen Rand des Toleranzbereichs erreicht, anhand der Temperatur des Normalkühlfachs 16, ob die Drehzahl des Verdichters 1 inkrementiert wird, um beide Fächer 16, 17 stärker zu kühlen, oder ob der Öffnungsgrad des zweiten Drosselabschnitts 9 verringert wird, um den auf das Gefrierfach entfallenden Teil der Gesamtkühlleistung zu vergrößern.
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Erreicht die Temperatur des Normalkühlfachs 16 den unteren Rand des Toleranzbereichs, wird anhand der Gefrierfachtemperatur entschieden, ob die Drehzahl des Verdichters 1 dekrementiert oder der Öffnungsgrad des zweiten Drosselabschnitts 9 dekrementiert wird, und im Falle, dass die Gefrierfachtemperatur den unteren Rand des Toleranzbereichs erreicht, muss zwischen einer Dekrementierung der Verdichterdrehzahl und einer Inkrementierung des Öffnungsgrades des zweiten Drosselabschnitts 9 entschieden werden.
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Eine zur oben beschriebenen gleichwertige Regelung des Verdichters 1 und des Expansionsventils 22 ist auch mittels eines PID-Bausteins realisierbar.
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Die Reihenschaltung der beiden Wärmetauscher 14, 15 entlang der Saugleitung 11 führt dazu, dass der aus dem Verdampfer 10 des Gefrierfachs 17 abgesaugte Kältemitteldampf bei Erreichen des Wärmetauschers 15 bereits eine Temperatur hat, die in etwa der Verdampfungstemperatur im Verdampfer 8 entspricht. Die Verdampfung in der Kapillare 7 des ersten Drosselabschnitts 6 wird daher nicht vollständig unterdrückt, so dass ständig eine kleine Menge Dampf in der Kapillare 7 vorhanden ist und deren Massendurchsatz begrenzt. Geräuschintensive Oszillationen des Massendurchsatzes, die insbesondere dann zustande kommen, wenn die Kapillare 7 frei von Dampf ist und ihr Massendurchsatz so lange den des Verdichters 1 übersteigt, bis ein Vorrat an flüssigem Kältemittel im Verflüssiger aufgebraucht ist und nur noch Kältemitteldampf in die Kapillare nachfließen kann, werden auf diese Weise vermieden.
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Um einen engen thermischen Kontakt zwischen dem Leitungsabschnitt 18 und dem stromaufwärtigen Abschnitt 12 der Saugleitung 11 herzustellen, können beide von einem Klebeband 23, vorzugsweise einem gut wärmeleitenden Aluminium-Klebeband umschlungen sind, wie in 3 skizziert.
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In einer anderen Ausgestaltung des Wärmetauschers 14 erstreckt sich, wie in 4 gezeigt, der Leitungsabschnitt 18 im Inneren der Saugleitung 11.
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Einer weiteren Alternative zu Folge kann, wie in 5 gezeigt, der Leitungsabschnitt 18 um den stromaufwärtigen Abschnitt 12 der Saugleitung 11 herumgewickelt sein, um den Wärmetauscher 14 zu bilden.
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Das Expansionsventil 22 kann einer nicht gezeichneten Variante zufolge durch ein Wegeventil und mehrere unterschiedlich lange Kapillarabschnitte gebildet sein, von denen jeweils einer durch das Wegeventil in den Kältemittelkreis eingekoppelt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Druckanschluss
- 3
- Sauganschluss
- 4
- Kältemittelleitung
- 5
- Verflüssiger
- 6
- Drosselabschnitt
- 7
- Kapillare
- 8
- Verdampfer
- 9
- Drosselabschnitt
- 10
- Verdampfer
- 11
- Saugleitung
- 12
- stromaufwärtiger Abschnitt
- 13
- stromabwärtiger Abschnitt
- 14
- Wärmetauscher
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Normalkühlfach
- 17
- Gefrierfach
- 18
- Leitungsabschnitt
- 19
- Temperaturfühler
- 20
- Temperaturfühler
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Expansionsventil
- 23
- Klebeband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223737 A1 [0003, 0005]
