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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit wenigstens zwei auf unterschiedlichen Temperaturen betreibbaren Lagerkammern.
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Bei den meisten derartigen Kältegeräten sind die Verdampfer, die die Lagerkammern kühlen, über eine Kältemittelleitung ohne nennenswerten Druckabfall miteinander verbunden, so dass der hydrostatische Druck des Kältemitteldampfes in den Verdampfern im Wesentlichen gleich und durch eine den Verdampfern in Reihe vorgeschaltete Drosselstelle, typischerweise eine Kapillare, vorgegeben ist. Der Druck bestimmt die Temperatur, bei der das Kältemittel verdampft. Er muss daher niedrig genug sein, um die Verdampfungstemperatur unter die Betriebstemperatur der kältesten Lagerkammer abzusenken. In der wärmsten Lagerkammer ist daher die Temperaturdifferenz zwischen ihrer Betriebstemperatur und der Temperatur des Verdampfers groß, und um eine Unterkühlung der wärmsten Lagerkammer zu vermeiden, muss entweder ihr Verdampfer so klein sein, dass ein Großteil des eingespritzten Kältemittels ihn ohne zu Verdampfen durchläuft und erst im nachgeschalteten Verdampfer der kältesten Lagerkammer verdampft, oder ihr Verdampfer ist dem der kältesten Lagerkammer nachgeschaltet und ist in der Leistung dadurch begrenzt, dass er nur so viel flüssiges Kältemittel abbekommt, wie den Verdampfer der kältesten Lagerkammer ohne zu verdampfen passieren konnte.
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Aus
DE 10 2013 223 737A1 ist ein Kältegerät bekannt, bei dem die Verdampfer von zwei Lagerkammern über eine Drosselstelle mit verstellbarem Strömungsleitwert in Reihe verbunden sind. Die Drosselstelle erlaubt es, den Druck und damit auch die Verdampfungstemperatur in beiden Lagerkammern unterschiedlich einzustellen. So kann auch beim Verdampfer einer relativ warmen Kammer die Verdampfungstemperatur nahe der Betriebstemperatur eingestellt werden, was eine energieeffiziente Kühlung erlaubt. Die hierfür benötigten Expansionsventile sind jedoch im Haushaltskältegerätebau bislang unüblich, weswegen hierfür geeignete Expansionsventile nur begrenzt verfügbar und teuer sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät mit mehreren Lagerkammern anzugeben, bei dem die Vorteile der bekannten Expansionsventile erreicht werden, ohne dass tatsächlich ein Expansionsventil verwendet wird.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit mehreren Lagerkammern und einem Kältemittelkreislauf, an dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters der Reihe nach hintereinander geschaltet sind:
- – ein Verflüssiger,
- – eine erste Drosselstelle,
- – ein erster Verdampfer zum Kühlen einer ersten Lagerkammer,
- – eine zweite Drosselstelle, und
- – ein zweiter Verdampfer zum Kühlen einer zweiten Lagerkammer,
beide Drosselstellen als Kapillaren ausgebildet sind, wenigstens einem der Verdampfer ein Lüfter zugeordnet und eine Regeleinheit eingerichtet ist, die Leistung des Lüfters entsprechend dem Kältebedarf des von dem Verdampfer gekühlten Lagerfachs zu regeln. Die zweite Drosselstelle gewährleistet unterschiedliche Verdampfungstemperaturen im ersten und zweiten Verdampfer, so dass bei beiden der Temperaturunterschied zur Betriebstemperatur der von dem Verdampfer gekühlten Lagerkammer klein gehalten werden kann. Wie sich die insgesamt verfügbare Kühlleistung auf die Fächer verteilt, kann durch die Leistung des Lüfters gesteuert werden; je schneller dieser die Luft umwälzt, umso intensiver ist der Wärmeaustausch am betreffenden Verdampfer und um so größer ist der Teil der Kühlleistung, der auf diesen Verdampfer und die von ihm gekühlte Lagerkammer entfällt.
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Um die insgesamt verfügbare Kühlleistung an den Bedarf anpassen zu können, ohne den Betrieb des Verdichters zu unterbrechen, ist ein Verdichter mit variabler Drehzahl bevorzugt.
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Wenn sich in an sich üblicher Weise eine Saugleitung vom zweiten Verdampfer zum Sauganschluss erstreckt, sollten beide Kapillaren auf wenigstens einem Teil ihrer Länge mit der Saugleitung zu einem Saugrohr-Wärmetauscher verbunden sein.
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Vorzugsweise liegt ein Abschnitt der Saugleitung, der mit der zweiten Kapillare zum Saugrohr-Wärmetauscher verbunden ist, an der Saugleitung stromaufwärts von einem Abschnitt, der mit der ersten Kapillare zum Saugrohr-Wärmetauscher verbunden ist. Da der zweite Verdampfer bei niedrigerem Druck arbeitet als der erste ist er auch kälter als dieser, und der daraus abgesaugte Dampf kühlt zunächst im zweiten Saugrohr-Wärmetauscher das bereits relativ kalte teilentspannte Kältemittel auf dem Weg vom ersten zum zweiten Verdampfer und erst anschließend im ersten Saugrohr-Wärmetauscher das noch relativ warme, frisch verdichtete Kältemittel zwischen Verflüssiger und erstem Verdampfer.
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Die Regeleinheit sollte eingerichtet sein, bei Kältebedarf in der ersten Lagerkammer die Leistung des Verdichters oder des Lüfters der ersten Lagerkammer zu erhöhen.
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In analoger Weise sollte bei Kältebedarf in der zweiten Lagerkammer die Leistung des Verdichters oder des Lüfters der zweiten Lagerkammer erhöht werden.
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Welche der beiden Alternativen gewählt wird, sollte in Abhängigkeit von der Temperatur der jeweils anderen Lagerkammer entschieden werden. Je höher diese ist, umso wahrscheinlicher ist die Annahme, dass die Kühlleistung insgesamt unzureichend ist und deshalb die Leistung des Verdichters erhöht werden sollte; je niedriger sie ist, um so eher kann der Kältebedarf der einen Lagerkammer durch verstärkten Lüfterbetrieb, zu Lasten der anderen Lagerkammer, befriedigt werden. Deshalb sollte der Anteil, zu dem der Kältebedarf durch Erhöhen der Leistung des Verdichters befriedigt wird, bei niedriger Temperatur in der anderen Lagerkammer größer sein als bei hoher Temperatur.
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Die Entscheidung, die Leistung des Verdichters oder des Lüfters zu erhöhen, kann als Auswahl zwischen diskreten Alternativen getroffen werden, indem eine Grenztemperatur der anderen Lagerkammer festgelegt wird, und die Leistung des Verdichters erhöht wird, wenn die Temperatur der anderen Lagerkammer oberhalb der Grenztemperatur liegt, und andernfalls die Leistung des Lüfters erhöht wird.
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Einer bevorzugten Alternative zufolge ist der Anteil, zu dem der Kältebedarf durch Erhöhen der Leistung des Verdichters befriedigt wird, eine stetige Funktion der Temperatur in der anderen Lagerkammer.
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Analog hierzu sollte, wenn in einer der Lagerkammern eine unerwünscht niedrige Temperatur festgestellt wird, anhand der Temperatur in der anderen Lagerkammer entschieden werden, zu welchem Anteil die zu niedrige Temperatur durch Verringern der Leistung des Verdichters oder durch Verringern der Leistung des Lüfters der Lagerkammer behoben wird.
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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 ein Blockdiagramm eines Kältegeräts gemäß der Erfindung;
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2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens des Kältegeräts aus 1;
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3 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens gemäß einer weiterentwickelten Ausgestaltung; und
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4 ein Flussdiagramm gemäß einer anderen Weiterentwicklung.
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Das Kältegerät der 1 umfasst zwei Lagerkammern 1, 2 die in einem Korpus über und/oder nebeneinander angeordnet und sowohl gegeneinander als auch gegen die Umgebung thermisch isoliert sind und unterschiedliche Betriebstemperaturen haben. Im Folgenden wird exemplarisch angenommen, dass die Lagerkammer 1 ein Normalkühlfach und die Lagerkammer 2 ein Gefrierfach ist. Jeder Lagerkammer 1, 2 ist ein Verdampfer 3 bzw. 4 zugeordnet. Die Verdampfer 3, 4 sind von grundsätzlich beliebiger bekannter Bauart, es kann sich, wie in der Figur angedeutet, um Lamellenverdampfer handeln, d.h. einen Verdampfer, bei dem ein Kältemittelrohr mäanderförmig gebogen ist und sich durch Öffnungen in parallel zueinander angeordneten Lamellen erstreckt, es kann sich aber auch um Platten- oder Drahtrohrverdampfer handeln.
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Wenigstens einem der Verdampfer 3, 4 ist ein Lüfter zum Antreiben des Luftaustauschs zwischen dem Verdampfer und der von ihm gekühlten Lagerkammer zugeordnet; im Fall der 1 ist zu jedem Verdampfer 3, 4 ein Lüfter 5 bzw. 6 vorgesehen.
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Ein Verdichter 7 hat einen Druckanschluss 8, von dem eine Kältemittelleitung 9 ausgeht. Die Kältemittelleitung 9 erreicht über einen Verflüssiger 10 eine erste Kapillare 11, in der eine erste Entspannung des vom Verdichter 7 verdichteten Kältemittels auf einen Druck stattfindet, bei dem die Verdampfungstemperatur des Kältemittels knapp unterhalb der tiefsten einstellbaren Betriebstemperatur der Lagerkammer 1 liegt. Die Kapillare 11 endet an einer Einspritzstelle 12 des Verdampfers 3.
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Auf einen Auslass des Verdampfers 3 folgt eine weitere Kapillare 13, die wiederum an einer Einspritzstelle 14 in den Verdampfer 4 mündet. In der Kapillare 13 entspannt sich das Kältemittel ein zweites Mal, so dass der Druck – und mit ihm die Verdampfungstemperatur – im Verdampfer 4 auf einem niedrigeren Niveau liegt als im Verdampfer 2.
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An einer Saugleitung 15, die vom Auslass des Verdampfers 4 zu einem Sauganschluss 16 des Verdichters 7 führt, sind zwei Wärmetauscher 17, 18 gebildet. In dem Wärmetauscher 17, den der aus dem Verdampfer 4 abgesaugte Kältemitteldampf zuerst durchläuft, steht die Saugleitung 15 in thermischem Kontakt mit der Kapillare 13, indem diese in an sich bekannter Weise auf einem Teil ihrer Länge innerhalb der Saugleitung 16 geführt, oder außen an der Saugleitung 16 durch Klebeband fixiert, verlötet oder in anderer geeigneter Weise befestigt ist. Im anschließend erreichten Wärmetauscher 18 besteht ein thermischer Kontakt mit der Kapillare 11.
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Eine elektronische Steuereinheit 21 ist vorgesehen, um anhand von Messwerten, die von Temperatursensoren 19, 20 in den Lagerkammern 1, 2 geliefert werden, die Drehzahlen des Verdichters 7 sowie der Lüfter 5, 6 so zu regeln, dass die Temperaturen der Lagerkammern 1, 2 nach Möglichkeit innerhalb eines Toleranzintervalls um eine von einem Benutzer für jede Lagerkammer 1, 2 eingestellte Betriebstemperatur bleiben.
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Die insgesamt für beide Lagerkammern 1, 2 verfügbare Kühlleistung ist festgelegt durch die Leistung des Verdichters 7. Diese wird von der Steuereinheit 21 kontinuierlich dem Kältebedarf der Lagerkammern 1, 2 angepasst. Die Aufteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 1, 2 ist über die Drehzahl des Verdichters 7 beeinflussbar. Eine Steigerung der Drehzahl führt zu stärkerer Absaugung aus dem Verdampfer 4 und führt daher dort zu einer deutlichen Absenkung der Verdampfungstemperatur; die Auswirkung auf den Druck und die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 3 ist im Vergleich deutlich geringer. Wenn die Aufteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 1, 2 nach Heraufsetzung der Verdichterdrehzahl unverändert bleiben soll, dann muss zusätzlich auch die Drehzahl des Lüfters 5 heraufgesetzt werden, eventuell kann auch die des Lüfters 6 reduziert werden, so dass die im Verdampfer 4 entstehende Dampfmenge abnimmt, der Druck im Verdampfer 4 daraufhin weiter fällt und diese Druckabnahme sich über die Kapillare 13 stromaufwärts zum Verdampfer 3 fortpflanzt.
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Ein erstes Beispiel eines Betriebsverfahrens, mit dem die Steuereinheit 21 den Verdichter 7 und die Lüfter 5, 6 steuert, ist in 2 als Flussdiagramm dargestellt. Im ersten Verfahrensschritt S1 fragt die Steuereinheit 21 die Temperaturen TN, TF der Lagerkammern 1, 2 von den Temperatursensoren 19, 20 ab. Für beide Lagerkammern 1, 2 ist vom Benutzer eine Betriebstemperatur eingestellt, und die Grenzen eines Toleranzintervalls rund um diese Betriebstemperatur sind mit TNmin, TNmax für die als Normalkühlfach fungierende Lagerkammer 1 bzw. TFmin, TFmax für die als Gefrierfach fungierende Lagerkammer 2 bezeichnet.
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In Schritt S2 wird die Temperatur TF der Lagerkammer 2 überprüft. Liegt sie unter TFmin, dann ist die Lagerkammer 2 zu kalt. Wenn das der Fall ist, wird in S3 die Temperatur TN der Lagerkammer 1 mit einem Schwellwert TN1 verglichen, der innerhalb des Toleranzintervalls [TNmin, TNmax] für TN empirisch optimiert ist. Ist auch TN1 unterschritten, dann ist offenbar die Drehzahl nC des Verdichters 7 zu hoch und wird in S4 dekrementiert. Anderenfalls ist die Verteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 1, 2 unangemessen, und in S5 wird die nVF des Lüfters 6 dekrementiert und/oder die Drehzahl nVN des Lüfters 5 inkrementiert, um die Lagerkammer 1 stärker und die Lagerkammer 2 schwächer zu kühlen.
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Wird in Schritt S2 hingegen festgestellt, dass die Temperatur TF der Lagerkammer 2 über TFmax liegt, dann besteht in der Lagerkammer 2 Kältebedarf. Auch hier wird durch Vergleich der Temperatur TN mit einem Schwellwert TN2 (S6) entschieden, ob die Leistung des Verdichters 7 zu gering ist und dessen Drehzahl nC inkrementiert werden muss (S7), oder ob die verfügbare Kühlleistung umverteilt werden muss, indem die Drehzahl nVF des Lüfters 6 inkrementiert und/oder die Drehzahl nVN des Lüfters 5 dekrementiert wird (S8).
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Wenn die Temperatur TF im Toleranzintervall [TFmin, TFmax] liegt, dann wird in Schritt S9 eine entsprechende Überprüfung für TN vorgenommen. Liegt auch sie im Toleranzintervall [TNmin, TNmax], endet das Verfahren ohne Drehzahlkorrekturen. Bei Unterschreitung von TNmin wird TF mit einem Grenzwert TF1 verglichen (S10). Wenn auch dieser unterschritten ist, ist die Verdichterleistung zu hoch, und die Drehzahl nC des Verdichters wird dekrementiert (S4), anderenfalls wird durch Inkrementieren von nVF und/oder Dekrementieren von nVN die Kühlleistung von der Lagerkammer 1 auf die Lagerkammer 2 umverteilt (S11).
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Wenn in Schritt S9 eine Überschreitung von TNmax festgestellt wird, also in der Lagerkammer 1 Kältebedarf besteht, dann wird durch Vergleich von TF mit einem Grenzwert TF2 entschieden (S12), ob nC inkrementiert wird (S7) oder ob durch Inkrementieren von VN und/oder Dekrementieren von VF (S13) Kühlleistung von der Lagerkammer 2 zur Lagerkammer 1 umverteilt wird.
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Wie oben erwähnt, bewirkt eine Erhöhung der Verdichterdrehzahl nC eine anteilig stärkere Temperaturabsenkung im stromabwärtigen Verdampfer 4, so dass Änderung der Verdichterdrehzahl sich stets auch auf die Verteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 1, 2 auswirkt. Diese Umverteilung wieder zu korrigieren, kann einer späteren Iteration des Verfahrens vorbehalten bleiben. Alternativ kann jeweils in Schritt S4 zusammen mit der Dekrementierung der Drehzahl nC auch eine korrigierende Anhebung von nVF und/oder Absenkung von nVN und in Schritt S9 zusammen mit der Inkrementierung von nC eine Absenkung von nVF und/oder Anhebung von nVN erfolgen.
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Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist in 3 gezeigt. Die Schritte S1, S2 sind dieselben wie in 2 und werden nicht erneut erläutert. Der Schritt S3 ist durch zwei Vergleiche S3’, S3“ ersetzt. Wenn in S3’ TN > TNmax ist, also in der Lagerkammer 1 Kältebedarf besteht, dann wird wie in Schritt S5 von 2 nVN inkrementiert und/oder nVF dekrementiert, um die Verteilung der Kühlleistung an den Bedarf anzupassen. Anderenfalls wird in S3“ geprüft, ob auch die Lagerkammer 1 unterkühlt ist, und wenn ja, wird nC um einen Schritt εC dekrementiert (S4), und an VN und/oder VF werden eventuell erforderliche Korrekturen κN, κF vorgenommen, um die Verteilung der Kühlleistung auf die Lagerkammern 1, 2 unverändert zu halten.
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Liegt hingegen TN im Toleranzintervall, dann wird in S14 ein Interpolationsparameter δ = (TN – TNmin)/(TNmax – TNmin) berechnet, und in Schritt S15 werden mit dem Interpolationsparameter δ gewichtete Änderungen der Drehzahlen von Verdichter und Lüftern vorgenommen: nVN += (1 – δ)εN + δκN nVF –= (1 – δ)εF + δκF nC –= δεC Für TN=TNmin ist δ = 0, und die Veränderungen gemäß obiger Vorschrift sind identisch mit denen des Schritts 4, für TN = TNmax gleichen sie denen des Schritts S5; unter normalen Betriebsbedingungen, wenn TN innerhalb des Toleranzintervalls liegt, sorgen sie für eine ausgewogene Verteilung der Drehzahländerungen auf Verdichter 7 und Lüfter 5, 6.
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Auch der Schritt S6 ist hier durch zwei Vergleiche S6’, S6“ ersetzt. Wenn TN < TNmin, die Lagerkammer 1 also zu kalt ist, folgt derselbe Schritt S8 wie im Verfahren nach 2; andernfalls wird in S6“ TN mit TNmax verglichen. Ist TN > TNmax, besteht Kältebedarf auch in der Lagerkammer 1, und in S7 werden Änderungen der Drehzahlen jeweils mit entgegengesetztem Vorzeichen zu denen des Schritts S4 vorgenommen. Liegt TN im Toleranzintervall, wird wiederum der Interpolationsparameter δ berechnet (S16), und zum Interpolationsparameter δ proportionale Korrekturen der Drehzahlen nVN, nVF, nC erfolgen in S17.
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Wenn in S2 festgestellt wird, dass die Temperatur TF der Lagerkammer 2 im Toleranzintervall liegt, dann wird der Interpolationsparameter δ in S18 anhand der Temperatur TN berechnet: δ = (TF – TFmin)/(TFmax – TFmin) und in Schritt S19 wird die Temperatur TN überprüft. Wenn die Überprüfung Kältebedarf ergibt (TN > TNmax), dann werden die Korrekturen des Schritts S15 anhand des in S18 berechneten Interpolationsparameters δ vorgenommen, bei Unterkühlung die des Schritts S17.
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Bei dem Verfahren nach
4 werden wiederum in Schritt S1 die Temperaturen TN, TF in den Lagerkammern
1,
2 gemessen, und die Abweichungen ΔTN, ΔTF zwischen den Temperaturen TN, TF und den vom Benutzer für die Lagerkammern
1,
2 eingestellten Betriebstemperaturen werden in S20 berechnet. Diese Abweichungen oder ihre Zeitintegrale werden als Maß QN, QF bzw. für den Kältebedarf bzw. eine Unterkühlung der betreffenden Lagerkammer
1,
2 gewertet. Das Wertepaar QN, QF kann als ein Vektor aufgefasst werden, der durch Multiplikation mit einer (2·2)Matrix in Drehzahländerungen des Verdichters
7 und eines der Lüfter, vorzugsweise durch Multiplikation mit einer (2·3)Matrix in Drehzahländerungen des Verdichters
7 und beider Lüfter
5,
6 umgerechnet wird:
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Nimmt man an, das QN, QF > 0 jeweils für eine Temperatur TN bzw. TF über der Betriebstemperatur und QN, QF < 0 für eine Temperatur darunter stehen, dann ergeben Matrixkoeffizienten m11, m12 > 0 eine Drehzahländerung ΔnC > 0, also eine Steigerung der Verdichterdrehzahl, durch die die zu hohen Temperaturen TN, TF behoben werden können. Sind QN und QF beide negativ, dann bewirken dieselben Matrixkoeffizienten m11, m12 eine Verminderung der Verdichterdrehzahl nC. Unterschiedliche Vorzeichen von m21 und m22 bzw. von m31 und m32 haben zur Folge, dass ΔnVN, ΔnVF klein sind, der Einfluss auf die Drehzahlen nVN, nVF der Lüfter 5, 6 also gering ist.
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Sind die Vorzeichen von QN und QF unterschiedlich, so kompensieren sich ihre Einflüsse auf die Verdichterdrehzahl nC gegenseitig, aber die auf die Lüfterdrehzahlen nVN, nVF verstärken einander. Da m21 < 0 < m22, führt QN > 0, d.h. eine zu warme Lagerkammer 1, zu einer Drehzahlverminderung am Lüfter 5, ΔnVN < 0, eine zu warme Lagerkammer 2 hingegen zu einer Drehzahlsteigerung. Entsprechendes ergibt sich für die Drehzahl nVF des Lüfters 6 aus m31 < 0 < m32.
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Die Koeffizienten m11, ..., m32 können vom Gerätehersteller für die jeweilige Bauart des Kältegeräts optimiert vorgegeben sein, sie können auch das Ergebnis eines in der Steuereinheit 21 selber ablaufenden Optimierungsvorgangs sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerkammer (Normalkühlfach)
- 2
- Lagerkammer (Gefrierfach)
- 3
- Verdampfer
- 4
- Verdampfer
- 5
- Lüfter
- 6
- Lüfter
- 7
- Verdichter
- 8
- Druckanschluss
- 9
- Kältemittelleitung
- 10
- Verflüssiger
- 11
- Kapillare
- 12
- Einspritzstelle
- 13
- Kapillare
- 14
- Einspritzstelle
- 15
- Saugleitung
- 16
- Sauganschluss
- 17
- Wärmetauscher
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Temperatursensor
- 20
- Temperatursensor
- 21
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223737 A1 [0003]