DE102019202649A1 - Refrigeration device - Google Patents
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Abstract
Bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einem Verflüssiger (4), wenigstens einem ein erstes Lagerfach (23) kühlenden ersten Verdampfer (7), einer Drosselstelle (6), die einen Auslass des Verflüssigers (4) mit einem Einlass des ersten Verdampfers (7) verbindet, einem Auffangbehälter (8, 30) für aus dem ersten Verdampfer (7) überlaufendes flüssiges Kältemittel, der an einen Auslass des ersten Verdampfers (7) angeschlossen ist und in einer wärmeren Umgebung als der Umgebung des ersten Verdampfers (7) angeordnet ist, ist dem Auffangbehälter (8, 30) ein Temperatursensor (20) zugeordnet, und die Drosselstelle (6) umfasst ein steuerbares Expansionsventil (14), das anhand der von dem Temperatursensor (20) erfassten Temperatur gesteuert ist. In a refrigeration device, in particular a domestic refrigeration device, with a condenser (4), at least one first evaporator (7) cooling a first storage compartment (23), a throttle point (6) that connects an outlet of the condenser (4) with an inlet of the first evaporator (7) connects, a collecting container (8, 30) for liquid refrigerant overflowing from the first evaporator (7), which is connected to an outlet of the first evaporator (7) and is in a warmer environment than the environment of the first evaporator (7) is arranged, a temperature sensor (20) is assigned to the collecting container (8, 30), and the throttle point (6) comprises a controllable expansion valve (14) which is controlled on the basis of the temperature detected by the temperature sensor (20).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät wie etwa einen Kühl-oder Gefrierschrank oder ein Kombinationsgerät mit mehreren auf unterschiedlichen Betriebstemperaturen gehaltenen Lagerfächern.The present invention relates to a refrigeration device, in particular a household refrigeration device such as a refrigerator or freezer or a combination device with a plurality of storage compartments kept at different operating temperatures.
Neben der Energieeffizienz ist ein geringes oder unaufdringliches Betriebsgeräusch ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Haushaltskältegeräten. Eine wesentliche Ursache von Betriebsgeräuschen ist die Zirkulation des Kältemittels in einem solchen Gerät. Zwar arbeiten auch der Verdichter und, sofern vorhanden, Ventilatoren eines Kältegeräts nicht geräuschfrei, doch können diese kontrolliert bei gleichbleibender Geschwindigkeit betrieben werden, so dass das von ihnen erzeugte Geräusch aufgrund seiner Gleichmäßigkeit nur wenig wahrgenommen wird.In addition to energy efficiency, low or unobtrusive operating noise is an essential quality feature of household refrigerators. A major cause of operating noises is the circulation of the refrigerant in such a device. It is true that the compressor and, if present, the fans of a refrigeration device do not work silently either, but they can be operated in a controlled manner at a constant speed, so that the noise they generate is only slightly perceived due to its uniformity.
Haushaltskältegeräte verwenden aus Kostengründen üblicherweise als Drosselstelle zum Entspannen des Kältemittels eine Kapillare. Die Kapillare ist nicht aktiv regelbar; ihr Massenstrom ist hoch, solange flüssiges Kältemittel mit hoher Dichte am Einlass der Kapillare ansteht. Ist dieses über die Kapillare abgeflossen, dringt Kältemitteldampf in die Kapillare. Dies führt aufgrund der geringen Dichte des Dampfs zu einer Verminderung des Massenstroms, so dass wieder Kältemittel vor der Kapillare kondensiert, andererseits fließt der Dampf durch die Kapillare mit höherer Geschwindigkeit als das flüssige Kältemittel, und die daraus resultierenden Geschwindigkeitsschwankungen führen zu deutlich wahrnehmbaren Schwankungen des Betriebsgeräuschs.For reasons of cost, household refrigeration devices usually use a capillary as a throttle point to relax the refrigerant. The capillary cannot be actively regulated; their mass flow is high as long as liquid refrigerant with high density is present at the inlet of the capillary. If this has flowed off via the capillary, refrigerant vapor penetrates into the capillary. Due to the low density of the steam, this leads to a reduction in the mass flow, so that the refrigerant condenses in front of the capillary; on the other hand, the steam flows through the capillary at a higher speed than the liquid refrigerant, and the resulting fluctuations in speed lead to clearly perceptible fluctuations in the operating noise .
Bei kommerziellen Kälteanlagen sind thermostatische Expansionsventile gebräuchlich, die eine aktive Steuerung des Massenstroms erlauben. Diese sind üblicherweise stromabwärts von einem Sammler angeordnet, der groß genug ist, um eine saubere Trennung von Dampf und Flüssigkeit zu ermöglichen und das Expansionsventil ausschließlich mit flüssigem Kältemittel zu versorgen, solange der Sammler davon eine ausreichende Menge enthält. Um dies zu gewährleisten, wird der Massenstrom durch das Expansionsventil mit Hilfe eines Drucksensors gesteuert. Indem hier gasförmiges Kältemittel vom Expansionsventil ferngehalten wird, können Wirkungsgradeinbußen vermieden werden, die sich ergeben würden, wenn einerseits Dampf unter Energieeinsatz komprimiert und andererseits im Expansionsventil wieder expandieren gelassen wird, ohne dass die aufgewandte Energie genutzt werden kann.In commercial refrigeration systems, thermostatic expansion valves are used which allow active control of the mass flow. These are usually arranged downstream of a collector which is large enough to enable a clean separation of vapor and liquid and to supply the expansion valve exclusively with liquid refrigerant, as long as the collector contains a sufficient amount thereof. To ensure this, the mass flow through the expansion valve is controlled with the aid of a pressure sensor. By keeping gaseous refrigerant away from the expansion valve, losses in efficiency can be avoided that would result if, on the one hand, steam is compressed using energy and, on the other hand, is allowed to expand again in the expansion valve without the energy used being able to be used.
Die Anbringung eines Drucksensors ist aufwendig, da der Drucksensor unmittelbar mit dem zu messenden Kältemittel kommunizieren und geeignet abgedichtet sein muss. Dies, die Kosten der bekannten steuerbaren Expansionsventile und die Tatsache, dass für die in Haushaltskältegeräten zu steuernden kleinen Massenströme kaum brauchbare Expansionsventile verfügbar waren, hat deren Einsatz in Haushaltskältegeräten lange entgegengestanden. Erst seit wenigen Jahren werden Haushaltskältegeräte entwickelt, die steuerbare Expansionsventile verwenden.Attaching a pressure sensor is complex, since the pressure sensor must communicate directly with the refrigerant to be measured and must be suitably sealed. This, the cost of the known controllable expansion valves and the fact that hardly usable expansion valves were available for the small mass flows to be controlled in household refrigeration devices have long prevented their use in household refrigeration devices. Household refrigerators that use controllable expansion valves have only been developed for a few years.
Aus
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein hocheffizientes und dennoch kostengünstig zu fertigendes Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, zu schaffen.The object of the present invention is to create a highly efficient and yet inexpensive to manufacture refrigeration device, in particular a domestic refrigeration device.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einem Verflüssiger, wenigstens einem ein erstes Lagerfach kühlenden ersten Verdampfer, einer Drosselstelle, die einen Auslass des Verflüssigers mit einem Einlass des ersten Verdampfers verbindet, einem Auffangbehälter für aus dem ersten Verdampfer überlaufendes flüssiges Kältemittel, der an einen Auslass des ersten Verdampfers angeschlossen ist und in einer wärmeren Umgebung als der Umgebung des ersten Verdampfers angeordnet ist, dem Auffangbehälter ein Temperatursensor zugeordnet ist und die Drosselstelle ein steuerbares Expansionsventil umfasst, das anhand der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur gesteuert ist.The object is achieved in that, in a refrigeration device, in particular a household refrigerator, with a condenser, at least one first evaporator cooling a first storage compartment, a throttle point that connects an outlet of the condenser to an inlet of the first evaporator, a collecting container for overflow from the first evaporator liquid refrigerant, which is connected to an outlet of the first evaporator and is arranged in a warmer environment than the environment of the first evaporator, a temperature sensor is assigned to the collecting container and the throttle point comprises a controllable expansion valve which is controlled based on the temperature detected by the temperature sensor .
Der Auffangbehälter schafft einen Puffer, dessen Füllungsgrad mit flüssigem Kältemittel anhand der gemessenen Temperatur abgeschätzt werden kann. Indem anhand dieser Temperatur der Massenstrom durch das Expansionsventil gesteuert wird, kann sichergestellt werden, dass bei laufendem Verdichter stromaufwärts von der Drosselstelle jederzeit genügend flüssiges Kältemittel zur Verfügung steht, um Dampf vom Expansionsventil fernhalten zu können. Gleichzeitig ist es möglich, den ersten Verdampfer komplett mit flüssigem Kältemittel zu fluten und so eine hohe, z.B. zum schnellen Abkühlen von frisch eingeladenem Kühlgut benötigte Kühlleistung bereitzustellen. Indem der Sammelbehälter in einer wärmeren Umgebung angebracht ist als der erste Verdampfer, kann sichergestellt werden, dass flüssiges Kältemittel, das aus dem ersten Verdampfer in den Sammelbehälter überläuft, sich dort nicht ansammelt, sondern alsbald verdampft.The collecting container creates a buffer, the degree of filling of which with liquid refrigerant can be estimated based on the measured temperature. By using this temperature to control the mass flow through the expansion valve, it can be ensured that when the compressor is running, there is always enough liquid refrigerant available upstream of the throttle point to be able to keep vapor away from the expansion valve. At the same time, it is possible to completely flood the first evaporator with liquid refrigerant and thus provide a high cooling capacity, which is required, for example, for the rapid cooling of freshly loaded refrigerated goods. By placing the collecting container in a warmer environment than the first evaporator, it can be ensured that the liquid refrigerant flowing from the first evaporator into the Collection container overflows, does not accumulate there, but evaporates immediately.
Um unterschiedliche Umgebungstemperaturen für den ersten Verdampfer und den Sammelbehälter zu gewährleisten, kann der Auffangbehälter von dem ersten Lagerfach durch eine Wärmedämmschicht getrennt sein.In order to ensure different ambient temperatures for the first evaporator and the collecting container, the collecting container can be separated from the first storage compartment by a thermal insulation layer.
Um eine präzise Steuerung kleiner Massenströme durch das Expansionsventil zu ermöglichen, kann es hilfreich sein, das Expansionsventil mit einer Kapillare in Reihe zu schalten, so dass jeweils ein Teil der Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und erstem Verdampfer an der Kapillare und der Rest am Expansionsventil abfällt.In order to enable precise control of small mass flows through the expansion valve, it can be helpful to connect the expansion valve in series with a capillary, so that part of the pressure difference between the condenser and the first evaporator falls on the capillary and the rest on the expansion valve.
Um zu vermeiden, dass bereits in der Kapillare kurz vor deren stromabwärtigem Ende Verdampfung einsetzt und Geräusche dadurch entstehen, dass sich am Ausgang der Kapillare Dampf und flüssiges Kältemittel abwechseln, sollte die Kapillare stromaufwärts vom Expansionsventil angeordnet und die an ihr abfallende Druckdifferenz klein genug sein, um ein Verdampfen von Kältemittel vor Erreichen des Expansionsventils zu verhindern.In order to avoid that already in the capillary shortly before its downstream end evaporation begins and that noises are produced by the fact that vapor and liquid refrigerant alternate at the exit of the capillary, the capillary should be arranged upstream of the expansion valve and the pressure difference falling across it should be small enough, to prevent refrigerant from evaporating before it reaches the expansion valve.
Typischerweise sollte hierfür die Kapillare bemessen sein, um einen kleineren Druckabfall als das steuerbare Expansionsventil aufzuweisen.Typically, the capillary should be sized to have a smaller pressure drop than the controllable expansion valve.
Dem steuerbaren Expansionsventil (und ggf. der Kapillare) kann ein Dampfabscheider vorgeschaltet sein.A steam separator can be connected upstream of the controllable expansion valve (and possibly the capillary).
Der Dampfabscheider trennt nicht nur Kältemitteldampf, sondern auch nicht kondensierbares Restgas, das beim Zusammenbau des Kältemittelkreislaufs in dessen Hohlräumen zurückgeblieben ist, vom flüssigen Kältemittel. Indem der Dampfabscheider geräumig genug dimensioniert wird, kann auch eine größere Menge an Restgas, als derzeit üblicherweise beim Evakuieren des Kältemittelkreislaufs zurückbleibt, neutralisiert werden. Der Mehraufwand, der mit dem Einbau des Dampfabscheiders verbunden ist, kann daher wenigstens teilweise durch eine Verkürzung der Evakuierung ausgeglichen werden.The vapor separator not only separates refrigerant vapor from the liquid refrigerant, but also non-condensable residual gas that remained in its cavities when the refrigerant circuit was assembled. By making the vapor separator spacious enough, it is also possible to neutralize a larger amount of residual gas than is currently usually left behind when the refrigerant circuit is evacuated. The additional expense associated with installing the vapor separator can therefore be at least partially offset by shortening the evacuation.
Im einfachsten Fall ist der Dampfabscheider eine Aufweitung oder Kammer, deren Querschnitt groß genug ist, damit sich die Strömung des Kältemittels weit genug verlangsamen kann, um Dampfblasen aus dem flüssigen Kältemittel aufsteigen zu lassen. Eine solche Abscheidekammer hat zwischen einem oberen Einlass und einem unteren Auslass vorzugsweise eine maximale horizontale Querschnittsabmessung von wenigstens 8 mm oder eine maximale horizontale Querschnittsfläche von wenigstens 0,5 cm2. Die Abscheidekammer kann Wirbelbildung im flüssigen Kältemittel behindernde Einbauten wie etwa Zwischenwände oder eine Partikelschüttung enthalten. Die Wirkung des Dampfabscheiders kann auch auf einem großen Volumen und einer dementsprechend langen Verweildauer des Kältemittels basieren, die den Phasen Zeit gibt, sich voneinander zu trennen. Vorzugsweise sollte dieses Fassungsvermögen ausreichend sein, um wenigstens der Hälfte des insgesamt im Kältegerät vorhandenen Kältemittels in flüssigem Zustand Platz zu bieten. Um ein blasenfreies Abfließen des Kältemittels auch bei erhöhter Verdichterleistung, etwa bei Schnellkühlbetrieb, zu gewährleisten zu können, kann das Fassungsvermögen des Dampfabscheiders für bis zu 90% der Menge des Kältemittels in flüssigem Zustand bemessen sein. Dampfabscheider und erster Verdampfer können zusammen bemessen sein, um dem gesamten Kältemittel in flüssigem Zustand Platz zu bieten.In the simplest case, the vapor separator is an expansion or chamber, the cross-section of which is large enough that the flow of the refrigerant can slow down enough to allow vapor bubbles to rise from the liquid refrigerant. Such a separation chamber preferably has a maximum horizontal cross-sectional dimension of at least 8 mm or a maximum horizontal cross-sectional area of at least 0.5 cm 2 between an upper inlet and a lower outlet. The separation chamber can contain built-in components that impede the formation of vortices in the liquid refrigerant, such as partition walls or a bed of particles. The effect of the vapor separator can also be based on a large volume and a correspondingly long retention time of the refrigerant, which gives the phases time to separate from one another. This capacity should preferably be sufficient to accommodate at least half of the total refrigerant present in the refrigeration device in the liquid state. In order to be able to guarantee bubble-free drainage of the refrigerant even with increased compressor performance, for example during rapid cooling operation, the capacity of the vapor separator can be dimensioned for up to 90% of the amount of refrigerant in the liquid state. Vapor separator and first evaporator can be dimensioned together in order to offer space for the entire refrigerant in the liquid state.
Der Auslass des Verflüssigers sollte mit der Drosselstelle ohne Zwischenschaltung eines weiteren Verdampfers verbunden sein.The outlet of the condenser should be connected to the throttle point without the interposition of a further evaporator.
Einer besonders bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist der Auffangbehälter ein zweiter Verdampfer. Dieser kann von gleicher Bauart wie der erste Verdampfer, z.B. ein Rollbond-, ToS- oder Lamellenverdampfer, sein.According to a particularly preferred embodiment, the collecting container is a second evaporator. This can be of the same design as the first evaporator, e.g. a Rollbond, ToS or lamellar evaporator.
Zweckmäßigerweise dient der zweite Verdampfer zum Kühlen eines zweiten Lagerfachs.The second evaporator is expediently used to cool a second storage compartment.
Da der zweite Verdampfer nur dann flüssiges Kältemittel empfängt, wenn der erste überläuft, sollte die Betriebstemperatur des zweiten Lagerfachs höher als die des ersten sein.Since the second evaporator only receives liquid refrigerant when the first overflows, the operating temperature of the second storage compartment should be higher than that of the first.
Die Verdampfer können in unmittelbarem thermischem Kontakt mit denen von ihnen gekühlten Lagerfächern angeordnet sein, d.h. die oben erwähnten Umgebungen des ersten Verdampfers und des Auffangbehälters bzw. zweiten Verdampfers können diese Lagerfächer selber sein.The evaporators can be arranged in direct thermal contact with the storage compartments they are cooling, i. the above-mentioned surroundings of the first evaporator and the collecting container or second evaporator can be these storage compartments themselves.
Als der oben genannte, das Expansionsventil steuernde Temperatursensor kann dann ein Fachtemperatursensor des zweiten Lagerfachs dienen. So können die mit der Anbringung eines zusätzlichen Sensors verbundenen Kosten vermieden werden.A compartment temperature sensor of the second storage compartment can then serve as the above-mentioned temperature sensor controlling the expansion valve. This avoids the costs associated with adding an additional sensor.
Um den zur Unterbringung des oder der Verdampfer verfügbaren Platz nicht unnötig einzuschränken, kann das steuerbare Expansionsventil in einer Trennwand zwischen den Lagerfächern untergebracht sein. So bleibt insbesondere eine Rückwand der Lagerfächer vollständig verfügbar, um daran einen der Verdampfer anzubringen.In order not to unnecessarily restrict the space available for accommodating the evaporator or evaporators, the controllable expansion valve can be accommodated in a partition between the storage compartments. In particular, a rear wall of the storage compartments remains completely available in order to attach one of the evaporators to it.
Die oben erwähnte Wärmedämmschicht kann Teil der Trennwand sein. Da das Expansionsventil im Betrieb abkühlt, sollte in diesem Fall eine Aussparung der Wärmedämmschicht, die das Expansionsventil aufnimmt, wenigstens zum kälteren, d.h. im Allgemeinen zum ersten Lagerfach hin offen sein.The above-mentioned thermal insulation layer can be part of the partition wall. In this case, since the expansion valve cools down during operation a recess in the thermal insulation layer, which accommodates the expansion valve, should be open at least towards the colder, ie generally towards the first storage compartment.
Um ein Überlaufen des Auffangbehälters bzw. zweiten Verdampfers sicher zu verhindern, sollte dessen Fassungsvermögen bemessen sein, um wenigstens der Hälfte des Kältemittels in flüssigem Zustand Platz zu bieten. Für das ganze Kältemittel braucht der Platz nicht auszureichen, da flüssiges Kältemittel im Allgemeinen erst dann den Auffangbehälter erreicht, wenn der erste Verdampfer voll ist.In order to reliably prevent the collecting container or second evaporator from overflowing, its capacity should be dimensioned to provide space for at least half of the refrigerant in the liquid state. The space does not need to be sufficient for the entire refrigerant, since liquid refrigerant generally only reaches the collecting container when the first evaporator is full.
Eine Steuerschaltung sollte eingerichtet sein, um bei einer hohen erfassten Temperatur einen hohen und bei einer niedrigen erfassten Temperatur einen niedrigen Massenstrom durch das steuerbare Expansionsventil einzustellen.A control circuit should be set up in order to set a high mass flow rate through the controllable expansion valve at a high sensed temperature and a low mass flow rate at a low sensed temperature.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm eines Kältegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung; -
2 einen schematischen Schnitt durch das Kältegerät aus1 ; -
3 ein Blockdiagramm eines Kältegeräts gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und -
4 einen schematischen Schnitt durch das Kältegerät aus3 .
-
1 a block diagram of a refrigeration device according to a first embodiment; -
2 a schematic section through therefrigerator 1 ; -
3 a block diagram of a refrigeration device according to a second embodiment of the invention; and -
4th a schematic section through therefrigerator 3 .
Am Sammler
Die Drosselstelle
Der Verdampfer
Ein Temperatursensor
Eine Steuerschaltung
Überschreitet die bei laufendem Verdichter
Umgekehrt wird, solange bei laufendem Verdichter
Um letztere an den jeweiligen Bedarf anzupassen, kann vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung
Eine Aussparung
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Verdichtercompressor
- 22
- DruckanschlussPressure connection
- 33
- DruckleitungPressure line
- 44th
- VerflüssigerCondenser
- 55
- SammlerCollector
- 66th
- DrosselstelleThrottling point
- 77th
- VerdampferEvaporator
- 88th
- VerdampferEvaporator
- 99
- SaugrohrSuction pipe
- 1010
- SauganschlussSuction connection
- 1111
- Kammerchamber
- 1212
- Einlassinlet
- 1313
- AuslassOutlet
- 1414th
- ExpansionsventilExpansion valve
- 1515th
- Kapillarecapillary
- 1616
- WärmetauscherHeat exchanger
- 1717th
- KältemittelrohrRefrigerant pipe
- 1818th
- Einlass inlet
- 1919th
- AuslassOutlet
- 2020th
- TemperatursensorTemperature sensor
- 2121st
- LagerfachStorage compartment
- 2222nd
- SteuerschaltungControl circuit
- 2323
- LagerfachStorage compartment
- 2424
- KorpusBody
- 2525th
- ZwischenwandPartition
- 2626th
- AußenwandOuter wall
- 2727
- DämmmaterialInsulation material
- 2828
- AussparungRecess
- 2929
- Deckelcover
- 3030th
- AuffangbehälterCollecting container
- 3131
- VerdampferkammerEvaporation chamber
- 3232
- ZwischenwandPartition
- 3333
- Trennwandpartition wall
- 3434
- Ventilatorfan
- 3535
- Einlassinlet
- 3636
- Klappeflap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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