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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit einem Kältemittelkreislauf, umfassend: einen Verdichter, einen Verflüssiger und einen Verdampfer.
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Kühl- und/oder Gefriergeräte aus dem Stand der Technik bilden unter Umständen während ihres Betriebs eine Eisschicht auf kalten Bauteilen, etwa auf dem Verdampfer. Diese Eisschicht führt zu einer schlechteren Energieeffizienz der Geräte durch schlechtere Wärmeleitung, so dass der Verdampfer in regelmäßigen Abständen abgetaut werden muss.
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Bei beispielsweise zur Präsentation von Waren durchsichtigen Wänden oder Türen von Kühl- und/oder Gefriergeräten kommt es durch die oftmalige Türöffnung zur Entnahme von Waren zu Kondensation von Wasser aus der Luft auf der kalten durchsichtigen Oberfläche, was den Hindurchsehen durch die durchsichtige Wand oder Tür erschwert.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Kühl- und/oder Gefriergeräte nutzen beispielsweise so genannte Heißgasheizungen zum Abtauen von Eisschichten oder zum Verhindern von Kondensation oder der Eisbildung auf durchsichtigen Wänden oder Türen.
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Diese Heißgasheizungen nutzen das durch den Verdichter erhitzte oder überhitzte Kältemittel, das als Heißgas bezeichnet wird, zum regelmäßigen Beheizen der hinsichtlich der Eis- oder Kondensatbildung gefährdeten Bauteile oder zum Beheizen der durchsichtigen Wände oder Türen. Dadurch schmelzen die Eisschichten ab bzw. deren Bildung wird verhindert. Die Kondensation von Wasser an den durchsichtigen Wänden oder Türen wird durch die erwärmte Oberfläche gemildert oder verhindert.
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Das Heißgas wird dabei durch Leitungen, die in der Nähe der zu beheizenden Bauteile oder am Rahmen der durchsichtigen Wände oder Türen angeordnet sind geführt. Wenn die Leitungen für das Heißgas an einem Rahmen angeordnet sind, wird eine solche Heizung auch als Heißgasrahmenheizung bezeichnet.
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Der Massenstrom des Kältemittels oder Heißgases bei einer Heißgasheizung ist direkt proportional zur Heizleistung der Heizung.
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Das Heißgas wird üblicherweise, wenn es neben der Funktion als Kältemittel auch als Heizmittel dient, in dem Maße erhitzt, dass der Temperaturabfall während der Wärmeabgabe beim Heizen nicht zu groß wird, so dass noch eine genügend hohe Temperatur bei der Verflüssigung des Heißgases vorliegt, damit das Heißgas im Verflüssiger kondensieren kann. Wenn das Heißgas in bestimmten Betriebszuständen nur zum Heizen verwendet werden soll, ist diese Überhitzung nicht unbedingt notwendig.
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Konventionell verlegte Heißgasheizungen sind meist einfach, das heißt mit nur einer Leitung oder mittels Abzweigung von Leitungen symmetrisch aufgebaut. Der Massenstrom des Heißgases stellt sich über die Druckdifferenzen der Leitungen ein und kann nicht variabel an die benötigte Heizleistung angepasst werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik abzumildern oder gar ganz zu beseitigen und insbesondere den Massenstrom des Kältemittels oder Heißgases in Leitungen von Heißgasheizungen für Kühl- und/oder Gefriergeräte anzupassen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Expansionsventil in einem Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger angeordnet ist.
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Das Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf durchströmt den Verflüssiger, sodann ein Drosselorgan, gelangt von diesem in den Verdampfer, in dem das Kältemittel verdampft und dabei Wärme aufnimmt und sodann in den Verdichter durch den es verdichtet und erhitzt oder überhitzt wird. Von dem Verdichter strömt das Kältemittel, welches nun als Heißgas bezeichnet wird, in den Verflüssiger, in dem es in den flüssigen Zustand übergeht und dabei Wärme abgibt.
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Das Expansionsventil kann durch seine Ventilstellung oder dem Öffnungsgrad den Massenstrom des Heißgases, der durch den entsprechenden Leitungsabschnitt fließt, regulieren.
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Denkbar ist auch die Nutzung anderer für die Erfindung geeigneter Ventile oder Absperreinrichtungen oder dergleichen, die keine Expansionsventile sind. Im Rahmen der Erfindung sind alle sonstigen geeigneten Ventile oder Absperreinrichtungen oder dergleichen mit dem Begriff Expansionsventil umfasst.
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Denkbar ist, dass mindestens ein Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger als Heizung, insbesondere als Rahmenheizung für ein Bauteil, insbesondere eine Tür des Kühl- und/oder Gefriergeräts dient.
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Eine Heizung im Sinne der Erfindung ist insbesondere im Wesentlichen ein Leitungsabschnitt eines Kältemittelkreislaufs durch den Heißgas strömt.
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Zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger ist das Kältemittel als Heißgas erhitzt oder überhitzt und kann zum Heizen verwendet werden, wenn es durch entsprechende Leitungsabschnitte zu den zu beheizenden Stellen zugeleitet wird.
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Der Heizbedarf der zu beheizenden Stelle wird nun dadurch angepasst, dass der Massenstrom des Heißgases das dem Leitungsabschnitt zugeführt wird durch ein Expansionsventil fließt und damit die Heizleistung der Heizung reguliert wird.
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Je mehr eventuell überhitztes Heißgas pro Zeit durch den entsprechenden Leitungsabschnitt strömt, umso größer ist die Heizleistung und entsprechend ist die Heizleistung geringer, wenn weniger Heißgas pro Zeit durch den entsprechenden Leitungsabschnitt strömt.
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Für eine größere Heizleistung muss der Verdichter mehr verdichtetes Kältemittel, also Heißgas pro Zeit erzeugen, was den Energieverbrauch des Kühl- und/oder Gefriergeräts erhöht und entsprechend ist der Energieverbrauch des Kühl- und/oder Gefriergeräts geringer, wenn weniger Heißgas pro Zeit benötigt wird.
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Eine Regulierung der Heizleistung ermöglicht somit auch eine Regulierung des Energieverbrauchs des Kühl- und/oder Gefriergeräts.
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Mithilfe der Erfindung kann die Funktionssicherheit, die Betriebseinsatzgrenze sowie die Energieeffizienz des Kühl- und/oder Gefriergeräts gesteigert werden.
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Denkbar ist, dass mindestens ein weiteres Expansionsventil in mindestens einem weiteren Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger angeordnet ist.
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Damit kann der Heizbedarf von anderen zu beheizenden Stelle dadurch angepasst werden, dass der Massenstrom des Heißgases das dem weiteren Leitungsabschnitt zugeführt wird durch ein Expansionsventil reguliert wird.
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Der Massenstrom des Heißgases und damit die Heizleistung der Heizung kann so über unterschiedliche Ventilstellungen oder Öffnungsgrade der Expansionsventile und den dadurch bedingten unterschiedlichen Differenzdrücken in den Leitungsabschnitten aufgeteilt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Leitungsabschnitte in einer Serien- und/oder Parallelschaltung verbunden.
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Die Erfindung dient damit der variablen Heißgasverteilung am Gerät.
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Insbesondere im Falle einer Heißgasrahmenheizung für mehrere Türen können damit unterschiedliche Massenströme für die Beheizung der Türen gesteuert oder reguliert werden. So ist es denkbar, dass die Heizleistung der Heißgasrahmenheizung direkt an die Türöffnungszahl der entsprechenden Tür oder sonstigen Parametern angepasst werden kann, was bei unterschiedlichen Öffnungszahlen von verschiedenen Türen des Kühl- und/oder Gefriergeräts zu Energieeinsparungen führt.
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Es ist auch möglich Heizungen für andere zu beheizende Bauteile, wie etwa Verdampfer oder Tauwasserschalen oder dergleichen gesteuert oder geregelt mit Massenstrom des Heißgases zu versorgen.
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In einer Parallelschaltung können die einzelnen Leitungsabschnitte auch gänzlich vom Massenstrom des Heißgases durch komplettes Schließen des entsprechenden Expansionsventils abgetrennt werden ohne die Funktion des Kältemittelkreislaufs oder anderer Heizungen zu beeinträchtigen.
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Denkbar ist, dass das Expansionsventil ein elektrisches oder elektronisches Expansionsventil ist.
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Dadurch kann eine elektrische oder elektronische Steuerung die Ventilstellung elektrisch oder elektronisch verändern.
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Beispielsweise kann die elektrische oder elektronische Steuerung zeitgesteuert oder durch Nutzeingabe oder durch Erfassung sonstiger Betriebszustandsdaten, wie Türöffnungszeiten oder dergleichen durch die Veränderung der Ventilstellung die Heizleistung der zu dem Ventil gehörigen Leitungsabschnitte anpassen.
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So können zum Beispiel zeit- oder bedarfsgesteuert die Enteisung des Verdampfers oder nach Türöffnungszeit gesteuert die Heizzeiten der Rahmenheizung gesteuert werden.
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Vorzugsweise hat das Expansionsventil eine größere Durchflussrate als für die Expansionsfunktion an sich notwendig.
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Durch die Nutzung von Expansionsventilen, die einen sehr hohe Durchflussrate gewährleisten können, kann der Druckabfall durch das Expansionsventil sehr weit abgesenkt werden und damit ein hoher Massenstrom des Heißgases zuverlässig gewährleistet werden.
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In einer vorteilshaften Ausführungsform ist das Kühl- und/oder Gefriergerät ein Verkaufskühlmöbel.
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Vor allem zur Präsentation von Waren sind die Wände oder Türen des Kühl- und/oder Gefriergeräts vorteilhafterweise durchsichtig. Für die Verhinderung der Bildung von Kondenswasser auf den durchsichtigen Oberflächen werden vorzugsweise Heißgasrahmenheizungen eingesetzt, so dass die Sichtbarkeit der Waren im Kühl- und/oder Gefriergerät bestehen bleibt.
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Die Anpassung der Kältetechnik des Kühl- und/oder Gefriergeräts an Störgrößen wie Ladenöffnungszeiten, Türöffnungsanzahl und so weiter trägt im Teillastbereich dazu bei, die Effizienz und Leistung der Rahmenheizung speziell von Verkaufskühlmöbeln zu steigern.
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Denkbare Ausführungsformen des Kühl- und/oder Gefriergeräts sind des Weiteren Ausführungen als Hochschrank, als Truhe, als Regal oder in einer anderen denkbaren Form mit jeweils Schiebe- oder Klapptüren oder Türen anderer Gestalt.
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Vorzugsweise befindet sich an mindestens einem Leitungsabschnitt mindestens ein Temperatursensor.
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Für Steuerungen und/oder Regelungen der Heizung sind Temperatursensoren, die die Temperatur der Leitungsabschnitte, die als Heizung dienen, messen.
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Die Temperatursensoren können dabei Thermoelemente, Platin-Messwiderstände oder dergleichen sein und sind vorzugsweise fest und unmittelbar an dem Leitungsabschnitt angebracht, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die gemessene Temperatur als Maß für den Öffnungsgrad des oder der Expansionsventile ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung eines Expansionsventils in einem Kühl- und/oder Gefriergerät gemäß der Erfindung, wobei die Führungsgröße eine vorgegebene Temperatur ist, die Stellgröße die Ventilstellung des Expansionsventils ist und die Regelgröße aus mindestens der Temperatur eines Temperatursensors an mindestens einem Leitungsabschnitt gebildet wird.
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Dadurch entsteht ein Regelkreis mit dem der Massenstrom des Heißgases, welches durch den Leitungsabschnitt fließt durch die Ventilstellung des Expansionsventils in der Art reguliert wird, dass sich am Temperatursensor eine vorgegebene Temperatur einstellt.
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Die Temperatur kann dabei vorzugsweise durch einen Nutzer vorgegeben oder durch eine Steuerung nach bestimmten Kriterien, wie der Umgebungstemperatur oder dergleichen errechnet oder in die Steuerung fest einprogrammiert sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Berechnung der Massenstromaufteilung in mehreren Leitungsabschnitten eines Kühl- und/oder Gefriergeräts gemäß der Erfindung, wobei die Temperaturen der Temperatursensoren an mehreren Leitungsabschnitten durch einen Algorithmus in eine Massenstromverteilung des durch diese Leitungsabschnitte fließenden Massenstrom umgerechnet werden.
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Bei Einsatz von mehreren Leitungsabschnitten als Heizungen an denen jeweils mindestens ein Temperatursensor angebracht ist und deren Massenstrom des Heißgases mit jeweils einem Expansionsventil reguliert wird kann vorzugsweise eine Messwertauswertung der Temperaturmesswerte in der Form erfolgen, dass durch einen Algorithmus von den gemessenen Temperaturen auf die Massenstromverteilung des Heißgases geschlossen werden kann. Bei einer hohen Temperatur fließt viel Heißgas durch den Leitungsabschnitt und bei einer niedrigeren Temperatur fließt wenig Heißgas durch den Leitungsabschnitt.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
- 1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs eines Kühl- und/oder Gefriergeräts.
- 2: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs eines Kühl- und/oder Gefriergeräts.
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In 1 sind durch Leitungen 7 verbundene Bauteile eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs zu sehen. Dabei umfasst der Kältemittelkreislauf einen Verdichter 1, einen Verdampfer 2, einen Verflüssiger 3, ein Drosselorgan 4, zwei elektrische oder elektronische Expansionsventile 5 und zwei Sensoren 6 zur Regelung.
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In diesem Kältemittelkreislauf zirkuliert Kältemittel, welches zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger als Heißgas bezeichnet wird.
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Die Sensoren 6 zur Regelung befinden sich dabei an jeweils einem Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger, der als Rahmenheizung R1 und R2 fungiert. Die Rahmenheizungen R1 und R2 sind in einer Parallelschaltung durch die Knotenpunkte K1 und K2 mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Die Expansionsventile 5 regulieren den Massenstrom des Heißgases zu den Rahmenheizungen R1 und R2. Mittels der Sensoren 6 zur Regelung, die vorzugsweise Temperatursensoren oder auch Durchflusssensoren sind, kann in einem Regelkreis der Massenstrom des Heißgases so geregelt werden, dass sich eine Solltemperatur oder ein Solldurchfluss des Heißgases an den Rahmenheizungen R1 und R2 einstellt.
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In Serie zu dieser Parallelschaltung ist ein weiterer Leitungsabschnitt, der als Heizung H1 fungiert, geschaltet. Die Heizung H1 kann beispielsweise zur Beheizung des Verdampfers 3 oder eines anderen Bauteils, wie einer Tauwasserschale eingesetzt werden. Der Massenstrom des Heißgases dieser Heizung H1 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht durch ein Expansionsventil 5 reguliert und hat dementsprechend auch keinen Sensor 6 zur Regelung.
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In 2 sind durch Leitungen 7 verbundene Bauteile eines weiteren erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs zu sehen. Dabei umfasst der Kältemittelkreislauf einen Verdichter 1, einen Verdampfer 2, einen Verflüssiger 3, ein Drosselorgan 4, drei elektrische oder elektronische Expansionsventile 5 und drei Sensoren 6 zur Regelung.
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In diesem Kältemittelkreislauf zirkuliert auch Kältemittel, welches zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger als Heißgas bezeichnet wird.
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Die Sensoren 6 zur Regelung befinden sich dabei an jeweils einem Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger, der als Rahmenheizung R1 und R2 sowie an einem weiteren Leitungsabschnitt, der als Heizung H1 fungiert. Die Heizung H1 kann auch hier beispielsweise zur Beheizung des Verdampfers 3 oder eines anderen Bauteils, wie einer Tauwasserschale eingesetzt werden. Die Rahmenheizungen R1, R2 und die Heizung H1 sind in einer Parallelschaltung durch die Knotenpunkte K1, K2 und K3 mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Die Expansionsventile 5 regulieren den Massenstrom des Heißgases zu den Rahmenheizungen R1 und R2 sowie zu der Heizung H1. Mittels der Sensoren 6 zur Regelung, die vorzugsweise Temperatursensoren oder auch Durchflusssensoren sind, kann in einem Regelkreis der Massenstrom des Heißgases so geregelt werden, dass sich eine Solltemperatur oder ein Solldurchfluss des Heißgases an den Rahmenheizungen R1 und R2 sowie an der Heizung H1 einstellt.
