DE3544445A1 - Kuehl- und gefriergeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühl- bzw. Gefriergerät, insbes. einen Haushalts-Kühl- oder Gefrierschrank, dessen Nutzraum mit einem Kälteerzeuger nach Art eines Kaltluft-Kreislaufes gekühlt ist, in welchem aus dem Nutzraum angesaugte Luft mit höherem Temperaturniveau nach dem Komprimieren in einem der Umgebungsluft ausgesetzten Wärmetauscher bis annähernd auf deren Temperatur abgekühlt und nach anschließendem Expandieren und dabei erfolgender Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb des tiefsten Temperatur-Niveaus in den Nutzraum zurückgeleitet wird, wobei in dem Kreislauf Mittel zum Entfeuchten der umgewälzten Luft vorgesehen sind.

Bei Kühl- und Gefriergeräten der hier betroffenen Gattung wird die als Arbeitsmittel genutzte atmosphärische Luft im offenen Kreislauf umgewälzt. Da diese dabei in der Lage ist, aus der Umgebung und aus dem Kühl- bzw. Gefriergut Wasserdampf aufzunehmen, bilden sich bei den hinter der Expansionsstufe herrschenden tiefen Temperaturen Eiskristalle. Hierdurch besteht die Gefahr, daß diese hinter der Expansionsstufe ausgefällt werden und sich in Form von Reif oder Eis anlagern, wodurch die Funktion des Kaltluft-Kreislaufes stark beeinträchtigt wird.

Bei bekannten Kühl- und Gefriergeräten der genannten Art sind daher Labyrinth bzw. Zyklonabscheider vorgesehen, mit denen die hinter der Expansionsstufe entstehenden Eiskristalle aus dem Luftstrom ausgeschieden werden. Die ausgeschiedenen Eiskristalle werden dann aufgetaut und in Form von Tauwasser aus dem System entfernt.

Sofern dabei als Expansionsstufe eine Expansionsturbine verwendet wird, ist die Reifentstehung jedoch unkontrollierbar. Da diese z. B. von der Keimzahl der umgewälzten Luft, der örtlichen Unterkühlung, den örtlichen Strömungsbedingungen, der Lufttemperatur und der Luftfeuchte abhängt, besteht hier die Möglichkeit, daß sich Eiskristalle - anders als im Normalfall, wo sie wegen ihrer endlichen Wachstumsgeschwindigkeiten erst dahinter entstehen - bereits innerhalb des Laufkranzes der Expansionsturbine bilden können. Sofern hierbei kompakte Eiskristalle entstehen, die mit hoher Relativgeschwindigkeit bewegt werden, besteht die Gefahr, daß diese zu mechanischen Beanspruchungen und Beschädigungen sowohl der Lauf- als auch der Leitschaufeln der Expansionsturbine führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die sich infolge der vorstehenden Zusammenhänge ergebenden Gefahren auf einfache Weise wirksam zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß zum Entfeuchten des umgewälzten Luftstromes ein zusätzlicher Wärmetauscher dient, in welchem aus dem Nutzraum angesaugte Luft vom oberen Temperaturniveau mit Hilfe der expandierten kalten Luft durch Kondensation der aufgenommenen Feuchtigkeit an den Wärmetauscherflächen getrocknet wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäß in den Kreislauf eingeschalteten zusätzlichen Wärmetauschers wird sichergestellt, daß die umgewälzte Luft nur noch in getrocknetem Zustand in die Expansionsturbine gelangt, so daß sich hier keine Eiskristalle mehr bilden können.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der zusätzliche Wärmetauscher als Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher mit senkrecht stehenden Platten ausgebildet ist, deren untenliegender Endverteiler einen Ablauf für Tauwasser aufweist.

Hierbei ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß der untere Endverteiler des Kreuzstrom-Plattenwärmetauschers mit einem zum Ablauf hin geneigten Gefälle versehen ist.

Eine besonders einfache Möglichkeit zum Verkürzen der Abtauzeit ergibt sich, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß die Platten des Wärmetauschers mit einer Abtauheizung versehen sind.

Nach einer Alternativlösung kann auch vorgesehen sein, daß der Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher -zwei wahlweise in den Luftstrom einschaltbare Abteile aufweist, die thermisch voneinander getrennt sind.

Hierdurch wird auf einfache Weise ein kontinuierlicher Betrieb des Kühl- und Gefriergerätes nach der Erfindung ermöglicht.

Dieser läßt sich besonders wirksam durchführen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß der Weg der Luftströme durch die Abteile des Kreuzstrom-Plattenwärmetauschers durch Steuerklappen beeinflußbar ist.

Die vorliegende Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der beigefügten Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Kaltluft-Kreislauf für ein Gefriergerät, mit dem erfindungsgemäßen zusätzlichen Wärmetauscher,

Fig. 2 den thermodynamischen Ablauf des Idealprozesses des Kaltluft-Kreislaufes mit dem zusätzlichen Wärmetauscher in einem TS Diagramm

Fig. 3 bis

Fig. 5 verschiedene Ansichten des als einfacher Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher ausgebildeten, zusätzlichen Wärmetauschers und

Fig. 6 einen durch Klappen steuerbaren Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher als Alternativbeispiel zu dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 3 bis 5.

In der Fig. 1 ist mit K der Kühlraum eines Gefriergerätes bezeichnet, welches in der üblichen Weise ein mit einer nicht dargestellten Tür verschließbares, wärmeisoliertes Gehäuse aufweist. Das Gefriergerät ist mit einem Kälteerzeuger nach Art eines Kaltluft-Kreislaufes versehen, welcher kontinuierlich oder intermittierend betrieben werden kann. Bei intermittierendem Betrieb steigt in den Stehzeiten des Kälteerzeugers die Temperatur der Luft im Kühlraum K an. Dies ist sowohl auf den Wärmeeinfall von außen durch die Wärmeisolation des Gehäuses als auch durch das Eindringen der Außenluft beim Öffnen der Tür und nicht zuletzt auf die mit frisch eingelagertem Gefriergut in den Kühlraum K eingebrachte Wäremenergie zurückzuführen.

Steigt die Lufttemperatur im Inneren des Gefriergerätes bis auf den oberen Einschaltpunkt eines nicht dargestellten Thermostaten an, so wird der Stromkreis für einen Antriebsmotor EM geschlossen, der einen kombinierten Turbinensatz aus einer hochtourigen Kompressionsturbine V und einer Expansionsturbine E antreibt. Dabei wird Luft vom Zustand 0 aus dem Innenraum des Gefriergerätes K angesaugt und über einen zusätzlichen Wärmetauscher A geleitet, in dem sich ihr Zustand auf weiter unten beschriebene Weise auf den Zustand 0′ ändert. In diesem Zustand wird sie dann über die kalte Seite eines inneren Wärmetauschers WTI geleitet. Aus diesem inneren Wärmetauscher WTI gelangt die Luft darauf im Zustand 1 in die Kompressionsturbine V, aus welcher sie im Zustand 2 in einen der Raumtemperatur ausgesetzten äußeren Wärmetauscher WTA geleitet wird. In diesem der Raumluft ausgesetzten äußeren Wärmetauscher WTA wird die Temperatur der komprimierten Luft auf den Zustand 3′ oberhalb der Raumtemperatur gesenkt. Die beim Durchlauf der einzelnen Phasen sich ändernden, mit Ziffern bezeichneten Zustände der Luft entsprechen dabei den Zuständen nach dem TS Diagramm in Fig. 2.

Die Luft verläßt den äußeren Wärmetauscher WTA im Zustand 3′ und tritt auf der warmen Seite des inneren Wärmetauschers WTI ein, in welchem ein Wärmeaustausch mit den aus dem Gefriergerät angesaugten, im zusätzlichen Wärmetauscher A auf den Zustand 0′ gebrachten Luft stattfindet. Dabei wird die Temperatur der Luft auf den Zustand 3 gesenkt.

In diesem Zustand 3 wird dann die Luft aus dem inneren Wärmetauscher WTI von der Expansionsturbine E angesaugt und dort auf den Zustand 4 expandiert, wobei ihre Temperatur auf ca. -25°C abgesenkt wird. Über den zusätzlichen Wärmetauscher A tritt dann die kalte Luft in dem Zustand 5 wieder in das Gefriergerät K ein.

In dem zusätzlichen Wärmetauscher A findet ein Wärmetausch zwischen der aus dem Innenraum des Gefriergerätes K abgesaugten warmen Luft vom Zustand 0 und der von der Expansionsturbine E kommenden extrem kalten Luft vom Zustand 4 statt. Dabei schlägt sich die von der Luft im Zustand 0 im Innenraum des Gefriergerätes K aufgenommene Feuchtigkeit in Form von Reif im zusätzlichen Wärmetauscher A nieder, so daß die Luft diesen Wärmetauscher im Zustand 0′ getrocknet verläßt. Auf diese Weise wird eine unkontrollierte Bildung von Reif- oder Eiskristallen in oder hinter der Expansionsturbine E mit Sicherheit ausgeschaltet, da bei entsprechender Auslegung des Wärmetauschers A die Luft vom Zustand 0 nahezu bis auf die Taupunkttemperatur 4 entfeuchtet werden kann.

Der zusätzliche Wärmetauscher A ist als Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher mit einem äußeren Gehäuse G und stehend darin angeordneten Platten P ausgebildet, siehe Fig. 3 bis 6.

Die aus dem Nutzraum des Gefriergerätes K kommende wärmere und feuchte Luft vom Zustand 0 durchströmt den als Abscheider ausgebildeten, zusätzlichen Wärmetauscher A in Kontakt mit den kalten Platten P, deren Hohlraum von dem nach der Expansionsturbine E entstehenden Kaltluftstrom im Zustand 4 durchströmt werden. Dabei scheidet sich die von der Luft im Gefrierraum aufgenommene Feuchtigkeit in Form von Reif auf den Wänden der Platten P ab, wodurch die Luft auf den Zustand 0′ gekühlt und entfeuchtet wird. Die im Kreuzstrom dazu strömende Kaltluft vom Zustand 4 erwärmt sich auf den Zustand 5, in welchem sie in den Nutzraum eingeblasen wird.

Die Platten P sind als einfache Blechwände in Endverteilern EV eingeschweißt oder eingebördelt und zweckmäßigerweise an Haltelaschen L eingehängt. An die Dichtheit werden im übrigen keine großen Anforderungen gestellt, da die Drücke der Luft in den Zuständen 0 und 4 nahezu gleich sind.

An den Plattenkanten, die ebenfalls geschweißt oder gebördelt sein können, sind Elektroheizdrähte H angebracht, die zweckmäßigerweise auch durch einen untenliegenden Wasserablauf S nach außen und von dort noch durch eine Ablaufrohrleitung ER geführt sind.

Die aus dem Luftstrom vom Zustand 0 als Reif ausgeschiedene Feuchtigkeit läuft beim Abtauen durch Durchbrüche D ab, welche kurz oberhalb der unteren Endverteilerplatte EV, die wegen des Wasserablaufes schräg ausgeführt ist, die Platten P auf der Luftseite O durchsetzt in ein Durchsteckrohr R, welches an der tiefsten Stelle der Plattentasche durch die Endverteilerplatte P geführt ist. Danach ist beispielsweise ein flexibler, durch H beheizbarer Schlauch ER in Form eines Siphons mit R verbunden, um das Wasser mit einem Wasserverschluß durch den Siphon auf eine nicht gezeigte Verdunstungsschale zu führen und wieder verdunsten zu lassen.

Der Abtauvorgang kann entweder zeitgesteuert sein oder beim Überschreiten eines bestimmten Druckabfalls im Luftstrom vom Zustand 0 und 0′ oder aber auch durch optosensorische Kontrolle der Reifdicke eingeleitet werden. Dazu wird der Kälteerzeuger ausgeschaltet und die Elektroheizung H eingeschaltet. Die Beendigung des Abtauvorganges geschieht entweder zeitgesteuert oder durch Messung der Oberflächentemperatur der Platten P bei Überschreitung des Gefrierpunktes durch Abschalten der Abtauheizungen H.

Bei dem in der Fig. 6 nur in der einen Hälfte dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel zu dem zusätzlichen Wärmetauscher A′ handelt es sich um einen periodisch abtaubaren Abscheider, bei dem im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel auf beiden Luftseiten ein- und austrittsseitig Klappensteuerungen KL angebracht sind. Diese bestehen gemäß Fig. 6 aus einem Wellenantrieb W, welcher die Umlenkklappe KL zwischen den beiden Anschlägen A 1 und A 2 hin und her zu bewegen vermag.

Die aus dem Nutzraum des Gefriergerätes K kommende Luft vom Zustand 0 durchströmt im dargestellten Ausführungsbeispiel die unteren Luftkanäle und wird durch die dort in den Kaltluftkanälen der Platten P entgegenströmende Kaltluft vom Zustand 4 gekühlt und entfeuchtet. Hierbei ist im oberen Abteil die Elektroheizung H ₁ eingeschaltet, wodurch in diesem Abteil gerade abgetaut wird. Um eine Wärmeübertragung zwischen beiden Abteilen zu vermeiden, ist zwischen den beiden Hälften ein Isolierstück I angebracht, welches auch einen Luftdurchtritt in Höhe der Wellenebene W verhindert. Die aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff angefertigte Umlenkklappe KL, die hierbei auf der Anschlagseite A 1 anliegt, verhindert den Luftdurchtritt durch die gerade abtauende andere Hälfte.

Ist diese Hälfte abgetaut - z. B. durch Thermofühler oder zeitgesteuert kontrolliert - wird die Elektroheizung H 1 abgeschaltet, mit einer bestimmten Zeitverzögerung luftseitig umgeschaltet und die Elektroheizung H 2 eingeschaltet. Der Vorgang wird zyklisch so weitergeführt. In diesem Falle kann im übrigen die Heizung für die Ablaufleitung auch über die Warmluft-Rohrführung erfolgen, da sie zum Eisfreihalten des Wasserablaufes S ständig in Betrieb sein muß.

In der nicht dargestellten anderen Hälfte des Kreuzstrom-Plattenwärmetauschers ist ebenfalls eine Umlenkklappe angeordnet, die analog zur dargestellten, jedoch gegenläufig zu dieser bewegt wird.

Claims (6)

1. Kühl- bzw. Gefriergerät, insbesondere Haushalts-Kühl- und/oder Gefrierschrank, dessen Nutzraum mit einem Kälteerzeuger nach Art eines Kaltluft-Kreislaufes gekühlt ist, in welchen aus dem Nutzraum angesaugte Luft mit höherem Temperaturniveau nach dem Komprimieren in einem der Umgebungsluft ausgesetzten Wärmetauscher bis annähernd auf deren Temperatur abgekühlt und nach anschließendem Expandieren und dabei erfolgender Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb des tiefsten Temperaturniveaus in den Nutzraum zurückgeleitet wird, wobei in den Kreislauf Mittel zum Entfeuchten der umgewälzten Luft vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfeuchten des umgewälzten Luftstromes ein zusätzlicher Wärmetauscher (A, A′) dient, in welchem aus dem Luftraum (K) angesaugte Luft vom oberen Temperaturniveau mit Hilfe der expandierten kalten Luft durch Kondensation der aufgenommenen Feuchtigkeit an den Wärmetauscherflächen (P) getrocknet wird.

2. Kühl- und Gefriergeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Wärmetauscher als Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher mit senkrecht stehenden Platten (P) ausgebildet ist, deren unten liegender Endverteiler (EV) einen Ablauf (S, ER) für Tauwasser aufweist.

3. Kühl- und Gefriergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Endverteiler (ER) des Kreuzstrom-Plattenwärmetauschers mit einem zum Ablauf (S) hin geneigten Gefälle versehen ist.

4. Kühl- und Gefriergerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (P) des Kreuzstrom-Wärmetauschers mit einer Abtauheizung (H) versehen sind.

5. Kühl- und Gefriergerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher (A′) zwei wahlweise in den Luftstrom einschaltbare Abteile aufweist, die thermisch voneineander durch eine Isolierwand (I) getrennt sind.

6. Kühl- und Gefriergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg der Luftströme durch die Abteile des Kreuzstrom-Plattenwärmetauschers (A′) durch Steuerklappen (KL) beeinflußbar ist.