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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Kühlraumtemperatur einer
Kompressionskältemaschine Es sind Kühlanlagen bekannt, bei denen das von einer Kompressionskältemaschine
verdichtete und in einem Kondensator verflüssigte Kältemittel in bei verschiedener
Temperatur arbeitenden Verdampfern -wieder zur Verdampfung gebracht wird und dadurch
den Kühlräumen Wärme entzieht. Dabei hat man die verschiedenen Verdampfer entweder
über Regelventilanordnungen parallel geschaltet oder aber den einen Verdampfer dem
anderen vorgeschaltet, in dem Sinne, daß die in dem einen entwickelten Kältemitteldämpfe
auch den zweiten Verdampfer durchströmen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Kühlraumtemperaturen
bei einer Kompressionskältemaschine mit zwei in dem obigen Sinne hintereinandergeschalteten
Verdampfern verschiedener Temperatur. Sie will eine Anordnung schaffen, bei der
die beiden Verdampfer unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von dem Versagen
ausgesetzten Ventilen in freier Verbindung miteinander bleiben, so daß eine besonders
große Betriebssicherheit erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird zum Zwecke der stärkeren Kühlung des wärmeren
Kühlraumes, in dem sich ein Verdampfer größerer Kälteleistung angeordnet findet,
der vorgeschaltete Verdampfer des kälteren Kühlraumes aus einem Kältemittelflüssigkeitsvorrat
ganz mit flüssigem Kältemittel gefüllt, so daß der nachgeschaltete Verdampfer für
den wärmeren Kühlraum in diesem Falle das flüssige Kältemittel entweder unmittelbar
oder über den vorgeschalteten Verdampfer erhält. Zur Leistungsminderung des Verdampfers
des wärmeren Kühlraums wird dagegen flüssiges Kältemittel im Umlaufsystem außerhalb
der Verdampfer gespeichert. Dann fließen zu dem Verdampfer für den wärmeren Kühlraum
nur die Kältemitteldämpfe, die in dem kälteren Verdampfer entwickelt werden.
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Für die Inbetriebnahme des einen oder anderen Verdampfers ist bei
der praktischen Ausführung lediglich die auf verschiedene Weise mögliche In- oder
Außerbetriebsetzung einer Speichervorrichtung für flüssiges Kältemittel im Umlaufsystem
erforderlich. Diese kann stets in einfacher und betriebssicherer Weise vorgenommen
werden.
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Die Erfindung ist durch die Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt, und zwar zeigen Abb. r und a Ansichten einer Ausführungsform
bei Betrieb des kälteren bzw. des wärmeren Verdampfers,
Abb. 3 bis
15 schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen bzw. Darstellungen von Einzelteilen.
" Bei der Ausführungsform nach Alb. r fit= sitzt ein Kühlschrank io eine
kältere 'Kauei =: mer i i, in der z. B. Flüssigkeiten zum Gel frieren gebracht werden
sollen, und eine' Kammer 13, die auf einer etwas höheren Temperatur gehalten wird
als die Kammer i i und z. B. zum Frischhalten von Nahrungsmitteln dient. In der
Kammer i i ist ein Verdampfer i- angeordnet, der als überfluteter Verdampfer arbeitet,
während in der Kammer 13 ein Verdampfer 14 größerer Kälteleistung liegt, der jedoch
-bei höherer Temperatur arbeitet. Die Verdampfer arbeiten wechselweise und vorzugsweise
unter Thermostatsteuerung.
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Der - kältere Verdampfer 12 besitzt ein Kopfstück 15, von dem aus
Kältemittelkanäle 16 nach unten gehen. Vom oberen Ende des Kopfstückes aus geht
eine Leitung 18 zum wärmeren Verdampfer 14. Das Auslaßende des als geripptes Schlangenrohr
.ausgebildeten Verdampfers 14 ist durch eine Rohrleitung 1g mit der Saugseite 21
eines Kompressors 22 verbunden, der mit seinem Antriebsmotor in einem Gehäuse 23
untergebracht ist . und von dessen Druckseite aus ein Rohr .24 zu einem Kondensator
25 führt. Dieser wird durch einen Lüfter 26 angeblasen. Das darin verdichtete Kältemittel
fließt über ein Rohr27 über diesen Kondensator zu einem Behälter 28. Dieser Behälter
ist mit einem Rohr 2g einmal über eine ein Venti134 enthaltende, von seinem Boden
ausgehende Leitung 32 verbunden, ferner durch ein nahe dem oberen Ende der Kammer
angeschlossenes Rohr 33. Die Leitung 2g' ist über ein Schwimmerventil 31 in Verbindung
mit einer Leitung 35, die in das obere Ende `des Kopfstückes 15 des kälteren Verdampfers
einmündet. Infolge der Lage der Anschlüsse der Leitungen 35 und 18 an das Kopfstück
sucht das einfließende flüssige Kältemittel zunächst in den Kanal 16 des Verdampfers
12 zu gelangen. Flüssiges Kältemittel kann dagegen zum Rohr 18 und damit zum kälteren
Verdampfer nur dann fließen, wenn der Verdampfer 12 einschließlich des Kopfstückes
bis zur Höhe des Anschlusses des Rohres 18 mit Flüssigkeit gefüllt ist.
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Ist das Ventil 34 geschlossen, so füllt sich im Betriebe der Vorrichtung
zunächst dei Behälter 28 bis zur Höhe der Anschlußstelle des Rohres 33. Infolgedessen
gelangt flüssiges Kältemittel. nur zum Verdampfer 12, der dann allein eine stärkere
Kältewirkung auf seine Kammer ausüben kann, während der Verdampfer 14 nur indem
geringen Maße kühlend auf seine Kammer 13 wirken kann, wie es für die Überhitzung
der ihm durch das Rohr 18 zufließenden, aus dem kälteren Verdampfer 12 entweichenden
Kältemitteldämpfe möglich ist. Wird dagegen insbeson-,-.-.kp-e durch Thermostatsteuerung
das Ventil ";4 geöffnet, so gelangt der im Behälter 28 ''gespeicherte Vorrat jetzt
in den Umlauf, überflutet den Verdampfer 12 vollständig und gelangt nunmehr in das
Rohr 18 und zum wärmeren Verdampfer 14. Infolge der höheren Kälteleistung des wärmeren
Verdampfers 14 wächst dabei die Temperatur auf der Niederdruckseite des Rohrsvstems
zwischen den Punkten 31 und 2z so weit, daß der Verdampfer 12 jetzt nicht mehr kühlend
wirkt. Die Druckverhältnisse sind sogar derart, daß etwa zum Verdampfer 12 -gelangender
Kälteinitteldampf sich darin niederzuschlagen sucht. Um ein Zuströmen von flüssigem
Kältemittel von der Leitung 35 zu den Kanälen 16 bei diesem Betriebszustande möglichst
auszuschließen, ist im Kopfstück 15 eine waagerechte Seitenwand 36 unterhalb der
Anschlüsse der Leitungen 18 und 35 angeordnet.
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Bei der Ausführung der Erfindung nach Abb.3 dient zum Speichern eines
Teils des flüssigen Kältemittels statt der Kammer 28 der ersten Ausführung eine
Kammer 37, die durch Leitungen 38- und 3g zwischen die beiden Verdampfer 12 und
14 gelegt ist. In der Kammer ist ein Tauchkolben 41 angeordnet, der am oberen Ende
einen Magnetkern 42 für eine Schaltspule 43 trägt. Wenn die Spule 43 nicht erregt
ist, füllt der Kolben 41 den unteren Teil des Behälters 37 aus, so daß im wesentlichen
die gesamte Kältemittelmenge sich am Umlauf beteiligt. Wird dagegen durch Erregen
der Spule 43 der Kolben 4, gehoben, so wird wieder eine ausreichende Menge flüssigen
Kältemittels zurückgehalten, und der wärmere Verdampfer 14 erhält dann nur Kälteinitteldämpfe
aus dem kälteren Verdampfer 12. Wird die Spule 43 wieder stromlos, so wird wieder
der Ver= dampfer 14 allein arbeiten. Bei dieser Ausführungsform wird noch der besondere
Vorteil erreicht, daß von der Kammer 37 aus dann das flüssige Kältemittel in besonders
gekühltem Zustande zum Verdampfer 12 zurückfließt.
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Bei der Ausführungsforen nach Abb.4 und 5 ist der Speicherbehälter
als Kippkammer 44 gestaltet, die in der in Abb. 4 gezeichneten Lage die zu speichernde
Flüssigkeitsmenge zwischen der Einmündungsstelle des vom Verdampfer kommenden Rohres
27' und der Anschlußstelle des zum Schwimmerventil 31 führenden Rohres 29' zurückhält,
in der Lage nach Abb. 5 dagegen die eintretende Flüssigkeit sofort weiterfließen
läßt.
Die Steuerung erfolgt im dargestellten Falle durch einen Thermostatkolben
46, der durch ein Rohr 47 an einen Balgen 48 angeschlossen ist, der durch ein Gestänge
49 auf die Kammer 44 v er$chwenkend wirkt. Es ist angenommen, daß der Thermostatkolben
hier in der wärmeren Kammer 13 angeordnet ist. Wächst die Temperatur in dieser,
so verursacht der anwachsende Druck im Kolben 46 eine Ausdehnung des Balgen 48 und
damit eine Verschwenkung des Gefäßes in die Lage nach Abb. 5, so daß dann der Verdampfer
14 mit flüssigem Kältemittel beschickt wird.
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Will man den Kolben 46 in die kältere Kammer i i legen, so muß die
Einrichtung so getroffen werden, daß bei zunehmender Temperatur der Behälter 44
aus der Lage nach Abb. 5 in die Lage nach Abb. 4 verschwenkt wird.
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Bei der Anordnung nach Abb.6 ist der Speicher 51 gleichzeitig als
das Kopfstück (entsprechend 15 in Abb. i und 2) für den kälteren Verdampfer 12a
ausgebildet. Der Behälter besitzt Auslässe i7a und 17v in verschiedener Höhe. Der
obere Auslaß i7a führt über ein Ventil 52 zum wärmeren Verdampfer i4a größerer Kälteleistung,
und der untere Auslaß 17b ist hinter dem Ventil 52 über eine Leitung 53 ebenfalls
an den wärmeren Verdampfer angeschlossen. Diese Leitung hat in der dargestellten
Weise einen umgekehrt U-förmigen Teil oberhalb des Auslasses 17a. Der Verdampfer
i2a ist ebenfalls ein überfluteter Verdampfer, der jedoch als Rohrschlange ausgebildet
ist.
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Bei geschlossenem Ventil 52 wird flüssiges Kältemittel durch den unteren
Auslaß 17 b in den wärmeren Verdampfer getrieben, und zwar so lange, bis
der Flüssigkeitsstand 54 erreicht ist. Im oberen Teil des Behälters 51 sammelt sich
dampfförmiges Kältemittel, das an der Austrittsseite des Schwimmerventils 31 gebildet
wird. Wird das Ventil 52 geöffnet, so strömt nur noch dampfförmiges Kältemittel
aus dem oberen Teil des Behälters 51 zum Verdampfer 14a, während kein flüssiges
Kältemittel mehr durch die Rohrleitung 53: strömen kann, da kein Druckunterschied
besteht, der die Flüssigkeit durch den umgekehrt U-förmigen Teil dieses Rohrs treiben
könnte. Der Raum zwischen den Auslässen 17a und 17b ist ausreichend groß, um eine
Speichermenge entsprechend den Speicherbehältern der schon vorbeschriebenen Ausführungsformen
aufzunehmen.
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Bei der Ausführung nach Abb. 7 ist auch der kältere Verdampfer 56
als Trockenverdampfer ausgebildet, der in einem mit Salzlösung gefüllten Behälter
57 liegt, der den Gefrierraum 58 umschließt. Die Speichereinrichtung 28d entspricht
hier im wesentlichen der Speichereinrichtung 28 der ersten Ausführungsform; die
Teile 32a, 33a und 34a entsprechen den Teilen 32, 33, und 34 der ersten Ausführungsform.
Bei geschlossenem Ventil 34a gelangt nur so viel flüssiges Kältemittel zum kälteren
Verdampfer 56, daß es vollständig in Dampfform verwandelt wird und dadurch seine
Kühlarbeit leistet. Wird das Ventil 34a dagegen geöffnet, so wächst wieder der Druck
in der Niederdruckseite infolge der höheren Temperatur des Verdampfers 14a, und
es fließt verhältnismäßig warmes Kältemittel durch den Verdampfer 56, das die Salzlösung
im oberen Teil des Behälters 57 erwärmt, jedoch nicht die im unteren Teil befindliche
Lösung, die den Raum 58 umschließt.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 8 ist der Speicherbehälter 28U zwischen
dem Schwimmerventil 31 und der von diesem ausgehenden Leitung 35 und dem kälteren
Verdampfer 59 sowie dem wärmeren Verdampfer 61 angeordnet. Sein Böden ist
durch eine Leitung 32v über ein Ventil 34b mit einem Verzweigungsstück 62 zwischen
beiden Verdampfern verbunden. Der kältere Verdampfer 59 ist durch ein Rohr 63 mit
dem oberen Ende des Raumes 28b in Verbindung. Bei geschlossenem Ventil 34b wird
wieder flüssiges Kältemittel im Raum 28b zurückbehalten und nur der kältere Verdampfer
59 mit Flüssigkeit gespeist. Bei geöffnetem Ventil 34b wird der tiefer gelegene
kältere Verdampfer wieder völlig überflutet, und es gelangt weiter flüssiges Kältemittel
zum wärmeren Verdampfer 61, so daß im wesentlichen dieser allein arbeitet.
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Bei der durch Abb.9 bis 12 wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsform
:der Erfindung ist der Schrank 64 mit innerer Auskleidung 65 durch eine nahe dein
Boden angeordnete Zwischenwand 66 aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff in eine
Gefrierkammer 67 und eine Kühlkammer 68 geteilt. Im unteren Teil 69 ist die Maschinenanlage
untergebracht. Der Raum 67 wird .durch -den in der Bodenwandung untergebrachten
(kälteren) Verdampfer 71 aus mehreren U-förmig gebogenen Rohren 72 gekühlt, die
an ein rohrförmiges Kopfstück 73 (Abb. io) angeschlossen sind. Auf dem Boden der
Kammer können Eiskästen 74 aufgestellt werden. Der wärmere Verdampfer 75 besteht
aus einem in der Rückwand liegenden Schlangenrohr 78, das an eine Verteilerkammer
76 angeschlossen ist, zu der das flüssige Kältemittel durch ein Rohr 79 gelangt
und an die auch das Kopfstück 73 durch ein Rohr 77 angeschlossen ist (s. Abb. io
bis i2). Das Rohr 78 'geht vom oberen Ende der zweckmäßig
zylindrischen
Kammer 76 aus, und zwar in tangentialer Richtung. Ebenso mündet am unteren Ende
der Kammer das Rohr 79 tangential ein.
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Der Speicher 81 besteht aus einem zylindrischen Behälter 82 mit Bodenventil
83, auf das ein Schwimmer 84 aus einem oberen Teil 84a und einem unteren Teil 84b
einwirkt, die durch eine Stange 84@ verbunden sind. Über dem Schwimmer ist ein Belastungsgewicht
85 angeordnet, das den Kern einer Stromspule 86 bildet. Je nachdem dieses Gewicht
85 durch die Stromspule gehoben oder von der Stromspule losgelassen ist, wird der
Schwimmer 84 mehr oder weniger tief in das flüssige Kältemittel im Behälter 82 eintauchen
und dadurch wie bei den früheren Ausführungsformen den einen oder den anderen Verdampfer
in Tätigkeit setzen.
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In Abb.9 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Spule 86 dargestellt,
die auch für die vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele Anwendung finden .kann,
z. B. zur Öffnung und Schließung der Ventile 34 oder zum Ein- und Ausschalten der
Spule 43. Von den Leitungen L', L2 eines elektrischen Lichtnetzes - ist die Leitung
L1 an eine Klemme des Kompressormotors unmittelbar angeschlossen. Die zweite Leitung
führt zu einstellbaren Kontakten an Thermostaten 87 und 9i in den beiden Kühlkammern
67, 68. Von .dem Thermostaten 87 führt eine Leitung 88 über die Spule 86 und eine
Leiturig 89 zur anderen Motorklemme, während der Thermostat gi der kälteren Kammer
die Leitung L2 unmittelbar mit :der Leitung 89 zu verbinden gestattet.
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Falls die Kammer 67 genügend gekühlt ist und die wärmere Kammer 68
gekühlt werden soll, schließt der Thermostat 87 den Kontakt 9o, während der Thermostat
91 seinen Gegenkontakt freigegeben hat. Dann erhält der Motor über die Spule 86
Strom, das Belastungsgewicht wird gehoben, der Schwimmer steigt, und das Kältemittel
im Raum 82 fällt bis zu einer Spiegelhöhe 92. Der kältere Verdampfer wird überflutet,
und es gelangt flüssiges Kältemittel zur Rohrschlange 78 des wärmeren Verdampfers.
Die tangentiale Einmündung der Leitung 79-verhütet, daß die zuströmende Flüssigkeit
zum kälteren Verdampfer- gelangt; sie kann vielmehr im wesentlichen unbehindert
in die tangential abgehende Leitung 78 einströmen. Schließt der Thermostat 9i der
Kammer 67 seinen Kontakt, so wird die Spule 86 stromlos, der Schwimmer sinkt, und
die Flüssigkeit steigt bis zur Spiegelhöhe 93; dann ist nur so viel Flüssigkeit
im System, daß der kältere Verdampfer arbeitet und der in ihm erzeugte Kältemitteldampf
wieder wie bei den früheren Ausführungsbeispielen über den wärmeren Verdampfer 75
zum Kompressor gelangt.
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Bei der Anordnung nach Abb. i3, die im übrigen der nach Abb.9 bis
i2 im wesentlichen entspricht, sind Wärmeaustauscher 94, 95 zwischen dem Verdampfer
75 und dem Kompressoreinlaß bzw. den Verdampfern 71
und 75 vorgesehen. Der
Behälter 82' ist hier durch eine Zwischenwand in einen oberen Raum 96 und einen
das Ventil 83 enthaltenden Raum 97 zerlegt. Vom unteren Ende der oberen Kammer 96
führt eine Leitung 98 zum Wärmeaustauscher 94 und von hier durch eine Leitung 99
über den Austauscher 95 und eine Leitung ioi zur Kammer 97, von der wie vorher die
Leitung 79 zur Verteilerkammer 76 führt. Es wird hier also das flüssige Kältemittel,
das sich im unteren Teile der Kammer 96 sammelt, in Wärmeaustausch mit dem dampfförmigen,
aus den beiden Verdampfern abziehenden Kältemittel treten, bevor ihr Druck durch
das Schwimmerventil 83 verringert wird.
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Die Ausführung nach Abb. 13 sieht weiter eine Speicherkammer io2 zwischen
wärmerem Verdampfer 75 und dem Kompressoreinlaß vor, die die Aufgabe hat, bei etwa
einmal eintretendem gleichzeitigem Arbeiten beider Verdampfer eine gewisse Menge
Flüssigkeit zeitweilig zurückzuhalten, damit kein flüssiges Kältemittel zum Kompressor
gelangt.
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Die Thermostatsteuerung für das Arbeiten der beiden Verdampfer verschiedener
Temperatur läßt sich nach Wunsch so einrichten, daß die kältere oder die wärmere
Kammer gewissermaßen den Vorrang genießt. Bei der Schaltungsanordnung nach Abb.
14 ist angenommen, daß ein Thermostat T1 in der den Vorrang genießenden Kammer angeordnet
ist. Wenn Kühlung erforderlich ist, ist der Kontakt io2 geschlossen und ein Kontakt
103 geöffnet, während an dem Thermostaten T2 des zweiten Kühlraums nur Kontakte
io4 vorgesehen sind, die geschlossen sind, wenn auch hier Kühlung erforderlich ist.
Von den Kontakten io2 und 104 führt eine Leitung zu einer Klemme eines Anlaßrelais
105 für den Kompressorinotor 22', der mit dein Relais durch Leiter io6 -verbunden
ist. Von einem dieser Leiter io6 führt eine Abzweigung 107
über- eine Schaltspule
io8 mit Anker iog sowie ber die Kontakte 103 zu einem zweiten Leiter io6. Die Spule
io8 finit dein Anker iog entspricht den bei den früheren Ausführungsbeispielen beschriebenen
Schaltspulen, z. B. Spule 86 mit Kern 85.
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Es sei angenommen, daß der Thermostat T' in der kälteren Kammer i
i und der Thermostat T2 demnach in der Kammer 13 des Ausführungsbeispiels nach Abb.
i liegt. Der Magnetkern iog ist dann mit dein Ventil 34
verbunden
und öffnet es, wenn die Spule io8 Strom erhält. Verlangt die Kammer 13 Kühlung,
nicht aber die Kammer i i, so sind die Kontakte 103, 104 geschlossen, die Kontakte
102 offen. Infolge des Schließens der Kontakte 104 arbeitet der Kompressor. Gleichzeitig
erhält die Spule io8 Strom, und der wärmere Verdampfer 14 wird mit flüssigem Kältemittel
beschickt. Wird inzwischen die kältere Kammer so warm, daß der Thermostat T1 die
Kontakte io2 schließt und die Kontakte 103 öffnet, so bleibt zwar der Motor
unter Strom, die Spule io8 aber wird an den Kontakten 103 stromlos, und es arbeitet
nun nur noch der kältere Verdampfer unabhängig von der Stellung des Thermostaten
T'= und dein Kühlbedürfnis der wärmer en Kammer.
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Bei der Abänderung der Regeleinrichtung nach Abb. 15 schließt und.öffnet
der Thermostat T' die Kontakte ioa und 103 gemeinsam. Hier ist der Kern zog der
Spule io8 so angeordnet, daß er bei Erregung die Kühlung des Verdampfers der bevorzugten
Kammer herbeiführt.