DE68926533T2

DE68926533T2 - Double evaporator cooling device for household refrigerators

Info

Publication number: DE68926533T2
Application number: DE1989626533
Authority: DE
Inventors: Heinz Jaster
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2009-12-13
Also published as: JPH02225953A; EP0374688A2; DE68926533D1; EP0374688B1; EP0374688A3; JP2766356B2

Description

Background of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf Haushalts-Kühleinrichtungen, die mit einem Dampfkompressionszyklus arbeiten, und insbesondere auf Kühleinrichtungen mit einem zweistufigen Verdichter (Kompressor).The invention relates to domestic refrigeration appliances operating with a vapor compression cycle, and in particular to refrigeration appliances with a two-stage compressor.

Gegenwärtig hergestellte Haushalts-Kühleinrichtungen arbeiten mit dem einfachen Dampfkompressionszyklus. Der Zyklus enthält einen Verdichter, einen Kondensor, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und ein Zweiphasen-Kältemittel. In dem bekannten Kühleinrichtungszyklus gemäß Figur 1 arbeitet ein Kapillarröhrchen als ein Expansionsventil. Das Kapillarröhrchen ist in großer Nähe zu der Saugleitung des Verdichters angeordnet, um das Kapillarröhrchen zu kühlen. Die Unterkühlung, die an dem Kältemittel in dem Kapillarröhrchen auftritt, erhöht die Kühlkapazität pro Einheit der Masseströmungsrate in dem System, wodurch der Systemwirkungsgrad erhöht wird, der den Nachteil der Temperaturerhöhung des dem Verdichter zugeführten Gases mehr als kompensiert. Der Verdampfer gemäß Figur 1 arbeitet bei etwa -23ºC (-10ºF). Über den Verdampfer wird Luft der Kühleinrichtung der geblasen, und die Luftströmung wird gesteuert, so daß ein Teil der Luftströmung zu der Gefrierkammer und der Rest der Strömung zu der Frischgemüsekammer gelangt. Der Zyklus der Kühleinrichtung erzeugt deshalb ihre Kühlwirkung bei einer Temperatur, die für die Gefrierkammer geeignet ist, aber niedriger ist, als sie für die Frischgemüsekammer erforderlich ist. Da die mechanische Energie, die zur Erzeugung von Kühlung bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist, größer ist als bei höheren Temperaturen, verbraucht der einfache Dampfkompressionszyklus mehr mechanische Energie als einer, der Kühlung bei zwei Temperaturwerten erzeugt.Currently manufactured domestic refrigerators operate on the simple vapor compression cycle. The cycle includes a compressor, a condenser, an expansion valve, an evaporator and a two-phase refrigerant. In the known refrigerator cycle of Figure 1, a capillary tube acts as an expansion valve. The capillary tube is located in close proximity to the suction line of the compressor to cool the capillary tube. The subcooling which occurs on the refrigerant in the capillary tube increases the cooling capacity per unit mass flow rate in the system, thereby increasing the system efficiency which more than compensates for the penalty of the temperature increase of the gas supplied to the compressor. The evaporator of Figure 1 operates at about -23ºC (-10ºF). Air from the refrigerator is blown over the evaporator and the air flow is controlled so that a portion of the air flow goes to the freezing chamber and the remainder of the flow goes to the fresh vegetable chamber. The cycle of the refrigeration device therefore produces its cooling effect at a temperature suitable for the freezing chamber, but lower than that required for the fresh vegetable chamber. Since the mechanical energy required to produce cooling at low temperatures is greater than at higher temperatures, the simple vapour compression cycle consumes more mechanical Energy than one that produces cooling at two temperatures.

Ein bekanntes Verfahren, um den mechanischen Energieverbrauch zu senken, besteht darin, mit zwei unabhängigen Kühlzyklen zu arbeiten, einen zum Bedienen der Gefrierkammer bei niedrigen Temperaturen und einen zum Bedienen der Frischgemüsekammer bei einer Zwischentemperatur. Ein derartiges System ist jedoch sehr teuer.A well-known method to reduce mechanical energy consumption is to operate with two independent refrigeration cycles, one to serve the freezer compartment at low temperatures and one to serve the fresh vegetable compartment at an intermediate temperature. However, such a system is very expensive.

Ein anderes Problem, das beim Kühlen für den Gefrierbetrieb in dem einfachen Dampfkompressionszyklus auftritt, ist die große Temperaturdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßtemperaturen des Verdichters. Das den Ver dichter verlassende Gas ist überhitzt, was eine thermodynamische Unumkehrbarkeit darstellt, was einen relativ niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad zur Folge hat. Eine Verkleinerung der Überhitzung sorgt für einen verkleinerten Verbrauch an mechanischer Energie und deshalb für einen größeren Wirkungsgrad.Another problem encountered in refrigeration for freezing in the simple vapor compression cycle is the large temperature difference between the compressor inlet and outlet temperatures. The gas leaving the compressor is superheated, which is a thermodynamic irreversibility, resulting in a relatively low thermodynamic efficiency. Reducing the superheat provides for a reduced consumption of mechanical energy and therefore a higher efficiency.

Weiterhin beschreibt US-A- 4 435 962 ein Kühlsystem mit einer Gefrierkammer und einer Frischgemüsekammer, das ein erstes Expansionsventil, einen ersten Verdampfer, der für eine Kühlung der Gefrierkammer sorgt, einen ersten und zweiten Verdichter, einen Kondensor, ein zweites Expansionsventil, einen zweiten Verdampfer, der für die Kühlung in der Frischgemüsekammer sorgt, und einen Phasenseparator enthält, der den zweiten Verdampfer mit dem ersten Expansionsventil in einer Kältemittel-Strömungsrelation verbindet.Furthermore, US-A-4 435 962 describes a refrigeration system with a freezing chamber and a fresh vegetable chamber, which contains a first expansion valve, a first evaporator which provides cooling of the freezing chamber, a first and second compressor, a condenser, a second expansion valve, a second evaporator which provides cooling in the fresh vegetable chamber, and a phase separator which connects the second evaporator to the first expansion valve in a refrigerant flow relationship.

In diesem bekannten Kältemittelsystem sind die Verdichteren parallel verbunden, und deshalb muß der Verdichter das Kältemittel von dem Verdampferdruck über die gesamte Druckdifferenz zwischen dem Auslaßdruck der Gefriereinrichtung und dem Einlaßdruck des Kondensors verdichten.In this known refrigerant system, the compressors are connected in parallel, and therefore the compressor must transfer the refrigerant from the evaporator pressure via the total pressure difference between the outlet pressure of the freezer and the inlet pressure of the condenser.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kältemittelsystem zu schaffen, das das bekannte System dahingehend verbessert, daß die Druckdifferenz über dem Verdichter verkleinert wird, während niedrige Installationskosten beibehalten und ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt werden.It is an object of the present invention to provide a refrigerant system which improves the known system in that the pressure difference across the compressor is reduced while maintaining low installation costs and achieving high thermodynamic efficiency.

Summary of the invention

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindund, wie sie beansprucht ist, wird eine Kühleinrichtung mit einer Gefrierkammer und einer Frischgemüsekammer geschaffen, enthaltend ein erstes Expansionsventil, einen ersten Verdampfer für eine Kühlung der Gefrierkammer, einen ersten und zweiten Verdichter (Kompressor), einen Kondensor, ein zweites Expansionsventil, einen zweiten Verdampfer für eine Kühlung der Frischgemüsekammer, wobei alle oben genannten Elenente, in dieser Reihenfolge, in einer Kältemittel-Strömungsrelation in Reihe verbunden sind, und einen Phasenseparator, der den zweiten Verdampfer mit dem ersten Expansionsventil in einer Kältemittel-Strömungsrelation verbindet, wobei der Phasenseparator für eine Zwischenkühlung zwischen den ersten und zweiten Verdichtern sorgt.According to a first aspect of the invention as claimed, there is provided a refrigeration device having a freezing chamber and a fresh vegetable chamber, comprising a first expansion valve, a first evaporator for cooling the freezing chamber, first and second compressors, a condenser, a second expansion valve, a second evaporator for cooling the fresh vegetable chamber, all of the above elements being connected in series in a refrigerant flow relation in this order, and a phase separator connecting the second evaporator to the first expansion valve in a refrigerant flow relation, the phase separator providing intermediate cooling between the first and second compressors.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, wie sie beansprucht ist, wird eine Kühleinrichtung mit einer Gefrierkammer und einer Frischgemüsekammer geschaffen, enthaltend ein erstes Expansionsventil, einen ersten Verdampfer für eine Kühlung der Gefrierkammer, einen ersten und zweiten Verdichter, einen Kondensor, ein zweites Expansionsventil, einen zweiten Verdampfer für eine Kühlung der Frischgemüsekammer, wobei alle oben genannten Elemente, in dieser Reihenfolge, in einer Kältemittel-Strömungsrelation in Reihe miteinander verbunden sind, und eine Phasenseparatoreinrichtung zum Empfangen von Kältemittel der flüssigen und gasförmigen Phase von dem zweiten Verdampfer und zum Zuführen von flüssigem Kältemittel zu dem ersten Expansionsventil und von gesättigtem Kältemittelgas zu dem zweiten Verdichter, so daß Gas aus dem ersten Verdichter und aus dem Phasenseparator dem zweiten Verdichter zugeführt wird.According to a further aspect of the invention as claimed, there is provided a refrigeration device having a freezing chamber and a fresh vegetable chamber, comprising a first expansion valve, a first evaporator for cooling the freezing chamber, a first and second compressor, a condenser, a second expansion valve, a second evaporator for cooling the A fresh vegetable chamber, all of the above elements being connected in series in this order in a refrigerant flow relation, and phase separator means for receiving liquid and gas phase refrigerant from the second evaporator and supplying liquid refrigerant to the first expansion valve and saturated refrigerant gas to the second compressor, so that gas from the first compressor and from the phase separator is supplied to the second compressor.

Brief description of the invention

Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, ist in dem abschließenden Teil der Beschreibung besonders hervorgehoben und speziell beansprucht. Jedoch kann die Erfindung, sowohl bezüglich ihres Ausbaus als auch des Ausfuhrungsverfahrens zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon am besten verstanden werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:The subject matter regarded as the invention is particularly pointed out and specifically claimed in the concluding part of the specification. However, the invention, both as to its embodiment and method of carrying it out, together with further objects and advantages thereof, may best be understood from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings in which:

Figur 1 eine schematische Darstellung von einem bekannten Dampfkompressionssystem ist, das in einer Haushalts-Kühleinrichtung verwendet wird;Figure 1 is a schematic representation of a known vapor compression system used in a domestic refrigerator;

Figur 2 eine schematische Darstellung von einem Ausführungsbeispiel gemäß einem Doppelverdampfer-Zweistufensystem gemäß der Erfindung ist;Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of a dual evaporator two-stage system according to the invention;

Figur 3 ein Schniittbild von dem Phasenseparator gemäß Figur 2 ist.Figure 3 is a sectional view of the phase separator according to Figure 2.

Detailed description of the invention

Indem nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Figur 2 Bezug genommen wird, so ist dort ein Ausführungsbeispiel von einem Doppelverdampfer-Zweistufensystem gezeigt. Das System bzw. die Einrichtung enthält ein erstes Expansionsventil 11, einen ersten Verdampfer 13, erste und zweite Verdichter 15 bzw. 17, einen Kondensor 21, ein zweites Expansionsventil 23 und einen zweiten Verdampfer 25, die gemeinsam in dieser Reihenfolge durch eine Leitung 26 in einer Kältemittel-Strömungsrelation in Reihe miteinander verbunden sind. Ein Phasenseparator 27, der in Figur 3 im Schnitt gezeigt ist, enthält einen geschlossenen Behälter 31, der an dem oberen Abschnitt einen Einlaß 33 für den Eintritt von Kältemittel mit flüssiger und gasförmiger Phase und zwei Auslässe 35 und 37 aufweist. Ein Sieb 41 ist in dem oberen Abschnitt des Behälters angeordnet, um irgendwelches festes Material zu beseitigen, das mit dem Kältemittel mitgetragen wird, wenn es in den Einlaß 33 eintritt. Der erste Auslaß 35 ist an dem Boden des Behälters 31 angeordnet und liefert flüssiges Kältemittel 39. Der zweite Auslaß 37 ist durch eine Leitung gebildet, die sich vom Inneren des oberen Abschnitts des oberen Behälters nach außen erstreckt. Die Leitung ist in Strömungsverbindung mit dem oberen Abschnitt und so angeordnet, daß flüssiges Kältemittel, das in den oberen Abschnitt des Behälters durch den Einlaß 33 eintritt, nicht in das offene Ende der Leitung eintreten kann. Zweiphasiges Kältemittel aus dem Auslaß des zweiten Verdampfers 25 ist mit dem Einlaß 33 des Phasenseparators 27 verbunden. Der Phasenseparator liefert flüssiges Kältemittel an das erste Expansionsventil 11. Der Phasenseparator liefert auch gesättigten Kältemitteldampf, der sich mit Dampf vereinigt, der von dem ersten Verdichter abgegeben wird, und zusammen sind sie mit dem Einlaß des zweiten Verdampfers 17 verbunden.Referring now to the drawings, and in particular to Figure 2, there is shown an embodiment of a dual evaporator two-stage system. The system includes a first expansion valve 11, a first evaporator 13, first and second compressors 15 and 17, respectively, a condenser 21, a second expansion valve 23 and a second evaporator 25, together connected in series in that order by a conduit 26 in refrigerant flow relation. A phase separator 27, shown in section in Figure 3, includes a closed vessel 31 having at the upper portion an inlet 33 for the entry of liquid and gaseous phase refrigerant and two outlets 35 and 37. A strainer 41 is disposed in the upper portion of the vessel to remove any solid material carried with the refrigerant as it enters the inlet 33. The first outlet 35 is located at the bottom of the vessel 31 and supplies liquid refrigerant 39. The second outlet 37 is formed by a conduit extending outward from the interior of the upper portion of the upper vessel. The conduit is in flow communication with the upper portion and is arranged so that liquid refrigerant entering the upper portion of the vessel through the inlet 33 cannot enter the open end of the conduit. Two-phase refrigerant from the outlet of the second evaporator 25 is connected to the inlet 33 of the phase separator 27. The phase separator supplies liquid refrigerant to the first expansion valve 11. The phase separator also supplies saturated refrigerant vapor which combines with vapor discharged from the first compressor and together they are connected to the inlet of the second evaporator 17.

Im Betrieb enthält der erste Verdampfer 13 Kältemittel bei einer Temperatur von etwa -23ºC (-10ºF) zum Kühlen der Gefrierkammer. Der zweite Verdampfer 25 enthält das Kältemittel bei einer Temperatur von etwa -4ºC (25ºF) zum Kühlen der Frischgemüsekammer.In operation, the first evaporator 13 contains refrigerant at a temperature of approximately -23ºC (-10ºF) for cooling the freezer compartment. The second evaporator 25 contains the Refrigerant at a temperature of approximately -4ºC (25ºF) to cool the fresh vegetable chamber.

Das erste Expansionsventil 11 ist eingestellt, um eine gerade noch trockene Gasströmung zu erhalten, was beispielsweise erreicht werden kann, indem ein Sichtglas beobachtet wird, das in der Leitung 26 zwischen dem ersten Verdampfer 13 und dem ersten Verdichter 15 angeordnet ist. Das Gas tritt in die erste Stufe des Verdichters 15 ein und wird verdichtet. Das von dem ersten Verdichter abgegebene Gas wird mit Gas an der Sättigungstemperatur aus dem Phasenseparator 27 gemischt, und die zwei Gase werden durch den zweiten Verdichter 17 weiter verdichtet. Das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Abgas aus dem zweiten Verdichter wird in dem Kondensor 21 kondensiert, wobei das Expansionsventil 23 eingestellt ist, um eine gewisse Unterkühlung der den Kondensor verlassenden Flüssigkeit zu erhalten. Dies kann erreicht werden durch Beobachten eines Sichtglases, das zwischen dem Kondensor 21 und dem zweiten Expansionsventil 23 angeordnet ist. Das flüssige Kältemittel, das in dem Kondensor 21 kondensiert ist, strömt dürch das zweite Expansionsventil, wo es von dem hohen Druck des Kondensors 21 auf einen niedrigeren Zwischendruck in dem zweiten Verdampfer 25 expandiert. Die Expansion der Flüssigkeit bewirkt, daß ein Teil der Flüssigkeit verdampft und den Rest auf die zweite Verdampfertemperatur kühlt. Das eine flüssige und gasförmige Phase aufweisende Kältemittel tritt in den Phasenseparator 27 ein. Flüssiges Kältemittel sammelt sich in dem unteren Abschnitt des Behälters und Gas sammelt sich in dem oberen Abschnitt. Der Phasenseparator liefert den Gasanteil, der mit dem Gas zu vereinigen ist, das aus dem Verdichter 15 der ersten Stufe austritt. Das Gas aus dem Phasenseparator hat etwa -4ºC (25ºF) und kühlt das Gas, das aus dem Verdichter der ersten Stufe austritt, und senkt dadurch die in den Verdichter 17 eintretende Gastemperatur von dem Wert, den sie anderenfalls ohne die Zwischenkühlung haben würde. Die Flüssigkeit aus dem zweiphasigen Gemisch aus dem zweiten Verdampfer 25 strömt von dem Phasenseparator 27 durch das erste Expansionsventil 11, wodurch das Kältemittel auf einen noch niedrigeren Druck gebracht wird. Die restliche Flüssigkeit verdampft in dem ersten Verdampfer 13 und kühlt den Verdampfer auf etwa -23ºC (-10ºF). Dem System wird eine ausreichende Kältemittelmenge zugeführt, so daß der gewünschte Flüssigkeitspegel in dem Phasenseparator beigehalten werden kann.The first expansion valve 11 is adjusted to obtain a just dry gas flow, which can be achieved, for example, by observing a sight glass arranged in the line 26 between the first evaporator 13 and the first compressor 15. The gas enters the first stage of the compressor 15 and is compressed. The gas discharged from the first compressor is mixed with gas at the saturation temperature from the phase separator 27 and the two gases are further compressed by the second compressor 17. The high temperature and high pressure exhaust gas from the second compressor is condensed in the condenser 21, with the expansion valve 23 adjusted to obtain some subcooling of the liquid leaving the condenser. This can be achieved by observing a sight glass arranged between the condenser 21 and the second expansion valve 23. The liquid refrigerant condensed in the condenser 21 passes through the second expansion valve where it expands from the high pressure of the condenser 21 to a lower intermediate pressure in the second evaporator 25. The expansion of the liquid causes a portion of the liquid to evaporate and cool the remainder to the second evaporator temperature. The refrigerant, having a liquid and gas phase, enters the phase separator 27. Liquid refrigerant collects in the lower portion of the vessel and gas collects in the upper portion. The phase separator provides the gas portion to be combined with the gas exiting the first stage compressor 15. The gas from the phase separator is about -4ºC (25ºF) and cools the gas exiting the first stage compressor 15. stage, thereby lowering the gas temperature entering the compressor 17 from what it would otherwise be without the intercooling. The liquid from the two-phase mixture from the second evaporator 25 flows from the phase separator 27 through the first expansion valve 11, thereby reducing the refrigerant pressure to an even lower level. The remaining liquid evaporates in the first evaporator 13, cooling the evaporator to about -23ºC (-10ºF). Sufficient refrigerant is supplied to the system so that the desired liquid level can be maintained in the phase separator.

Das Druckverhältnis der zwei Verdichteren wird bestimmt durch das Kältemittel, das verwendet wird, und die Temperaturen, bei denen die Verdampfer arbeiten sollen. Der Druck am Eingang zu dem ersten Verdichter 15 wird durch den Druck bestimmt, bei dem das Kältemittel in dem zweiphasigen Gleichgewicht bei -23ºC (-10ºF) existiert. Der Druck am Ausgang des ersten Verdichters wird durch den Sättigungsdruck des Kältemittels bei -4ºC (25ºF) bestimmt. Die Temperatur des Kondensors 21 muß höher sein als die Umgebungstemperatur, um als ein Wärmetauscher unter einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen zu funktionieren. Wenn der Kondensor beispielsweise bei 40ºC (105ºF) arbeiten soll, dann kann der Druck des Kältemittels bei Sättigung ermittelt werden. Das Volumenverschiebevermögen der Verdichter wird bestimmt durch die Größe des Kühlvermögens des Systems, das bei jedem der zwei Temperaturpegel erforderlich ist, was die Masseströmungsrate des Kältemittels durch die Verdichter bestimmt.The pressure ratio of the two compressors is determined by the refrigerant used and the temperatures at which the evaporators are to operate. The pressure at the inlet to the first compressor 15 is determined by the pressure at which the refrigerant exists in two-phase equilibrium at -23ºC (-10ºF). The pressure at the outlet of the first compressor is determined by the saturation pressure of the refrigerant at -4ºC (25ºF). The temperature of the condenser 21 must be higher than the ambient temperature in order to function as a heat exchanger under a wide range of operating conditions. For example, if the condenser is to operate at 40ºC (105ºF), then the pressure of the refrigerant at saturation can be determined. The volume displacement capacity of the compressors is determined by the amount of cooling capacity of the system required at each of the two temperature levels, which determines the mass flow rate of refrigerant through the compressors.

Der Doppelverdampfer-Zweistufenzyklus erfordert weniger mechanische Energie im Vergleich zu einem Einzelverdampferr-Einzelverdichterzyklus mit dem gleichen Kühlvermögen. Die Wirkungsgradvorteile entstehen aufgrund der Tatsache, daß das Gas, das den Verdichter mit der höheren Temperatur verläßt, von einem Zwischendruck verdichtet wird, anstatt von dem niedrigeren Druck des Gases, das den Verdampfer mit der niedrigeren Temperatur verläßt. Weiterhin trägt zu dem verbesserten Wirkungsgrad die Kühlung des Gases bei, das den ersten Verdichter verläßt, durch die Hinzufügung von Gas, das auf Sättigungstemperatur abgekühlt ist, von dem Phasenseparator. Die Kühlung des in den zweiten Verdichter eintretenden Gases verkleinert den mechanischen Energiebedarf des zweiten Verdichters.The dual evaporator two-stage cycle requires less mechanical energy compared to a single evaporator single compressor cycle with the same cooling capacity. The efficiency benefits arise from the fact that the gas leaving the compressor at the higher temperature is compressed from an intermediate pressure, rather than from the lower pressure of the gas leaving the evaporator at the lower temperature. Further contributing to the improved efficiency is the cooling of the gas leaving the first compressor by the addition of gas cooled to saturation temperature from the phase separator. Cooling of the gas entering the second compressor reduces the mechanical energy requirements of the second compressor.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Das System bzw. die Einrichtung enthält ein erstes Expansionsventil 51, einen ersten Verdampfer 53 und einen ersten Verdichter 55, die alle, in dieser Reihenfolge, durch eine Leitung 57 in einer Kältemittel-Strömungsrelation in Reihe verbunden sind. Ein zweiter Verdichter 61, ein Kondensor 63, ein zweites Expansionsventil 65 und ein zweiter Verdampfer 67 sind alle, in dieser Reihenfolge, durch eine Leitung 69 in einer Kältemittel-Strömungsrelation in Reihe miteinander verbunden. Ein Phasenseparator 71, der in Figur 5 im Querschnitt gezeigt ist, enthält einen geschlossenen Behälter 73, der an dem oberen Abschnitt einen ersten Einlaß 75 für den Eintritt von Kältemittel mit flüssiger und gasförmiger Phase, einen zweiten Einlaß 77 zur Einführung von gasförmigem Kältemittel unter einen Flüssigkeitspegel 61 in den unteren Abschnitt des Behälters und zwei Auslässe 83 und 85 aufweist. Ein Sieb 87 ist in dem oberen Abschnitt des Behälters angeordnet, um irgendwelches festes Material zu beseitigen, das mit dem Kältemittel mitgetragen wird, wenn es in den ersten Einlaß eintritt. Der erste Auslaß 83 ist an dem Boden des Behälters angeordnet und liefert flüssiges Kältemittel. Der zweite Auslaß 85 wird durch eine Leitung gebildet, die in dem oberen Abschnitt des Behälters lokalisiert und so angeordnet ist, daß in den ersten Einlaß eintretendes flüssiges Kältemittel nicht in das offene Ende der Leitung 85 eintreten kann. Zweiphasiges Kältemittel aus dem Auslaß des zweiten Verdampfers 67 tritt in den ersten Einlaß 75 des Phasenseparators ein. Der Phasenseparator liefert flüssiges Kältemittel an das erste Expansionsventil 52 von dem Auslaß 83 des Phasenseparators. Das abgegebene gasförmige Kältemittel aus dem ersten Verdichter 55 wird in den Behälter 75 durch den zweiten Einlaß 77 eingeführt, wo es sich mit dem flüssigen Kältemittel mischt. Der zweite Auslaß 85 liefert Gas bei der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit an den zweiten Verdichter 61.A further embodiment of the invention is shown in Figure 4. The system includes a first expansion valve 51, a first evaporator 53 and a first compressor 55, all connected in series in refrigerant flow relation by a line 57, in that order. A second compressor 61, a condenser 63, a second expansion valve 65 and a second evaporator 67 are all connected in series in refrigerant flow relation by a line 69, in that order. A phase separator 71, shown in cross section in Figure 5, includes a closed vessel 73 having a first inlet 75 at the upper portion for the entry of liquid and gaseous phase refrigerant, a second inlet 77 for introducing gaseous refrigerant below a liquid level 61 in the lower portion of the vessel, and two outlets 83 and 85. A strainer 87 is disposed in the upper portion of the vessel to remove any solid material carried with the refrigerant as it enters the first inlet. The first outlet 83 is disposed at the bottom of the vessel and supplies liquid refrigerant. The second outlet 85 is formed by a conduit located in the upper portion of the vessel and arranged so that liquid refrigerant entering the first inlet cannot enter the open end of the conduit 85. Two-phase refrigerant from the outlet of the second evaporator 67 enters the first inlet 75 of the phase separator. The phase separator supplies liquid refrigerant to the first expansion valve 52 from the outlet 83 of the phase separator. The discharged gaseous refrigerant from the first compressor 55 is introduced into the vessel 75 through the second inlet 77 where it mixes with the liquid refrigerant. The second outlet 85 supplies gas at the saturation temperature of the liquid to the second compressor 61.

Im Betrieb enthält der erste Verdampfer 53 Kältemittel bei einer Temperatur von etwa -23ºC (-10ºF) zum Kühlen der Gefrierkammer. Der zweite Verdampfer 67 enthält Kältemittel bei einer Temperatur von etwa -4ºC (25ºF) zum Kühlen der Frischgemüsekammer. Das erste Expansionsventil 51 ist eingestellt, um eine gerade noch trockene Gasströmung zu erhalten, indem beispielsweise ein Sichtglas beobachtet wird, das in der Leitung 57 zwischen dem Verdampfer 53 und dem Verdichter 55 eingebaut ist. Das Gas tritt in die erste Verdichterstufe 55 ein und wird verdichtet. Das Gas, das von dem ersten Verdichter abgegeben wird, wird mit dem flüssigen Kältemittel in dem Phasenseparator 71 gemischt und ist in direktem Kontakt mit diesem, wodurch die Gastemperatur auf die Sättigungstemperatur abgesenkt wird.In operation, the first evaporator 53 contains refrigerant at a temperature of about -23ºC (-10ºF) for cooling the freezer compartment. The second evaporator 67 contains refrigerant at a temperature of about -4ºC (25ºF) for cooling the fresh produce compartment. The first expansion valve 51 is adjusted to obtain a barely dry gas flow, for example by observing a sight glass installed in line 57 between the evaporator 53 and the compressor 55. The gas enters the first compressor stage 55 and is compressed. The gas discharged from the first compressor is mixed with and in direct contact with the liquid refrigerant in the phase separator 71, thereby lowering the gas temperature to the saturation temperature.

Ein Teil des flüssigen Kältemittels wird durch das in den zweiten Einlaß eintretende Gas verdampft. Das flüssige Kältemittel, das verdampft, kühlt das ankommende Gas von dem ersten Verdichter 55 auf die Sättigungsgastemperatur. Gesättigtes Gas von dem oberen Abschnitt des Phasenseparators strömt in den Einlaß des zweiten Verdichters 61. Das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Gas, das von dem zweiten Verdichter 61 abgegeben wird, wird in einem Kondensor 63 mit der Drosselung kondensiert, die durch das zweite Expansionsventil 65 eingestellt wird, um eine gewisse Unterkühlung zu erhalten. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Sichtglas beobachtet wird, das zwischen dem Kondensor 63 und dem zweiten Verdampfer angeordnet ist. Das in dem Kondensor kondensierte flüssige Kältemittel strömt durch das zweite Expansionsventil 65, wo es von dem hohen Druck in dem Kondensor auf einen niedrigeren Zwischendruck in dem zweiten Verdampfer 67 expandiert. Die Expansion der Flüssigkeit bewirkt, daß ein Teil der Flüssigkeit verdampft und den Rest auf die zweite Verdampfertemperatur kühlt. Das eine flüssige und gasförmige Phase aufweisende Kältemittel tritt in den Phasenseparator 71 ein. Die Flüssigkeit sammelt sich in dem unteren Abschnitt des Behälters und das Gas in dem oberen Abschnitt. Flüssiges Kältemittel aus dem Phasenseparator strömt durch das erste Expansionsventil 51 und bewirkt, daß das Kältemittel auf einen noch niedrigeren Druck expandiert. Die verbleibende Flüssigkeit verdampft in dem Verdampfer, wobei der Verdampfer auf etwa -23ºC (-10ºF) gekühlt wird. Es wird eine ausreichende Kältemittelmenge zugeführt, so daß der gewünschte Flüssigkeitspegel in dem Phasenseparator 71 beibehalten werden kann.A portion of the liquid refrigerant is vaporized by the gas entering the second inlet. The liquid refrigerant that vaporizes cools the incoming gas from the first compressor 55 to the saturated gas temperature. Saturated gas from the upper section of the phase separator flows into the inlet of the second compressor 61. The high temperature and high pressure gas discharged from the second compressor 61 is condensed in a condenser 63 with the restriction adjusted by the second expansion valve 65 to obtain some subcooling. This can be achieved, for example, by observing the sight glass arranged between the condenser 63 and the second evaporator. The liquid refrigerant condensed in the condenser flows through the second expansion valve 65 where it expands from the high pressure in the condenser to a lower intermediate pressure in the second evaporator 67. The expansion of the liquid causes some of the liquid to evaporate and cool the remainder to the second evaporator temperature. The refrigerant having a liquid and gaseous phase enters the phase separator 71. The liquid collects in the lower section of the vessel and the gas in the upper section. Liquid refrigerant from the phase separator flows through the first expansion valve 51, causing the refrigerant to expand to an even lower pressure. The remaining liquid evaporates in the evaporator, cooling the evaporator to about -23ºC (-10ºF). A sufficient amount of refrigerant is supplied so that the desired liquid level can be maintained in the phase separator 71.

Der Doppelverdampfer-Zweistufenzyklus erfordert 29% weniger mechanische Energie im Vergleich zu einem Einzelverdampfer-Einzelverdichterzyklus mit der gleichen Kühlkapazität. Die Wirkungsgradvorteile entstehen aufgrund der Tatsache, daß das Gas, das den eine höhere Temperatur aufweisenden Verdampfer 67 (zweiter Verdampfer) verläßt, von einem Zwischendruck verdichtet wird, anstatt von dem niedrigeren Druck des Gases, das den eine niedrigere Temperatur aufweisenden Verdampfer 53 verläßt. Weiterhin trägt zu dem verbesserten Wirkungsgrad die Kühlung des Gases, das den ersten Verdichter 55 verläßt, auf die Sättigungstemperatur bei, vor der Verdichtung bzw. Kompression auf den hohen Druck des Systems in dem zweiten Verdichter 61. Die Anordnung gemäß Figur 2 hat eine hohe Gaseinlaßtemperatur zu dem zweiten Verdichter 61 zur Folge und erfordert deshalb eine große Verdichtungsarbeit, wobei der Zyklus gemäß Figur 2 mehr Flüssigkeit bei dem Zwischendruck für eine Expansion zu dem eine niedrige Temperatur aufweisenden Verdampfer 53 (erster Verdampfer) zur Verfügung stellt, wodurch der Wirkungsgrad des Zyklus erhöht wird. Figur 2 hat eine hohe Einlaßtemperatur zu dem zweiten Verdichter, da nicht das gesamte Gas, das dem zweiten Verdichter zugeführt wird, auf die Sättigungstemperatur gekühlt wird.The dual evaporator two stage cycle requires 29% less mechanical energy compared to a single evaporator single compressor cycle with the same cooling capacity. The efficiency advantages arise due to the fact that the gas leaving the higher temperature evaporator 67 (second evaporator) is compressed from an intermediate pressure rather than from the lower Pressure of the gas leaving the lower temperature evaporator 53. Further contributing to the improved efficiency is the cooling of the gas leaving the first compressor 55 to the saturation temperature prior to compression to the high pressure of the system in the second compressor 61. The arrangement of Figure 2 results in a high gas inlet temperature to the second compressor 61 and therefore requires a large compression work, the cycle of Figure 2 makes more liquid at the intermediate pressure available for expansion to the low temperature evaporator 53 (first evaporator), thereby increasing the efficiency of the cycle. Figure 2 has a high inlet temperature to the second compressor because not all of the gas fed to the second compressor is cooled to the saturation temperature.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 können die Verdichter von dem sich hin- und herbewegenden Typ mit hermetisch gekapselten Motoren oder von dem Drehtyp mit hermetisch gekapselten Motoren oder von jedem eine positive Verschiebung aufweisenden Typ mit hermetisch gekapselten Motoren sein. Der erste Verdichter kann, wenn Kältemittel R-12 verwendet wird, sehr klein sein und arbeitet gegen ein Druckverhältnis von nur 2, was die Verwendung von beispielsweise einem billigen Membranverdichter gestatten würde. Ein verbesserter Wirkungsgrad kann erzielt werden durch Betreiben beider Verdichter von einem einzigen Motor, da ein größerer Motor effizienter sein kann als zwei kleinere Motoren, die die gleiche Gesamtleistung liefern.In the embodiment of Figure 2, the compressors may be of the reciprocating type with hermetically sealed motors, or of the rotary type with hermetically sealed motors, or of any positive displacement type with hermetically sealed motors. The first compressor, when R-12 refrigerant is used, may be very small, operating against a pressure ratio of only 2, which would allow the use of, for example, an inexpensive diaphragm compressor. Improved efficiency may be achieved by driving both compressors from a single motor, since a larger motor may be more efficient than two smaller motors providing the same total output.

Es folgen Leistungsberechnungen für die Zyklen gemäß Figur 1 und Figur 2. Bei allen Zyklen ist angenommen, daß R12 Kältemittel verwendet wird, und die gesamte Kühlkapazität von jedem der Zyklen war mit 0,29 kW (1000 Btu/h) angenommen. Weiterhin war bei allen Zyklen die Verwendung von Drehverdichteren mit hermetisch gekapselten Motoren angenommen, die durch Kältemittel auf dem Auslaßdruck des Verdichters gekühlt waren. Für den Zyklus gemäß Figur 1 war die Ausgangssättigungstemperatur des Verdampfers mit -23ºC (-10ºF) und mit einem Druckabfall von 0,07 bar (1 psi) und einer Ausgangsüberhitzung von 0ºC (0ºF) angenommen. Der adiabatische Wirkungsgrad des Verdichters war mit 0,61, der Motorwirkungsgrad mit 0,8 und die zusätzliche Erwärmung des Sauggases aufgrund der Wärmeübertragung von dem Verdichtermantel mit 24ºC (43ºF) angenommen. Die Kapillarröhrchen- Wärmeübertragung auf die Saugleitung des Verdichters hat in dem Sauggas eine Erwärmung von 37ºC (98ºF) zur Folge. Die Eingangssättigungstemperatur des Kondensors wird mit 54ºC (130ºF), der Druckabfall mit 0,7 bar (10 psi) und die Ausgangsunterkühlung mit 2,8ºC (5ºF) angenommen.The following are performance calculations for the cycles shown in Figure 1 and Figure 2. All cycles assume that R12 refrigerant is used and the total cooling capacity of each of the cycles was assumed to be 0.29 kW (1000 Btu/h). All cycles also assumed the use of rotary compressors with hermetically sealed motors cooled by refrigerant at the compressor discharge pressure. For the cycle of Figure 1, the evaporator outlet saturation temperature was assumed to be -23ºC (-10ºF) and with a pressure drop of 0.07 bar (1 psi) and an outlet superheat of 0ºC (0ºF). The compressor adiabatic efficiency was assumed to be 0.61, the motor efficiency was assumed to be 0.8, and the additional heating of the suction gas due to heat transfer from the compressor jacket was assumed to be 24ºC (43ºF). The capillary tube heat transfer to the compressor suction line results in a heating of the suction gas by 37ºC (98ºF). The inlet saturation temperature of the condenser is assumed to be 54ºC (130ºF), the pressure drop to be 0.7 bar (10 psi) and the outlet subcooling to be 2.8ºC (5ºF).

Auf der Basis dieser Parameter werden die Motorausgangstemperatur mit 220ºC (429ºF), die Kältemittel-Strömungsrate mit 8,4 kg/h (18,6 lbm/h), die Verdichterleistung mit 270 Watt und der Leistungskoeffizient mit 1,09 berechnet.Based on these parameters, the engine outlet temperature is calculated to be 220ºC (429ºF), the refrigerant flow rate to be 8.4 kg/h (18.6 lbm/h), the compressor power to be 270 watts and the coefficient of performance to be 1.09.

Für den Zyklus gemäß Figur 2 wurde angenommen, daß der erste Verdampfer eine Ausgangssättigungstemperatur von -23ºC (-10ºF) hat bei einem Druckabfall von 0,07 bar (1 psi) und eine Ausgangsüberhitzung von 0ºC (0ºF). Für den zweiten Verdampfer wurde angenommen, daß er eine Ausgangstemperatur von -4ºC (25ºF) und einen Druckabfall von 0 bar hat. Der erste und zweite Verdichter haben einen adiabatischen Wirkungsgrad von 0,7 und einen Motorwirkungsgrad von 0,8. Der erste Verdichter erzeugt eine zusätzliche Überhitzung des Sauggases aufgrund von Wärmeübertragung von dem Verdichtermantel von 2,8ºC (5ºF). Der zweite Verdichter hat eine zusätzliche Überhitzung des Sauggases von 5,6ºC (10ºF). Der Kondensor hat eine Eintrittssättigungstemperatur von 54ºC (130ºF), einen Druckabfall von 0,7 bar (10 psi) und eine Ausgangsunterkühlung von 2,8ºC (5ºF). Die Kühlkapazität von 0,29 kW (1000 btu/h) wird gleichmäßig zwischen den zwei Verdampfern aufgeteilt.For the cycle of Figure 2, the first evaporator was assumed to have an exit saturation temperature of -23ºC (-10ºF) at a pressure drop of 0.07 bar (1 psi) and an exit superheat of 0ºC (0ºF). The second evaporator was assumed to have an exit temperature of -4ºC (25ºF) and a pressure drop of 0 bar. The first and second compressors have an adiabatic efficiency of 0.7 and a motor efficiency of 0.8. The first compressor produces additional superheat of the suction gas due to heat transfer from the Compressor jacket temperature of 2.8ºC (5ºF). The second compressor has an additional suction gas superheat of 5.6ºC (10ºF). The condenser has an inlet saturation temperature of 54ºC (130ºF), a pressure drop of 0.7 bar (10 psi) and an outlet subcooling of 2.8ºC (5ºF). The cooling capacity of 0.29 kW (1000 btu/h) is divided equally between the two evaporators.

Die berechneten Ergebnisse aus den obigen Parametern für den Zyklus in Figur 2 sind eine Ausgangsgastemperatur des zweiten Verdichters von 98ºC (208ºF) und eine Ausgangsgastemperatur der ersten Verdichterstufe von 18ºC (66ºF). Die Verdichterströmungsraten für die ersten und zweiten Verdichter sind 3,6 kg/h (8,0 lbm/h) bzw. 11,2 kg/h (24,7 lbm/h). Der Leistungsverbrauch der ersten und zweiten Verdichteren sind 22,2 bzw. 164 Watt. Der Leistungskoeffizient beträgt 1,58.The calculated results from the above parameters for the cycle in Figure 2 are a second compressor exit gas temperature of 98ºC (208ºF) and a first compressor stage exit gas temperature of 18ºC (66ºF). The compressor flow rates for the first and second compressors are 3.6 kg/hr (8.0 lbm/hr) and 11.2 kg/hr (24.7 lbm/hr), respectively. The power consumption of the first and second compressors is 22.2 and 164 watts, respectively. The coefficient of performance is 1.58.

Vorstehend wurde eine Kühleinrichtung mit Doppelverdampfern beschrieben, die zur Verwendung bei Haushalts- Kühleinrichtungen verwendbar ist und einen verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad hat.The above describes a refrigeration device with dual evaporators which is suitable for use in household refrigeration devices and has an improved thermodynamic efficiency.

Die Erfindung wurde zwar anhand von mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben, für den Fachmann ist aber verständlich, daß verschiedene Änderungen in der Form und im Detail gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.While the invention has been shown and described with reference to several preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made without departing from the scope of the claims.

Claims

1. Cooling device with a freezer chamber and a fresh vegetable chamber, containing:

a first expansion valve;

a first evaporator for cooling the freezing chamber;

a first and a second compressor;

a condenser;

a second expansion valve;

a second evaporator for cooling the fresh vegetable chamber, all of the above elements, in this order, being connected in series in a refrigerant flow relation; and

a phase separator connecting the second evaporator to the first expansion valve in a refrigerant flow relationship, the phase separator providing intercooling between the first and second compressors.

2. A refrigeration device according to claim 1, wherein the phase separator comprises means for receiving liquid and gas phase refrigerant from the second evaporator and means for supplying the liquid refrigerant to the first expansion valve.

3. A refrigeration system according to claim 2, wherein the phase separator comprises means for supplying saturated gas to the second compressor so that the second compressor receives gas phase refrigerant from the first compressor and from the phase separator.

4. A refrigeration device according to claim 2, wherein the phase separator comprises means for receiving gaseous refrigerant from the first compressor and for supplying gas at the saturated gas temperature to the second compressor.

5. A refrigeration device according to claim 3, wherein the phase separator comprises a vessel for collecting liquid refrigerant in the lower section and gaseous refrigerant in the upper section, the vessel comprising means for supplying saturated gas to the second compressor.

6. A refrigeration device according to claim 4, wherein the phase separator comprises a vessel for collecting liquid refrigerant in the lower section and gaseous refrigerant in the upper section, the vessel comprising means for introducing gas from the first compressor into the vessel below the liquid level of the refrigerant and means arranged above the liquid level for supplying saturated gas to the second compressor.

7. Cooling device with a freezing chamber and a fresh vegetable chamber, containing:

a first expansion valve,

a first evaporator for cooling the freezing chamber;

a first and a second compressor;

a condenser;

a second expansion valve;

a phase separator device for receiving liquid and gaseous phase refrigerant from the second evaporator and for supplying liquid refrigerant to the first expansion valve and saturated refrigerant gas to the second compressor, so that gas from the first compressor and from the phase separator is supplied to the second compressor.