EP2686623A1 - Kältegerät mit wärmespeicher - Google Patents

Kältegerät mit wärmespeicher

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Publication number
EP2686623A1
EP2686623A1 EP11720119.4A EP11720119A EP2686623A1 EP 2686623 A1 EP2686623 A1 EP 2686623A1 EP 11720119 A EP11720119 A EP 11720119A EP 2686623 A1 EP2686623 A1 EP 2686623A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
evaporator
storage medium
refrigerating appliance
appliance according
storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11720119.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Holzer
Matthias Mrzyglod
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP2686623A1 publication Critical patent/EP2686623A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D11/00—Self-contained movable devices, e.g. domestic refrigerators
    • F25D11/006—Self-contained movable devices, e.g. domestic refrigerators with cold storage accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/023—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material being enclosed in granular particles or dispersed in a porous, fibrous or cellular structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0004—Particular heat storage apparatus
    • F28D2020/0013—Particular heat storage apparatus the heat storage material being enclosed in elements attached to or integral with heat exchange conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration appliance, in particular a domestic refrigeration appliance, with a storage chamber for refrigerated goods, arranged in thermal contact with the storage chamber, for holding the storage chamber in a predetermined temperature range intermittently operating evaporator and a heat storage associated with the evaporator, which contains a storage medium, the in each case changes its state of aggregation in operating and resting phases of the evaporator.
  • a refrigerator of this type is known from DE 10 2004 035 017 A1.
  • the temperatures of a condenser and an evaporator are similar to those of the environment of the refrigeration device or a storage chamber cooled by the evaporator.
  • energy must therefore be expended each time to detect a temperature difference between the condenser and the environment or evaporator and evaporator
  • the object of the invention is to provide a refrigerator with heat storage, which allows energy-efficient operation even with low heat capacity of the heat storage.
  • a refrigeration device is in particular a household refrigeration appliance understood, ie a refrigeration appliance for household management in households or possibly in the
  • Gastronomy area is used, and in particular serves to store food and / or drinks in household quantities at certain temperatures, such as For example, a refrigerator, a freezer, a fridge freezer, a freezer or a wine storage cabinet.
  • phase transition temperature of the storage medium closer to the predetermined in a refrigeration device of the type defined
  • the contact of the heat accumulator to the evaporator causes it, as long as the storage medium of the heat accumulator is not frozen, can not cool far below the melting temperature of the storage medium. In particular, it can not reach the limit temperature as long as the storage medium is not completely frozen.
  • a high vapor pressure of the refrigerant is ensured in the evaporator.
  • a consequent large amount of the refrigerant is circulated, and since the friction and other losses of the compressor are substantially proportional to the volumetric flow rate, the compressor operates with high efficiency. Only when the storage medium is completely frozen, the evaporator can continue to cool, with the result that proportional to the reduction of the
  • the difference between the phase transition temperature of the storage medium and the attainable limit temperature should preferably be at least 10 ° C, i. in the case of the evaporator of a normal or fresh refrigerated compartment, which can reach a temperature of -20 ° C in continuous operation, the melting temperature of the
  • Storage medium should not be below -10 ° C.
  • a melting temperature of the storage medium of below -2 ° C is preferred, so that any necessary defrosting of the evaporator is not delayed by the fact that at the same time the heat storage medium must be melted.
  • an aqueous solution is generally suitable, in particular, a solution of ethylene glycol or urea.
  • the capacity of a storage chamber of the refrigerator not appreciably affecting amount of storage medium is sufficient.
  • the amount of the storage medium is adjusted to the cooling capacity of the evaporator, that at most 20 minutes evaporator operation sufficient to freeze the storage medium. Too little amount of storage medium needed to freeze the
  • the average duration of an operating phase of an evaporator should be longer than the time required to freeze the storage medium in order to fully exploit its potential for action. On the other hand, it should not be much longer, in particular maximally twice as long as the time required for freezing the storage medium to the proportion of time in which the temperature of the evaporator well below the
  • Freezing temperature of the storage medium is located and the energy efficiency of the evaporator is correspondingly limited to keep the total operating time of the refrigerator low.
  • Temperature sensor can be used, which is located close enough to the evaporator or the heat storage, to a complete freezing of the
  • Storage medium to detect the following temperature decrease, or it can
  • Timer be provided, the operating phases of the compressor in each case to a limited in advance, sufficient for complete freezing of the storage medium sufficient time.
  • the storage medium is expedient for the storage medium to be finely distributed in the heat store. This can e.g. can be achieved by the storage medium is bound in a plastic matrix of the heat accumulator.
  • the heat accumulator may comprise a carrier material in which the storage medium is droplet-wise bound in cells.
  • a particularly high stability of the storage medium and good handling of the carrier material can be achieved if the storage medium is contained in capsules which are embedded in the carrier material. If the material of the capsules at a
  • the carrier material is soft, it is for example possible to form the carrier material together with the capsules contained therein thermoplastic to produce the heat storage.
  • the heat storage when the evaporator is arranged in the storage chamber is particularly effective.
  • the invention is also e.g. applicable to a coldwall evaporator located outside the storage chamber, between this and one
  • Insulation material layer of the refrigeration device is arranged, but the gain in efficiency at a arranged in the storage chamber evaporator is greater.
  • the heat accumulator is preferably arranged in physical contact with the evaporator.
  • the evaporator is plate-shaped, a close thermal contact between the evaporator and the heat storage can be achieved if one side of the evaporator is at least predominantly covered by the heat storage.
  • the heat storage is preferably located on a side facing away from the wall of the evaporator, so that refrigerated goods in the storage chamber is substantially cooled by the heat storage therethrough. If the evaporator is a roll-bond or tube-on-sheet evaporator, the
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an inventive refrigeration device; FIG. an enlarged detail of Figure 1 according to a first embodiment. the same detail according to a second embodiment; typical temperature curves of conventional evaporators and an evaporator according to the present invention during an operation phase and subsequently; and a typical temperature profile of an evaporator according to the present invention during a defrosting phase.
  • Fig. 1 shows a household refrigerator according to the present invention in a schematic section along a vertical sectional plane.
  • a body 1 and a door 2 abutting thereon surround a storage chamber 3.
  • the body 1 and the door 2 each comprise, in a manner known per se, a solid outer shell, an inner shell and a heat insulating layer of foam, which fills a space between the shells.
  • a plate-shaped evaporator 5 is mounted at a small distance to a rear wall 4 of the body 1.
  • the evaporator 5 may be a rollbond evaporator or a tube-on-sheet evaporator. Both types of evaporators include
  • circuit board 6 having a planar first major surface of the
  • Evaporator forms, and a refrigerant pipe 8 in the form of a recessed in a second board 7 channel or a side soldered to the board 6 pipe protrudes on the opposite second main surface of the evaporator 5.
  • the first, planar main surface is here facing the part of the storage chamber 3 which can be used for refrigerated goods, while the main surface of the rear wall 4 carrying the refrigerant line 8 faces to form a narrow gap 9.
  • the free arrangement within the storage chamber 3 allows the evaporator 5 to exchange heat with the storage chamber 3 via its two main surfaces. The dimensions of the evaporator 5 can therefore be kept low compared to a coldwall evaporator.
  • the major part of the storage chamber 3 facing planar main surface is completely or almost completely covered by a heat storage 10.
  • the heat storage 10 is a foil or a thin plate with a thickness of a few millimeters of a plastic substrate in which a storage medium is bound.
  • an aqueous solution of e.g. Ethylene glycol or urea may be homogeneously distributed in the matrix of the plastic material, or may fill in small droplets of the plastic material in droplet form.
  • a compressor 15 and a condenser, which supply the evaporator 5 with liquid refrigerant, are housed in a machine room niche at the bottom of the rear wall 4.
  • a temperature sensor 16, which turns on the compressor 15 when exceeding a user-set threshold temperature, is arranged in a conventional manner away from the evaporator 5 to the storage chamber 3. Due to the distance from the heat storage 10 leaves the temperature sensor 16 in an operating phase of the
  • Compressor 15 detected temperature no safe conclusion on the
  • FIG. 2 shows an enlarged schematic section through the heat accumulator 10 and the supporting board 6, in which a plurality of randomly distributed, with the
  • Storage medium filled cavities 1 1 different size in the carrier material 14 of the heat accumulator 10 can be seen.
  • the cavities 1 1 are spherical, and the thickness of walls of the substrate 14, the adjacent cavities 1 1 separate, is of the same order of magnitude
  • the substrate 14 could form a closed cell foam, i. the cavities 1 1 would no longer be spherical, as shown in the figure, but would have the shape of irregular, each separated by thin membranes of the carrier material and filled with the storage medium polyhedron.
  • the storage medium 12 is encapsulated in thin-walled, diffusion-tight plastic hollow spheres 13, which in turn are embedded in the carrier material 14.
  • the encapsulation allows convenient manufacture of the heat accumulator 10 by mixing the capsules under the support material and forming the mixture into sheets of the desired thickness.
  • FIG. 4 shows a comparison of typical temperature profiles of the evaporator 5 of the type shown in FIG. 1 with a heat accumulator 10, an evaporator without a heat accumulator arranged free in a storage chamber and a coldwall evaporator.
  • the vapor pressure in the evaporator has therefore by far the majority of the
  • Evaporator connected compressor must compress a large volume to suck a given mass of the refrigerant from the evaporator, and to the
  • the curve C shows the temperature profile for the evaporator 5 of the refrigeration device from FIG. 1.
  • the speed of cooling corresponds approximately to curve B, since the heat capacity of the heat accumulator 10 in this temperature range is comparable to that of the inner shell and the insulation layer in the Coldwall evaporator.
  • the freezing temperature of -5 ° C
  • Storage medium 12 of the heat accumulator 10 reaches.
  • the temperature now remains substantially constant until the storage medium 12 is completely frozen. As long as this is the case, the vapor pressure in the evaporator 5 is high, and the refrigerant can be circulated efficiently. Only after the complete freezing of the
  • a second temperature sensor 17 on the evaporator To control evaporator temperature and to avoid long-term operation at low temperature, a second temperature sensor 17 on the evaporator. 5
  • Storage chamber influenced is a control by a timer, which is set when switching on the compressor 15 in motion and this after a
  • a value of 100 watts is used as the cooling capacity of the evaporator 5 in an operating phase and, for the sake of simplicity, assumes that it cools only the heat accumulator 10, but not the surrounding storage chamber 3, then the heat accumulator 10 is freeze until complete freezing
  • Storage medium 12 in a period of about 15 minutes extracted heat 750 kJ. The freed when freezing an aqueous storage medium
  • Latent heat is about 300 J / g. It is therefore sufficient for a quantity of approx. 250 g of the
  • Storage medium 12 to obtain a 15 minute freezing phase. Assuming that these 250g of the storage medium 12 spread over an area of the evaporator 5 of, for example, 40 x 40 cm, then accounts for each cm 2 of the evaporator about 0.15 g of
  • Storage medium 12 This shows that a layer thickness of the heat accumulator 10 of a few mm sufficient to realize the temperature profile of the curve C.
  • Defrosting of the evaporator 5 is required at regular intervals.
  • the next operating phase of the evaporator 5 is delayed, resulting in the temperature profile shown in Fig. 5.

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Abstract

Bei einem Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer (3) für Kühlgut, einem in thermischem Kontakt mit der Lagerkammer (3) angeordneten, zum Halten der Lagerkammer (3) in einem vorgegebenen Temperaturbereich intermittierend arbeitenden Verdampfer (5) und einem dem Verdampfer (5) zugeordneten Wärmespeicher (10), der ein Speichermedium (12) enthält, das in Betriebs- und Ruhephasen des Verdampfers (5) jeweils seinen Aggregatzustand ändert, liegt die Phasenübergangstemperatur des Speichermediums (12) näher an dem vorgegebenen Temperaturbereich als an einer im Dauerbetrieb erreichbaren Grenztemperatur des Verdampfers (5).

Description

KÄLTEGERÄT MIT WÄRMESPEICHER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer für Kühlgut, einem in thermischem Kontakt mit der Lagerkammer angeordneten, zum Halten der Lagerkammer in einem vorgegebenen Temperaturbereich intermittierend arbeitenden Verdampfer und einem dem Verdampfer zugeordneten Wärmespeicher, der ein Speichermedium enthält, das in Betriebs- und Ruhephasen des Verdampfers jeweils seinen Aggregatzustand ändert. Ein Kältegerät dieses Typs ist aus DE 10 2004 035 017 A1 bekannt.
In einer Ruhephase, in der der Verdichter eines Kältegerätes stillsteht, gleichen sich die Temperaturen eines Verflüssigers und eines Verdampfers denen der Umgebung des Kältegerätes bzw. einer von dem Verdampfer gekühlten Lagerkammer an. Bei einem Neustart des Verdichters muss daher jedes Mal Energie aufgewandt werden, um eine Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger und Umgebung bzw. Verdampfer und
Lagerkammer aufzubauen, damit der Wärmefluss von der Lagerkammer zum Verdampfer bzw. vom Verflüssiger zur Umgebung in Gang kommt. Der dem Verdampfer zugeordnete Wärmespeicher erlaubt es, diesen Energieaufwand zu verringern, indem er zu einer Verlängerung der Betriebs- und Ruhephasen des Verdichters führt. Um diese Wirkung zu erzielen, muss der Wärmespeicher eine beträchtliche Wärmekapazität aufweisen. Das zur Unterbringung eines entsprechend großformatigen Wärmespeichers erforderliche
Volumen steht zur Unterbringung von Kühlgut nicht mehr zur Verfügung und
beeinträchtigt somit indirekt wiederum die Wirtschaftlichkeit des Kältegerätes.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Kältegerät mit Wärmespeicher zu schaffen, das auch bei geringer Wärmekapazität des Wärmespeichers einen energieeffizienten Betrieb ermöglicht. Unter einem Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät das zur Haushaltsführung in Haushalten oder eventuell auch im
Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke in haushaltsüblichen Mengen bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinlagerschrank.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät der eingangs definierten Art die Phasenübergangstemperatur des Speichermediums näher an dem vorgegebenen
Temperaturbereich als an einer im Dauerbetrieb erreichbaren Grenztemperatur des Verdampfers liegt.
Der Kontakt des Wärmespeichers zum Verdampfer bewirkt, dass dieser, solange das Speichermedium des Wärmespeichers noch nicht gefroren ist, sich nicht weit unter die Schmelztemperatur des Speichermediums abkühlen kann. Insbesondere kann er die Grenztemperatur nicht erreichen, solange das Speichermedium nicht vollständig gefroren ist. Indem somit der Wärmespeicher den Verdampfer in einer Betriebsphase lange auf einer hohen Temperatur, nahe dem vorgegebenen Temperaturbereich der Lagerkammer, hält, ist ein hoher Dampfdruck des Kältemittels im Verdampfer gewährleistet. Bei gegebenem Volumendurchsatz des Verdichters wird eine folglich große Menge des Kältemittels umgewälzt, und da die Reibungs- und sonstigen Verluste des Verdichters im Wesentlichen proportional zum Volumendurchsatz sind, arbeitet der Verdichter mit hohem Wirkungsgrad. Erst wenn das Speichermedium vollständig gefroren ist, kann sich der Verdampfer weiter abkühlen, mit der Folge, dass proportional zur Verringerung des
Dampfdrucks im Verdampfer auch die Menge des zirkulierenden Kältemittels und damit der Wirkungsgrad des Verdichters abnimmt.
Die Differenz zwischen der Phasenübergangstemperatur des Speichermediums und der erreichbaren Grenztemperatur sollte vorzugsweise wenigstens 10°C betragen, d.h. im Falle des Verdampfers eines Normal- oder Frischkühlfachs, der im Dauerbetrieb eine Temperatur von -20°C erreichen kann, sollte die Schmelztemperatur des
Speichermediums nicht unter -10°C liegen. Andererseits ist eine Schmelztemperatur des Speichermediums von unter -2°C bevorzugt, damit ein eventuell erforderliches Abtauen des Verdampfers nicht dadurch verzögert wird, dass gleichzeitig das Wärmespeichermedium geschmolzen werden muss. Als Speichermedium, das die obigen Anforderungen erfüllt, ist im Allgemeinen eine wässrige Lösung geeignet, insbesondere eine Lösung von Ethylenglykol oder Harnstoff.
Um die Abkühlung des Verdampfers bei laufendem Verdichter wirksam zu verzögern, genügt eine relativ geringe, das Fassungsvermögen einer Lagerkammer des Kältegerätes nicht merklich beeinträchtigende Menge an Speichermedium. Vorzugsweise ist die Menge des Speichermediums so auf die Kühlleistung des Verdampfers abgestimmt, dass höchstens 20 Minuten Verdampferbetrieb ausreichen, um das Speichermedium zu gefrieren. Eine zu geringe Menge des Speichermediums, die zum Gefrieren des
Speichermediums nicht länger als 2 Minuten benötigt, wirkt sich auf die Effizienz des Kältegerätes nur wenig aus und ist daher nicht bevorzugt.
Wenn ein Speichermedium mit ausreichend hoher Schmelzwärme, insbesondere auf Wassergrundlage, verwendet wird, genügt davon eine Menge, die einer über die
Oberfläche des Verdampfers verteilten Schicht von höchstens 5mm Stärke entspricht.
Die mittlere Dauer einer Betriebsphase eines Verdampfers sollte länger als die zum Gefrieren des Speichermediums erforderliche Zeit sein, um dessen Wirkungspotenzial voll auszuschöpfen. Andererseits sollte sie nicht wesentlich länger, insbesondere maximal doppelt so lang wie die zum Gefrieren des Speichermediums erforderliche Zeit sein, um den Anteil der Zeit, in der die Temperatur des Verdampfers deutlich unter der
Gefriertemperatur des Speichermediums liegt und die Energieeffizienz des Verdampfers dementsprechend eingeschränkt ist, an der Gesamtbetriebszeit des Kältegerätes gering zu halten.
Da ein Temperatursensor, der zum Erfassen der mittleren Temperatur des Kühlguts in der Lagerkammer beabstandet vom Verdampfer angeordnet ist, kaum geeignet ist, um das vollständige Gefrieren des Speichermediums zu erfassen, sollte ein solcher Sensor zweckmäßigerweise nur zum Festlegen des Einschaltzeitpunktes des Verdichters herangezogen werden. Um den Ausschaltzeitpunkt zu bestimmen kann ein zweiter
Temperatursensor herangezogen werden, der nahe genug an dem Verdampfer oder dem Wärmespeicher angeordnet ist, um eine auf das vollständige Gefrieren des
Speichermediums folgende Temperaturabnahme zu erfassen, oder es kann ein
Zeitschalter vorgesehen sein, der die Betriebsphasen des Verdichters jeweils auf eine vorab bekannte, zum vollständigen Gefrieren des Speichermediums ausreichende Zeitspanne begrenzt.
Da Lösungen, insbesondere wässrige Lösungen, unter Umständen zu Ermischung neigen und Lösungsmittel sich verflüchtigen kann, ist es zweckmäßig, wenn das Speichermedium in dem Wärmespeicher fein verteilt ist. Dies kann z.B. erreicht werden, indem das Speichermedium in einer Kunststoffmatrix des Wärmespeichers gebunden ist. Alternativ kann der Wärmespeicher ein Trägermaterial umfassen, in dem das Speichermedium tröpfchenweise in Zellen gebunden ist.
Eine besonders hohe Stabilität des Speichermediums und eine gute Handhabbarkeit des Trägermaterials sind erreichbar, wenn das Speichermedium in Kapseln enthalten ist, die in das Trägermaterial eingebettet sind. Wenn das Material der Kapseln bei einer
Temperatur noch stabil ist, bei der das Trägermaterial weich wird, ist es beispielsweise möglich, das Trägermaterial mit samt den darin enthaltenen Kapseln thermoplastisch zu formen, um den Wärmespeicher zu fertigen.
Besonders wirksam ist der Wärmespeicher, wenn der Verdampfer in der Lagerkammer angeordnet ist. Die Erfindung ist zwar auch z.B. an einem Coldwall-Verdampfer anwendbar, der außerhalb der Lagerkammer, zwischen dieser und einer
Isolationsmaterialschicht des Kältegeräts angeordnet ist, doch ist der Zugewinn an Effizienz bei einem in der Lagerkammer angeordneten Verdampfer größer.
Um wirksam zu sein, ist der Wärmespeicher vorzugsweise in körperlichem Kontakt mit dem Verdampfer angeordnet.
Wenn der Verdampfer plattenförmig ist, kann ein enger thermischer Kontakt zwischen Verdampfer und Wärmespeicher erzielt werden, wenn eine Seite des Verdampfers wenigstens überwiegend von dem Wärmespeicher bedeckt ist.
Wenn der Verdampfer benachbart zu einer Wand der Lagerkammer angeordnet ist, befindet sich der Wärmespeicher vorzugsweise an einer von der Wand abgewandten Seite des Verdampfers, so dass Kühlgut in der Lagerkammer im Wesentlichen durch den Wärmespeicher hindurch gekühlt wird. Wenn der Verdampfer ein Rollbond- oder Tube-on-sheet-Verdampfer ist, ist der
Wärmespeicher zweckmäßigerweise an einer ebenen Seite des Verdampfers angeordnet. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der
Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können;
stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die
Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen: einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kältegerät; ein vergrößertes Detail aus Fig. 1 gemäß einer ersten Ausgestaltung; dasselbe Detail gemäß einer zweiten Ausgestaltung; typische Temperaturverläufe herkömmlicher Verdampfer und eines Verdampfers gemäß der vorliegenden Erfindung während einer Betriebsph und im Anschluss daran; und einen typischen Temperaturverlauf eines Verdampfers gemäß der vorliegenden Erfindung während einer Abtauphase.
Fig. 1 zeigt einen Haushaltskühlschrank gemäß der vorliegenden Erfindung in einem schematischen Schnitt entlang einer vertikalen Schnittebene. Ein Korpus 1 und eine daran anschlagende Tür 2 umgeben eine Lagerkammer 3. Korpus 1 und Tür 2 umfassen jeweils in an sich bekannter Weise eine feste äußere Schale, eine innere Schale und eine wärmeisolierende Schicht aus Schaumstoff, die einen Zwischenraum zwischen den Schalen ausfüllt.
Im Inneren der Lagerkammer 3 ist in geringem Abstand zu einer Rückwand 4 des Korpus 1 ein plattenförmiger Verdampfer 5 montiert. Bei dem Verdampfer 5 kann es sich insbesondere, wie in der Figur angedeutet, um einen Rollbond-Verdampfer oder einen Tube-on-sheet-Verdampfer handeln. Beide Verdampfertypen umfassen
herkömmlicherweise eine Platine 6, die eine ebene erste Hauptoberfläche des
Verdampfers bildet, und eine Kältemittelleitung 8 in Form eines in einer zweiten Platine 7 eingetieften Kanals oder eines einseitig an die Platine 6 angelöteten Rohrs springt an der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Verdampfers 5 vor. Die erste, ebene Hauptoberfläche ist hier dem für Kühlgut nutzbaren Teil der Lagerkammer 3 zugewandt, während die die Kältemittelleitung 8 tragende Hauptoberfläche der Rückwand 4 unter Ausbildung eines schmalen Spalts 9 zugewandt ist. Die freie Anordnung innerhalb der Lagerkammer 3 ermöglicht es dem Verdampfer 5, über seine beiden Hauptoberflächen Wärme mit der Lagerkammer 3 auszutauschen. Die Abmessungen des Verdampfers 5 können daher im Vergleich zu einem Coldwall-Verdampfer gering gehalten werden.
Die dem Hauptteil der Lagerkammer 3 zugewandte ebene Hauptoberfläche ist vollständig oder nahezu vollständig von einem Wärmespeicher 10 bedeckt. Der Wärmespeicher 10 ist eine Folie oder eine dünne Platte mit einer Stärke von wenigen Millimetern aus einem Kunststoff-Trägermaterial, in dem ein Speichermedium gebunden ist. Das
Speichermedium, eine wässrige Lösung von z.B. Ethylenglykol oder Harnstoff, kann in der Matrix des Kunststoffmaterials homogen verteilt sein, oder in Tröpfchenform kleine Hohlräume des Kunststoffmaterials ausfüllen.
Ein Verdichter 15 und ein Verflüssiger, die den Verdampfer 5 mit flüssigem Kältemittel versorgen, sind in einer Maschinenraumnische am Fuß der Rückwand 4 untergebracht. Ein Temperaturfühler 16, der bei Überschreitung einer vom Benutzer eingestellten Schwellentemperatur den Verdichter 15 einschaltet, ist in an sich üblicher Weise entfernt vom Verdampfer 5 an der Lagerkammer 3 angeordnet. Aufgrund der Entfernung vom Wärmespeicher 10 lässt die vom Temperaturfühler 16 in einer Betriebsphase des
Verdichters 15 erfasste Temperatur keinen sicheren Rückschluss auf den
Aggregatzustand des Speichermediums zu. Fig. 2 zeigt einen vergrößerten schematischen Schnitt durch den Wärmespeicher 10 und die ihn tragende Platine 6, in dem eine Vielzahl von zufällig verteilten, mit dem
Speichermedium gefüllten Hohlräumen 1 1 unterschiedlicher Größe in dem Trägermaterial 14 des Wärmespeichers 10 zu erkennen sind. In der Darstellung der Fig. 2 sind die Hohlräume 1 1 sphärisch, und die Dicke von Wänden des Trägermaterials 14, die benachbarte Hohlräume 1 1 trennen, ist von derselben Größenordnung wie die
Durchmesser der Hohlräume 1 1. Im Extremfall könnte das Trägermaterial 14 einen geschlossenporigen Schaumstoff bilden, d.h. die Hohlräume 1 1 wären nicht mehr sphärisch, wie in der Figur gezeigt, sondern hätten die Form unregelmäßiger, jeweils durch dünne Membranen des Trägermaterials voneinander getrennter und mit dem Speichermedium gefüllter Polyeder.
Einer in Fig. 3 veranschaulichten bevorzugten Variante zufolge ist das Speichermedium 12 in dünnwandigen, diffusionsdichten Kunststoff-Hohlkugeln 13 gekapselt, die ihrerseits in das Trägermaterial 14 eingebettet sind. Die Kapselung erlaubt eine bequeme Fertigung des Wärmespeichers 10 durch Untermischen der Kapseln unter das Trägermaterial und Ausformen des Gemischs zu Platten der gewünschten Stärke. Fig. 4 zeigt im Vergleich typische Temperaturverläufe des Verdampfers 5 vom in Fig. 1 gezeigten Typ mit Wärmespeicher 10, eines frei in einer Lagerkammer angeordneten Verdampfers ohne Wärmespeicher und eines Coldwall-Verdampfers. Der frei aufgehängte Verdampfer ohne Wärmespeicher, repräsentiert durch die Kurve A, weist zu Beginn seiner Betriebsphase, der Zeit t=0, einen sehr steilen Temperaturabfall auf; es dauert knapp eine Minute, um ihn von +5°C auf -15°C abzukühlen, und nach vier Minuten des Betriebs ist eine im Wesentlichen stationäre Grenztemperatur von ca. -20°C erreicht. Der Dampfdruck im Verdampfer hat daher im bei weitem überwiegenden Teil der
Betriebsphase des Verdampfers einen sehr niedrigen Wert, so dass ein an den
Verdampfer angeschlossener Verdichter ein großes Volumen verdichten muss, um eine gegebene Masse des Kältemittels aus dem Verdampfer abzusaugen, und die zum
Verflüssigen des Kältemittels zu überwindende Druckdifferenz hoch ist. Der Grund für den sehr schnellen Temperaturabfall ist die geringe Wärmekapazität des Verdampfers und die Tatsache, dass Wärme aus der umgebenden Lagerkammer 3 den Verdampfer über die ihn allseits umgebende Luft nur langsam erreicht. Ein etwas langsamerer Temperaturabfall zu Beginn der Betriebsphase ist beim Coldwall- Verdampfer, dargestellt durch die Kurve B, zu beobachten. Der Grund für den
langsameren Abfall liegt im engen thermischen Kontakt des Coldwall-Verdampfers zur inneren Schale des Kältegerätekorpus und der Isolationsmaterialschicht, zwischen denen er eingebettet ist und die sich zusammen mit dem Verdampfer abkühlen. Dennoch genügen auch hier knapp zwei Minuten, um den Verdampfer auf -10°C abzukühlen, und während etwa der Hälfte der Betriebsphase arbeitet der Verdampfer stationär bei einer Grenztemperatur von ca. -20°C.
Die Kurve C zeigt den Temperaturverlauf für den Verdampfer 5 des Kältegerätes aus Fig. 1 . Zu Beginn der Betriebsphase entspricht die Geschwindigkeit der Abkühlung in etwa der Kurve B, da die Wärmekapazität des Wärmespeichers 10 in diesem Temperaturbereich mit denen der inneren Schale und der Isolationsschicht beim Coldwall-Verdampfer vergleichbar ist. Nach knapp zwei Minuten ist mit -5°C die Gefriertemperatur des
Speichermediums 12 des Wärmespeichers 10 erreicht. Die Temperatur bleibt nun solange im Wesentlichen konstant, bis das Speichermedium 12 komplett gefroren ist. Solange dies der Fall ist, ist der Dampfdruck im Verdampfer 5 hoch, und das Kältemittel kann effizient umgewälzt werden. Erst nach dem vollständigen Gefrieren des
Speichermediums setzt sich der Temperaturabfall fort, doch endet die Betriebsphase des Verdampfers 5 bereits, bevor er auf die Grenztemperatur der Kurven A, B abgekühlt ist.
Um den Verdichter 15 unter Berücksichtigung dieser Entwicklung der
Verdampfertemperatur steuern und lang andauernden Betrieb bei niedriger Temperatur vermeiden zu können, kann ein zweiter Temperaturfühler 17 am Verdampfer 5
angeordnet sein, der bei Unterschreitung einer zweiten Schwellentemperatur, die unter der Gefriertemperatur des Speichermediums 12 liegt, den Verdichter 15 wieder ausschaltet. Bevorzugt, weil nicht durch zufällige Temperaturgradienten in der
Lagerkammer beeinflussbar, ist eine Steuerung durch einen Zeitschalter, der jeweils bei Einschalten des Verdichters 15 in Gang gesetzt wird und diesen nach einer
vorgegebenen, zum Gefrieren des Speichermediums ausreichenden Zeitspanne, im Fall der Fig. 4 ca. 25 min, wieder ausschaltet. Wenn man als Kühlleistung des Verdampfers 5 in einer Betriebsphase beispielsweise einen Wert von 100 Watt zugrunde legt und der Einfachheit halber annimmt, dass diese ausschließlich den Wärmespeicher 10, nicht aber die umgebende Lagerkammer 3 kühlt, dann beträgt die dem Wärmespeicher 10 bis zum vollständigen Gefrieren des
Speichermediums 12 in einer Zeitspanne von ca. 15 Minuten entzogene Wärmemenge 750 kJ. Die beim Gefrieren eines wässrigen Speichermediums frei werdende
Latentwärme beträgt ca. 300 J/g. Es genügt daher eine Menge von ca. 250 g des
Speichermediums 12, um eine 15minütige Gefrierphase zu erhalten. Nimmt man an, dass sich diese 250g des Speichermediums 12 auf eine Fläche des Verdampfers 5 von z.B. 40 x 40 cm verteilen, dann entfallen auf jeden cm2 des Verdampfers ca. 0,15g des
Speichermediums 12. Dies zeigt, dass eine Schichtdicke des Wärmespeichers 10 von wenigen mm ausreicht, um den Temperaturverlauf der Kurve C zu realisieren.
Am Ende der Betriebsphase des Verdampfers, bei t= ca. 25 min, steigt die Temperatur bei allen drei Kurven A, B, C wieder an, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit aufgrund vergleichbarer Wärmekapazitäten bei den Kurven B, C, zunächst wieder ähnlich und niedriger als bei der Kurve A ist. Sobald jedoch die Gefriertemperatur des
Speichermediums 12 erreicht ist, stagniert die Kurve C, und es kann der Fall auftreten, dass sie nicht wieder auf 0°C ansteigt, bevor die nächste Betriebsphase des Verdampfers beginnt. Da dies zur Akkumulation von Reif auf dem Verdampfer 5 führt, ist in
regelmäßigen Abständen ein Abtauen des Verdampfers 5 erforderlich. Zu diesem Zweck wird die nächste Betriebsphase des Verdampfers 5 verzögert, und es resultiert der in Fig. 5 gezeigte Temperaturverlauf. Die Stagnationsphase nimmt hier das Zeitintervall von t=0 bis ca. t=16 min ein. Nach dem Auftauen des Speichermediums 12 folgt ein relativ schneller Anstieg der Verdampfertemperatur auf 0°C und eine neuerliche
Stagnationsphase, in der der Reif auf dem Verdampfer 5 abtaut und das Tauwasser abfließt. Der Abschluss dieser Phase ist zu erkennen an einem weiteren
Temperaturanstieg des Verdampfers 5 bis auf die Betriebstemperatur der Lagerkammer 3 oder, da ein eigentlich erforderlicher Betrieb des Verdampfers herausgezögert worden ist, um das Abtauen zu ermöglichen, sogar auf eine etwas über der Betriebstemperatur der Lagerkammer liegende Temperatur. Zur Zeit t = ca. 30 min setzt der Betrieb des
Verdampfers 5 wieder ein, und es wiederholt sich der in Fig. 4 als Kurve C dargestellte Verlauf.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer (3) für Kühlgut, einem in thermischem Kontakt mit der Lagerkammer (3) angeordneten, zum Halten der Lagerkammer (3) in einem vorgegebenen Temperaturbereich intermittierend arbeitenden Verdampfer (5) und einem dem Verdampfer (5) zugeordneten Wärmespeicher (10), der ein Speichermedium (12) enthält, das in Betriebs- und Ruhephasen des Verdampfers (5) jeweils seinen Aggregatzustand ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenübergangstemperatur des Speichermediums (12) näher an dem vorgegebenen Temperaturbereich als an einer im Dauerbetrieb erreichbaren Grenztemperatur des Verdampfers (5) liegt.
2. Kältegerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Temperaturbereich der Lagerkammer (3) über 0°C und die Schmelztemperatur des Speichermediums (12) unter 0°C liegt.
3. Kältegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schmelztemperatur des Speichermediums (12) unter -2°C und/oder über -10°C liegt.
4. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (12) eine wässrige Lösung, insbesondere von
Ethylenglykol oder Harnstoff, ist.
5. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung des Verdampfers (5) in einer Betriebsphase bemessen ist, um das Speichermedium (12) in wenigstens zwei und/oder höchstens zwanzig Minuten zu gefrieren.
6. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dauer einer Betriebsphase des Verdampfers (5) länger als die zum Gefrieren des Speichermediums (12) erforderliche Zeit und/oder höchstens doppelt so lang wie die zum Gefrieren des Speichermediums (12) erforderliche Zeit ist.
7. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (15) temperaturgesteuert eingeschaltet und zeitgesteuert ausgeschaltet wird.
8. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Speichermediums (12) einer über die Oberfläche des
Verdampfers (5) verteilten Schicht des Speichermediums (12) von höchstens 5 mm Stärke entspricht.
9. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (12) in einer Kunststoffmatrix des Wärmespeichers (10) gebunden ist.
10. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (10) ein Trägermaterial (14) umfasst, in dem das Speichermedium (12) tröpfchenweise in Zellen (1 1 ) gebunden ist.
1 1 . Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (10) ein Trägermaterial (14) umfasst, in dem das Speichermedium (12) enthaltende Kapseln (13) eingebettet sind.
12. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) in der Lagerkammer (3) angeordnet ist.
13. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (10) in körperlichem Kontakt mit dem Verdampfer (5) angeordnet ist.
14. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) plattenformig ist und dass eine Seite (6) des Verdampfers (5) wenigstens zum überwiegenden Teil von dem Wärmespeicher (10) bedeckt ist.
15. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) benachbart zu einer Wand (4) der Lagerkammer (3) angeordnet ist und der Wärmespeicher (10) an einer von der Wand (4) abgewandten Seite des Verdampfers (5) angeordnet ist.
16. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) ein Rollbond-Verdampfer oder ein Tube-on-Sheet- Verdampfer ist und dass der Wärmespeicher (10) an einer ebenen Seite (6) des Verdampfers (5) angeordnet ist.
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