EP4065908A1

EP4065908A1 - Kältegerät mit variabel nutzbarem fach

Info

Publication number: EP4065908A1
Application number: EP20806965.8A
Authority: EP
Inventors: Andreas BABUCKE; Oliver Janda; Niels Liengaard; Clemens Mack; Matthias Mrzyglod; Vitali ULRICH; Carsten Weiss
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-10-05
Also published as: DE102019218352A1; CN114761740A; US20220404068A1; WO2021104864A1

Abstract

Ein Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, umfasst • mehrere Lagerfächer (2, 3, 4, 23), • einen Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters (14) ein erstes Expansionsventil(17), ein erster Wärmeübertrager (5), ein zweites Expansionsventil (18) und ein zweiter Wärmeübertrager (6) in Reihe verbunden sind, wobei jeder Wärmeübertrager (5, 6, 7, 24) wenigstens einem Lagerfach (2, 3, 4, 23) zugeordnet ist, um es zu temperieren, und • eine Steuereinheit (13) zum Steuern der Drehzahl (n _compr ) des Verdichters (14) und von Positionen (pos _va ives) der Expansionsventile (17, 18). Die Steuereinheit (13) umfasst zu jedem Lagerfach (2, 3, 4,23) einen stetig linearen Regler (30) mit mindestens einem P-Anteil zum Abschätzen eines • Temperierleistungsbedarfs (Q _oi ) anhand einer Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur (Ttar _g et, i, T _sensor, i) des Lagerfachs (2 / 3, 4,23) sowie eine Modellrecheneinheit (31), die eingerichtet ist, für wenigstens ein vom ersten Wärmeübertrager (5) temperiertes erstes und ein vom zweiten Wärmeübertrager (6) temperiertes zweites der Lagerfächer (2, 3) • anhand ihres Temperierleistungsbedarfs (Q _o,i) eine Soll- Verdampfungstemperatur (T _{evap, i} ) • festzulegen und durch Wählen der Drehzahl (n _compr ) des Verdichters (14) und der Positionen (pos va ives) der Expansionsventile (17, 18) die Wärmeübertrager (5, 6) des ersten und zweiten Lagerfachs (2, 3) bei den Soll- Verdampfungstemperaturen (T _{evap, i} ) zu betreiben.

Description

Kältegerät mit variabel nutzbarem Fach

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit wenigstens einem Lagerfach, das bei in weitem Umfang variablen Temperaturen, eventuell sogar bei Temperaturen oberhalb einer Umgebungstemperatur nutzbar ist.

Ein solches Kältegerät ist z.B. aus DE 102016 032 986 A bekannt. Bei diesem bekannten Kältegerät sind Wärmeübertrager eines ersten Fachs und eines zweiten Fachs mit jeweils einem vor- und einem nachgeschalteten Expansionsventil in zueinander parallelen Leitungssträngen des Kältemittelkreislaufs angeordnet, und beide Stränge münden auf den Verdampfer eines dritten gekühlten Fachs. Mit Hilfe der Expansionsventile ist der Druck im ersten oder zweiten Fach zwischen Auslass- und Ansaugdruck eines Verdichters weitgehend beliebig festlegbar, und dementsprechend können in den Fächern in weitem Umfang variable Temperaturen eingestellt werden. Diese Temperaturen bei wechselnden Umgebungstemperaturen konstant zu halten, ist jedoch schwierig, da jede Verstellung eines einzelnen Expansionsventils zu Änderungen des Drucks in mehr als einem Verdampfer führt. Das bedeutet, dass wenn im einem Fach die Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur abweicht und durch Korrigieren der Stellung eines Expansionsventils versucht wird, diese Abweichung zu vermindern, dies Rückwirkungen auf andere Fächer hat, die ihrerseits Korrekturen nach sich ziehen. Es kann daher nach dem Auftreten einer Störung geraume Zeit dauern, bis das Kältegerät wieder einen stationären Zustand erreicht, und in dieser Zeit auftretende Abweichungen von der Solltemperatur können möglicherweise die Haltbarkeit von in dem Kältegerät gelagertem Kühlgut beeinträchtigen.

Es besteht daher Bedarf nach einem Kältegerät mit wenigstens einem bei in weitem Umfang variablen Temperaturen nutzbaren Fach, das im Falle einer Abweichung einer Fachtemperatur vom Sollwert in der Lage ist, diese Abweichung in kurzer Zeit zu beheben und dabei Rückwirkungen auf andere Fächer zu minimieren.

Dieser Bedarf wird erfindungsgemäß befriedigt, indem bei einem Kältegerät mit mehreren Lagerfächern, einem Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters ein erstes Expansionsventil, ein erster Wärmeübertrager, ein zweites Expansionsventil und ein zweiter Wärmeübertrager in Reihe verbunden sind, und wobei jeder Wärmeübertrager wenigstens einem Lagerfach zugeordnet ist, um es zu temperieren, und einer Steuereinheit zum Steuern der Drehzahl des Verdichters und von Positionen der Expansionsventile die Steuereinheit zu jedem Lagerfach einen stetig linearen Regler mit mindestens einem P-Anteil zum Abschätzen eines Temperierleistungsbedarfs anhand einer Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur des Lagerfachs sowie eine Modellrecheneinheit umfasst, die eingerichtet ist, für wenigstens ein vom ersten Wärmeübertrager temperiertes erstes und ein vom zweiten Wärmeübertrager temperiertes zweites der Lagerfächer anhand ihres

Temperierleistungsbedarfs eine Soll-Verdampfungstemperatur festzulegen und durch Wählen der Drehzahl des Verdichters und der Positionen der Ventile die Wärmeübertrager des ersten und zweiten Lagerfachs bei der Soll-

Verdampfungstemperaturen zu betreiben. Unter P-Anteil wird hier ein Anteil im Ausgangssignal des Reglers verstanden, der zu der in den Regler eingegebenen Abweichung proportional ist. Darüber hinaus kann der Regler mindestens noch einen I- Anteil, also einen zum Zeitintegral der Abweichung proportionalen Anteil und/oder einen D-Anteil, einen zur Zeitableitung der Abweichung proportionalen Anteil aufweisen.

Die Verwendung des Begriffs „Wärmeübertrager“ anstelle von „Verdampfer“ trägt der Tatsache Rechnung, dass die Temperierwirkung nicht nur in herkömmlicherweise ein Kühlen durch Verdampfen von flüssigem Kältemittel im Wärmeübertrager sein kann, sondern insbesondere im ersten Wärmeübertrager auch ein Erwärmen durch Kondensation von Kältemitteldampf oder Unterkühlen von bereits flüssigem Kältemittel. Die Temperatur, bei der Verdampfung bzw. Kondensation stattfinden, wird im Folgenden der Einfachheit halber immer nur als Verdampfungstemperatur bezeichnet.

Die Wärmeübertrager haben jeweils einen durch ihre Bauart, Einbaugeometrie und dgl. bestimmten Wärmedurchgangskoeffizienten, der die Übertragungsleistung pro Grad Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel im Wärmeübertrager und dessen Umgebung, d.h. dem von dem Wärmeübertrager temperierten Lagerfach, angibt. Eine Soll-Verdampfungstemperatur kann daher erhalten werden durch Vermindern der Fachtemperatur um den Quotienten von Temperierleistungsbedarf und Wärmedurchgangskoeffizient (wobei das Vorzeichen des Temperierleistungsbedarfs als positiv angesetzt wird, wenn das Temperieren ein Kühlen ist). Ein Wärmeübertrager kann in an sich bekannter Weise zur Leistungssteigerung mit einem Lüfter kombiniert sein, der die Luftzirkulation über den Wärmeübertrager antreibt. Um der Wirkung des Lüfters Rechnung zu tragen, wird in diesem Fall der Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmeübertragers als eine Funktion eines Betriebsparameters des Lüfters, insbesondere seiner Leistung oder Drehzahl, angenommen. Der Zusammenhang zwischen dem Wert des Betriebsparameters und dem resultierenden Wärmedurchgangskoeffizienten kann im Betrieb des Kältegeräts formelmäßig berechnet oder in einer - ggf. anhand von an einem Prototypen des Kältegeräts vorgenommener Messungen erstellten - Tabelle nachgeschlagen werden.

Infolge der Möglichkeit, die Verdampfungstemperatur in einem Wärmeübertrager zu variieren, kann eine gewünschte Fachtemperatur sowohl mit einer niedrigen Lüfterdrehzahl und einer niedrigen Verdampfungstemperatur als auch mit einer hohen Lüfterdrehzahl und einer Verdampfungstemperatur nahe der gewünschten Fachtemperatur erreicht werden, wobei im ersteren Fall die Trocknung der Luft des Lagerfachs durch Reifbildung am Wärmeübertrager wesentlich stärker ist als in letzterem. Dieser Sachverhalt kann ausgenutzt werden, um die Luftfeuchtigkeit im Lagerfach auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Zweckmäßigerweise kann diese Feuchtigkeitssteuerung auf den Fall beschränkt sein, dass die Abweichung zwischen Ist- und Solltemperatur des Lagerfachs einen Grenzwert nicht überschreitet. Im Falle einer Grenzwertüberschreitung sollte ein schnelles Herunterkühlen des Fachs Priorität haben; dazu sollte der Lüfter unabhängig von der Temperatur des Wärmeübertragers mit maximaler Drehzahl laufen.

Um eine Abweichung einer Fachtemperatur von ihrem Sollwert schnell und mit minimalen Rückwirkungen auf andere Lagerfächer beenden zu können, ist es wichtig, dass die Steuereinheit „korrekte“ Werte einer Stellgröße im Voraus abschätzen kann und nicht erst nach Vornahme einer Stellgrößenkorrektur deren Auswirkungen abwarten muss, um dann ggf. diese zu kompensieren. Zu diesem Ziel trägt es bei, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, für jedes Lagerfach einen Massenstrom von Kältemittel zu berechnen, dessen Verdampfung den Temperierleistungsbedarf des Lagerfachs deckt, die Massenströme zu einem Gesamtmassenstrom aufzusummieren und die Drehzahl des Verdichters so zu wählen, dass der Gesamtmassenstrom von dem Verdichter bereitgestellt wird. Die Verdampfung kann auch „negatives Vorzeichen“ haben, d.h. wenn die Temperierung ein Erwärmen des Lagerfachs ist, kann in dem betreffenden Wärmeübertrager Kondensation stattfinden.

Wenn ein dritter Wärmeübertrager eines dritten Lagerfachs dem zweiten Wärmeübertrager ohne zwischengeschaltete Drosselstelle nachgeschaltet ist, insbesondere wenn das dritte Lagerfach ein Normalkühlfach und das zweite ein Gefrierfach ist, trägt aus dem zweiten Wärmeübertrager kommender Kältemitteldampf relevant zur Kühlwirkung des dritten Verdampfers bei. In diesem Fall sollte die Steuereinheit eingerichtet sein, bei der Berechnung des Massenstroms von im dritten Wärmeübertrager zu verdampfendem Kältemittel die Kühlleistung des aus dem zweiten Wärmeübertrager zufließenden Dampfs zu berücksichtigen.

Da sich der Dampf durch Aufnahme von Wärme aus dem Lagerfach erwärmt und dadurch der Temperaturunterschied zum Lagerfach allmählich abnimmt, wohingegen flüssiges Kältemittel so lange auf der Verdampfungstemperatur bleibt, bis es komplett verdampft ist, ist der Wärmedurchgangskoeffizient des dritten Wärmeübertragers stark unterschiedlich, je nachdem ob er Dampf oder flüssiges Kältemittel enthält. Dem sollte die Steuereinheit Rechnung tragen, indem sie einen Wärmedurchgangskoeffizienten des dritten Wärmeübertragers abhängig vom Volumenverhältnis zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel am Übergang zwischen zweitem und drittem Wärmeübertrager abschätzt. Konkret kann der Wärmedurchgangskoeffizient als ein anhand des Volumenverhältnisses gewichteter Mittelwert zwischen den

Wärmedurchgangskoeffizienten des dampfgefüllten und des flüssigkeitsgefüllten dritten Wärmeübertragers berechnet werden.

Es ist an sich bekannt, zur Effizienzsteigerung einen internen Wärmetauscher vorzusehen, in dem verdichtetes Kältemittel vor dem Eintritt in einen Wärmeübertrager Wärme an Kältemitteldampf in einem von einem der Wärmeübertrager zum Verdichter zurückführenden Saugrohr abgibt. Der Einfluss eines solchen internen Wärmetauschers kann in einem iterativen Prozess berücksichtigt werden.

Der Kältemittelkreislauf kann mehrere parallele Leitungsstränge umfassen, von denen einer das erste Expansionsventil, den ersten Wärmeübertrager und das zweite Expansionsventil und wenigstens ein anderer ein drittes Expansionsventil, einen vierten Wärmeübertrager und ein viertes Expansionsventil aufweist. Das vierte Lagerfach kann von der Steuereinheit genauso gesteuert werden wie das erste und das zweite Lagerfach.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kältegeräts;

Fig.2 ein Blockdiagramm einer Steuereinheit des Kältegeräts.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kältegeräts. In einem wärmedämmenden Gehäuse 1 sind wenigstens drei, hier vier Lagerfächer 2, 3, 4, 23 ausgespart. Jeder dieser Lagerfächer 2, 3, 4, 23 ist ein Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24 zugeordnet. Die Zuordnung kann z.B. darin bestehen, dass der Wärmeübertrager in Art eines Cold-Wall-Verdampfers zwischen einem Innenbehälter des Lagerfachs und einer den Innenbehälter umgebenden Dämmmaterialschicht eingebettet ist, oder dass der Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24 im Innenbehälter 8 des betreffenden Lagerfachs 2, 3, 4, 23 montiert ist. In letzterem Fall kann im Innenbehälter eine Trennwand 9 vorgesehen sein, die das Volumen des Innenbehälters in das Lagerfach 2, 3, 4 und eine den Wärmeübertrager 5, 6, 7 aufnehmende Wärmeübertragerkammer 10 unterteilt.

Unabhängig davon, wie der Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24 dem Lagerfach 2, 3, 4, 23 zugeordnet ist, kann jedem Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24 ein Lüfter 11 zugeordnet sein, um den Wärmeübergang zwischen dem Lagerfach 2, 3, 4, 23 und ihrem Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24 zu intensivieren. Die Drehzahl oder Leistung eines solchen Lüfters 11 kann fest vorgegeben oder, wie im Folgenden noch genauer erläutert, steuerbar sein.

Jedes Lagerfach 2, 3, 4, 23 ist mit einem Temperaturfühler 12 ausgestattet. Messwerte der Temperaturfühler 12 werden von einer Steuerschaltung 13 erfasst. Ein Kältemittelkreislauf umfasst, ausgehend von einem Druckanschluss eines Verdichters 14, der Reihe nach einen Verflüssiger 15, eine Druckleitung 16, ein erstes Expansionsventil 17, den Wärmeübertrager 5, ein zweites Expansionsventil 18, den zweiten Wärmeübertrager 6, den dritten Wärmeübertrager 7 und eine Saugleitung 19, die zu einem Sauganschluss des Verdichters 14 führt.

Wenn wie in der Fig. 1 gezeigt noch ein viertes Lagerfach 23 vorgesehen ist, können dessen Wärmeübertrager 24, ein vorgeschaltetes Expansionsventil 25 und ein nachgeschaltetes Expansionsventil 26 in einem Zweig des Kältemittelkreislaufs angeordnet sein, der sich parallel zu einem die Expansionsventile 17, 18 und den Wärmeübertrager 5 enthaltenden Zweig zwischen zwei Anschlusspunkten 27, 28 erstreckt. Bei Bedarf können weitere parallele Zweige mit je zwei Expansionsventilen und einem Wärmeübertrager zum Temperieren weiterer Lagerfächer vorgesehen sein.

Die Expansionsventile 17, 18, 25, 26 sind von an sich bekannter, hier nicht beschriebener Bauart und ausgelegt, um einen durch ein Steuersignal vorgegebenen Öffnungsquerschnitt zwischen Ein- und Auslass einzustellen. Quelle der Steuersignale ist die Steuerschaltung 13.

Die Druckleitung 16 und die Saugleitung 19 verlaufen auf einem Teil ihrer Länge gegenläufig in engem Kontakt miteinander, um so einen internen Wärmeübertrager 22 zu bilden, in dem das verdichtete Kältemittel kurz vor Erreichen des Expansionsventils 17 Restwärme an den Dampf in der Saugleitung 19 abgibt.

Die an den Expansionsventilen 17, 25 auftretende Druckdifferenz ist in weiten Grenzen variabel. Einerseits ergibt sich bei maximaler Öffnung des Expansionsventils 17 (bzw. 25) im Wärmeübertrager 5 (bzw. 24) ein Druck, der sich, wenn überhaupt, nur wenig vom Druck am Druckanschluss des Verdichters 14 unterscheidet, so dass im Wärmeübertrager 5 (bzw. 24) wie im Verflüssiger 15 Kondensation von Kältemittel stattfinden kann und das Lagerfach 2 (23) auf einer Solltemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden kann, und in Verflüssiger 15 und Wärmeübertrager s und/oder 24 kondensiertes Kältemittel über das Expansionsventil 18 den Wärmeübertragern 6 und 7 zugeführt wird. Eine Obergrenze der Temperatur, bei der das Lagerfach 2 bzw. 23 betrieben werden kann, sollte nicht unter +18°C betragen. Um einen Betrieb des Lagerfachs 3 als Gefrierfach zu ermöglichen, ist selbst wenn das Lagerfach 2 (und/oder 23) als Normalkühlfach betrieben wird, ein nicht vernachlässigbarer Druckabfall am Expansionsventil 18 notwendig. Die maximale Druckdifferenz am Expansionsventil 18 sollte ausreichen, um einen Gefrierfachbetrieb des Lagerfachs 3 auch dann zu ermöglichen, wenn im Wesentlichen der volle Ausgangsdruck des Verdichters 14 am Eingang des Expansionsventils 18 anliegt.

Zwischen den Wärmeübertragern 6 und 7 findet kein nennenswerter Druckabfall statt. Insbesondere können beide Wärmeübertrager 6, 7 und eine sie verbindende Leitung aus demselben Typ Rohr mit gleichbleibenden Querschnittsabmessungen gefertigt sein.

Solltemperaturen für alle drei Lagerkammern 2, 3, 4 sind an einer Benutzerschnittstelle 20 der Steuerschaltung 13 einstellbar. Wenn eine der Lagerkammern 2, 3, 4 einen Lüfter 11 aufweist, kann an der Benutzerschnittstelle 20 auch die Möglichkeit vorgesehen sein, einen Wert der Luftfeuchtigkeit für die betreffende Lagerkammer zu wählen.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Steuereinheit 13. Am linken Rand des Diagramms sind Eingänge für die vom Benutzer an der Schnittstelle 20 eingestellten Sollgrößen dargestellt, namentlich die Solltemperaturen T_{target, fiexi} des Lagerfachs 2, T_{target, f}ri_dge des als Normalkühlfach genutzten Lagerfachs 4 und T_{target, f}r_eezer des als Gefrierfach betriebenen Lagerfachs 3 sowie fakultativ Tt_arget, fiex2 des Lagerfachs 23 und Soll-Feuchtigkeitswerte cptarget, fiexi des Lagerfachs 2 und cpt_arget, fiex2 des Lagerfachs 23.

Jede Solltemperatur und die zugehörige vom Sensor 12 gemessene Ist-Temperatur, z.B. die Temperaturen Tt_arget, fiexi und T_sensor, fiexi , liegen an den Eingängen einer Differenzschaltung 29 an, um eine Sollwertabweichung zu ermitteln, die ihrerseits Eingangsgröße eines PID-Reglers 30 ist. Jeder PID-Regler 30 liefert ein Ausgangssignal, das ein Schätzwert ist für den Temperierleistungsbedarf Q_{0 i} , i e {flexi, flexi, freezer, fridge , d.h. für die Kühl- oder Heizleistung, die dem betreffenden Lagerfach 2, 3, 4, 23 voraussichtlich zugeführt werden muss, um es auf seine Solltemperatur zu bringen bzw. dort zu halten. Eine Modellrecheneinheit 31 empfängt als Eingangsgrößen die

Temperierleistungsbedarfe Q₀ der Lagerfächer 2, 3, 4, 23, deren von den Sensoren 12 gemessene Ist-Temperaturen T _i , Randbedingungen wie etwa die Verflüssigungstemperatur _cim Verflüssiger 15, die Umgebungstemperatur T_x , sowie, wenn eine Feuchtigkeitsregelung der Fächer 2, 23 vorgesehen ist, die Drehzahlen n_{fan i} von deren Lüftern 11.

Ausgangsgrößen der Modellrecheneinheit 31 sind Positionen pos_{valve i} der

Expansionsventile 16, 17, 25, 26 sowie die Drehzahl n_compr des Verdichters 14. Diese bereits oben beschriebenen Komponenten sind im Diagramm der Fig. 2 in einer Regelstrecke 32 zusammengefasst.

Anhand der bekannten Temperierleistungsbedarfe Q_{0 j} , i e {flexi, flexi, freezer, fridge} berechnet die Modellrecheneinheit 31 die Verdampfungstemperaturen in den Fächern 2, 23, 4 die Temperaturdifferenz zwischen Fach und Verdampfer ergibt sich aus Kälteleistung und Wärmeübertragungsfähigkeit des Verdampfers.

Die Verdampfungsenthalpie ergibt sich aus der Verdampfungstemperatur des

Gefrierfachs 3, T _fieezer , der Verflüssigungstemperatur T_c , einer angenommenen

Unterkühlung AT und der übertragenen Enthalpie Ah_1HX des internen Wärmeübertragers

22: die spezifische Verdampfungsenthalpie ergibt sich aus Siede- / Taulinie von Verflüssigungs- / Verdampfungstemperatur, der Unterkühlung am Verflüssigerende sowie dem spezifischen Wärmeübertrag des inneren Wärmeübertragers.

Die Verflüssigungstemperatur T_c kann gemessen werden; alternativ wird sie von der Modellrecheneinheit 31 anhand der Umgebungstemperatur T_x und des Wärmedurchgangskoeffizienten kA_{c eff} des Verflüssigers abgeschätzt, wobei angenommen wird, dass die vom Verflüssiger abgegebene Wärmeleistung gleich der Summe der von den Wärmeübertragern 5, 6, 7, 24 aufgenommenen Temperierleistungsbedarfe ist.

Die Enthalpie Ah_1HX ist a priori nicht bekannt, hier kann zunächst ein Erfahrungswert aus der Vergangenheit angenommen werden, der in der Folge iterativ präzisiert wird.

Die Verdampfungsrate in jedem der Wärmeübertrager 5, 6, 7, 24, d.h. wie viel Kältemittel dort pro Zeiteinheit verdampft (oder, im Fall der Fächer 2, 23 evtl auch kondensiert) ergibt sich aus dem Temperierleistungsbedarf Q_{0 i} des zugeordneten Fachs 2, 3, 4 bzw. 23 und der gemäß (2) bestimmten Verdampfungsenthalpie. Für die Flexfächer 2, 23 und das Gefrierfach 3 berechnet sich der verdampfende Massenstrom aus dem Temperierleistungsbedarf und der Verdampfungsenthalpie.

Beim Kühlfach 4 wäre eine Berechnung rein über die Verdampfungsenthalpie unzureichend da hier auch Kältemitteldampf, der aus dem Wärmeübertrager 6 des

Gefrierfachs 3 in den des Kühlfachs 4 übergeht, einen Beitrag Q_{0 gas} zur Kühlwirkung des

Wärmeübertragers 7 liefert, und ergibt sich aus dem Wärmeübergang eines sich erwärmenden einphasigen Mediums.

Wenn dieser Beitrag Q_{0 gas} bereits größer ist als der Temperierleistungsbedarf Q_{o fridge} des Kühlfachs 4, wird die Drehzahl des Lüfters 11 des Kühlfachs 4 verringert.

Anderenfalls wird nach Gleichung (6) der Anteil C_2phase des Wärmeübertragers 7 berechnet, in dem Verdampfung stattfindet.

Wenn auch flüssiges Kältemittel in den Wärmeübertrager 7 gelangt, steht von diesem nur noch ein geringer Anteil für den Wärmeaustausch mit dem übergetretenen Dampf zur Verfügung; dementsprechend reduziert sich der Beitrag des übergetretenen Dampfs zum Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmeübertragers 7. Dies wird berücksichtigt, indem der Verdampferbereich mit reiner Gasströmung wieder in die Berechnung der Kälteleistung. Der im Kühlfach-Wärmeübertrager verdampfende Massenstrom ergibt sich dann aus der Differenz von Kälteanforderung und Kühlleistung des Gases.

Die Summe der verdampfenden Massenströme über alle Fächer ergibt den Gesamt- Massenstrom, den der Verdichter 14 fördern

Die Modellrecheneinheit 31 könnte nun in einer einfachen Ausgestaltung und wie später genauer erläutert die hierfür erforderliche Drehzahl des Verdichters 14 berechnen und ausgeben. Dabei müsste sie allerdings den Einfluss des internen Wärmeübertragers 22 vernachlässigen.

Für die im internen Wärmeübertrager 22 übertragene Enthalpie berechnet sich aus der Differenz von Hochdrucktemperatur und Austrittstemperatur des Kühlfachverdampfers, dem Gesamtmassenstrom sowie dem Aufbau des inneren Wärmeübertragers. Die Enthalpie am Austritt des KF-Verdampfers berechnet sich der Enthalpie am Verflüssigeraustritt, dem Enthalpieübertrag des inneren Wärmeübertragers sowie dem Quotient aus Summe der Temperierleistungen und Massenstrom. Daraus ergibt sich dann die Temperatur am Austritt des Kühlfachverdampfers.

Die Bestimmung der Verdichterdrehzahl anhand des Gesamtmassenstroms erfolgt anhand der Suaggasdichte, einem Ansatz für den Liefergrad und dem verdichterspezifischen Hubvolumen.

Die aus den obigen Berechnungen bestimmten Verdampfungstemperaturen bzw. Drücke, die spezifischen Enthalpien und damit die Gasanteile an den entsprechenden Positionen des Kältemittelkreislaufs (sowie, falls parallele Wärmeübertrager wie hier 5 und 24 vorhanden sind, die Aufteilung des Massenstroms auf diese) sind Randbedingungen für ein Ventilmodell, mit dem die Modellrecheneinheit 31 die richtige Positionen der Expansionsventile berechnet

Wie oben erwähnt, kann die Möglichkeit vorgesehen sein, eine gewünschte Luftfeuchtigkeit im Fach 2 oder 23 an der Benutzerschnittstelle 20 vorzugeben.

Wenn ein Fach i (2,3,4 oder 23) gekühlt wird, ist sein Wärmeübertrager 5, 6, 7 oder 24 der kälteste Punkt. Der Dampfdruck des Wassers in der Luft des Fach, kann daher nur so hoch sein, wie dem der Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur des Wärmeübertragers entspricht. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem Lagerbereich des Fachs und dem Verdampfer ist, umso niedriger ist die relative Luftfeuchte im Lagerbereich. Um eine gegebene Solltemperatur in dem Fach einzustellen, kann der Lüfter des Fachs bei geringer Temperaturdifferenz schnell oder bei hoher Temperaturdifferenz langsam laufen; im einen Fall stellt sich eine hohe, im anderen eine niedrige Luftfeuchtigkeit ein. Um eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit in einem Fach zu erreichen, wählt die

Modellrecheneinheit 31 die Verdampfungstemperatur des dem Fach zugeordneten

Wärmeübertragers so, dass der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei dieser

Temperatur bei der Solltemperatur des Fachs die gewünschte relative Luftfeuchtigkeit ergibt, und regelt die Geschwindigkeit des Lüfters so, dass die Solltemperatur des Fachs erreicht wird.

Wenn die Abweichung zwischen Ist- und Solltemperatur des Fachs einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann diese Art der Regelung ausgesetzt werden, und der Lüfter kann so eingestellt werden, dass eine möglichst effiziente Kühlung des Fachs erzielt wird. In der Regel wird dies eine hohe Lüfterdrehzahl sein, aus akustischen Gründen kann diese Drehzahl jedoch niedriger als eine spezifizierte Maximaldrehzahl des Lüfters festgelegt werden.

BEZUGSZEICHEN

1 Gehäuse

2 Lagerfach

3 Lagerfach

4 Lagerfach

5 Wärmeübertrager

6 Wärmeübertrager

7 Wärmeübertrager

8 Innenbehälter

9 Trennwand

10 Wärmeübertragerkammer

11 Lüfter

12 Temperaturfühler

13 Steuerschaltung

14 Verdichter

15 Verflüssiger

16 Druckleitung

17 Expansionsventil

18 Expansionsventil

19 Saugleitung

20 Benutzerschnittstelle

21 Lüfter

22 interner Wärmeübertrager

23 Lagerfach

24 Wärmeübertrager

25 Expansionsventil

26 Expansionsventil

27 Anschlusspunkt

28 Anschlusspunkt

29 Differenzschaltung

30 PID-Regler

31 Modellrecheneinheit

32 Regelstrecke

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit mehreren Lagerfächern (2, 3, 4, 23), einem Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eines Verdichters (14) ein erstes Expansionsventil(17), ein erster Wärmeübertrager (5), ein zweites Expansionsventil (18) und ein zweiter Wärmeübertrager (6) in Reihe verbunden sind, und wobei jeder Wärmeübertrager (5, 6, 7, 24) wenigstens einem Lagerfach (2, 3, 4, 23) zugeordnet ist, um es zu temperieren, und einer Steuereinheit (13) zum Steuern der Drehzahl (n_Com r) des Verdichters (14) und von Positionen (pos_vaiVes) der Expansionsventile (17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) zu jedem Lagerfach (2, 3,

4.23) einen stetig linearen Regler (30) mit mindestens einem P-Anteil zum

Abschätzen eines Temperierleistungsbedarfs (Q_{0 i} ) anhand einer Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur (Ttargeu, T_Sensor,i) des Lagerfachs (2, 3, 4,23) sowie eine Modellrecheneinheit (31) umfasst, die eingerichtet ist, für wenigstens ein vom ersten Wärmeübertrager (5) temperiertes erstes und ein vom zweiten Wärmeübertrager (6) temperiertes zweites der Lagerfächer (2, 3) anhand ihres

Temperierleistungsbedarfs ( Q_{0 i} ) eine Soll-Verdampfungstemperatur (T_evap,i) festzulegen und durch Wählen der Drehzahl (n_Com_Pr) des Verdichters (14) und der Positionen (pos_vaiVes) der Expansionsventile (17, 18) die Wärmeübertrager (5, 6) des ersten und zweiten Lagerfachs (2, 3) bei den Soll-Verdampfungstemperaturen (Teva_P,i) zu betreiben.

2. Kältegerät nach Anspruch 1, bei dem die Soll-Verdampfungstemperatur (T_evap,i) eines Lagerfachs (2, 3, 4, 23) anhand einer Ist-Temperatur (T_Sensor,i) des

Lagerfachs, korrigiert um den Quotienten von Temperierleistungsbedarf ( Q_{0 i} ) und Wärmedurchgangskoeffizient (kA_evapi ) des zugeordneten Wärmeübertragers (5, 6,

7.24) berechnet wird.

3. Kältegerät nach Anspruch 2, bei dem dem Wärmeübertrager (5, 6, 7,24) ein Lüfter (12) zugeordnet ist und der Wärmedurchgangskoeffizient (kA) des Wärmeübertragers (5, 6, 7,24) eine Funktion eines Betriebsparameters (nf_an,i) des Lüfters (12) ist.

4. Kältegerät nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinheit eingerichtet ist, den Betriebsparameter (nf_an,i) des Lüfters (12) anhand einer Verdampfungstemperatur (T_evap ) und einer Soll-Luftfeuchtigkeit des Lagerfachs einzustellen.

5. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) eingerichtet ist, für jedes Lagerfach (2, 3, 4,23) einen

Massenstrom ( m_evap,i ) von Kältemittel zu berechnen, dessen Verdampfung den

Temperierleistungsbedarf des Lagerfachs (2, 3, 4, 23) deckt, die Massenströme

( m_evap,i ) zu einem Gesamtmassenstrom ( m_totai ) aufzusummieren und die Drehzahl

(n_Compr) des Verdichters (14) so zu wählen, dass der Gesamtmassenstrom ( m_totai ) von dem Verdichter (14) bereitgestellt wird.

6. Kältegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Wärmeübertrager (7) eines dritten Lagerfachs (4) dem zweiten Wärmeübertrager (6) ohne zwischengeschaltete Drosselstelle nachgeschaltet ist und die Steuereinheit (13) eingerichtet ist, bei der Berechnung des Massenstroms

( m_evap,frid_ge ) von im dritten Wärmeübertrager (7) zu verdampfendem Kältemittel die

Kühlleistung Q_{0 gas} von aus dem zweiten Wärmeübertrager (6) zufließendem Dampf zu berücksichtigen.

7. Kältegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) eingerichtet ist, einen Wärmedurchgangskoeffizienten des dritten

Wärmeübertragers (7) oder einen Wärmefluss ( Q_{0 fridge} ) über den dritten

Wärmeübertrager (7) abhängig von einem Mengenverhältnis zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel am Übergang zwischen zweitem und drittem Wärmeübertrager (6, 7) abzuschätzen.

8. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem internen

Wärmetauscher (22), wobei die Steuereinheit (13) eingerichtet ist, bei einer Berechnung der Verdampfungsenthalpie (Ä/7_e„_ap) des Kältemittels einen Beitrag (Ahinx) des Wärmetauschers iterativ zu berücksichtigen.

9. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf mehrere parallele Leitungsstränge umfasst, von denen einer das erste Expansionsventil (17), den ersten Wärmeübertrager (5) und das zweite Expansionsventil (18) und wenigstens ein anderer ein drittes Expansionsventil (25), einen vierten Wärmeübertrager (24) und ein viertes Expansionsventil (26) aufweist.