WO2002035162A1 - Verdampfer und kältegerät für ein zeotropes kältemittelgemisch - Google Patents

Verdampfer und kältegerät für ein zeotropes kältemittelgemisch Download PDF

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Friedrich Arnold
Joachim Kunz
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Definitions

  • the present invention relates to an evaporator for use in a refrigeration device and a refrigeration device which are suitable for operation with a zeotropic cold mixture.
  • a zeotropic mixture used as a refrigerant is e.g. a mixture of propane and isobutane.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a conventional evaporator 1 'for a refrigeration device with two refrigeration zones.
  • the evaporator 1 comprises two plate-like elements connected in series in a refrigerant circuit, an upstream element 2, into which refrigerant coming from a compressor (not shown) is fed via a pressure line 3, and a downstream element 4, into which the refrigerant enters, after it has run through meandering lines of the upstream element 2.
  • These two elements 2, 4 each form evaporator boards of a freezer compartment and a refrigerator compartment of a combined household refrigerator.
  • a refrigerant collecting container 5 is arranged in the refrigerant circuit in such a way that the escaping refrigerant flows through it.
  • the collecting container 5 serves to collect the refrigerant when the compressor is idle when the refrigeration device is operating intermittently. To do this, it must be located in the coldest area of the refrigerant circuit. This coldest area is the upstream element 2 or Freezer board. Therefore, the collecting container 5 is integrated in the upstream element 2.
  • Such a construction is not suitable for use with zeotropic mixtures. If the higher-boiling component of the mixture condenses in the collecting container 5, an undesirably high temperature is set in the region of the collecting container 5, which can be higher than the intended operating temperature of the freezer compartment.
  • the object of the invention is therefore to provide a refrigeration device with at least two refrigeration zones at different temperatures and a refrigerant evaporator for such a refrigeration device, which are suitable for operation with zeotropic refrigerant mixtures.
  • the object is achieved by an evaporator with the features of claim 1.
  • the refrigerant collecting container is in thermal contact with the downstream element. As a result, it does not reach temperatures as low as the collecting container of the evaporator from FIG. 1, and it is also not necessarily the coldest point of the refrigerant circuit already occur when only the boiling point of one of the two components of the mixture is below.
  • the refrigerant storage tank is preferably connected downstream of the evaporator element, i.e. Refrigerant that reaches the evaporator has previously absorbed heat from the two elements of the refrigerant circuit one behind the other.
  • Both elements are preferably formed in a common plate-like carrier. In order to avoid excessive heat transfer between the two elements, these are expediently thermally delimited from one another by a cutout formed in the carrier. As a result of the variability of the boiling point of the zeotropic mixture, relatively high temperature differences can occur between the expanded refrigerant at the inlet of the upstream element and the refrigerant at the outlet of the downstream element. In order to avoid undesired heating of the refrigerant at the inlet through the outlet, it is therefore provided according to one embodiment of the invention that the downstream element has an outlet connection for the refrigerant that is spaced apart from an inlet exclusion of the upstream element.
  • a necessary outlet refrigerant line extends from the downstream element to the outlet connection, preferably along an edge region of the upstream element, in order to keep the heat exchange of the outlet refrigerant line with freshly supplied refrigerant as low as possible.
  • the outlet refrigerant line can be thermally delimited from the main part of the upstream element by a cutout formed in the carrier.
  • the edge region which receives the outlet refrigerant line, is embedded in a thermally insulating body.
  • This body can in particular be an insulation layer of a wall of the refrigeration device.
  • FIG. 2 shows an analog view of a first evaporator according to the invention
  • 3 shows a view of a second evaporator according to the invention
  • FIG. 4 shows a partial section through a cold device equipped with the evaporator from FIG. 3 at the height of the line IV-IV from FIG. 3, and
  • FIG. 5 shows another variant of the evaporator from FIG. 3
  • the evaporator shown in FIG. 2 is constructed on a support in a roll-bond or Z-bond technique known per se.
  • Two elements 2, 4 of the evaporator are thermally delimited from one another by an incision 7.
  • Refrigerant supplied by a compressor through a pressure line 3 flows through an inlet throttle 8 or another expansion device, first of all meandering pipelines 9 of the upstream element 2 and then of the downstream element 4.
  • a refrigerant collection container 5 is arranged integrated in the downstream element 4, one at the outlet connection 10 connected suction pipe 18 is led to the pressure line 3 and runs concentrically over a distance around the pressure line 3 to form a heat exchanger
  • the two elements 2, 4 form evaporator plates of a freezer zone or a cooling zone of a cold appliance.
  • the downstream element 4 is therefore warmer on average than the upstream element 2.
  • Recondensation in the refrigerant collector holder 5 is nevertheless possible, since the higher-boiling component of the refrigerant primarily collects there
  • this first embodiment is favorable from a thermal point of view, because no heat exchange between the refrigerant which has expanded and cooled after passing through the inlet throttle 8 and the refrigerant returning to the compressor is possible, this makes the installation of the evaporator in a cold device relatively complex from the point of view of simple assembly is therefore preferred an embodiment described below with reference to FIG. 3.
  • This embodiment differs from that described with reference to FIG. 2 on the one hand in that the inlet and outlet lines for the refrigerant are jointly provided at one point of the upstream element 2 order refrigerant from the downstream element 4 or To lead refrigerant collection container 5 to the drain connection, an outlet refrigerant line, designated 11, is laid along the edge of the upstream element 2 at a distance from the pipe 9 thereof.
  • the incision 7 is extended by a slot 12 extending parallel to the outlet refrigerant line .
  • the slot 12 thus delimits a narrow web on which a supply refrigerant line and the outlet refrigerant line 11 for the downstream element 4 are guided in parallel.
  • FIG. 4 shows a partial section through a refrigeration device equipped with the evaporator from FIG. 3 at the level of line IV-IV from FIG. 3.
  • the partial section shows a rear wall 14 of the refrigeration device against which the evaporator rests, and sections of adjoining side walls , A slot 16 is formed on a side wall 15, into which the edge region of the upstream element 2, in which the outlet refrigerant line 11 runs, is embedded.
  • the outlet refrigerant line 11 is largely enclosed by the insulation material of the walls 14, 15 of the refrigeration device, so that undesired heating of the freezer zone by the outlet refrigerant line 11 is avoided.
  • FIG. 5 shows another variant of the evaporator from FIG. 3.
  • the slot 12 is replaced by an elongated cutout 17 which extends over essentially the entire length of the upstream element 2 and the outlet refrigerant line 11 from the pipeline 9 of the main part of the upstream element 2 and from the supply refrigerant line separates.
  • a heat-conducting transition between this main part and the outlet refrigerant line 11 is thus practically avoided over its entire length.
  • This variant is also suitable for the attachment shown in FIG. 4.

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Abstract

Ein Verdampfer (1) für ein zeotropes Kältemittelgemisch, zur Anwendung in einem Kältegerät mit wenigstens zwei auf verschiedenen Temperaturen gehaltenen Kältezonen, weist zwei in einem Kältemittelkreislauf hintereinanderliegende Elemente (2, 4), ein vorgeschaltetes (2) und ein nachgeschaltetes (4), und einen Kältemittel-Sammelbehälter (5) auf. Der Kältemittel-Sammelbehälter (5) ist in thermischem Kontakt mit dem nachgeschalteten Element (4).

Description

Verdampfer und Kältegerät für ein zeotropes Kältemittelgemisch
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer zum Einsatz in einem Kältegerät sowie ein Kältegerät, die für den Betrieb mit einem zeotropen Kältegemisch geeignet sind.
Gemische werden als zeotrop bezeichnet, wenn sich ihre Siedetemperatur im Laufe eines Verdampfungsvorgangs in Abhängigkeit von den sich ändernden Anteilsverhältnissen der verschiedenen Komponenten im Gemisch ändert. Ein zeotropes Gemisch, das als Kältemittel eingesetzt wird, ist z.B. ein Gemisch aus Propan und Isobutan.
Ein solches Gemisch ist bereits in einem Eintemperatur-Kältegerät eingesetzt worden.
Bei der Verwendung zeotroper Gemische in Kältegeräten mit wenigstens zwei auf verschiedenen Temperaturen gehaltenen Kältezonen ergeben sich Probleme mit der Struktur der in einem solchen Kältegerät einsetzbaren Verdampfer.
Um diese Probleme deutlich zu machen, zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Verdampfers 1 ' für ein Kältegerät mit zwei Kältezonen. Der Verdampfer 1 ' umfasst zwei in einem Kältemittelkreislauf in Reihe geschaltete plattenartige Elemente, ein vorgeschaltetes Element 2, in das über eine Druckleitung 3 von einem (nicht gezeigten) Kompressor kommendes Kältemittel eingespeist wird, und ein nachgeschaltetes Element 4, in den das Kältemittel eintritt, nachdem es mäanderartig verlaufende Leitungen des vorgeschalteten Elements 2 durchlaufen hat. Diese zwei Elemente 2, 4 bilden jeweils Verdampferplatinen eines Gefrierfachs und eines Kühlfachs eines kombinierten Haushalts-Kältegerätes.
Ein Kältemittelsammelbehälter 5 ist im Kältemittelkreislauf so angeordnet, dass er on aus dem austretenden Kältemittel durchströmt wird. Der Sammelbehälter 5 dient dazu, bei intermittierendem Betrieb des Kältegeräts das Kältemittel in der Stillstandszeit des Kompressors zu sammeln. Dazu muss er im kältesten Bereich des Kältemittelkreislaufs angeordnet sein. Dieser kälteste Bereich ist das vorgeschaltete Element 2 bzw. die Gefrierfachplatine. Deshalb ist der Sammelbehälter 5 in das vorgeschaltete Element 2 integriert.
Eine solche Konstruktion eignet sich nicht für den Einsatz mit zeotropen Gemischen. Wenn nämlich die höher siedende Komponente des Gemischs in dem Sammelbehälter 5 kondensiert, so stellt sich im Bereich des Sammelbehälters 5 eine unerwünscht hohe Temperatur ein, die höher liegen kann als die vorgesehene Betriebstemperatur des Gefrierfaches.
Dies macht den Verdampfer ungeeignet für den Einsatz mit zeotropen Kältemittelgemischen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Kältegerät mit wenigstens zwei Kältezonen auf verschiedenen Temperaturen und einen Kältemittelverdampfer für ein solches Kältegerät anzugeben, die für den Betrieb mit zeotropen Kältemittelgemischen geeignet sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verdampfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verdampfer steht der Kältemittel-Sammelbehälter in thermischem Kontakt mit dem nachgeschalteten Element. Er erreicht dadurch nicht so tiefe Temperaturen wie der Sammelbehälter des Verdampfers aus Fig. 1 , und er ist auch nicht notwendigerweise der kälteste Punkt des Kältemittelkreislaufs, Dies ist jedoch in Folge der Zeotropie des Gemischs unschädlich: Eine Kondensation kann im Kältemittel-Sammelbehälter des erfindungsgemäßen Verdampfers bereits auftreten, wenn lediglich die Siedetemperatur einer der zwei Komponenten des Gemisches unterschritten ist.
Der Kältemittel-Sammelbehälter ist vorzugsweise dem nachgeschalteten Element des Verdampfers nachgeschaltet, d.h. Kältemittel, das den Verdampfer erreicht, hat zuvor bereits an den zwei hintereinander liegenden Elementen des Kältemittelkreislaufs Wärme aufgenommen.
Vorzugsweise sind beide Elemente in einem gemeinsamen plattenartigen Träger ausgebildet. Um eine zu große Wärmeübertragung zwischen den zwei Elementen zu vermeiden, sind diese zweckmäßigerweise durch einen in dem Träger gebildeten Ausschnitt thermisch gegeneinander abgegrenzt. In Folge der Variabilität des Siedepunkts des zeotropen Gemischs können relativ hohe Temperaturdifferenzen zwischen dem entspannten Kältemittel am Einlass des vorgeschalteten Elements und dem Kältemittel am Auslass des nachgeschalteten Elements auftreten. Um eine unerwünschte Erwärmung des Kältemittels am Einlass durch den Auslass zu vermeiden, ist daher nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das nachgeschaltete Element einen von einem Einlassausschluss des vorgeschalteten Elements beabstandeten Auslassanschluss für das Kältemittel aufweist.
Bei einer zweiten Ausgestaltung ist wie bei dem Verdampfer der Fig. 1 vorgesehen, dass Einlass- und Auslassanschluss für das Kältemittel gemeinsam an dem vorgeschalteten Element angeordnet sind. In diesem Fall erstreckt sich eine notwendige Auslass- Kältemittelleitung vom nachgeschalteten Element zum Auslassanschluss vorzugsweise entlang eines Randbereichs des vorgeschalteten Elements, um den Wärmeaustausch der Auslass-Kältemittelleitung mit frisch zugeführtem Kältemittel möglichst gering zu halten.
Zum gleichen Zweck kann die Auslass-Kältemittelleitung gegen den Hauptteil des vorgeschalteten Elements durch einen in den Träger gebildeten Ausschnitt thermisch abgegrenzt sein.
Des weiteren kann vorgesehen werden, dass der Randbereich, der die Auslass- Kältemittelleitung aufnimmt, in einen thermisch isolierenden Körper eingebettet ist. Bei diesem Körper kann es sich insbesondere um eine Isolationsschicht einer Wand des Kältegeräts handeln.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 , bereits behandelt, eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Verdampfers für ein Kältegerät mit zwei Kältezonen;
Fig. 2 eine analoge Ansicht eines ersten erfindungsgemäßen Verdampfers; Fig 3 eine Ansicht eines zweiten erfindungsgemaßen Verdampfers,
Fig 4 einen Teilschnitt durch ein mit dem Verdampfer aus Fig 3 ausgestattetes Kaltegerat in Hohe der Linie IV-IV aus Fig 3, und
Fig 5 noch eine Variante des Verdampfers aus Fig 3
Der in Fig 2 gezeigte Verdampfer ist auf einem Trager in an sich bekannter Rollbondoder Z-Bond-Technik aufgebaut Zwei Elemente 2, 4 des Verdampfers sind durch einen Einschnitt 7 thermisch gegeneinander abgegrenzt Über eine Druckleitung 3 von einem Kompressor zugefuhrtes Kältemittel durchströmt über eine Einlassdrossel 8 oder eine andere Entspannungseinrichtung zunächst maanderartig angeordnete Rohrleitungen 9 des vorgeschalteten Elements 2 und anschließend des nachgeschalteten Elements 4 Im Anschluss an die Rohrleitung 9 und vor einem Auslassanschluss 10 des nachgeschalteten Elements 4 ist ein Kaltemittelsammelbehalter 5 in das nachgeschaltete Element 4 integriert angeordnet Ein an den Auslassanschluss 10 angeschlossenes Saugrohr 18 ist zur Druckleitung 3 gefuhrt und verlauft über eine Wegstrecke konzentrisch um die Druckleitung 3, um einen Wärmetauscher zu bilden
Die zwei Elemente 2, 4 bilden Verdampferplatinen einer Gefrierzone bzw einer Kuhlzone eines Kaltegerats Das nachgeschaltete Element 4 ist daher im Mittel warmer als das vorgeschalteten Element 2 Dennoch ist eine Rekondensation im Kaltemittelsammelhalter 5 möglich, indem sich dort vorrangig die hoher siedende Komponente des Kältemittels sammelt
Diese erste Ausgestaltung ist zwar unter thermischen Gesichtspunkten gunstig, weil kein Wärmeaustausch zwischen dem nach Durchgang durch die Einlassdrossel 8 entspannten und abgekühlten Kältemittel und dem zum Kompressor zurücklaufenden Kältemittel möglich ist, dies macht jedoch die Montage des Verdampfers in einem Kaltegerat relativ aufwendig Unter dem Gesichtspunkt der einfachen Montage ist daher eine nachfolgend mit Bezug auf Fig 3 beschriebene Ausgestaltung bevorzugt Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der mit Bezug auf Fig 2 beschriebenen zum einen dadurch, dass Zu- und Auslassleitung für das Kältemittel gemeinsam an einer Stelle des vorgeschalteten Elements 2 vorgesehen sind Um Kältemittel vom nachgeschalteten Element 4 bzw dem Kältemittelsammelbehälter 5 zum Abflussanschluss zu führen, ist eine mit 11 bezeichnete Auslass-Kältemittelleitung entlang des Randes des vorgeschalteten Elements 2 in einem Abstand von dessen Rohrleitung 9 verlegt. Um den Wärmeaustausch zwischen der Auslass-Kältemittelleitung 1 1 und dem Hauptbereich des vorgeschalteten Elements 2, in dem sich die Rohrleitung 9 erstreckt, gering zu halten, ist bei dieser Ausgestaltung der Einschnitt 7 durch einen sich parallel zu der Auslass-Kältemittelleitung erstreckenden Schlitz 12 verlängert. Der Schlitz 12 begrenzt so einen schmalen Steg, auf dem eine Zufuhr-Kältemittelleitung und die Auslass-Kältemittelleitung 11 für das nachgeschaltete Element 4 parallel geführt sind.
Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt durch ein mit dem Verdampfer aus Fig. 3 ausgestattetes Kältegerät in Höhe der Linie IV-IV aus Fig. 3. Der Teilschnitt zeigt eine Rückwand 14 des Kältegeräts, an der der Verdampfer anliegt, sowie Abschnitte von daran anschließenden Seitenwänden. An einer Seitenwand 15 ist ein Schlitz 16 ausgebildet, in den der Randbereich des vorgeschalteten Elements 2, in dem die Auslass-Kältemittelleitung 11 verläuft, eingelassen ist. Die Auslass-Kältemittelleitung 11 ist so weitgehend durch das Isolationsmaterial der Wände 14, 15 des Kältegeräts umschlossen, so dass eine ungewollte Erwärmung der Gefrierzone durch die Auslass-Kältemittelleitung 11 vermieden wird.
Fig. 5 zeigt noch eine Variante des Verdampfers aus Fig. 3. Bei dieser Variante ist der Schlitz 12 durch einen langgezogenen Ausschnitt 17 ersetzt, der sich über im wesentlichen die gesamte Länge des vorgeschalteten Elements 2 erstreckt und die Auslass-Kältemittelleitung 11 von der Rohrleitung 9 des Hauptteils des vorgeschalteten Elements 2 sowie von der Zufuhr-Kältemittelleitung trennt. Bei dieser Ausgestaltung ist somit ein wärmeleitender Übergang zwischen diesem Hauptteil und der Auslass- Kältemittelleitung 11 auf praktisch deren gesamter Länge vermieden. Auch diese Variante eignet sich zu der in Fig. 4 gezeigten Anbringung.

Claims

Patentansprüche
1. Kältemittelverdampfer (1) für ein Kältegerät mit wenigstens zwei auf verschiedenen Temperaturen gehaltenen Kältezonen, wobei der Verdampfer zwei in einem Kältemittelkreislauf hintereinanderliegende Elemente (2, 4), ein vorgeschaltetes (2) und ein nachgeschaltetes (4), zur Anbringung in jeweils einer der Kältezonen, und einen Kältemittel-Sammelbehälter (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Sammelbehälter in thermischem Kontakt mit dem nachgeschalteten Element (4) ist.
2. Verdampfer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel- Sammelbehälter (5) dem nachgeschalteten Element (4) nachgeschaltet ist.
3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elemente (2, 4) in einem plattenartigen Träger ausgebildet und durch einen in dem Träger gebildeten Ausschnitt (7) gegeneinander thermisch abgegrenzt sind.
4. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgeschaltete Element (4) einen Auslassanschluss (10) für das Kältemittel aufweist.
5. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Einlass- und Auslassanschluss für das Kältemittel gemeinsam an dem vorgeschalteten Element (2) angeordnet sind, und dass sich eine Auslass- Kältemittelleitung (4) vom nachgeschalteten Element (4) zum Auslassanschluß sich entlang eines Randbereichs des vorgeschalteten Elements (2) erstreckt.
6. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslass- Kältemittelleitung (11) gegen den Hauptteil des vorgeschalteten Elements (2) durch einen in dem Träger gebildeten Ausschnitt (12, 17) thermisch abgegrenzt ist.
7. Verdampfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich in einen thermisch isolierenden Körper eingebettet ist.
8. Kältegerät mit einem Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Körper eine Isolationsschicht einer Wand (14, 15) des Kältegeräts ist.
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