WO2016192989A1

WO2016192989A1 - Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: WO2016192989A1
Application number: PCT/EP2016/061075
Authority: WO
Inventors: Stefan Holzer; Nicole Schmidt
Original assignee: BSH Hausgeräte GmbH
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2016-12-08
Also published as: DE102015210112A1

Abstract

Ein Kältemittelkreislauf für ein Kältegerät hat einen Verdichter (7), einen Verdampfer (3, 3', 3"), eine vom Verdichter (7) zum Verdampfer (3, 3', 3") führende, eine Kapillare (11) umfassende Vorlaufleitung (9) und eine vom Verdampfer (3, 3', 3") zum Verdichter (7) führende Rücklaufleitung (6). Vorlaufleitung (9) und Rücklaufleitung (6) umfassen jeweils einen Wärmetauscherabschnitt (13, 14), die miteinander in thermischem Kontakt stehen, um einen Wärmetauscher (15) zu bilden. Der Wärmetauscherabschnitt (13) der Vorlaufleitung (9) ist ein stromaufwärtiger Abschnitt (13) der Kapillare (11). Ein stromabwärtiger Abschnitt (16) der Kapillare (11) folgt auf den stromaufwärtigen Abschnitt (13).

Description

Kältemittelkreislauf

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für ein Kältegerät, insbesondere für ein Haushaltskältegerät. Ein solcher Kältemittelkreislauf umfasst herkömmlicherweise einen Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, eine Vorlaufleitung, die Kältemittel unter hohem Druck vom Verdichter zum Verdampfer führt und in der Regel einen Verflüssiger umfasst, der Wärme des Kältemittels an die Umgebung abgibt, und eine Rücklaufleitung, die das Kältemittel unter niedrigem Druck vom Verdampfer zum Verdichter führt.

Vorlauf- und Rücklaufleitung weisen im Allgemeinen jeweils einen Wärmetauscherabschnitt auf, und die beiden Wärmetauscherabschnitte sind in engem thermischem Kontakt miteinander verlegt, um einen Wärmetauscher zu bilden, der das verdichtete Kältemittel auf dem Weg zum Verdampfer vorkühlt.

Bei den meisten herkömmlichen Kältegeräten befindet sich der Wärmetauscherabschnitt der Vorlaufleitung am stromabwärtigen Ende einer Kapillare, unmittelbar vor deren Eintritt in den Verdampfer. DE 100 55 915 A1 weist darauf hin, dass bei einer solchen Kapillare ein Teil des Kältemittels bereits in der Kapillare verdampfen kann. Diese partielle Verdampfung des Kältemittels führt zu einer adiabatischen Abkühlung des Kältemittels in der Kapillare. Diese beeinträchtigt die Wirkung des Wärmetauschers; es kann sogar der Fall auftreten, dass Wärme, anstatt vom dichten Kältemittel der Kapillare auf den Kältemitteldampf der Rücklaufleitung überzugehen, in entgegengesetzter Richtung fließt und der Wärmetauscher so die Effizienz des Kältemittelkreislaufs beeinträchtigt. Außerdem bewirkt die Verdampfung am Austritt der Kapillare eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels und eine ungleichmäßige Strömung. Dies wirkt sich negativ auf das Betriebsgeräusch des Kältegeräts aus.

Um diesem Problem abzuhelfen, wird in DE 100 55 915 A1 vorgeschlagen, als Wärmetauscherabschnitt der Vorlaufleitung ein Rohr zu verwenden, dessen Querschnitt deutlich größer ist als der der Kapillare, und die Kapillare an einem stromabwärtigen Ende dieses Rohrs anzuschließen. Es zeigt sich jedoch, dass die gewünschte Geräuschreduzierung mit diesem herkömmlichen Kältemittelkreislauf nicht im gewünschten Umfang erreicht wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Kältemittelkreislauf zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad mit geringer, für einen Benutzer leicht zu überhörender Geräuschemission kombiniert.

Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältemittelkreislauf für ein Kältegerät mit einem Verdichter, einem Verdampfer, einer vom Verdichter zum Verdampfer führenden, eine Kapillare umfassenden Vorlaufleitung und einer vom Verdampfer zum Verdichter führenden Rücklaufleitung Vorlauf- und Rücklaufleitung jeweils einen Wärmetauscherabschnitt umfassen, die miteinander in thermischem Kontakt stehen, um einen Wärmetauscher zu bilden, und der Wärmetauscherabschnitt der Vorlaufleitung ein stromaufwärtiger Abschnitt der Kapillare ist.

Es zeigt sich nämlich, dass, wenn die Kondensation des Kältemittels in einem Abschnitt der Vorlaufleitung mit großem Querschnitt stattfindet, das dort gebildete flüssige Kältemittel so lang mit hohem Durchsatz durch die Kapillare abfließt, bis kein flüssiges Kältemittel mehr im Kondensationsabschnitt vorhanden ist und nur noch Gas nachfließen kann. Da das Gas eine wesentlich geringere Dichte hat als das flüssige Kältemittel, nimmt der Massenstrom durch die Kapillare ab, und das Kältemittel staut sich im Kondensationsabschnitt. Dies ermöglicht zwar die Neubildung von Kondensat, gleichzeitig führt aber jeder abrupte Wechsel von Strömungsgeschwindigkeit und Massenstrom in der Kapillare zu einer Änderung der Geräuschemission am Ausgang der Kapillare, die auch bei geringer Lautstärke noch deutlich wahrnehmbar ist.

Auch beim erfindungsgemäßen Aufbau können sich flüssiges und gasförmiges Kältemittel am Eingang der Kapillare abwechseln. Da jedoch das Kältemittel auch während des Durchgangs durch die Kapillare im Wärmetauscherabschnitt weiter abkühlt, nimmt das Volumen des Kältemitteldampfes während des Durchgangs durch die Kapillare ab, und weiteres Kondensat kann sich bilden. Der stromabwärtige Abschnitt, der auf den Wärmetauscher folgt, gewährleistet, dass im Wärmetauscherabschnitt der Vorlaufleitung auf dessen gesamter Länge ein Druck herrscht, der hoch genug ist, um ein Wiederverdampfen des flüssigen Kältemittels zu verhindern. Daher sind die durch die verschiedenen Phasen bedingten Geschwindigkeitsschwankungen des Kältemittelstroms am Ausgang der Kapillare kleiner als am Eingang, so dass die Schwankung der Geräuschemission verringert ist, und Effizienzeinbußen aufgrund von vorzeitiger Verdampfung des Kältemittels sind weitgehend ausgeschlossen.

Um einen zum Verhindern der Wiederverdampfung ausreichenden Druck im stromaufwärtigen Abschnitt sicherzustellen, sollte die Länge des stromabwärtigen Abschnitts der Kapillare wenigstens ein Drittel der Länge des stromaufwärtigen Abschnitts betragen.

Länger als der stromaufwärtige Abschnitt braucht der stromabwärtige Abschnitt nicht zu sein; bevorzugt ist eine Länge des stromabwärtigen Abschnitts, die etwa der Hälfte der Länge des stromaufwärtigen Abschnitts entspricht.

In der Rücklaufleitung kann der Wärmetauscherabschnitt eng benachbart zum Auslass des Verdampfers sein, insbesondere sollte der Wärmetauscherabschnitt der Rücklaufleitung länger als der Übergangsabschnitt sein. Der stromabwärtige Abschnitt der Kapillare kann platzsparend aufgewickelt sein.

Um vorzeitige Verdampfung des Kältemittels auch im stromabwärtigen Abschnitt der Kapillare so weit wie möglich zu verhindern, sollte der stromabwärtige Abschnitt vor dem Zustrom von Umgebungswärme geschützt sein. Dazu kann er einer ersten Ausgestaltung zufolge in einer vom Verdampfer gekühlten Lagerkammer untergebracht sein.

Wenn der stromabwärtige Abschnitt einer zweiten Ausgestaltung zufolge in einer Isolationsmaterialschicht, typischerweise zwischen der Lagerkammer und der Umgebung, eingebettet ist, erübrigen sich weitere Maßnahmen zur seiner Befestigung, und Betriebsgeräusche, die auf Vibrationen des stromabwärtigen Abschnitts zurückzuführen sind, sind ausgeschlossen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch ein Kältegerät gemäß einer ersten

Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 2 einen zu Fig. 1 analogen Teilschnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der

Erfindung; und

Fig. 3 einen Teilschnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den hinteren Bereich eines Korpus 1 eines Haushaltskältegeräts. Der Einfachheit halber hat der hier gezeigte Korpus 1 nur eine Lagerkammer 2 und einen Verdampfer 3, der die Lagerkammer 2 kühlt, doch liegt für den Fachmann auf der Hand, dass auch mehrere Lagerkammern und Verdampfer vorgesehen sein könnten.

Der Verdampfer 3 ist hier als Rückwandverdampfer ausgebildet und zwischen einem Innenbehälter 4 und einer den Innenbehälter 4 umgebenden Isolationsmaterialschicht 5 des Korpus 1 eingebettet. Eine Rücklaufleitung 6 erstreckt sich von einem Ausgang des Verdampfers 3 großenteils innerhalb der Isolationsmaterialschicht 5 zu einem Verdichter 7, der in einer an der Rückseite des Korpus 1 ausgesparten Maschinenraum 8 untergebracht ist.

Eine Vorlaufleitung 9, die vom Verdichter 7 zurück zum Verdampfer 3 führt, umfasst einen Verflüssiger 10 und eine Kapillare n , die sich einstückig durchgehend und mit gleichbleibendem Querschnitt von einem Ausgang des Verflüssigers 10 bis zu einer Einspritzstelle 12 des Verdampfers 3 erstreckt.

Ein stromaufwärtiger Abschnitt 13 der Kapillare 1 1 verläuft in engem thermischem Kontakt mit einem Abschnitt 14 der Rücklaufleitung 6 und bildet so zusammen mit diesem einen Wärmetauscher 15. Zwischen dem stromaufwärtigen Abschnitt 13 und der Einspritzstelle 12 ist ein stromabwärtiger Abschnitt 16 der Kapillare n vorgesehen, dessen Länge etwa der Hälfte der Länge des stromaufwärtigen Abschnitts 13 entspricht. Ein Abschnitt 17 der Rücklaufleitung 6, der von einem Ausgang des Verdampfers 7 zum Wärmetauscher 14 führt, ist wesentlich kürzer als der stromabwartige Abschnitt 16 der Kapillare 1 1. Um den stromabwärtigen Abschnitt 16 im zwischen Wärmetauscher 14 und Verdampfer 7 verfügbaren Platz unterzubringen, ist er zu einer oder mehreren Schleifen geformt. Diese Schleifen sind in die Isolationsmaterialschicht 5 eingebettet und auf diese Weise fixiert.

Wenn das verdichtete Kältemittel vom Verflüssiger 10 kommend in die Kapillare 1 1 eintritt, liegt seine Temperatur bei der Umgebungstemperatur oder leicht darüber. Während das verdichtete, überwiegend flüssige Kältemittel gegensinnig zu dem aus dem Verdampfer 3 abgesaugten Kältemitteldampf im Abschnitt 14 durch den Wärmetauscher 15 zirkuliert, kühlt es weiter ab, und auch sein Druck nimmt ab, allerdings sorgt der stromabwärtige Abschnitt 16 dafür, dass am Ausgang des Wärmetauschers 15 der Druck in der Kapillare 1 1 noch hoch genug ist, um die Neubildung oder das Wachsen von Dampfblasen zu verhindern. Das verdichtete Kältemittel kann daher im Wärmetauscher 15 nirgends kälter werden als der Kältemitteldampf im Leitungsabschnitt 14, so dass eine unerwünschte Wärmeübertragung auf das verdichtete Kältemittel im stromaufwärtigen Kapillarenabschnitt 13 ausgeschlossen ist.

Im stromabwärtigen Abschnitt 16 der Kapillare 1 1 nimmt der Druck des Kältemittels bis zur Einspritzstelle 12 hin kontinuierlich ab, so dass es hier zur Verdampfung von Kältemittel kommen kann, wenn der Druck unter den Dampfdruck des Kältemittels bei der herrschenden Temperatur abfällt. Die Rate, mit der der Dampf entsteht, ist begrenzt durch den Wärmezustrom zum stromabwärtigen Abschnitt 16, und der ist durch die den Abschnitt 16 umgebende Isolationsmaterialschicht 5 eingeschränkt. Der Dampf, der sich dennoch bildet, benötigt Platz, und dieser kann nur geschaffen werden, indem flüssiges Kältemittel, das sich stromabwärts von dem Dampf befindet, verdrängt und dafür beschleunigt wird, was wiederum einen antreibenden Druck erfordert. Die Folge daraus ist, dass der Druck in der Kapillare 1 1 nicht über deren gesamte Länge hinweg linear abnimmt, sondern der stromabwärtige Abschnitt 16 einen im Verhältnis zu seiner Länge stärkeren Druckabfall aufweist als der stromaufwärtige Abschnitt 13. Dies trägt wiederum dazu bei, unerwünschte Dampfbildung im stromaufwärtigen Abschnitt 13 sicher zu verhindern. Fig. 2 zeigt eine Variante des Kältegeräts, bei der der Rückwandverdampfer 3 der Fig. 1 ersetzt ist durch einen plattenförmigen Verdampfer 3', der von der Rückwand des Korpus 1 durch einen Spalt 18 getrennt in der Lagerkammer 2 aufgehängt ist. Bei dieser Variante sind die Schleifen des stromabwärtigen Abschnitts 16 der Kapillare 1 1 in dem Spalt 18 untergebracht und somit vom Wärmezufluss aus der Umgebung durch die gesamte Dicke der Isolationsmaterialschicht 5 des Korpus 1 abgeschirmt.

Dennoch kann bei dieser Variante der Wärmezufluss zum stromabwärtigen Abschnitt 16 und damit die Rate der Dampfbildung darin höher sein als bei der Variante der Fig. 1 , vor allem, wenn der Verdichter 7 eine Zeitlang in Betrieb gewesen ist, der Verdampfer 3' kälter als die Luft im überwiegenden Teil der Lagerkammer 2 ist und sich im Spalt 17 durch Konvektion ein Luftstrom ausbildet. Die durch diese verstärkte Wärmezufuhr erhöhte Dampfbildungsrate im stromabwärtigen Abschnitt 16 beeinträchtigt jedoch nicht die Effizienz des Kältegeräts, da die Kühlwirkung aufgrund der Verdunstung im stromabwärtigen Abschnitt 16 unmittelbar der Lagerkammer 2 zugute kommt. Daher genügt auch hier eine Länge des stromabwärtigen Abschnitts 16 von etwa der Hälfte des stromaufwärtigen Abschnitts 13, um Dampfbildung im stromaufwärtigen Abschnitt 13 auszuschließen.

Ähnliches gilt bei einem Kältegerät mit einem Verdampfer 3" in NoFrost-Bauweise, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt. Der untere Teil des Korpus 1 ist in Fig. 3 weggelassen, da er sich nicht von dem in Fig. 1 und 2 gezeigten unterscheidet. Hier ist im Inneren des Korpus 1 von der Lagerkammer 2 durch eine Zwischenwand 19 eine Verdampferkammer 20 abgeteilt. Ein Ventilator 21 dient in fachüblicher Weise zum Antreiben eines Luftstroms, der an einer in der Figur nicht sichtbaren Öffnung an einem vorderen Rand der Zwischenwand 19 in die Verdampferkammer 20 eingesaugt wird, den Verdampfer 3" durchläuft und über einen sich an der Rückwand des Korpus 1 erstreckenden Kanal 22 wieder in die Lagerkammer 2 verteilt wird. Die Schleifen des stromabwärtigen Abschnitts 16 sind hier in unmittelbarer Nähe des Ventilators 21 angeordnet, so dass der in der Verdampferkammer 20 zirkulierende Luftstrom auch den stromabwärtigen Abschnitt 16 überstreicht.

Hier kann es zweckmäßig sein, nach Einschalten des Verdichters 7 den Ventilator 21 zunächst noch eine Zeitlang außer Betrieb zu lassen, um zunächst die Dampfbildung im stromabwärtigen Abschnitt 16 gering zu halten und den Verdampfer 3' schnell mit flüssigem Kältemittel zu füllen. Sobald eine ausreichende Füllung des Verdampfers 3" mit Kältemittel erreicht ist, kann durch Betrieb des Ventilators 21 die Dampfbildung im stromabwärtigen Abschnitt 16 gefördert werden, mit der Folge, dass der Massenstrom des Kältemittels durch die Kapillare 1 1 insgesamt abnimmt. Dies führt wiederum zu einem niedrigeren Druck und einer entsprechend niedrigeren Verdampfungstemperatur im Verdampfer 3". Infolge der relativ starken Verdampfung im stromabwärtigen Abschnitt 16 genügt hier eine geringere Länge des stromabwärtigen Abschnitts 16 als etwa im Fall der Fig.1 , um einen ausreichend hohen Druck im stromaufwärtigen Abschnitt 13 zu gewährleisten. Die kürzere Kapillare spart einerseits Kosten, zum anderen ermöglicht sie zu Beginn des Verdichterbetriebs einen hohen Massenstrom und eine entsprechend schnelle Abkühlung des Verdampfers 3".

BEZUGSZEICHEN

1 Korpus

2 Lagerkammer

3, 3\ 3" Verdampfer

4 Innenbehälter

5 Isolationsmaterialschicht

6 Rücklaufleitung

7 Verdichter

8 Maschinenraum

9 Vorlaufleitung

10 Verflüssiger

1 1 Kapillare

12 Einspritzstelle

13 stromaufwärtiger Abschnitt

14 Abschnitt der Rücklaufleitung

15 Wärmetauscher

16 stromabwärtiger Abschnitt

17 Abschnitt der Rücklaufleitung

18 Spalt

19 Zwischenwand

20 Verdampferkammer

21 Ventilator

22 Kanal

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Kältemittelkreislauf für ein Kältegerät, mit einem Verdichter (7), einem Verdampfer (3, 3', 3"), einer vom Verdichter (7) zum Verdampfer (3, 3', 3") führenden, eine Kapillare (1 1 ) umfassenden Vorlaufleitung (9) und einer vom Verdampfer (3, 3', 3") zum Verdichter (7) führenden Rücklaufleitung (6), wobei Vorlaufleitung (9) und Rücklaufleitung (6) jeweils einen Wärmetauscherabschnitt (13, 14) umfassen, die miteinander in thermischem Kontakt stehen, um einen Wärmetauscher (15) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (13) der Vorlaufleitung (9) ein stromaufwärtiger Abschnitt (13) der Kapillare (1 1 ) ist und ein stromabwärtiger Abschnitt (16) der Kapillare (1 1 ) auf den stromaufwärtigen Abschnitt (13) folgt.

Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des stromabwärtigen Abschnitts (16) der Kapillare (1 1 )wenigstens ein Drittel der Länge des stromaufwärtigen Abschnitts (13) beträgt.

Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des stromabwärtigen Abschnitts (16) höchstens genauso lang wie der stromaufwärtige Abschnitt (13) ist.

Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (14) der Rücklaufleitung (6) länger ist als ein Übergangsabschnitt (17) zwischen einem Auslass des Verdampfers (3, 3', 3") und dem Wärmetauscherabschnitt (14).

Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Abschnitt (16) der Kapillare (1 1 ) aufgewickelt ist.

6. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Abschnitt (16) in einer von dem Verdampfer (3', 3") gekühlten Lagerkammer (2) untergebracht ist. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwartige Abschnitt (16) in einer Isolationsmaterialschicht (5) eingebettet ist.