DE102016202565A1

DE102016202565A1 - Kältegerät mit mehreren Lagerkammern

Info

Publication number: DE102016202565A1
Application number: DE102016202565.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Babucke; Niels Liengaard
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-24
Also published as: CN108700349B; US11092376B2; WO2017140488A1; EP3417213B1; CN108700349A; US20190032986A1; EP3417213A1

Abstract

Ein Kältegerät umfasst wenigstens eine erste Lagerkammer (17), eine zweite Lagerkammer (18) und einen Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss (2) und einem Sauganschluss (3) eine erste steuerbare Drosselstelle (9), ein erster Wärmetauscher (10) zum Temperieren der ersten Lagerkammer (17), eine zweite steuerbare Drosselstelle (11) und ein zweiter Wärmetauscher (16) zum Kühlen der zweiten Lagerkammer (18) in Reihe verbunden sind. Wenigstens ein stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher (16) gelegener warmer Leitungsabschnitt (22, 26, 30) und ein stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher (16) gelegener kalter Leitungsabschnitt (21, 25) sind in thermischem Kontakt zueinander geführt, um einen inneren Wärmetauscher (23, 24, 29) zu bilden, und der erste Wärmetauscher (10) ist unter Umgehung des warmen Leitungsabschnitts (22, 26, 30) mit dem Druckanschluss (2) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit mehreren Lagerkammern, die bei unterschiedlichen Temperaturen betreibbar sind.
Aus DE 10 2013 226 341 A1 ist ein Kältegerät mit mehreren Lagerkammern bekannt, bei denen in einem Kältemittelkreislauf eine erste Drosselstelle, ein erster Wärmetauscher zum Temperieren der ersten Lagerkammer, eine zweite Drosselstelle und ein zweiter Wärmetauscher zum Kühlen der zweiten Lagerkammer in Reihe verbunden sind. Der Druckabfall an der zweiten Drosselstelle bewirkt einen Druckunterschied zwischen den beiden Wärmetauschern, so dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher tiefer liegt als im ersten und somit in der zweiten Lagerkammer eine tiefere Betriebstemperatur eingestellt werden kann als in der ersten. Der erste Wärmetauscher kann je nach Einstellung der ersten Drosselstelle als Verdampfer oder als Verflüssiger arbeiten. Wenn er als Verflüssiger betrieben wird, kann die Betriebstemperatur der ersten Lagerkammer Werte bei Zimmertemperatur oder sogar leicht darüber annehmen.
Es ist an sich bekannt, in einem Kältegerät zur Wirkungsgradverbesserung einen inneren Wärmetauscher vorzusehen, in dem ein Hochdruck-Leitungsabschnitt, in dem durch Verdichten erwärmtes Kältemittel zirkuliert, und ein Niederdruck-Leitungsabschnitt, in dem Kältemittel von einem Verdampfer zu einem Verdichter strömt, in thermischem Kontakt stehen. Ein solcher innerer Wärmetauscher ist jedoch nutzlos, wenn in einem Kältegerät mit mehreren Lagerkammern wie oben beschrieben eine erste Lagerkammer bei hoher Temperatur betrieben werden soll und dafür ein im Kältemittelkreislauf stromabwärts vom Hochdruck-Leitungsabschnitt des inneren Wärmetauschers liegender Verdampfer der Lagerkammer als Verflüssiger betrieben wird. Eine Kühlung der zweiten Lagerkammer ist dann nur mit eingeschränkter Energieeffizienz möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät mit mehreren Lagerkammern zu schaffen, das einen energieeffizienten Betrieb auch dann ermöglicht, wenn für eine erste Lagerkammer eine hohe und für eine zweite Lagerkammer eine niedrige Betriebstemperatur gewählt ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Lagerkammer und einem Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss und einem Sauganschluss eine erste steuerbare Drosselstelle, ein erster Wärmetauscher zum Temperieren der ersten Lagerkammer, eine zweite steuerbare Drosselstelle und ein zweiter Wärmetauscher zum Kühlen der zweiten Lagerkammer in Reihe verbunden sind, wenigstens ein stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher gelegener warmer Leitungsabschnitt und ein stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher gelegener kalter Leitungsabschnitt in thermischem Kontakt zueinander geführt sind, um einen inneren Wärmetauscher zu bilden, und der erste Wärmetauscher unter Umgehung des warmen Leitungsabschnitts mit dem Druckanschluss verbunden ist. So ist für die zweite Lagerkammer ein energieeffizienter Kühlbetrieb gewährleistet; andererseits wird es vermieden, dem Kältemittel bereits vor Erreichen des ersten Wärmetauschers durch den inneren Wärmetauscher Wärme zu entziehen, die zum Erwärmen der ersten Lagerkammer gebraucht werden könnte.
Im einfachsten Fall ist der warme Leitungsabschnitt des inneren Wärmetauschers zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher gelegen.
Stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher kann ein Nebenschluss-Leitungszweig vorgesehen sein, der eine dritte steuerbare Drosselstelle und einen dritten Wärmetauscher enthält.
In diesem Fall kann der warme Leitungsabschnitt auch im Nebenschluss-Leitungszweig gelegen sein.
Vorzugsweise befindet er sich dort stromaufwärts vom dritten Wärmetauscher, um dort einen energieeffizienten Kühlbetrieb zu ermöglichen.
Er kann aber auch im Nebenschluss-Leitungszweig stromabwärts vom dritten Wärmetauscher und stromaufwärts von einer vierten steuerbaren Drosselstelle gelegen sein.
Vorzugsweise sind zwei innere Wärmetauscher vorhanden. Diese können auf die zwei Zweige des Kältemittelkreislaufs verteilt sein, wenn einer in dem Nebenschluss-Leitungszweig und der andere in dem Leitungszweig zwischen einem Auslass des ersten Wärmetauschers und einem Einlass des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist, kann das Kältemittel den zweiten Wärmetauscher, egal auf welchem Wege, nur nach Vorkühlen in einem der inneren Wärmetauscher erreichen.
Bevorzugt ist eine Anordnung, bei der der warme Leitungsabschnitt des zweiten inneren Wärmetauschers zwischen einem Auslass des dritten Wärmetauschers und einem Einlass des zweiten Wärmetauschers gelegen ist. So kann aus dem zweiten Wärmetauscher abgesaugter Kältemitteldampf zunächst in dem zweiten inneren Wärmetauscher aufgewärmt werden, bevor er den ersten inneren Wärmetauscher erreicht. Die Abkühlung, die das verdichtete Kältemittel in dem ersten inneren Wärmetauscher erreicht, ist daher geringer als wenn der zweite innere Wärmetauscher nicht vorhanden oder hinter den ersten Wärmetauscher geschaltet wäre; dadurch kann verhindert werden, dass bei lang andauerndem Kältebedarf der zweiten Lagerkammer eine von dem dritten Wärmetauscher gekühlte Lagerkammer stärker als gewünscht auskühlt.
Als steuerbare Drosselstelle kann ein Expansionsventil vorgesehen sein.
Alternativ kann eine steuerbare Drosselstelle durch wenigstens zwei parallele Leitungszweige und ein Ventil zum Steuern der Verteilung des Kältemittels auf die Leitungszweige gebildet sein.
In letzterem Falle kann einer der parallelen Leitungszweige eine Kapillare umfassen.
Es kann auch einer der parallelen Durchlässe einen warmen Leitungsabschnitt eines weiteren inneren Wärmetauschers bilden. Wenn insbesondere die erste steuerbare Drosselstelle so aufgebaut ist, besteht die Möglichkeit, den ersten Wärmetauscher wahlweise mit nicht vorgekühltem, unter Umgehung jedes inneren Wärmetauschers zugeführtem Kältemittel zu beaufschlagen, um die erste Lagerkammer zu beheizen, oder sie zum Kühlen der ersten Lagerkammer über diesen weiteren inneren Wärmetauscher zu versorgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältegeräts;
2 eine Darstellung eines Kältemittelkreislaufs gemäß einer zweiten Ausgestaltung; und
3 ein Detail eines Kältemittelkreislaufs gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
Der in 1 gezeigte Kältemittelkreislauf umfasst einen 1 mit einem Druckanschluss 2 und einem Sauganschluss 3. Eine von dem Druckanschluss 2 ausgehende Kältemittelleitung 4 verläuft in Zirkulationsrichtung des Kältemittels über einen Verflüssiger 5 zu einer Verzweigung 6 und teilt sich dort in zwei Zweige 7, 8.
Der Zweig 7 erstreckt sich über eine erste steuerbare Drosselstelle 9, z.B. ein Expansionsventil, einen Wärmetauscher 10 und eine zweite steuerbare Drosselstelle 11 zu einem Zusammenfluss 12. Am Zweig 8 sind eine dritte steuerbare Drosselstelle 13, ein Wärmetauscher 14 und eine vierte steuerbare Drosselstelle 15 in Reihe verbunden; am Zusammenfluss 12 treffen die Zweige 7, 8 wieder zusammen. Von dort verläuft die Kältemittelleitung 4 über einen Wärmetauscher 16 zum Sauganschluss 3 des Verdichters 1.
Die Wärmetauscher 10, 16, 14 sind jeweils zusammen mit einer ersten Lagerkammer 17, einer zweiten Lagerkammer 18 bzw. einer dritten Lagerkammer 19 des Kältegeräts von einer gemeinsamen isolierenden Hülle 20 umgeben.
Ein stromabwärts vom Wärmetauscher 16 gelegener Abschnitt 21 der Kältemittelleitung 4 und ein Abschnitt 22, der den Wärmetauscher 10 mit der zweiten steuerbaren Drosselstelle 11 verbindet, bilden einen inneren Wärmetauscher 23. In dem inneren Wärmetauscher 23 können die Abschnitte 21, 22 aneinander oberflächlich verlötet sein, oder der warme Abschnitt 22 kann um den Abschnitt 21 herumgewickelt sein oder sich im Innern des kalten Abschnitts 21 erstrecken, um Wärme an den im kalten Abschnitt 21 fließenden Kältemitteldampf abzugeben.
Ein weiterer innerer Wärmetauscher 24 umfasst einen stromaufwärts von der dritten steuerbaren Drosselstelle 13 gelegenen, zum Zweig 8 gehörigen warmen Abschnitt 25 und einen stromabwärts vom Verdampfer 16 in der Kältemittelleitung 4 gelegenen kalten Abschnitt 26. In der Darstellung der 1 liegt der Abschnitt 26 stromabwärts vom Abschnitt 21 des inneren Wärmetauschers 23; er könnte aber auch stromaufwärts von diesem liegen oder mit ihm überlappen.
Eine elektronische Steuereinheit 27 ist mit Temperatursensoren 28 in den drei Lagerkammern 17, 18, 19 verbunden und steuert die Drehzahl des Verdichter 1 sowie die Druckabfälle an den steuerbaren Drosselstellen 9, 11, 13, 15 anhand eines Vergleichs der in den Lagerkammern 17, 18, 19 herrschenden Temperaturen mit vom Benutzer eingestellten Sollwerten.
Für die über den Zweig 7 temperierte Lagerkammer 17 kann der einstellbare Sollwert über der Umgebungstemperatur liegen; dann ist der Druckabfall an der Drosselstelle 9 minimal, der Wärmetauscher 10 arbeitet als Verflüssiger. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher 10 und vor Erreichen der steuerbaren Drosselstelle 11 wird das Kältemittel im inneren Wärmetauscher 23 vorgekühlt, bevor es den Wärmetauscher 16 der Lagerkammer 18 erreicht. Da der Druck im Wärmetauscher 16 zwangsläufig niedriger als in den Wärmetauschern 10 und 14 ist, arbeitet der Wärmetauscher 16 immer als Verdampfer, und die Temperatur der Lagerkammer 18 ist tiefer als die der Lagerkammern 17, 19.
Natürlich kann als Sollwert für die Lagerkammer 17 auch eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden; dann setzt die Steuereinheit 27 den Druckabfall in der Drosselstellen 9 auf einen nichtverschwindenden Wert. Je höher dieser ist, und je niedriger folglich die Temperatur der Lagerkammer 17, umso niedriger ist auch die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Wärmetauschers 10, und umso geringer ist auch der Wärmeaustausch im inneren Wärmetauscher 23.
Auf dem Zweig 8 ist der Abschnitt 25 des inneren Wärmetauschers 24 der steuerbaren Drosselstelle 13 und dem Wärmetauscher 14 vorgelagert, so dass das durch diesen Abschnitt 25 zirkulierende Kältemittel vor Erreichen des Wärmetauschers 14 Wärme abgibt. Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur sind daher in der Lagerkammer 19 nur schwerlich zu erreichen, was aber auch nicht notwendig ist, da für Lagerung bei erhöhter Temperatur die Lagerkammer 17 zur Verfügung steht. Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur sind hingegen in der Lagerkammer 19 mit besserem Wirkungsgrad zu erreichen als in der Lagerkammer 17.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältegeräts. Eine Steuereinheit und Temperatursensoren in den Lagerkammern 17, 18, 19 sind hier in gleicher Weise vorhanden wie in der ersten Ausgestaltung, sind der Übersichtlichkeit halber aber in der Fig. nicht dargestellt. Auch die übrigen Komponenten entsprechen weitgehend denen der 1; ein Unterschied liegt in der Anordnung der inneren Wärmetauscher. Der innere Wärmetauscher 24 aus 1 ist auch in 2 identisch vorhanden, doch der innere Wärmetauscher 21 ist ersetzt durch einen inneren Wärmetauscher 30, in dem ein Abschnitt 31 des Zweiges 8, der zwischen dem Auslass des Wärmetauschers 14 und der steuerbaren Drosselstelle 15 liegt, mit dem Abschnitt 21 in thermischem Kontakt steht. Der Zweig 7 weist also gar keinen inneren Wärmetauscher auf, der Zweig 8 stattdessen zwei. Überraschenderweise erweist sich dieser Aufbau in der Praxis als besonders effizient. Der Grund ist, dass der Kältemitteldurchsatz auf dem Zweig 8 normalerweise deutlich größer ist als auf dem Zweig 7; auch wenn lange Laufzeiten des Verdichters 1 bis hin zu unterbrechungsfreiem Betrieb erforderlich sind, um die Lagerkammer 18 auf ihrer Solltemperatur zu halten oder der Verdichter 1 gar drehzahlgeregelt betrieben wird, bewirkt die Tatsache, dass der Kältemitteldampf, mit dem das verdichtete Kältemittel im inneren Wärmetauscher 24 in thermischen Kontakt gebracht wird, bereits im inneren Wärmetauscher 29 vorgewärmt worden ist, eine Unterkühlung der Lagerkammer 19.
3 zeigt einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs gemäß einer Abwandlung, die sowohl bei der Anordnung der inneren Wärmetauscher gemäß 1 als auch gemäß 2 anwendbar ist. Die steuerbare Drosselstelle 9 ist hier nicht als Expansionsventil ausgeführt, sondern sie umfasst eine Parallelschaltung von zwei Leitungszweigen 31, 32, von denen der eine, 31, eine Kapillare 33 und der andere, 32, ein Absperrventil 34 umfasst. Wenn das Absperrventil 34 offen ist, fließt praktisch das gesamte auf dem Zweig 7 zirkulierende Kältemittel durch das Absperrventil 34, und der Einfluss der Kapillare 33 auf die Drücke und Flüsse im Kältemittelkreis ist vernachlässigbar. Der Druck im Wärmetauscher 10 ist dann praktisch identisch mit dem im Verflüssiger 5, und die Lagerkammer 17 kann wie oben beschrieben oberhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden.
Ist hingegen das Absperrventil 34 geschlossen, dann kann das Kältemittel im Zweig 7 nur durch die Kapillare 33 fließen, und im Wärmetauscher 10 stellt sich ein niedriger Druck und eine entsprechend niedrige Temperatur ein.
Ein Teil der Kapillare 33 oder eines ihr vorgelagerten Abschnitts 35 des Leitungszweigs 31 können hier in den inneren Wärmetauscher 24 einbezogen sein, um einen effizienteren Kühlbetrieb der Lagerkammer 17 zu ermöglichen. Da bei offenem Absperrventil 34 der Kältemittelfluss über die Kapillare 33 vernachlässigbar ist, hat diese Einbeziehung keinen Einfluss auf die Möglichkeit, hohe Temperaturen in der Lagerkammer 17 zu erreichen.
Die Kapillare 33 kann durch ein Expansionsventil ersetzt sein.
Die steuerbaren Drosselstellen 11, 13, 15 können, wenn gewünscht, ebenfalls den in 3 für die Drosselstelle 9 gezeigten Aufbau haben.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Druckanschluss
3: Sauganschluss
4: Kältemittelleitung
5: Verflüssiger
6: Verzweigung
7: Zweig
8: Zweig
9: Drosselstelle
10: Wärmetauscher
11: Drosselstelle
12: Zusammenfluss
13: Drosselstelle
14: Wärmetauscher
15: Drosselstelle
16: Wärmetauscher
17: Lagerkammer
18: Lagerkammer
19: Lagerkammer
20: Hülle
21: kalter Abschnitt
22: warmer Abschnitt
23: innerer Wärmetauscher
24: innerer Wärmetauscher
25: kalter Abschnitt
26: warmer Abschnitt
27: Steuerschaltung
28: Temperatursensor
29: innerer Wärmetauscher
30: warmer Abschnitt
31: Leitungszweig
32: Leitungszweig
33: Kapillare
34: Absperrventil
35: Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226341 A1 [0002]

Claims

Kältegerät mit wenigstens einer ersten Lagerkammer (17), einer zweiten Lagerkammer (18) und einem Kältemittelkreislauf, in dem zwischen einem Druckanschluss (2) und einem Sauganschluss (3) eine erste steuerbare Drosselstelle (9), ein erster Wärmetauscher (10) zum Temperieren der ersten Lagerkammer (17), eine zweite steuerbare Drosselstelle (11) und ein zweiter Wärmetauscher (16) zum Kühlen der zweiten Lagerkammer (18) in Reihe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher (16) gelegener warmer Leitungsabschnitt (22, 26, 30) und ein stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher (16) gelegener kalter Leitungsabschnitt (21, 25) in thermischem Kontakt zueinander geführt sind, um einen inneren Wärmetauscher (23, 24, 29) zu bilden, und der erste Wärmetauscher (10) unter Umgehung des warmen Leitungsabschnitts (22, 26, 30) mit dem Druckanschluss (2) verbunden ist.
Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher (14) ein Nebenschluss-Leitungszweig (8), der eine dritte steuerbare Drosselstelle (11) und einen dritten Wärmetauscher (14) enthält, mit einem die erste steuerbare Drosselstelle (9) und den ersten Wärmetauscher (10) enthaltenden Leitungszweig (7) parallel verbunden ist.
Kältegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Leitungsabschnitt (22) im Kältemittelkreislauf zwischen dem ersten Wärmetauscher (10) und dem zweiten Wärmetauscher (16) gelegen ist.
Kältegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Leitungsabschnitt (26, 30) im Nebenschluss-Leitungszweig (8) gelegen ist.
Kältegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Leitungsabschnitt (26) stromaufwärts vom dritten Wärmetauscher (14) gelegen ist.
Kältegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschluss-Leitungszweig (8) eine vierte steuerbare Drosselstelle (15) stromabwärts vom dritten Wärmetauscher (14) aufweist und der warme Leitungsabschnitt (30) zwischen dem dritten Wärmetauscher (14) und der vierten steuerbaren Drosselstelle (15) gelegen ist.
Kältegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zweiten inneren Wärmetauscher (21, 29) umfasst, wobei ein warmer Leitungsabschnitt (22, 30) des zweiten inneren Wärmetauschers (21, 29) zwischen einem Auslass des ersten oder des dritten Wärmetauschers (10, 16) und einem Einlass des zweiten Wärmetauschers (14) gelegen ist.
Kältegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein kalter Leitungsabschnitt (21) des zweiten inneren Wärmetauschers (22, 29) zwischen einem Auslass des zweiten Wärmetauschers (16) und dem kalten Leitungsabschnitt (25) des ersten inneren Wärmetauschers (24) gelegen ist.
Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der steuerbaren Drosselstellen (9, 11, 13, 15) ein Expansionsventil umfasst.
Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der steuerbaren Drosselstellen (9) wenigstens zwei parallele Leitungszweige und ein Ventil (32) zum Steuern der Verteilung des Kältemittels auf die Leitungszweige umfasst.
Kältegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der parallelen Durchlässe eine Kapillare (31) umfasst.
Kältegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der parallelen Durchlässe einen warmen Leitungsabschnitt eines inneren Wärmetauschers bildet.