DE69120376T2

DE69120376T2 - Kühlsystem

Info

Publication number: DE69120376T2
Application number: DE1991620376
Authority: DE
Inventors: Leroy John Herbst; Heinz Nmn Jaster
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1991-11-05
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JP3321192B2; DE69120376D1; EP0485147A1; EP0485147B1; JPH04288454A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlsysteme und betrifft im besonderen Anordnungen zur Wärmeübertragung für Kühlsysteme mit mehreren Verdampfern und einer Verdichtereinheit.

Verwandter Stand der Technik

In einem typischen Kühlsystem zirkuliert das Kältemittel kontinuierlich in einem geschlossenen Kreislauf (circuit) Der Begriff "Kreislauf", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf eine physikalische Einrichtung, wogegen der Begriff "Zyklus", wie er hier benutzt wird, sich auf die Arbeitsweise eines Kreislaufs bezieht, z.B. Kühlzyklen in einein Kühlkreislauf. Der Begriff "Kältemittel", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Kältemittel in flüssiger, dampfförmiger und/oder gasförmiger Form. Die Komponenten des geschlossenen Kreislaufs veranlassen, daß das Kältemittel Temperatur-/Druckänderungen ausgesetzt wird. Die Temperatur-/Druckschänderungen des Kältemittels resultieren in einer Energieübertragung. Typische Komponenten eines Kühlsystems enthalten beispielsweise Verdichter, Kondensoren, Verdampfer, Steuerventile und verbindende Rohrleitungen. Einzelheiten mit Hinblick auf einige bekannte Kühlsysteme finden sich im Standard Handbook for Mechanical Engineers von Baumeister et al., McGraw Hill Book Company, 8. Auflage, 1979, beginnend auf Seite 19-6.
Der Energiewirkungsgrad ist ein wichtiger Faktor bei der Ausführung von Kühlsystemen. Insbesondere gilt, daß ein ideales Kühlsystem eine ideale Kühlwirkung liefert. In der Praxis leistet ein tatsächliches Kühlsystem eine tatsächliche Kühlwirkung, die geringer ist als die ideale Kühlwirkung. Die tatsächlich bereitgestellte Kühlwirkung variiert von System zu System.
Ein erhöhter energetischer Wirkungsgrad wird üblicherweise erreicht durch Verwendung teurerer und wirkungsvollerer Kühlsystemkomponenten, durch Hinzufügen von extra vorgesehener Isolation in der Nachbarschaft des zu kühlenden Be reichs oder durch andere kostenaufwendige Zusatzmaßnahmen. Die Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads eines Kühlsystems resultiert daher gewöhnlich in einer Zunahme der Kosten des Systems. Es ist natürlich wünschenswert, den Wirkungsgrad eines Kühlsystems zu erhöhen und dabei jede Zunahme hinsichtlich der Kosten des Systems möglichst gering zu halten.
Bei einigen Anlagen, die Kühlsysteme verwenden, muß mehr als ein Bereich gekühlt werden und mindestens ein Bereich erfordert mehr Kühlung als ein anderer Bereich. Ein Beispiel für solch eine Anlage ist ein typischer Haushaltskühlschrank, der ein Gefrierfach und ein Frischkostfach enthält. Das Gefrierfach wird typischerweise zwischen -23ºC (-10 Fahrenheit (F)) und -9ºC (+ 15ºF) gehalten, und das Frischkostfach wird vorzugsweise zwischen 0,5ºC und 8ºC (+33ºF und +47ºF) gehalten.
Um diese Temperaturanforderungen zu erfüllen, enthält ein typisches Kühlsystem einen Verdichter, der mit einem in dem Haushaltskühlschrank angeordneten Verdampfer verbunden ist. Die Ausdrücke "gekoppelt" und "verbunden" werden in diesem Zusammenhang als austauschbar verwendet. Wenn zwei Komponenten gekoppelt oder verbunden sind, bedeutet dies, daß die Komponenten direkt oder indirekt in irgendeiner Weise in Kältemittel-Strömungsrelation verbunden sind. Ein weiteres Bauteil oder weitere Bauteile können zwischen derart gekoppelten oder verbundenen Komponenten liegen. Beispielsweise gilt, daß, selbst wenn andere Bauteile, z.B. ein Drucksensor oder eine Expansionseinrichtung in der Verbindung zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer eingekoppelt oder verbunden sind, der Verdichter und der Verdampfer immer noch miteinander gekoppelt oder verbunden sind.
Erneut zurückkommend auf das Kühlsystem für einen typischen Haushaltskühlschrank wird der Verdampfer so betrieben, daß er auf ungefähr -23ºC (-10ºF) gehalten wird (ein tatsächlicher Bereich von ungefähr -34ºC bis -18ºC (-30ºF bis 0ºF) wird typischerweise verwendet) und daß ein Luftstrom über die Verdampfer-Rohrschlangen geblasen wird. Die Strömung der Verdampfer-gekühlten Luft wird beispielsweise über Stege gesteuert. Ein erster Anteil der Verdampfer-gekühlten Luft wird auf das Gefrierfach gerichtet und ein zweiter Anteil der Verdampfer-gekühlten Luft wird auf das Frischkostfach geleitet. Um ein Frischkostfach anstatt unter Verwendung von Verdampfer-gekühlter Luft von einem bei -23ºC (-10ºF) betriebenen Verdampfer zu kühlen, ist es möglich, einen Verdampfer zu verwenden, der beispielsweise bei -4ºC (+25ºF) (oder in einem Bereich von etwa -9ºC bis 0ºC (+15ºF bis +32ºF)) arbeitet. Das typische in Haushaltskühlgeräten benutzte Kühlsystem erzeugt seinen Kühleffekt, indem es einen Verdampfer bei einer Temperatur betreibt, die für das Gefrierfach in Frage kommt, die aber niedriger ist als sie für das Frischkostfach sein muß.
Es ist wohl bekannt, daß die zur Aufrechterhaltung einer Verdampfertemperatur von -23ºC (-10ºF) erforderliche Energie größer ist als die Energie, die erforderlich ist, um in einem Kühlschrank einen Verdampfer auf -4ºC (+25ºF) zu halten. Der typische Haushaltskühlschrank verbraucht deshalb mehr Energie, als zum Kühlen des Frischkostfachs notwendig ist. Ein Verbrauch von mehr Energie, als notwendig ist, resultiert in einem verminderten energetischen Wirkungsgrad.
Das Beispiel des oben herangezogenen Haushaltskühlschranks wird lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung herangezogen. Viele andere Anlagen als Haushaltskühlgeräte verwenden Kühlsysteme, die einen Verdampfer enthalten, der bei einer Temperatur unterhalb einer Temperatur arbeitet, bei der der Verdampfer tatsächlich betrieben werden muß.
Kühlsysteme, die den Energieverbrauch verringern, sind in den gemeinsam zugeordneten US-A-4 910 972 und US-A-4 918 942 beschrieben. Die patentierten Systeme verwenden mindestens zwei Verdampfer sowie mehrere Verdichter oder einen Verdichter mit mehreren Stufen. Beispielsweise arbeitet in einem dualen, d.h. zwei, Verdampferkreislauf für Haushaltskühlgeräte ein erster Verdampfer bei -4ºC (+25ºF) und ein zweiter Verdampfer arbeitet bei -23ºC (-10ºF). Die von dem ersten Verdampfer gekühlte Luft wird für das Frischkostfach verwendet, und durch den zweiten Verdampfer gekühlte Luft wird für das Gefrierfach benutzt. Der Einsatz eines Kühlsystems mit zwei Verdampfern in einem Haushaltskühlgerät resultiert in einem erhöhten Energie-Wirkungsgrad. Energie wird gespart durch Betreiben des ersten Verdampfers bei der für das Frischkostfach erforderlichen Temperatur (z.B. bei -4ºC (+25ºF)) anstatt des Betreibens eines Verdampfers für das Frischkostfach bei -23ºC (-10ºF). Weitere Merkmale der patentierten Systeme ermöglichen darüber hinaus erhöhte energetische Wirkungsgrade.
Um die mehreren Verdampfer in den in US-A-4 910 972 und US- A-4 918 942 beschriebenen Kühlsystemen in der oben beschriebenen Weise zu betreiben, werden mehrere Verdichter oder ein Verdichter mit mehreren Stufen benutzt. Die Verwendung von mehreren Verdichtern oder der Einsatz eines Verdichters mit mehreren Stufen resultiert in einer Erhöhung der Kosten für das Kühlsystem über die zumindest anfänglichen Kosten von Kühlsystemen mit einem Verdampfer und einem Verdichter mit einer einzelnen Stufe.
Die GB-A-639 691 zeigt ein Kühlsystem mit zwei Verdampfern und einer Strömungssteuerung, die abwechselnd jeden einen der Verdampfer mit dem Kompressor verbindet.
Das in der gleichzeitig anhängigen EP-A-0 485 146 (veröffentlicht am 13. Mai 1992) beschriebene Kühlsystem bietet einen erhöhten erzielten energetischen Wirkungsgrad, indem es mehrere verdampfer verwendet, und minimiert - wenn nicht eliminiert - die mit einem Einsatz von mehreren Verdichtern oder einem Verdichter mit mehreren Stufen verbundene Kostenzunahme. Insbesondere weist in einer Ausführungsform das in EP-A-0485 146 beschriebene Kühlsystem eine Kältemittel-Strömungssteuereinheit sowie eine Verdichtereinheit auf. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Verdichtereinheit ein Einzelstufen-Verdichter. Die Kältemittel-Strömungssteuereinheit ist an mehrere Eingangsleitungen angeschlossen. Jede Leitung in den veranschaulichenden Ausführungsformen weist ein darin befindliches Kältemittel auf, und jedes entsprechende Kältemittel steht unter einem entsprechenden Druck. Beispielsweise ist ein erster Eingang für die Steuereinheit ein Kältemittel unter hohem Druck und ein zweiter Eingang für die Steuereinheit ist ein Kältemittel unter einem niedrigen Druck. Der Auslaß der Kältemittel-Strömungssteuereinheit ist mit dem Einlaß der Verdichtereinheit verbunden.
Im Betrieb werden die jeweiligen Kältemittel, wie oben beschrieben, an die Steuereinheit angelegt und die Steuereinheit bewirkt, daß jedes jeweilige Kältemittel abwechselnd zur Verdichtereinheit fließt. Die Zeitsteuerung für die Kältemittelströmung, d.h. die Länge der Zeit, in der jedem eingegebenen Kältemittel erlaubt ist, zur Verdichtereinheit zu strömen, wird entsprechend einer direkt zeitgesteuerten Basis bestimmt oder nach Maßgabe meßbarer physikalischer Eigenschaften, wie z.B. die jeweiligen Drucke, Temperaturen, Dichten und/oder Strömungsgeschwindigkeiten der entsprechenden Kältemittel.
Wenn in einer Ausführungsform des (Kühl-)Kreislaufs der Gefrierverdampfer thermische Belastungen antrifft, die beispielsweise erheblich unter der Bemessungsbelastung liegen, wird vom Gefrierverdampfer etwas unverdampftes flüssiges Kältemittel abgegeben. Die mögliche Kühlkapazität des Gefrierverdampfers wird daher unter diesen Bedingungen vermindert, wobei jedoch der Betrag der von dem Verdichter erforderten Arbeit im wesentlichen davon nicht beeinflußt wird.
Etwas von der verlorenen Kühlkapazität wird zurückgewonnen, indem man die mit dem Auslaß des Gefrierverdampfers verbundene Leitung, d.h. die Ansaugleitung, in eine Wärmeübertragungsanordnung mit der an den Auslaß des Kondensors angeschlossenen Leitung bringt. Als Ergebnis der Wärmeübertragungsanordnung wird aus dem Kondensor austretendes flüssiges Kältemittel weiter abgekühlt, was die Enthalpie des Kältemittels vor der Expansion im Frischkostverdampfer herabsetzt. Diese Wärmeübertragung verschiebt wirksam die Rückgewinnung der spezifischen Kühlkapazität, d.h. [(Massendurchfluß) x (Enthalpie-Änderung)], vom Gefrierverdampfer zum Frischkostverdampfer.
Es ist jedoch wohl bekannt, daß die für eine Masseströmung zum Gefrierverdampfer erforderliche mechanische Energie größer ist als die zum Bewirken einer Masseströmung zum Frischkostverdampfer erforderliche Energie, d.h. es ist mehr mechanische Energie zum Betreiben eines Verdampfers bei einer niedrigeren Temperatur erforderlich. Obwohl die oben beschriebene Wärmeübertragung eine Rückgewinnung von Kühlkapazität bietet, wäre es höchst wünschenswert, wenn wenigstens etwas von der Rückgewinnung der Kühlkapazität an den Gefrierverdampfer ginge, wodurch die zum Betrieb des Gefrierverdampfers erforderliche mechanische Energie herabgesetzt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Energiewirkungsgrad eines Kühlsystems zu verbessern, das eine einzige Verdichtereinheit enthält, die direkt oder indirekt mit mehreren Verdampfern gekoppelt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Rückgewinnung von Kühlkapazität in einem Verdampfer zu erzielen, der bei einer niedrigen Temperatur in einem Kühlsystem arbeitet.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zum Betreiben eines Kühlsystems mit mehreren Verdampfern erforderliche mechanische Energie zu verringern.
US-A-4 918 942 beschreibt eine Kühleinrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist charakterisiert durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale.
Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung ihren größten Nutzen in Kühlsystemen mit mehr als einem Verdampfer aufweist, z.B. in einem Kühlsystem mit einem Frischkostverdampfer sowie einem Gefrierverdampfer. Insbesondere sieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, ein Kapillar-Rohrchen, das mit dem Einlaß des Gefrierverdampfers verbunden ist, in einer Wärmeübertragungsrelation mit der Ansaugleitung des Gefrierverdampfers anzuordnen, z.B. einer Leitung, die zwischen den Auslaß des Gefrierverdampfers und den Einlaß der Verdichtereinheit angeschlossen ist.
Ein zur Veranschaulichung herangezogenes Kühlsystem mit mehreren Verdampfern enthält einen mit dem Auslaß einer Verdichtereinheit gekoppelten Kondensor. Bei dieser Ausführung ist die Verdichtereinheit ein Einstufen-Verdichter. Ein erster Verdampfer ist über ein erstes Expansionsgerät so angekoppelt, daß er das von dem Kondensor abgegebene Kältemittel aufnimmt. Der Auslaß des ersten Verdampfers ist mit einem phasenseparator gekoppelt, der den Kältemittelausgang von dem ersten Verdampfer in Flüssigkeit und Dampf trennt. Ein Dampfauslaß des Phasenseparators ist mit einem ersten Einlaß einer Kältemittel-Strömungssteuereinheit verbunden. Der Auslaß der Kältemittel-Strömungssteuereinheit ist mit dem Einlaß der Verdichtereinheit gekoppelt. Ein Flüssigkeitsauslaß von dem Phasenseparator ist mit einem zweiten Expansionsgerät verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform ist das zweite Expansionsgerät ein Kapillar-Röhrchen. Der Auslaß des Kapillar-Röhrchens ist mit dem Einlaß eines zweiten Verdampfers gekoppelt. Der Auslaß des zweiten Verdampfers ist mit einem zweiten der Kältemittel- Strömungssteuereinheit gekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mit dem Einlaß des zweiten Verdampfers gekoppelte Kapillar-Röhrchen in einer Wärmeübertragungsrelation mit der Leitung angeordnet, d.h. mit der Ansaugleitung des zweiten Verdampfers, die den Auslaß des zweiten Verdampfers mit dem zweiten Einlaß der Kältemittel-Strömungssteuereinheit verbindet. Das Kapillar-Röhrchen sowie die Ansaugleitung des zweiten Verdampfers sind vorzugsweise in einer Gegenstrom- Wärmeaustauschanordnung angeordnet, wobei das in dem Kapillar-Röhrchen fließende Kältemittel in einer entgegengesetzten Richtung zur Strömung des Kältemittels in der Ansaugleitung des zweiten Verdampfers fließt.
Im Betrieb gestattet die Kältemittel-Strömungssteuereinheit dem an ihren ersten und zweiten Einlässen empfangenen Kältemittel, abwechselnd in die Verdichtereinheit zu strömen. Die Verdichtereinheit verdichtet jede Kältemittelströmung auf denselben Druck. Das Kältemittel oder zumindest Teile des Kältemittels zirkulieren durch das Kühlsystem, um die Energieübertragung zustande zu bringen. Beispielsweise arbeitet der erste Verdampfer zwischen -9ºC (+15ºF) und 0ºC (+32ºF), um das Frischkostfach auf Werte zwischen 0,5ºC (+33ºF) und 8ºC (+47ºF) zu kühlen. Der zweite Verdampfer arbeitet zwischen -34ºC (-30ºF) und -18ºC (0ºF), um das Gefrierfach auf Werte zwischen -23ºC (-10ºF) und -9ºC (+15ºF) zu kühlen.
Die Wärmetauscherkonfiguration zwischen dem Kapillar-Röhrchen und der Ansaugleitung des zweiten Verdampfers bietet eine spezifische Zunahme oder Rückgewinnung der Kühlkapazität im zweiten Verdampfer. Der Begriff "spezifisch" bedeutet "pro Einheit der Massendurchflußrate". Die spezifische Zunahme der Kühlkapazität im zweiten Verdampfer sorgt weiterhin dafür, daß weniger mechanische Energie zum Betreiben des zweiten Verdampfers bei niedrigen Temperaturen erfordert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zusammen mit weiteren Merkmalen und Vorteilen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden, wenn man sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen liest, von denen zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Kühlsystems mit einer ersten Ausführung der vorliegenden Wärmetauscherkonfiguration;
Figur 2 in größerem Detail den in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform des Kühlsystems benutzten Akkumulator;
Figur 3 in größerem Detail eine Ausführungsform der Kälte mittel-Strömungssteuereinheit, wie sie in der Figur 1 gezeigten Ausführung des Kühlsystems benutzt wird;
Figuren 4A bzw. 4B Temperatur-Enthalpie-Diagramme für einen Kühlkreislauf, der nicht die vorliegende Wärmetauscherkonfiguration enthält bzw. für den in Figur 1 gezeigten Kühlkreislauf, der die vorliegende Wärmetauscherkonfiguration enthält;
Figur 5 eine Blockdarstellung eines Haushaltskühlschranks und
Figur 6 eine zweite Ausführung eines Kühlsystems, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Wärmetauscherkonfiguration enthält.
Figur 7 zeigt ein weiters Kühlsystem, welches jedoch nicht gemäß der Erfindung ausgestaltet ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung, wie sie hier beschrieben wird, ihren größten Nutzen in Kühlsystemen aufweist und insbesondere in Haushaltskühl/-gefrierschränken Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch von Nutzen bei anderen Kühlanwendungen, z.B. bei Mehrfach- Klimaanlageneinheiten. Der Begriff Kühlsysteme, wie er hier benutzt wird, bezieht sich deshalb nicht nur auf Kühlschränke/Gefrierschränke, sondern auch auf viele andere Arten von Kühlanwendungen.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel 100 eines Kühlsystems gezeigt. Das System 100 enthält eine Verdichtereinheit 102, die mit einem Kondensor 104 gekoppelt ist. Ein erstes Kapillar-Röhrchen 106 ist mit dem Auslaß des Kondensors 104 verbunden. Vorzugsweise ist ein Filter/Trockner 105, auf dem Fachgebiet als "Pickle" bekannt, in dem Strömungspfad des Kältemittels zwischen dem Kondensor 104 und dem Kapillar-Röhrchen 106 angeordnet. Das Pickle 105 filtert aus dem Kältemittel Teilchen aus und absorbiert Feuchtigkeit. Ein erster Verdampfer 108 ist als mit dem Auslaß des ersten Kapillar-Röhrchens 106 gekoppelt dargestellt. Der Auslaß des ersten Verdampfers 108 ist mit dem Einlaß eines Phasenseparators 110 verbunden. Der Phasenseparator 110 enthält einen Schirm 112, der benachbart zum Einlaß des Phasenseparators angeordnet ist, sowie einen Dampfbereich 114 und einen Flüssigkeitsbereich 116. Der Dampfbereich 114 des Phasenseparators ist als ein erster Eingang mit einer Kältemittel-Strömungssteuereinheit 118 verbunden. Eine Leitung 120 erstreckt sich vom Dampfbereich 114 des Phasenseparators zur Steuereinheit 118, und die Leitung 120 ist im Phasenseparator 110 so angeordnet, daß in den Dampfbereich 114 des Phasenseparators eintretendes flüssiges Kältemittel durch den Dampfbereich 114 hindurchgeht und nicht in das offene Ende der Leitung 120 eintreten kann. Der Auslaß des Flüssigkeitsbereichs 116 des Phasenseparators ist mit einem zweiten Kapillar-Röhrchen 122 gekoppelt. Ein zweiter Verdampfer 124 ist mit dem Auslaß des zweiten Kapillar-Röhrchens 122 verbunden, und der Auslaß des zweiten Verdampfers 124 ist als ein zweiter Eingang mit der Kältemittel-Strömungssteuereinheit 118 verbunden.
Der Auslaß der Kältemittel-Strömungssteuereinheit 118 ist mit der Verdichtereinheit 102 gekoppelt. Ein Thermostat 126, der einen Stromfluß von einer mit "SPG.EING." 128 bezeichneten externen Stromquelle erhält, ist an die Verdichtereinheit 102 angeschlossen. Wird Kühlung angefordert, sorgt das Ausgangssignal des Thermostats für die Aktivierung der Verdichtereinheit 102. Der Thermostat 126 ist typischerweise im Gefrierfach (bzw. -kammer) des Kühlschranks angebracht. Die Verdichtereinheit 102 arbeitet nur dann, wenn der Thermostat 126 einen Kühlbedarf angibt. Die Konfiguration der Steuereinheit 118 legt, wie nachfolgend beschrieben, die Strömung durch die jeweiligen Verdampfer fest.
Die in Figur gezeigten Verdampfer 108 und 124 sind vorzugsweise Stiftrippenverdampfer (spine fin evaporators) die auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind, und die Verdichtereinheit 102 ist vorzugsweise ein Kompressor vom Rotationstyp. Die Verdampfer 108 und 124 sind beispielsweise im Frischkostfach bzw. im Gefrierfach eines Haushaltskühl schranks angeordnet. Die Verdampfer 108 und 124 sind vorzugsweise so positioniert, daß die Schwerkraft etwaige überschüssige Kältemittelflüssigkeit aus den Verdampfern abführt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist speziell gerichtet auf die Wärmetauscherkonfiguration, wie sie als ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist zwischen dem zweiten Kapillar-Röhrchen 122 und der Leitung 130, d.h. der Ansaugleitung des zweiten Verdampfers 124. Das zweite Kapillar-Röhr chen 122 ist in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungsanordnung mit der Leitung 130 angeordnet. Insbesondere befindet sioh das zweite Kapillar-Röhrchen 122 in thermischem Kontakt mit der Leitung 130. Der thermische Kontakt wird beispielsweise erreicht durch seitliches Zusammenlöten des äußeren Teils des Kapillar-Röhrchens 122 mit einem Teilbereich der Leitung 130. Das Kapillar-Röhrchen 122 ist dargestellt als um die Leitung 130 herumgewickelt, und zwar als schematische Darstellung der Wärmeübertragungsbeziehung. Wie zuvor beschrieben, erfolgt die Wärmeübertragung in einer Gegenstromanordnung, d.h. das in dem Kapillar-Röhrchen 122 strömende Kältemittel fließt in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Strömung des Kältemittels in der Leitung 130 erfolgt. Wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist, nimmt die Wirksamkeit des Wärmeaustausches zu, wenn man für den Wärmeaustausch eine Gegenstromanordnung benutzt statt einer Wärmetauschanordnung, bei der die Ströme in derselben Richtung fließen. Weitere Einzelheiten bezüglich der mit der vorliegenden Wärmeübertragungskonfiguration erzielten Vorteile ergeben sich mit Hinblick auf die Figuren 4A und B. Es wird in Betracht bezogen, daß das Kapillar-Röhrchen 122 in einem anderen (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel so angeordnet ist, daß die Strme durch das Kapillar-Röhrchen 122 sowie durch die Leitung 130 in derselben Richtung fließen.
Das erste Kapillar-Röhrchen 106 ist in einer Gegenstromanordnung für den Wärmeaustausch mit den Leitungen 120 und 130 angeordnet. Der thermische Kontakt wird beispielsweise erreicht durch seitliches Zusammenlöten des äußeren Teils des Kapillar-Röhrchens 106 mit einem Teilbereich der Außenseite der Leitungen 120 und 130. Das Kapillar-Röhrchen 106 ist dargestellt als um die Leitungen 120 und 130 herumge wickelt, und zwar als eine schematische Darstellung der Wärmeübertragungsbeziehung. Die Wärmeübertragung erfolgt in einer Gegenstromanordnung, d.h. das in dem Kapillar-Röhrchen 106 strömende Kältemittel fließt in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Strömung des Kältemittels in den Leitungen 120 und 130 erfolgt.
Zusätzlich zu den oben aufgeführten Bauteilen enthält das System 100 einen Akkumulator 134. Der Akkumulator 134 ist am Ausgang des zweiten Verdampfers 124 und innerhalb des Gefrierfachs angeordnet. Ein Drucksensor 138 ist ebenfalls in Figur 1 dargestellt. Der Drucksensor 138 ist an einer Stelle angebracht, daß der ein Signal erzeugt, welches repräsentativ ist für den Druck des Kältemittels, das in der Leitung 120 sowie zwischen der Wärmetauscheranordnung mit dem Kapillar-Röhrchen 106 und der Leitung 120 und der Steuereinheit 118 fließt. Das Ausgangssignal von dem Drucksensor 138 wird zur Steuerung des Betriebs der Steuereinheit 118 benutzt, wie nachfolgend beschrieben.
Nunmehr Bezug nehmend auf Figur 2 ist eine detailliertere Darstellung des Akkumulators 134 gezeigt. Der Akkumulator 134 nimmt vom zweiten Verdampfer 124 abgegebenes Kältemittel auf und liefert über die Steuereinheit 118 dampfförmiges Kältemittel an die Verdichtereinheit 102. Eine kleine Ablaßöffnung (bleeder hole) 136 in der internen Transportleitung ist vorgesehen, um ein Stocken von Schmiermittel zu verhindern, wenn sich die Zyklusbedingungen ändern, z.B. wenn überhitzter Dampf von dem zweiten Verdampfer 124 abgegeben wird.
Wenn der zweite Verdampfer 124 bei geringeren als den spezifizierten Temperaturen betrieben wird, z.B. aufgrund einer verminderten thermischen Belastung oder beispielsweise aufgrund der Einstellung des Fachthermostats, wird etwas Flüssigkeit vom zweiten Verdampfer 124 abgegeben. Der Akkumulator 134 verhindert einen Verlust an Kühlkapazität, der aus einem Verdampfen von Flüssigkeit vom zweiten Verdampfer 124 in der Leitung 130 resultieren würde. Insbesondere wird in dem Akkumulator 134 vom zweiten Verdampfer 124 stammende Flüssigkeit gespeichert. Vom zweiten Verdampfer 124 abgegebener Dampf gelangt durch die Leitung 130. Wenn das vom zweiten Verdampfer 124 strömende Kältemittel überhizt wird, wird das im Akkumulator 134 gespeicherte flüssige Kältemittel in dem Akkumulator 134 verdampft und gelangt durch die Leitung 130. Auf diese Weise ermöglicht der Akkumulator 134 das Vermeiden eines Verlustes an Kühlkapazität des zweiten Verdampfers 124.
Die Strömungssteuereinheit 118 ist schematisch in größerem Detail in Figur 3 gezeigt. Die zwei Eingangsleitungen 120 und 130 sind integral mit der Steuereinheit 118 gebildet. Die Ausgangsleitung 132 ist ebenfalls als einstückig mit der Steuereinheit 118 gebildet gezeigt. Anstatt daß die Eingangsleitungen 120 und 130 sowie die Ausgangsleitung 132 einstückig mit der Einheit 118 geformt werden, sind in einem anderen (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel diese Leitungen mit Einlässen bzw. Auslässen der Einheit 118 z.B. durch Schweißen, Löten, mechanische Kupplungen usw. verbunden. Die Steuereinheit 118 enthält ein steuerbares Ventil 140, das ein von einer Magnetspule betriebenes Ventil enthält. Ein von einer Magnetspule gesteuertes Ventil ist beispielsweise erhältlich von ISI Fluid Power Inc., Fraser, Michigan. Das Ventil von ISI Fluid Power Inc. wird modifiziert, indem man die Gehäusedichtungen entfernt und das Gehäuse für die Benutzung mit Kältemitteln hermetisch abdichtet. Das steuerbare Ventil 140 wird zur Steuerung der Fluid-Strömung durch die Eingangsleitung 120 benutzt, die typischerweise ein Kältemittel mit höherem Druck transportiert als die Leitung 130. Ein Sperrventil 142 ist innerhalb der Eingangsleitung 130 angeordnet. Das Sperrventil 142 enthält eine Kugel 144, einen Sitz 140 sowie einen Käfig 148.
Im Betrieb wird die Zeitsteuerung zum Öffnen und Schließen des steuerbaren Ventus 140 über den Drucksensor 138 (vgl. Figur 1) vorgesehen. Die zeitgesteuerte Leistungsabgabe des Drucksensors 138 für die Magnetspule des steuerbaren Ventils 140 wird bestimmt von dem Druck des Kältemittels in der Leitung 120. Wird das Ventil 140 geschlossen, zwingt das Kältemittel mit dem niedrigen Druck in der Leitung 130 das Sperrventil 142 dazu zu öffnen, und das Kältemittel mit dem niedrigen Druck strömt von der Leitung 130 zur Ausgangsleitung 132. Dieser Zustand wird hier als Zustand 1 bezeichnet. Wenn das Ventil 140 öffnet und dadurch dem Kältemittel die Durchströmung erlaubt, bewirkt das Kältemittel mit dem hohen Druck von der Leitung 120, daß das Sperrventil 142 schließt und geschlossen bleibt, solange das Kältemittel mit dem hohen Druck von der Leitung 120 zur Ausgangsleitung 132 fließt. Dieser Zustand wird hier als Zustand 2 bezeichnet.
Im einzelnen und beim Betrieb mit beispielsweise dem Kältemittel R-12 (Dichlordifluormethan) befindet sich Kältemittel bei etwa 1,4 kg/cm (20 psia - pounds per square inch absolute) in der Leitung 130 und Kältemittel bei etwa 2,8 kg/cm (40 psia) ist in der Leitung 120 vorhanden. Der Einlaßdruck an der Verdichtereinheit 102 beträgt etwa 1,4 kg/cm (20 psia), wenn sich die Steuereinheit 118 im Zustand 1 befindet. Wenn die Steuereinheit 118 Im Zustand 2. ist, beträgt der Druck am Einlaß der Verdichtereinheit etwa 40 psia.
Der Druckschalter 138 wird zur Steuerung des besonderen Zustands oder der Konfiguration der Steuereinheit 118 verwendet. Beispielsweise wird man bevorzugt das Kältemittel im ersten Verdampfer 108 auf etwa 1ºC (+34ºF) halten, ein Temperaturbereich von ungefähr -3ºC (+26ºF) bis 2ºC (+36ºF) ist ein geeigneter Bereich für die Temperatur des Kältemittels in dem ersten Verdampfer 108. Durch Abfühlen des Drucks des Kältemittels in der Leitung 120 nahe bei der Strömungssteuereinheit 118, wie durch die Position des Drucksensors 118 in Figur 1 veranschaulicht, besteht eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem abgefühlten Druck und der Temperatur des Kältemittels in dem ersten Verdampfer 108. Wenn der vom Drucksensor 138 abgefühlte Druck anzeigt, daß die Temperatur des Kältemittels im ersten Verdampfer über 2ºC (+36ºF) liegt, aktiviert das Ausgangssignal des Drucksensors die Steuereinheit 118, z.B. durch Aktivierung des steuerbaren Ventils 140, derart, daß eine Strömungsverbindung zwischen der Leitung 120 und der Leitung 132 hergestellt wird, d.h. es besteht der Zustand 2.
Obwohl zwischen den Leitungen 120 und 132 eine Strömungsverbindung hergestellt ist, wird Kältemittel nur dann durch den ersten Verdampfer 108 angezogen werden, wenn der Thermostat 126 einen Bedarf für Kühlung im Gefrierfach festgestellt hat und dabei die Verdichtereinheit 102 aktiviert. Wenn es beispielsweise vorgezogen wird, die Lufttemperatur im Gefrierfach auf ungefähr -18ºC (0ºF) zu halten, stellt ein Temperaturbereich von -19ºC (-2ºF) bis -17ºC (+2ºF) einen typischen Bereich für die Lufttemperatur des Gefrierfachs dar. Liegt die Luf ttemperatur des Gefrierfachs oberhalb von -19ºC (+2ºF), sorgt der Thermostat 126 dafür, daß Energie an die Verdichtereinheit 102 zugeführt wird. Im Anschluß an die Aktivierung der Verdichtereinheit 102 schaltet der Thermostat 126 die Energiezufuhr zur Verdichtereinheit 102 ab, sobald die Lufttemperatur des Gefrierfachs unter -19ºC (-2ºF) liegt. Wenn die Verdichtereinheit 102 nicht eingeschaltet ist, wird ungeachtet der Konfiguration der Steuereinheit 118 im wesentlichen keine Kühlwirkung für das Frischkostfach und das Gefrierfach bereitgestellt.
Wenn die Temperatur des Kältemittels in der Leitung 120 über 2ºC (+36ºF) und die Temperatur des Gefrierfachs über -17ºC (+2ºF) liegt, befindet sich die Steuereinheit 118 im Zustand 2 und die Verdichtereinheit 102 wird aktiviert. Sobald die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer 108 des Frischkostfachs auf unter -3ºC (+26ºF) gebracht ist, veranlaßt der Drucksensor 138 die Steuereinheit 118, in den Zustand 1 überzugehen. Kältemittel wird dann durch den Gefrierverdampfer 124 so lange gezogen, bis die Temperatur des Gefrierfachs unterhalb von -19ºC (-2ºF) liegt. Selbst wenn sich die Steuereinheit 118 im Zustand 1 befindet, wird durch den Verdampfer 108 für Frischkost Kältemittel hindurchbewegt, allerdings mit einer geringeren Geschwindig keit als das im Zustand 2 der Steuereinheit 118 der Fall ist. Damit durch den Gefrierverdampfer 124 Kältemittel hindurchbewegt wird, muß die Temperatur des Kältemittels in der Leitung 120 unter 2ºC (+36ºF) liegen, und die Temperatur des Gefrierfachs muß über -17ºC (+2ºF) liegen.
Das oben dargestellte und beschriebene System 100 wurde ausgeführt in einem General Electric Company Haushaltskühlschrank Modell Nr. TBX25Z mit einem General Electric Company Nr. 800 Rotationstyp-Kompressor. Für den zyklischen Betrieb der Verdichtereinheit wurde die Einschaltperiode mit 22,7 Minuten und die Ausschaltperiode mit 33,5 Minuten (40,4 % Einschaltzeit) ermittelt. Entsprechende (nicht gezeigte) Verdampfergebläse wurden dabei vorgesehen, um Luft über die jeweiligen Verdampferschlangen zu blasen. Jedes Gebläse war über den Thermostat 126 mit der Versorgungsspannung verbunden, und wenn der Thermostat 126 die Verdichtereinheit 102 aktivierte, wurden ebenfalls beide Gebläse eingeschaltet und bliesen Luft über ihren jeweiligen Verdampfer 108 und 124.
Die Figuren 4A bzw. 4B zeigen Temperatur-Enthalpie-Diagramme. Das Diagramm in Figur 4A ist für einen Kühlkreislauf ähnlich dem in Figur 1 gezeigten Kühlkreislauf 100, bei dem jedoch das Kapillar-Röhrchen 122 und die Leitung 130 nicht in einer Wärmeübertragungskonfiguration angeordnet sind. Das Diagramm in Figur 4B ist für den in Figur 1 dargestellten Kühlkreislauf, der in der gezeigten Weise eine Ausführungsform der vorliegenden Wärmeübertragungskonfiguration enthält, d.h. das Kapillar-Röhrchen 122 und die Leitung 130 sind in einer Wärmeübertragungskonfiguration angeordnet.
Im einzelnen und unter Bezugnahme auf Figur 4A entspricht die x-Achse der Enthalpie (h) und die y-Achse entspricht der Temperatur (T). Nochmals, der in Figur 4A analysierte Kreislauf (circuit) entspricht dem in Figur 1 gezeigten Kreislauf mit der Ausnahme, daß das Kapillar-Röhrchen 122 und die Leitung 130, d.h. die Ansaugleitung des Gefrierverdampfers, nicht in einer Wärmeübertragungsrelation angeordnet sind. Auf der y-Achse ist die Lufttemperatur TFL des Frischkostverdampfers und die Lufttemperatur TGL des Gefrierverdampfers angegeben. Der Punkt 1 im Diagramm illustriert den Zustand des Kältemittels am Ausgang des Kondensors 104. Punkt 2 veranschaulicht den Zustand des Kältemit tels noch innerhalb des Kapillar-Röhrchens 106 jedoch am Ende des thermischen Kontakts mit den Leitungen 120 und 130. Punkt 3 zeigt den Zustand des Kältemittels zwischen dem Auslaß des Kapillar-Röhrchens 106 und dem Einlaß des ersten Verdampfers 106. Punkt 4 zeigt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des ersten Verdampfers 106. Punkt 5 veranschaulicht den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Dampfbereichs 414 des Phasenseparators. Punkt 6 zeigt den Zuständ des Kältemittels am Auslaß des Flüssigkeitsbereichs 116 des Phasenseparators. Punkt 7 zeigt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Kapillar-Röhrchens 122 (erneut gilt für dieses Ausführungsbeispiel, daß das Kapillar-Röhrchen 122 nicht in einer Wärmeübertragungsrelation mit der Leitung 130 steht). Punkt 8 stellt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Akkumulators 134 dar. Punkt 9 zeigt den Zustand des Kältemittels in der Leitung 130 am Ende des thermischen Kontakts mit dem Kapillar-Röhrchen 106. Punkt stellt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Einlaß zur Kompressionskammer der Verdichtereinheit 102 dar. Punkt 11 zeigt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Auslaß der Kompressionskammer der Verdichtereinheit 102. Punkt 12 zeigt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Auslaß der Kompressionsmotorkammer der Verdichtereinheit 102. Punkt 13 veranschaulicht den Zu Das Temperatur-Enthalpie-Diagramm von Figur 4A ist zur Erleichterung des Verständnisses für die von der vorliegenden Erfindung erzielten thermodynamischen Vorteile vorgesehen Insbesondere veranschaulicht ein Vergleich der Diagramme in den Figuren 4A und 4B die spezifische Zunahme oder Rückgewinnung von Kühlkapazität im Gefrierverdampfer, wie sie durch die vorliegende Erfindung erreicht wird.
Mehr im einzelnen entspricht der in Figur 4B analysierte Kreislauf (circuit) dem in Figur 1 gezeigten Kreislauf, der, wie dargestellt, eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, d.h. die Wärmeübertragungskonfiguration des Kapillar-Röhrchens 122 und der Leitung 130. Die in Figur 4A angegebenen Punkte und entsprechenden Ziffern sind in Figur 4B aufgeführt, um einen Vergleich der thermodynamischen Charakteristiken zu ermöglichen. Auf der y-Achse sind die Lufttemperatur TFL im Frischkostverdampfer sowie die Lufttemperatur TGL im Gefrierverdampfer angegeben. Der Punkt im Diagramm illustriert den Zustand des Kältemittels am Ausgang des Kondensors 104. Punkt 2 veranschaulicht den Zustand des Kältemittels innerhalb des Kapillar-Röhrchens 106 am Ende des thermischen Kontakts mit den Leitungen 120 und 130. Punkt 3 zeigt den Zustand des Kältemittels zwischen dem Auslaß des Kapillar-Röhrchens 106 und dem Einlaß des ersten Verdampfers 106. Punkt 4 zeigt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des ersten Verdampfers 106. Punkt 5 veranschaulicht den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Dampfbereichs 114 des Phasenseparators. Punkt 6 zeigt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Flüssigkeitsbereichs 116 des Phasenseparators.
Punkt 7' zeigt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Kapillar-Röhrchens 122 (man beachte, daß bei diesem Beispiel das Kapillar-Röhrchen in einer Wärmeübertragungsrelation mit der Leitung 130 steht). Punkt 8 stellt den Zustand des Kältemittels am Auslaß des Akkumulators 134 dar. Punkt 9' zeigt den Zustand des Kältemittels in der Leitung 130 am Ende des thermischen Kontakts mit dem Kapillar-Röhrchen 106. Punkt 10; illustriert den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Einlaß der Kompressionskammer der Verdichtereinheit 102. Punkt 11' zeigt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Auslaß der Kompressionskam mer der Verdichtereinheit 102. Punkt 12' stellt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 130 am Auslaß der Kompressionsmotorkammer der Verdichtereinheit 102 dar. Punkt 13 veranschaulicht den Zustand des Kältemittels in der Leitung 120 am Ende des thermischen Kontakts mit dem Kapillar-Röhrchen 106. Punkt 14 stellt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 120 am Einlaß der Kompressionskammer der Verdichtereinheit 102 dar. Punkt 15 zeigt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 120 am Auslaß der Kompressionskammer der Verdichtereinheit 102. Punkt 16 zeigt den Zustand des Kältemittels von der Leitung 120 am Auslaß der Kompressionsmotorkammer der Verdichtereinheit 102.
Die vorliegende Wärmeübertragungskonfiguration stellt eine spezifische Kühlkapazitätszunahme im Gefrierverdampfer 124 bereit. Die Zunahme der spezifischen Kühlkapazität resultiert in einer Abnahme für den Betrag der mechanischen Energie, die zum Kühlen des Gefrierverdampfers erforderlich ist. Die in der Praxis tatsächlich resultierende Zunahme der Kühlkapazität hängt natürlich ab von der tatsächlichen Massendurchflußrate (mass flow rate) durch den Gefrierverdampfer. Insbesondere und unter Bezugnahme auf Figur 4A sind die Massendurchflußraten m wie folgt bezeichnet:
mT = gesamte (totale) Massendurchflußrate;
mL = Massendurchflußrate durch den Gefrierverdampfer 124; und
mH = Massendurchflußrate durch den Frischkostverdampfer 108.
Dann gilt für das System nach Figur 4A
(mT)(Δha) = mL(h&sub9; - h&sub8;) + mH(h&sub1;&sub3; - h&sub5;), mit Δha = h&sub1; - h&sub2;. (1)
Die Enthalpie (h) ist jeweiligen Massendurchflußraten zugeordnet, um eine spezifische Kühlkapazität zu liefern. Die Gleichung 1 besagt, daß die Änderung der Enthalpie (Δha) des Kältemittels vom Eingang bis zum Ausgang des Kapillar- Röhrchens 106, welche Enthalpieänderung (Δha) aus der Wärmeübertragung zwischen dem Kapillar-Röhrchen 106 und den Leitungen 120 und 130 resultiert, der Änderung der Enthalpie des Kältemittels in den Leitungen 120 und 130 vom Anfang bis zum Ende des thermischen Kontakts mit dem Kapillar-Röhrchen 106 gleicht. Als ein Ergebnis der Wärmeübertragung ist die Rückgewinnung der spezifischen Kühlkapazität im Frischkostverdampfer 108 gleich [(mH) (Δha)] Es gibt keine Rückgewinnung von spezifischer Kühlkapazität im Gefrierverdampfer 124 als Ergebnis der Wärmeübertragung mit dem Kapillar-Röhrchen 106.
Wenn, wie in Figur 4B gezeigt, die Wärmeübertragung nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird, dann wird die Gleichung 1 zu:
(mT) (Δha) = mL(h&sub9;'-h&sub8;) + mH(h&sub1;&sub3;-h&sub5;), mit Δhb = (h&sub9;'-h&sub8;). (2)
Wenn QL gleich der dem Gefrierfach zugeführten Kühlung ist, dann gilt ohne die vorliegende Wärmeübertragungskonfiguration, d.h. für das Diagramm nach Figur 4A:
QL = mL(h&sub8; - h&sub7;). (3)
Mit der vorliegenden Wärmeübertragungskonfiguration beträgt jedoch die Kühlungszufuhr QL' für das Gefrierfach, wie in Figur 4ZB dargestellt:
QL' = mL(h&sub8; - h&sub7;'). (4)
Die vorliegende Erfindung liefert daher eine Zunahme in der spezifischen Kühlkapazität des Gefrierverdampfers 124 durch Hinzufügen von mL(h&sub7; - h&sub7;'). Die tatsächliche Zunahme der Kühlkapazität hängt natürlich ab von der Massendurchflußrate des durch den Gefrierverdampfer 124 strömenden Kältemittels. Die Zunahme der Kühlkapazität sorgt weiterhin dafür, daß weniger mechanische Energie zum Kühlen des Gefrierfachs erfordert wird. Insbesondere wird die zur Erfüllung der Kühlanforderung des Gefrierfachs erforderliche Betriebszeit der Verdichtereinheit reduziert, da die von den Gefrierverdampfer 124 gelieferte Kühlung während des Betriebs erhöht wird.
Figur 5 ist eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung eines Haushaltskühlschranks 200 mit einer isolierten Wand 202, die ein Frischkostfach 204 sowie ein Gefrierfach 206 bildet. Figur 5 ist lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung vorgesehen und insbesondere, um eine Einrichtung zu zeigen, die im wesentlichen separate Fächer aufweist, die eine Kühlung bei unterschiedlichen Temperaturen erfordern. In dem Haushaltskühlschrank werden das Frischkostfach 204 und das Gefrierfach 206 typischerweise bei etwa 0,5ºC (+33ºF) bis 8ºC (+47ºF) bzw. -23ºC (-10ºF) bis -9ºC (+25ºF) gehalten.
Ein erster Verdampfer 208 ist als im Frischkostfach 204 angeordnet gezeigt und ein zweiter Verdampfer 210 ist als im Gefrierfach 206 angeordnet dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die physikalische Position der Verdampfer, und die in Figur 5 gezeigte Lage der Verdampfer dient lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung und um das Verständnis zu erleichtern. Es ist daran gedacht, daß die Verdampfer 208 und 210 irgendwo in dem Haushaltskühlschrank oder selbst außerhalb des Kühlschranks angeordnet werden könnten, und daß die Verdampfer-gekühlte Luft von jedem entsprechenden Verdampfer über Leitungen, Stege oder dergleichen auf die entsprechenden Fächer gerichtet wird.
Die ersten und zweiten Verdampfer 208 und 210 werden von einer Verdichtereinheit 212 und einem Kondensor 214 betrieben, die in einem Verdichter/Kondensorfach 216 angeordnet sind. Ein Temperaturfühler 218, wie z.B. der in Figur 1 gezeigte Thermostat 126, ist im Gefrierfach 206 angebracht.
Der Fühler 218 ist natürlich vorzugsweise vom Benutzer ein stellbar, so daß ein Systembenutzer eine Temperatur oder einen Temperaturbereich auswählt, bei dem der Kompressor aktiviert und/oder ausgeschaltet werden soll. Der erste Verdampfer 208 wird typischerweise zwischen etwa -9ºC (+15ºF) bis etwa 0ºC (+32ºF) betrieben und der zweite Verdampfer 210 wird typischerweise bei etwa -34ºC (-30ºF) bis etwa -18ºC (0ºF) betrieben, um das Frischkostfach 204 zwischen etwa 0,5ºC (+33ºF) bis 8ºC (+47ºF) bzw. das Gefrierfach 206 zwischen etwa -23ºC (-10ºF) bis -9ºC (+15ºF) zu halten.
Figur 6 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der mehr als zwei Verdampfer verwendet werden. Mehr als zwei Verdampfer bieten in manchen Zusammenhängen noch weitere Leistungsfähigkeiten. Beispielsweise ist es in einigen Zusammenhängen erwünscht, einen Haushaltskühlschrank mit einem dritten Verdampfer auszustatten, um ausgewählte Dinge in einem separaten Fach schnell abzukühlen oder einzufrieren.
Im einzelnen enthält die Ausführungsform 300 eine mit einem Kondensor 304 gekoppelte Verdichtereinheit 302. Der Auslaß des Kondensors 304 ist mit einem ersten Expansionsventil 306 verbunden, dessen Auslaß mit einem ersten Verdampfer 308 verbunden ist. Der Auslaß des ersten Verdampfers 308 ist mit dem Einlaß eines ersten Phasenseparators 310 gekoppelt. Der erste Phasenseparator 310 enthält einen Schirm 312, einen Dampfbereich 314 und einen Flüssigkeitsbereich 316. Der Dampfbereich 314 des Phasenseparators ist als ein erster Eingang an eine Kältemittel-Strömungssteuereinheit 318 angeschlossen. Im einzelnen erstreckt sich eine Leitung 320 vom Dampfbereich 314 des ersten Phasenseparators auf die Steuereinheit 318, und die Leitung 320 ist im Phasense parator 310 so angeordnet, daß in den Dampfbereich 314 des Phasenseparators eintretendes flüssiges Kältemittel durch den Dampfbereich 314 hindurchgeht und nicht in das offene Ende der Leitung 320 eintreten kann. Der Auslaß des Flüssigkeitsbereichs 316 des ersten Phasenseparators ist mit einem ersten Kapillar-Röhrchen 322 gekoppelt. Eine zweiter Verdampfer 324 ist mit dem Auslaß des ersten Kapillar-Röhrchens 322 verbunden, und der Auslaß des zweiten Verdampfers 324 ist mit dem Einlaß eines zweiten Phasenseparators 326 gekoppelt. Der zweite Phasenseparator 326 enthält einen Schirm 328, einen Dampfbereich 330 und einen Flüssigkeitsbereich 332. Der Dampfbereich 330 des Phasenseparators ist als ein zweiter Eingang mit der Kältemittel-Strömungssteuereinheit 318 verbunden. Im einzelnen erstreckt sich eine Leitung 334 vom Dampfbereich 330 des zweiten Phasenseparators auf die Steuereinheit 318, und die Leitung 334 ist im Phasenseparator 326 so angeordnet, daß in den Dampfbereich 330 des Phasenseparators eintretendes flüssiges Kältemittel durch den Dampfbereich 330 hindurchtritt und nicht in das offene Ende der Leitung 334 eintreten kann. Der Auslaß des Flüssigkeitsbereichs 332 des zweiten Phasenseparators ist mit einem zweiten Kapillar-Röhrchen 336 gekoppelt. Ein dritter Verdampfer 338 ist mit dem Auslaß des zweiten Kapillar-Röhrchens 336 gekoppelt, und der Auslaß des dritten Verdampfers 338 ist als ein dritter Eingang mit der Kältemittel-Strömungssteuereinheit 318 verbunden.
Erste und zweite Sensoren 340 und 342 werden beispielsweise zum Feststellen der physikalischen Eigenschaften der ersten und zweiten Verdampfer 308 bzw. 324 benutzt, oder um physikalische Eigenschaften des durch die entsprechenden Verdampfer strömenden Kältemittels festzustellen. Die Sensoren 340 und 342 sind beispielsweise solche vom Typ der Temperatur-, Druck-, Strömungsraten- und/oder Dichtesensoren. Entsprechende Drucksensoren werden beispielsweise irgendwo entlang der Längenausdehnung der Verdampfer 308 und 324 angeschlossen, z.B. bei den entsprechenden Verdampferauslässen. Entsprechende Temperatursensoren werden vorzugsweise an einer Stelle entlang der Längsausdehnung jeweiliger Verdampfer plaziert, an der Zwei-Phasen-Kältemittel fließt. Die ersten und zweiten Sensoren 340 und 342 sind mit einem Timer 344 gekoppelt. Der Timer 344 ist ein variabler Timer.
Anstelle des Timers 344 kann ein Sensorschalter verwendet werden. Weiterhin kann ein fester Timer zum Betreiben der Steuereinheit 318 benutzt werden. Mit dem festen Timer sind natürlich die Sensoren 340 und 342 nicht nötig. Die Sensoren 340 und 342 sind vorzugsweise vom Benutzer einstellbar.
Die in Figur 6 gezeigte Steuereinheit 318 weist erste und zweite steuerbare Ventile 346 und 348 auf. Im einzelnen handelt es sich bei den Ventilen 346 und 348 vorzugsweise um Ein-/Aus-Magnetventile, die auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind. Die Steuereinheit 318 enthält weiter ein Sperrventil 350. Die ersten und zweiten steuerbaren Ventile 346 und 348 erhalten als Eingänge Kältemittel, das durch die Leitungen 320 bzw. 334 strömt. Die Leitung 352, die mit dem dritten Verdampfer verbunden ist, liefert den Kältemitteleingang für das Sperrventil 350.
Im Betrieb öffnet jedes Ventil der Steuereinheit 318 abwechselnd, um dem Kältemittel zu erlauben, durch die jewei ligen Verdampfer zur Verdichtereinheit 302 zu fließen. Ist beispielsweise das erste Ventil 346 offen und das Ventil 348 geschlossen, fließt Kältemittel durch den ersten Verdampfer 308 zum Phasenseparator 310 und über die Leitung 320 zur Verdichtereinheit 302. Zu diesem Zeitpunkt fließt kein Kältemittel durch den zweiten oder dritten Verdampfer 324 und 338.
In ähnlicher Weise strömt bei geschlossenem ersten Ventil 346 und bei geöffnetem zweiten Ventil 348 Kältemittel vom Flüssigkeitsbereich 314 des Phasenseparators 310 durch das Expansionsgerät 322 sowie durch den zweiten Verdampfer 324 zum Phasenseparator 326 und über die Leitung 334 zur Verdichtereinheit 302. Zu dieser Zeit fließt kein dampfförmiges Kältemittel vom ersten Phasenseparator 310 oder vom dritten Verdampfer 338 zur Verdichtereinheit 302. Zu diesem Zeitpunkt fließt Kältemittel durch den ersten Verdampfer 308 vom Kondensor 304.
Wenn beide Ventile 346 und 348 geschlossen sind, öffnet automatisch das dritte Ventil 350 und flüssiges Kältemittel fließt vom Flüssigkeitsbereich 332 des zweiten Phasenseparators durch das Expansionsgerät 336 sowie durch den drit ten Verdampfer 338 zur Verdichtereinheit 302. Zu diesem Zeitpunkt fließt ebenfalls Kältemittel durch den ersten Verdampfer 308 sowie durch den zweiten Verdampfer 324.
Relativ zueinander strömt Kältemittel mit einem höheren Druck durch die Leitung 320, Kältemittel mit einem mittleren Druck strömt durch die Leitung 334 und Kältemittel mit einem geringeren Druck strömt durch die Leitung 350. Der Timer 344 steuert das Tastverhältnis der Steuereinheit 318. Das speziell gewählte Tastverhältnis hängt natürlich von den gewünschten Betriebsparametern jedes Verdampfers ab. Es wird klar sein, daß der Timer 344 die Ventile 346 und 348 so steuert, daß sie abwechselnd offen oder beide geschlossen sind, sie sind jedoch nicht gleichzeitig offen. Normalerweise wird natürlich ein (nicht gezeigter) Thermostat zur Steuerung der Aktivierung der Verdichtereinheit 302 vorgesehen sein.
Der erste Verdampfer 308 arbeitet bei einer Temperatur, die höher ist als die Betriebstemperaturen des zweiten und dritten Verdampfers 310 und 338. Der dritte Verdampfer 338 arbeitet bei einer niedrigeren Temperatur als die Arbeitstemperaturen des ersten und zweiten Verdampfers 310 und 326. Der zweite Verdampfer 310 arbeitet bei einer Temperatur, die zwischen den Betriebstemperaturen des ersten und dritten Verdampfers 308 und 338 liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Leitung 352, d.h. die Ansaugleitung des dritten Verdampfers 338, in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungsanordnung mit dem zweiten Kapillar-Röhrchen 336 und mit dem ersten Kapillar-Röhrchen 322 angeordnet. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert eine Rückgewinnung von spezifischer Kühlkapazttät im dritten Verdampfer 338 in einer ähnlichen Weise, um spezifische Kühlkapazität zurückzugewinnen, wie das mit Bezug auf das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. In der Ausführungsform nach Figur 6 wird jedoch zusätzliche spezifische Kühlkapazität potentiell dadurch zurückgewonnen, daß man die Leitung 352 in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungsanordnung sowohl mit dem ersten Kapillar-Röhrchen 322 als auch mit dem zweiten Kapillar-Röhrchen 336 anordnet.
Figur 7 stellt ein Kühlsystem 400 dar, das nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. In Figur 7 enthält das Kühlsystem 400 eine erste Verdichtereinheit 402 und eine zweite Verdichtereinheit 404, wobei der Auslaß der ersten Verdichtereinheit 402 mit dem Einlaß der zweiten Verdichtereinheit 404 verbunden ist. Ein erstes Kapillar-Röhrchen 406 ist an den Auslaß der zweiten Verdichtereinheit 404 gekoppelt, und der Auslaß des ersten Kapillar-Röhrchens 406 ist mit dem Einlaß eines ersten Expansionsgeräts 408 gekoppelt. Der Auslaß des ersten Expansionsgeräts 408 ist mit dem Einlaß des ersten Verdampfers 410 verbunden, und der Auslaß des ersten Verdampfers 410 ist mit dem Einlaß eines Phasenseparators 412 gekoppelt. Der Phasenseparator 412 enthält einen benachbart zum Einlaß des Phasenseparators angeordneten Schirm 414, einen Dampfberelch 416 sowie einen Flüssigkeitsbereich 418. Der Auslaß des Dampfbereichs 416 ist mit der Leitung 420 verbunden, die zwischen der ersten Verdichtereinheit 402 und der zweiten Verdichtereinheit 404 angeordnet ist und diese miteinander verbindet. Der Flüssigkeitsbereich 418 ist mit einem zweiten Kapillar Röhrchen 422 verbunden. Der Auslaß des zweiten Kapillar- Röhrchens 422 ist mit dem Einlaß eines zweiten Verdampfers 424 verbunden. Der Auslaß des zweiten Verdampfers 424 ist mit einem Akkumulator 426 verbunden, und der Auslaß des Akkumulators 426 ist über die Leitung 428 mit dem Einlaß der ersten Verdichtereinheit 402 verbunden. Der Akkumulator 426 arbeitet in gleicher Weise wie der Betrieb des in Figur gezeigten Akkumulators 134. Im einzelnen ist der Akkumulator 426 identisch mit dem in größerem Detail in Figur 2 gezeigten Akkumulator 134. Vom zweiten Verdampfer 424 abgegebenes flüssiges Kältemittel wird im Akkumulator 426 gespeichert, bis das flüssige Kältemittel verdampft ist, z.B. durch vom zweiten Verdampfer 124 abgegebenes überhitztes Kältemittel.
Dieses Kühlsystem bietet eine Rückgewinnung von spezifischer Kühlkapazität im zweiten Verdampfer 424 in einer Weise, die ähnlich ist zu der Rückgewinnung von spezifischer Kühlkapazität, wie sie unter Bezugnahme auf das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. Insbesondere wird durch die Anordnung der Leitung 428 in einer Gegenstrom-Wärmeübertragungsanordnung mit dem Kapillar-Röhrchen 424 eine Rückgewinnung von spezifischer Kühlkapazität im zweiten Verdampfer 424 erzielt. Die Ausführungsform 400 in Figur 7 dient in erster Linie zur Veranschaulichung eines Kühlkreislaufs mit mehreren Kompressoren oder einem Kompressor mit mehreren Stufen.
Man kann daran denken, daß bei einigen Kühlsystemen nicht die gesamte Energieleistungsfähigkeit sowie Kostenreduzierungen, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten, unbedingt notwendig sind. Im Ergebnis können andere versuchen, die Erfindung, wie sie hier beschrieben wird, zu modifizieren, wobei derartige Modifikationen einen unterschiedlichen Wirkungsgrad resultieren und/oder erhöhte Kosten gegenüber den beschriebenen Ausführungsformen zur Folge haben. Beispielsweise können mehrere Verdichter oder ein Verdichter mit mehreren Stufen oder irgendeine Kombination davon zusammen mit den Kältemittel-Strömungssteuermitteln verwendet werden. Derartige Modifikationen sind möglich, werden in Betracht gezogen und liegen im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche. Weiterhin gilt, daß, obwohl die vorliegende Erfindung hier manchmal mit Bezugnahme auf einen Haushaltskühlschrank beschrieben wurde, sie jedoch nicht auf eine Anwendung mit und/oder in einem Haushaltskühlschrank beschränkt ist.

Claims

1. Kühleinrichtung enthaltend:

einen Kompressor;

mehrere Verdampfer, wobei einer der Verdampfer so angeordnet ist, daß er bei einer tieferen Temperatur als der Betriebstemperatur von einem anderen der Verdampfer arbeitet;

eine erste Leitung, die mit dem Einlaß von dem einen Verdampfer verbunden ist; und

eine zweite Leitung, die mit dem Auslaß des einen Verdampfers verbunden ist, wobei die zweite Leitung wenigstens teilweise in einer ersten Wärmeübertragungsrelation zu der ersten Leitung angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

eine Strömungssteuerung, die so verbunden ist, daß sie wenigstens einen Teil des Kältemittels aufnimmt, das von jedem der Verdampfer abgegeben wird, wobei die Strömungssteuerung wiederholt betreibbar ist, um abwechselnd jeden der Verdampfer zu einer Zeit in einer exklusiven Kältemittel-Strömungsrelation mit dem Kompressor zu verbinden;

wobei die Strömungssteuerung ein steuerbares Ventil, das in der Leitung angeordnet ist, die die Steuerung mit dem eine höhere Temperatur aufweisenden Verdampfer verbindet, und ein Sperrventil aufweist, das in der Leitung angeordnet ist, die die Steuerung mit dem die niedrigere Temperatur aufweisenden Verdampfer verbindet.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei:

ein Kondensor so verbunden ist, daß er von dem Kompressor abgegebenes Kältemittel empfängt;

die mehreren Verdampfer einen ersten Verdampfer, der so verbunden ist, daß er wenigstens einen Teil des von dem Kondensor abgegebenen Kältemittels empfängt, und

einen zweiten Verdampfer aufweisen, der so verbunden ist, daß er wenigstens einen Teil des von dem ersten Verdampfer abgegebenen Kältemittels empfängt,

die zweite Leitung den Auslaß des zweiten Verdampfers mit der Strömungssteuerung verbindet und

eine dritte Leitung vorgesehen ist, die den Kondensor mit dem Einlaß des ersten Verdampfers verbindet.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Wärmeübertragungsanordnung eine Gegenströmungs-Wärmeübertragungsanordnung ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die zweite Leitung einen Akkumulator aufweist, der in der Kältemittel-Strömungsbahn zwischen dem einen Verdampfer und der ersten Wärmeübertragungsanordnung angeordnet ist.

5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Leitung ein Kapillar-Röhrchen aufweist, das wenigstens einen Teil der ersten Wärmeübertragungungsanordnung bildet.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ferner eine dritte Leitung vorgesehen ist, die mit dem Einlaß von einem weiteren Verdampfer verbunden ist, wobei die zweite Leitung wenigstens teilweise in einer zweiten Wärmeübertragunsanordnung mit der dritten Leitung angeordnet ist.

7. Kühleinrichtung nach Abspruch 6, wobei die zweite Wärmeübertragungsanordnung eine Gegenströmungs-Wärmeübertragungsanordnung ist.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, wobei die dritte Leitung ein Kapillar-Röhrchen aufweist, das wenigstens einen Teil der zweiten Wärmeübertragungsanordnung bildet.