DE102017215488A1 - Kältegerät mit mehreren Temperaturzonen - Google Patents

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Abstract

Ein Kältegerät umfasst eine erste und eine zweite Temperaturzone (2, 3), einen Kältemittelkreislauf (13), der zwei parallele Zweige (14, 15) aufweist, wobei ein erster (14) der zwei Zweige eine steuerbare erste Drosselstelle (16) und einen ersten Wärmetauscher (5) zum Temperieren der ersten Temperaturzone (2) aufweist, und ein zweiter (15) der zwei Zweige eine zweite Drosselstelle (18) und einen zweiten Wärmetauscher (6) zum Temperieren der zweiten Temperaturzone (3) aufweist. Eine Verzweigung, an der sich der Kältemittelkreislauf (13) in die zwei Zweige (14, 15) teilt, ist als Abscheider (11) zum Trennen von Gas und Flüssigkeit ausgebildet, und der zweite Zweig (15) ist mit einem Flüssigkeitsauslass (23) des Abscheiders (11) verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit wenigstens zwei Temperaturzonen und einem Kältemittelkreislauf, der zu jeder dieser Temperaturzonen einen Wärmetauscher und eine dem Wärmetauscher vorgeschaltete Drosselstelle aufweist, von denen wenigstens eine steuerbar ist. Mit Hilfe der steuerbaren Drosselstelle ist der Druck des Kältemittels innerhalb des Wärmetauschers in weiten Grenzen veränderbar. Wenn der eingestellte Druck niedriger ist als der Dampfdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur, dann wirkt der Wärmetauscher als Verdampfer, der die zugehörige Temperaturzone kühlt. Ist hingegen die steuerbare Drosselstelle so weit offen, dass der Druck im dahinterliegenden Wärmetauscher den Dampfdruck des Kältemittels bei Umgebungstemperatur übersteigt, dann kann Kältemitteldampf in dem Wärmetauscher kondensieren, und die zugehörige Temperaturzone wird beheizt.
  • Wenn von zwei im Kältemittelkreislauf in parallelen Zweigen angeordneten Wärmetauschern der eine heizen und der andere kühlen soll, dann muss der Kältemittelkreislauf stromaufwärts von den beiden Wärmetauschern sowohl Dampf als auch flüssiges Kältemittel führen. Kältemitteldampf, der in den Zweig des kühlenden Wärmetauschers gelangt, trägt durch den fehlenden Phasenwechsel nicht zur Kühlleistung bei, dennoch muss Arbeit aufgewandt werden, um den Kältemitteldampf durch die dem Wärmetauscher vorgelagerte Drosselstelle zu pressen.
  • Aufgabe der Erfindung ist, den Wirkungsgrad eines Kältegeräts der oben beschriebenen Art zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einer ersten und einer zweiten Temperaturzone, einem Kältemittelkreislauf, der zwei parallele Zweige aufweist, wobei ein erster der zwei Zweige eine steuerbare erste Drosselstelle und einen ersten Wärmetauscher zum Temperieren der ersten Temperaturzone aufweist und ein zweiter der zwei Zweige eine zweite Drosselstelle und einen zweiten Wärmetauscher zum Temperieren der zweiten Temperaturzone aufweist, eine Verzweigung, an der sich der Kältemittelkreislauf in die zwei Zweige teilt, als Abscheider zum Trennen von Gas und Flüssigkeit ausgebildet ist und der zweite Zweig mit einem Flüssigkeitsauslass des Abscheiders verbunden ist.
  • Auf diese Weise kann Kältemitteldampf, der bis zur Verzweigung gelangt, gezielt dem ersten Wärmetauscher zugeführt werden und dort unter Wärmeabgabe kondensieren, während ein nutzloser Abfluss von Dampf über den zweiten Verdampfer unterbunden wird.
  • Die steuerbare erste Drosselstelle sollte auf einen geringeren Druckabfall als den der zweiten Drosselstelle einstellbar sein.
  • Um den für die Kondensation erforderlichen hohen Druck im ersten Wärmetauscher aufrecht erhalten zu können, sollte eine dritte Drosselstelle im ersten Zweig stromabwärts vom ersten Wärmetauscher vorgesehen sein. Damit eine Verstellung der ersten Drosselstelle nicht zwangsläufig auch den Durchsatz des ersten Zweiges verändert, sollte auch die dritte Drosselstelle verstellbar sein.
  • Der Abscheider sollte einen Hohlraum aufweisen, an dem ein Einlass, der Flüssigkeitsauslass und ein Gasauslass gebildet sind.
  • Um eine Trennung von Gas und Flüssigkeit durch Schwerkraft zu ermöglichen, sollte der Flüssigkeitsauslass an einer tieferen Stelle des Hohlraums gelegen sein als der Gasauslass.
  • Der Höhenunterschied sollte auf die Füllmenge des Kältemittelkreises so abgestimmt sein, dass wenn die erste Drosselstelle teiloffen ist, so dass sich Kältemittel an ihr staut, flüssiges Kältemittel in den Gasauslass überlaufen und zum ersten Wärmetauscher gelangen kann. Nur so kann der erste Wärmetauscher auch zum Kühlen der ersten Temperaturzone genutzt werden.
  • Um ein Hineintropfen von Flüssigkeit in den Gasauslass zu vermeiden, sollte der Gasauslass keine nach oben offene Querschnittsfläche aufweisen.
  • Der Abscheider kann zweckmäßigerweise genutzt werden, um darin in an sich bekannter Weise zum Binden von Feuchtigkeitsresten des Kältemittels verwendetes Trocknungsmaterial aufzunehmen.
  • Vorzugsweise befindet sich das Trocknungsmaterial in dem Hohlraum, zwischen dem Einlass und den beiden Auslässen.
  • Dabei sollten der Einlass oberhalb und wenigstens der Flüssigkeitsauslass unterhalb des Trocknungsmaterials angeordnet sein, um eine intensive Wechselwirkung des Trocknungsmaterials wenigstens mit der flüssigen Phase des Kältemittels sicherzustellen.
  • Der Verzweigung sollte im Kältemittelkreislauf ein Verflüssiger vorgeschaltet sein, um eine ausreichende Versorgung des zweiten Zweiges sicherzustellen.
  • Um aus dem ersten Wärmetauscher austretendes flüssiges Kältemittel zu nutzen, sollte ihm im Kältemittelkreislauf ein Verdampfer nachgeschaltet sein. Vorzugsweise befindet sich dieser Verdampfer stromabwärts von einem Vereinigungspunkt, an dem die Zweige aufeinandertreffen.
  • Eine vierte Drosselstelle kann im zweiten Zweig stromabwärts vom ersten Wärmetauscher vorgesehen sein, um in diesem eine höhere Verdampfungstemperatur als in einem weiter stromabwärts gelegenen Verdampfer einstellen zu können.
  • Ein drehzahlgeregelter Verdichter ermöglicht einen ununterbrochenen Verdichterbetrieb und damit die kontinuierliche Aufrechterhaltung der in den Wärmetauschern eingestellten Drücke.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kältegeräts;
    • 2 eine erste Ausgestaltung eines Abscheiders des Kältegeräts im axialen Schnitt;
    • 3 eine zweite Ausgestaltung des Abscheiders; und
    • 4 eine dritte Ausgestaltung des Abscheiders.
  • 1 zeigt schematisch ein Haushaltskältegerät mit einem wärmedämmenden Gehäuse 1, in dem mehrere Temperaturzonen 2, 3, 4 jeweils in Form eines mit einer Tür verschließbaren Fachs gebildet sind. Die Fig. zeigt drei solche Temperaturzonen, weitere können vorgesehen sein.
  • Jeder Temperaturzone 2, 3, 4 ist ein Wärmetauscher 5, 6, 7 zugeordnet, z. B. ein Plattenwärmetauscher vom Rollbond- oder Tube-on-Sheet-Typ. Ein solcher Wärmetauscher kann im Innern des Fachs der Temperaturzone 2, 3, 4 freiliegend vor einer Wand oder in der Wand, zwischen einer Wärmedämmschicht und einem das Fach begrenzenden Innenbehälter, montiert sein.
  • Alternativ können die Temperaturzonen 2, 3, 4 auch in ein Lagerfach und eine Wärmetauscherkammer gegliedert sein, wobei ein Ventilator 8 den Luftaustausch zwischen dem Lagerfach und der Wärmetauscherkammer antreibt.
  • Die Wärmetauscher 5, 6, 7 bilden zusammen mit einem drehzahlgeregelten Verdichter 9, einem Verflüssiger 10, einem Abscheider 11, mehreren Drosselstellen und einer sie verbindenden Kältemittelleitung 12 einen Kältemittelkreislauf 13. Ausgehend vom Verdichter 8 verläuft ein Hochdruckabschnitt der Kältemittelleitung 12 über den Verflüssiger 10 zum Abscheider 11. Dort teilt sie sich in zwei Zweige 14, 15. Am Zweig 14 sind eine Drosselstelle 16, der Wärmetauscher 5 und eine Drosselstelle 17 in Reihe verbunden, am Zweig 15 eine Drosselstelle 18, der Wärmetauscher 6 und eine Drosselstelle 19. An einem Vereinigungspunkt 20 treffen die Zweige 14, 15 wieder zusammen; von dort aus erstreckt sich ein Niederdruckabschnitt der Kältemittelleitung 12 über den Wärmetauscher 7 zurück zum Verdichter 9.
  • Durch die Drosselstellen 16-19 sind die Wärmetauscher 5, 6 auf einem höheren Druck gehalten als der Wärmetauscher 7. Da somit im Wärmetauscher 7 die niedrigste Verdampfungstemperatur herrscht, wird die Temperaturzone 4 typischerweise als Gefrierzone genutzt. Die Durchlässigkeit der Drosselstellen 18, 19 ist so gewählt, dass die sich im Wärmetauscher 6 einstellende Verdampfungstemperatur deutlich über der des Wärmetauschers 7 liegt und eine Nutzung der Temperaturzone 3 als Normal- oder Frischkühlzone ermöglicht.
  • Der Druckabfall an der Drosselstelle 16 ist zwischen Werten, die eine Nutzung auch der Temperaturzone 2 als Normal- oder Frischkühlzone ermöglichen, und nahezu Null einstellbar. Wenn die Drücke im Verflüssiger 10 und im Wärmetauscher 5 praktisch gleich sind, dann hat das zur Folge, dass die Kondensation des Kältemittels nicht nur im Verflüssiger 9, sondern auch im Wärmetauscher 5 stattfindet und dieser die Temperaturzone 2 auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur aufheizt.
  • Eine zwangsläufige Konsequenz aus der Kondensation im Wärmetauscher 5 ist, dass nicht nur flüssiges Kältemittel, sondern auch Dampf den Verflüssiger 9 verlässt und in der Kältemittelleitung vordringt. Würde dieser Dampf in den Zweig 15 gelangen, so würde er an der Drosselstelle 18 wieder expandieren; dabei ginge die vom Verdichter 9 an diesem Dampf geleistete Arbeit verloren, ohne eine nutzbare Kühlwirkung zu entfalten. Umgekehrt kann flüssiges Kältemittel, das vom Verflüssiger 9 in den Zweig 14 gelangt, an dessen Wärmetauscher 5 nicht mehr nennenswert Wärme freisetzen, steht aber gleichzeitig zum Kühlen der Temperaturzone 3 nicht mehr zur Verfügung. Der Abscheider 11 sorgt dafür, dass selektiv das im Verflüssiger 9 bereits verflüssigte Kältemittel dem Wärmetauscher 6 zugeführt wird, so dass diesem die Wärmeabgabeleistung des Verflüssigers 9 ohne Verluste zugute kommt, während der Dampf in den Wärmetauscher 5 eingespeist wird und dessen Heizleistung somit durch den vorgeschalteten Verflüssiger 9 nicht merklich gemindert ist.
  • 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den Abscheider 11 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Ein Gehäuse 21 ist durch ein - vorzugsweise metallisches - Rohrstück gebildet, das an seinen Enden verjüngt ist, um einen Einlass 22 für vom Verflüssiger 9 herrührendes Phasengemisch und einen Auslass 23 für flüssiges Kältemittel zu bilden. Ein Ende des Zweigs 15 ist in den Auslass 23 eingelötet. In mittlerer Höhe ist eine Öffnung in das Gehäuse 21 gebohrt und von einer Muffe umgeben, um einen Auslass 24 für Kältemitteldampf zu bilden. In diesen Auslass 24 ist ein Ende des Zweiges 14 eingefügt.
  • Das Innere des Gehäuses 21 ist durch ein Sieb oder Rost 25 unterteilt in eine obere und eine untere Kammer 26, 27. Der Einlass 22 mündet in die mit einem Trocknungsmaterial 28 gefüllte obere Kammer 26. Die Auslässe 23, 24 gehen von der unteren Kammer 27 aus. Das zuströmende Phasengemisch durchläuft daher im Abscheider 11 zunächst das Trocknungsmaterial 28, wo im Kältemittel mitgeführtes, ursprünglich beim Zusammenbau des Kältemittelkreises an Innenseiten der Kältemittelleitung 12 und der Wärmetauscher 5, 6, 7 adsorbierte Feuchtigkeit gebunden und dem Kreislauf entzogen wird. Das körnige Trocknungsmaterial 28 und der Rost 25 können gleichzeitig auch einen Filter zum Abfangen von partikelförmigen Verunreinigungen aus dem Kältemittelstrom bilden.
  • Flüssiges Kältemittel tropft vom Rost 25 zum Boden der Kammer 27 und verlässt den Abscheider über den von dort ausgehenden Auslass 23. Um flüssiges Kältemittel vom Auslass 24 fernzuhalten, kann es genügen, wenn dessen Querschnittsfläche wie in 2 gezeigt in seitlicher Richtung oder nach unten offen ist, so dass nichts hineintropfen kann. Im Fall der 2 ist der Rost 25 von einer umlaufenden Schürze 29 umgeben, deren unterer Rand eine vom Auslass 24 horizontal beabstandete Abtropfkante bildet. So wird verhindert, dass flüssiges Kältemittel an der Innenwand des Gehäuses 21 herabfließt und dabei, von der Dampfströmung mitgezogen, in den Auslass 24 gelangt.
  • 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung des Abscheiders 11. Auch bei dieser Ausgestaltung ist ein Gehäuse 21' durch ein an seinen Enden verjüngtes Rohrstück gebildet, allerdings ist das Bohren einer Öffnung vermieden, indem Auslässe 23', 24' für Flüssigkeit und für Dampf durch in ein unteres Ende des Gehäuses 21' eingefügte Enden der Zweige 14, 15 gebildet sind. Der Zweig 15 reicht nur so weit in das Gehäuse 21' hinein, dass der Auslass 23' an der tiefsten Stelle seines Innenraums zu liegen kommt und flüssiges Kältemittel über den Auslass 23' restlos abfließen kann. Der Zweig 14' reicht weiter in das Gehäuse 21' hinein, so dass der Auslass 24' höher liegt als der Auslass 23'.
  • Der Auslass 24' könnte, wie in 3 für den Auslass 23' gezeigt, ein gerade abgeschnittenes, nach oben offenes Rohrende sein; geringe Mengen an flüssigem Kältemittel, die über ein solches Rohrende zum Wärmetauscher 5 gelangen, beeinträchtigen dessen Heizleistung nicht nennenswert, da sie nur einen geringen Teil seines Volumendurchsatzes ausmachen. Um auch solche geringen Mengen vom Wärmetauscher 5 fernzuhalten, könnte der Rost 25' über dem Auslass 24' lokal undurchlässig gemacht sein, so dass sich über dem Auslass 24' keine Tropfen bilden und herunterfallen können; im hier gezeigten Fall ist das Ende des Zweigs 14 leicht umgebogen und entlang einer im Wesentlichen vertikalen Fläche geschnitten, um den Auslass 24' zu bilden.
  • 4 zeigt eine Ausgestaltung des Abscheiders 11 nach dem Fliehkraftprinzip. Ein Einlass 22" ist hier durch ein Rohr 30" gebildet, das orthogonal zu einer Achse 31" des Gehäuses 21" und seitlich gegen die Achse 31" versetzt in das Gehäuse 21" einmündet. Der Versatz lässt das Kältemittel im Gehäuse 21" um die Achse 31" rotieren, so dass flüssige Anteile sich an der Gehäusewand absetzen und über einen Auslass 23" am Boden des Gehäuses 21" in den Zweig 15 gelangen. Der Dampf verlässt das Gehäuse über einen Auslass 24" am Ende des von oben in das Gehäuse 21" eingreifenden Zweiges 14.
  • Das Trocknungsmaterial 28 kann in dem Rohr 30" oder am Boden des Gehäuses 21" angeordnet sein. In letzterem Falle gelangt zwar im Wesentlichen nur die flüssige Phase des Kältemittels mit dem Trocknungsmaterial in Kontakt, doch beeinträchtigt dies die Wirkung des Trocknungsmaterials nicht wesentlich, da aufgrund der höheren Dichte der Flüssigkeit Wassermoleküle dort eine wesentlich höhere Wahrscheinlichkeit haben, mit dem Trocknungsmaterial in Kontakt zu kommen und gebunden zu werden, als in der Dampfphase.
  • Im Wärmetauscher 5 kondensiertes Kältemittel gelangt über die Drosselstelle 17 in den Wärmetauscher 7 und verdampft dort wieder.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gehäuse
    2
    Temperaturzone
    3
    Temperaturzone
    4
    Temperaturzone
    5
    Wärmetauscher
    6
    Wärmetauscher
    7
    Wärmetauscher
    8
    Ventilator
    9
    Verdichter
    10
    Verflüssiger
    11
    Abscheider
    12
    Kältemittelleitung
    13
    Kältemittelkreislauf
    14
    Zweig
    15
    Zweig
    16
    Drosselstelle
    17
    Drosselstelle
    18
    Drosselstelle
    19
    Drosselstelle
    20
    Vereinigungspunkt
    21
    Gehäuse
    22
    Einlass
    23
    Auslass
    24
    Auslass
    25
    Rost
    26
    obere Kammer
    27
    untere Kammer
    28
    Trocknungsmaterial
    29
    Schürze
    30
    Rohr
    31
    Achse

Claims (14)

  1. Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einer ersten und einer zweiten Temperaturzone (2, 3), einem Kältemittelkreislauf (13), der zwei parallele Zweige (14, 15) aufweist, wobei ein erster (14) der zwei Zweige eine steuerbare erste Drosselstelle (16) und einen ersten Wärmetauscher (5) zum Temperieren der ersten Temperaturzone (2) aufweist, wobei ein zweiter (15) der zwei Zweige eine zweite Drosselstelle (18) und einen zweiten Wärmetauscher (6) zum Temperieren der zweiten Temperaturzone (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzweigung, an der sich der Kältemittelkreislauf (13) in die zwei Zweige (14, 15) teilt, als Abscheider (11) zum Trennen von Gas und Flüssigkeit ausgebildet ist und der zweite Zweig (15) mit einem Flüssigkeitsauslass (23) des Abscheiders (11) verbunden ist.
  2. Kältegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare erste Drosselstelle (16) auf einen geringeren Druckabfall als den der zweiten Drosselstelle (18) einstellbar ist.
  3. Kältegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare dritte Drosselstelle (17) im ersten Zweig (14) stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (5) vorgesehen ist.
  4. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (11) einen Hohlraum (26, 27) aufweist, an dem ein Einlass (22), der Flüssigkeitsauslass (23) und ein Gasauslass (24) gebildet sind.
  5. Kältegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsauslass (23) tiefer gelegen ist als der Gasauslass (24).
  6. Kältegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied auf die Füllmenge des Kältemittelkreises (13) abgestimmt ist, um im Fall, dass sich Kältemittel an der ersten Drosselstelle (16) staut, ein Überlaufen von flüssigem Kältemittel in Gasauslass (24) zu ermöglichen.
  7. Kältegerät nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (24) keine nach oben offene Querschnittsfläche aufweist.
  8. Kältegerät nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (11) ein Trocknungsmaterial (28) enthält.
  9. Kältegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmaterial (28) in dem Hohlraum (26) untergebracht ist.
  10. Kältegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (22) oberhalb und wenigstens der Flüssigkeitsauslass (24) unterhalb des Trocknungsmaterials (28) angeordnet ist.
  11. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abscheider (11) im Kältemittelkreislauf (13) ein Verflüssiger (10) vorgeschaltet ist.
  12. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem Vereinigungspunkt (20), an dem die Zweige (14, 15) aufeinandertreffen, im Kältemittelkreislauf (13) ein Verdampfer (7) nachgeschaltet ist.
  13. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Drosselstelle (19) im zweiten Zweig (15) stromabwärts vom zweiten Wärmetauscher (6) vorgesehen ist.
  14. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (13) einen drehzahlgeregelten Verdichter (9) aufweist.
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