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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einem Verdampfer und einem dem Verdampfer vorgeschalteten geregelten Expansionsventil.
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Geregelte Expansionsventile (im Folgenden kurz als Expansionsventile bezeichnet) sind in Großkälteanlagen seit langem gebräuchlich, da sie eine Regelung des Verdampfungsdrucks anhand von am Verdampfer gewonnenen Messwerten ermöglichen und so einen besseren Wirkungsrad erreichen können als die bei Haushaltskältegeräten verbreitete Kapillare. Der umfassenden Verwendung von Expansionsventilen bei Haushaltskältegeräten stehen jedoch diverse Probleme entgegen. Eines davon liegt in der Tatsache begründet, dass die Expansion - und damit die Temperaturabnahme - in der Kapillare sich über deren gesamte Länge verteilt. So ist ein stromaufwärtiges Ende der Kapillare, das mit Umgebungsluft in Kontakt kommt, in der Regel warm genug, um eine Betauung zu verhindern, und ein stromabwärtiges Ende, das an den Verdampfer angeschlossen ist, hat eine ausreichend geringe Wärmekapazität, um bei einem Abtauen des Verdampfers mit abgetaut zu werden, ohne dass dafür eine eigene Heizung erforderlich ist. Das geregelte Expansionsventil hat hingegen eine kompakte Bauform, die vom expandierenden Kältemittel komplett abgekühlt wird und auf der es wie auf dem Verdampfer zur Reifbildung kommen kann; da aber die Wärmekapazität des geregelten Expansionsventils wesentlich größer ist als die des stromabwärtigen Endes einer Kapillare, kann eine Abtauung des Expansionsventils durch eine Abtauheizung des Verdampfers nicht sichergestellt werden, vor allem wenn Expansionsventil und Verdampfer nicht in engem Kontakt zueinander montiert sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein kostengünstig zu fertigendes Kältegerät mit Expansionsventil zu schaffen und insbesondere ein Kältegerät zu schaffen, bei dem keine eigene Abtauheizung für das Expansionsventil benötigt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät mit einem Verdampfer und einem dem Verdampfer vorgeschalteten geregelten Expansionsventil zum Steuern der Zufuhr von Kältemittel zu dem Verdampfer das Expansionsventil mit dem Verdampfer über ein Drosselrohr verbunden ist. Indem sich die Expansion des Kältemittels auf das Expansionsventil und das ihm nachgeschaltete Drosselrohr verteilt, ist sichergestellt, dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Ausgang des Expansionsventils - und damit die Oberflächentemperatur des Expansionsventils - höher ist als die Temperatur des Verdampfers. Reifbildung bleibt dadurch auf den Verdampfer lokalisiert; am Expansionsventil werden weder eine Heizung noch Vorkehrungen zum Ableiten von Tauwasser benötigt.
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Ein Sensor, der die zum Regeln des Expansionsventils benötigten Messdaten liefert, sollte an dem stromabwärts vom Drosselrohr angeordneten Verdampfer vorgesehen sein.
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Der Verdampfer sollte eine Abtauheizung aufweisen. Vorzugsweise ist die Abtauheizung derart gestaltet, dass eine Einspritzstelle und vorteilhaft auch ein an die Einspritzstelle angrenzender Abschnitt der Kapillare von einem während einer Abtauung erwärmten Verdampferrohr mittels Wärmeleitung ebenfalls erwärmt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Einspritzstelle keine eigene Abtauheizung erfordert. In Kombination mit dem Expansionsventil hat diese Anordnung den Vorteil, dass eine Steuerung der Kältemittel Durchflussrate durch ein Expansionsventil erfolgt, jedoch kein zusätzlicher Aufwand für eine Abtauheizung erforderlich ist.
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Üblicherweise hat ein Haushaltskältegerät einen von einer Wärmedämmschicht einen Innenraum, in dem wenigstens ein Lagerfach Platz findet. Erfindungsgemäß sollten in dem Innenraum auch der das Lagerfach kühlende Verdampfer und das Expansionsventil untergebracht sein.
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Um eine Ausbreitung von Wärme des dem Expansionsventil zugeführten verdichteten Kältemittels im Lagerfach zu verhindern, und um einen Zugriff zu Wartungszwecken zu ermöglichen, ist das Expansionsventil vorzugsweise in einer vom Lagerfach aus zugänglichen Kammer untergebracht.
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Um eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Ausgang des Expansionsventils sicherzustellen, sollte die Länge des Drosselrohrs wenigstens 100 mm betragen. Um andererseits den Regelspielraum des Expansionsventils nicht unnötig einzuschränken, sollte die Länge des Drosselrohrs 400 mm nicht überschreiten. Zweckmäßig ist eine Länge um 200 mm.
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Grundsätzlich ist es wünschenswert, den von einer Wärmedämmschicht umgebenen Innenraum des Kältegeräts möglichst vollständig zur Unterbringung von Kühlgut nutzen zu können und keinen Platz für das Expansionsventil und eine eventuell erforderliche geräuschdämpfende Kapselung desselben opfern zu müssen. Deswegen ist es an sich grundsätzlich wünschenswert, das Expansionsventil außerhalb der Wärmedämmschicht, insbesondere in einem Maschinenraum des Kältegeräts, unterzubringen. Der dort verfügbare Platz kann für eine Kapselung oder andere das Betriebsgeräusch des Expansionsventils dämpfende Maßnahmen genutzt werden.
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In diesem Fall ist zum Verhindern des Betauens eine höhere Temperatur am Auslass des Expansionsventils wünschenswert als bei einem innerhalb der Isolationsschicht untergebrachten Expansionsventil. Daher sollte auch das Drosselrohr einen höheren Druckabfall aufweisen und kann dazu eine größere Länge, vorzugsweise im Bereich 400 bis 2000 mm, haben.
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Um einen ausreichenden Druckabfall zu erzielen, sollte der freie Durchmesser des Drosselrohrs 1 mm nicht überschreiten und vorzugsweise unter 0,75 mm liegen. Andererseits ist ein Durchmesser von nicht unter 0,5 mm wünschenswert, um einen ausreichenden Massenstrom des Kältemittels zu ermöglichen.
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Die Abmessungen des Drosselrohrs können mit den Leistungsdaten eines üblicherweise vorhandenen Verdichters abgestimmt sein, um bei laufendem Verdichter ein Druckgefälle aufrecht zu erhalten, das einer Differenz von mindestens 1°C zwischen den Siedetemperaturen des Kältemittels zwischen dem Expansionsventil und einem Einlass des Drosselrohrs einerseits und im Verdampfer andererseits entspricht. Bei einem innerhalb der Wärmedämmschicht angeordneten Expansionsventil kann eine solche geringe Temperaturdifferenz bereits genügen, um ein anhaltendes Betauen und Reifbildung am Expansionsventil zu verhindern.
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Um auch ein kurzzeitiges Betauen des Expansionsventils zu verhindern, kann die Abstimmung von Verdichter und Drosselrohr so erfolgen, dass die Siedetemperatur des Kältemittels zwischen dem Expansionsventil und dem Einlass des Drosselrohrs höher ist als die Temperatur eines von dem Verdampfer gekühlten Lagerfachs.
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Eine solche hohe Siedetemperatur am Auslass des Expansionsventils ist insbesondere bei einem außerhalb der Wärmedämmschicht angeordneten Expansionsventil wünschenswert, um Betauung und Korrosion zu vermeiden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figuren. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Kältegerät;
- 2 einen alternativen Schnitt,
- 3 ein Blockdiagramm des Kältegeräts, und
- 4 einen weiteren alternativen Schnitt.
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Haushaltskältegerät mit Expansionsventil. Ein Korpus 1 des Geräts umfasst in an sich bekannter Weise wenigstens einen Innenraum 2, der durch einen aus Kunststoff tiefgezogenen Innenbehälter 3 von einer den Innenraum 2 umgebenden wärmedämmenden Schaumstoffschicht abgegrenzt ist. Der Innenraum 2 ist hier durch eine Zwischenwand 4 unterteilt in ein Lagerfach 5 und eine Verdampferkammer 6, die einen das Lagerfach kühlenden Verdampfer 7 und einen Ventilator 8 zum Antreiben des Luftaustauschs zwischen dem Lagerfach 5 und der Verdampferkammer 6 über Öffnungen der Zwischenwand 4 beherbergt.
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Der Verdampfer 7 ist hier ein Lamellenverdampfer von an sich bekannter Bauart, mit einer Mehrzahl von plattenförmigen Lamellen 14, die sich in Höhen- und Tiefenrichtung des Korpus 1 erstrecken und haarnadelförmig gebogenen Abschnitten einer Kältemittelleitung 9, die in Löcher der Lamellen 14 eingreifen und an den Rändern der Löcher wärmeleitend befestigt sind, und mit einer ebenfalls haarnadelförmig gebogenen, in Löcher der Lamellen eingreifenden Abtauheizung 10.
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Eine Ausbuchtung des Innenbehälters 3 begrenzt eine Kammer 12, in der das Expansionsventil 11 untergebracht ist. In der Ausgestaltung der 1 befindet sich die Ausbuchtung an einer Decke 13 des Innenraums 2; denkbar wäre auch eine Unterbringung an einer Seitenwand oder in einem nicht vom Verdampfer 7 bedeckten Bereich der Rückwand 15. Die Ausbuchtung 12 ist vom Lagerfach 5 durch einen Deckel 16, eine Klappe oder dergleichen abgegrenzt. Ein Drosselrohr 17 erstreckt sich von einem Auslass des Expansionsventils 11 zum Verdampfer 7. Das Drosselrohr 17 verläuft innerhalb des Innenbehälters, ist aber vom Lagerfach 5 durch den Deckel 16 und die Zwischenwand 4 getrennt.
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2 zeigt eine alternative Platzierung des Expansionsventils 11 anhand eines horizontalen Schnitts durch den hinteren Teil des Innenbehälters 3 gemäß einer abgewandelten Ausgestaltung. Das Expansionsventil 11 und der Verdampfer 7 sind nebeneinander an der Rückwand 15 des Innenbehälters 3 montiert. Die Zwischenwand 4 ist entfernbar und trägt zwei Bypassblocker 18, 19, die den Verdampfer 7 beiderseits umgreifen und an dessen beiden äußeren Lamellen 14 anliegen. Der Bypassblocker 18 ist im montierten Zustand zwischen dem Verdampfer 7 und einer Seitenwand des Innenbehälters 3 geklemmt. Der Bypassblocker 19 bildet im montierten Zustand eine Trennwand zwischen dem Verdampfer 7 und einer das Expansionsventil 11 aufnehmenden Kammer 21. Der Bypassblocker 19 kann Teil, insbesondere eine Seitenwand, eines Formkörpers 20, z.B.aus Schaumstoff, sein, in dem eine zur Rückwand 15 offene, das Expansionsventil 11 aufnehmende Aussparung gebildet ist. Das Drosselrohr 17 erstreckt sich durch eine Kerbe an einer der Rückwand 15 zugewandten Kante des Bypassblockers 19. Dieselbe Kerbe kann auch ein Signalkabel aufnehmen, das das Expansionsventil 11 mit einem Sensor 22 (s. 3) am Verdampfer 7 verbindet. Die Zwischenwand 4 nimmt hier somit auch die Funktion des Deckels 16 der 1 wahr, das Expansionsventil 11 vom Lagerfach 5 abzuschirmen und einen Abfluss von Wärme von einem Einlass des Expansionsventils 11 oder der dort einmündenden Leitung in das Lagerfach 5 zu verringern.
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Um eine Steuerung des Expansionsventils 11 zu ermöglichen, durch die der Druck im Verdampfer 5 trotz eventuell schwankender Wärmelast konstant gehalten wird kann als Sensor 22 ein Drucksensor verwendet werden. Alternativ kann ein Temperatursensor verwendet werden, da die Siedetemperatur des Kältemittels im Verdampfer 7 einen Rückschluss auf den Druck zulässt. Die Regelung des Expansionsventils anhand eines Temperatursensors ist zwar träger als anhand eines Drucksensors, hat aber den Vorteil, dass kein unmittelbarer Kontakt des Sensors mit dem Kältemittel erforderlich ist und der Einbau des Sensors daher keine Dichtigkeitsprobleme aufwirft.
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3 zeigt ein Blockdiagramm des Kältemittelkreislaufs des Kältegeräts aus 1 oder 2. Ein Einlass des Expansionsventils 11 ist über einen Verflüssiger 23 mit dem Druckanschluss eines Verdichters 24 verbunden. Ein Auslass des Expansionsventils 11 mündet über das Drosselrohr 17 in den Verdampfer 7. Ein Auslass des Verdampfers 7 ist direkt oder über wenigstens einen weiteren, ein weiteres Fach kühlenden Verdampfer mit einem Sauganschluss des Verdichters 24 verbunden.
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Der Verdichter 24 ist durch einen am Lagerfach 5 angeordneten Temperatursensor 25 gesteuert. Der Verdichter 24 kann ein Verdichter mit fester Drehzahl sein, der bei Überschreitung einer oberen Grenztemperatur des Lagerfachs 5 ein- und bei Unterschreitung einer unteren Grenztemperatur ausgeschaltet wird; es kann sich auch um einen Verdichter mit variabler Drehzahl handeln, dessen Drehzahl bei Überschreitung einer oberen Grenztemperatur inkrementiert und bei Unterschreitung einer unteren Grenztemperatur dekrementiert wird und dabei diverse von Null verschiedene Werte annehmen kann.
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Die Abmessungen des Drosselrohrs 17 sind auf den Durchsatz des Verdichters 24 abgestimmt, um im Falle eines Verdichters mit fester Drehzahl im eingeschalteten Zustand, im Falle eines Verdichters mit variabler Drehzahl in einem normalen Betriebsbedingungen, etwa zum Aufrechterhalten einer Solltemperatur ohne Öffnen einer Tür des Lagerfachs 5, entsprechenden Drehzahlbereich einen Druckabfall am Drosselrohr 17 zu erzeugen, der einer Änderung der Siedetemperatur des Kältemittels um wenigstens 1° C zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende des Drosselrohrs 17 entspricht. Ein Durchmesser des Drosselrohrs 17 von ca. 0,6 mm und eine Länge von ca. 200 mm haben sich als geeignet erwiesen. Die optimalen Abmessungen des Drosselrohrs 17 sind je nach Größe des Kältegeräts und dem dementsprechend benötigten Massenstrom des Kältemittels variabel, können aber unter Verwendung der oben genannten Werte als Anfangswert leicht experimentell optimiert werden.
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Das Drosselrohr 17 kann natürlich auch bemessen sein, um eine Verdampfungstemperatur am Ausgang des Expansionsventils 11 einzustellen, die mehrere °C über der Temperatur des Verdampfers 7, ggf. sogar über der Solltemperatur des Lagerfachs 5, liegt. So kann insbesondere dann, wenn das Expansionsventil in einer Aussparung der Wärmedämmschicht untergebracht ist, diese also in der Nachbarschaft des Expansionventils 11 dünner ist als anderenorts, ein starker Temperaturgradient an der Aussparung vermieden werden, der zu erhöhtem Wärmezufluss von der Umgebung durch die Wärmedämmschicht ins Lagerfach 5 führen würde.
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4 zeigt, wieder anhand eines vertikalen Schnitts analog zu 1, eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältegeräts. Gleiche Bezugszeichen in dieser Figur bezeichnen gleiche Komponenten wie in 1 und 3; die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher auf die Unterschiede zu den vorbeschriebenen Ausgestaltungen. An einer Rückseite des Korpus 1 ist in an sich bekannter Weise ein Maschinenraum 26 zur Unterbringung des Verdichters 24 und eventuell des Verflüssigers 23 ausgespart; hier bietet der Maschinenraum 26 auch dem Expansionsventil 11 Platz. Um das Expansionsventil 11 trotz der im Allgemeinen über der Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen des Maschinenraums und einer infolge dort stattfindender Verdunstung von vom Verdampfer 7 abgeführtem Tauwasser relativ hoher Luftfeuchtigkeit von Betauung zu schützen, sollte die Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Auslass des Expansionsventils 11 deutlich höher liegen als bei den Ausgestaltungen der 1 und 2. Der Druckabfall im Expansionsventil 11 kann daher bemessen sein, um eine Abkühlung des Kältemittels lediglich auf Umgebungstemperatur zu erreichen, die erforderliche weitere Abkühlung auf die gewünschte Temperatur des Verdampfers 7 findet im Drosselrohr 17 statt. Dessen Länge ist daher deutlich größer als im Fall der 1 und 2 und kann insbesondere im Bereich 400 bis 2000 mm liegen. Um die Ausbreitung von Betriebsgeräusch des Expansionsventils 11 zu minimieren, kann das Expansionsventil 11 im Maschinenraum 26 in ähnlicher Weise wie der Verdichter 24 von einer Kapsel 27 umschlossen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Korpus
- 2
- Innenraum
- 3
- Innenbehälter
- 4
- Zwischenwand
- 5
- Lagerfach
- 6
- Verdampferkammer
- 7
- Verdampfer
- 8
- Ventilator
- 9
- Kältemittelleitung
- 10
- Abtauheizung
- 11
- Expansionsventil
- 12
- Ausbuchtung
- 13
- Decke
- 14
- Lamelle
- 15
- Rückwand
- 16
- Deckel
- 17
- Drosselrohr
- 18
- Bypassblocker
- 19
- Bypassblocker
- 20
- Formkörper
- 21
- Kammer
- 22
- Sensor
- 23
- Verflüssiger
- 24
- Verdichter
- 25
- Temperatursensor
- 26
- Maschinenraum