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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät.
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Ein solcher Kältekreislauf zur Kühlung einer Lagerkammer bzw. eines Kühlraums des Kältegerätes weist beispielsweise einen Verdichter zum Verdichten von Kältemitteldampf, einen dem Verdichter nachgeschalteten Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemitteldampfes und einen dem Verflüssiger nachgeschalteten und dem Verdichter vorgeschalteten Verdampfer zum Verdampfen des verflüssigten Kältemittels. Verdichter und Verdampfer sind dann bevorzugt jeweils mit einem Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen zugeführter Luft und dem Fluid versehen.
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In den Kühlraum von Kältegeräten eingebrachte Feuchtigkeit schlägt sich häufig aufgrund der niedrigen Temperaturen am Verdampfer nieder. Dadurch kann sich eine Eisschicht aufbauen, die die Wärmeübertragung des Verdampfers und somit die Effizienz des Gesamtgerätes verringert.
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Um ein manuelles Abtauen zu vermeiden werden so genannte “Nofrost-Verdampfer“ verwendet. Bei diesen Verdampfern wird der Verdampfer nach einiger Zeit in der Regel mittels einer elektrischen Heizung erwärmt. Ein solcher Verdampfer wird beispielsweise in der
DE 080 54 935 A1 beschrieben. Das Eis wird dabei abgetaut und das geschmolzene Wasser nach außen geleitet. Auf den Energieverbrauch wirkt sich eine elektrische Abtauheizung jedoch doppelt negativ aus, da zum einen das Abtauen des Eises und zum anderen das anschließende Abführen der so eingebrachten Wärme zur Erhöhung des Stromverbrauchs beitragen.
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Es sind verschiedene Ansätze bekannt, das Eis am Verdampfer mittels Heißgas abzutauen. Eine nahe liegende Methode ist das Kurzschließen des Kältekreislaufs, so dass heißes Gas durch den Verdampfer strömt. Im Endeffekt wird hierbei durch den Verdichter eingebrachte elektrische Leistung zur Abtauung verwendet.
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In der
US 4420943 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein parallel zum Verdichter angeordnetes Ventil geöffnet wird. Dadurch kondensiert Kältemittel im Verdampfer und erwärmt diesen. Grundsätzlich entspricht dies Stillstandsverlusten in Geräten ohne Stoppventil.
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Da die Abtauleistung hierbei begrenzt ist, schlägt die
US 5669222 eine passive Methode zur Rückführung flüssigen Kältemittels mittels Schwerkraft zum warmen Verdichter vor. Dort verdampft das Kältemittel im Ölsumpf und kann dann erneut im abzutauenden Verdampfer verflüssigen. Positiv ist hierbei, dass dabei der Verdichter gekühlt wird. Allerdings wird immer noch von außen eingebrachte Energie in Abtauwärme umgesetzt.
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Das in der
US-5269151 beschriebene Kältegerät grenzt sich dadurch positiv ab, dass aus dem Fach abgeführte Wärme zur Abtauung verwendet wird. Dies erfolgt über einen thermischen Speicher, der während der Kälteerzeugung erwärmt wird. Nachteilig ist hierbei, dass der Energieverbrauch durch eine erhöhte Verflüssigungstemperatur ansteigen kann.
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Die einfache Umkehr des Kältekreislaufs, um den Verdampfer zum Zweck der Abtauung zu erwärmen, funktioniert kaum, da das Kältemittel am kältesten Punkt, d. h. im Verdampfer, kondensiert. Ein nennenswerter Massenstrom wird erst erreicht, wenn der Verdampfer wärmer als der Verflüssiger ist. Die Abtauung hat sich bis dahin jedoch aufgrund des dann warmen Verdampfers bereits erübrigt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kältekreislauf eines Kältegerätes zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch einen Kältekreislauf eines Kältegerätes mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß weist ein erfindungsgemäßer Kältekreislauf zur Kühlung einer Lagerkammer eines Kältegerätes wenigstens einen Verdichter zum Verdichten von Kältemitteldampf, einen dem Verdichter nachgeschalteten Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemitteldampfes und wenigstens einen ersten Verdampfer und einen mit dem ersten Verdampfer über eine Drossel und parallel zur Drossel über ein Absperrventil fluidtechnisch verbundenen dem Verdichter vorgeschalteten zweiten Verdampfer zum Verdampfen des verflüssigten Kältemittels auf. Es sind somit zwei Verdampfer, d. h. der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer, in Reihe geschaltet. Der zweite Verdampfer ist dabei über die Drossel und parallel zu der Drossel über das Absperrventil an den Ausgang des ersten Verdampfers angeschlossen. Mit fluidtechnisch verbunden wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass es einen Fluidkanal zum Durchtritt von Fluid zwischen den jeweiligen Komponenten gibt. Der Fluidkanal kann beispielsweise als Kapillare in einem Steuerblock oder auch in einem Rohr vorgesehen sein.
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Ferner ist dem Verdichter nachgeschaltet ein erstes Ventil angeordnet, das es ermöglicht, das Kältemittel vom Verdichter wahlweise dem Verflüssiger oder einer ersten Zuleitung zum ersten Verdampfer zuzuleiten. Dem ersten Ventil nachgeschaltet ist ein zweites Ventil angeordnet, das es ermöglicht, das Kältemittel vom ersten Ventil dem ersten Verdampfer oder einem Auslass des zweiten Verdampfers und einem dritten Ventil zuzuführen. Das dritte Ventil verbindet fluidtechnisch wahlweise eine zweite Zuleitung zum ersten Verdampfer oder das zweite Ventil und den Auslass des zweiten Verdampfers mit dem Eingang des Verdichters.
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Während der Kälteerzeugung strömt das Kältemittel vom Verdichter über den Verflüssiger, beispielsweise über eine als Drossel wirkende Kapillare, in den ersten Verdampfer. Das Absperrventil zwischen dem ersten Verdampfer und dem, dem ersten Verdampfer nachgeschalteten, zweiten Verdampfer ist dabei geöffnet, so dass im regulären Betrieb die Drossel, über die beide Verdampfer miteinander zusätzlich verbunden sind, indem diese das Ventil quasi überbrückt, keine Rolle spielt und der zweite Verdampfer nur eine Erweiterung des ersten Verdampfers darstellt.
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Im Anschluss an den zweiten Verdampfer gelangt das gasförmige Kältemittel zum Verdichter. Da die Verdampfertemperatur während der Kälteerzeugung in erster Näherung als räumlich konstant angesehen werden kann, kann zur Abtauung des ersten Verdampfers dieser als Verflüssiger betrieben werden. Durch das nach dem Verdichter angeordnete erste Ventil werden dabei der Verflüssiger und die Drossel umgangen, so dass das Kältemittel im ersten Verdampfer kondensiert.
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Mit dem geschlossenen Absperrventil zwischen dem ersten Verdampfer und dem zweiten Verdampfer expandiert das Kältemittel durch die Drossel in den zweiten Verdampfer, so dass dieser während der Abtauung weiterhin dem Kältefach Wärme entzieht.
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Soll der zweite Verdampfer abgetaut werden, werden die Ventile so geschaltet, dass beide Verdampfer rückwärts durchströmt werden. Dadurch erfolgt die Verflüssigung und damit einhergehend die Erwärmung im zweiten Verdampfer während über den ersten Verdampfer Wärme der Lagerkammer, d. h. dem Kühlfach, entzogen wird. Die Kreislaufschaltung wird hier mittels eines Absperrventils und drei weiteren Ventilen, beispielsweise Dreiwegeventilen, realisiert.
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Die bisher vorhandene elektrische Heizung und der dazugehörige Elektronikteil entfallen. Durch die Verwendung von aus dem Kühl-/Gefrierfach entzogener Wärme und dem Verzicht auf von außen zugeführter thermischer Energie ergeben sich energetische Vorteile, da die zur Abtauung eingesetzte Energie zusätzlich Kälte innerhalb des Gehäuses erzeugt und keine zusätzliche für die Abtauung eingebrachte Wärme anschließend nach außen zu transportieren ist. Des Weiteren entfällt die elektrische Heizung. Wenn gleiche Verdampfungstemperaturen vorhanden sind, kann die vorgestellte Kreislaufschaltung auch bei Zweitemperaturzonengeräten mit einem Verdampfer pro Fach angewendet werden.
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Unter Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät, das zur Haushaltsführung in Haushalten oder im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient, Lebensmittel und/oder Getränke bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgerätekombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinkühlschrank.
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Gemäß einem Aspekt sind das erste Ventil und/oder das zweite Ventil und/oder das dritte Ventil als Dreiwegeventil ausgeführt. Dreiwegeventile erlauben eine flexible Verteilung eines Zuflusses in das Dreiwegeventil durch eine Zuleitung in zwei verschiedene Ableitungen. Je nach Stellung des Dreiwegeventils kann der Zufluss vollständig in die eine oder Ableitung geleitet werden. Dabei ist beispielsweise eine stufenlose Einstellung des Dreiwegeventils möglich, so dass eine stufenlose Verteilung des Zuflusses in die Ableitungen möglich wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind das zweite Ventil und das dritte Ventil miteinander gekoppelt. Beispielsweise sind das zweite Ventil und das dritte Ventil mechanisch miteinander gekoppelt. Durch die Kopplung können beide Ventile steuerungstechnisch einfach synchron geschaltet werden. Ein Fehler durch ein Schalten lediglich eines Ventils wird vermieden. Das zweite Ventil und das dritte Ventil können beispielsweise auch bautechnisch miteinander zusammengefasst sein. Damit ergibt sich eine integrierte Ventilbaugruppe aus dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind das Absperrventil und das erste Ventil miteinander gekoppelt. Auch beim Absperrventil und dem ersten Ventil kann eine steuerungstechnische Vereinfachung durch deren Kopplung, beispielsweise mechanische Kopplung erreicht, werden. Eine bautechnische Zusammenfassung des Absperrventils und des ersten Ventils zu einer Ventilbaugruppe ermöglicht einen vereinfachten strukturellen Aufbau des Kältekreislaufs.
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Gemäß einem Aspekt sind der erste und der zweite Verdampfer durch Aufteilen eines den ersten und zweiten Verdampfer umfassenden Verdampfers gebildet. Der Verdampfer ist hierzu beispielsweise als Lamellenverdampfer ausgeführt. Es ist beispielsweise eine Trennplatte vorgesehen, die die beiden Verdampfer thermisch voneinander entkoppelt. Die Trennplatte kann sich horizontal erstreckend vorgesehen werden, so dass eine vertikale Schichtung von Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen im ersten und zweiten Verdampfer begünstigt wird. Horizontal bezieht sich auf den betriebsbereit angeordneten Kältekreislauf, bzw. auf das betriebsbereit aufgestellte Kältegerät. Die Trennplatte ist beispielsweise mehrschichtig, insbesondere mit einer inneren Dämmschicht, die von zwei Schutzschichten mit höherer Festigkeit und Dichte wie die Dämmschicht eingefasst ist, ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weisen der erste und der zweite Verdampfer jeweils mindestens eine Luftklappe auf, mittels der der jeweilige Verdampfer von einem zugeführten Luftstrom getrennt werden kann. Dadurch kann der jeweils abtauende Verdampfer vom Luftstrom getrennt werden, was das Abtauen begünstigt.
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Gemäß einem Aspekt ist eine Drossel zwischen den Verflüssiger und den ersten Verdampfer zwischengeschaltet. Damit kann ein besonders gleichmäßiger Zustrom zum Verdampfer erzielt werden. Die Drossel ist beispielsweise als dünne Kapillare ausgebildet. Dadurch kann sie technisch einfach und fehlerunanfällig realisiert werden.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Kältegerätes hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen dabei:
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1: eine schematische Darstellung eines Kältekreislaufs eines Kältegerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Normalbetrieb mit Kälteerzeugung in beiden Verdampfern;
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2: eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs eines Kältegerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beim Abtauen des ersten Verdampfers mittels der durch den zweiten Verdampfer entzogenen Wärme;
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3: eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs eines Kältegerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Einstellung beim Abtauen des zweiten Verdampfers; und
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4: eine schematische räumliche Darstellung des Verdampfers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kältekreislaufs 1 eines Kältegerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Normalbetrieb mit Kälteerzeugung in einem ersten Verdampfer 11 und einem zweien Verdampfer 21. Ein Kältemittel strömt von einem Verdichter 5 über einen Verflüssiger 7 und durch die Kapillare 39 in den ersten Verdampfer 11. Das Absperrventil 37 zwischen dem ersten Verdampfer 11 und einem dem ersten Verdampfer 11 nachgeschalteten zweiten Verdampfer 21 ist geöffnet, so dass im regulären Betrieb eine Drossel 35, über die beiden Verdampfer 11, 21 miteinander zusätzlich verbunden sind, indem diese das Ventil 37 quasi überbrückt, keine Rolle spielt und der zweite Verdampfer 21 nur eine Erweiterung des ersten Verdampfers 11 darstellt. Im Anschluss an den zweiten Verdampfer 21 gelangt das gasförmige Kältemittel 3 zum Verdichter 5.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs 1 eines Kältegerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beim Abtauen vom ersten Verdampfer 11 mittels der durch den zweiten Verdampfer 21 entzogenen Wärme. Kältemittel kondensiert im abzutauenden ersten Verdampfer 11, wird über die Drossel 35 entspannt und verdampft ausschließlich im zweiten Verdampfer 21. Da die Verdampfertemperatur während der Kälteerzeugung in erster Näherung als räumlich konstant angesehen werden kann, kann zur Abtauung des ersten Verdampfers 11 dieser als Verflüssiger betrieben werden. Durch das nach dem Verdichter 5 angeordnete erste Ventil 43, hier ein Dreiwegeventil, werden Verflüssiger 7 und Drossel 39 umgangen, so dass das Kältemittel im ersten Verdampfer 11 kondensiert. Mit dem geschlossenen Ventil 37 zwischen dem ersten Verdampfer 11 und dem zweiten Verdampfer 21 expandiert das Kältemittel durch die zusätzliche Drossel 35 in den zweiten Verdampfer 21, so dass dieser während der Abtauung weiterhin Wärme aus dem Kältefach entzieht.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs 1 eines Kältegerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Einstellung beim Abtauen vom zweiten Verdampfer 21. Die beiden Verdampfer 11, 21 werden nun in umgekehrter Richtung durchflossen, so dass die Verflüssigung und Abtauung im zweiten Verdampfer 21 erfolgen. Soll der zweite Verdampfer 21 abgetaut werden, werden die Ventile 45, 47 so geschaltet, dass beide Verdampfer 11, 21 rückwärts durchströmt werden. Somit erfolgt die Verflüssigung und damit einhergehend die Erwärmung im zweiten Verdampfer 21 während über den ersten Verdampfer 11 Wärme dem Kühlfach entzogen wird.
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4 zeigt eine schematische räumliche Darstellung des Verdampfers 31 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Wie in 4 gezeigt, können der erste Verdampfer 11 und der zweite Verdampfer 21 durch Aufteilen eines Lamellenverdampfers 31 realisiert werden. Eine Trennplatte 33, die bei diesem Ausführungsbeispiel horizontal angeordnet ist, entkoppelt den ersten Verdampfer 11 und den zweiten Verdampfer 21 thermisch voneinander. Ein Strömungspfeil zeigt den Luftstrom 41, der beispielsweise von einem Ventilator zum Verdampfer 31 gefördert wird. Eine erste Luftklappe 13 ist an dem ersten Verdampfer 11 angeordnet und eine zweite Luftklappe 23 ist an dem zweiten Verdampfer 21 angeordnet. Mittels der Luftklappen 13, 23 wird der abtauende Verdampfer vom Luftstrom 41 getrennt. Auf Kältemittelseite werden der erste Verdampfer 11 und der zweite Verdampfer 21 des Verdampfers 31 durch die erste Drossel 39 und das Sperrventil 37 miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältekreislauf
- 5
- Verdichter
- 7
- Verflüssiger
- 11
- Erster Verdampfer
- 13
- Erste Luftklappe
- 15
- Erste Zuleitung zum ersten Verdampfer
- 16
- Zweie Zuleitung zum ersten Verdampfer
- 21
- Zweiter Verdampfer
- 23
- Zweite Luftklappe
- 25
- Auslass des zweiten Verdampfers
- 31
- Verdampfer
- 33
- Trennplatte
- 35
- Drossel
- 37
- Absperrventil
- 39
- Drossel
- 41
- Luftstrom
- 43
- Erstes Ventil
- 45
- Zweites Ventil
- 47
- Drittes Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 08054935 A1 [0004]
- US 4420943 [0006]
- US 5669222 [0007]
- US 5269151 [0008]