Kältemaschine und Betriebsverfahren dafür

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kältemaschine, insbesondere für ein Haushalts- Kältegerät, sowie ein Betriebsverfahren für eine solche Kältemaschine.

Eine Kältemaschine umfasst üblicherweise einen Verdichter, einen Verflüssiger und einen Verdampfer, die in einem Kältemittelkreislauf verbunden sind. Von dem Verdichter verdichtetes und dabei erhitztes Kältemittel durchströmt zunächst einen Verflüssiger, in welchem es Wärme an ein warmes Reservoir abgibt und dabei kondensiert, und anschließend einen Verdampfer, in welchem es sich durch Expansion so stark abkühlt, dass es in der Lage ist, Wärme aus einem kalten Reservoir aufzunehmen. Das dadurch verdampfte Kältemittel fließt zum Verdichter zurück.

Bei den meisten Anwendungen von Kältemaschinen, insbesondere bei Haushalts-Kälte- geräten, arbeitet der Verdichter nicht kontinuierlich, sondern es wechseln sich Betriebsphasen und Ruhephasen des Verdichters ab. Während in den Betriebsphasen der Verdichter das Kältemittel im Verflüssiger gleichbleibend auf einem hohen Druck und im Verdampfer auf einem niedrigem Druck hält, findet bei Ausschalten des Verdichters zwischen Verflüssiger und Verdampfer ein Druckausgleich statt. Der Druckabfall im Verflüssiger führt dort zu einer adiabatischen Abkühlung, so dass die im Kältemittel enthaltene thermische Energie nicht mehr an das warme Reservoir abgegeben werden kann. Umgekehrt kommt es zu einem Druckanstieg im Verdampfer, so dass die Temperatur des Verdampfers - und damit auch die eines von dem Verdampfer gekühlten Raums - unerwünscht ansteigt.

Um die mit jedem Ausschalten des Verdichters verknüpften Energieverluste zu minimieren, erscheint es zunächst naheliegend, die Betriebs- und Ruhephasen des Verdichters so lang wie möglich zu machen. Lange Betriebs- und Ruhephasen bedingen jedoch starke Temperaturschwankungen der Reservoire. Wenn zum Beispiel das kalte Reservoir der Lagerraum eines Kühlschranks ist, so können starke Temperaturschwankungen dazu führen, dass Kühlgut zeitweilig unzureichend gekühlt wird, mit der Folge, dass sich seine Haltbarkeit verkürzt, oder dass es durch Unterkühlung Schaden nimmt. Im Falle eines Gefriergerätes sind zwar keine Schäden am Gefriergut zu

erwarten, wenn es um einige Grad unter die langfristige Lagertemperatur abgekühlt wird, doch führt eine solche zeitweilig unnötig tiefe Lagertemperatur zu einem verstärkten Wärmezufluss von außen in den Lagerraum und ist daher ebenfalls unwirtschaftlich.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen anderen Ansatz aufzuzeigen, mit dem sich der Wirkungsgrad einer intermittierend betriebenen Kältemaschine verbessern lässt.

Die Aufgabe wird zum einen dadurch gelöst, dass bei einer Kältemaschine mit einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Verdampfer, die in einem Kältemittelkreislauf verbunden sind, in einem Kältemittelweg vom Verflüssiger zum Verdampfer ein Stoppventil angeordnet ist. Indem dieses jeweils beim Ausschalten des Verdampfers geschlossen wird, kann in den Ruhephasen des Verdampfers ein hoher Druck im Verflüssiger aufrechterhalten werden. Indem bei einem Wiederanlaufen des Verdichters das Stoppventil geöffnet wird, steht im Verdampfer sofort über eine hohe Druckdifferenz expandiertes und dementsprechend kaltes Kältemittel zur Verfügung. Eine Vorlaufphase des Verdichters, die dieser herkömmlicherweise benötigt, um die zum Kühlen erforderliche Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer aufzubauen, entfällt.

Eine Steuereinheit zum Schließen des Stoppventils bei ausgeschaltetem Verdichter und öffnen des Stoppventils bei eingeschaltetem Verdichter ist zweckmäßigerweise Bestandteil der Kältemaschine.

Die Steuereinheit kann vorteilhafterweise eingerichtet sein, um das Stoppventil bei ausgeschaltetem Verdichter wahlweise zu öffnen oder nicht zu öffnen. Das Stoppventil bei ausgeschaltetem Verdichter zu öffnen ist insbesondere bei einem Abtauen des Verdampfers sinnvoll, da in diesem Fall der Zufluss von über einer geringen Druckdifferenz expandiertem und dementsprechend warmem Kältemittel in den Verdampfer durchaus erwünscht ist, um eine schnelle Abtauung zu erreichen.

Um den Abtauvorgang weiter zu beschleunigen, kann dem Verdampfer eine elektrische Heizung zugeordnet sein.

Um über die Notwendigkeit eines Abtauens zu entscheiden, kann die Steuereinheit ferner mit einem am Verdampfer angeordneten Vereisungssensor und/oder einem Zeitgeber verbunden sein.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kältemaschine der oben beschriebenen Art, bei dem der Verdichter intermittierend betrieben wird und bei einem Ausschalten des Verdichters das Stoppventil geschlossen bzw. bei einem Einschalten des Verdichters das Stoppventil geöffnet wird.

Das Abtauen kann insbesondere zeitgesteuert periodisch erfolgen, oder es kann erfolgen, wenn eine kritische Vereisung des Verdampfers erfasst wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Kältemaschine.

Ein Kältemittelkreislauf der Kältemaschine verläuft von einem Verdichter 1 der Reihe nach über einen Verflüssiger 2, ein Stoppventil 3, eine Drossel 4 und einen Verdampfer 5 zurück zum Verdichter 1. Es kommen beliebige bekannte Bauformen wie etwa Wickelverdampfer, Drahtrohrverdampfer etc. für den Verdampfer 5 in Betracht; in der Fig. schematisch dargestellt ist ein Plattenverdampfer mit einer auf einer Metallplatte mäanderförmig verlaufenden Rohrleitung, bei dem die Drossel 4 in Form einer Kapillarleitung auf der Platte integriert ist.

Die Kältemaschine ist Teil eines Haushalts-Kältegerätes, dessen Aufbau allgemein bekannt und daher hier nicht dargestellt ist. Eine elektronische Steuereinheit 6 steuert den Betrieb des Verdichters 1 und den Zustand - offen oder geschlossen - des Stoppventils 3 anhand eines Temperaturfühlers 7, der an einem von dem Verdampfer 5 gekühlten Lagerraum des Kältegerätes angebracht ist, und einem an dem Verdampfer 5 selbst angeordneten Vereisungssensor 8. Wenn der Verdichter 1 ausgeschaltet ist, vergleicht die Steuereinheit 6 die vom Temperaturfühler 7 gemeldete Temperatur mit einem einstellbaren oberen Grenzwert, und wenn sie eine überschreitung des Grenzwertes feststellt, setzt sie den Verdichter 1 in Gang und öffnet das Stoppventil 3. Unter hohem

Druck stehendes Kältemittel, das noch aus einer vorhergehenden Betriebsphase des Verdichters 1 in dem Verflüssiger 2 gespeichert ist, strömt durch die Drossel 4 in den Verdampfer 5, wobei es expandiert und sich abkühlt. Somit steht Kühlleistung am Verdampfer 5 praktisch verzögerungsfrei mit dem Einschalten des Verdichters 1 zur Verfügung.

Je nach Anlaufverhalten des Verdichters 1 können der Startzeitpunkt des Verdichters und der Zeitpunkt des öffnens des Stoppventils 3 geringfügig gegeneinander verschoben sein, wobei der Zeitversatz so gewählt ist, dass eine durch den Start des Verdichters und das öffnen des Ventils verursachte Druckschwankung im Verflüssiger 2 minimiert wird.

Bei laufendem Verdichter 1 vergleicht die Steuereinheit 6 die vom Temperaturfühler 7 gemeldete Temperatur mit einem unteren Grenzwert und schaltet bei Unterschreitung dieses Grenzwertes den Verdichter 1 wieder ab. Zu diesem Zeitpunkt wird überprüft, ob der Vereisungssensor 8 eine kritische Vereisung des Verdampfers 5 anzeigt, die ein Abtauen erforderlich macht. Ist dies nicht der Fall, so schließt die Steuereinheit 6 gleichzeitig mit dem Ausschalten des Verdichters 1 das Stoppventil 3, um den überdruck im Verflüssiger 2 in der sich anschließenden Ruhephase des Verdichters 1 aufrecht zu erhalten.

Wird ein Abtauen als nötig erkannt, was typischerweise in Zeitabständen von einigen Tagen der Fall sein kann, so bleibt das Stoppventil 3 offen, und es kommt zum Druckausgleich zwischen Verflüssiger 2 und Verdampfer 5. Der damit verbundene Druckanstieg im Verdampfer 5 bewirkt zum einen eine adiabatische Erwärmung des bereits im Verdampfer 5 enthaltenen Kältemittels, zum anderen schwächt sich die Abkühlung des im Laufe des Druckausgleichs durch die Drossel 4 strömenden Kältemittels mit abnehmender Druckdifferenz immer weiter ab, so dass gegen Ende des Druckausgleichsvorganges immer wärmeres Kältemittel in den stromaufwärtigen Bereich des Verdampfers 5 gelangt und den Verdampfer 5 so aufheizt. Weitere zum Abtauen des Verdampfers 5 benötigte Wärme wird von einer ebenfalls von der Steuereinheit 6 gesteuerten elektrischen Heizung 9 geliefert.

Um den Wärmeeintrag in den Verdampfer 5 durch das Kältemittel beim Abtauen zu maximieren, kann vorgesehen werden, dass das Stoppventil 3 während des

Abtauvorganges intermittierend geöffnet wird. So wird der Druckausgleich verlangsamt, und Kältemittel, das während des Druckausgleichs im Verflüssiger 2 expandiert und sich dabei abkühlt, bekommt Gelegenheit, sich im Verflüssiger 2 selbst wieder zu erwärmen, um dann in einer späteren Phase des Druckausgleichs um so wärmer in den Verdampfer 5 einzutreten.

Einer alternativen Ausgestaltung zufolge kann die direkte überwachung der Vereisung des Verdampfers 5 durch den Vereisungssensor 8 ersetzt werden durch eine indirekte Abschätzung der Vereisung, zum Beispiel indem die Steuereinheit 6 an einen (nicht dargestellten) Zeitgeber gekoppelt ist, um jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, in der sich normalerweise eine abzutauende Eisschicht bildet, einen Abtauvorgang auszulösen.

Diverse Maßnahmen können getroffen werden, um die Abschätzung der Vereisung durch die Steuereinheit 6 zu verfeinern. So kann zum Beispiel die Steuereinheit 6 an einen Türschalter gekoppelt sein, der bei den meisten Haushalts-Kältegeräten zum Ein- und Ausschalten einer Innenraumbeleuchtung vorgesehen ist, um anhand der Zahl und/oder Dauer von Türöffnungen eine durch das öffnen in das Gerät eingetragene Feuchtigkeitsmenge abzuschätzen. Um eine solche Schätzung zu präzisieren, kann auch ein Außentemperatursensor vorgesehen sein, der eine Abschätzung des Feuchtigkeitsgehaltes der Außenluft ermöglicht.