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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit mehreren Temperaturzonen.
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Bei Haushaltskältegeräten sind in der Regel alle Temperaturzonen durch einen einzigen Kältemittelkreis gekühlt. In dem Kältemittelkreis können mehrere Verdampfer in Reihe verbunden sein, von denen jeder jeweils einer Temperaturzone zugeordnet ist. Solche Verdampfer sind z.B. aus
DE 102 18 826 B4 und
WO 2011/009782 A2 bekannt.
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Je weiter stromabwärts im Kältemittelkreis ein Verdampfer angeordnet ist, umso niedriger ist der Druck des Kältemittels im Verdampfer, und umso niedrigere Temperaturen kann der Verdampfer erreichen. Daher ist es sinnvoll, den Verdampfer einer kalten Temperaturzone im Kältemittelkreis stromabwärts vom Verdampfer einer wärmeren Temperaturzone anzuordnen.
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Die Druck- und Temperaturunterschiede zwischen den Verdampfern sind allerdings im allgemeinen klein, so dass, wenn ein Kältemittelkreis ausgelegt ist, um mit seinem am weitesten stromabwärts gelegenen Verdampfer eine kalte Temperaturzone wie etwa ein Gefrierfach zu kühlen, die Verdampfungstemperatur in einem stromaufwärts gelegenen Verdampfer deutlich tiefer ist als die der von ihm zu kühlenden wärmeren Temperaturzone wie etwa einem Normal- oder Frischkühlfach.
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Damit diese niedrige Verdampfertemperatur nicht zu einer Unterkühlung der wärmeren Temperaturzone führt, gleichzeitig aber die kalte Temperaturzone ausreichend gekühlt werden kann, kann eine Bypassleitung vorgesehen sein, die es erlaubt, den Verdampfer der kälteren Temperaturzone unter Umgehung des stromaufwärts gelegenen Verdampfers mit Kältemittel zu beaufschlagen.
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Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass, wenn die Kältemittelversorgung des stromaufwärts gelegenen Verdampfers unterbrochen wird, dieser sich auf die Temperatur der von ihm gekühlten Temperaturzone erwärmt und diese erheblich über der Verdampfungstemperatur liegen kann. Wird unter diesen Bedingungen die Kältemittelversorgung des stromaufwärts gelegenen Verdampfers wieder aufgenommen, so beobachtet man eine starke Abkühlung des vom stromabwärtigen Verdampfer zum Verdichter führenden Saugrohrs. Diese Kälte geht den Verdampfern verloren, was die Effizienz der Kälteerzeugung erheblich beeinträchtigt.
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Üblicherweise wird bei der Auslegung von Wärmetauschern eine hohe erreichbare Wärmeübertragungsleistung angestrebt. Dies wird z.B. erreicht durch eine lange Rohrlänge. Je länger das Rohr des stromaufwärtigen Verdampfers ist, umso mehr Kältemittel passt hinein, und umso längere Zeit wird benötigt, bis dieser Verdampfer vollständig gefüllt ist. Bei der Vermessung marktgängiger Kältegeräte mit Rohr-Platten-Verdampfern stellt man fest, dass die pro Quadratmeter luftseitiger Oberfläche der Verdampfer verlegte Rohrlänge stets deutlich über 10 m, manchmal sogar über 20 m liegt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Energieeffizienz eines Kältegeräts mit mehreren Temperaturzonen und in Reihe verbundenen Verdampfern zum Kühlen dieser Temperaturzonen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät mit einer ersten Temperaturzone und einer zweiten Temperaturzone, deren Temperatur niedriger ist als die der ersten Temperaturzone, einem Kältemittelkreis, der einen ersten Verdampfer zum Kühlen der ersten Temperaturzone und einen zweiten Verdampfer zum Kühlen der zweiten Temperaturzone umfasst, wobei der zweite Verdampfer dem ersten Verdampfer in dem Kältemittelkreis in Reihe nachgeschaltet ist, und wobei jeder Verdampfer eine kältemittelseitige Oberfläche für den Wärmeaustausch mit im Kältemittelkreis zirkulierendem Kältemittel und eine luftseitige Oberfläche für den Wärmeaustausch mit der dem Verdampfer zugeordneten Temperaturzone aufweist, das Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche beim ersten Verdampfer höchstens 0,2 beträgt.
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Überraschenderweise zeigt sich, dass bei diesem niedrigen Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche die unerwünschte Abkühlung des Saugrohrs bei Wiederaufnahme der Kältemittelversorgung ausbleibt oder doch wenigstens deutlich vermindert ist. Es ist also möglich, die Effizienz der Kälteerzeugung nicht nur dadurch zu verbessern, dass die Häufigkeit mit der die Versorgung wiederaufgenommen wird, vermindert wird; gemäß der Erfindung kann der mit jeder einzelnen Wiederaufnahme verbundene Effizienzverlust gering gehalten werden.
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Des Weiteren führt das niedrige Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche dazu, dass eine hohe relative Einschaltdauer des ersten Verdampfers nötig ist, um den Kältebedarf der ersten Temperaturzone zu decken. Solange aber in der ersten Temperaturzone Kältebedarf besteht, kann der zweite Verdampfer nicht über die Bypassleitung versorgt werden. Je seltener aber auf Versorgung über die Bypassleitung umgeschaltet wird, umso seltener wird auch auf Versorgung über den ersten Verdampfer zurückgeschaltet, und umso seltener kann es zu einer Verdrängung von flüssigem Kältemittel aus dem zweiten Verdampfer kommen, so dass sich auch auf diesem Wege eine Effizienzverbesserung ergibt.
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Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche beim ersten Verdampfer von höchstens 0,15, noch besser höchstens 0,1.
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Ein Verhältnis von 0,05 sollte jedoch nicht unterschritten werden, um eine ausreichende Kühlung der ersten Temperaturzone zu gewährleisten.
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Beim zweiten Verdampfer besteht keine Notwendigkeit, das Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche klein zu halten; hier ist ein Verhältnis von mindestens 0,3 bevorzugt, d.h. ein Verhältnis, das mindestens eineinhalbmal, besser mindestens zweimal so hoch ist wie beim ersten Verdampfer.
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Das niedrige Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche beim ersten Verdampfer kann erreicht werden, indem dort ein Kältemittelrohr mit kleinerem Querschnitt als beim zweiten Verdampfer verwendet wird. In der Praxis erweist es sich jedoch als genauso praktikabel und außerdem als kostensparend, wenn die Verringerung des Verhältnisses von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche im Wesentlichen durch eine Verkürzung der Rohrlänge des Verdampfers erreicht wird, d.h. indem das Verhältnis von Länge des Rohrs zu luftseitiger Oberfläche beim ersten Verdampfer weniger als12 m/m2, bevorzugt weniger als 10 m/m2 beträgt. Ein Verhältnis von 1m/m2 sollte allerdings nicht unterschritten werden.
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Eine weitere Maßnahme, die sich als nützlich erweist, um die Abkühlung des Saugrohrs bei Wiederaufnahme der Kältemittelzufuhr zum ersten Verdampfer zu minimieren, ist, den Weg des Kältemittels von einer Einspritzstelle des ersten Verdampfers zum zweiten Verdampfer frei von ansteigenden Abschnitten zu halten..
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Der erste Verdampfer kann in für Rohr-Platten-Verdampfer üblicher Weise mehrere in Breitenrichtung des Verdampfers langgestreckte und jeweils über Bögen verbundene Rohrabschnitte aufweisen. Allerdings ist die Zahl dieser Rohrabschnitte kleiner als üblich und kann auf zwei, drei oder vier reduziert sein.
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Aufgrund ihrer kleinen Zahl ist der Abstand zwischen den langgestreckten Rohrabschnitten größer als üblich, was auch zu vergrößerten Temperaturdifferenzen zwischen warmen und kalten Stellen eines Blechs des ersten Verdampfers führen kann. So ist insbesondere bei einem sich mit gleichbleibendem Krümmungsradius über einen Winkel von 180° erstreckenden Bogen das Blech an der konkaven Seite des Bogens deutlich besser gekühlt als das an der konvexen Seite. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können die Bögen jeweils Abschnitte mit kleinem Krümmungsradius, die an die langgestreckten Abschnitte anschließen, und einen Abschnitt mit großem Krümmungsradius zwischen den zwei Abschnitten mit kleinem Krümmungsradius aufweisen.
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Eine Kapillare, die in an sich üblicher Weise im Kältemittelkreis einer Einspritzstelle des ersten Verdampfers vorgeschaltet ist, sollte auch hier in an sich bekannter Weise zusammen mit einer sich stromabwärts vom ersten Verdampfer erstreckenden Saugleitung einen internen Wärmetauscher des Kältemittelkreises bilden.
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Damit die Kältemittelleitung auf dem ganzen ersten Verdampfer steigungsfrei verlaufen kann, muss die Saugleitung vom ersten Verdampfer nahe einer unteren Kante desselben ausgehen. Wenn die Kapillare zusammen mit dieser Saugleitung den internen Wärmetauscher bilden soll, sollte sie zur Überbrückung des Abstandes zwischen internem Wärmetauscher und Einspritzstelle auf dem ersten Verdampfer zur Einspritzstelle ansteigend verlaufen.
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Der zweite Verdampfer ist vorzugsweise über eine Bypassleitung unter Umgehung des ersten Verdampfers mit flüssigem Kältemittel beaufschlagbar.
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Eine Ventilanordnung kann vorgesehen sein, um die Verteilung des Kältemittels auf den ersten Verdampfer und auf die Bypassleitung zu steuern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Kältegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
- 2 einen Schnitt durch einen Verdampfer des Kältegeräts aus 1; und
- 3 einen Verdampfer eines Kältegeräts gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kältegeräts. Ein wärmeisolierendes Gehäuse 1 ist in zwei Temperaturzonen 2, 3, z.B. ein Normalkühlfach 2 und ein Gefrierfach 3, unterteilt. Jeder Temperaturzone ist ein Verdampfer 4 bzw. 5 zugeordnet, der sie kühlt.
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Die Verdampfer 4, 5 können wie im Schnitt der 2 gezeigt, als Rohr-Platten-Verdampfer (Tube-on-Sheet-Verdampfer) aufgebaut sein, mit einer Grundplatte 6, auf der ein Kältemittel führendes Rohr 7 in Mäandern verlegt ist. Der Verdampfer 4, 5 ist in einer Anordnung als Coldwall-Verdampfer gezeigt: Eine Hauptoberfläche der Grundplatte 6 ist der dem Verdampfer zugeordneten Temperaturzone 2 bzw. 3 zugewandt, um - hier über eine dazwischenliegende Innenbehälterwand 8 - Wärme aus der Temperaturzone 2 bzw. 3 aufzunehmen, und bildet so eine luftseitige Oberfläche 9 des Verdampfers 4 bzw. 5. Eine gegenüberliegende Hauptoberfläche 10 ist hier in eine Wärmedämmschicht des Gehäuses 1 eingebettet und trägt daher nicht zum Wärmeaustausch mit der Temperaturzone 2 bzw. 3 bei.
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Alternativ zur Darstellung der 2 könnte der Verdampfer 4 oder 5 auch frei in der von ihm zu kühlenden Temperaturzone 2 bzw. 3 angeordnet sein; in diesem Falle würden beide Hauptoberflächen 9, 10 zum Wärmeaustausch beitragende luftseitige Oberflächen bilden.
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Einer ebenfalls nicht gezeichneten Alternative zufolge könnten die Verdampfer 4, 5 auch Lamellenverdampfer sein, d.h. Verdampfer, bei denen ein Kältemittel führendes Rohr eine Mehrzahl von parallelen, voneinander beabstandeten Lamellen kreuzt und an den Kreuzungsstellen mit ihnen wärmeleitend verbunden ist. Hier wären als luftseitige Oberflächen beide Hauptoberflächen der Lamellen und die Außenflächen der zwischen ihnen verlaufenden Abschnitte des Kältemittel führenden Rohrs anzusehen.
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Eine kältemittelseitige Oberfläche 11 der Wärmetauscher 4, 5 ist in allen oben beschriebenen Fällen durch ein Innenfläche des Kältemittel führenden Rohrs 7 gebildet.
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Eine Einspritzstelle 12 des Verdampfers 4 des Normalkühlfachs 2 ist in an sich üblicher Weise über eine Kapillare 13 und einen Verflüssiger 14 mit einem Druckanschluss 15 eines Verdichters 16 verbunden. Eine vom Verdampfer 4 ausgehende Saugleitung 17 mündet in den Verdampfer 5 des Gefrierfachs 3. Nahe der Eintrittsstelle der Saugleitung 17 in den Verdampfer 5 mündet an einer zweiten Einspritzstelle 18 eine zweite Kapillare 19 in den Verdampfer 5. Eine Ventilanordnung 20, hier ein Wegeventil, verbindet wahlweise die erste Einspritzstelle 12 oder die zweite Einspritzstelle 18 mit dem Druckanschluss 14. So bildet die Kapillare 19 eine Bypassleitung, die eine direkte Zufuhr von flüssigem Kältemittel zum Verdampfer 5 unter Umgehung des Verdampfers 4 erlaubt. Eine Saugleitung 21 erstreckt sich vom Verdampfer 5 zu einem Sauganschluss 22 des Verdichters 16.
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Die Kapillaren 13, 19 sind stellenweise in engem Kontakt mit der Saugleitung 17 oder 21 verlegt, um interne Wärmetauscher 23, 24 zu bilden, auf denen das verdichtete Kältemittel in den Kapillaren 13, 19 durch thermischen Kontakt mit aus den Verdampfern 4, 5 abfließendem Kältemittel vorgekühlt wird.
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Der interne Wärmetauscher 23 befindet sich unterhalb des Verdampfers 4. Um den Weg von dort zur Einspritzstelle 11 nahe einer Oberkante des Verdampfers 4 zu überbrücken, ist die Kapillare 13 auf dem Verdampfer 4 verlegt und vorzugsweise an dessen Grundplatte 6 befestigt.
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Die Verdampfer 4, 5 können getrennt voneinander gefertigt und bei ihrem Einbau in das Gehäuse 1 in Höhe der Saugleitung 17 zusammengefügt sein; dann können die Rohre 7 der beiden Verdampfer unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Wenn unterschiedliche Querschnitte verwendet werden, sollte der Umfang der kältemittelseitigen Oberfläche 11 beim Verdampfer 4 kleiner sein als beim Verdampfer 5. Während beim Verdampfer 5 das Rohr einen üblichen Innenumfang von >15mm haben kann, ist für das Rohr 7 des Verdampfers 4 ein Innenumfang von 5 bis 15 mm bevorzugt.
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Alternativ können die Rohre 7 beider Verdampfer 4, 5 und die Saugleitung 17 durch ein einziges einteilig zusammenhängendes Rohrstück mit gleichbleibendem Querschnitt gebildet sein.
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Die Rohre 7 beider Verdampfer 4, 5 umfassen jeweils eine Mehrzahl von geradlinig langgestreckten Rohrabschnitten 25, die durch Bögen 26, hier in Form von Halbkreisen, in Reihe verbunden sind. Der Abstand d4 der Rohrabschnitte 25 voneinander ist am Verdampfer 4 deutlich größer als der Abstand d5 am Verdampfer 5; in der Darstellung der 1 ist z.B. d4=3*d5. Da außerdem die Rohrabschnitte 25 des Verdampfers 4 kürzer sind als die des Verdampfers 5, ist die pro Quadratmeter luftseitiger Oberfläche 9 verlegte Länge des Rohrs 7 beim Verdampfer 4 weniger als ein Drittel der entsprechenden Rohrlänge des Verdampfers 5. So kann insbesondere die Rohrlänge pro Quadratmeter luftseitiger Oberfläche beim Verdampfer 5 30 m/m2 betragen, beim Verdampfer 4 hingegen weniger als 10 m/m2, vorzugsweise ca. 8 m/m2. Eine Rohrlänge von 1 m/m2 sollte nicht unterschritten werden, damit der Kältebedarf der Temperaturzone 2 gedeckt werden kann, ohne dafür die Temperaturzone 3 unterkühlen zu müssen.
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Am Ausgang des Verdampfers 5 bilden ein ansteigender Abschnitt 27 und die Saugleitung 21 einen Siphon 28, der ein freies Abfließen von flüssigem Kältemittel aus dem Verdampfer 5 in die Saugleitung 21 verhindert.
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Aus den unterschiedlichen Verlegungsdichten der Rohre 7 auf den Verdampfern 4 und 5 und den eventuell unterschiedlichen Umfängen der kältemittelseitigen Oberfläche 11 ergeben sich deutlich unterschiedliche Verhältnisse von kältemittelseitiger Oberfläche 11 zu luftseitiger Oberfläche 9 für die beiden Verdampfer 4, 5. Während das Verhältnis für den Verdampfer 5 mit wenigstens 0,3 in üblicher Größenordnung liegt, ist es beim Verdampfer 4 mit maximal 0,2, besser noch maximal 0,15 oder gar maximal 0,1 erheblich kleiner. Dieses kleine Flächenverhältnis verzögert im Verdampfer 4 die Wärmeübertragung vom Metall des Rohrs 7 und der Grundplatte 6 auf das im Rohr zirkulierende Kältemittel, so dass dieses, wenn nach einer Unterbrechung der Kältemitteleinspritzung der Verdampfer 4 die Temperatur der Temperaturzone 2 angenommen hat, nicht bereits kurz nach der Einspritzstelle 12 vollständig verdampft, sondern sich in teilweise flüssiger Form über die gesamte Länge des Rohrs 7 des Verdampfers 4 ausbreiten und das Rohr 7 auf seiner ganzen Länge kühlen kann.
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Das Rohr 7 ist von der Einspritzstelle 12 bis zur Saugleitung 17 vorzugsweise kontinuierlich abschüssig, zumindest aber frei von Steigungen, so dass Kältemittel, das in flüssiger Form das Ende des Rohrs 7 erreicht, über die Saugleitung 17 zum tiefer gelegenen Verdampfer 5 abfließt. So kommt die an das an der Einspritzstelle 12 zugeführte Kältemittel gebundene Kühlleistung nicht nur dem Verdampfer 4, sondern auch dem Verdampfer 5 zugute.
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Überraschenderweise zeigt sich, wenn bei dem oben beschriebenen Kältemittelkreis die Kältemittelzufuhr an der Einspritzstelle 12 wiederaufgenommen wird, eine im Vergleich zu einem Kältemittelkreis, bei dem der erste Verdampfer ein höheres Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche aufweist, deutlich verminderte bis verschwindende Abkühlung der Saugleitung 21. Eine isolierende Ummantelung der Saugleitung 21, die gegenwärtig vielfach üblich ist, um ein Betauen der Saugleitung 21 zu vermeiden, kann entfallen.
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Eine weitere Konsequenz aus dem Abfließen von flüssigem Kältemittel vom Verdampfer 4 in den Verdampfer 5 ist, dass über im Vergleich zu einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf, bei dem der stromaufwärtige Verdampfer ein höheres Verhältnis von kältemittelseitiger Oberfläche zu luftseitiger Oberfläche aufweist, relativ lange Phasen des Einspritzens über die Einspritzstelle 11 nötig sind, um Kältebedarf der Temperaturzone 2 zu decken. Da in dieser Zeit die Temperaturzone 3 mit gekühlt wird, ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Einspritzen an der Einspritzstelle 11 unterbrochen werden muss, um Kältebedarf der Temperaturzone 3 durch Zufuhr von Kältemittel über die Einspritzstelle 19 zu befriedigen. Unterbrechungen der Einspritzung über die Einspritzstelle 11 sind daher seltener als bei dem herkömmlichen Kältemittelkreislauf, so dass selbst dann, wenn bei Wiederaufnahme der Einspritzung über die Einspritzstelle 11 eine geringe Abkühlung der Saugleitung 21 auftreten sollte, die Seltenheit dieses Ereignisses seinen Einfluss auf die Energieeffizienz des Geräts gering macht.
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Der große Rohrabstand d4 am Verdampfer 4 führt dazu, dass auf dessen Grundplatte 6 größere Temperaturunterschiede auftreten können als beim Verdampfer 5. Insbesondere Regionen 29 an den konvexen Seiten der Bögen 26 sind weniger stark gekühlt als gleich weit vom Rohr 7 entfernte Regionen 30 an der konkaven Seite der Bögen. Um diesen Effekt einzuschränken, sind bei einer in 3 gezeigten Abwandlung des Verdampfers 4 die halbkreisförmigen Bögen 26 durch Bögen ersetzt, die jeweils Abschnitte 31 mit kleinem Krümmungsradius, die an die langgestreckten Abschnitte 25 anschließen, und einen Abschnitt 32 mit großem Krümmungsradius, der unendlich sein kann, zwischen den zwei Abschnitten 31 mit kleinem Krümmungsradius aufweisen. Indem bei insgesamt nur unwesentlich veränderter Rohrlänge die Abschnitte 31 näher an die schwach gekühlten Regionen 29 heranreichen, kann eine insgesamt homogenere Temperaturverteilung auf dem Verdampfer 4 erzielt werden.
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Wenn der Verdampfer 4 wie oben beschrieben ein Rohr-Platten-Verdampfer ist, dann hat die relativ geringe Rohrlänge pro Flächeneinheit einen Kostenvorteil, da weniger Rohr als bei einem herkömmlichen Kombinations-Kältegerät benötigt wird. Die thermodynamischen Vorteile sind jedoch hiervon unabhängig, so dass die Erfindung auch sinnvoll auf andere Verdampfertypen übertragbar ist, insbesondere auf einen Rollbond-Verdampfer, bei dem das kältemittelführende Rohr 7 durch Formen eines Kanalbilds in einer von zwei miteinander verbundenen Platten erzeugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Temperaturzone / Normalkühlfach
- 3
- Temperaturzone / Gefrierfach
- 4
- Verdampfer
- 5
- Verdampfer
- 6
- Grundplatte
- 7
- Rohr
- 8
- Innenbehälterwand
- 9
- luftseitige Oberfläche
- 10
- Hauptoberfläche
- 11
- kältemittelseitige Oberfläche
- 12
- Einspritzstelle
- 13
- Kapillare
- 14
- Verflüssiger
- 15
- Druckanschluss
- 16
- Verdichter
- 17
- Saugleitung
- 18
- Einspritzstelle
- 19
- Kapillare
- 20
- Ventilanordnung
- 21
- Saugleitung
- 22
- Sauganschluss
- 23
- interner Wärmetauscher
- 24
- interner Wärmetauscher
- 25
- Rohrabschnitt
- 26
- Bogen
- 27
- ansteigender Abschnitt
- 28
- Siphon
- 29
- Region
- 30
- Region
- 31
- Abschnitt mit kleinem Krümmungsradius
- 32
- Abschnitt mit großem Krümmungsradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10218826 B4 [0002]
- WO 2011/009782 A2 [0002]
