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Die Erfindung betrifft eine Kompressionskältemaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Kompressionskältemaschine ist eine Kältemaschine, die den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme bei Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig nutzt, diese sehr häufige Bauform wird in den meisten Kühlschränken genutzt. Zur Ausbildung eines geschlossenen Kältemittelkreislaufs sind bei Kompressionskältemaschinen aufeinanderfolgend ein Kompressor, ein Kondensator, ein Drosselorgan und ein Verdampfer funktional miteinander verbunden. Seit Jahrzehnten wird für den Kondensator ein Drahtrohrgitternetz aus Kohlenstoffstahl verwendet. Für manche Geräte mit höherer Kühlleistung wird unter anderem, wegen den steigenden Anforderungen an Energieeffizienz, bereits heute auch die Kondensatoreinheit mit Zwangsbelüftung ausgeführt. Zwangsbelüftungen in Gestalt von Ventilatoren werden auch eingesetzt, wenn nur ein außerordentlich begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht.
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So ist aus der deutschen Patentschrift
DE 533 913 eine Kompressionskältemaschine bekannt, bei welcher der Motor und der Kompressor von einem Gehäuse umgeben sind, auf dessen Außenseite zur Unterstützung des Wärmeübergangs Kühlrippen angeordnet sind. Die Kühlrippen sind gleichzeitig Träger der Kondensatorkühlschlange, die in Aussparungen der Kühlrippen gelagert ist. Die Kondensatorkühlschlange ist folglich auf dem Außenumfang der Kühlrippen, einer Manschette gleich, in gewissem Abstand um den Kompressor gewickelt.
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In anderem Zusammenhang ist aus der Druckschrift
DE 1 972 947 U ein Kompressorkühlschrank mit einer Verdunstungseinrichtung bekannt. Bei dieser wird unterhalb des Verdampfers im Kühlraum eine Auffangrinne positioniert, über die entstehendes Tauwasser durch eine Rohrleitung zur Verdunstungseinrichtung geführt wird. Die Verdunstungseinrichtung umfasst einen Behälter, der auf dem Deckel des Kompressors mit möglichst großer Berührungsfläche angeordnet ist. Der Auffangbehälter ist nach oben geöffnet, so dass das Tauwasser in die Umgebung verdunsten kann und gleichzeitig den Kompressor kühlt.
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Des Weiteren ist in der Druckschrift
DE 1 451 014 A ein Kühlschrank beschrieben, in dessen Unterteil sich ein Maschinenfach für eine Kompressorkapsel und einen mit einem Ventilator gekühlten Kondensator befindet. Der Kondensator ist in unmittelbarer Nachbarschaft zum Kompressor angeordnet und durch Leitungsrohre verbunden. Der Ventilator sorgt bei einer vergleichsweise kleinen Wärmeaustauschfläche des Kondensators bereits für eine ausreichende Kühlung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompressionskältemaschine hinsichtlich der Leistung wie auch hinsichtlich einer kompakten Bauweise weiterzuentwickeln.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt eine Kompressionskältemaschine ein, bei der ein Kältemittel in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf nacheinander einen Kompressor mit Kompressorgehäuse, einen Kondensator, ein Drosselorgan und einen Verdampfer durchströmt, wobei zumindest ein Teil des Kompressorgehäuses als Kondensator ausgebildet ist.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Kühlgerätekompressor und der Kondensator als eine kompakte Baueinheit ausgebildet sind. Hierzu ist der Kondensator so ausgestaltet, dass er vollständig im Kompressor integriert ist. Dabei befinden sich die Austrittsleitungen des verflüssigten Kältemittels strömungstechnisch günstig am tiefsten Punkt der Kondensatoreinheit. Hierbei kann die ausgangsseitig am Kondensator anschließende Austrittsleitung bereits als Kapillarrohr so ausgebildet sein, dass diese gleichzeitig als Drosselorgan eingesetzt werden kann. Zum Sammeln des Kältemittels kann der Kondensator in Richtung der Austrittsleitung als geneigt ausgeführte Sammelrinne ausgeführt sein. So sammelt sich das flüssige Kältemittel im unteren Bereich des Kondensators, um dieses im Kältemittelkreislauf umzuwälzen. Folglich kann der Bodenbereich des Kondensators asymmetrisch und auf die Austrittsleitung hin geneigt ausgeführt sein, so dass sich durch die Schwerkraft das flüssige Kältemittel sammelt und über die Austrittsleitung abgeführt werden kann. In den Bereichen, in denen sich Kältemittelkondensat bildet, kann sich die Kondensatorstruktur zu geringerem Volumen hin verjüngen. Zum Kompressor wird eine Sauggasleitung hingeführt. Austrittsleitung und Sauggasleitung können dabei zumindest abschnittsweise koaxial oder anderweitig thermisch gekoppelt im Gegenstromprinzip geführt sein. Zudem kann auf dem Kompressorgehäuse auch die bereits übliche Kondensatschale angeordnet sein.
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Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch die Kombination von Kompressor und Kondensator ein kompakter Bausatz für eine Kompressionskältemaschine zur Verfügung steht. Dadurch wird der Raumbedarf gegenüber bisher bestehenden Systemen wesentlich verringert. Zudem werden auch die Zuleitungen der Heißgasführung, der späteren Kondensation und Unterkühlung ausschließlich im Kompressorgehäuse zusammen integriert. Die daraus resultierende kompakte Bauweise reduziert auch die Länge der Verbindungsleitungen zu den einzelnen Komponenten und trägt dabei wesentlich zur Kostenreduzierung bei. Die freie Platzwahl im Kompressorgehäuse ermöglicht auch bei der konstruktiven Auslegung der gesamten Baueinheit wesentliche Freiheitsgrade.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Kondensator als doppelwandiges Kompressorgehäuse mit einer äußeren Trennwand und einer inneren Trennwand ausgeführt sein. Ein derart ausgestaltetes doppelwandiges Kompressorgehäuse bildet ein Volumen für das gasförmige bzw. flüssige Kühlmedium, das sich flächig entlang der Kompressoraußenkontur ausbreitet. Dadurch wird auch eine vergleichsweise große Wärmeaustauschfläche ausgebildet. Die innerhalb des Kompressors zum doppelwandigen Kondensator führende Heißgasleitung mündet in der inneren Trennwand in den Kondensator. Diese Einmündungsstelle befindet sich aus geometrischen Gründen, wie auch aus Gründen einer effizienten Heißgaseinleitung, im oberen Kopfbereich des Kompressors. Das Heißgas tritt folglich im oberen Kopfbereich des Kompressors in den Kondensator ein und wird nach allen Seiten flächig über die Trennwände entlang dem Kompressorgehäuse nach unten geführt. An der tiefsten Stelle des Kondensators befindet sich die Austrittsstelle des flüssigen Kältemittels, das sich dort aufgrund der Schwerkraft ansammelt. Ein wesentlicher Vorteil der doppelwandigen Ausführung eines Kompressorgehäuses besteht auch darin, dass die Kondensatorfläche für den Wärmetausch an die Kontur des Kompressorgehäuses ideal angepasst werden kann.
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Vorteilhafterweise kann im Innenvolumen des doppelwandigen Kompressorgehäuses eine zumindest mit der äußeren Trennwand im thermischen Kontakt stehende Wärmeleitstruktur angeordnet sein. Diese Wärmeleitstruktur ist so beschaffen, dass sie das gasförmige bzw. flüssige Kältemittel hindurch treten lässt. Geeignet hierzu sind im Verflüssigerspalt als Innenvolumen angeordnete Metallnetze oder auch offenporige Schaumstrukturen mit entsprechend angepasster Porengröße. Ebenso geeignet sind innen liegende Kühlrippen, Leitbleche, Kanäle oder auch Blockwärmetauscher, die an der Innenwandung der äußeren Trennwand wärmetechnisch leitend angekoppelt sind. Derartige Strukturen können entweder aufgeschweißt, aufgelötet oder auch als Vollmaterial aus der äußeren Trennwand herausgearbeitet sein. Gegebenenfalls besteht zum thermischen Kontakt nach außen zudem auch ein thermischer Kontakt zur inneren Trennwand hin. Dies hat den Vorteil, dass auf diese Weise auch das Innere des Kompressors effektiv gekühlt werden kann. Die konstruktive Auslegung der Wärmeleitstruktur berücksichtigt die Voraussetzungen für einen guten Wärmeaustausch des Wärmeträgerfluids. Hierbei sollte die Wärmeleitstruktur das Strömungsverhalten des Kältemittelflusses nicht nachteilig beeinflussen. Auch können die inneren Wärmeleitstrukturen zudem eine mechanische Stützfunktion zwischen der äußeren und inneren Trennwand ausüben.
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Darüber hinaus können vorteilhafterweise im Innenvolumen des doppelwandigen Kompressorgehäuses mit der äußeren Trennwand im thermischen Kontakt stehende Kanäle oder Kapillaren angeordnet sein. Hierdurch kann die Strömungsführung des Heißgases bzw. des kondensierten Kältemittels quasi zwangsläufig zwischen den inneren und äußeren Trennwänden entlang der Kontur des Kompressorgehäuses geführt werden. Hierbei handelt es sich folglich nicht mehr um ein der Fluidströmung frei zugängliches Volumen, sondern um einen durch die Kanäle bzw. Kapillaren exakt vorgegebenen Strömungsverlauf.
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Vorteilhafterweise können die mit der äußeren Trennwand im thermischen Kontakt stehenden Kanäle oder Kapillaren spiralig verlaufen. Bei dieser Bauform handelt es sich quasi um einen doppelwandigen Kondensator, der in Ausgestaltung eines Spiraldeckels im oberen Bereich des Kompressorgehäuses eingebunden ist. Derartige Spiraldeckel können auch vorab als eigenständige Bauteile hergestellt und anschließend im Kompressorgehäuse fest integriert werden. Auch in dieser Ausgestaltung des Kondensators ist dieser immer noch als Teil des Kompressorgehäuses anzusehen. Beispielsweise kann der Spiraldeckel mit dem übrigen Kompressorgehäuse mittels einer Schweißnaht stoffschlüssig verbunden werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressorgehäuse mit an der Gehäusewandung angebrachten oder in die Gehäusewandung integrierten Rohrschleifen als Kondensator ausgeführt sein. Diese Ausgestaltung regt an, den Kondensator direkt mit der Gehäusewandung zu verbinden und auf der Außenseite stoffschlüssig zu fixieren. Die Sauggasleitung des Kompressors wird hierbei dann direkt an die Rohrschleifen angebunden, die eng an der Wand des Kompressors entlang geführt sind. Auch in dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Lösung realisiert, dass ein Teil des Kompressorgehäuses ein Teil des Kondensators bildet. Jedenfalls sind die Rohrschleifen so angeordnet, dass sie als integrativer Bestandteil der Kompressoraußenwandung angesehen werden können.
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Bevorzugt kann das Kompressorgehäuse nur im oberen Deckelbereich als Kondensator ausgestaltet sein. Zur Kühlung des Heißgases ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Kondensator das gesamte Kompressorgehäuse umschließt. Meist ist es ausreichend, nur einen Teilbereich des Kompressorgehäuses für einen Wärmeaustausch zu nutzen. Für die konstruktive Auslegung ist ein als Kondensator ausgelegter Deckelbereich auch aus Platzgründen für eine Kompressionskältemaschine der bevorzugte Einbauraum. Vorteilhafterweise kann das Kompressorgehäuse mit haubenartigem oder mantelartigem Kondensator als Wärmetauscher ausgestaltet sein. Insbesondere können dabei mantelartige Ausführungen wie eine Manschette um die Kompressorkontur herum verlaufen.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann die äußere Oberfläche der äußeren Trennwand des als Kondensator ausgebildeten Kompressorgehäuses mit Kühleinrichtungen versehen sein. Um den Wärmeübertrag nach außen zu steigern, können hierzu Kühlrippen oder Kühlzapfen bzw. Blockwärmetauscher auf der Außenseite angeordnet sein. Derartige Strukturen können entweder aufgeschweißt, verlötet oder sogar aus dem Vollmaterial herausgearbeitet sein. Jedenfalls ist darauf zu achten, dass eine gute thermische Verbindung mit dem Kondensator ausgebildet wird, um den nötigen Wärmeübertrag herzustellen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann auf dem Kompressorgehäuse ein Kühlgebläse angeordnet sein. Ein Kühlgebläse sorgt entweder für sich alleine oder in Verbindung mit weiteren außenseitigen Kühleinrichtungen dafür, dass ein entsprechend großer Wärmeaustausch zum Kondensator hin stattfindet. Mit einem Gebläse kann die freie Kondensatorfläche in der Kühlwirkung wesentlich gesteigert werden, so dass der Kondensator bezüglich des Wärmeübertrags entsprechend klein dimensioniert werden kann. Die vom Kühlgebläse abtransportierte erwärmte Kühlluft kann dabei über eine Kondensatschale geleitet werden. Kondensatschalen, angeordnet auf Kompressorgehäusen, sind bei Kompressionskältemaschinen bereits üblicher Stand der Technik. Es kann mit einer derartigen Strömungsführung der aufgeheizten Kühlluft die Verdampfungsleistung des überschüssigen Kondensats wesentlich gesteigert werden.
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Vorteilhafterweise können das Kältemittel im Kondensator und die Kühlluft des Kühlgebläses im Gegenstromprinzip geführt werden. Üblicherweise wird bei einer derartigen Strömungsführung das Heißgas im Kopfbereich des Kompressors in den Kondensator geleitet und entlang der äußeren Gehäusewandung nach unten weitergeführt und zur Kondensation gebracht. In der Strömungsführung wirkt das Kühlgebläse gegenläufig. Es saugt, üblicherweise durch die gezielte Strömungsführung äußerer Kühleinrichtungen, die Kühlluft entlang vom Kompressorgehäuse von unten in den Kopfbereich, wodurch eine optimale Kühlleistung bewerkstelligt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch den Aufbau einer Kompressionskältemaschine
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2 schematisch den Aufbau eines Kompressors mit integriertem Kondensator
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer Kompressionskältemaschine 1. Bei dieser durchströmt ein Kältemittel in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf nacheinander einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, ein Drosselorgan 4 und einen Verdampfer 5. Die Richtung des Kältemittelflusses ist durch Pfeile gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf einen im Kompressor 2 integrierten Kondensator 3, hier in 1 mit einer Ellipse umrahmt und mit K bezeichnet.
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Diese Baueinheit ist in 2 schematisch dargestellt. 2 zeigt einen Kompressor 2 mit einem Kompressorgehäuse 20, das im oberen Bereich doppelwandig ausgeführt ist. So besteht das doppelwandige Kompressorgehäuse 20 aus einer inneren Trennwand 31 und einer äußeren Trennwand 32. Die innere Trennwand 31 und die äußere Trennwand 32 sind integrierter Bestandteil des Kondensators 3. Zum Kompressor 2 wird eine Sauggasleitung 21 hingeführt. Das dadurch gebildete Innenvolumen 33, auch Verflüssigerspalt 33 genannt, dient dazu, das durch eine Heißgasleitung 23 eintretende gasförmige Medium vom Verdichter 22 zu kondensieren. Die Pfeile im Verflüssigerspalt 33 symbolisieren dabei die Strömungsrichtung des Kältemittels. Unmittelbar nach Eintritt über die Heißgasleitung 23 ist das Kühlmedium hoch verdichtet und noch gasförmig. im Eintrittsbereich der Heißgasleitung 23 in den Kondensator 3 ist der Verflüssigerspalt 33 im Volumen größer ausgebildet als im weiteren Verlauf. Das Kühlmedium strömt im Kondensator 3 entlang dem Kompressorgehäuse 20 nach außen, gibt dabei Wärme ab und wird verflüssigt. Im Bereich des verflüssigten Kältemittels verjüngt sich der Verflüssigerspalt 33 auf ein geringeres Volumen in Richtung der Austrittsleitung 24. Auf der Außenseite der äußeren Trennwand 32 ist eine Kühleinrichtung 34 angeordnet, die sich flächig über den gesamten Kompressor 2 erstreckt. In diesem Fall handelt es sich um eine haubenartige Geometrie, die ungefähr die Hälfte des Kompressorgehäuses 20 umspannt. Zur besseren Kühlung ist im oberen Bereich der Kühleinrichtung 34 ein Kühlgebläse 35 aufgesetzt. Die Kühlluft wird durch Eintrittsöffnungen 36 über Kühllamellen 38 nach oben geführt und über die Austrittsöffnung 37 des Kühlgebläses 35 abgeleitet. Das Kältemittel im Verflüssigerspalt 33 und die Kühlluft durch die Kühleinrichtung 34 strömen dabei im Gegenstromprinzip, wodurch ein besonders effizienter Wärmeaustausch stattfindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kompressionskältemaschine
- K
- im Kompressor integrierter Kondensator
- 2
- Kompressor
- 20
- Kompressorgehäuse
- 21
- Sauggasleitung
- 22
- Verdichter
- 23
- Heißgasleitung
- 24
- Austrittsleitung
- 3
- Kondensator
- 31
- innere Trennwand
- 32
- äußere Trennwand
- 33
- Innenvolumen, Verflüssigerspalt
- 34
- Kühleinrichtung
- 35
- Kühlgebläse
- 36
- Eintrittsöffnung
- 37
- Austrittsöffnung
- 38
- Kühllamellen
- 4
- Drosselorgan
- 5
- Verdampfer
- Pfeile
- Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 533913 [0003]
- DE 1972947 U [0004]
- DE 1451014 A [0005]