ХОЛОДИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ФУНКЦИЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАЗМОРАЖИВАНИЯ
REFRIGERATING DEVICE WITH AUTOMATIC DEFROSTING FUNCTION

Настоящее изобретение относится к холодильному устройству, в частности к бытовому холодильному устройству с функцией автоматического размораживания испарителя.
На испарителе холодильного устройства в процессе работы оседает влага, которая может привести к образованию на испарителе теплоизолирующего слоя инея. Такой слой существенно снижает энергетическую эффективность холодильного устройства. Поэтому в уровне техники к испарителю холодильного устройства присоединяют нагревательное устройство, предназначенное для периодического оттаивания слоя инея. Часто систему управления нагревательного устройства для оттаивания соединяют со счетчиком отработанных часов, что позволяет размораживать испаритель по истечении определенного количества часов работы компрессора. Таким образом, условия для размораживания могут возникнуть только во время работы компрессора, в результате чего автоматическое оттаивание выполняется, как правило, непосредственно после этапа работы испарителя.
На этот момент испаритель содержит значительное количество жидкого хладагента, который при оттаивании также приходится нагревать. При этом испаритель большей частью переходит в парообразное состояние. Таким образом, большое количество энергии, затраченной ранее на конденсацию хладагента, оказывается потерянной без использования. Кроме того, значительное количество тепловой энергии расходуется на испарение хладагента. Время, необходимое для выработки этой тепловой энергии, нежелательным образом увеличивает длительность процесса оттаивания.
Такого неэффективного использования энергии можно избежать, выждав промежуток времени между выключением компрессора и включением нагревательного устройства для оттаивания, в течение которого жидкий хладагент может испариться с поглощением тепла из охлаждаемого отсека холодильного устройства. При этом, однако, оказывается, что одновременно с испарением жидкого хладагента охлаждаемый отсек снова нагревается. Следовательно, чем больше время ожидания между выключением компрессора и включением нагревательного устройства для оттаивания, тем меньше остаточное количество жидкого хладагента, который придется испарить при размораживании, и тем больше вероятность того, что в момент, в который охлаждаемому отсеку снова понадобится холод, процесс оттаивания еще не будет завершен и, следовательно, придется либо досрочно прерывать оттаивание, либо смириться с нежелательным нагревом охлаждаемого отсека.
Холодильные устройства, в которых контур циркуляции хладагента между выпуском компрессора и впуском испарителя содержит запорный клапан, известны из уровня техники. Такой запорный клапан обычно используют для поддержания разности давлений, полученной во время работы компрессора между выходом компрессора и испарителем, на этапе простоя компрессора.
Главной целью настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности холодильного устройства. В частности, задача состоит в предотвращении потерь эффективности, которые можно объяснить нежелательным нагревом хладагента при оттаивании испарителя.
Эта цель достигается за счет холодильного устройства, в частности бытового холодильного устройства, с контуром циркуляции хладагента, содержащим компрессор, испаритель и запорный клапан между выпуском компрессора и впуском испарителя, нагревательным устройством для оттаивания испарителя и блоком управления, при этом блок управления выполнен с возможностью подготовки оттаивания испарителя путем эксплуатации компрессора при закрытом запорном клапане. Когда компрессор работает при закрытом запорном клапане, он создает пониженное давление в испарителе, что способствует испарению содержащегося в нем жидкого хладагента. Так как пар, образующийся при испарении, всасывается компрессором, после достаточно продолжительной работы компрессора в испарителе остается лишь очень небольшое остаточное количество хладагента. Таким образом, в большинстве случаев потребуется затрачивать на нагрев хладагента лишь небольшую часть мощности нагревателя, а большая часть мощности нагревателя будет доступна для оттаивания слоя инея. Вследствие сокращения времени, необходимого для оттаивания, снижается и количество тепла, поступающего в камеру для хранения в холодильном устройстве во время процесса оттаивания, что также повышает эффективность.
Длительность работы компрессора между закрытием запорного клапана и включением нагревательного устройства должна быть достаточно большой для того, чтобы заметно уменьшить количество хладагента в испарителе. По существу, длительность работы не должна быть меньше 2 минут.
В альтернативном варианте минимальное время работы компрессора между закрытием запорного клапана и включением нагревательного устройства рассчитывают таким образом, чтобы перекачиваемый компрессором объем был достаточен для выведения большей части хладагента, содержащегося в испарителе на момент закрытия запорного клапана. Так, например, давление паров бутана, расширяющегося в качестве хладагента, при обычных температурах испарителя составляет приблизительно 0,5 бар, а отношение между плотностью в газообразном и в жидком состоянии составляет приблизительно 1:400. Если испаритель будет полностью заполнен жидким хладагентом при закрытии запорного клапана, то в результате (при условии, что давление не опускается ниже 0,5 бар) перемещенного компрессором объема, соответствующего 400-кратному объему испарителя, будет достаточно для того, чтобы откачать хладагент в таком количестве, чтобы в испарителе остался только газообразный хладагент. Поскольку испаритель всегда только частично заполнен жидким хладагентом, перемещенный объем должен по меньшей мере в 50 раз, а более предпочтительно - по меньшей мере в 100 раз превышать объем испарителя, чтобы удалить если не весь, то, по меньшей мере, большую часть содержащегося в испарителе жидкого хладагента и, тем самым, существенно сократить теплоемкость испарителя.
Когда нагревательное устройство работает, запорный клапан должен быть закрыт, чтобы испаритель не охлаждался под действием поступающего и расширяющегося в нем хладагента.
В период между выключением нагревательного устройства и последующим включением компрессора может оказаться целесообразным открытие запорного клапана с целью уменьшения разности давлений между входом и выходом компрессора и, тем самым, облегчения запуска компрессора.
В общем, для холодильного устройства согласно изобретению предпочтительно использовать компрессор с регулируемой частотой вращения, так как такой компрессор способен запускаться даже при значительном перепаде давлений между его входом и выходом. Если компрессор выполнен с возможностью запуска при разнице давлений между областью высокого давления и областью низкого давления контура циркуляции хладагента, возникающей после фазы бездействия компрессора, во время которого нагреватель не работал, можно обойтись без открытия запорного клапана, по меньшей мере, после такой фазы бездействия.
Поскольку разница давлений между областью высокого давления и областью низкого давления после оттаивания, как правило, будет выше, чем после обычной фазы бездействия компрессора без оттаивания, то даже при использовании компрессора, предназначенного для запуска в условиях разницы давлений после обычной фазы бездействия, может оказаться целесообразным уменьшить разницу давлений после процесса оттаивания перед включением компрессора и для этого открыть запорный клапан, по меньшей мере, на короткое время перед запуском компрессора.
Само по себе известно соединение блока управления холодильного устройства с датчиком температуры, чтобы блок управления мог отключать компрессор, когда температура падает ниже первого порогового значения. Если непосредственно перед оттаиванием блок управления при понижении температуры ниже этого порогового значения закроет запорный клапан, но будет поддерживать работу компрессора с целью откачки жидкого хладагента из испарителя, то это приведет к более сильному охлаждению испарителя по сравнению с нормальным режимом работы. Такая низкая температура, в общем, не дает никаких преимуществ в отношении срока хранения охлаждаемых продуктов в холодильном устройстве. Низкое давление паров хладагента, сопровождаемое низкой температурой испарителя, требует длительной работы компрессора для вывода хладагента из испарителя. Следовательно, будет целесообразен вариант, в котором блок управления перед оттаиванием компрессора закроет запорный клапан, когда температура опустится ниже второго порогового значения, превышающего первое пороговое значение. Разницу между пороговыми значениями можно подобрать таким образом, чтобы при включении компрессора после закрытия запорного клапана первое пороговое значение температуры достигалось, по меньшей мере, приблизительно.
Испарители с возможностью нагрева используют, в частности, в холодильных устройствах с системой автоматического оттаивания («no-frost»), в которых испаритель находится в камере испарителя, выполненной отдельно от камеры для хранения холодильного устройства, а вентилятор обеспечивает циркуляцию воздуха между камерой для хранения и камерой испарителя с целью охлаждения камеры для хранения. Целесообразно, чтобы такой вентилятор работал также в том случае, если компрессор работает при закрытом запорном клапане, чтобы холод, производящийся при откачивании хладагента, можно было использовать для охлаждения камеры для хранения.
Вентилятор может также работать в период времени между выключением компрессора и последующим включением нагревательного устройства, чтобы перед включением нагревательного устройства передать максимальное количество тепла из камеры для хранения в камеру испарителя.
Цель изобретения также достигается за счет способа эксплуатации холодильного устройства, содержащего контур циркуляции хладагента с компрессором, испарителем и запорным клапаном между выпуском компрессора и впуском испарителя, причем способ содержит следующие этапы:
- работа компрессора при закрытом запорном клапане;
- выключение компрессора; и
- нагревание испарителя.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов исполнения со ссылкой на прилагаемые фигуры. Из этого описания и фигур вытекают также признаки вариантов исполнения, не упомянутые в формуле изобретения. Такие признаки могут быть использованы, в том числе, в комбинациях, отличающихся от явно указанных в настоящей заявке. Тот факт, что несколько подобных признаков упомянуты в одном предложении или состоят в какой-либо другой текстовой связи друг с другом, не может служить подтверждением возможности применения этих признаков только в определенной комбинации; как правило, предполагается, что некоторые из этих признаков могут быть опущены или изменены, если это не ставит под сомнение функциональность изобретения.
На чертежах:
фиг. 1 -  блок-схема контура циркуляции хладагента в холодильном устройстве, описываемом изобретением,
фиг. 2 - схематический разрез холодильного устройства, описываемого изобретением.
фиг. 3 - зависимость различных отработанных параметров холодильного устройства от времени.
На фиг. 1 схематично изображен контур 1 циркуляции хладагента в бытовом холодильном устройстве согласно изобретению. Компрессор 2 содержит выпуск 3, к которому последовательно присоединен конденсатор 4, рамочный нагреватель 5, запорный клапан 6, капиллярная трубка 7 и испаритель 8. Выпуск 9 испарителя 8 соединен с впуском 10 компрессора 2. Весь контур 1 циркуляции хладагента можно разделить на область 11 высокого давления, занимающую при нормальной работе компрессора 2 пространство от выпуска 3 до капиллярной трубки 7, а при выключенном компрессоре 2 и закрытом запорном клапане 6 - до запорного клапана 6, и область 12 низкого давления, занимающую пространство от капиллярной трубки 7 или запорного клапана 6 до впуска 10 компрессора 2.
На фиг. 2 представлен схематичный разрез холодильного устройства 13, оснащенного контуром 1 циркуляции хладагента. Речь идет об устройстве с системой «no-frost», то есть внутренняя полость теплоизолированного корпуса, образованного корпусом 14 и шарнирно соединенной с ним дверью 15, разделено перегородкой 16 на камеру 17 для хранения охлаждаемых продуктов и камеру 18 испарителя, в которой находится испаритель 8. Камера 18 испарителя через впускное отверстие 19 на своей стороне, обращенной к двери 15, и распределительный канал 20, проходящий по задней стенке корпуса 14, сообщается с камерой 17 для хранения. Для обеспечения обмена воздухом между камерами 17, 18 предусмотрен вентилятор 21. Электронный блок 22 управления управляет работой вентилятора 21, компрессора 2 и электрического нагревателя 23, установленного на испарителе 8, с помощью встроенного таймера и датчиков 24, 25 температуры, установленных в камере 17 для хранения и на испарителе 8.
Принцип действия блока 22 управления поясняется со ссылкой на диаграмму, изображенную на фиг. 3. Кривая TL показывает ход температуры в камере 17 для хранения, зарегистрированной датчиком 24 температуры, в зависимости от времени t. Эта температура сначала медленно возрастает до достижения порога Т3 включения в момент t1 времени. Это приводит, как показывает кривая V, описывающая режимы работы компрессора 2, к включению компрессора 2 в момент t1 времени. Значение встроенного счетчика отработанных часов, отображаемое кривой BSZ, которое до момента t1 при выключенном компрессоре 2 было постоянным, теперь начинает линейно прирастать. Запорный клапан 6, состояние которого представлено кривой А, открыт с момента t1 времени, а вентилятор 21, состояние которого представлено кривой F, включен.
За счет работы компрессора 2 испаритель 8 охлаждается, воздух, охлажденный на испарителе 8, транспортируется вентилятором 21 в камеру 17 для хранения, а температура, регистрируемая в этой камере датчиком 24 температуры, снижается, пока в момент t2 времени не будет достигнут нижний предел Т1 температуры. Это приведет к выключению компрессора 2 (см. кривую V), закрытию запорного клапана (кривая А) и выключению вентилятора 21 (кривая F). Значение BSZ счетчика отработанных часов останется равным значению, достигнутому к моменту t2 времени.
Затем температура в камере 17 для хранения снова поднимается, пока не достигнет снова верхнего предела Т3 температуры в момент t3 времени. В свою очередь, блок 22 управления включает компрессор 2 и вентилятор 21 и открывает запорный клапан 6. Значение BSZ счетчика отработанных часов продолжает прирастать, пока в момент t4 времени не будет снова достигнут нижний предел Т1 температуры, после чего компрессор 2 и вентилятор 21 будут снова отключены, а запорный клапан 6 - закрыт.
В момент t5 времени будет снова достигнут верхний предел Т3 температуры, а компрессор 2 будет включен. Вскоре после этого, в момент t6 времени, значение BSZ счетчика отработанных часов достигнет предельного значения BSZmax, на основании чего блок 22 управления определяет, что необходимо выполнить оттаивание испарителя 8.
Использование количества часов в качестве критерия необходимости оттаивания выгодно, по существу, простотой и дешевизной реализации. Чтобы более точно оценить количество льда на испарителе 8, можно также учитывать количество влажности, поступающей в камеру 17 для хранения, например, регистрируя каждое открытие двери 15 и увеличивая значение BSZ счетчика отработанных часов при каждом открытии двери на определенную величину, или поставив скорость приращения значения счетчика при работающем компрессоре 2 в зависимость от количества открытий двери, произошедших со времени последнего этапа работы компрессора 2. Также возможно прямое измерение толщины льда на испарителе 8, например, оптическим путем, например, с помощью светового барьера.
После того как блок 22 управления в момент t6 времени обнаружит, что необходимо оттаивание, он приступит к сравнению температуры TL, измеренной датчиком 24 температуры, с пороговым значением Т2 температуры, находящимся между значениями Т3 и Т1. В рассматриваемом случае TL в момент t6 времени все еще выше значения Т2. Когда в момент t7 времени значение опустится ниже Т2, блок 22 управления закроет запорный клапан 6, в то время как компрессор 2 и вентилятор 21 продолжат работать в течение нескольких минут. Так как после момента t7 времени хладагент более не поступает на испаритель 8, снижение температуры может быть замедлено, что показано на кривой TL. Однако, поскольку в момент t7 времени, когда закрывается запорный клапан 6, испаритель 8 еще содержит жидкий хладагент, температура TL продолжает снижаться после момента t7 времени.
Период времени [t7, t8] между закрытием запорного клапана 6 и выключением компрессора 2 может иметь фиксированную длительность, которую с учетом объемного расхода компрессора 2 и количеством жидкого хладагента, предположительно содержащегося в испарителе 8 на момент t7 времени, рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточной для откачивания из испарителя 8, по меньшей мере, преобладающей части этого хладагента в парообразном состоянии. Таким образом, в этом случае температура TL на момент t8 отключения испарителя 8 может отличаться от предела Т1 температуры. Кроме того, Т2 можно выбрать таким образом, чтобы время, предположительно необходимое для охлаждения с Т2 до Т1, было приблизительно достаточным для испарения жидкого хладагента в испарителе 8, а достижение предела Т1 температуры оставалось критерием отключения испарителя 8.
max
max
Возможен вариант, в котором на момент t6 времени, в который счетчик BSZ отработанных часов достигает предельного значения BSZ, температура в камере 17 для хранения уже будет ниже температуры Т2. В этом случае блок 22 управления одновременно с достижением предела BSZ может закрыть запорный клапан 6; разумеется, если компрессор 2 проработает после этого достаточно долго для того, чтобы, по существу, откачать жидкий хладагент из испарителя 8, температура в камере 17 для хранения опустится ниже значения Т1. В данном случае этого можно избежать путем нормального завершения этапа работы компрессора 2, то есть выключения компрессора 2 при достижении температуры Т1 и удержания запорного клапана 6 в открытом состоянии до этого момента, а также переключения на сравнение с T2 и закрытия запорного клапана при достижении этой температуры только на следующем этапе работы компрессора 2.
Значение BSZ счетчика отработанных часов сбрасывают до нуля одновременно с выключением компрессора 8 в момент t8 времени. Вентилятор 21, при желании, можно оставить работать на короткий промежуток времени (до момента t9 времени). Затем вентилятор выключают и включают нагревательное устройство 23, как показано на кривой Н на фиг. 3.
Продолжительность периода времени [t9, t10], в течение которого работает нагревательное устройство 23, может быть фиксированной; в альтернативном варианте можно выбрать моментом t10 выключения нагревательного устройства 23 момент, в который повышение температуры, измеряемой датчиком 25 температуры на испарителе 8, покажет, что испаритель 8 полностью разморожен.
Опорожнение испарителя 8 перед оттаиванием приводит к тому, что, когда в момент t11 времени температура TL в камере 17 для хранения снова увеличится до значения Т3 в первый раз после оттаивания и придется запустить компрессор 2, разность давлений между областью 11 высокого давления и областью 12 низкого давления контура 1 циркуляции хладагента будет превышать разность давлений, получаемую при нормальной работе компрессора 8, например в промежутки [t1, t2] и [t3, t4] времени. Такая высокая разность давлений даже при использовании компрессора 2 с регулируемой частотой вращения, достаточно мощного для запуска в условиях разности давлений после нормальной фазы покоя, примерно в момент t1, t3 или t5 времени, может вызвать трудности при запуске. Эти трудности можно устранить, сначала открывая после оттаивания, в момент t11 времени, запорный клапан 6 (см. кривую А), а затем, с небольшой задержкой, недостаточной для полной компенсации разности давлений между областями 11, 12, запуская компрессор 2 в момент t12 времени.
ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Контур циркуляции хладагента
2 Компрессор
3 Выпуск
4 Конденсатор
5 Рамочный нагреватель
6 Запорный клапан
7 Капиллярная трубка
8 Испаритель
9 Выпуск
10 Впуск
11 Область высокого давления
12 Область низкого давления
13 Холодильное устройство
14 Корпус
15 Дверь
16 Перегородка
17 Камера для хранения
18 Камера испарителя
19 Впускное отверстие
20 Распределительный канал
21 Вентилятор
22 Блок управления
23 Нагревательное устройство
24 Датчик температуры
25 Датчик температуры
TL Температура в камере 17 для хранения
BSZ Значение счетчика отработанных часов
V Рабочее состояние компрессора 2
А Рабочее состояние запорного клапана 6
F Рабочее состояние вентилятора 21
Н Рабочее состояние нагревательного устройства 23