ОДНОКОНТУРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АППАРАТ
SINGLE-CIRCUIT REFRIGERATING APPARATUS

Область техники
Данное изобретение относится к холодильному аппарату, в частности бытовому холодильнику, с циркуляционным контуром хладагента, в котором компрессор соединен с по меньшей мере двумя испарителями, каждому из которых соответствует одно из отделений с разными температурными режимами. Возможны различные конфигурации циркуляционных контуров хладагента для таких холодильных аппаратов. Так, возможно параллельное включение испарителей в циркуляционном контуре хладагента и установка направляющего распределителя, предусмотренного для снабжения хладагентом одного из обоих испарителей в зависимости от того, в каком из отделений требуется охлаждение. В противоположность этому в так называемых одноконтурных холодильных аппаратах оба испарителя соединены друг с другом последовательно, так что поступающий от компрессора хладагент проходит сначала через первый испаритель, а затем через второй испаритель. Поскольку в таких холодильных аппаратах не требуются направляющие распределители для управления потоком хладагента, они надежны и недороги в производстве.
Уровень техники
Работа компрессора такого одноконтурного холодильного аппарата регулируется, как правило, при помощи температурного датчика, который расположен в отделении, охлаждаемом вторым испарителем. Если этот температурный датчик фиксирует потребность в охлаждении, то хладагент циркулирует также через первый испаритель, независимо от того, действительно ли у соответствующего ему отделения есть потребность в охлаждении или нет. Для установления в первом отделении, несмотря на отсутствие регулирования в нем, подходящей температуры необходимо точное согласование друг с другом габаритных размеров обоих испарителей и отделений, толщины изолирующего слоя отделений, потоков хладагента, времени работы компрессора и других параметров, чтобы потребность в охлаждении отделения, охлаждаемого первым испарителем, удовлетворялась, но не превышалась. Однако даже тщательная настройка позволяет удовлетворительно эксплуатировать аппарат только в пределах узкого интервала температур окружающей среды. Если температура окружающей среды слишком высока, то потребность в охлаждении более теплого отделения растет в процентном отношении быстрее, чем потребность в охлаждении более холодного отделения, так что, если температурный датчик расположен в более теплом отделении, то температура в более холодном падает ниже предусмотренного уровня. Но излишне интенсивное охлаждение приводит к повышенной потребности в энергии. Если температура окружающей среды, напротив, слишком низкая, то потребность в охлаждении более теплого отделения становится сильнее, чем потребность в охлаждении более холодного.
Вследствие этого возможно недостаточное охлаждение более холодного отделения, в результате чего может ухудшаться сохранность охлаждаемых в нем продуктов.
Давно известное решение этой проблемы - так называемое зимнее переключение. С его помощью пользователь имеет возможность переключать режим эксплуатаци между обычным рабочим режимом и режимом для работы в холодной окружающей среде. При последнем режиме в более теплом отделении производится нагревание, которое приводит к тому, что температурный датчик этого отделения сообщает о потребности в охлаждении чаще, чем это происходило бы без нагревания. Таким образом, компрессор работает достаточно часто, чтобы вызывать также достаточное охлаждение более холодного отделения. Однако степень эффективности холодильного аппарата вследствие дополнительного нагревания значительно ухудшается.
Бытовые холодильные аппараты, в которых число оборотов или производительность компрессора является изменяемой, известны, например, из патентных документов US 5711159 А и US 6769265 B1. Возможность переменного числа оборотов позволяет снижать производительность компрессора при незначительной потребности холодильного аппарата в охлаждении и таким образом достигать менее частой смены фаз включения и отключения компрессора, ухудшающей энергетическую эффективность холодильного аппарата. Обычные холодильные аппараты, описанные в упомянутых документах, имеют единственный испаритель, который охлаждает оба холодильных отделения, причем охлажденный в нем воздух распределяется между холодильными отделениями в соответствии с их потребностью в охлаждении. Необходимые для этого воздуховоды и воздушные клапаны занимают пространство внутри холодильного аппарата, которое тогда уже не может использоваться для хранения охлаждаемых продуктов. Не в последнюю очередь различные устройства, необходимые для распределения холодного воздуха, существенным образом способствуют увеличению стоимости такого аппарата.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является создание компактного, простого и недорогого в производстве холодильного аппарата, в частности, бытового холодильника, с высокой энергетической эффективностью.
Под холодильным аппаратом понимается, в частности, бытовой холодильник, то есть холодильный аппарат, который применяется для ведения домашнего хозяйства или, возможно, также используется в области общественного питания и служит, в частности, для хранения пищевых продуктов и/или напитков в количествах, обычных для бытовых нужд, при определенных температурах, как, например холодильник, морозильная камера, комбинированный холодильник-морозильник или шкаф для хранения вина.
Задача решена холодильным аппаратом, в частности, бытовым холодильником, с циркуляционным контуром хладагента, в котором компрессор присоединен к по меньшей мере одному первому испарителю, связанному с холодным отделением, и к одному второму испарителю, связанному с теплым отделением, причем компрессор выполнен с возможностью работы с переменной производительностью и предназначен для временной эксплуатации его при низкой температуре окружающей среды с более высокой производительностью, чем при высокой температуре окружающей среды.
На первый взгляд повышение производительности компрессора при низкой температуре окружающей среды кажется противоречащим здравому смыслу, так как повышенная производительность сопровождается повышением потребляемой мощности и повышением холодопроизводительности, а она как раз при низкой температуре окружающей среды не требуется. Однако вместе с производительностью растет также давление на выходе компрессора, так что имеется возможность достигать более низкой температуры испарения. Эта более низкая температура испарения помогает избегать недостаточного охлаждения холодного отделения при низкой температуре окружающей среды.
Чтобы достигать такой низкой температуры испарения предпочтительно в холодном отделении, соответствующем первому испарителю, последний в целесообразном случае должен быть расположен в циркуляционном контуре хладагента выше по направлению потока, чем второй испаритель.
Если согласно данному изобретению компрессор эксплуатируется при низкой температуре окружающей среды с высокой производительностью, то его холодопроизводительность неизбежно выше, чем средняя потребность в охлаждении отделений. Поэтому нецелесообразно стремиться к максимально непрерывной эксплуатации компрессора, как в большинстве известных холодильных аппаратов с переменной производительностью компрессора. Вместо этого здесь предпочтительно имеется возможность включения и отключения компрессора под управлением по меньшей мере одного первого температурного датчика, расположенного в одном из отделений, причем включенное состояние соответствует периодам, в которые производительность компрессора при низкой температуре окружающей среды должна быть выше, чем при высокой температуре окружающей среды.
Этот температурный датчик может быть расположен, в частности, в теплом отделении.
Для реализации желаемой связи между температурой окружающей среды и производительностью компрессора представляются возможными различные концепции. Одна из них - управление производительностью компрессора непосредственно при помощи измерительного датчика температуры окружающей среды.
Однако допустима также возможность предусмотреть второй температурный датчик в другом отделении. Если в этом случае один из обоих температурных датчиков регистрирует потребность в охлаждении для холодного отделения, однако другой не регистрирует потребность в охлаждении для теплого отделения, тогда это служит указанием на низкую температуру окружающей среды и на желательность работы компрессора в режиме повышенной производительности, и с пониженной вследствие этого температурой испарения, чтобы охлаждать холодное отделение более интенсивно.
Еще одна концепция позволяет полностью отказаться от второго температурного датчика: доля периодов включения компрессора во всем времени работы холодильного аппарата позволяет сделать вывод об общей потребности в охлаждении первого и второго отделений и тем самым также о температуре окружающей среды. Если доля периодов включения во времени работы холодильного аппарата незначительна, то это указывает на низкую температуру окружающей среды, так что в этом случае целесообразно повышение производительности компрессора во время его следующего периода включения.
Особенно проста концепция управления производительностью компрессора в период включения просто на основании продолжительности предшествующего периода отключения: чем он длительнее, тем ниже, следовательно, температура окружающей среды, и в соответствии с этим тем выше должна выбираться производительность компрессора.
В одном из вариантов управление производительностью компрессора обеспечено на основании доли продолжительности фазы включения или отключения компрессора во всем времени работы холодильного аппарата.
Дальнейшие признаки и преимущества изобретения отчетливо видны на основании приведенного ниже описания вариантов осуществления, ссылающегося на прилагаемые фигуры чертежей. Из этого описания и фигур следуют также признаки вариантов осуществления, которые не упомянуты в пунктах формулы изобретения. Возможно проявление таких признаков и в других сочетаниях, отличающихся от тех, которые специально раскрыты здесь. Поэтому тот факт, что некоторые такие признаки упомянуты в одном и том же предложении или иным образом текстуально связаны друг с другом, не оправдывает вывода о возможности их появления только в данном специфическом раскрытом сочетании; вместо этого следует в принце исходить из того, что возможны также пропуски или изменения некоторых из числа нескольких таких признаков, если это не ставит под сомнение техническая осуществимость изобретения.
Краткое описание фигур чертежей
фиг. 1 схематичный разрез бытового холодильного аппарата согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг. 2 схема последовательности операций процесса работы управляющей схемы холодильного аппарата фиг. 1;
фиг. 3 схематичный разрез бытового холодильного аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг. 4 схема последовательности операций процесса работы управляющей схемы холодильного аппарата фиг. 3;
фиг. 5 схематичный разрез бытового холодильного аппарата согласно третьему варианту осуществления изобретения; и
фиг. 6 схема последовательности операций процесса работы управляющей схемы холодильного аппарата фиг. 5.
Осуществление изобретения
Корпус холодильного аппарата, схематично представленного на фиг. 1, включает в себя коробку 3 корпуса, имеющую два отделения с разными температурными режимами, например, обычную холодильную камеру 1 качестве теплого отделения и морозильную камеру 2 в качестве холодного отделения. На коробке 3 корпуса шарнирно закреплены двери 4, 5 для закрывания отделений 1, 2. На задней стенке каждого из отделений 1, 2 здесь изображены испарители 6, 7 типа Coldwall, однако, возможно было бы также размещение испарителей, не рассчитанных на размораживание, без необходимости существенных изменений в особенностях изобретения, которые описаны в дальнейшем.
Испарители 6, 7 вместе с компрессором 8, конденсатором 9, дросселирующим элементом 10 и, возможно, запорным клапаном 11 представляют собой часть циркуляционного контура хладагента холодильного аппарата. Между напорным патрубком 12 и всасывающим патрубком 13 компрессора 8 последовательно включены конденсатор 9, дросселирующий элемент 10, испаритель 6 морозильной камеры 2 и испаритель 7 обычного холодильного отделения 1, так что жидкий хладагент из конденсатора 9 может попадать в испаритель 7 только через дросселирующий элемент 10 и испаритель 6. Запорный клапан 11 связан с компрессором 8 и открыт строго в то время, когда компрессор включен. Высокое давление в конденсаторе 9 сохраняется также в периоды отключения компрессора 8, благодаря блокированию прохода посредством запорного клапана 11 в эти периоды, так что сразу после его включения на выходе дросселирующего элемента 10 имеется жидкий хладагент.
Электронная управляющая схема 14, предпочтительно выполненная на основе микропроцессора, соединена с температурным датчиком 15, расположенным в обычном холодильном отделении 1, и с внешним температурным датчиком 16.
ext
Фиг. 2 иллюстрирует процесс работы управляющей схемы 14. Процесс циклически повторяется, так что выбор определенной технологической операции в качестве начальной, в принципе, является произвольным. Здесь в качестве начального шага выбрана операция S1 считывания показаний температурного датчика 15 и сравнения регистрируемой им температуры Т1 в обычном холодильном отделении 1 с температурой T1max порога включения. Эта операция S1 повторяется в виде бесконечного цикла до тех пор, пока Т1 не превысит температуру T1max порога включения. Как только это происходит, управляющая схема 14 операцией 82 запрашивает от внешнего температурного датчика 16 температуру T наружного воздуха. Обращаясь к функции, заданной, например в форме просмотровой таблицы, записанной в постоянном запоминающем устройстве управляющей схемы 14, управляющая схема 14 в ходе операции S3 устанавливает нужную производительность Q компрессора 8 или соответствующее этой производительности число оборотов. Затем компрессор 8 включают в ходе операции 84, и он работает с установленной производительностью Q или с установленным числом оборотов так долго, пока операцией S5 не будет зафиксировано, что температура Т1 в обычном холодильном отделении 1 понизилась до уровня ниже температуры T1min порога отключения. Когда это происходит, компрессор 8 снова отключается операцией S6, и процесс возвращается к исходному пункту.
ext
ext
ext
Функция Q(T), используемая в операции S3, представляет собой убывающую функцию от температуры T наружного воздуха, оптимизированную производителем холодильного аппарата и специфичную для данной модели холодильного аппарата. При повышении производительности Q с уменьшением температуры наружного воздуха T чем ниже температура наружного воздуха и чем выше, следовательно, доля морозильной камеры 2 в общей потребности в охлаждении всего устройства, тем ниже температура испарения хладагента, достигаемая, в частности, в испарителе 6 морозильной камеры 2.
В холодильном аппарате с фиг. 3 внешний температурный датчик 16 исключен, и вместо этого с управляющей схемой 14 соединен температурный датчик 17 в морозильной камере 2.
При процессе работы управляющей схемы 14 согласно этому варианту осуществления сначала также в ходе бесконечного цикла 81 ожидают, пока температура Т1 в обычном холодильном отделении не превысит температуру T1max порога включения. Когда это происходит, в ходе операции S2 проверяют, превосходит ли уже и температура Т2 в морозильной камере 2 заданную верхнюю предельную температуру T2max. Если превосходит, этот факт указывает на то, что потребность в охлаждении морозильной камеры 2 покрыта недостаточно, т.е. что температура наружного воздуха ниже, чем она должна быть для достаточного охлаждения морозильной камеры 2. Это принимают в расчет в ходе операции S3′, повышая заданное значение Q производительности компрессора 8.
При этом способе допустимо было бы также сравнение в операции S1 каждый раз температуры Т2 морозильной камеры с температурой T2max′ порога включения, которая выше, чем T2max, и ветвление к операции S2 также в случае превышения T2max′. Таким образом, даже в случае грубого рассогласования между предписанным значением Q и температурой окружающей среды, ликвидация /компенсация/ которого потребовала бы большого числа циклов повышения и соответственно длительного времени, возможно предотвращение катастрофичного нагревания морозильной камеры 2.
Возможен также и обратный вариант, в котором морозильная камера 2 охлаждается сильнее, чем требуется, и вследствие этого в то время, когда температура в обычном холодильном отделении Т1 превысит ее порог включения T1max, температура Т2 морозильной камеры 2 опускается ниже самой низкой желательной температуры T2min. Если в ходе операции S4′ выявляется, что это происходит, тогда операцией S5′ предписанное значение Q производительности компрессора уменьшают. Если температура морозильной камеры Т2 находится между пороговыми величинами T2max и T2min, то отделения 1, 2 настроены правильно относительно друг друга, и предписанное значение Q остается неизменным.
После того как заданное значение Q при необходимости оптимизировано, как описано выше, следуют операции S4, S5 и S6, уже описанные со ссылкой на фиг. 2, и после отключения компрессора операцией S6 способ возвращается к исходному пункту S1.
ext
Как можно видеть, в этом способе не требуется специфичная для конкретных устройств функция определения предписанного значения, как, например, Q(T). Поэтому затраты на исследования, необходимые для внедрения этого варианта осуществления, особенно невелики.
Холодильный аппарат, показанный на фиг. 5, имеет только единственный температурный датчик, а именно датчик 15 в обычном холодильном отделении 1. Здесь вместо внешнего температурного датчика 16 или датчика в морозильной камере 17 к управляющей схеме 14 присоединен таймер 18. Этот вариант осуществления выполняется особенно недорого, так как таймер 18 реализуется практически без дополнительных издержек на базе задатчика тактовой частоты, так или иначе необходимого для управляющей схемы 14, и отпадают затраты на кабельный монтаж второго температурного датчика. Процесс работы управляющей схемы 14 согласно этому варианту осуществления очень похож на процесс с фиг. 2. В ходе подготовительной операции SO таймер t устанавливается на ноль. Затем следует операция S1 сравнения температуры Т1 обычного холодильного отделения 1 с температурой T1max порога включения. Эта операция опять-таки повторяется в виде бесконечного цикла до тех пор, пока не выполнено условие. Тогда операцией S2” запрашивается значение таймера t, и операцией S3 определяется предписанное значение Q производительности компрессора как функция от значения таймера t. За этим следуют снова те же операции S4, S5 и S6, что и в процессах с фиг. 2 и 4.
Функция Q(t) снова представляет собой специфическую функцию, оптимизированную для соответствующей модели холодильного аппарата, причем значение Q возрастает с ростом значения t, т.е. для каждого периода включения выбирается тем больше значение Q, чем дольше продолжался предыдущий период отключения компрессора 8, от операции S6 до следующей операции S2”. Очевидно, что это время в свою очередь тем продолжительнее, чем ниже температура окружающей среды.
Так как продолжительность периода включения компрессора 8 по существу не зависит от температуры окружающей среды и с возрастающей производительностью Q скорее даже уменьшается, при способе с фиг. 6 также можно говорить, что Q тем выше, чем короче доля периодов включения компрессора 8 во всем времени работы холодильного аппарата.