ОДНОКОНТУРНЫЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ АППАРАТ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОГО АППАРАТА
SINGLE-CIRCUIT COOLING APPARATUS AND METHOD OF OPERATING OF SUCH APPARATUS

Область техники
Настоящее изобретение относится к холодильному аппарату, в частности бытовому холодильному аппарату, содержащему первое и второе отделение для хранения, охлаждаемые при помощи испарителей, соединенных последовательно с компрессором, а также к способу эксплуатации такого холодильного аппарата.
Уровень техники
В холодильном аппарате с последовательно соединенными испарителями, также называемом одноконтурным холодильным аппаратом, хладагент может либо циркулировать одновременно через оба испарителя при работающем компрессоре, либо не циркулировать ни через один из двух испарителей при неработающем компрессоре. Обычно в одном из отделений для хранения такого холодильного аппарата предусмотрен датчик температуры, и блок управления включает и выключает компрессор на основании температуры, измеренной этим датчиком температуры. Недостаток такой конструкции заключается в том, что, когда теплый охлаждаемый продукт поступает в отделение для хранения, не контролируемое датчиком температуры, и должен быть охлажден в этом отделении, блок управления не в состоянии учесть это. Поэтому охлаждение этого недавно загруженного охлаждаемого продукта может занять очень много времени, а сохранность уже имеющихся охлаждаемых продуктов может быть нарушена, так как они нагреваются от недавно загруженного охлаждаемого продукта. Эта проблема вызывает заметные неудобства, в частности, в том случае, когда отделение для хранения, не контролируемое датчиком температуры, представляет собой морозильную камеру, а загруженный охлаждаемый продукт должен быть заморожен, так как при этом из охлаждаемого продукта требуется удалить большое количество тепла.
Известный способ ускорения процесса замораживания в одноконтурном холодильном аппарате называется режимом «Super». В то время как в режиме нормального охлаждения холодильного аппарата блок управления включает и выключает компрессор на основании сравнения температуры, измеренной датчиком температуры, с заданной температурой, настраиваемой, как правило, пользователем, в режиме «Super» эта же операция выполняется на основе сравнения с фиксированной заданной температурой, которая, по существу, значительно ниже установленной пользователем температуры. Если отделение для хранения, в котором расположен датчик температуры, представляет собой обычное охлаждаемое отделение, то заданная температура в режиме «Super» будет находиться, как правило, чуть выше точки замерзания, что позволит избежать замораживания охлаждаемых продуктов в обычном охлаждаемом отделении.
Режим «Super» влияет на энергетическую эффективность такого аппарата, так как принудительное охлаждение обоих отделений для хранения осуществляется даже в том случае, если повышенная мощность охлаждения необходима только в морозильной камере. Кроме того, для предотвращения переохлаждения и, в частности, замораживания в обычном охлаждаемом отделении необходимо периодически отключать компрессор, в результате чего увеличивается время, необходимое для замораживания охлаждаемых продуктов, недавно уложенных в морозильную камеру.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка холодильного аппарата и способа его эксплуатации, которые позволят быстро и экономично охлаждать недавно загруженные продукты.
Задача решена, во-первых, холодильным аппаратом, в частности бытовым холодильным аппаратом, содержащим компрессор, испаритель, расположенный выше по направлению циркуляции, и испаритель, расположенный ниже по направлению циркуляции, последовательно соединенные с компрессором, первое отделение для хранения, охлаждаемое испарителем, расположенным выше по направлению циркуляции, и второе отделение для хранения, охлаждаемое испарителем, расположенным ниже по направлению циркуляции, и блок управления, выполненный таким образом, чтобы управлять компрессором в режиме нормального охлаждения на основании сравнения температуры, измеренной датчиком температуры в одном из отделений для хранения, с первым заданным значением, и предусматривающий возможность переключения (выполняемого пользователем) из режима нормального охлаждения в режим интенсивного охлаждения, содержащий по меньшей мере один этап длительной работы компрессора, во время которого блок управления управляет работой компрессора на основании сравнения измеренной температуры со вторым заданным значением, которое ниже первого заданного значения, и этап кратковременной работы компрессора, во время которого количество хладагента, перекачиваемого компрессором между включением и последующим отключением, меньше объема жидкого хладагента, который способны вместить оба испарителя.
Поскольку количество жидкого хладагента, поступающего в испаритель на этапе кратковременной работы в период между включением и выключением, то есть во время работы компрессора, достаточно для заполнения испарителя, расположенного выше по направлению циркуляции, но недостаточно для заполнения испарителя, расположенного ниже по направлению циркуляции, на этом этапе относительно большая часть мощности охлаждения, развиваемой компрессором, приходится на первое отделение для хранения, охлаждаемое испарителем, расположенным выше по направлению циркуляции. Таким образом, первое отделение для хранения или недавно помещенные в него охлаждаемые продукты можно охлаждать быстрее, чем в обычном режиме «Super», в котором такое предпочтение первого отделения для хранения невозможно.
Чтобы на этапе кратковременной работы компрессора максимально целенаправленно снабжать жидким хладагентом только испаритель, расположенный выше по направлению циркуляции, на этапе кратковременной работы компрессора количество хладагента, перекачиваемое за каждый период работы компрессора, должно быть максимально приближено к объему жидкого хладагента, вмещаемому испарителем, расположенным выше по направлению циркуляции. Поэтому количество перекачиваемого хладагента в любом случае должно составлять от 0,5-кратной до 1,5-кратной вместимости испарителя, расположенного выше по направлению циркуляции.
Если известна вместимость испарителя и производительность компрессора, блок управления может контролировать время, прошедшее с момента последнего включения компрессора и выключать компрессор всякий раз, когда будет перекачано требуемое количество хладагента. В альтернативном варианте предусмотрен датчик температуры, расположенный на одном из испарителей и предназначенный для контроля проникновения жидкого хладагента в испарители и выключения компрессора, когда охлаждение, достигнутое на месте расположения датчика температуры, свидетельствует о том, что требуемое количество хладагента перекачано. Предпочтительно, такой датчик температуры располагают вблизи выхода хладагента из испарителя, расположенного выше по направлению циркуляции, или входа хладагента в испаритель, расположенный ниже по направлению циркуляции.
Предпочтительно, блок управления выполнен таким образом, чтобы при переключении в режим интенсивного охлаждения он сначала активизировал этап длительной работы компрессора, а затем этап кратковременной работы компрессора. Так как на этапе длительной работы компрессора охлаждаются оба отделения для хранения, этап кратковременной работы компрессора, на котором, по существу, охлаждается только первое отделение для хранения, можно впоследствии поддерживать длительное время, не рискуя чрезмерно нагреть второе отделение для хранения.
Предпочтительно, датчик температуры расположен во втором отделении для хранения.
Это позволяет, в частности, блоку управления инициировать этап кратковременной работы компрессора, когда температура во втором отделении для хранения упадет ниже порогового значения.
В альтернативном варианте этап кратковременной работы компрессора может быть запущен после заданного периода длительной работы компрессора.
Предпочтительно, блок управления должен быть выполнен таким образом, чтобы включать компрессор по истечении заданного промежутка после перехода в режим интенсивного охлаждения. Таким образом, пользователь, заранее зная время, в которое потребуется уложить в отделение для хранения новые продукты, путем своевременного переключения в режим интенсивного охлаждения может обеспечить активизацию компрессора одновременно с закладкой продуктов на хранение и, тем самым, немедленно предоставить холодильную мощность для замораживания новых продуктов.
Особо быстрое охлаждение новых продуктов может быть реализовано в том случае, если одновременно с включением компрессора начинается этап длительной работы компрессора.
На практике, как правило, трудно предсказать с точностью до минуты, когда будут заложены на хранение новые продукты. Эта проблема может быть решена за счет того, что, если холодильный аппарат содержит дверь и датчик двери для обнаружения использования двери, блок управления по истечении заданного промежутка времени после перехода в режим интенсивного охлаждения не будет сразу включать компрессор, а сначала начнет отсчет промежутка времени и включит компрессор после того, как в течение этого промежутка времени будет обнаружено использование двери. Это позволяет точно синхронизировать включение компрессора с укладкой охлаждаемых продуктов на хранение, даже если время укладки не может быть точно спрогнозировано.
Заданный промежуток времени должен составлять несколько часов, что позволит обеспечить достаточное охлаждение перед укладкой новых охлаждаемых продуктов на хранение. Предпочтительно, заданный промежуток времени составляет целое кратное от 24 часов; также возможны отклонения до +6 или -6 часов от этого значения.
Кроме того, изобретение относится к способу управления компрессором в холодильном аппарате, в котором компрессор последовательно соединен с испарителем, расположенным выше по направлению циркуляции, и испарителем, расположенным ниже по направлению циркуляции, причем испарители охлаждают первое и второе отделение для хранения, содержащему следующие этапы:
а) в режиме нормального охлаждения управление работой компрессора на основании сравнения температуры, измеренной датчиком температуры в одном из отделений для хранения, с первым заданным значением;
б) при обнаружении управляющих действий со стороны пользователя переключение в режим интенсивного охлаждения, содержащий по меньшей мере один этап длительной работы компрессора, во время которого работой компрессора управляют на основании сравнения измеренной температуры со вторым заданным значением, которое ниже первого заданного значения, и этап кратковременной работы компрессора, во время которого количество хладагента, перекачиваемого компрессором между включением и последующим отключением, меньше объема жидкого хладагента, который способны вместить оба испарителя.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов исполнения со ссылкой на прилагаемые фигуры. Из этого описания и фигур следуют, в том числе, признаки вариантов исполнения, не раскрытые в формуле изобретения. Такие признаки могут встречаться в сочетаниях, отличающихся от описанных здесь сочетаний. Тот факт, что несколько таких признаков упоминается в одном предложении или в какой-либо иной текстовой связи, не позволяет говорить о том, что эти признаки могут иметь место только в данном конкретном сочетании; вместо этого, как правило, предполагают, что некоторые из этого ряда признаков могут быть опущены или изменены, при условии, что это не ухудшит функциональные возможности изобретения. На фигурах изображено:
Фигура 1: схематичное изображение холодильного аппарата, описываемого изобретением.
Фигура 2: смена периодов работы и простоя компрессора в первом варианте исполнения холодильного аппарата.
Фигура 3: блок-схема способа работы управляющей схемы холодильного аппарата.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 схематично изображен одноконтурный бытовой холодильный аппарат с теплоизолированным корпусом 1, внутренняя полость которого разделена на два отделения, в данном случае, морозильное отделение 2 и обычное охлаждаемое отделение 3. Разделение осуществлено при помощи стенки 4, которая, аналогично окружающим отделения 2, 3 стенкам корпуса 1, заполнена изолирующим материалом; два отделения 2, 3 могут быть образованы в единой внутренней полости корпуса 1 или разделены только стенкой, препятствующей обмену воздуха между ними.
В каждом из отделений 2, 3 расположен испаритель 5 или 6. Испарители 5, 6 в данном случае выполнены в виде испарителей с холодной стенкой, но могут быть применены и другие виды испарителей. Испарители 5, 6 могут быть сформированы на отдельных платах или на единой плате, проходящей по обе стороны стенки 4 и заходящей в оба отделения 2, 3.
Испарители 5, 6 входят в состав контура циркуляции хладагента, который содержит также, известным образом, компрессор 7, конденсатор 8, расположенный, например, на задней стенке корпуса 1, осушитель 9 и капиллярную трубку 10. Хладагент, сжатый и нагретый в компрессоре 7, отдает свое тепло в конденсаторе 8 и при этом конденсируется. Жидкий хладагент расширяется при прохождении через капиллярную трубку 10 и поступает далее сначала в испаритель 5 морозильного отделения, где он может испаряться под низким давлением. Испаритель 6 примыкает ниже по направлению циркуляции к испарителю 5, а его выход соединен с всасывающей стороной компрессора 7.
Управляющая схема 11 служит для включения и выключения компрессора на основании измеренных значений температуры, поставляемых датчиком 12 температуры испарителя и датчиком 13 температуры воздуха. Датчик 12 температуры испарителя состоит в непосредственном тепловом контакте с испарителем 6 и расположен, предпочтительно, на плате испарителя 6.
Датчик 12 температуры испарителя должен быть расположен на испарителе 6 рядом с участком проходящей по испарителю 6 трубки циркуляции хладагента, расположенного выше по направлению циркуляции, чтобы быстро реагировать на проникновение свежего хладагента с низкой температурой из испарителя 5 в испаритель 6. В предпочтительном варианте датчик 12 температуры испарителя крепят в нижней части испарителя 6, чтобы датчик 12 температуры во время процесса оттаивания мог поставлять достоверную информацию о количестве остаточного льда, скапливающегося при оттаивании в нижней части испарителя 6. Конструкция, показанная на фигуре 1, удовлетворяет обоим этим требованиям одновременно, так как трубка циркуляции хладагента на испарителе 6 проходит от входа 14 хладагента на верхней кромке сначала прямо вниз до того нижнего угла испарителя 6, в котором установлен датчик 12 температуры испарителя, а затем распространяется меандром по поверхности испарителя 6.
Показания датчика 13 температуры воздуха должны максимально точно отражать температуру воздуха в обычном холодильном отделении 3. Для этого датчик 13 температуры воздуха устанавливают в стенке корпуса 1 между изоляционным материалом и внутренней оболочкой, ограничивающей обычное холодильное отделение 3, на некотором удалении от испарителя 6.
В каждом из отделений 2, 3 предусмотрено не показанное на фигуре внутреннее освещение, которое можно включать и выключать при помощи переключателя, обычно приводящегося в действие дверью отделения. На фигуре 1 изображен только один из двух переключателей - переключатель 16 морозильной камеры 2.
Пользовательский интерфейс холодильного аппарата содержит переключатель 17 режимов работы, соединенный с управляющей схемой 11. Переключатель 17 режимов работы служит, по меньшей мере, для переключения с режима нормального охлаждения в режим интенсивного охлаждения. Обратное переключение из режима интенсивного охлаждения в режим нормального охлаждения может быть инициировано при повторном включении переключателя 17 режимов работы или по истечении максимально допустимой длительности режима интенсивного охлаждения.
На фигуре 2 показан пример изменения рабочего состояния (включение или выключение) компрессора 7 с течением времени в режиме нормального охлаждения и в режиме интенсивного охлаждения. В момент t0 холодильный аппарат находится в режиме нормального охлаждения. Пользователь может регулировать заданную температуру обычного охлаждаемого отделения 3 известным способом с помощью регулятора пользовательского интерфейса. Управляющая схема 11 всегда включает компрессор 7, когда температура воздуха Тизм, измеренная датчиком 13 температуры воздуха, в обычном охлаждаемом отделении 3, превышает порог включения Твкл, соответствующий заданной температуре плюс небольшой допуск, и выключает его, как только температура опускается ниже порога отключения Тоткл, который на определенную величину ниже заданной температуры. В результате получаются фазы включения Δt1 средней продолжительности, чередующиеся с относительно длительными фазами отключения Δt0.
Когда пользователь в момент t1 времени при помощи переключателя 17 режимов работы выполняет переключение в режим интенсивного охлаждения, это приводит к тому, что управляющая схема 11 перестает использовать пороги включения и выключения Твкл, Тоткл, выведенные из заданной температуры, установленной пользователем на регуляторе, и начинает использовать пороги включения и выключения Твкл′, Тоткл′, выведенные соответствующим образом из предустановленной производителем аппарата и значительно более низкой температуры. На практике, в частности, используют порог выключения Taus′, превышающий 0°C лишь настолько, насколько это необходимо для предотвращения локального опускания температуры ниже точки замерзания в обычном охлаждаемом отделении 3. То есть, чем ближе к испарителю 6 обычного охлаждаемого отделения 3 установлен датчик 13 температуры, тем ближе к точке замерзания можно выбрать значение Тоткл′.
При снижении порогов включения и выключения, в частности, вскоре после перехода в режим интенсивного охлаждения, когда температура в обычном охлаждаемом отделении 3, по существу, намного выше низкого порога выключения Тоткл′, значительно увеличивается по сравнению с обычным режимом работы длительность фаз включения Δt1′ и уменьшается длительность фаз выключения Δt0′, в результате чего оба отделения 2, 3 быстро охлаждаются.
Этот эффект замедляется, когда локальная средняя температура обычного охлаждаемого отделения 3 приближается к низкому порогу отключения Тоткл′. Это обусловлено тем, что обычное охлаждаемое отделение 3 охлаждается равномерно с течением времени. В то время как в начальной фазе режима интенсивного охлаждения в области обычного охлаждаемого отделения 3, расположенной, если смотреть от испарителя 6, в стороне от датчика 13 температуры, по существу, еще преобладает установленная пользователем заданная температура, а во время простоя компрессора тепло из этой области быстро распространяется в направлении датчика 13 температуры и расположенной между датчиком 13 температуры и испарителем 6 области обычного охлаждаемого отделения 3, температурный градиент в обычном охлаждаемом отделении 3 постепенно уменьшается за несколько периодов работы компрессора, в результате чего длительность периодов простоя компрессора увеличивается, а длительность периодов работы компрессора сокращается. Это, в свою очередь, предотвращает интенсивное охлаждение морозильной камеры 2.
Чтобы, несмотря на это, иметь возможность подавать в морозильную камеру 2 холодильную мощность, достаточную для быстрого замораживания недавно заложенных на хранение охлаждаемых продуктов, управляющая схема 11 в рамках режима интенсивного охлаждения в момент t2 времени переходит на этап кратковременной работы компрессора. Для этого компрессор 7 в момент t2 времени сначала выключают на период Δt0″, длительность которого выбирают таким образом, чтобы она была достаточна для испарения жидкого хладагента, присутствующего в испарителе 5 морозильной камеры 2. Затем компрессор 7 включают на период Δt1″, длительность которого можно регулировать в зависимости от времени или при помощи датчика 12 температуры. В случае управления по времени компрессор 7 работает в течение такого времени, которое, учитывая известную производительность компрессора 7 и вместимость испарителя 5, необходимо для вытеснения паров хладагента из испарителя 5 в испаритель 6 и заполнения испарителя 5 свежим жидким хладагентом. В случае управления с помощью датчика 12 температуры компрессор 7 работает до тех пор, пока падение температуры на датчике 12 температуры не покажет, что жидкий хладагент проник через испаритель 5 к датчику 12 температуры.
Как в одном, так и в другом случае жидкий хладагент поступает, по существу, только в испаритель 5 морозильной камеры 2, а в испаритель 6 поступают только пары хладагента. Таким образом, морозильная камера 2 продолжает охлаждаться с высокой мощностью, в то время как обычное охлаждаемое отделение 3 больше не потребляет мощность охлаждения. Возникающим с течением времени нагревом обычного охлаждаемого отделения 3 можно пренебречь, так как температура в отделении и без того ниже заданной температуры, установленной пользователем; нагрев обычного охлаждаемого отделения 3 даже желателен, так как через несколько часов, в момент t3 времени, когда температура в обычном охлаждаемом отделении 3 снова приблизится к установленной пользователем заданной температуре, станет возможным возврат к управлению компрессором на основании заданных низких пороговых значений Тоткл′, Твкл′.
На фигуре 3 показана блок-схема последовательности операций управляющей схемы 11 в соответствии со следующим вариантом исполнения настоящего изобретения. В начале процесса включен режим нормального охлаждения: на этапе S1 проверяют, превышает ли температура Тизм датчика 13 температуры порог включения Твкл, и если это так, на этапе S2 включают компрессор 7. Если это не так, на этапе S3 проверяют, находится ли температура Тизм ниже порога выключения Тоткл, и, если это так, компрессор 7 выключают на этапе S4. На этапе S5 проверяют, имеют ли место управляющие действия пользователя, в частности задействован ли переключатель 17 режимов работы. Если это не так, то процесс возвращается к выходу. Таким образом, этапы S1-S5 повторяются бесконечно, пока длится режим нормального охлаждения.
Если пользователь холодильного аппарата намерен уложить в холодильный аппарат и заморозить большое количество свежих продуктов, его побуждают заблаговременно, за период D от предполагаемого времени закладки на хранение, включить режим интенсивного охлаждения. Период D может составлять, в частности, 24 часа или целое кратное от этого числа.
Если в момент t1 времени режим интенсивного охлаждения был активизирован, то управляющая схема на этапе S6 включает таймер. На этапе S7 сравнивают температуру Тизм с заданным низким порогом включения Твкл′ и, при превышении этого порога включения, на этапе S8 включают компрессор. На этапе S9 проверяют, опустилась ли температура ниже заданного низкого порога выключения Тоткл′, и если да, то на этапе S10 снова выключают компрессор 7. На этапе S11 проверяют, истек ли с момента запуска S6 таймера заданный промежуток d времени. Промежуток d времени равен D-n(Δt0″+Δt1″)-Δt0″, где n - натуральное число, а n(Δt0″+Δt1″) должен составлять несколько часов. Если этот промежуток времени еще не истек, процесс возвращается к этапу S6.
В противном случае компрессор 7 (если он на момент проверки S11 еще не выключен) выключают на этапе S12, дожидаются истечения периода выключения Δt0″ (S13), включают компрессор на этапе S14 и дожидаются истечения периода включения Δt1″ (S15). Этапы S12 - S15 циклически повторяются до тех пор, пока на этапе S17 не будет определено, что с момента запуска таймера на этапе S6 истек заданный промежуток D времени. На основании приведенного выше определения промежутка времени окончание промежутка D времени будет всегда совпадать с окончанием периода выключения.
Когда промежуток D времени истечет, процесс возвращается к этапу S7, чтобы быстро заморозить охлаждаемые продукты, которые, предположительно, именно в этот момент были загружены в морозильную камеру 2.
Если с момента запуска таймера прошло время, предположительно, достаточно длительное для замораживания охлаждаемых продуктов, например 48 часов, то это будет обнаружено на этапе S16 и инициирует возврат процесса к нормальному режиму на этапе S8.
В соответствии с одним из вариантов может быть предусмотрено, что по истечении промежутка D времени на этапе S17 переход обратно к этапу S7 не будет безусловным, но будет начат отсчет промежутка времени, длительность которого, предпочтительно, не превышает Δt0″+Δt1″, и что в течение этого промежутка управляющая схема 11 будет ожидать сигнала переключателя 16, указывающего на доступ пользователя к морозильной камере 2. После получения этого сигнала можно сделать вывод о том, что произошла фактическая укладка на хранение новых продуктов, и управляющая схема 11 отреагирует, выполнив переход к этапу S7. Таким образом, включение компрессора и укладка продуктов в холодильный аппарат будут точно синхронизированы. Если промежуток времени истекает, а переключатель 16 не дает сигнала, указывающего на использование двери, процесс также возвращается к этапу S7, чтобы сохранить низкую температуру в отделениях холодильного аппарата на случай, если новые продукты будут уложены в холодильный аппарат позже, чем планировалось.
Если запоздавшую укладку продуктов осуществляют, когда управляющая схема повторяет этапы S12-S15 в цикле, можно предусмотреть инициацию перехода к этапу S7 при открытии двери.