DE102008013373B4

DE102008013373B4 - Cascade cooling device and cascade cooling method

Info

Publication number: DE102008013373B4
Application number: DE102008013373A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Pinto Admilson; Joannes Schildermans; Stephan Billen; Günter Wagner
Original assignee: Dometic SARL
Current assignee: Dometic SARL
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: DE102008013373A1

Abstract

Kaskadenkühlvorrichtung mit zwei in sich geschlossenen, Kühlmittel führenden Kühlkreisläufen (1, 2), die jeweils einen Kompressor (4, 10), einen Verflüssiger (5, 3), einen Trockner (6, 14) sowie eine Drossel (7, 15) aufweisen und über einen gemeinsamen Kaskadenwärmetauscher (3) wirkungsmäßig so verbunden sind, dass der Kaskadenwärmetauscher (3) im ersten Kühlkreislauf (1) als Verdampfer (3) und im zweiten Kühlkreislauf (2) als Verflüssiger (3) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (20) einer den Verdampfer (17) mit dem Kompressor (10) verbindenden Kühlmittelleitung (19) des zweiten Kühlkreislaufs (2) so in den Kaskadenwärmetauscher (3) integriert ist, dass der Kaskadenwärmetauscher (3) das zum Kompressor (10) strömende Kühlmittel kühlt.Cascade cooling device with two self-contained, coolant-carrying cooling circuits (1, 2), each having a compressor (4, 10), a condenser (5, 3), a dryer (6, 14) and a throttle (7, 15) and via a common cascade heat exchanger (3) are operatively connected so that the cascade heat exchanger (3) in the first cooling circuit (1) as an evaporator (3) and in the second cooling circuit (2) acts as a condenser (3), characterized in that at least one Part (20) of the evaporator (17) to the compressor (10) connecting the refrigerant line (19) of the second cooling circuit (2) is integrated into the cascade heat exchanger (3) that the cascade heat exchanger (3) to the compressor (10) flowing Coolant cools.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kaskadenkühlvorrichtung mit zwei in sich geschlossenen, Kühlmittel führenden Kühlkreisläufen, die jeweils einen Kompressor, einen Verflüssiger, einen Trockner sowie eine Drossel aufweisen. Die beiden Kühlkreisläufe sind über einen gemeinsamen Kaskadenwärmetauscher wirkungsmäßig so verbunden, dass der Kaskadenwärmetauscher im ersten Kühlkreislauf als Verdampfer und im zweiten Kühlkreislauf als Verflüssiger wirkt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Kaskadenkühlverfahren bei dem mit Hilfe eines Kaskadenwärmetauschers ein erster Kühlkreislauf dazu verwendet wird, um das Kühlmittel eines zweiten Kühlkreislaufes zu verflüssigen.The present invention relates to a cascade cooling device with two self-contained, coolant-carrying cooling circuits, each having a compressor, a condenser, a dryer and a throttle. The two cooling circuits are operatively connected via a common cascade heat exchanger so that the cascade heat exchanger acts as an evaporator in the first cooling circuit and as a condenser in the second cooling circuit. Furthermore, the invention also relates to a cascade cooling method in which using a cascade heat exchanger, a first cooling circuit is used to liquefy the coolant of a second cooling circuit.

Derartige Kaskadenkühlvorrichtungen sind in der Lage sehr tiefe Temperaturen zu erzeugen, so dass sie in Ultratiefkühlschränken beispielsweise für Labore zur Anwendung kommen. Bei solchen Tiefkühlschränken werden Temperaturen von minus 80 bis minus 90°C erzeugt. Um derart tiefe Temperaturen zu erreichen bzw. zu halten, braucht eine Kühlvorrichtung eine gewisse Zeit, gerade bei warmem Anlauf.Such cascade refrigerators are able to produce very low temperatures, so that they are used in ultra-freezers, for example for laboratories. In such freezers temperatures of minus 80 to minus 90 ° C are generated. In order to achieve or maintain such low temperatures, a cooling device needs a certain amount of time, especially during a warm start.

Aus der US 6,494,054 B1 ist ein Multikomponentenkühlmittelkühlsystem mit einem Ammoniak-Kaskadenhilfskühlkreislauf bekannt. Der Hilfskühlkreislauf ist in die Strecke zwischen einem Selbstkühler und einem Wärmetauscher angeordnet.From the US 6,494,054 B1 For example, a multicomponent refrigerant refrigeration system with an ammonia cascade auxiliary refrigeration cycle is known. The auxiliary cooling circuit is arranged in the route between a self-cooler and a heat exchanger.

Die US 6,595,009 B1 zeigt ein Verfahren zur Bereitstellung einer Kühlung unter Verwendung von zwei Kreisläufen mit unterschiedlichen Multikomponentenkühlmitteln auf. Das erste Multikomponentenkühlmittel wird kondensiert, um eine gesättigte Lösung zu erhalten, die dann gegen ein kondensierendes zweites Multikomponentenkühlmittel verdampft wird.The US 6,595,009 B1 shows a method for providing cooling using two circuits with different multi-component refrigerants. The first multicomponent refrigerant is condensed to obtain a saturated solution, which is then evaporated against a condensing second multicomponent refrigerant.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kaskadenkühlvorrichtung und ein Kaskadenkühlverfahren zu schaffen, das schnellere Abkühlzeiten ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a cascade cooling device and a cascade cooling method that allows faster cooling times.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Kaskadenkühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 und dem Kaskadenkühlverfahren gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The solution of this object is achieved with the cascade cooling device according to claim 1 and the cascade cooling method according to claim 11. Advantageous further developments are described in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Kaskadenkühlvorrichtung zeichnet sich also gegenüber den bekannten Kaskadenkühlvorrichtungen dadurch aus, dass wenigstens ein Teil einer den Kompressor mit dem Verdampfer verbindenden Kühlmittelleitung des zweiten Kühlkreislaufs so in den Kaskadenwärmetauscher integriert ist, dass der Kaskadenwärmetauscher das zum Kompressor strömende Kühlmittel kühlt.The cascade cooling device according to the invention is thus distinguished from the known cascade cooling devices in that at least part of a compressor connecting the compressor with the evaporator refrigerant line of the second cooling circuit is integrated into the cascade heat exchanger, that the cascade heat exchanger cools the refrigerant flowing to the compressor.

Die Auswirkung dieser Änderung macht sich in zwei Phasen des Betriebs der Kühlvorrichtung bemerkbar. Beim warmen Anlauf wird das aus dem Verdampfer zurückströmende Niederdruck-Kältemittel des zweiten Kältekreislaufs im Kaskadenwärmetauscher abgekühlt. Dadurch ist die Vorkühlung stärker als im heutigen System, so dass der Startanlauf schneller erfolgen kann. Denn sobald das zurückströmende Kältemittel kälter wird als das Kältemittel der ersten Stufe bzw. des ersten Kältekreislaufs, bekommt das Kältemittel der ersten Stufe einen Kältestrom der die Kühllast der ersten Stufe reduziert. Doch auch beim Regelbetrieb wird durch diese Maßnahme die Kältelast der ersten Stufe ebenfalls um einen entsprechenden Wert reduziert, wodurch sich eine Erhöhung der gesamten Kälteleistung der Anlage ergibt. Somit erreicht man ein schnelleres Pull-Down beim Anlauf, kürzere Kompressorlaufzeiten, besseren Energieverbrauch und ein schnelleres, auch als „Recover” bezeichnetes, Abkühlen nach einer Öffnung der Kühlschranktür.The effect of this change is noticeable in two phases of the operation of the cooling device. During warm start-up, the low-pressure refrigerant of the second refrigeration cycle flowing back from the evaporator is cooled in the cascade heat exchanger. As a result, the pre-cooling is stronger than in today's system, so that the startup can be done faster. For as soon as the back-flowing refrigerant is colder than the refrigerant of the first stage or of the first refrigeration cycle, the refrigerant of the first stage receives a cooling flow which reduces the cooling load of the first stage. But even in the control mode, the cold load of the first stage is also reduced by a corresponding value by this measure, resulting in an increase in the total cooling capacity of the system. This achieves a faster pull-down during start-up, shorter compressor run times, better energy consumption and a faster, also referred to as "recovering" cooling after opening the refrigerator door.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn im zweiten Kühlkreislauf ein zusätzlicher Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem Kaskadenwärmetauscher angeordnet ist. Dieser kühlt das vom Kompressor kommende und zum Kaskadenwärmetauscher strömende Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs nochmals ab. Es wird also eine den Kaskadenwärmetauscher entlastende Vorkühlung erzeugt. Zweckmäßiger Weise ist dieser zweite Wärmetauscher als Doppelrohrwärmetauscher ausgeführt, dessen erstes Rohr in die Kühlmittelleitung eingebunden ist, die den Kompressor mit dem Kaskadenwärmetauscher verbindet. Das zweite Rohr des Doppelrohrwärmetauschers ist dann in eine vom Kaskadenwärmetauscher kommende und zum Kompressor führende Kühlmittelleitung eingebunden. So wird das vom Kompressor strömende, durch die Kompression erhitzte Kühlmittel im zweiten Wärmetauscher durch das zum Kompressor strömende noch kältere Kältemittel gekühlt. Dadurch ergibt sich gegenüber einem System in dem nur ein Enthitzer hinter dem Kompressor angeordnet ist, eine nochmals verstärkte Vorkühlung des Hochdruckstromes zum Kaskadenwärmetauscher.It when the second cooling circuit, an additional heat exchanger between the compressor and the cascade heat exchanger is arranged is particularly advantageous. This cools the coming of the compressor and the cascade heat exchanger flowing coolant of the second cooling circuit again. Thus, a cascade heat exchanger relieving precooling is generated. Conveniently, this second heat exchanger is designed as a double tube heat exchanger whose first tube is integrated into the coolant line, which connects the compressor with the cascade heat exchanger. The second tube of the double-tube heat exchanger is then integrated into a coming from the cascade heat exchanger and leading to the compressor coolant line. Thus, the refrigerant flowing through the compression coolant flowing in the second heat exchanger is cooled by the refrigerant flowing to the compressor even colder. This results in comparison with a system in which only one desuperheater is arranged behind the compressor, a further enhanced pre-cooling of the high-pressure stream to the cascade heat exchanger.

Das in den Kaskadenwärmetauscher geführte Rohr des zweiten Kühlmittelkreislaufs kann als Glattrohr ausgeführt werden. Weiterbildend ist aber auch eine Ausführungsform als innenberipptes Rohr denkbar, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.The guided in the cascade heat exchanger tube of the second coolant circuit can be designed as a smooth tube. Further education but also an embodiment as innenberipptes tube is conceivable to increase the heat transfer area.

Weiterbildend ist im zweiten Kühlkreislauf ein Ölabscheider zwischen dem Enthitzer und dem Kaskadenwärmetauscher angeordnet. So kann das Öl aus dem Kältemittel des zweiten Kühlkreislauf bereits vor dem Eintritt in den Enthitzer herausgefiltert werden, um ein Gefrieren des Öls im Enthitzer bzw. später im Verdampfer und damit einhergehendes Verstopfen zu verhindern. Zweckmäßigerweise ist der Ölabscheider so ausgestaltet, dass er das abgeschiedene Öl in die zum Kompressor führende Kühlmittelleitung zurückführt.Further, an oil separator between the desuperheater and the cascade heat exchanger is arranged in the second cooling circuit. That's how the oil works be filtered out of the refrigerant of the second cooling circuit before entering the desuperheater to prevent freezing of the oil in the desuperheater or later in the evaporator and concomitant clogging. Conveniently, the oil separator is configured to return the separated oil to the refrigerant line leading to the compressor.

Die Drosseln des ersten und/oder zweiten Kühlkreislaufs können jeweils als Kapillarrohr ausgeführt werden. Die Durchmesser und die Längen der Kapillarrohre werden in Abhängigkeit der Auslegung des Gesamtsystems in an und für sich bekannter Weise definiert. Alternativ kann aber auch jeweils ein Expansionsventil als Drosselorgan verwendet werden.The throttles of the first and / or second cooling circuit can each be designed as a capillary tube. The diameters and the lengths of the capillary tubes are defined as a function of the design of the overall system in a manner known per se. Alternatively, however, in each case an expansion valve can be used as a throttle body.

Der Verdampfer des zweiten Kühlkreislaufs wird bevorzugt als Plattenverdampfer und/oder als Tube-on-Plate Verdampfer ausgeführt, wobei auch andere geeignete Verdampfertechnologien zum Einsatz kommen können. Unter einem Tube-on-Plate Verdampfer ist ein Verdampfersystem zu verstehen, bei dem eine mäanderförmig geführte Verdampferrohrschlange, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, in geeigneter Weise mit einer Metallplatte verbunden und so in Kontakt mit dem zu kühlenden Innenbehälter gebracht wird. Die Befestigung eines solchen Rohrs erfolgt in der Regel über ein wärmeleitendes Blechband, beispielsweise aus Aluminium. Das Rohrsystem ist dann meist mit Wärmedämmmaterial so eingeschäumt, dass von innen nichts mehr zu sehen ist.The evaporator of the second cooling circuit is preferably designed as a plate evaporator and / or as a tube-on-plate evaporator, although other suitable evaporator technologies can be used. A tube-on-plate evaporator is to be understood as an evaporator system in which a meander-shaped evaporator coil, for example of aluminum, copper or steel, is suitably connected to a metal plate and brought into contact with the inner container to be cooled. The attachment of such a tube is usually via a thermally conductive sheet-metal strip, for example made of aluminum. The pipe system is then usually foamed with thermal insulation material so that nothing is visible from the inside.

Um eine Kumulierung von Öl in der steigenden Leitung zum Verdampfer zu verhindern, ist es zweckmäßig, die auch als Kapillar bezeichnete Einspritzleitung zwischen der Drossel und dem Verdampfer mit einem Innendurchmesser von beispielsweise zwei Millimeter auszuführen.In order to prevent accumulation of oil in the rising line to the evaporator, it is expedient to perform the also referred to as capillary injection line between the throttle and the evaporator having an inner diameter of, for example, two millimeters.

Weiterbildend ist hinter dem Verdampfer ein Sammler angeordnet. Dieser auch als Akkumulator bezeichnete Sammler sorgt für einen optimalen Füllungsgrad des Verdampfers bei sich ändernden Umgebungstemperaturen.Further education behind the evaporator, a collector is arranged. This collector, also referred to as an accumulator, ensures an optimum degree of filling of the evaporator with changing ambient temperatures.

Bevorzugt wird im ersten Kühlkreislauf ein anderes Kühlmittel verwendet als im zweiten Kühlkreislauf. Hierbei können für den ersten Kühlkreislauf unterschiedliche Kältemittel wie etwa R404A, R507, Isceon59, R290 oder R407D verwendet werden. Für den zweiten Kühlkreislauf bieten sich ebenfalls unterschiedliche Kältemittel an, wobei insbesondere die Kältemittel R508B, R508A, R23 oder R170 geeignet sind.Preferably, a different coolant is used in the first cooling circuit than in the second cooling circuit. Here, different refrigerants such as R404A, R507, Isceon59, R290 or R407D can be used for the first cooling circuit. Different refrigerants are also suitable for the second cooling circuit, with the refrigerants R508B, R508A, R23 or R170 being particularly suitable.

Das erfindungsgemäße Kaskadenkühlverfahren unterscheidet sich also von den eingangs geschilderten Kaskadenkühlverfahren dadurch, dass das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs vor seiner Kompression mit Hilfe des Kaskadenwärmetauschers vorgekühlt wird. Dies hat die bereits zur Vorrichtung geschilderten Vorzüge. Weiterbildend ist das Verfahren so ausgestaltet, dass das zu komprimierende und mit Hilfe des Kaskadenwärmetauschers gekühlte Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Vorkühlen des bei der Kompression erhitzten und in den Kaskadenwärmetauscher strömenden Kühlmittels verwendet wird. So hat man einen stark vorgekühlten Kühlmittelvorlauf für den Kaskadenwärmetauscher, was insgesamt die Last des ersten Kühlmittelkreislaufs deutlich reduziert.The cascade cooling method according to the invention thus differs from the initially described cascade cooling method in that the coolant of the second coolant circuit is pre-cooled before its compression by means of the cascade heat exchanger. This has the advantages already described for the device. In a further development, the method is configured such that the coolant of the second coolant circuit which is to be compressed and cooled with the aid of the cascade heat exchanger is used to pre-cool the coolant which is heated during the compression and flows into the cascade heat exchanger. So you have a strong pre-cooled coolant flow for the cascade heat exchanger, which significantly reduces the total load of the first coolant circuit.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen schematisch:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. In it show schematically:

1 das Kälteschema der Kaskadenkühlvorrichtung; 1 the refrigeration scheme of the cascade cooling device;

2 eine dreidimensionale Darstellung des in 2 gezeigten Wärmetauschermoduls; 2 a three-dimensional representation of the in 2 shown heat exchanger module;

3 eine innere Seitenansicht des in 1 und zwei gezeigten Wärmetauschers; 3 an inner side view of the in 1 and two heat exchangers shown;

4 einen Schnitt durch den in 1, 2, 3 gezeigten Wärmetauscher; und 4 a section through the in 1 . 2 . 3 shown heat exchanger; and

5 die Anlaufkurve einer herkömmlichen Kaskadenkühlvorrichtung und die Anlaufkurve der erfindungsgemäßen Kaskadenkühlvorrichtung. 5 the start-up curve of a conventional cascade cooling device and the start-up curve of the cascade cooling device according to the invention.

Wie man 1 entnehmen kann, weist die erfindungsgemäße Kaskadenkühlvorrichtung einen ersten Kühlmittel führenden Kreislauf 1 und einen zweiten Kühlmittel führenden Kühlkreislauf 2 auf, die über einen Kaskadenwärmetauscher 3 wirkungsmäßig verbunden sind. Der erste Kühlkreislauf 1 weist dabei einen Kompressor 4 auf, hinter dem ein auch als Kondensator bezeichneter Verflüssiger 5 angeordnet ist. Das aus dem Kondensator 5 kommende unter hohen Druck stehende Kühlmittel wird dann in einen Trockner 6 geführt, um sicherzustellen, dass sich keine Wasserreste im Kühlmittel befinden, die zu einer Eisbildung führen könnten. Das aus dem Trockner strömende, unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel des ersten Kühlkreislaufs 1 wird dann in eine Drossel 7 geführt. Vorliegend handelt es sich bei der Drossel 7 um ein Kapillarrohr. Mit Hilfe der Drossel 7 wird der Druck im flüssigen Kältemittel auf das Verdampferniveau abgesenkt. Im Verdampfer 3 wird das Kühlmittel des ersten Kühlkreislaufs 1 verdampft, so dass das dann dampfförmige Kühlmittel aus dem Kaskadenwärmetauscher 3 zum Kompressor 4 geführt werden kann. Dabei ist in der Kühlmittelleitung hinter dem Kaskadenwärmetauscher ein Sammler 9 angeordnet, der sicherstellen soll, dass sich im Kühlmitteldampf keine Restflüssigkeit befindet, die zu Beschädigungen des Kompressors 4 durch Tropfenschlag führen.How one 1 can take, the cascade cooling device according to the invention has a first coolant leading circuit 1 and a second coolant leading cooling circuit 2 on, over a cascade heat exchanger 3 are operatively connected. The first cooling circuit 1 has a compressor 4 behind, behind a condenser also referred to as a condenser 5 is arranged. That from the condenser 5 Coming under high pressure coolant is then placed in a dryer 6 to ensure that there are no water residues in the coolant that could cause ice formation. The flowing from the dryer, high pressure liquid refrigerant of the first cooling circuit 1 then gets into a throttle 7 guided. In the present case, it is the throttle 7 around a capillary tube. With the help of the throttle 7 the pressure in the liquid refrigerant is lowered to the vapor level. In the evaporator 3 becomes the coolant of the first cooling circuit 1 evaporated, so that then the vapor refrigerant from the cascade heat exchanger 3 to the compressor 4 can be performed. In this case, in the coolant line behind the cascade heat exchanger is a collector 9 arranged that ensure should be that in the coolant vapor is no residual liquid, the damage to the compressor 4 lead by drop impact.

Auch im zweiten Kühlkreislauf ist ein Kompressor 10 angeordnet, von dem das gasförmige Kühlmittel in einen Enthitzer 11 geführt wird. Im Enthitzer 11 wird das durch die Kompression aufgeheizte gasförmige Kühlmittel abgekühlt. Hinter dem Enthitzer 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Ölabscheider 12 angeordnet hinter dem ein Doppelrohrwärmetauscher 13 zur weiteren Vorkühlung des Kühlmittels angeordnet ist.Also in the second cooling circuit is a compressor 10 arranged, from which the gaseous coolant into a desuperheater 11 to be led. In the desuperheater 11 the gaseous coolant heated by the compression is cooled. Behind the desuperheater 11 is an oil separator in this embodiment 12 arranged behind the a double tube heat exchanger 13 is arranged for further pre-cooling of the coolant.

Im zweiten Kühlkreislauf 2 fungiert der Wärmetauscher 3 als Verflüssiger. Somit strömt flüssiges Kühlmittel von diesem über einen Trockner 14 in eine Drossel 15, die vorliegend als Kapillarrohr mit 1,25 mm Durchmesser und einer Länge von 2,50 Meter ausgeführt ist. Von der Drossel 15 strömt das in seinen Druck justierte flüssige Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs über das vorliegend als Kapillarrohr mit einer Durchmessergröße von 2 mm ausgeführte Einspritzrohr 16 in den als Plattenverdampfer ausgeführten Verdampfer 17. Vom Verdampfer 17 wird das dann gasförmige Kühlmittel in einen Sammler 18 geführt, der einen optimalen Füllungsgrad des Verdampfers bei sich ändernden Umgebungstemperaturen gewährleistet.In the second cooling circuit 2 acts the heat exchanger 3 as a liquefier. Thus, liquid refrigerant flows from it through a dryer 14 into a throttle 15 , which in the present case is designed as a capillary tube with 1.25 mm diameter and a length of 2.50 meters. From the throttle 15 the liquid coolant of the second cooling circuit which is adjusted in its pressure flows via the injection pipe which in the present case is designed as a capillary tube with a diameter size of 2 mm 16 in the designed as a plate evaporator evaporator 17 , From the evaporator 17 then the gaseous coolant in a collector 18 performed, which ensures an optimal degree of filling of the evaporator with changing ambient temperatures.

Die Kühlmittelleitung 19 des zweiten Kühlkreislaufs wird vorliegend als Glattrohr ausgeführt und erfindungsgemäß in den Wärmetauscher 3 geführt, wobei der im Bereich des Wärmetauschers 3 befindliche Teil 20 der Kühlmittelleitung 19 auch als innenberipptes Rohr ausgeführt werden kann. Vom Wärmetauscher 3 wird das Kühlmittel zum Kompressor 10 geführt, wobei es den zwischengeschalteten Doppelrohrwärmetauscher 13 durchströmt und dabei den Vorlauf des Kaskadenwärmetauschers kühlt.The coolant line 19 the second cooling circuit is in the present case designed as a smooth tube and according to the invention in the heat exchanger 3 guided, being in the area of the heat exchanger 3 located part 20 the coolant line 19 can also be designed as innenberipptes tube. From the heat exchanger 3 the coolant becomes the compressor 10 led, where it is the intermediate double-tube heat exchanger 13 flows through it and thereby cools the flow of the cascade heat exchanger.

2 zeigt das in 1 schematisch dargestellte Wärmetauschermodul 40 in seiner dreidimensionalen Ausgestaltung. Das Wärmetauschermodul 40 ist also eine Baugruppe, die wie erläutert nicht alle Bestandteile der Kaskadenkühlvorrichtung aufweist, sondern im Wesentlichen nur den Kaskadenwärmetauscher 3 sowie zum einen die Kapillardrossel 7 und den Sammler 9 des ersten Kühlkreislaufs 1 und zum anderen den Trockner 14, die Kapillarrohrdrossel 15 und die durch den Wärmetauscher 3 geführte Kühlmittelleitung 20 des zweiten Kühlkreislaufs 2. Es sind also mit anderen Worten Teile des ersten und Teile des zweiten Kühlkreislaufs im Wärmetauschermodul 40 enthalten. 2 shows that in 1 schematically illustrated heat exchanger module 40 in its three-dimensional design. The heat exchanger module 40 So is an assembly that does not have all the components of the cascade cooling device as explained, but essentially only the cascade heat exchanger 3 as well as the capillary throttle 7 and the collector 9 of the first cooling circuit 1 and on the other hand, the dryer 14 , the capillary tube choke 15 and those through the heat exchanger 3 guided coolant line 20 of the second cooling circuit 2 , In other words, there are parts of the first and parts of the second cooling circuit in the heat exchanger module 40 contain.

Folglich weist das Wärmetauschermodul 40 zwei Anschlüsse zur Anbindung an den restlichen ersten Kühlmittelkreislauf 1 und vier Anschlüsse zur Anbindung an den restlichen zweiten Kühlkreislauf 2. Im Einzelnen hat die im Modul 40 angeordnete Drossel 7 des ersten Kühlkreislaufs einen Zulauf 21 mit dem diese an den Trockner 6 des ersten Kühlmittelkreislaufs 1 angeschlossen wird. Auf der anderen Seite der Drossel 7 ist eine Leitung 22 angeordnet, mit der sie innerhalb des Moduls 40 an den Wärmetauscher 3 angeschlossen ist. Vom Wärmetauscher 3 führt wiederum eine Leitung 23 zum Sammler 9. Am Sammler 9 ist die Leitung 24 angeordnet, über die das Kühlmittel des ersten Kreislaufs das Wärmetauschermodul 40 verlässt.Consequently, the heat exchanger module has 40 two connections for connection to the remaining first coolant circuit 1 and four connections for connection to the remaining second cooling circuit 2 , In detail, the module has 40 arranged throttle 7 the first cooling circuit an inlet 21 with this to the dryer 6 of the first coolant circuit 1 is connected. On the other side of the throttle 7 is a lead 22 arranged with them within the module 40 to the heat exchanger 3 connected. From the heat exchanger 3 again leads a line 23 to the collector 9 , At the collector 9 is the lead 24 arranged, via which the coolant of the first circuit, the heat exchanger module 40 leaves.

Auf der Seite des zweiten Kühlkreislaufs 2 führt eine Leitung 25 vom Wärmetauscher 3 zum Trockner 14 und eine Leitung 26 vom Trockner 14 zur Kapillardrossel 15. Die Kapillardrossel 15 ist mit einer Leitung 27 an den Verdampfer 17 angeschlossen ist, der in 2 bereits nicht mehr dargestellt ist.On the side of the second cooling circuit 2 leads a line 25 from the heat exchanger 3 to the dryer 14 and a line 26 from the dryer 14 to the capillary thrush 15 , The capillary throttle 15 is with a lead 27 to the evaporator 17 connected in 2 already not shown.

Wie man 1 entnehmen kann, führt vom Verdampfer 17 eine Leitung 28 zum Sammler 18 und vom Sammler 18 eine Leitung 29 zum Wärmetauschermodul 40. Die Leitung 29 führt dann in den Wärmetauscher 3, in dem der Rohrabschnitt 20 durch den Wärmetauscher 3 in vertikaler Richtung hindurchgeführt wird. Mit Hilfe des geraden Rohrs 20 wird das Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs durch den Wärmetauscher 3 geführt. Vom Wärmetauscher 3 führt dann eine Leitung 30 zum zweiten Wärmetauscher 13 von dem die Leitung 31 zum Kompressor 10 führt, der wiederum über die Leitung 32 an den Enthitzer 11 angeschlossen ist. Vom Enthitzer 11 führt eine Leitung 33 zum Ölabscheider 12, der wiederum mit einer Leitung 34 an den Wärmetauscher 13 angeschlossen ist. Vom Wärmetauscher 13 wird die Leitung 35 wieder in den Wärmetauscher 3 hineingeführt.How one 1 can take, leads from the evaporator 17 a line 28 to the collector 18 and from the collector 18 a line 29 to the heat exchanger module 40 , The administration 29 then leads into the heat exchanger 3 in which the pipe section 20 through the heat exchanger 3 is passed in the vertical direction. With the help of the straight pipe 20 is the coolant of the second cooling circuit through the heat exchanger 3 guided. From the heat exchanger 3 then leads a line 30 to the second heat exchanger 13 from that the line 31 to the compressor 10 leads, in turn, over the line 32 to the desuperheater 11 connected. From the desuperheater 11 leads a line 33 to the oil separator 12 who, in turn, with a line 34 to the heat exchanger 13 connected. From the heat exchanger 13 becomes the conduit 35 back into the heat exchanger 3 ushered.

Wie man 3 und 4 des Wärmetauschers 3 entnehmen kann, wird das dem zweiten Kühlkreislauf zuzuordnende Kühlmittel vom Rohreinlass 35 mittels eines Spiralrohres 36 durch den Wärmetauscher 3 hindurchgeführt. 3 zeigt dabei eine Seitenansicht, bei der die Wand 37 des Wärmetauschers 3 zur besseren Darstellung teilweise weg geschnitten ist. 4 zeigt einen Schnitt, der rechtwinklig zur in 3 gezeigten Ebene verläuft.How one 3 and 4 of the heat exchanger 3 can be seen, the second cooling circuit to be assigned coolant from the tube inlet 35 by means of a spiral tube 36 through the heat exchanger 3 passed. 3 shows a side view, in which the wall 37 of the heat exchanger 3 partially cut away for better illustration. 4 shows a section that is perpendicular to the in 3 shown level runs.

Wie man nun 3 und 4 entnehmen kann, ist der Rohrabschnitt 20 der Kühlmittelleitung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 2 ein in vertikaler Richtung geführtes gerades Glattmantelrohr, das innerhalb des spiralförmigen Rohres im Zentrum des zylindrischen Wärmetauschers angeordnet ist. Seitlich im unteren Bereich des Wärmetauschers 3 ist das Rohr 22 angeschlossen, das von der Kapillarrohrdrossel 7 kommend das Kühlmittel des ersten Kühlkreislaufs in den Wärmetauscher 3 hineinführt. Über die im oberen Bereich des Wärmetauschers 3 angeordnete Leitung 23 verlässt das verdampfte Kühlmittel des ersten Kühlkreislaufs den Wärmetauscher 3 bzw. dessen Gehäuse 37.How to now 3 and 4 can take, is the pipe section 20 the coolant line of the second coolant circuit 2 a straight, smooth-walled, straight-tube tube disposed within the helical tube in the center of the cylindrical heat exchanger. Laterally in the lower part of the heat exchanger 3 is the pipe 22 connected by the capillary tube choke 7 Coming the coolant of the first cooling circuit in the heat exchanger 3 ushers. About the top of the heat exchanger 3 arranged line 23 The vaporized coolant of the first cooling circuit leaves the heat exchanger 3 or its housing 37 ,

In 5 ist die Anlaufkurve 38 eines herkömmlichen Kaskadenwärmetauschers und im Vergleich zu der Anlaufkurve 39 des in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kaskadenwärmetauschers gezeigt. Ausgangspunkt dieser beiden Anlaufkurven sind dabei die Annahmen, dass der Anlauf bei 25°C erfolgt und die Zieltemperatur etwa minus 82°C beträgt. Dabei markiert die horizontale Achse die Zeit während die vertikale Achse die Temperatur abbildet. So erreicht die erfindungsgemäße Kaskadenkühlvorrichtung bzw. das Kaskadenkühlverfahren nach etwas mehr als zwei Stunden eine Temperatur von –25°C, während die herkömmliche Kaskadenkühlvorrichtung zum selben Zeitpunkt nur eine Temperatur von –20°C erreicht. Die Abkühlzeit bis zum Erreichen des Sollwertes verringert sich im dargestellten Beispiel um mehr als 1 Stunde. Man erkennt also deutlich, dass die erfindungsgemäße Kaskadenkühlvorrichtung bzw. das Kaskadenkühlverfahren in der Lage ist, schneller deutlich niedrigere Kühltemperaturen zu erreichen.In 5 is the startup curve 38 a conventional cascade heat exchanger and compared to the start-up curve 39 of in 1 and 2 shown embodiment of the cascade heat exchanger according to the invention. The starting point for these two start-up curves are the assumptions that the startup occurs at 25 ° C and the target temperature is approximately minus 82 ° C. The horizontal axis marks the time while the vertical axis shows the temperature. Thus, the cascade cooling device according to the invention or the cascade cooling reaches a temperature of -25 ° C after just over two hours, while the conventional cascade cooling only reaches a temperature of -20 ° C at the same time. The cooling time until reaching the setpoint decreases in the example shown by more than 1 hour. It can therefore be seen clearly that the cascade cooling device according to the invention or the cascade cooling method is capable of achieving significantly lower cooling temperatures more quickly.

Claims

Cascade cooling device with two self-contained, coolant-carrying cooling circuits ( 1 . 2 ), each one a compressor ( 4 . 10 ), a liquefier ( 5 . 3 ), a dryer ( 6 . 14 ) and a throttle ( 7 . 15 ) and via a common cascade heat exchanger ( 3 ) are operatively connected so that the cascade heat exchanger ( 3 ) in the first cooling circuit ( 1 ) as an evaporator ( 3 ) and in the second cooling circuit ( 2 ) as liquefier ( 3 ), characterized in that at least one part ( 20 ) one the evaporator ( 17 ) with the compressor ( 10 ) connecting coolant line ( 19 ) of the second cooling circuit ( 2 ) so in the cascade heat exchanger ( 3 ), that the cascade heat exchanger ( 3 ) to the compressor ( 10 ) Cooling coolant cools.

Cascade cooling device according to claim 1, characterized in that in the second cooling circuit ( 2 ) a second heat exchanger ( 13 ) between the compressor ( 10 ) and the cascade heat exchanger ( 3 ) is arranged, which from the compressor ( 10 ) and to the cascade heat exchanger ( 3 ) flowing coolant of the second cooling circuit ( 2 ) cools.

Cascade cooling device according to claim 2, characterized in that the second heat exchanger ( 13 ) is designed as a double-tube heat exchanger whose first tube into which the compressor ( 10 ) with the cascade heat exchanger ( 3 ) is connected and the second pipe in one of the cascade heat exchanger ( 3 ) Coming to the compressor ( 10 ) leading coolant line is integrated.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that at least the in the cascade heat exchanger ( 3 ) integrated part ( 20 ) the coolant line of the second cooling circuit ( 2 ) is designed as innenipipptes tube.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that in the second cooling circuit ( 2 ) an oil separator ( 12 ) between a desuperheater ( 11 ) and the cascade heat exchanger ( 3 ) is arranged.

Cascade cooling device according to claim 5, characterized in that the oil separator ( 12 ) is designed so that it is the separated oil in the compressor ( 10 ) leading coolant line ( 31 ) dissipates.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle ( 7 . 15 ) of the first and / or second cooling circuit ( 1 . 2 ) is designed as a capillary tube.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporator ( 17 ) of the second cooling circuit ( 2 ) is designed as a plate evaporator and / or as a tube-on-plate evaporator.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that in the first and / or second cooling circuit behind the evaporator ( 3 . 17 ) a collector ( 9 . 18 ) is arranged.

Cascade cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that in the first cooling circuit ( 1 ) a different coolant is used than in the second cooling circuit ( 2 ).

Cascade cooling method using a cascade heat exchanger ( 3 ) a first cooling circuit ( 1 ) is used, the coolant of a second cooling circuit ( 2 ), characterized in that the coolant of the second cooling circuit ( 2 ) before its compression by means of the cascade heat exchanger ( 3 ) is pre-cooled.

Cascade cooling method according to claim 11, characterized in that the ( 10 ) and with the help of the cascade heat exchanger ( 3 ) cooled coolant of the second coolant circuit ( 2 ) for pre-cooling the heated in the compression and in the cascade heat exchanger ( 3 ) flowing coolant is used.