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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Motors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Ein derartiger Kältemittelkreislauf mit einem zweistufigen Kompressor wird beispielsweise in Zusammenhang mit Wärmepumpen eingesetzt. Die beiden Kompressionsstufen des Kompressors werden dabei über einen Motor angetrieben, der dafür mechanisch mit diesem verbunden ist. Mit Hilfe der ersten Kompressionsstufe des Kompressors erfolgt eine Verdichtung des Kältemittelgases von einem niedrigen Niveau auf ein mittleres Niveau. In der zweiten Kompressionsstufe wird das Druckniveau dann weiter erhöht, bis das Kältemittel ein hohes Druckniveau aufweist. Über einen der zweiten Kompressionsstufe nachgeschalteten Kondensator kann dann eine Wärmeabgabe vom Kältemittel erfolgen, das anschließend entspannt wird und in einem Verdampfer erneut Wärme aufnehmen kann, um gasförmig der ersten Kompressionsstufe des Kompressors zugeführt zu werden.
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Je nach Betriebsweise lässt sich durch einen derartigen Kältemittelkreislauf dabei ein Erwärmen oder Abkühlen beispielsweise eines Raumes erreichen. Dabei dient das Kältemittel gleichzeitig zur Kühlung des Motors, der damit bei einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden kann.
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In Kältemittelkreisen wird üblicherweise der Motor des Kompressors entweder durch das vom Kompressor angesaugte oder durch das bereits verdichtete, gasförmige Kühlmittel gekühlt. Die Motorabwärme wird dabei dem gasförmigen Kältemittel entweder direkt vor oder direkt nach der Verdichtung zugeführt. Bei Kältemittelkreisen mit zweistufigen Kompressoren, die eine erste Kompressionsstufe und eine zweite Kompressionsstufe umfassen, ist es bekannt, den Motor mit dem auf einem mittleren Druckniveau befindlichen Kältemittel zu kühlen. Dies geschieht dann also entweder durch das Sauggas vor der zweiten bzw. zweiten Kompressionsstufe oder durch das Druckgas der ersten bzw. ersten Kompressionsstufe.
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In der Regel wird nur gasförmiges Kältemittel zum Kühlen des Motors genutzt, um eine Verdünnung des zur Schmierung für die Motorlager im Motor befindlichen Schmieröles zu verhindern. Dies könnte zu einer Mangelschmierung in den Lagern führen und damit eine Beschädigung des Motors verursachen. Allerdings vermindert die Kühlung mit Sauggas vor der Verdichtung in der zweiten Kompressionsstufe des Kompressors durch die Erwärmung des Sauggases die Effizienz des Kältemittelkreislaufes, weil sie eine Abnahme der Dichte des Sauggases und damit des geförderten Massenstroms bewirkt. Die Kühlung des Motors mit Druckgas nach der Verdichtung in der ersten Kompressionsstufe hat Verluste zur Folge und erhöht Temperatur des Druckgases der ersten Kompressionsstufe. Damit steigen auch die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des Motors.
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Zur Kühlung eines Motors eines zweistufigen Kompressors ist es bekannt, aus dem Kältemittelkreislauf nach einem der zweiten Kompressionsstufe nachgeschalteten Kondensator einen Teilstrom vom Kältemittelhauptstrom abzuzweigen und über eine Art Bypass-Verbindung zu einer Motorkühlung zu leiten. Dabei erfolgt eine separate Entspannung in der Bypass-Leitung, für die je nach Betriebsmodus ein oder zwei Expansionsventile erforderlich sind, die eine gesonderte Regelung benötigen.
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Die bekannten Verfahren zur Kühlung des Motors haben also entweder eine Verringerung der Effizienz des Gesamtsystems zur Folge oder sind relativ aufwendig und nur mit zusätzlichen Leitungen und Expansionsventilen zu realisieren, für die noch eine gesonderte Regelung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Motors anzugeben, bei dem die Abwärme des Motors in den Kältekreis zurückgeführt werden kann, ohne negativen Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems zu haben. Dabei sollen der Herstellungsaufwand sowie der Regelungsaufwand möglichst gering sein und mit möglichst wenigen Bauelementen ausgekommen werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Bei einem Verfahren zum Kühlen mindestens eines Motors, der mindestens einen zumindest zweistufigen Kompressor eines Kältemittelkreislaufs antreibt, der zumindest eine erste Kompressionsstufe und eine zweite Kompressionsstufe umfasst, wobei ein Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf geleitet wird, das in der ersten Kompressionsstufe von einem niedrigen Druckniveau auf ein mittleres Druckniveau und in der zweiten Kompressionsstufe vom mittleren Druckniveau auf ein hohes Druckniveau gebracht und im Anschluss an die zweite Kompressionsstufe unter Wärmeabgabe auf das mittlere Druckniveau entspannt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Motor mit einem zweiphasigen Kältemittel-Hauptstrom gekühlt wird, der das mittlere Druckniveau aufweist.
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Der zweiphasige Kältemittel-Hauptstrom enthält sowohl gasförmiges als auch flüssiges Kältemittel. Da der Kältemittel-Hauptstrom, also üblicherweise der gesamte Kältemittelstrom, für die Motorkühlung genutzt wird, sind keine zusätzlichen Expansionsventile nötig. Dementsprechend ist auch keine diesbezügliche Regelung erforderlich. Die vom Motor abgeführte Abwärme hat dabei keinen negativen Einfluss auf die Effizienz, da es weder auf der jeweiligen Druckseite, noch auf der jeweiligen Saugseite der Kompressionsstufen einen negativen Einfluss hat.
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Bei Kältemittelkompressoren mit mehr als zwei Kompressionsstufen findet das Verfahren zwischen zweien der Kompressionsstufen Anwendung. Bei mehr als einem Kältemittelkompressor kann das Verfahren zwischen zwei Kältemittelkompressoren angewendet werden. Dabei kann auch mehr als ein Motor gekühlt werden, wobei gegebenenfalls jedem Motor ein eigener Kältemittelkreislauf zugeordnet werden kann.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Kältemittel-Hauptstrom nach Kühlen des Motors in einen flüssigen Kältemittelteil und einen gasförmigen Kältemittelteil getrennt, wobei der gasförmige Kältemittelteil der zweiten Kompressionsstufe und der flüssige Kältemittelteil der ersten Kompressionsstufe des zweistufigen Kompressors zugeführt werden. Im Anschluss an die Kühlung des Motors folgt also eine Auftrennung des zweiphasigen Kältemittel-Hauptstroms in die beiden Phasen, wobei der gasförmige Anteil in der zweiten Kompressionsstufe weiter verdichtet wird. Damit kann in der zweiten Kompressionsstufe direkt eine sehr effiziente Verdichtung des gasförmigen Kältemittels auf einen hohen Druck bei hoher Temperatur erfolgen. Zum Trennen der Phasen des Kältemittels aus dem Kältemittel-Hauptstrom kann beispielsweise ein Mitteldruckbehälter, oder dienen, wobei es sich um einen Sammelbehälter handelt, in dem das Kältemittel in einen gasförmigen Anteil und in einen flüssigen Anteil getrennt wird.
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Bevorzugterweise wird dabei das Kältemittel vor der ersten Kompressionsstufe unter Wärmeaufnahme verdampft und nach der zweiten Kompressionsstufe unter Wärmeabgabe kondensiert. Dafür erfolgt beispielsweise nach dem Trennen des Kältemittel-Hauptstroms in den flüssigen und den gasförmigen Kältemittelteil eine Expansion des flüssigen Kältemittelteils mit einer anschließenden Verdampfung in einem Verdampfer, in dem Wärme beispielsweise aus der Umgebung aufgenommen werden kann. Dadurch geht der bis dahin flüssige Kältemittelteil ebenfalls in die gasförmige Phase über und wird gasförmig zur ersten Kompressionsstufe des zweistufigen Kompressors zugeführt, dort verdichtet und erwärmt. Im Anschluss an die zweite Kompressionsstufe kann beispielsweise ein Kondensator vorgesehen sein, in dem eine Kondensation des bis dahin gasförmigen Kältemittelteils erfolgt und dabei Wärme beispielsweise an die Umgebung abgegeben wird. Von dort wird das Kältemittel unter hohem Druck und teilweise verflüssigt weitergeführt und schließlich bis auf das mittlere Druckniveau entspannt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kältemittelteil nach der ersten Kompressionsstufe mit dem von der zweiten Kompressionsstufe nach Wärmeabgabe kommenden Kältemittelteil vor der Verwendung zum Kühlen des Motors zusammengeführt. Damit erfolgt eine Vereinigung der beiden Kältemittelteile, sodass der gesamte Kältemittelstrom zur Kühlung des Motors zur Verfügung steht.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kältemittelteil nach der ersten Kompressionsstufe direkt der zweiten Kompressionsstufe zugeführt wird, wobei der nach Kühlen des Motors gasförmige Mittelteil der zweiten Kompressionsstufe zugeführt und mit dem von der ersten Kompressionsstufe kommenden Kältemittelteil zusammen geführt wird, wobei das den Kältemittel-Hauptstrom bildende, von der zweiten Kompressionsstufe nach Wärmeabgabe kommende Kältemittel zum Kühlen des Motors verwendet wird. Damit ergibt sich ein relativ einfacher Aufbau, wobei auch dann der gesamte Kältemittelstrom zur Kühlung des Motors genutzt wird.
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Bei einer Vorrichtung zum Durchführen des oben genannten Verfahrens, die insbesondere als zweistufige Wärmepumpe, Klimatisierungsgerät oder Kälteanlage ausgebildet ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie einen Motor und einen Kältemittelkreislauf aufweist, in dem ein zweistufiger Kompressor mit einer ersten Kompressionsstufe und einer zweiten Kompressionsstufe angeordnet ist, der vom Motor antreibbar ist, wobei eine Motorkühlung derart in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist, dass sie von einem Kältemittel-Hauptstrom durchströmbar ist, wobei in Strömungsrichtung hinter der Motorkühlung ein Phasentrennelement angeordnet ist, das über eine Sauggasleitung für einen gasförmigen Kältemittelteil mit der zweiten Kompressionsstufe und über eine erste Leitung für einen flüssigen Kältemittelteil mit der ersten Kompressionsstufe des zweistufigen Kältemittelkompressors verbunden ist.
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Dadurch kann das gesamte, auf einem mittleren Druckniveau befindliche Kältemittel zur Motorkühlung genutzt werden und die Abwärme in den Kältemittelkreis zurückgeführt werden. Ein negativer Einfluss auf die Effizienz erfolgt damit nicht, da mit Hilfe des Phasentrennelementes im Anschluss an die Aufnahme der Abwärme des Motors beziehungsweise im Anschluss an die Motorkühlung eine Trennung in einen gasförmigen und einen flüssigen Kältemittelteil erfolgt, wobei nur der gasförmige Kältemittelteil der zweiten Kompressionsstufe zugeführt und damit weiter verdichtet wird. Diese kann daher mit hoher Effizienz betrieben werden.
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Auf zusätzliche Bypass-Verbindung mit zusätzlichen Expansionsventilen zur Versorgung der Motorkühlung kann somit verzichtet werden. Vielmehr wird die Motorkühlung einfach mit dem Kältemittel-Hauptstrom durchströmt, der entsprechende Wärme aufnehmen kann. Eine zusätzliche Regelung ist dafür nicht erforderlich. Damit wird der Herstellungs- und Regelungsaufwand gering gehalten.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind in der ersten Leitung vor der ersten Kompressionsstufe ein Verdampfer und gegebenenfalls ein Drosselelement sowie gegebenenfalls weitere Bauteile angeordnet. Damit kann eine Entspannung und Verdampfung des bis dahin flüssigen Kältemittelteils erfolgen, sodass dieses gasförmig der ersten Kompressionsstufe zuführbar ist. Im Verdampfer erfolgt dabei eine Wärmeaufnahme aus einer Umgebung, die dadurch gekühlt wird. Die weiteren Bauteile umfassen beispielsweise Filter oder ähnliches.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass in einer zweiten Leitung des Kältemittelkreislaufes nach der zweiten Kompressionsstufe ein Kondensator und gegebenenfalls ein Drosselelement sowie gegebenenfalls weitere Bauteile angeordnet sind. Im Kondensator kann von dem gasförmigen Kältemittelteil nach der zweiten Kompressionsstufe Wärme an die Umgebung abgegeben werden, wodurch dieser Kältemittelteil mindestens teilweise verflüssigt wird. Durch das anschließend angeordnete Drosselelement, das beispielsweise als einfache Drossel oder als Expansionsventil ausgebildet sein kann, erfolgt anschließend eine Entspannung dieses Kältemittelteils, sodass es auf einem mittleren Druckniveau flüssig und/oder gasförmig zur Motorkühlung genutzt werden kann. Die weiteren Bauteile können beispielsweise als Kühlelemente für eine Leistungselektronik oder ähnliches ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Kältemittelkreislauf vor der Motorkühlung eine Mischeinrichtung angeordnet, die mit einer von der ersten Kompressionsstufe kommenden Druckgasleitung und der zweiten Leitung verbunden ist. In der Mischeinrichtung treffen also der von der ersten Kompressionsstufe kommende Kältemittelteil und der von der zweiten Kompressionsstufe kommende Kältemittelteil zusammen und können von dort gemeinsam zur Motorkühlung geführt werden. Damit dient der gesamte Kältemittelstrom zur Motorkühlung.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Leitung mit der Motorkühlung verbunden ist, wobei eine von der ersten Kompressionsstufe kommende Druckgasleitung in die zur zweiten Kompressionsstufe führende Sauggasleitung mündet. Der gasförmige Kältemittelteil nach dem Phasentrennelement kann dabei mit dem von der ersten zur zweiten Kompressionsstufe laufenden Kältemittelteil vor der zweiten Kompressionsstufe zusammengeführt werden. Auch bei diesem vereinfachten Aufbau wird der gesamte Kältemittelstrom zur Motorkühlung geführt und dort zum Aufnehmen von Abwärme genutzt. Der von der ersten Kompressionsstufe kommende Kältemittelteil wird aber nicht direkt vor der Motorkühlung mit dem von der zweiten Kompressionsstufe kommenden Kältemittelteil kombiniert, sondern durchläuft erst ebenfalls die zweite Kompressionsstufe.
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In einer Kältemittelleitung zwischen Motorkühlung und Phasentrennelement können weitere Bauteile angeordnet sein. Dies sind beispielsweise Drosselelemente und/oder zusätzliche Kühlelemente, die beispielsweise zur Kühlung von Elementen einer Leistungselektronik dienen.
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Vorzugsweise weist der Kältemittelkompressor mehr als zwei Kompressionsstufen auf, wobei das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zwischen zwei der Kompressionsstufen angewendet wird. Damit kann auch eine sehr starke Abkühlung erreicht werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung zwei Kältemittelkompressoren auf, wobei das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zwischen den Kältemittelkompressoren oder zwischen Kompressionsstufen der Kältemittelkompressoren angewendet wird, wobei gegebenenfalls mehr als eine Motorkühlung erfolgt. Die Vorrichtung ist dadurch sehr universell einsetzbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 einen Kältemittelkreislauf mit einem zweistufigen Kompressor einer ersten Ausführungsform und
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2 einen Kältemittelkreislauf mit einem zweistufigen Kompressor einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist schematisch ein Kältemittelkreislauf 1 einer Wärmepumpe dargestellt, der einen zweistufigen Kompressor 2 mit einer ersten Kompressionsstufe 3 und einer zweiten Kompressionsstufe 4 aufweist. Der zweistufige Kompressor 2 wird mit einem Motor 5 betrieben, wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem Motor 5 und den Kompressionsstufen 3, 4 des zweistufigen Kompressors 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
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Mit Hilfe der Kompressionsstufen 3, 4 des zweistufigen Kompressors 2 erfolgt ein Anheben des Druckniveaus eines Kältemittels von einem ersten Druckniveau zunächst auf ein mittleres Druckniveau und anschließend auf ein hohes Druckniveau. Als Kältemittel wird dabei ein unter Überdruck flüssiges Fluid, das nach einer Druckentlastung und Wärmeaufnahme gasförmig wird, verwendet. Das Kältemittel wird beispielsweise gasförmig und mit niedrigem Druck der ersten Kompressionsstufe 3 des Kompressors 2 zugeführt und dort auf ein mittleres Druckniveau gebracht, wobei es gleichzeitig erwärmt wird.
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Über eine Druckgasleitung 6 gelangt ein gasförmiger Kältemittelanteil dann bei dem Kältemittelkreislauf gemäß 1 zu einer Mischeinrichtung 7 und wird dort mit einem von der zweiten Kompressionsstufe 4 kommenden Kältemittelteil zusammengeführt. Dieser Kältemittelteil war der zweiten Kompressionsstufe des Kompressors 2 gasförmig und mit einem mittleren Druckniveau zugeführt worden und wurde in der zweiten Kompressionsstufe 4 bei gleichzeitiger Erwärmung auf ein hohes Druckniveau gebracht. Der gasförmige Kältemittelteil wird dann im Anschluss an die zweite Kompressionsstufe 4 über eine zweite Leitung 8 einem Kondensator 9 zugeführt. Dort erfolgt eine Wärmeabgabe vom Kältemittelteil an eine Umgebung beziehungsweise Wärmesenke 10. Der dadurch kondensierte Wärmemittelteil, der sowohl flüssige als auch gasförmige Phasen aufweisen kann, wird anschließend mit Hilfe eines Drosselelementes 11, das beispielsweise als Expansionsventil ausgebildet ist, auf das mittlere Druckniveau entspannt, mit der dieser Kältemittelteil bei der Mischeinrichtung 7 ankommt und mit dem von der ersten Kompressionsstufe 3 kommenden Kältemittelteil zusammengeführt wird.
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Die zusammengeführten Kältemittelteile, also der Kältemittel-Hauptstrom, der den gesamten Volumenstrom umfasst, gelangt von der Mischeinrichtung 7 zu einer Motorkühlung des Motors 5 und nimmt dort Wärme vom Motor 5 auf. Anschließend wird der Kältemittel-Hauptstrom in einem Phasentrennelement 12 in den gasförmigen Kältemittelteil und den flüssigen Kältemittelteil aufgetrennt. Der gasförmige Kältemittelteil wird dann wiederum der zweiten Kompressionsstufe 4 zugeführt.
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Der flüssige Kältemittelteil wird mit Hilfe eines Drosselelementes 13, das wiederum als Expansionsventil ausgebildet sein kann, entspannt und mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur einem Verdampfer 14 zugeführt, in dem der flüssige Kältemittelteil in eine gasförmige Phase überführt wird. Der Verdampfer 14 nimmt dabei aus der Umgebung beziehungsweise von einer Wärmequelle 15 Wärme auf, die vom Kältemittelteil aufgenommen wird. Dabei sind das Drosselelement 13 und der Verdampfer 14 in einer ersten Leitung 16 angeordnet, die das Phasentrennelement 12 mit der ersten Kompressionsstufe 3 des zweistufigen Kompressors 2 verbindet. In der ersten Kompressionsstufe 3 erfolgt dann eine Erhöhung des Druckes des im Verdampfer 14 verdampften Kältemittelteils, sodass dieser auf mittlerem Druckniveau und mit erhöhter Temperatur wiederum der Mischeinrichtung 7 zugeführt werden kann.
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2 zeigt ein alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 wird der Kältemittelteil nach der ersten Kompressionsstufe 3 nicht einer der Motorkühlung vorgelagerten Mischeinrichtung zugeführt, sondern direkt der zweiten Kompressionsstufe 4. Da auch der vom Phasentrennelement 12 kommende gasförmige Kältemittelteil der zweiten Kompressionsstufe 4 zugeführt wird, wird der Kältemittel-Hauptstrom in der zweiten Kompressionsstufe 4 auf das hohe Druckniveau gebracht und dabei erwärmt. Nach Wärmeabgabe und Kondensation im Kondensator 9 und anschließender Entspannung über das Drosselelement 11 gelangt dann der Kältemittel-Hauptstrom, der gasförmige und flüssige Bestandteile aufweist, zur Kühlung des Motors 5 und kann dort Wärme aufnehmen. Der vom Phasentrennelement 12 aus dem Kältemittel-Hauptstrom abgetrennte flüssige Kältemittelteil wird über die erste Leitung 16 geführt und zunächst mit Hilfe des Drosselelementes 13 auf ein niedriges Druckniveau entspannt. Anschließend erfolgt eine Verdampfung im Verdampfer 14, so dass es schließlich gasförmig der ersten Kompressionsstufe 3 des Kompressors 3 zugeführt und dort bei gleichzeitiger Erwärmung auf ein mittleres Druckniveau gebracht wird, um dann zur zweiten Kompressionsstufe 4 zu gelangen.
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Bei den erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bei der es sich insbesondere um eine Wärmepumpenanordnung handelt, erfolgt eine Kühlung des Motors, der zum Antreiben des zweistufigen Kompressors erforderlich ist, mit Hilfe des Kältemittel-Hauptstroms, also durch das gesamte Kältemittel. Eine zusätzliche Bypass-Verbindung, um einen Teil des Kältemittels zur Kühlung des Motors abzuzweigen, ist nicht erforderlich. Dementsprechend ergibt sich ein vereinfachter Aufbau insbesondere durch Reduzieren der Anzahl der erforderlichen Expansionsventile und damit eine einfachere Regelung.
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Die Abwärme des Motors wird dabei dem Kältemittelkreislauf wieder zugeführt, ohne aufgrund der nach Aufnahme der Abwärme erfolgenden Phasentrennung die Effizienz des Gesamtsystems zu verschlechtern.
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Mit relativ geringem Aufwand lässt sich das erfindungsgemäße Vorgehen an einen Kältekreislauf mit einem einstufigen Kompressor anpassen, wobei eine Zwischeneinspritzung und ein interner Wärmeübertrager oder auch eine Zwischeneinspritzung und eine Phasentrennung in einem Phasentrennelement Anwendung finden können.
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Aufgrund des Designs des Kältemittelkreislaufs kann eine Umkehrung des Kältekreises zur Abtauung und/oder für den Kühlbetrieb erfolgen, wobei das Phasentrennelement jedoch immer in gleicher Richtung durchströmt werden muss.
