DE112004002189T5

DE112004002189T5 - Kühlsystem mit Verdampfer und Verdichter

Info

Publication number: DE112004002189T5
Application number: DE112004002189T
Authority: DE
Inventors: Stephen B. Kenosha Memory; Jianmin Kenosha Yin
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-08-31
Also published as: BRPI0416764A; WO2005057095A1; US6848268B1; KR101054784B1; GB2421563A; GB0604152D0; CN1864037A; KR20060125759A; JP2007512501A

Abstract

Kühlsystem, das Folgendes umfasst:
einen Verdampfer (28);
eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28);
einen zweistufigen Verdichter (20), der zum Verdichten des Kältemittels aus der Saugleitung ausgeführt ist, wobei der Verdichter (20) Folgendes aufweist:
eine erste Stufe (34), die das gasförmige Kältemittel aus der Saugleitung empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel an einen Zwischenkühler (38) abgibt, und
eine zweite Stufe (40), die das gasförmige Kältemittel aus dem Zwischenkühler (38) empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel abgibt;
einen in dem Zwischenkühler (38) integrierten Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus der zweiten Verdichterstufe (40) abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt ist;
ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer (28) ausgeführt ist;
wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme und insbesondere transkritische Kühlsysteme mit Verdampfer und Verdichter.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND VON DEM STAND DER TECHNIK AUFGEWORFENE PROBLEME
Transkritische Kühlsysteme sind in der Technik bekannt. Bei solchen Systemen wird in der Regel ein eine erste Seite eines Verdampfers durchströmendes Kältemittel zyklisch verdichtet, gekühlt und verdampft, wobei während des Verdampfens von einer zweiten Seite des Verdampfers Wärme absorbiert wird, um Fluid auf der zweiten Seite zu kühlen. Solche Systeme können zum Beispiel für Kraftfahrzeugklimaanlagen verwendet werden.
In einem beispielhaften System sind ein Verdichter, ein Kondensator und ein Verdampfer mit einem Gegenstrom-Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen dem von dem Kondensator zum Verdampfer strömenden Fluid und dem vom Verdampfer zum Verdichter strömenden Fluid vorgesehen. Wie in der US-PS 5,245,836 gezeigt, ist im geschlossenen Fluidkreislauf zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter ein integriertes Speichersegment (Flüssigkeitsabscheider/Empfänger) erforderlich. Die US-PS 2,467,078, 2,530,648 und 2,990,698 zeigen Kombinationen aus einem Wärmetauscher, einem Speicher und einer Dosiervorrichtung, die mit solchen Kühlsystemen verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung solcher transkritischen Kühlsysteme.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber einem Kühlsystem mit einem Verdampfer, einer Saugleitung, einem Verdichter, einem Gaskühler und einem Kapillarrohr dar. Der Verdampfer empfängt Kältemittel in einem flüssigen Zustand von einem Kapillarrohr und ist zum Verdampfen des Kältemittels in einen gasförmigen Zustand ausgeführt. Die Saugleitung empfängt Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer. Der Verdichter empfängt das Kältemittel aus der Saugleitung und ist zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt. Ein Gaskühler ist zum Kühlen von aus dem Verdichter abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt. Des Weiteren enthält das System ein Kapillarrohr, das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler zum Verdampfer ausgeführt ist, wobei die Saugleitung und das Kapillarrohr nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Gemäß einem Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung, handelt es sich bei dem Verdichter um einen zweistufigen Verdichter mit einer ersten Stufe, die das Kältemittel aus der Saugleitung empfängt und verdichtetes Kältemittel an einen Zwischenkühler abgibt, und einer zweiten Stufe, die das Kältemittel aus dem Zwischenkühler empfängt und verdichtetes Kältemittel abgibt.
Bei verschiedenen vorteilhaften Formen dieses Aspekts der Erfindung ist das Kapillarrohr um die Saugleitung herumgewickelt und handelt es sich bei dem Kältemittel um Kohlendioxid und/oder ist das Kühlsystem transkritisch.
Gemäß einem anderen Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung ist eine Schale zum Auffangen von Wasserkondensat von der Luftseite des Verdampfers ausgeführt, und ein Kältemittelrohr ist dazu ausgeführt, gekühltes Kältemittel aus dem Gaskühler durch die Schale in Wärmeaustauschbeziehung mit dem aufgefangenen Wasserkondensat zu befördern.
Bei verschiedenen vorteilhaften Formen dieses Aspekts der Erfindung handelt es sich bei dem Kältemittel um Kohlendioxid und/oder ist das Kühlsystem transkritisch.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung ist ein Sensor dazu ausgeführt, Lufttemperatur oder Saugleitungstemperatur oder Saugleitungsdruck zu erfassen, und eine Steuerung ist dazu ausgeführt, den Verdichter auf Grundlage der einen Temperatur oder des Drucks, die bzw. der von dem Sensor erfasst wird, gezielt ein- und auszuschalten.
Bei einer vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung schaltet die Steuerung den Verdichter nur dann ein, um das Kältemittel zu verdichten, wenn der Sensor eine Lufttemperatur über einer ausgewählten Höhe erfasst.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung enthält die Saugleitung einen ersten und einen zweiten im Wesentlichen geraden parallelen, zylindrischen Teil, die in Reihe verbunden sind, und enthält das Kapillarrohr einen ersten und einen zweiten schraubenförmig gewundenen Teil, die in Reihe verbunden sind. Der erste schraubenförmig gewundene Teil ist um den zweiten geraden zylindrischen Teil der Saugleitung herumgewickelt, und der zweite schraubenförmig gewundene Teil ist um den ersten geraden zylindrischen Teil der Saugleitung herumgewickelt.
Bei einer vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung ist zwischen einem Einlass zum ersten schraubenförmig gewundenen Teil des Kapillarrohrs und einem Auslass aus dem zweiten schraubenförmig gewundenen Teil des Kapillarrohrs ein Umgehungssicherheitsventil vorgesehen. Das Umgehungssicherheitsventil öffnet sich als Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass zum ersten schraubenförmig gewundenen Teil des Kapillarrohrs und dem Auslass aus dem zweiten schraubenförmig gewundenen Teil des Kapillarrohrs.
Bei einer anderen vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung enthält die Saugleitung einen U-förmigen Teil, der den ersten und den zweiten zylindrischen Teil der Saugleitung verbindet.
Bei noch einer anderen vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung ist zwischen dem ersten und dem zweiten zylindrischen Teil der Saugleitung ein Speicher vorgesehen.
Bei noch einer anderen vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung handelt es sich bei dem Kältemittel um CO₂ und ist das Kapillarrohr eine Expansionsvorrichtung für das gekühlte CO₂-Kältemittel.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung enthält die Saugleitung einen geraden zylindrischen Teil mit einem Speicher zwischen dem Verdampfer und dem geraden Teil der Saugleitung. Der Speicher enthält eine Phasentrennkammer mit einem Eingang für Kältemittel aus dem Verdampfer und einem Auslass für Kältemittel, von dem Öl- und Flüssigkeitstropfen in der Phasentrennkammer getrennt worden sind, einen Speicher mit einer Abführöffnung zum Abführen von Öl zur Rückführung des Öls zum System und ein vertikales Rohr zwischen der Phasentrennkammer und dem Speicher.
Bei einer vorteilhaften Form dieses Aspekts der Erfindung ist ein zweites vertikales Rohr zwischen der Pha sentrennkammer und dem Speicher vorgesehen, wobei das zweite vertikale Rohr zum Halten eines ausgewählten Kühlmittelladungsvolumens ausgeführt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung ist um das Kapillarrohr herum ein Umgehungsrohr vorgesehen, wobei das Umgehungsrohr ein Zwischenentlüftungsventil enthält, das zum Öffnen als Reaktion auf Druck über einer ausgewählten Höhe in dem aus dem Gaskühler abgeführtem Kältemittel ausgeführt ist.
Bei vorteilhaften Formen dieses Aspekts der Erfindung liegt die ausgewählte Höhe über normalen Betriebsdrücken und/oder ist das Kältemittel Kohlendioxid.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Kühlsysteme wie oben beschrieben betreffenden vorliegenden Erfindung können die verschiedenen oben beschriebenen Aspekte der Erfindung gemeinsam in dem oben beschriebenen Kühlsystem mit aufgenommen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines einen Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellenden Kühlsystems;
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Saugleitungswärmetauschers, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Saugleitungswärmetauschers, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Saugleitungswärmetauschers, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
5 zeigt einen Saugleitungswärmetauscher, der einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 zeigt einen modifizierten Saugleitungswärmetauscher mit einem Speicher; und
7 zeigt einen alternativen Saugleitungswärmetauscher und Speicher.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 wird eine beispielhafte Ausführungsform eines die vorliegende Erfindung darstellenden Kühlsystems 10 mit einem Verdichter 20, einem Gegenstromgaskühler 24 und einem Verdampfer 28 gezeigt.
Bei der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Verdichter 20 um einen zweistufigen Verdichter, wobei gasförmiges Kältemittel in die erste Stufe 34 des Verdichters 20 eingeleitet wird, der das Kältemittel verdichtet. Das verdichtete Kältemittel aus der ersten Stufe 34 des Verdichters wird an einen optionalen Zwischenkühler 38 ausgegeben, in dem es zweckmäßig gekühlt werden kann, wonach es in die zweite Stufe 40 des Verdichters 20 eingeleitet wird, die das gasförmige Kältemittel weiter verdichtet. Die erste und die zweite Stufe 34, 40 des Verdichters 20 werden in 1 schematisch dargestellt.
Obgleich Kohlendioxid (CO₂) gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung als Kältemittel verwendet werden kann, und zwar insbesondere in transkritischen Kühlsystemen, versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung auch andere Arbeitsfluide, zum Beispiel andere Kältemittel, verwendet werden könnten.
Das durch die zweite Stufe 40 des Verdichters 20 verdichtete Kältemittel wird an den Gaskühler 24 abgeführt. Der Gaskühler 24 kann eine beliebige geeignete Form zum Kühlen und/oder Kondensieren des durch die Rohre des Kühlers 24 strömenden Gases aufweisen. Zum Beispiel wird in 1 der Veranschaulichung halber ein Gaskühler 24 mit einem serpentinenförmigen Rohr 44 mit Rippen 46 zwischen Strängen des Rohrs 44 schematisch gezeigt. Das gasförmige Kältemittel im Rohr 44 wird über Wärmeübertragung mit Umgebungsluft, die zum Beispiel durch das schematisch dargestellte Gebläse 48 vorteilhafterweise über die Luftseite der Rohre 44 und Rippen 46 geblasen werden kann, gekühlt. Es versteht sich jedoch, dass bei der vorliegenden Erfindung auch ein- oder mehrzügige Kondensatorstrukturen mit runden Rohren und flachen Rippen oder mit Mikrokanalrohren und serpentinenförmigen Rippen vorteilhafterweise verwendet werden können, sowie irgendein anderer Wärmetauscher, der für die Umgebung, in der das System 10 zum Kühlen von aus dem Verdichter abgeführtem gasförmigem Kältemittel verwendet werden soll, geeignet ist.
Der Zwischenkühler 38 kann vorteilhafterweise mit dem Gaskühler 24 integriert sein, wenn auch mit getrennten Kältemittelpfaden, wodurch das Kältemittel mittels (beispielsweise durch das Gebläse 48) über Rohre, die aus der ersten Stufe 34 des Verdichters abgeführtes Kältemittel (das heißt Rohre im Zwischenkühler 38) und aus der zweiten Stufe 38 des Verdichters abgeführtes Kältemittel (das heißt Rohre 44) enthalten, geblasener Luft gekühlt wird. Bei einer vorteilhaften Konfiguration können der Zwischenkühler 38 und der Gaskühler 24 mit Mikrokanalrohren und serpentinenförmigen Rippen zusammengefügt sein.
Das aus dem Gaskühler 24 abgeführte gekühlte gasförmige Kältemittel durchströmt ein Kältemittelrohr 50 in einer (einem) Wasserauffangschale/-kühler 54 zum weiteren Küh len des den Gaskühler 24 verlassenden Kältemittels, wie im Folgenden weiter beschrieben.
Das Kältemittelrohr 50 ist hinter der Wasserauffangschale 54 in zwei Pfade geteilt, wobei ein Pfad aus einem Kapillarrohr 60 besteht und der andere ein Zwischenentlüftungsventil 64 enthält. Das Kapillarrohr 60 weist einen kleinen Durchmesser auf, um das Kältemittel zu drosseln, wodurch bewirkt wird, dass das Kältemittel am Auslass des Kapillarrohrs 60 in einen zweiphasigen Zustand expandiert, während des Weiteren der Kältemitteldurchfluss durch das System 10 gesteuert wird. Wie im Folgenden beschrieben, wird das Kältemittel des Weiteren auch im Kapillarrohr 60 gekühlt.
Das Zwischenentlüftungsventil 64 ist dazu ausgeführt, sich bei einem Druck zu öffnen, der über dem normalen Betriebsdruck des Systems 10 liegt, um das Umgehen des Kapillarrohrs 60 bei extrem hohen Drücken, wie zum Beispiel Druckspitzen, die beim Anlaufen des Systems 10 auftreten können, zu gestatten.
Das aus dem Kapillarrohr 60 abgeführte zweiphasige Kältemittel strömt dann zum Verdampfer 28, in dem das flüssige Kältemittel zweckmäßig in einen gasförmigen Zustand verdampft wird. Wie dargestellt, kann zum Beispiel wärmere Umgebungsluft durch ein Gebläse 70 über den Verdampfer 28 geblasen werden, wodurch Wärme aus der Luft von dem kühleren Kältemittel im Verdampfer 28 absorbiert wird, wodurch das Kältemittel zu einem gasförmigen Zustand verdampft.
Kondensation von Wasser in der wärmeren Umgebungsluft am Verdampfer 28 wird in der Wasserauffangschale 54 aufgefangen, wobei dieses Wasser, wie zuvor erwähnt, zum Kühlen des durch das in das Wasser in der Schale 54 getauchte Kältemittelrohr 50 strömenden Kältemittels dient.
Das gasförmige Kältemittel wird aus dem Verdampfer 28 durch ein Saugleitungsrohr 74 abgeführt, das mit dem Eingang der ersten Stufe 34 des Verdichters 20 verbunden ist, wobei das Kältemittel dann wieder, wie oben beschrieben, das System 10 zyklisch durchläuft.
Des Weiteren wirkt das Saugleitungsrohr 74 mit dem Kapillarrohr 60 zusammen, um einen Saugleitungswärmetauscher 78 zu bilden. Insbesondere ist bei der in 1 dargestellten Konfiguration das Kapillarrohr 60 schraubenförmig um das Saugleitungsrohr 74 gewunden, wodurch Wärme zwischen Kältemittel in den Rohren 60, 74 vorteilhafterweise ausgetauscht wird.
Eine einzige Steuerung 92 kann vorteilhafterweise zur Steuerung 10 des Systems verwendet werden, indem der Verdichter 20 als Reaktion auf einen erfassten Zustand einfach ein- und/oder ausgeschaltet wird. Zum Beispiel kann ein geeigneter Sensor 94, wie zum Beispiel ein einfaches Thermoelement, vorgesehen sein, um Umgebungslufttemperatur zu erfassen, wobei die Steuerung 92 auf die erfasste Temperatur mit dem Einschalten des Verdichters 20 (und der Gebläse 48, 70) reagiert, wenn sich die Temperatur über eine ausgewählte Höhe erhöht. Als Alternative dazu kann der Sensor 94 zum Erfassen verschiedener Zustände, wie zum Beispiel Temperatur oder Druck in dem Saugleitungsrohr 74, verwendet werden.
Die 2–7 zeigen verschiedenartig weitere vorteilhafte Saugleitungswärmetauscher, wie sie zum Beispiel vorteilhafterweise in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wie in den 2–4 allgemein dargestellt, kann ein Saugleitungswärmetauscher vorgesehen sein, in dem das Saugleitungsrohr 74 einen allgemein geraden Teil enthält, der um eine Achse 96 zylindrisch ist. Das Kapil larrohr 60 kann bezüglich des Saugleitungsrohrs 74 verschiedenartig positioniert sein, so dass zwischen den Rohren 74, 60 Wärme ausgetauscht wird, wie zuvor beschrieben.
In 2 ist das Kapillarrohr 60a zum Beispiel schraubenförmig um das Saugleitungsrohr 74a herumgewickelt, wobei die schraubenförmige Windung des Kapillarrohrs 60a allgemein um die Achse 96 des zylindrischen Saugleitungsrohrs 74a verläuft. Angemessener Betrieb, einschließlich erwünschten Wärmeaustauschs, kann für eine typische Anwendung des Kühlsystems 10 der vorliegenden Erfindung durch eine kompakte Konstruktion bereitgestellt werden, die ein Kapillarrohr 60a mit einem Durchmesser von weniger als zwei (2) mm verwendet, das nur um zwanzig (20) Zoll des Saugleitungsrohrs 74a herumgewickelt ist.
Als Alternative kann das Kapillarrohr 60b, wie in 3 gezeigt, zwar auch schraubenförmig gewunden sein, wobei aber der schraubenförmig gewundene Teil innerhalb des Saugleitungsrohrs 74b liegt. Bei noch einer anderen einfachen Alternative, die in 4 gezeigt wird, ist das Kapillarrohr 60c auch gerade und neben (oder innerhalb) des Saugleitungsrohrs 74c positioniert.
Kühlsysteme 10, wie in 1 gezeigt, können die Saugleitungswärmetauscher nach den 2–4 verwenden. Es werden hier jedoch auch verschiedene vorteilhafte neue Saugleitungswärmetauscher offenbart, die auch vorteilhafterweise mit die vorliegende Erfindung verkörpernden sowie anderen Kühlsystemen verwendet werden können.
5 offenbart einen solchen vorteilhaften neuen Saugleitungswärmetauscher. Bei dieser Ausführungsform enthält das Saugleitungsrohr 74d einen ersten und einen zweiten im Wesentlichen parallelen, geraden zylindri schen Teil 100, 102, die in Reihe verbunden sind, wobei der erste gerade Teil 100 gasförmige Flüssigkeit aus dem Verdampfer 28 empfängt und der zweite gerade Teil 102 gasförmiges Kältemittel aus dem ersten geraden Teil 100 durch einen U-förmigen Teil 104 empfängt. Gasförmiges Kältemittel wird aus dem zweiten geraden Teil 102 an den Verdichter 20 ausgegeben.
Das Kapillarrohr 60d kann gekühltes Kältemittel zum Verdampfer 28 befördern und enthält einen ersten und einen zweiten schraubenförmig gewundenen Teil 110, 112, die in Reihe verbunden sind, so dass der zweite schraubenförmig gewundene Teil 112 gekühltes Kältemittel aus dem ersten schraubenförmig gewundenen Teil 110 durch einen Verbindungskapillarrohrteil 114 empfängt. Der erste schraubenförmig gewundene Teil 110 ist um den zweiten geraden zylindrischen Teil 102 der Saugleitung herumgewickelt, und der zweite schraubenförmig gewickelte Teil 112 ist um den ersten geraden zylindrischen Teil 100 der Saugleitung herumgewickelt.
Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kapillarrohrs 60d ist ein geeignetes Sicherheitsventil 120 vorgesehen, wobei solch ein Sicherheitsventil 120 wie das in Verbindung mit 1 beschriebene Zwischenentlüftungsventil 64 funktionieren kann. Das heißt, das Sicherheitsventil 120 ist dazu ausgeführt, sich bei einem Druck zu öffnen, der über dem normalen Betriebsdruck des Systems 10 liegt (zum Beispiel über 120 bar), um eine Umgehung des Kapillarrohrs 60d bei extrem hohen Drücken zu gestatten.
Bei der dargestellten Ausführungsform enthält das Ventil 120 eine Feder 122 mit einer ausgewählten Festigkeit, die dazu ausreicht, das Ventil 120 geschlossen zu halten, außer wenn der Druck auf der hohen Seite (das heißt der Druck am Einlass zum Kapillarrohr 60d) mindestens eine ausgewählte Höhe aufweist, wobei dann der Druck dazu ausreicht, die Kraft der Feder 122 zu überwinden und das Ventil 120 zu öffnen. Das Öffnen des Ventils 120 gestattet dem Kältemittel, das Kapillarrohr 60d zu umgehen, bis der Druck unter die ausgewählte maximale Höhe zurückkehrt. Wie zuvor erwähnt, kann solch eine Druckspitze beim Anlassen eines Kühlsystems auftreten. Bei normalem Betrieb bleibt das Ventil 120 geschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 5 dargestellte bestimmte Ventilkonstruktion jedoch nur beispielhaft ist und dass irgendeine für den oben beschriebenen Betrieb geeignete Ventilkonstruktion mit der dargestellten Ausführungsform vorteilhafterweise verwendet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass der in 5 dargestellte Saugleitungswärmetauscher vorteilhafterweise in vielen Anwendungen verwendet werden kann, insbesondere jenen, in denen Raum sehr wertvoll ist, da der dargestellte Wärmetauscher Wärmeaustausch in einem relativ kurzen (schmalen) Raum maximieren kann.
6 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines vorteilhaften Saugleitungswärmetauschers. Bei der dargestellten Ausführungsform ähnelt der Saugleitungswärmetauscher im Wesentlichen der Ausführungsform von 5, außer dass das Saugleitungsrohr 74e einen Inline-Speicher 130 mit einem Ölrückführloch 132 anstelle des U-förmigen Teils von 5 enthält. Es versteht sich, dass wie bei der Ausführungsform von 5 die Ausführungsform von 6 auch vorteilhafterweise in vielen Anwendungen verwendet werden kann, insbesondere jenen, in denen Raum sehr wertvoll ist, wobei der dargestellte Wärmetauscher Wärmeaustausch in einem relativ kurzen (schmalen) Raum maximiert.
7 zeigt noch eine andere Ausführungsform einer vorteilhaften Konstruktion zwischen dem Verdampfer 28 und dem Verdichter 20 eines Kühlsystems 10 mit einem Saugleitungswärmetauscher. Insbesondere wird der Wärmetauscher wie in 2 dargestellt gezeigt, wobei das Kapillarrohr 60f schraubenförmig um einen geraden Teil des Saugleitungsrohrs 74f gewunden ist. Es versteht sich jedoch, dass der Saugleitungswärmetauscher der Ausführungsform von 7 noch in anderen geeigneten Formen, wie zum Beispiel den in den 3–5 gezeigten, vorliegenden könnte.
Zwischen dem Saugleitungswärmetauscher und dem Verdampfer ist ein Speicher 140 vorgesehen. Insbesondere enthält der Speicher 140 eine Trennkammer oder ein Trenngehäuse 142 mit einem Einlass 144, der Kältemittel von dem Verdampfer empfängt. Ein vertikales Saugleitungsrohr 146 ist an seinem unteren Ende mit dem Teil des Saugleitungsrohrs 74f in dem Saugleitungswärmetauscher (mit dem Kapillarrohr 60f) verbunden, und ist an seinem oberen Ende 148 in dem Trenngehäuse 142 offen und von dem Boden des Gehäuses 142 beabstandet. Demgemäß tritt gasförmiges oder zweiphasiges Kältemittel aus dem Verdampfer 28 am Einlass 144 in das Trenngehäuse 142 ein, Öl- und Flüssigkeitstropfen im Kältemittel fallen aus dem Kältemittel, so dass das Kältemittel, das in das obere Ende 148 des Saugleitungsrohrs 146 eintritt, um das Gehäuse 142 zu verlassen, eine wünschenswerterweise verringerte Menge an darin vermischten Flüssigkeitstropfen aufweist.
Ein Speichergehäuse 150 ist unter dem Trenngehäuse 142 angeordnet und durch ein vertikales Rohr 154 damit verbunden. Öl- und Flüssigkeitstropfen, die von dem Kältemittel getrennt sind, laufen durch das vertikale Rohr 154 zum Speichergehäuse 150 ab und können von dort über ein Ölrückführloch 156 im Speichergehäuse 150 zweckmäßigerweise rezirkuliert werden. Des Weiteren wird ein zweites vertikales Rohrs 160 gezeigt, das das Trenngehäuse 142 und das Speichergehäuse 150 verbindet. Es versteht sich jedoch, dass auch noch mehr vertikale Rohre im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung mit enthalten sein können.
Die vertikalen Rohre 154, 160 verbinden nicht nur die Gehäuse 142, 150, sondern stellen auch Speichervolumen für Öl und Systemladung bereit. Es sei darauf hingewiesen, dass durch die Verwendung solcher Rohre 154, 160 der Speicher 140 leicht an verschiedene Anforderungen angepasst werden kann. Zum Beispiel kann dies in einer Umgebung, in der ein vergrößertes Speichervolumen erforderlich sein kann, durch einfaches Vergrößern der Länge der Rohre 154, 160 und entsprechende Vergrößerung des Abstands zwischen den Gehäusen 142, 150 erfolgen. Das Vergrößern des Volumens pro Einheitshöhenverhältnis könnte hingegen die Verwendung von dickeren Materialien erfordern und deshalb das Gewicht der Konstruktion vergrößern. Ein vergrößertes Gewicht kann eine Konstruktion bei einigen Anwendungen, bei denen Gewicht von Bedeutung ist, unannehmbar machen.
Das zweite vertikale Rohr 160 ist gemäß der Darstellung in 7 gerade. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen würde, andere sich vertikal erstreckende Rohrkonstruktionen zu verwenden, die Speichervolumen zur Ladung und getrenntes Öl bereitstellen, einschließlich mehr als zwei solcher Rohre und verschieden geformter Rohre, wie zum Beispiel ein Rohr, das schraubenförmig um das vertikale Saugleitungsrohr 146 gewunden ist, und/oder andere vertikale Rohre zwischen den Gehäusen 142, 150.
Es sei darauf hingewiesen, dass mit dem oben beschriebenen kompakten Kühlsystem 10 vorteilhaftes Kühlen effizient und zuverlässig bereitgestellt werden kann. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass vorteilhaftes Kühlen durch die Verwendung von kompakten, leichten Saugleitungswärmetauschern, wie auch oben beschrieben, effizient und zuverlässig bereitgestellt werden kann.
Noch andere Aspekte, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus eingehender Untersuchung der Beschreibung, der Zeichnungen und der angehängten An sprüche erhalten werden. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in alternativen Formen verwendet werden könnte, bei denen nicht alle Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung und bevorzugten Ausführungsform wie oben beschrieben erhalten werden würden.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28);
einen zweistufigen Verdichter (20), der zum Verdichten des Kältemittels aus der Saugleitung (74) ausgeführt ist, wobei der Verdichter (20) Folgendes aufweist:
eine erste Stufe (34), die das gasförmige Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel an einen Zwischenkühler (38) abgibt, und eine zweite Stufe (40), die das gasförmige Kältemittel aus dem Zwischenkühler (38) empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel abgibt;
einen in dem Zwischenkühler (38) integrierten Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus der zweiten Verdichterstufe (40) abgeführtem verdichtetem Kältemittel aus geführt ist;
ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer (28) ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.

Claims

Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28); einen zweistufigen Verdichter (20), der zum Verdichten des Kältemittels aus der Saugleitung ausgeführt ist, wobei der Verdichter (20) Folgendes aufweist: eine erste Stufe (34), die das gasförmige Kältemittel aus der Saugleitung empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel an einen Zwischenkühler (38) abgibt, und eine zweite Stufe (40), die das gasförmige Kältemittel aus dem Zwischenkühler (38) empfängt und verdichtetes gasförmiges Kältemittel abgibt; einen in dem Zwischenkühler (38) integrierten Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus der zweiten Verdichterstufe (40) abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt ist; ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer (28) ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, bei dem das Kapillarrohr (60) um die Saugleitung (74) herumgewickelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, bei dem das Kältemittel Kohlendioxid umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 1, bei dem das Kühlsystem transkritisch ist.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28) mit einer Luftseite, auf der Wasserkondensation auftritt; eine Schale (54), die zum Auffangen von Wasserkondensat von der Luftseite des Verdampfers (28) ausgeführt ist; eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28); einen Verdichter (20), der Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt ist; einen Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus dem Verdichter (28) abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt ist; ein Kältemittelrohr, das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) durch die Schale (54) in Wärmeaustauschbeziehung mit dem aufgefangenen Wasserkondensat ausgeführt ist; ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Kältemittelrohr zum Verdampfer (28) ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 5, bei dem das Kältemittel Kohlendioxid umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 5, bei dem das Kühlsystem transkritisch ist.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28); einen Verdichter (20), der Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und der zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt ist; einen Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus dem Verdichter abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt ist; ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer (28) ausgeführt ist; einen Sensor (94), der zum Erfassen der Außenlufttemperatur oder der Saugleitungstemperatur oder des Saugleitungsdrucks ausgeführt ist; und eine Steuerung (92), die zum gezielten Ein- und Ausschalten des Verdichters (20) auf Grundlage der bzw. des durch den Sensor (94) erfassten einen Temperatur oder Drucks ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 8, bei dem die Steuerung (92) den Verdichter (20) zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels nur dann einschaltet, wenn der Sensor (94) Außenlufttemperatur über einer ausgewählten Höhe erfasst.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28), wobei die Saugleitung (74) einen ersten und einen zweiten im Wesentlichen parallelen, geraden zylindrischen Teil, die in Reihe verbunden sind, enthält, wobei der zweite gerade zylindrische Teil Kältemittel aus dem ersten geraden zylindrischen Teil empfängt; einen Verdichter (20), der Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt ist; einen Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus dem Verdichter (20) abgeführtem verdichtetem Kältemittel ausgeführt ist; und ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel zum Verdampfer (28) ausgeführt ist, wobei das Kapillarrohr (60) einen ersten und einen zweiten schraubenförmig gewundenen Teil (110, 112) enthält, die in Reihe verbunden sind, wobei der zweite schraubenförmig gewundene Teil (112) gekühltes Kältemittel aus dem ersten schraubenförmig gewundenen Teil (110) empfängt, wobei der erste schraubenförmig gewundene Teil (110) um den zweiten geraden zylindrischen Teil (102) der Saugleitung (74) gewickelt ist und der zweite schraubenförmig gewundene Teil (112) um den ersten geraden zylindrischen Teil (100) der Saugleitung (74) gewickelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 10, das weiterhin ein Umgehungssicherheitsventil (120) zwischen einem Einlass zum ersten schraubenförmig gewundenen Teil (110) des Kapillarrohrs (60) und einem Auslass aus dem zweiten schraubenförmig gewundenen Teil (112) des Kapillarrohrs (60) umfasst, wobei sich das Umgehungssicherheitsventil (120) als Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass zum ersten schraubenförmig gewundenen Teil (110) des Kapillarrohrs (60) und dem Auslass aus dem zweiten schraubenförmig gewundenen Teil (112) des Kapillarrohrs (60) öffnet.
Kühlsystem nach Anspruch 10, bei dem die Saugleitung (74) einen U-förmigen Teil enthält, der den ersten und den zweiten zylindrischen Teil der Saugleitung (74) verbindet.
Kühlsystem nach Anspruch 10, das weiterhin einen Speicher (140) zwischen dem ersten und dem zweiten zylindrischen Teil der Saugleitung (74) umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 10, bei dem das Kältemittel CO₂ ist und das Kapillarrohr (60) eine Expansionsvorrichtung für das gekühlte CO₂-Kältemittel ist.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28), wobei die Saugleitung (74) einen um eine Achse im Wesentlichen zylindrischen geraden Teil und einen Speicher (140) zwischen dem Verdampfer (28) und dem geraden Teil der Saugleitung (74) enthält, wobei der Speicher (140) eine Phasentrennkammer (142) mit einem Eingang für Kältemittel aus dem Verdampfer (28) und einem Auslass für gasförmiges Kältemittel, von dem Öl- und Flüssigkeitstropfen in der Phasentrennkammer (142) getrennt worden sind, einen Speicher mit einer Abführöffnung zum Abführen von Öl zur Rückführung des Öls zu dem System, und ein vertikales Rohr (146) zwischen der Phasentrennkammer (142) und dem Speicher (140) enthält; einen Verdichter (20), der das gasförmige Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels ausgeführt ist; einen Gaskühler (24), der zum Kühlen des aus dem Verdichter (20) abgeführten verdichteten Kältemittels ausgeführt ist; und ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel zum Verdampfer (28) ausgeführt ist, wobei das Kapillarrohr (60) einen schraubenförmig um eine mittlere Achse gewundenen Teil enthält, die mit der Achse des geraden Teils der Saugleitung (74) allgemein zusammenfällt; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 15, das weiterhin ein zweites vertikales Rohr (160) zwischen der Phasentrennkammer (142) und dem Speicher umfasst, wobei das zweite vertikale Rohr (160) zum Halten eines ausgewählten Kältemittelladungsvolumens ausgeführt ist.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28); eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28); einen Verdichter (20), der das Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt ist; einen Gaskühler (24), der zum Kühlen des aus dem Verdichter (20) abgeführten verdichteten Kältemittels ausgeführt ist; ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer ausgeführt ist; ein Umgehungsrohr um das Kapillarrohr (60) herum, wobei das Umgehungsrohr ein Zwischenentlüftungsventil (64) enthält, das zum Öffnen als Reaktion auf eine Druckdifferenz über einer ausgewählten Höhe in dem aus dem Gaskühler (24) abgeführten Kältemittel ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 17, bei dem die ausgewählte Höhe über normalen Betriebsdrücken liegt.
Kühlsystem nach Anspruch 17, bei dem das Kältemittel Kohlendioxid ist.
Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Verdampfer (28) mit einer Luftseite, auf der Wasserkondensation auftritt; einer Schale (54), die zum Auffangen von Wasserkondensat von der Luftseite des Verdampfers (28) ausgeführt ist; eine Saugleitung (74) für Kältemittelausgabe aus dem Verdampfer (28); einen zweistufigen Verdichter (20), der zum Verdichten des Kältemittels ausgeführt ist, wobei der Verdichter (20) Folgendes aufweist: eine erste Stufe (34), die das Kältemittel aus der Saugleitung (74) empfängt und verdichtetes Kältemittel an einen Zwischenkühler abgibt (38), und eine zweite Stufe (40), die das Kältemittel aus dem Zwischenkühler (38) empfängt und verdichtetes Kältemittel abgibt; einen in dem Zwischenkühler (38) integrierten Gaskühler (24), der zum Kühlen von aus der zweiten Verdichterstufe (40) abgeführtem Kältemittel ausgeführt ist; ein Kältemittelrohr (50), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) durch die Schale (54) ausgeführt ist; ein Kapillarrohr (60), das zum Befördern von gekühltem Kältemittel aus dem Gaskühler (24) zum Verdampfer (28) ausgeführt ist; ein Umgehungsrohr um das Kapillarrohr (60) herum, wobei das Umgehungsrohr ein Zwischenentlüftungsventil (64) enthält, das zum Öffnen als Reaktion auf eine Druckdifferenz über einer ausgewählten Höhe in dem aus dem Kältemittelrohr (50) abgeführten Kältemittel ausgeführt ist; einen Sensor (94), der zum Erfassen der Außenlufttemperatur oder der Saugleitungstemperatur oder des Saugleitungsdrucks ausgeführt ist; und eine Steuerung (92), die zum gezielten Ein- und Ausschalten des Verdichters (20) auf Grundlage der bzw. des durch den Sensor (94) erfassten einen Temperatur oder Drucks ausgeführt ist; wobei die Saugleitung (74) und das Kapillarrohr (60) nebeneinander zum Wärmeaustausch zwischen ihnen angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 20, bei dem das Kapillarrohr (60) um die Saugleitung (74) herumgewickelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 20, bei dem das Kältemittel Kohlendioxid umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 20, bei dem das Kühlsystem transkritisch ist.