DE4014436A1 - Umwaelzthermostat mit kompressions-kaeltemaschine und verfahren zum betreiben des umwaelzthermostaten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umwälzthermostaten ge­ mäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruch 1; sie be­ trifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solches Um­ wälzthermostaten.

Solche Umwälzthermostaten werden häufig in Temperiergeräten eingesetzt, zum Beispiel im Kälte-Wärme-Thermostaten. Regel­ mäßig weisen solche Kompressions-Kältemaschinen einen ge­ schlossenen Kältemittelkreislauf auf. Bei entsprechenden Temperiergeräten kann jedoch in bekannter Weise ein zum Bei­ spiel offenes Bad an das Temperiergerät beigestellt und an­ geschlossen werden.

Bei solchen Umwälzthermostaten gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 1 wird das Kältemittel in aller Regel in einem Kom­ pressor unter Temperaturanstieg auf einen höheren Druck ge­ bracht, anschließend zum Beispiel in einem Kondensator abge­ kühlt und zu einem Expansionsventil geführt, an den sich ein Verdampfer anschließt, mittels dessen der Verdampfer-Umge­ bung Wärme entzogen wird, während das Kältemittel verdampft. Kühlmittelleitungen beziehungsweise Leitungsabschnitte ver­ binden die einzelnen vorerwähnten Maschinenteile und der im Verdampfer entstandene heiße Kältemitteldampf wird zum Kom­ pressor zurückgeführt.

Derartige Umwälzthermostate beziehungsweise ihre Kom­ pressions-Kältemaschinen haben noch erhebliche Nachteile. So kann geschehen, daß der vom Verdampfer kommende, heiße Kältemitteldampf eine zu hohe Temperatur für den Kompressor hat. Um dies zu vermeiden, hat man auch bereits vorgesehen, daß nach dem Expansionsventil ein Teil des noch kalten Kältemitteldampfes abgezweigt und direkt der Saugseite des Kompressors zugeführt wird. Dieser kalte Kältemitteldampf vermischt sich dann mit dem aus dem Verdampfer kommenden, überhitzten Kältemitteldampf, so daß sich eine Verminderung der Dampftemperatur des Kältemittels an der Saugseite des Kompressors ergibt. Mit dieser an sich bekannten Methode läßt sich zwar die durchschnittliche Temperatur des den Kompressor zufließenden Kältemitteldampfes vermindern. Es besteht jedoch die Gefahr, daß sich in dem kalten Kältemitteldampf noch Flüssigkeitsanteile befinden, die zu einer Beschädigung oder aber zum Zerstören des Kompressors führen können. Zum passenden, direkten Zuführen eines Teiles des vom Expansionsventil kommenden Kältemitteldampfes zum Kompressor sind auch aufwendige Regelungen erforderlich. Trotzdem kann nicht immer mit der notwendigen Sicherheit vermieden werden, daß Kältemittel-Flüssigkeitsanteile noch in den Kompressor gelangen und die vorerwähnten Nachteile bewirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher insbesondere die Auf­ gabe zugrunde, einen Umwälzthermostat mit Kompressions- Kältemaschine zu schaffen, die einerseits einfach im Aufbau ist, bei der andererseits sowohl die Zufuhr von zu heißem Kältemitteldampf zum Kompressor und/oder das Eintreten von Kältemittel-Flüssigkeitsanteilen in den Kompressor sicher vermieden werden. Die Ausbildung eines solchen Umwälzther­ mostaten soll dabei auch wenig oder gar keinen zusätzlichen Raumbedarf haben, unter anderem, weil solche Umwälzthermos­ tate oft als Laborgeräte Verwendung finden und dort sparsam mit Arbeitsplatzfläche umgegangen werden soll, was übrigens auch sonst von Vorteil ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Umwälzthermostat gemäß der eingangs erwähnten Art insbeson­ dere in den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.

Es besteht ferner die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die vorerwähnten Nachteilen von Umwälzthermostaten mit entsprechenden Kompressions-Kältemaschinen vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Um­ wälzthermostaten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 in den Verfahrensschritten gemäß dem Kennzeichnungsteil von Anspruch 8.

Zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Die ein­ zelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

Es zeigen in unterschiedlichen Maßstäben:

Fig. 1 Eine Rückansicht eines Umwälzthermostaten in ver­ kleinertem Maßstab,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Gehäuses des Thermostaten entsprechend Fig. 1,

Fig. 3 ein stärker schematisiertes Fließbild des Umwälz­ thermostaten.

Ein Umwälzthermostat 1 ist in einem Gehäuse 2 (Fig. 1 u. 2) untergebracht und weist u.a. in bekannter Weise eine Kompressions-Kältemaschine auf, die in dieser Anmeldung auch kurz "Kältemaschine 3" genannt wird. Eine solche Kälte­ maschine 3 ist im Fließbild in Fig. 3 dargestellt. Solche Kältemaschinen haben üblicherweise einen Kompressor 4, einen Kondensator 5, ein Expansionsventil 6, einen Verdampfer 7 sowie diese Maschinenteile 4 bis 7 verbindende, hier allge­ mein mit L bezeichnete Kältemittelleitungen. Wie bekannt, wird das Kältemittel im Kompressor 4 auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur gebracht. Bei bisher bereits be­ kannten Anlagenschließt sich - im Wege des Kältemittels - ge­ wöhnlich an den Kompressor 4 der Kondensator an.

In ihm wird bei bekannten Kältemaschinen das Kältemittel gleichzeitig enthitzt und anschließend verflüssigt, so daß ein Enthitzer und der Kondensator gewöhnlich ein integrier­ tes Maschinenbauteil darstellen. Im Fließbild nach Fig. 3 ist bei der anmeldungsgemäßen Kältemaschine 3 zwischen dem Kompressor 4 und dem Kondensator 5 ein eigenständiger Wärme­ tauscher 14 als Enthitzer vorgesehen. Wie bekannt, wird das Kältemittel im Kompressor 4 auf einen höheren Druck und auf eine höhere Temperatur gebracht und anschließend, sei es alleine im Kondensator 5, sei es zunächst im Enthitzer 14 und anschließend im Kondensator 5 abgekühlt, gewöhnlich unter gleichzeitiger Verflüssigung des Kältemittels. Dieses wird dann über entsprechende Kältemittelleitungen zum Expan­ sionsventil 6 und wird dort bei den bisher bekannten Kälte­ maschinen zum Verdampfer 7 geführt. Im Expansionsventil kann das unter erhöhtem Druck stehende Kältemittel sich ent­ spannen, so daß dadurch seine Temperatur abnimmt. Gewöhnlich verdampft das Kältemittel dazu im Verdampfer 7, wobei es kälter als dessen Umgebung wird. Mit anderen Worten: Der Verdampfer 7 kann seine Umgebung abkühlen. Von ihm gelangt bei den bisher bekannten Kältemaschinen das Kühlmittel wieder zum Kompressor 4, wobei sich der vorbeschriebene Kreislauf- Vorgang des Kühlmittels wiederholt.

Gemäß der Erfindung ist nun, wie insbesondere gut aus dem Fließbild nach Fig. 3 erkennbar, folgendes vorgesehen:
Die vom Verdampfer 7 zum Kompressor 4 führende Kühlmittel­ leitung L7 ist durch einen zusätzlichen Wärmetauscher 8 hin­ durchgeführt. Außerdem ist eine - in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen - hinter dem Expansionsventil 6 sich anschließende, als Kapillarrohrleitung 9 ausgebildete Kühl­ mittelleitung zu diesem zusätzlichen Wärmetauscher 8 geführt, so daß das vom Verdampfer 7 kommende Kältemittel im zusätz­ lichen Wärmetauscher 8 von dem durch die Kapillarrohrleitung 9 strömenden Kältemittel abgekühlt wird. Außerdem ist das über die Kapillarrohrleitung 9 zum zusätzlichen Wärme­ tauscher 8 geführte Kältemittel von diesem mittels einer weiteren Kapillarrohrleitung 10 zum Verdampfer 7 weiterge­ führt, wo es im wesentlichen "die Kälteleistung" der Kälte­ maschine 3 erbringt. Die vom Expansionsventil 6 ausgehende, zum zusätzlichen Wärmetauscher 8 führende Kältemittelleitung L4 ist dabei als Kapillarleitung 9 mit so kleinem lichten Querschnitt ausgebildet, daß die Kühlleistung innerhalb des zusätzlichen Wärmetauschers 8 in den Grenzen gehalten wird, die für eine vorteilhafte Arbeitsweise des Kompressors 4 not­ wendig sind. Mit anderen Worten: Dieses Kapillarrohr 9 be­ grenzt den Druckabfall des Kältemittels, so daß beim zusätz­ lichen Wärmetauscher 8 nur ein vergleichsweise geringer Teil der Kühlleistung der Kältemaschine 3 wirksam wird. Anderer­ seits wird durch entsprechende Dimensionierung der Kapillar­ leitung 9 in Verbindung mit der Auslegung des zusätzlichen Wärmetauschers 8 mit vergleichsweise geringen, störunan­ fälligem Aufwand verhindert, daß dem Kompressor 4 zu heißer Kältemittel-Dampf zugeführt wird. Da dies in Verbindung mit einen Wärmetauscher 8 erfolgt wird auch mit Sicherheit ver­ hindert, daß durch diese Maßnahme Flüssigkeitsanteile des abgezweigten Kältemittels in den Kompressor 4 gelangen und dort Beschädigungen herbeiführen können.

Dabei kann der zusätzliche Wärmetauscher 8 im wesentlichen aus einem an beiden Stirnseiten geschlossenen Rohrstück 11 bestehen, das die zum Kompressor 4 führende Kühlmittel­ leitung L7 abschnittsweise umhüllt. Dieses Rohrstück 11 hat dann einerseits einen Anschluß 12 für die vom Expansionsven­ til 6 kommende, vorerwähnte Kapillarleitung 9 und einen weiteren Anschluß 13 für die weitere, vom zusätzlichen Wärmetauscher 8 zum eigentlichen Verdampfer 7 führende zweite Kapillarleitung 10. Das Kältemittel, das im Ver­ dampfer 7 zu überhitztem Kältemittel-Dampf expandiert ist, durchläuft dann die Kältemittelleitung L7. Dabei wird das Kältemittel - wie vorstehend erläutert - im Bereich des zu­ sätzlichen Wärmetauschers 8 in seiner Temperatur etwas ver­ mindert und gelangt anschließend in den Kompressor 4 mit einer für diesen verträglichen Temperatur.

U. a. zum ökonomischen Ausnutzen der Kälteleistung sind bei der Kältemaschine 3 zumindest die sich hinter dem Ex­ pansionsventil 6 anschließende Kapillarleitung 9, der zu­ sätzliche Wärmetauscher 8, die den zusätzlichen Wärme­ tauscher 8 mit dem Verdampfer 7 verbindende weitere Kapillarleitung 10, die von diesem Verdampfer 7 zum zu­ sätzlichen Wärmetauscher 8 und von diesem zum Kompressor 4 führende Kühlmittelleitung L7 sowie der zusätzliche Wärmetauscher 8 wärmeisoliert, was durch die symbolisch an­ gedeuteten Isolationsabschnitte 16 in Fig. 3 angedeutet ist.

Zusammen mit den jeweils eine Drossel bildenden Kapillar­ leitungen 9 und 10 erhält man praktisch eine dreistufige Drosselung mit entsprechend stufenweisem Druckabfall beim Kältemittel. Dadurch kann entsprechend die Temperatur beim Expansionsventil 6, beim gewissermaßen als "Vorverdampfer" arbeitenden zusätzlichen Wärmetauscher 8 und schließlich beim Verdampfer 7 genügend genau bestimmt werden. Insbe­ sondere kann auch das Expansionsventil ohne separate Iso­ lierung auskommen. Der Hinweis "TC" beim Expansionsventil 6 soll bedeuten, daß es sich um ein thermostatisches Ex­ pansionsventil 6 handelt, welches einen Temperaturfühler 15 beim Ende des Verdampfers 7 hat, was durch die Fühler-Ver­ bindungsleitung 24 in Fig. 3 angedeutet ist.

Die Strecke zwischen dem Verdampfer 7 und der Stelle, wo der Temperaturfühler 15 sitzt, bezeichnet man als Überhitzungs­ strecke 18. Sie reicht vom Verdampfer 7 bis an die Stelle, wo die strichlinierte, vom Expansionsventil 6 kommende Leitung bei 15 die Kältemittelleitung L7 erreicht. Überschreitet an dieser Meßstelle beim Temperaturfühler 15 die Temperatur des Kältemittels einen bestimmten Wert, wird das Expansionsventil 6 weiter geöffnet, damit eine größere Kühlwirkung erzielt wird.

22 bezeichnet eine Druckausgleichleitung. Diese ist er­ forderlich, wenn zwischen dem Expansionsventil 6 und dem Ende des Verdampfers 7 Kältemittel-Drosseln liegen, wie sie im vorliegenden Fall von den Kapillarleitungen 9 und 10 ge­ bildet sind. Die Druckausgleichsleitung 22 bewirkt dabei, daß der Druckabfall im Verdampfer 7 nicht zur Beein­ trächtigung der Regelfunktion des Expansionsventils 6 führt.

Der vorbeschriebene Umwälzthermostat 1 kann vorteilhafter­ weise in einem Temperiergerät eingesetzt sein, zum Beispiel in einem Kälte-Wärme-Thermostat, das eben dem vorbe­ schriebenen Umwälzthermostat 1 auch eine entsprechende, an sich bekannte Wärmethermostat-Einrichtung aufweist. Im Regelfall arbeitet der Umwälzthermostat 1 als geschlossenes System, wie vorstehend insbesondere im Zusammenhang mit der Kältemaschine 3 beschrieben wurde. Bei einem Umwälzthermos­ taten 1 beziehungsweise einem entsprechenden Temperiergerät ist aber auch ein offenes Bad beistellbar, für das ein solches Temperiergerät dann auch eine offene Temperierwanne aufweist.

Mit 23 ist noch ein Magnetventil bezeichnet, daß sich inner­ halb einer Nebenleitung N1 befindet, die vom Kältemittel- Leitungsabschnitt L2 zum Kältemittel-Leitungsabschnitt L7 führt. Die zwischen dem Temperaturfühler 15 und dem Expansions­ ventil 6 liegende Fühler-Verbindungsleitung 24 ist in Fig. 3 gestrichelt gezeichnet.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in be­ liebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (6)

1. Umwälzthermostat mit einer Kompressions-Kältemaschine, die einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansions­ ventil, wenigstens einen Verdmapfer sowie diese Maschinenteile verbindende Kühlmittelleitungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Verdampfer (7) zum Kompressor (4) führende Kühlmittelleitung (L7) durch einen zusätzlichen Wärmetauscher (8) hindurchgeführt ist und eine - in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen - hinter dem Expansionsventil (6) sich anschließende, als Kapillarrohrleitung (9) ausgebildete Kühlmittelleitung (L4) zum zusätzlichen Wärmetauscher (8) führt, dort das vom Verdampfer (7) kommende Kältemittel entsprechend den erforderlichen Arbeitsbedingungen des Kompressors (4) ab­ kühlt und daß von diesem zusätzlichen Wärmetauscher (8) eine weitere, als Kapillarleitung (10) ausgebildete Kühl­ mittelleitung (L5) zum Verdampfer (7) weiterführt.

2. Umwälzthermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Wärmetauscher (8) in einer Kälte­ maschine (3) im wesentlichen aus einem stirnseitig ge­ schlossenen, die vom Verdampfer (7) zum Kompressor (4) führende Kühlmittelleitung (L7) abschnittweise umhüllen­ den Rohrstück (11) besteht, das einen Anschluß (12) für die vom Expansionsventil (6) kommende Kapillarleitung (9) sowie einen weiteren Anschluß (13) für die weitere, zum Verdampfer (7) führende zweite Kapillarleitung (10) auf­ weist.

3. Umwälzthermostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei seiner Kältemaschine (3) zumindest die sich hinter dem Expansionsventil (6) anschließende Kapillarleitung (9) der zusätzliche Wärmetauscher (8) die weitere den zusätzlichen Wärmetauscher (8) mit dem Verdampfer (7) verbindende Kapillarleitung (10), die von diesen zum zusätzlichen Wärmetauscher (8), die von diesem zum Kompressor (4) führenden Kühlleitungsmittelabschnitte (L7a und L7b) sowie der zusätzliche Wärmetauscher (8) isoliert sind.

4. Umwälzthermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (6) seiner Kältemaschine (3) als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet ist, welches einen Temperaturfühler (15) beim Ende des Verdampfers (7) hat, vorzugsweise beim Ende einer Überhitzungsstrecke (18) hinter diesem Verdampfer.

5. Umwälzthermostat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine Kältemaschine (3) eine vom Expansionsventil (6) zum vor dem Kompressor (4) liegenden Kältemittelleitungsabschnitt (L7b) führende Druckausgleichsleitung (22) aufweist.

6. Verfahren zum Betreiben eines Umwälzthermostaten, insbe­ sondere eines Umwälzthermostaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einem Kompressor Kälte­ mittel auf einem höheren Druck und auf eine höhere Tem­ peratur gebracht wird, danach in ein oder mehreren Schritten das Kältemittel bei erhöhtem Druck gekühlt, vor ein Expansionsventil geführt, danach durch Expansion zu Kältemittel-Dampf umgewandelt und der Saugseite des Kompressors zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel hinter dem Expansionsventil (6) bei ge­ ringem Druckabfall zunächst innerhalb eines Wärme­ tauschers (8) zum Abkühlen des vom Verdampfer (7) kommenden Kältemittel-Dampfes auf die erforderlichen Ansaug-Be­ dingungen des Kompressors (5) abgekühlt, das Kältemittel innerhalb einer weiteren, von diesem Wärmetauscher (8) abgehenden, drosselartig wirkenden Kühlmittelleitung (L5) zum eigentlichen Verdampfer (7) geführt wird, dort unter Bildung von Kältemittel-Dampf und Entzug von Wärme aus der Verdampfer-Umgebung die eigentliche "Kältearbeit" leistet und dann der Kältemittel-Dampf durch den zusätz­ lichen Wärmetauscher (8) unter Abkühlung wiederum an die Saugseite des Kompressors (4) geführt wird.