DE4127754C2 - Verdichter mit Zwischenkühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In solchen Kälteanlagen entzieht der im geschlossenen Kälte­ mittelkreislauf angeordnete Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels der Umgebung Wärme, der Verdichter verdichtet das verdampfte Kältemittel auf einen Auslaßdruck und der Verflüssiger verflüssigt das unter dem Auslaßdruck stehende verdampfte Kältemittel unter Wärmeabgabe wieder. Das im Ver­ dampfer verdampfte Kältemittel wird von der Niederdruckstufe des zweistufigen Verdichters angesaugt, verdichtet und gelangt über die die Niederdruckstufe mit der Hochdruckstufe verbindende Zwischendruckstufe in die Hochdruckstufe, um dort ein zweites Mal verdichtet zu werden.

Eine derartige Kälteanlage ist aus der japanischen Patentan­ meldung 2-171057 bekannt. Bei dieser Kälteanlage wird zum Er­ reichen eines konstanten Überhitzungsgrades des Kältemittels in der Zwischendruckstufe am Ausgang des Verflüssigers abgezweigtes, flüssiges Kältemittel unter Entspannung in die Zwischendruckstufe zwischen der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe des Verdichters eingespritzt und mit dem die Niederdruckstufe verlassenden, verdichteten Kältemittel vermischt. Daraufhin wird diese Mischung in der Hochdruck­ stufe weiter verdichtet.

Zur Einspritzung wird ein elektronisch gesteuertes Expan­ sionsventil verwendet, zu dessen Regelung die Temperaturen des Kältemittels am Eintritt in den Verdampfer und am Ein­ tritt in die Hochdruckstufe des Verdichters erfaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine regelbare Kühlung des die Niederdruckstufe verlassenden, vorverdichteten Kältemittels zu erzielen, welche eine schnelle Regelung und Absicherung der Temperatur der Hochdruckstufe und des Motors ermöglicht.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß die Steuereinheit der Kühleinrichtung hinsichtlich ihrer Funktion nicht an das jeweilige Kältemittel angepaßt werden muß, sondern aufgrund der Berücksichtigung des Überschreitens fest vorgegebener Schwellentemperaturen in der Zwischendruckstufe und in oder hinter der Hochdruckstufe kältemittelunabhängig arbeitet.

Die nachstehende Beschreibung von bevorzugten Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegen­ der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Kühlvorrichtung;

Fig. 2 schematisch eine abgewandelte Ausfüh­ rungsform einer Kühlvorrichtung.

Eine in Fig. 1 gezeigte Kälteanlage enthält einen halb­ hermetisch gekapselten zweistufigen Verdichter 1, der eine in einem Gehäuse angeordnete Niederdruckstufe 2, eine Hochdruckstufe 3, eine die Niederdruckstufe 2 mit der Hochdruckstufe 3 verbindende Zwischendruckstufe 12 und einen die Niederdruckstufe 2 und die Hochdruckstufe 3 antreibenden Motor 4 umfaßt, wobei sowohl die Niederdruck­ stufe 2 als auch die Hochdruckstufe 3 jeweils wenigstens ein Niederdruck- bzw. Hochdruck-Kolbenzylinderaggregat aufweisen. Ferner sind in der Anlage ein Verflüssiger 5, ein Expansionsorgan 6 sowie ein Verdampfer 7 vorgesehen. Am Ausgang des Ver­ flüssigers 5 zeigt vor dem Expansionsorgan 6 eine Leitung 10 ab, welche ein von einer Steuereinheit 8 ansteuerbares Magnetventil 9 sowie ein Expansionsorgan 11 enthält und in die Zwischendruckstufe 12 des zweistufigen Verdichters 1 mündet. Der Motor 4 wird vom Kältemittel der Zwischen­ druckstufe 12 durchströmt. Im zweistufigen Verdichter 1 sind zwei Temperaturfühler 13 und 14 angeordnet. Ein ers­ ter Temperaturfühler 13 fühlt die Temperatur des Kältemit­ telgases vor dessen Eintritt in die Hochdruckstufe 3 ab und ein zweiter Temperaturfühler 14 fühlt die Temperatur am Ausgang der Hochdruckstufe 3 ab. Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform könnte der Tempera­ turfühler 14 auch innerhalb der Hochdruckstufe 3 angeord­ net sein. Die Temperaturfühler 13 und 14 sind mit der Steuereinheit 8 verbunden.

Die Betriebsweise der Kühlvorrichtung des Verdichters 1 ist folgende:

Das im Verdampfer 7 verdampfte Kältemittel wird vom zwei­ stufigen Verdichter 1 angesaugt und in der Niederdruckstu­ fe 2 zunächst vorverdichtet. Über die Zwischendruckstufe 12 gelangt das vorverdichtete Kältemittel über den Motor 4 in die Hochdruckstufe 3 und wird dort weiter bis zu einem Enddruck verdichtet, worauf es in den Verflüssiger 5 gelangt, wo es unter Wärmeabgabe verflüssigt wird. Das unter-hohem Druck stehende Kältemittel wird dann über das Expansionsorgan 6 wieder dem Verdampfer 7 zugeführt.

Im zweistufigen Verdichter 1, der halbhermetisch gekapselt ist, wird durch den Tempera­ turfühler 13 die Temperatur des in der Niederdruckstufe 2 vorverdichteten Kältemittels abgefühlt. Steigt diese Tem­ peratur über einen vorgegebenen Schwellenwert an, so ver­ anlaßt die Steuereinheit 8 das Magnetventil 9, das hinter dem Verflüssiger 5 abgezweigte Kältemittel über das Expan­ sionsorgan 11 in die Zwischendruckstufe 12 im zweistufigen Verdichter 1 einzuspritzen. Das Expansionsorgan 11 ist speziell auf den zweistufigen Verdichter 1 abgestimmt, es ermöglicht eine schnelle und reaktionsarme Verteilung des Kältemittels und verhindert Nachverdampfungserscheinungen im Zylinderbereich der Hochdruckstufe 3. Das Expansionsor­ gan 11 ist so ausgebildet, daß eine Mischung aus flüssiger und gasförmiger Phase des Kältemittels mit einem möglichst hohen Gehalt an gasförmigem Kältemittel und feinstverteil­ ten Restflüssigkeitstropfen austritt. Das flüssige Kälte­ mittel wird vor dem Motor 4 in die Zwischendruckstufe 12 eingespritzt, um zusätzlich eine Abfuhr der Motorwärme des (halbhermetisch gekapselten) Verdichters zu ermöglichen.

Die Regelung ist aufgrund der geringen Träg­ heit des Temperaturfühlers 13 und des schnellen Anspre­ chens des Magnetventils 9 sehr präzise.

Wenn die Temperatur des Kältemittels in der Hochdruckstufe 3 des zweistufigen Verdichters 1 bzw. am Ausgang der Hoch­ druckstufe 3, im sogenannten Druckauslaßbereich des Ver­ dichters 1, einen vorgegebenen Schwellenwert überschrei­ tet, was durch den Temperaturfühler 14 festgestellt wird, so kann auf die oben beschriebene Weise mittels des Mag­ netventils 9 und des Expansionsorgans 11 auch dann flüssi­ ges Kältemittel in die Zwischendruckstufe 12 eingespritzt werden, wenn der Temperaturfühler 13 keinen Bedarf meldet.

Übersteigt die Temperatur des Kältemittels am Ausgang der Hochdruckstufe 3 einen weiteren, über dem Regelpunkt lie­ genden Schwellenwert, so ermöglicht die Steuereinheit 8 über einen zusätzlichen (nicht dargestellten) Ausgang die Abschaltung des Verdichters 1 und sichert ihn somit ab.

In Fig. 2 ist eine um einen Unterkühler 15 erweiterte Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig. 1 darge­ stellt. Die Betriebsweise der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 2 entspricht derjenigen der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung. Das hinter dem Verflüssiger 5 abgezweigte Kälte­ mittel gelangt über das Magnetventil 9 und das Expansions­ organ 11 sowie über eine Leitung 21 in den Unterkühler 15 und von dort über eine Leitung 22 in die Zwischenleitung 12 des zweistufigen Verdichters 1. Des weiteren wird das flüssige Kältemittel hinter dem Verflüssiger 5 über eine Leitung 23 direkt in den Unterkühler 15 eingeleitet und gelangt aus diesem über eine Leitung 24 und das Expan­ sionsorgan 6 in den Verdampfer 7.

Der Vorteil der Anordnung nach Fig. 2 ist folgender: Derjenige Teil des flüssigen Kältemittels, der über das Magnetventil 9, das Expansionsorgan 11 und die Leitung 21 in den Unterkühler 15 eingespritzt wird, hat nach der Expansion eine geringere Temperatur als derjenige Teil des flüssigen Kältemittels, welcher über die Leitung 23 direkt durch den Unterkühler 15 geleitet wird. Die Funktions­ weise des Unterkühlers 15 ist die eines Wärmetauschers, in dem das durchfließende Kältemittel durch das über das Mag­ netventil 9 in das Expansionsorgan eingespritzte kühlere Kältemittel gekühlt wird. Auf diese Weise kann dem Ver­ dampfer 7 über das Expansionsorgan 6 kälteres Kältemittel zugeführt werden, was sich für die gesamte Kälteanlage als vorteilhaft auswirkt. Die Ansprechtemperatur des Tempera­ turfühlers 13 wird dabei so gewählt, daß über das Expan­ sionsorgan 11 dem Unterkühler 15 immer soviel Kältemittel zugeleitet wird, daß eine Unterkühlung des über Leitung 23 zugeführten flüssigen Kältemittels die Abfuhr der Motorverlustwärme gewährleistet ist.

Claims (6)

1. Kälteanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreis­ lauf, mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger, Temperaturfühlern zur Erfassung von Kältemitteltempe­ raturen, Expansionsorganen und einem zweistufigen Ver­ dichter, der eine Niederdruckstufe, eine Hochdruckstufe, eine die Niederdruckstufe und die Hochdruckstufe ver­ bindende Zwischendruckstufe und einen Antriebsmotor umfaßt, sowie mit einer Kühleinrichtung, welche das die Niederdruckstufe verlassende vorverdichtete Kältemittel durch vom Verflüssiger abgezweigtes und durch ein Expansionsorgan entspanntes, in die Zwischenstufe einge­ spritztes Kältemittel vor einer weiteren Verdichtung in der Hochdruckstufe kühlt und das einzuspritzende Kälte­ mittel mittels einer ein Ventil betätigenden Steuer­ einheit steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweistufigen Verdichter (1) antreibende An­ triebsmotor (4) von dem Kältemittel in der Zwischen­ druckstufe (12) durchströmt wird, daß das vom Verflüs­ siger (5) abgezweigte und entspannte Kältemittel in die Zwischendruckstufe (12) vor dem Antriebsmotor (4) ein­ gespritzt wird, und daß die Steuereinheit (8) sowohl bei Überschreiten einer vorgegebenen ersten Schwellen­ temperatur des Kältemittels in der Zwischendruckstufe (12) als auch bei Überschreiten einer vorgegebenen zweiten Schwellentemperatur des Kältemittels in oder hinter der Hochdruckstufe (3) das Ventil (9) zur Ein­ spritzung des Kältemittels öffnet.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (8) den Verdichter (1) bei Überschrei­ ten einer vorgegebenen, oberhalb der zweiten Schwellen­ temperatur liegenden dritten Schwellentemperatur des Kältemittels in oder hinter der Hochdruckstufe (3) abschaltet.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Expansionsorgan (11) für das vom Verflüs­ siger (5) abgezweigte Kältemittel so ausgebildet ist, daß an seinem Austritt eine-Mischung von gasförmigem und flüssigem Kältemittel mit einem möglichst hohen Gehalt an gasförmigem Kältemittel vorhanden ist.

4. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Niederdruckstufe (2) als auch die Hochdruckstufe (3) jeweils wenigstens ein Niederdruck- bzw. Hochdruck Kolbenzylinderaggregat umfassen.

5. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verflüssiger (5) abgezweigte Kältemittel hinter dem Expansionsorgan (11) und vor seiner Einspritzung in die Zwischendruckstufe (12) durch einen Flüssigkeitsunterkühler (15) geleitet wird.

6. Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsunterkühler (15) das vom Verflüssiger verflüssigte Kältemittel abkühlt, bevor es über das Expansionsorgan (6) in den Verdampfer (7) gelangt.