DE69206442T2

DE69206442T2 - Vorrichtung mit Kältemittelkreislauf.

Info

Publication number: DE69206442T2
Application number: DE69206442T
Authority: DE
Inventors: Masami Funakura; Kazuo Nakatani; Minoru Tagashira; Yuji Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-02-18
Filing date: 1992-02-15
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2012-02-16
Also published as: EP0499999B1; DE69206442D1; EP0499999A2; US5186011A; EP0499999A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlmittelumlaufgerät, das in einer Klimaanlage zum Erzielen einer hohen oder niedrigen Temperatur verwendet wird.
Aus dem "Ashrae Handbook, 1984 Systems", veröffentlicht von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Seiten 22.2 und 22.3, ist ein Kühlmittelumlaufgerät zum Erzielen einer hohen oder niedrigen Temperatur bekannt, das eine Mehrzahl von Kühlmittelumlaufvorrichtungen enthält, die kaskadenartig miteinander verbunden sind. Bei diesem Kühlmittelumlaufgerät ist eine hochsiedende Kühlmittelkomponente in einer Umlaufanordnung enthalten, die sich auf einer höheren Stufe befindet, und eine niedrigsiedende Kühlmittelkomponente in einer Umlaufanordnung, die sich auf einer niedrigeren Stufe befindet. Weiter ist ein Wärmetauscher vorgesehen, damit zwischen dem verdampften Kühlmittel in der höheren Stufe und dem kondensierten Kühlmittel in der unteren Stufe ein Wärmeaustausch stattfindet.
Bei diesem Gerät wird, da das hochsiedende Kühlmittel in der oberen Umlaufstufe enthalten ist, eine hohe Temperatur erzielt, wenn der Dampfdruck im Kondensator der oberen Stufe sich verringert. Da das niedrigsiedende Kühlmittel in der unteren Umlaufstufe enthalten ist, wird eine niedrige Temperatur im Verdampfer der unteren Stufe erreicht, ohne daß ein Unterdruck erzeugt wird.
Dieses oben beschriebene konventionelle Gerät kann zum Erzielen einer höheren oder einer niedrigeren Temperatur eingesetzt werden. Der Wärmeaustauch zwischen dem verdampften Kühlmittel in der oberen Stufe und dem kondensierten Kühlmittel in der unteren Stufe wird durchgeführt, um das in der oberen Umlaufstufe enthaltene hochsiedende Kühlmittel und das in der unteren Umlaufstufe enthaltene niedrigsiedende Kühlmittel zuverlässig voneinander zu trennen. Darum ist die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in der oberen Stufe niedriger als die Kondensationstemperatur des Kühlmittels in der unteren Stufe. Die in der oberen und der unteren Umlaufstufe angeordneten Kompressoren weisen darum ein hohes Kompressionsverhältnis auf. Das heißt, daß das bekannte Gerät mit geringer Effizienz arbeitet.
Seit einigen Jahren steigt der Wunsch nach der Entwicklung eines Kühlmittelumlaufgerätes, das warmes Wasser liefern und zur Klimatisierung eines Raumes eingesetzt werden kann und nicht nur warmes Wasser liefert oder eine außerordentlich niedrige Temperatur. Bei dem konventionellen Gerät mit einer Mehrzahl von Kühlmittelumlaufvorrichtungen kann der Kondensator in der oberen Stufe dazu dienen, sowohl warmes Wasser zu liefern als auch als Heizgerät eingesetzt zu werden. Das Gerät muß jedoch von den Maßen her groß ausgelegt sein, weil ein hochsiedendes Kühlmittel eine geringe Heizleistung bietet.
Aus EP-A-0 377 329 ist eine Kreislaufanordnung mit einem einzigen Kompressor bekannt, die eine Fraktioniereinrichtung zum Verändern der Zusammensetzung eines nicht-azeotropen Kühlmittels enthält. Der Aufbau ist derart, daß eine nichtazeotrope Kühlmittelmischung darin enthalten ist und die Fraktionier-Trennvorrichtung im Niederdruckkreislauf des Kühlzyklus-Hauptkreislaufes angeordnet ist, um die Trennung durchzuführen. Die fraktionierende Trennung kann im Trennmodus bei niedrigem Druck durchgeführt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlmittelumlaufgerät vorzuschlagen, mit dem eine nicht-azeotrope Kühlmittelmischung getrennt wird in ein hochsiedendes Kühlmittel, das durch eine Umlaufanordnung läuft, und ein niedrigsiedendes Kühlmittel, das durch die andere Umlaufanordnung läuft, ohne daß ein Wärmetauscher in einem dazwischenliegenden Abschnitt erforderlich ist, und mit dem es möglich ist, daß ein Kondensatormittel eine hohe Temperatur und ein Verdampfermittel eine niedrige Temperatur liefert, wobei das Gerät mit hoher Effizienz arbeitet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlmittelumlaufgerät vorzuschlagen, bei dem das Verhältnis der Zusammensetzung der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung gesteuert werden kann durch Trennen und miteinander Mischen eines hochsiedenden Kühlmittels, das durch eine Umlaufanordnung läuft, und eines niedrigsiedenden Kühlmittels, das durch die andere Umlaufanordnung läuft, wodurch ein Kondensatormittel in der oberen Stufe, durch das das hochsiedende Kühlmittel zirkuliert, die Heizleistung erhöht.
Zum Lösen dieser und anderer Aufgaben wird entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Kühlmittelumlaufgerät vorgeschlagen, das eine nicht-azeotrope Mischung aus einem niedrigsiedenden Kühlmittel und einem hochsiedenden Kühl mittel enthält und einen ersten und einen zweiten Kompressor aufweist sowie weitere Einheiten wie sie im Anspruch 1 oder Anspruch 2 definiert sind.
Nach der ersten Lösung wird die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung in der Fraktionier-Trennvorrichtung aufgrund des Kontaktes des aus der Abflußleitung des ersten Kompressors zugeführten Kühlmittels mit dem oberen oder mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung und des Kontaktes des aus der Abflußleitung des zweiten Kompressors über den Kondensator und die zweite druckmindernde Vorrichtung in den Zwischenabschnitt zwischen dem oberen Abschnitt und dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung zugeführten Kühlmittels in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel getrennt. Daraus folgt, daß das niedrigsiedende Kühlmittel sich im oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung und das hochsiedende Kühlmittel sich im unteren Abschnitt dieser Vorrichtung konzentriert. Das konzentrierte niedrigsiedende Kühlmittel zirkuliert also in einer ersten Kühlumlaufanordnung, die die erste druckmindernde Vorrichtung enthält, die mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbunden ist, sowie erste Verdampfermittel, den ersten Kompressor und die mit dem oberen oder mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbundene Abflußleitung des ersten Kompressors enthält. Da der Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung, wo sich das hochsiedende Kühlmittel konzentriert, mit der Ansaugleitung des zweiten Kompressors verbunden ist, zirkuliert das hochsiedende Kühlmittel in einer zweiten Kühlumlaufanordnung, die den zweiten Kompressor, das erste Kondensatormittel, die zweite druckmindernde Vorrichtung sowie die Leitung umfaßt, die die zweite druckmindernde Vorrichtung und den Bodenabschnitt oder mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbindet.
Im Zwischenabschnitt des bekannten Kühlmittelumlaufgerätes mit einer Mehrzahl von Kühlmittelumlaufvorrichtungen war ein Wärmetauscher erforderlich, was bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist. Das Kühlmittel kann in das durch die erste Kühlumlaufanordnung zirkulierende niedrigsiedende Kühlmittel und das durch die zweite Kühlumlaufanordnung zirkulierende hochsiedende Kühlmittel getrennt werden. Da die beiden Kompressoren mit einem kleinen Kompressionsverhältnis betrieben werden können, kann in hochwirksamer Weise im ersten Kondensatormittel eine hohe und im ersten Verdampfermittel eine niedrige Temperatur erzielt werden.
Nach der zweiten Lösung wird die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung in der Fraktionier-Trennvorrichtung in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel getrennt. Das niedrigsiedende Kühlmittel konzentriert sich im oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung und das hochsiedende Kühlmittel in ihrem unteren Bereich. Das konzentrierte niedrigsiedende Kühlmittel zirkuliert durch eine erste Kühlumlaufanordnung, zu der die erste, mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbundene druckmindernde Vorrichtung, das Verdampfermittel, der erste Kompressor und die mit der Fraktionier-Trennvorrichtung verbundene Abflußleitung des ersten Kompressors gehört. Das zweite Verdampfermittel, in dem sich das konzentrierte hochsiedende Kühlmittel befindet, ist mit der Abflußleitung des ersten Kompressors auf der stromabwärtigen Seite der Beipaßleitung des ersten Kompressors durch die Leitung verbunden. Das hochsiedende, flüssige Kühlmittel, das aus dem zweiten Verdampfermittel dem zweiten Kompressor zugeführt wird, erreicht diesen mit einer niedrigeren Temperatur, weil es mit dem niedrigsiedenden, gasförmigen Kühlmittel gemischt ist, das aus dem ersten Kompressor über die Abflußleitung zugeführt wird. Auf diese Weise zirkuliert eine nicht-azeotrope Kühlmittelmischung durch eine zweite Kühlumlaufanordnung, von deren Bestandteilen viele einen höheren Siedepunkt haben als die des durch den ersten Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittels; zu dieser zweiten Kühlumlaufanordnung gehören die Abflußleitung, das Kondensatormittel, die zweite druckmindernde Vorrichtung und die Fraktionier-Trennvorrichtung. In der Fraktionier-Trennvorrichtung wird die Trennung des nicht-azeotropen Kühlmittels wiederholt durchgeführt. Es ergibt sich eine Konzentration des niedrigsiedenden Kühlmittels im oberen Bereich der Fraktionier-Trennvorrichtung und des hochsiedenden Kühlmittels in ihrem unteren Bereich. Die die Abflußleitung des ersten Kompressors umgehende Beipaßleitung, die mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbunden ist, kann abgeschaltet werden und zusätzlich kann die den Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung mit dem zweiten Kompressor auf der stromabwärtigen Seite der Abflußleitung des ersten Kompressors verbindende Leitung abgeschaltet werden. Folglich wird die Trennung der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in dem Gerät beendet. Die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung in dem Gerät zirkuliert dann durch den ersten Kompressor, den zweiten Kompressor, das Kondensatormittel, die zweite druckmindernde Vorrichtung die Fraktionier- Trennvorrichtung, die erste, mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung verbundene druckmindernde Vorrichtung und durch das Verdampfermittel. Die nicht separierte nicht-azeotrope Kühlmittelmischung besteht aus Komponenten, von denen viele einen Siedepunkt haben, der tiefer ist als der der Bestandteile der separierten nicht-azeotropen Kühlmittelmischung. In diesem Fall wird die nichtazeotrope Kühlmittelmischung durch das Kondensatormittel an einem niedrigeren Siedepunkt kondensiert; das Gerät weist also eine hohe Heizleistung auf.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die sich auf die beigefügten Zeichnungen beziehen, verdeutlicht. In den Zeichnungen zeigt:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines Kühlmittelumlaufgerätes nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Figur 2 ein Blockdiagramm eines Kühlmittelumlaufgerätes nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nachfolgend die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figur 1 beschrieben. Ein Kühlmittelumlaufgerät der Ausführungsform enthält einen ersten Kompressor 1; eine Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 1; einen zweiten Kompressor 3, dessen Eingangsleitung mit der Abflußleitung 2 des ersten Kompressors verbunden ist; einen Kondensator 4; eine zweite druckmindernde Vorrichtung 5; eine Fraktionier-Trennvorrichtung 6, von der ein mittlerer Abschnitt mit der Abflußleitung der zweiten druckmindernden Vorrichtung 5 verbunden ist; eine Kühlvorrichtung 7 als Kondensationshilfe für das vom oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 abfließende Kühlmittel; eine erste druckmindernde Vorrichtung 8, die mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden ist; einen Verdampfer 9, dessen Abflußleitung mit der Ansaugleitung des ersten Kompressors 1 verbunden ist. Die Zuflußleitung des Verdampfers 9 ist mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 über die erste druckmindernde Vorrichtung 8 verbunden. Die Abflußleitung des zweiten Kompressors 3 ist mit dem mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 über den Kondensator 4 und die zweite druckmindernde Vorrichtung 5 verbunden. Die Kühlquelle der Kühlvorrichtung 7 enthält eine Leitung, die sich vom Verdampfer 9 aus erstreckt. Eine Leitung 10, die die Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 1 umgeht, ist mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden. Der Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 ist mit der Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 1 stromabwärts von Leitung 10 des ersten Kompressors durch eine Leitung 11 verbunden und darum mit dem zweiten Kompressor 3 verbunden. Ein Behälter 12 ist unter dem Bodenabschnitt der Fraktionier- Trennvorrichtung 6 angeordnet. Unter dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 ist eine Zirkulation durch den Behälter 12 vorgesehen. Die Leitung 10 des ersten Kompressors 1 ist mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier Trennvorrichtung 6 über einen Wärmetauscher 13 verbunden, der im Behälter 12 angeordnet und für die Fraktionier-Trennvorrichtung 6 genutzt wird. Elektromagnetventile 14 und 15 sind in Leitung 10 des ersten Kompressors 1 und in Leitung 11 angeordnet, die mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden ist. In dem Gerät befindet sich eine nicht-azeotrope Kühlmittelmischung aus einem niedrigsiedenden und einem hochsiedenden Kühlmittel.
Bei diesem Kühlmittelumlaufgerät wird ein Zweiphasen-Kühlmittel vom zweiten Kompressor 3 dem mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 über den Kondensator 4 und die Abflußleitung der zweiten druckmindernden Vorrichtung 5 zugeführt. Gasförmiges Kühlmittel aus Leitung 10 des ersten Kompressors 1 wird in dem im Behälter 12 angeordneten Wärmetauscher 13 verflüssigt und dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das aus der Leitung 10 zugeführte gasförmige Kühlmittel durch den Wärmetauscher 13 gekühlt und kondensiert und das flüssige Kühlmittel im Behälter 12 unter dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 wird vom Wärmetauscher erhitzt und verdampft. Aufgrund des Kontaktes, den das absinkende flüssige Kühlmittel und das aufsteigende gasförmige Kühlmittel über die Oberfläche eines (nicht gezeigten) Füllers haben, findet ein Rektifiziervorgang statt. Die nichtazeotrope Kühlmittelmischung wird so in ein niedrigsiedendes und ein hochsiedendes Kühlmittel getrennt. Das niedrigsiedende Kühlmittel konzentriert sich im oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 und das hochsiedende in ihrem unteren Abschnitt. Konzentriertes niedrigsiedendes Kühlmittel zirkuliert also durch eine erste Kühlumlaufanordnung, die die als Kondensationshilfe für das vom oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 vorgesehene Kühlvorrichtung 7 umfaßt; die erste druckmindernde Vorrichtung 8, die mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden ist; den Verdampfer 9; den ersten Kompressor 1 und die Leitung 10, die die Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 1 umgeht und mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden ist. Der Behälter 12, der das konzentrierte hochsiedende Kühlmittel enthält, ist mit der Abflußleitung 2 des ersten Kompressors auf der stromabwärtigen Seite der Leitung 10 verbunden und umgeht die Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 1 mit der Leitung 11. Darum wird das flüssige hochsiedende Kühlmittel aus dem Behälter 12 dem zweiten Kompressor 3 mit einer niedrigeren Temperatur zugeführt; denn das flüssige hochsiedende Kühlmittel wird mit dem gasförmigen niedrigsiedenden Kühlmittel, das aus dem ersten Kompressor 1 durch die Abflußleitung 2 strömt, gemischt. Durch eine zweite Kühlumlaufanordnung fließt also eine nichtazeotrope Kühlmittelmischung, die aus Komponenten besteht, deren Siedepunkt zum Teil über dem des durch die erste Kühlumlaufanordnung fließenden Kühlmittels liegt. Zu dieser zweiten Kühlumlaufanordnung gehören der zweite Kompressor, der Kondensator 4, die zweite druckmindernde Vorrichtung 5 und die Fraktionier- Trennvorrichtung 6. Diese Trennung des nicht-azeotropen Kühlmittels wird in der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 wiederholt durchgeführt. Deshalb konzentriert sich das niedrigsiedende Kühlmittel im oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 und das hochsiedende Kühlmittel in ihrem unteren Abschnitt.
Die Zusammensetzung der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung kann auf folgende Weise gesteuert werden. Der Trennvorgang der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 wird durch ein Abschalten des Elektromagnetventils 14, das in der die Abflußleitung 2 des ersten Kompressors 10 umgehenden Leitung 10 angeordnet ist, und des Elektromagnetventils 15, das in der Leitung 11 angeordnet ist, die mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbunden ist, bewirkt. Dann zirkuliert die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung im Gerät durch den ersten Kompressor 1, die Abflußleitung 2, den zweiten Kompressor 3, den Kondensator 4, die zweite druckmindernde Vorrichtung 5, die Fraktionier-Trennvorrichtung 6, die Kühlvorrichtung 7, die erste, mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 verbundene druckmindernde Vorrichtung 8 und den Verdampfer 9. Die nicht getrennte nicht-azeotrope Kühlmittelmischung besteht also aus Komponenten, deren Siedepunkt zum Teil unter denen der Bestandteile der getrennten nicht-azeotropen Kühlmittelmischung liegt. In diesem Fall wird also die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung durch den Kondensator 4 auf einem niedrigeren Siedepunkt kondensiert. Das heißt, das Gerät hat eine höhere Heizleistung.
In der ersten Ausführungsform ist die Abflußleitung der zweiten druckmindernden Vorrichtung 5 an der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 in ihrem mittleren Abschnitt angeschlossen; sie kann jedoch an jeder Stelle zwischen dem oberen Abschnitt und dem Bodenabschnitt dieser Vorrichtung angeschlossen sein. Außerdem ist es möglich, den Drosselungsgrad der zweiten druckmindernden Vorrichtung 5 und der ersten druckmindernden Vorrichtung 8 zu variieren. Als Mittel zum Kühlen an der Kühlvorrichtung 7 und zum Aufheizen im Wärmetauscher 13 kann jedes Mittel verwendet werden, das die Trennung der Kühlmittelmischung in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel aus dem von der zweiten druckmindernden Vorrichtung 5 zugeführten zweiphasigen Kühlmittel beschleunigt. Die Beschreibung basiert auf dem Kühlmittelumlaufgerät, das wie oben beschrieben betrieben wird. Selbstverständlich kann das Gerät zur Klimatisierung eines Raumes oder als Warmwasserquelle eingesetzt werden oder auch eine extrem niedrige Temperatur liefern.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist ein Wärmetauscher in der ersten Ausführungsform nicht erforderlich, wie dies vorher im mittleren Abschnitt bei konventionellen Kühlmittelumlaufgeräten mit einer Mehrzahl von Kühlmittelumlaufvorrichtungen erforderlich war. Das Kühlmittel kann getrennt werden in das durch die erste Kühlumlaufanordnung zirkulierende niedrigsiedende Kühlmittel und die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung getrennt werden, die durch die zweite Kühlumlaufanordnung zirkuliert. Die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung, die durch die zweite Kühlumlaufanordnung läuft, besteht aus Komponenten, deren Siedepunkte zum Teil über dem des durch die erste Kühlumlaufanordnung fließenden Kühlmittels liegt. Der Abflußdruck des ersten Kompressors 1 und der Ansaugdruck des zweiten Kompressors 3 sind etwa gleich groß, wobei die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung in den zweiten Kompressor 3 eingeführt und daraus mit einer niedrigen Temperatur abgelassen wird. Das Kompressionsverhältnis des ersten Kompressors 1 und des zweiten Kompressors 3 ist geringer, und das Gerät wird mit hohem Wirkungsgrad betrieben. Eine hohe Temperatur kann erzeugt werden, indem das Gerät so betrieben wird, daß der Dampfdruck im Kondensator 4 in der zweiten Kühlumlaufanordnung niedrig ist, und eine niedrige Temperatur kann erzeugt werden, ohne daß im Verdampfer 9 in der ersten Kühlumlaufanordnung ein Unterdruck entsteht. Der Bestandteil des separierten Kühlmittels und der Dampfdruck im Kondensator 4, die nach durchgeführter Trennung erzeugt werden, werden über die Kombination und die Anteile der Komponenten der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in dem Gerät und durch den eingestellten Druck der ersten druckmindernden Vorrichtung 5 sowie den eingestellten Druck der zweiten druckmindernden Vorrichtung 8 ausgewählt. Die Kühlumlaufanordnung des Gerätes ist so aufgebaut, daß der für die Trennung der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel in der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 erforderliche Druck etwa gleich dem Ausflußdruck des ersten Kompressors 1 wie auch des Ansaugdrucks des zweiten Kompressors 3 ist. So kann der oben beschriebene Vorteil der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Der Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines Kühlmittelumlaufgerätes wird nachfolgend im Detail beschrieben; die Beschreibung stützt sich auf Figur 2.
Das Kühlmittelumlaufgerät nach der zweiten Ausführungsform enthält einen ersten Kompressor 21; eine Fraktionier-Trennvorrichtung 22, von welcher ein mittlerer Abschnitt mit der Abflußleitung des ersten Kompressors 21 verbunden ist; einen zweiten Kompressor 23, der mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbunden ist; einen in der Leitung zwischen zweitem Kompressor 23 und Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 angeordneten Kondensator 24; eine Auslaßleitung 25 des Kondensators 24; eine druckmindernde Hauptvorrichtung 26 in der Auslaßleitung 25 des Kondensators 24; einen Verdampfer 27, dessen Auslaßleitung mit der Ansaugleitung des ersten Kompressors 21 verbunden ist. Eine die Auslaßleitung 25 des Kondensators 24 umgehende Auslaßleitung 28 ist mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 über eine zweite druckmindernde Vorrichtung 29 verbunden. Eine Leitung 30 verbindet den oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 mit der Auslaßleitung 25 der druckmindernden Hauptvorrichtung 26 über eine erste druckmindernde Vorrichtung 31. Auf diese Weise ist die Fraktionier-Trennvorrichtung 22 mit dem Verdampfer 27 und dem ersten Kompressor 21 verbunden. Unter dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 ist ein Behälter 32 angeordnet. Ein Zirkulationskreislauf ist unter dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 im Behälter 32 vorhanden. Die Abflußleitung des ersten Kompressors 21 ist mit dem mittleren Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 über einen Wärmetauscher 33 verbunden, der im Behälter 32 zur Verwendung für die Fraktionier-Trennvorrichtung 22 vorgesehen ist. Ein oberhalb des oberen Abschnittes der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 angeordneter Zirkulationskreislauf enthält entlang der Leitung 30 eine Kühlvorrichtung 34. Die Kühlquelle der Kühlvorrichtung 34 umfaßt die Auslaßleitung des Verdampfers 27. Eine zweite druckmindernde Vorrichtung 29, die in der umgangenen Auslaßleitung 28 des Kondensators 24 angeordnet ist, und die erste druckmindernde Vorrichtung 31, die in der mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbundenen Leitung 30 angeordnet ist, enthalten jeweils ein Expansionsventil, das abgeschaltet werden kann. Im Gerät befindet sich eine nicht-azeotrope Kühlmittelmischung aus einem niedrigsiedenden und einem hochsiedenden Kühlmittel. Die mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbundene Auslaßleitung des Behälters 32 ist ebenfalls mit der Ansaugleitung des zweiten Kompressors 23 verbunden.
In der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 ist ein (nicht gezeigter) Füller vorhanden; das Zweiphasen-Kühlmittel, gasförmiges Kühlmittel und flüssiges Kühlmittel, haben über die Oberfläche dieses Füllers Kontakt, und so findet in diesem Kühlmittelumlaufgerät ein Rektifiziervorgang statt. Das Zweiphasen-Kühlmittel wird durch die partielle Verflüssigung des von der Abflußleitung des ersten Kompressors 21 über den Wärmetauscher 33 im Behälter 32 zugeführte gasförmige Kühlmittel gebildet. Das flüssige Kühlmittel im Behälter 32 unter der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 wird durch den Wärmetauscher 33 erhitzt und verdampft. Das aus der Fraktionier- Trennvorrichtung 22 abgegebene gasförmige Kühlmittel wird mit Hilfe der Kühlvorrichtung 34 im Zirkulationskreislauf oberhalb des oberen Abschnittes der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verflüssigt. Auf diese Weise bildet sich das flüssige Kühlmittel und kehrt in den oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 zurück. So wird die nicht-azeotrope Mischung aus Kühlmitteln in niedrigsiedendes und hochsiedendes Kühlmittel getrennt. Das niedrigsiedende Kühlmittel konzentriert sich im oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 und das hochsiedende Kühlmittel in ihrem Bodenabschnitt. Der zweite Kompressor 23, der mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbunden ist, saugt das gasförmige Kühlmittel bei niedriger Temperatur an, da dieser zweite Kompressor 23 hauptsächlich gesättigtes gasförmiges Kühlmittel ansaugt. Das konzentrierte hochsiedende Kühlmittel zirkuliert durch eine zweite Kühlumlaufanordnung, die den zweiten Kompressor 23, den Kondensator 24, die umgangene Auslaßleitung 28 des Kondensators 24, die zweite druckmindernde Vorrichtung 29 und den Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 umfaßt, und durch einen Kreis, der die Auslaßleitung 25 des Kondensators 24 enthält, die am Zusammenfluß von Auslaßleitung 25 der druckmindernden Hauptvorrichtung 26 und der Auslaßleitung der ersten druckmindernden Vorrichtung 31 endet. Die Leitung 30 verbindet den oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22, wo das niedrigsiedende Kühlmittel konzentriert ist, mit der Auslaßleitung 25 der druckmindernden Hauptvorrichtung 26 über die erste druckmindernde Vorrichtung 31. Darum mischt sich das niedrigsiedende Kühlmittel, das aus der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 abgelassen wird und durch die Leitung 30 fließt, mit dem hochsiedenden Kühlmittel, das aus der druckmindernden Hauptvorrichtung 26 abgelassen wird und durch die Auslaßleitung 25 fließt. Daraus ergibt sich, daß eine nicht-azeotrope Mischung aus Kuhlmitteln, deren Komponenten zum Teil niedrigere Siedepunkte haben als das Kuhlmittel, das durch die zweite Kuhlumlaufanordnung zirkuliert, die erste Kuhlumlaufanordnung durchlauft, zu der der Verdampfer 27, der erste Kompressor 21 und die Fraktionier-Trennvorrichtung 22 gehort. Die so erreichte Trennung der nicht azeotropen Kuhlmittelmischung wird in der Fraktionier Trennvorrichtung 22 wiederholt durchgeführt. Darum konzentriert sich das niedrigsiedende Kühlmittel im oberen Bereich der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 und das hochsiedende Kühlmittel in ihrem unteren Abschnitt.
Es kann die nachfolgend beschriebene Steuerung der Bestandteile der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung vorgenommen werden. In der Fraktionier-Trennvorrichtung 6 kann die Trennung der im Gerät vorhandenen nicht-azeotropen Mischung aus Kühlmitteln gestoppt werden, indem die zweite druckmindernde, in der Beipaß-Leitung 28 des Kondensators 24 angeordnete Vorrichtung 29 und die erste druckmindernde Vorrichtung 31, die in der mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbundenen Leitung 30 angeordnet ist, abgeschaltet werden. Dann zirkuliert die im Gerät vorhandene nicht-azeotrope Kühlmittelmischung durch den ersten Kompressor 21, den Wärmetauscher 33, die Fraktionier- Trennvorrichtung 22, den zweiten Kompressor 23, der mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 verbunden ist, den Kondensator 24, die Auslaßleitung 25 des Kondensators 24, die druckmindernde Hauptvorrichtung 26 und den Verdampfer 27. Die nicht getrennte nicht-azeotrope Kühlmittelmischung besteht also aus Komponenten, von denen viele einen Siedepunkt haben, der niedriger ist der der Bestandteile der getrennten nicht-azeotropen Kühlmittelmischung. Darum wird in diesem Fall die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung vom Kondensator 24 an einem niedrigeren Siedepunkt kondensiert. Das bedeutet, daß das Gerät eine hohe Heizleistung aufweist.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die Ausflußleitung des ersten Kompressors 21 an der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 an ihrem mittleren Abschnitt angeschlossen, kann jedoch überall zwischen ihrem oberen Abschnitt und dem Bodenabschnitt angeschlossen sein. Außerdem kann als Wärmequelle des Wärmetauschers 33 und als Kühlungsquelle der Kühlvorrichtung 34 jedes Mittel eingesetzt werden, das die Trennung der azeotropen Kühlmittelmischung in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel mit Hilfe des vom ersten Kompressor 21 zugeführten Zweiphasen-Kühlmittels beschleunigt. Die obige Beschreibung basiert auf dem Kühlmittelumlaufgerät, das den oben beschriebenen Betrieb durchführt. Das Gerät kann selbstverständlich zum Klimatisieren eines Raumes oder zur Erzeugung von warmem Wasser wie auch zum Erzeugen einer extrem niedrigen Temperatur eingesetzt werden.
Obgleich, wie oben beschrieben, bisher ein Wärmetauscher im mittleren Abschnitt eines konventionellen Kühlmittelumlaufgerätes mit einer Mehrzahl von Kühlmittelvorrichtungen erforderlich war, ist bei der zweiten Ausführungsform der Wärmetauscher nicht erforderlich. Das Kühlmittel kann in das hochsiedende Kühlmittel, das durch die zweite Kühlumlaufanordnung fließt, und die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung, die durch die erste Kühlumlaufanordnung fließt, getrennt werden. Die durch die erste Kühlumlaufanordnung fließende nicht-azeotrope Kühlmittelmischung besteht aus Komponenten, von denen viele einen Siedepunkt haben, der niedriger ist als der des durch die zweite Kühlumlaufanordnung fließenden Kühlmittels. Der Abflußdruck des ersten Kompressors 21 und der Ansaugdruck des zweiten Kompressors 23 sind etwa gleich, wobei die nicht-azeotrope Kühlmittelmischung in den zweiten Kompressor 23 eingeführt und daraus mit einer niedrigen Temperatur abgelassen wird. So wird das Gerät bei reduziertem Kompressionsverhältnis von erstem Kompressor 21 und zweitem Kompressor 23 mit hoher Wirksamkeit betrieben. Eine hohe Temperatur kann erzeugt werden, indem der Dampfdruck im in der zweiten Kühlumlaufanordnung angeordneten Kondensator 24 niedrig gehalten wird, und eine niedrige Temperatur kann erzielt werden, ohne daß im in der ersten Kühlumlaufanordnung angeordneten Verdampfer 27 ein Unterdruck erzeugt wird. Der Bestandteil des abgetrennten Kühlmittels und der Dampfdruck im Kondensator 24, nachdem die Trennung durchgeführt wurde, ist wählbar über die Kombination und den Anteil der Komponenten der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in dem Gerät sowie über den eingestellten Druck an der druckmindernden Hauptvorrichtung 26, die zweite druckmindernde Vorrichtung 29 und die erste druckmindernde Vorrichtung 31. Die Kühlumlaufanordnung des Gerätes ist so ausgelegt, daß der zur Trennung der nicht-azeotropen Kühlmittelmischung in das niedrigsiedende Kühlmittel und das hochsiedende Kühlmittel in der Fraktionier-Trennvorrichtung 22 erforderliche Druck etwa gleich dem Abflußdruck des ersten Kompressors 21 sowie des Ansaugdrucks des zweiten Kompressors 23 ist. So kann der oben beschriebene Vorteil der Ausführungsform erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben worden; trotzdem sind fachlich ausgebildeten Personen verschiedene Abänderungen ersichtlich.

Claims

1. Kühlmittelumlaufgerät, das eine nicht-azeotrope Mischung aus einem niedrigsiedenden Kühlmittel und einem hochsiedenden Kühlmittel enthält, mit einem ersten Kompressor (1);

mit einem zweiten Kompressor (3), dessen Ansaugleitung mit der Abflußleitung (2) des ersten Kompressors (1) verbunden ist;

mit einer Fraktionier-Trennvorrichtung (6), von der ein oberer Abschnitt mit der Abflußleitung des ersten Kompressors (1) verbunden ist, von der der obere Abschnitt mit dem Ansaugrohr des ersten Kompressors (1) verbunden ist, deren Zwischenabschnitt zwischen dem oberen Abschnitt und dem Bodenabschnitt mit der Abflußleitung des zweiten Kompressors (3) verbunden ist und deren Bodenabschnitt auch mit dem Ansaugrohr des zweiten Kompressors (3) verbunden ist; mit einer ersten druckmindernden Vorrichtung (8), die zwischen dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) und dem Ansaugrohr des ersten Kompressors (1) angeordnet ist;

mit einem ersten Verdampfermittel (9), das zwischen der ersten druckmindernden Vorrichtung (8) und dem Ansaugrohr des ersten Kompressors (1) zum Verdampfen des Kühlmittels angeordnet ist;

mit einer zweiten druckmindernden Vorrichtung (5), die zwischen der Abflußleitung des zweiten Kompressors (3) und der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) angeordnet ist;

mit einem ersten Kondensatormittel (4), das zwischen der zweiten druckmindernden Vorrichtung (5) und der Abflußleitung des zweiten Kompressors (3) zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist;

mit einem zweiten Verdampfermittel (12) zum Verdampfen des Kühlmittels am Boden der Fraktionier-Trennvorrichtung;

mit einem zweiten Kondensatormittel (13), das zwischen der Abflußleitung des ersten Kompressors und der Fraktionier-Trennvorrichtung zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist; und

mit einem dritten Kondensatormittel (7), das zwischen dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung und der ersten druckmindernden Vorrichtung (8) zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist.

2. Kühlmittelumlaufgerät, das eine nicht-azeotropische Mischung aus einem niedrigsiedenden Kühlmittel und einem hochsiedenden Kühlmittel enthält, mit einem ersten Kompressor (21);

mit einem zweiten Kompressor (23);

einer Fraktionier-Trennvorrichtung (22), ein Zwischenabschnitt welcher Fraktionier- Trennvorrichtung (22), der zwischen dem oberen Abschnitt und dem Bodenabschnitt liegt, mit der Abflußleitung des ersten Kompressors (21) verbunden ist, wobei die Ansaugleitung des ersten Kompressors (21) mit dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) verbunden ist, die Abflußleitung des zweiten Kompressors (23) mit einem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22), die Ansaugleitung des zweiten Kompressors (23) mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) verbunden ist;

mit einer ersten druckmindernden Vorrichtung (31), die zwischen dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) und der Ansaugleitung des ersten Kompressors (21) angeordnet ist;

mit einem ersten Verdampfermittel (27), das zwischen der ersten druckmindernden Vorrichtung (31) und der Ansaugleitung dem ersten Kompressors (21) zum Verdampfen des Kühlmittels angeordnet ist;

mit einer zweiten druckmindernden Vorrichtung (29), die zwischen der Abflußleitung des zweiten Kompressors (23) und der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) angeordnet ist;

mit einem ersten Kondensatormittel (24), das zwischen der zweiten druckmindernden Vorrichtung (29) und der Abflußleitung des zweiten Kompressors (23) zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist;

mit einem zweiten Verdampfermittel (32) zum Verdampfen des Kühlmittels am Boden der Fraktionier-Trennvorrichtung;

mit einem zweiten Kondensatormittel (33), das zwischen der Abflußleitung des ersten Kompressors und der Fraktionier-Trennvorrichtung zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist; und

mit einem dritten Kondensatormittel (34), das zwischen dem oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung und der ersten druckmindernden Vorrichtung (31) zum Kondensieren des Kühlmittels angeordnet ist.

3. Kühlmittelumlaufgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Verdampfermittel ein Verdampfer (9, 27) und das erste Kondensatormittel ein Kondensator (4, 24) ist.

4. Kühlmittelumlaufgerät nach Anspruch 1, bei dem der Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) mit der Ansaugleitung des zweiten Kompressors (3) an der stromabwärtigen Seite eines Zuflußpunktes der Abflußleitung des ersten Kompressors (1) verbunden ist, wo die Abflußleitung des ersten Kompressors (1) mit der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) verbunden ist.

5. Kühlmittelumlaufgerät nach Anspruch 4, das außerdem elektromagnetische Ventile (14, 15) enthält, die in einer Schaltung enthalten sind, die die Abflußleitung des ersten Kompressors (1) mit der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) verbindet, sowie in einer Schaltung, die den Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (6) und die Ansaugleitung des zweiten Kompressors (3) auf der stromabwärtigen Seite der Abflußleitung des ersten Kompressors (1) miteinander verbinden.

6. Kühlmittelumlaufgerät nach Anspruch 2,

bei dem eine Ausgangsleitung des ersten Kondensatormittels (24) mit einer Leitung verbunden ist, die die erste druckmindernde Vorrichtung (31) mit dem ersten Verdampfermittel (27) über eine druckmindernde Hauptvorrichtung (26) verbindet.

7. Kühlmittelumlaufgerät nach Anspruch 6,

bei dem eine der druckmindernden Vorrichtungen, die erste (31) oder die zweite (29), in einer Schaltung abgeschaltet werden, die die Ausgangsleitung des Kondensatormittels (24) mit dem Bodenabschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) über die zweite druckmindernde Vorrichtung (29) verbindet, und einer Schaltung, die den oberen Abschnitt der Fraktionier-Trennvorrichtung (22) und die Ausgangsleitung der druckmindernden Hauptvorrichtung (26) über die erste druckmindernde Vorrichtung (31) miteinander verbindet.

8. Kühlmittelumlaufgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Verdampfermittel (12, 32) und das zweite Kondensatormittel (13, 33) zu einem Wärmetauscher kombiniert sind.