EP4078045B1 - Kompressionskälteanlage für elektrische kältekammer - Google Patents

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EP4078045B1
EP4078045B1 EP19821430.6A EP19821430A EP4078045B1 EP 4078045 B1 EP4078045 B1 EP 4078045B1 EP 19821430 A EP19821430 A EP 19821430A EP 4078045 B1 EP4078045 B1 EP 4078045B1
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EP
European Patent Office
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refrigeration medium
refrigeration
cooling
heat exchanger
compressor
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EP19821430.6A
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EP4078045C0 (de
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Rino SCHÄTZEL
Matthias Bader
Frank Bader
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Mainklima GmbH
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Mainklima GmbH
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    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series

Definitions

  • the invention relates to a compression refrigeration system for generating low temperatures in a cooling environment, in particular a cold chamber, having at least three thermally coupled refrigerant circuits.
  • such a compression refrigeration system can have three refrigerant circuits with three different refrigerants, which together form a cooling cascade.
  • the DE 35 21 060 A1 discloses a compression refrigeration system for generating low temperatures in a cold chamber with three thermally coupled refrigerant circuits, each with its own refrigerant, a condenser, an evaporator, a compressor for compressing gaseous refrigerant and an expansion valve for expanding liquefied refrigerant.
  • a heat exchanger is arranged for the thermal coupling of the first refrigerant circuit with the third low-temperature refrigerant circuit, wherein the refrigerant of the first refrigerant circuit is guided through the third heat exchanger to cool the refrigerant of the third refrigerant circuit.
  • the third refrigerant circuit has a third refrigerant, for example the refrigerant R14, wherein the third refrigerant is liquefied in a condenser of the second heat exchanger while releasing heat to the second refrigerant circuit. Furthermore, the third refrigerant evaporates while absorbing heat in an evaporator, in particular in a chamber evaporator in the cold chamber.
  • the third heat exchanger has an evaporator for evaporating the first refrigerant of the first refrigerant circuit in the third heat exchanger.
  • the third heat exchanger has a heat transfer surface, the first refrigerant of the first refrigerant circuit evaporating on a first side of the heat transfer surface and thus cooling down the refrigerant of the third refrigerant circuit on a second side of the heat transfer surface and thus preparing the third refrigerant for condensation.
  • the third refrigerant is cooled, for example, from 6°C to -30°C, whereby it then condenses in the second heat exchanger at approximately -80°C. Due to the change in the physical state of the first refrigerant in the third heat exchanger, the third refrigerant can be cooled particularly effectively.
  • the cooling device of the first cooling circuit, the precooler of the second refrigerant circuit and the precooler of the third refrigerant circuit are connected to a common cooling water circuit.
  • the cold cooling water flow first flows through the cooling device of the first refrigerant circuit and absorbs heat there to condense the first refrigerant.
  • the cooling water flow is then divided, with a first partial flow flowing through the precooler of the second refrigerant circuit and a second partial flow flowing through the precooler of the third refrigerant circuit.
  • the cooling water flowing back from the compression refrigeration system can be cooled by a chiller.
  • a water chiller is generally a refrigeration system that provides cold water and receives hot water back. Re-cooling is carried out by a separate refrigeration machine.
  • the suction sub-lines 118a, 118b, 118d combine again before entering the compressor 101 to form a common suction line 118.
  • a recuperator 111 is arranged, which is penetrated by the liquid line 116 and the suction line 118, so that gaseous R407F can be removed from the Suction line 118 additionally cools the liquid R407F from the liquid line.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kompressionskälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere einer Kältekammer, aufweisend mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere einer Kältekammer, mit einer Kompressionskälteanlage, aufweisend mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe.
  • Kältekammern sind geschlossene Räume von ca. 2 m3, in denen sich ein Benutzer kurzzeitig extrem tiefen Temperaturen zwischen +1 °C und -130 °C aussetzt. Durch solche Therapien können bspw. rheumatische Erkrankungen behandelt und bei Leistungssportlern Leistungssteigerungen beobachtet werden.
  • Die notwendige Kälte für solche Kältekammern wird im Stand der Technik oft durch Verdampfungskälte von flüssigem Stickstoff bereitgestellt. Solche Kältekammern sind zwar günstig in der Anschaffung, weisen jedoch sehr hohe Betriebskosten auf, da durch Gasflaschen oder eine sonstige Infrastruktur flüssiger Stickstoff bereitgestellt werden muss.
  • Daher werden zunehmend sogenannte elektrische Kältekammern verwendet, bei der die Kühlleistung durch eine Kompressionskälteanlage bereitgestellt wird. Zum Bereitstellen tiefster Temperaturen von -130 °C kann eine solche Kompressionskälteanlage drei Kältemittelkreisläufe mit drei verschiedenen Kältemittel aufweisen, die zusammen eine Kühlkaskade bilden.
  • Die EP 0 516 093 B1 betrifft eine Kälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen im Bereich -150°C/-160°C. Dabei wird eine Kältekaskade aus zwei Kältemittelkreisläufen eingesetzt, wobei ein Hochtemperatur-Kältemittelkreislauf an einer Kaskadeneinrichtung Kälte zur Kondensation eines Kältemittels in einem Niedertemperatur-Kältemittelkreislauf bereitstellt. Durch eine mehrfach verzweigte Führung des Kältemittels am Austritt aus dem Verdichter des Niedertemperatur-Kältemittelkreislaufs kann in einem Verdampferrohr eine Temperatur von -153,5 °C gemessen werden.
  • In der CN 104344590 A wird ein Gasgemisch aus Methan, Ethan und Propan schrittweise in drei Kondensatoren verflüssigt, um es in einem Tank zu lagern. Dabei ist der erste Kondensator Bestandteil eines ersten Kältemittelkreislaufs mit einem ersten Verdichter, der zweite Kondensator Bestandteil eines zweiten Kältemittelkreislaufs mit einem zweiten Verdichter und der dritte Kondensator Bestandteil eines dritten Kältemittelkreislaufs mit einem dritten Verdichter. Dabei wird im stationären Betrieb das Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs durch das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs und zugleich durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs gekühlt/kondensiert wird.
  • Die CN 101225292 A betrifft ebenfalls eine Kälteanlage mit drei Kältemittelkreisläufen in kaskadenförmiger Anordnung zur Erzeugung von tiefen Temperaturen bspw. bei -125°C. Dafür wird ein spezielles Kältemittel für den kältesten Kühlkreislauf als eine Mischung der Kältemittel R14, R170 und R1150 vorgeschlagen.
  • Die CN 101865589 B schlägt ebenfalls eine Kälteanlage mit drei Kältemittelkreisläufen in kaskadenförmiger Gestaltung zur Erzeugung von tiefen Temperaturen bspw. bei -110°C vor. Dabei werden die Kältemittel R404a, R23 und R14 eingesetzt. In dem zweiten Kältemittelkreislauf und dem dritten Kältemittelkreislauf (welcher dem Tieftemperaturkreislauf entspricht) ist zwischen dem Ausgang des Kältemittelverdichters und dem Kondensator ein Vorkühler angeordnet. In diesen Vorkühlern wird sensible Wärme des verdichteten Kältemittels abgeführt und dadurch der Kondensator entlastet.
  • Die EP 0 851 183 A2 betrifft eine Kälteanlage mit drei Kältemittelkreisläufen in kaskadenförmiger Anordnung zur Erzeugung von tiefen Temperaturen bspw. bei -125 °C. Beim Anfahren der Kälteanlage erfolgt vor dem Anschalten des Verdichters der zweiten Kältestufe eine Vorkühlung des Kältemittels der zweiten Kältestufe mit dem Kältemittel der ersten Kältestufe zur Vermeidung unerwünschter Druckspitzen. Vor dem Anschalten des Verdichters der dritten Kältestufe erfolgt eine Vorkühlung des Kältemittels der dritten Kältestufe mit dem Kältemittel der zweiten Kältestufe zur Vermeidung unerwünschter Druckspitzen. Zur Vorkühlung der dritten Kältestufe ist eine Bypassleitung vorgesehen, welche die Druckleitung mit der Saugleitung des Verdichters verbindet und durch ein Magnetventil freigegeben werden kann, um einen Einschluss von Kältemittel zu verhindern.
  • Die DE 35 21 060 A1 offenbart eine Kompressionskälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kältekammer mit drei thermisch gekoppelten Kältemittelkreisläufen mit jeweils einem eigenen Kältemittel, einem Kondensator, einem Verdampfer, einen Verdichter zum Verdichten von gasförmigem Kältemittel und ein Expansionsventil zum Entspannen von verflüssigtem Kältemittel. Ein Wärmetauscher ist dabei zur thermischen Kopplung des ersten Kältemittelkreislaufs mit dem dritten Tieftemperatur-Kältemittelkreislauf angeordnet ist, wobei das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs zum Abkühlen des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs durch den dritten Wärmetauscher geführt ist.
  • Kompressionskälteanlagen aus dem Stand der Technik zeichnen sich durch einen hohen Stromverbrauch zum Betrieb der Verdichter aus. Ist der Verdampfungsprozess der Kältemittel nicht optimal ausgelegt, wird zudem die Langlebigkeit der Verdichter beeinträchtigt.
  • Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu eliminieren und eine Kompressionskälteanlage bereitzustellen, die bei gleicher Kühlleistung weniger Energie verbraucht und eine lange Lebensdauer der eingesetzten Verdichter gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kompressionskälteanlage gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • Eine erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere in einer Kältekammer, der eingangs näher beschriebenen Art zeichnet sich durch mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe auf.
  • Der erste Kältemittelkreislauf weist ein erstes Kältemittel, bspw. das Kältemittel R407F auf, wobei das erste Kältemittel in einem Kondensator einer Kühleinrichtung unter Abgabe von Wärme, insbesondere unter Abgabe von Wärme an einen Kaltwassersatz und/oder an die Umgebung, verflüssigt wird. Ferner verdampft das erste Kältemittel unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer eines ersten Wärmetauschers.
  • Der zweite Kältemittelkreislauf weist ein zweites Kältemittel, bspw. das Kältemittel R508B auf, wobei das zweite Kältemittel in einem Kondensator des ersten Wärmetauschers unter Abgabe von Wärme an den ersten Kältemittelkreislauf verflüssigt wird. Ferner verdampft das zweite Kältemittel unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer eines zweiten Wärmetauschers.
  • Der dritte Kältemittelkreislauf weist ein drittes Kältemittel, bspw. das Kältemittel R14 auf, wobei das dritte Kältemittel in einem Kondensator des zweiten Wärmetauschers unter Abgabe von Wärme an den zweiten Kältemittelkreislauf verflüssigt wird. Ferner verdampft das dritte Kältemittel unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer, insbesondere in einem Kammerverdampfer in der Kältekammer.
  • Ferner weist jeder der drei Kältemittelkreisläufe mindestens einen Verdichter zum Verdichten von gasförmigem Kältemittel auf. In den Kondensatoren wird das Kältemittel verflüssigt, wobei eine Druckleitung den Verdichter mit dem Kondensator verbindet. Ein Expansionsventil entspannt das verflüssigte Kältemittel, wobei eine Flüssigkeitsleitung die Kondensatoren mit den Expansionsventilen verbindet. Ein Verdampfer verdampft das entspannte Kältemittel, wobei eine Einspritzleitung das Expansionsventil mit dem Verdampfer verbindet. Um die Kältemittelkreisläufe zu schließen, verbindet jeweils eine Saugleitung die Verdampfer mit den Verdichtern.
  • Zur thermischen Kopplung des ersten Kältemittelkreislaufs mit dem dritten Kältemittelkreislauf ist ein dritter Wärmetauscher angeordnet ist. Dabei kann das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs zum Abkühlen des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs Wärme aus dem Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs aufnehmen. Hierfür weisen der erste Kältemittelkreislauf und der dritte Kältemittelkreislauf im dritten Wärmetauscher eine gemeinsame Wärmeübertragungsfläche auf, die von dem ersten Kältemittel und dem dritten Kältemittel angeströmt wird, sodass das erste Kältemittel das dritte Kältemittel in dem dritten Wärmetauscher abkühlt.
  • Durch die beschriebene Anordnung des dritten Wärmetauschers zur direkten Kühlung des dritten Kältemittelkreislauf durch den ersten Kältemittelkreislauf wird die Kompressionskälteanlage insgesamt deutlich effizienter und kann mit weniger Energieeintrag von außen arbeiten. Der Grund hierfür ist, dass ein Teil der Kühlleistung, die zum Abkühlen und Kondensieren des, durch den Verdichter des dritten Kältemittelkreislauf, verdichteten dritten Kältemittels erforderlich ist, direkt durch das erste Kältemittel des ersten Kältemittelkreislauf bereitgestellt und der zweite Kältemittelkreislauf dabei quasi "übersprungen" wird. In anderen Worten, der zweite Kältemittelkreislauf muss in dem zweiten Wärmetauscher eine geringere Wärmemenge abführen, weil eine Teilmenge der abzuführenden Wärmemenge des dritten Kältemittels bereits durch den ersten Kältemittelkreislauf "abgefangen" wird. Dadurch kann der zweite Kältemittelkreislauf insgesamt kleiner und mit weniger zweitem Kältemittel dimensioniert werden, womit auch der Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs weniger Energie verbraucht. Trotz dieses zusätzlichen dritten Wärmetauschers kann damit die Wirtschaftlichkeit der Kompressionskälteanlage verbessert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der dritte Wärmetauscher einen Verdampfer zum Verdampfen des ersten Kältemittels des ersten Kältemittelkreislaufs in dem dritten Wärmetauscher auf.
  • Dafür weist der dritte Wärmetauscher eine Wärmeübertragungsfläche auf, wobei an einer ersten Seite der Wärmeübertragungsfläche das erste Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs verdampft und somit an einer zweiten Seite der Wärmeübertragungsfläche das Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs runterkühlt und somit das dritte Kältemittel für die Kondensation vorbereitet. Das dritte Kältemittel wird bspw. von 6°C auf -30°C abgekühlt, wobei es anschließend im zweiten Wärmetauscher bei ca. -80°C kondensiert. Durch die Aggregatszustandsänderung des ersten Kältemittels in dem dritten Wärmetauscher kann das dritte Kältemittel besonders effektiv gekühlt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung verbindet in dem ersten Kältemittelkreislauf eine Leitung den Kondensator der Kühleinrichtung mit dem dritten Wärmetauscher, wobei entlang der Leitung zwischen dem Kondensator und dem dritten Wärmetauscher ein Vorkühl-Expansionsventil angeordnet ist, welches das erste Kältemittel vor dem Eintritt des ersten Kältemittels in den dritten Wärmetauscher entspannt oder entspannen kann und damit zum Verdampfen in den Verdampfer des dritten Wärmetauschers einspritzt.
  • Durch ein separates, dem dritten Wärmetauscher zugehöriges, Vorkühl-Expansionsventil kann die Menge an ersten Kältemittel gezielt eingestellt werden, das in den Verdampfer des dritten Wärmetauschers eingespritzt wird. Dadurch lässt sich nicht nur die Kühlleistung des dritten Wärmetauschers regeln, es wird auch gewährleistet, dass das eingespritzte Kältemittel im dritten Wärmetauscher vollständig verdampft und somit den ersten Verdichter des ersten Kältemittelkreislauf nicht beschädigt. Das Vorkühl-Expansionsventil kann während des Betriebs der Kompressionskälteanlage auch vollständig verschlossen werden, womit der dritte Wärmetauscher während des Kühlbetriebs der Kompressionskälteanlage nicht mehr von dem ersten Kältemittel durchströmt wird.
  • Das Vorkühl-Expansionsventil ist vorzugsweise als ein schrittmotorgesteuertes Nadelventil ausgebildet, welches durch eine lineare Stellbewegung und/oder durch eine lineare Veränderung des Querschnitts der Leitung eine Durchflussmenge des ersten Kältemittels in den Verdampfer des ersten Wärmetauschers einstellt. Bei Schrittmotorventilen wird mithilfe eines kleinen Elektromotors ein Ventil rotiert und gleichzeitig durch die Rotation linear im Leitungsquerschnitts bewegt. Dabei verändert das Ventil den Querschnitt innerhalb der Leitung, durch den Kältemittel strömen kann. Je weiter das Ventil geöffnet wird, desto größer ist der durchströmbare Querschnitt der Leitung und desto größer ist der durchgelassene Kältemittelmassenstrom bzw. die Durchflussmenge an Kühlmittel. Alle in der Kompressionskälteanlage verwendeten Expansionsventile können als solche schrittmotorgesteuerten Nadelventile ausgebildet sein.
  • Zum Regeln der Leistung der Kompressionskälteanlage und zum Schutz des Verdichters des ersten Kühlkreislaufs vor nicht verdampftem Kältemittel weist die Erfindung ein Steuerungs- und Reglungssystem angeordnet sein, welches Steuerungs- und Reglungssystem auf:
    • einen Temperatursensor zur Messung einer momentanen Temperatur des ersten Kältemittels in einer Leitung zwischen dem dritten Wärmetauscher und dem Verdichter;
    • einen Drucksensor zur Messung eines Momentandrucks des ersten Kältemittels in einer Leitung zwischen dem dritten Wärmetauscher und dem Verdichter;
    • eine Recheneinheit zum Errechnen einer Verdampfungstemperatur des ersten Kältemittels in dem dritten Wärmetauscher aus dem gemessenen Momentandruck und zum Ermitteln einer Regelabweichung zwischen einer vorgegebenen Soll-Differenz und einer Ist-Differenz, wobei die Ist-Differenz die Differenz der Verdampfungstemperatur des ersten Kältemittels und der momentanen Temperatur des ersten Kältemittels ist;
    • das Vorkühl-Expansionsventil zum Einstellen der Durchflussmenge des ersten Kältemittels in Abhängigkeit der ermittelten Regeldifferenz.
  • Grundsätzlich können die Kältemittel-Durchflussmengen des Verdampfers des ersten Wärmetauschers, des Verdampfers des zweiten Wärmetauschers und des Kammerverdampfers des dritten Kältemittelkreislaufs in der Kühlumgebung in gleicher Weise mit einem solchen Steuerungs- und Reglungssystem eingestellt werden. Ein solches System wird auch als "Überhitzungsregler" bezeichnet. Das im Verdampfer verdampfte Kältemittel muss am Ende des Verdampfers vollständig verdampft in der Gasphase vorliegen. Es dürfen keine Flüssigkeitsanteile mehr vorliegen, die dem Verdichter des ersten Kältemittelkreislaufs schaden könnten. Durch den Überhitzungsregler wird aber gleichzeitig auch verhindert, dass das Kältemittel bereits früh im Wärmetauscher vollständig verdampft, und dadurch die Kühlleistung nicht optimal eingestellt ist. Jeder Verdampfungsprozess in der Kompressionskälteanlage kann grundsätzlich mit einem solchen Überhitzungsregler versehen sein. Die Recheneinheit kann eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS aufweisen.
  • Vorzugsweise weist die Kompressionskälteanlage für die zu kühlende Kühlumgebung auf:
    • Einen ersten Kammerverdampfer, der von dem ersten Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs durchströmt oder durchströmbar ist, wobei zwischen dem Kondensator und dem ersten Kammerverdampfer ein Kammer-Expansionsventil angeordnet ist, welches das erste Kältemittel vor dem Eintritt des ersten Kältemittels in den ersten Kammerverdampfer entspannt oder entspannen kann und damit zum Verdampfen in den ersten Kammerverdampfer einspritzt.
    • Einen zweiten Kammerverdampfer, der von dem zweiten Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs durchströmt oder durchströmbar ist, wobei zwischen dem Kondensator und dem zweiten Kammerverdampfer ein Kammer-Expansionsventil angeordnet ist, welches das zweite Kältemittel vor dem Eintritt des zweiten Kältemittels in den zweiten Kammerverdampfer entspannt oder entspannen kann und damit zum Verdampfen in den zweiten Kammerverdampfer einspritzt.
    • Einen dritten Kammerverdampfer, der von dem dritten Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs durchströmt oder durchströmbar ist, wobei zwischen dem Kondensator und dem dritten Kammerverdampfer ein Kammer-Expansionsventil angeordnet ist, welches das dritte Kältemittel vor dem Eintritt des dritten Kältemittels in den dritten Kammerverdampfer entspannt oder entspannen kann und damit zum Verdampfen in den dritten Kammerverdampfer einspritzt.
  • Die Kammerverdampfer in der Kühlumgebung sind vorzugsweise als Lamellenwärmetauscher mit einem Kupferrohr und Lamellen zu Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche an die Kühlumgebung ausgebildet. Durch die Anordnung von drei Kammerverdampfern, die jeweils von Kältemitteln aus unterschiedlichen Kältemittelkreisläufen und damit von Kältemitteln mit unterschiedlichen Temperaturniveaus durchströmt werden oder durchströmbar sind, können in der Kühlumgebung bzw. der Kältekammer verschiedene Temperaturniveaus eingestellt werden. So kann bspw. mit dem ersten Kammerverdampfer in der Kältekammer eine Temperatur von ca. -38 °C eingestellt werden, mit dem zweiten Kammerverdampfer eine Temperatur von ca. -86 °C und mit dem dritten Kammerverdampfer eine Temperatur von ca. -126 °C. So können die Temperaturen flexibel nach den Bedürfnissen des Benutzers gewählt werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verbindet eine Druckleitung den Verdichter des dritten Kältemittelkreislaufs, mit dem Kondensator des zweiten Wärmetauschers, wobei in der Druckleitung zwischen dem Verdichter und dem Kondensator der dritte Wärmetauscher angeordnet ist. In anderen Worten, im Kühlbetrieb ist das dritte Kältemittel beim Kühlbetrieb des dritten Kältemittelkreislaufs durch den Verdichter, dann den dritte Wärmetauscher und dann den zweiten Wärmetauscher geführt, sodass das verdichtete dritte Kältemittel in der Druckleitung zuerst den dritten Wärmetauscher und anschließend den Kondensator des zweiten Wärmetauschers durchströmt.
  • Vorzugsweise ist in der Druckleitung zwischen dem zwischen dem Verdichter und dem dritten Wärmetauscher ein Vorkühler des dritten Kältemittelkreislaufs angeordnet.
  • Nach dem Austritt des verdichteten gasförmigen dritten Kältemittels aus dem Verdichter weist es eine Temperatur von bis zu 100°C auf und muss bis zum dritten Kammerverdampfer wieder auf -126°C abgekühlt werden. Diese Wärmemenge mit einem Temperaturunterschied von ca. 226°C wird an mehreren Kühleinrichtungen bzw. Wärmetauschern durchgeführt, wobei jeder Wärmetauscher eine Teilaufgabe erledigt. Zuerst wird das verdichtete gasförmige dritte Kältemittel in einen Vorkühler zur Enthitzung auf bspw. 6°C geführt. D.h. dem Kältemittel wird sensible Wärme entzogen. Dann wird das dritte Kältemittel mit 6°C in den dritten Wärmetauscher geführt und darin, durch das im dem Verdampfer des dritten Wärmetauschers verdampfende erste Kältemittel, auf bspw. -30°C gekühlt. Das dritte Kältemittel wird dann in dem zweiten Wärmetauscher von dem, in dem Verdampfer des zweiten Wärmetauschers verdampfenden, zweiten Kältemittel bei bspw. -80°C verflüssigt. Der Aggregatszustand des zweiten Kältemittels verändert sich und das dritte Kältemittel steht wieder für eine Expansion und Verdampfung zur Verfügung. Durch die zusätzlichen Vorkühler kann die Antriebsenergie des ersten Verdichters, insbesondere aber auch des zweiten Verdichters, innerhalb der Kühlkaskade kleiner sein, sodass das Gesamtkonzept eine wesentlich geringere Energieaufnahme vorsieht.
  • Optional kann in dem zweiten Kältemittelkreislauf in der Druckleitung zwischen dem Verdichter und dem ersten Wärmetauscher ein Vorkühler angeordnet sein, wobei die Kühleinrichtung des ersten Kühlreislaufs, der Vorkühler des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Vorkühler des dritten Kältemittelkreislaufs an einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf angeschlossen sind.
  • Zuerst wird das verdichtete gasförmige zweite Kältemittel in einem Vorkühler enthitzt, wobei dem Kältemittel sensible Wärme entzogen wird. Das zweite Kältemittel wird dann in dem ersten Wärmetauscher von dem, indem Verdampfer des ersten Wärmetauschers verdampfenden, ersten Kältemittel verflüssigt. Der Aggregatszustand des ersten Kältemittels verändert sich und das zweite Kältemittel steht wieder für eine Expansion und Verdampfung zur Verfügung. Der Vorkühler im dritten Kältemittelkreislauf und/oder der Vorkühler im zweiten Kältemittelkreislauf können durch Umgebungsluft oder Kühlwassergekühlt werden. Bei wassergekühlten Vorkühlern sind die Kühleinrichtung des ersten Kühlreislaufs, der Vorkühler des zweiten Kältemittelkreislaufs und der Vorkühler des dritten Kältemittelkreislaufs an einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf angeschlossen sind. Der kalte Kühlwasserstrom fließt zunächst durch die Kühleinrichtung des ersten Kältemittelkreislaufs und nimmt dort Wärme zur Kondensation des ersten Kältemittels auf. Anschließend teilt sich der Kühlwasserstrom auf, wobei ein erster Teilstrom den Vorkühler des zweiten Kältemittelkreislaufs und ein zweiter Teilstrom den Vorkühler des dritten Kältemittelkreislaufs durchströmt. Das aus der Kompressionskälteanlage zurückfließende Kühlwasser kann durch einen Kaltwassersatz gekühlt werden. Ein Kaltwassersatz ist allgemein eine Kälteanlage, die kaltes Wasser bereitstellt und warmes Wasser zurückbekommt. Die Rückkühlung erfolgt durch eine separate Kältemaschine.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der dritte Wärmetauscher Wärmeübertragungsfläche und der zweite Wärmetauscher eine Wärmeübertragungsfläche auf, wobei das Verhältnis der Wärmeübertragungsfläche des dritten Wärmetauschers und der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Wärmetauschers zwischen 14 zu 28 und 22 zu 28, insbesondere 18 zu 28 beträgt.
  • Der zweite Wärmetauscher ist ein Plattenwärmetauscher, wobei dessen Wärmeübertragungsfläche durch bspw. 28 Platten gebildet wird. Der dritte Wärmetauscher ist ebenfalls ein Plattenwärmetauscher, wobei dessen Wärmeübertragungsfläche durch bspw. 18 Platten gebildet wird. Das Verhältnis der Wärmeübertragungsflächen ist dann im Wesentlichen 18 zu 28, womit die Kühlleistung des dritten Wärmetauschers ca. 18/28 der Kühlleistung des dritten Wärmetauschers beträgt. Damit kann das gasförmige dritte Kältemittel vor dem Kondensieren ausreichend abgekühlt werden. Der erste Wärmetauscher ist ebenfalls ein Plattenwärmetauscher, wobei dessen Wärmeübertragungsfläche durch bspw. 48 Platten gebildet wird. Damit beträgt die Kühlleistung des dritten Wärmetauschers dann ca. 18/48 der Kühlleistung des ersten Wärmetauschers und die Kühlleistung des zweiten Wärmetauschers ca. 28/48 der Kühlleistung des ersten Wärmetauschers.
  • Vorzugsweise sind der Verdichter des ersten Kältemittelkreislaufs und/oder der Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs und/oder der Verdichter des dritten Kältemittelkreislaufs als Scrollverdichter ausgebildet.
  • Ein Scrollverdichter (auch Scrollkompressor oder Spiralverdichter) ist allgemein ein Verdichter, der aus zwei ineinander verkämmten Verdichterspiralen besteht, deren gegenläufige Bewegung das Gas der Kältemittel verdichtet. Im Gegensatz zu den in Kompressionskälteanlagen häufig verwendeten Hubkolbenverdichtern stellen die Scrollverdichter keinen oszillierenden Kältemittelmassenstrom bereit, sondern einen permanenten und gleichmäßigen Kältemittelmassenstrom.
  • In einer optionalen Weiterbildung der Erfindung verbindet in dem ersten Kältemittelkreislauf und/oder dem zweiten Kältemittelkreislauf und/oder dem dritten Kältemittelkreislauf eine Leitung den Kondensator mit dem Verdichter, wobei in der Leitung zwischen dem Kondensator und dem Verdichter ein Verdichter-Expansionsventil angeordnet ist, welches das Kältemittel in den Verdichter einspritzt.
  • Durch ein solches Nacheinspritzen von Kältemittel durch ein im Bereich des Verdichters angeordnetes Verdichter-Expansionsventil wird der Verdichter gekühlt, der sich ansonsten durch den Verdichtungsvorgang stark aufheizen würde. Vorzugsweise wird das Kältemittel direkt in die Verdichterspiralen eingespritzt. Dadurch wir das Erhitzen des verdichteten Gases auf bspw. 100°C begrenzt. Durch eine solche Kühlung kann die Lebensdauer der Verdichter gesteigert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung wird im ersten Kältemittelkreislauf als erstes Kältemittel eine Tetrafluorethan/ Pentafluorethan/ Difluormethan-Mischung, im zweiten Kältemittelkreislauf als zweites Kältemittel eine Trifluormethan/ Hexafluorethan-Mischung und im dritten Kältemittelkreislauf als drittes Kältemittel Tetrafluormethan eingesetzt.
  • Die Tetrafluorethan/ Pentafluorethan/ Difluormethan-Mischung ist auch bekannt unter der Bezeichnung R407F, die Trifluormethan/ Hexafluorethan-Mischung ist auch bekannt unter der Bezeichnung R508B und Tetrafluormethan ist auch bekannt unter der Bezeichnung R14. Weitere Informationen zu den Kältemittel können Stoffdatenblätttern entnommen werden. Diese Kältemittel haben sich von ihren Eigenschaften als besonders gut geeignet herausgestellt.
  • Eigenständiger Erfindungsschutz wird beansprucht für ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere einer Kältekammer, mit einer Kompressionskälteanlage, insbesondere einer Kompressionskälteanlage in einer der bereits beschriebenen Ausführungen, aufweisend mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • Bereitstellen der Kompressionskälteanlage
    • Kühlen der Kühlumgebung mit dem ersten Kammerverdampfer durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs,
    • Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs mit einem ersten Wärmetauscher durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs,
    • Kühlen der Kühlumgebung mit dem zweiten Kammerverdampfer durch das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs,
    • Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs mit einem zweiten Wärmetauscher durch das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs und mit einem dritten Wärmetauscher durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs,
    • Kühlen der Kühlumgebung mit dem dritten Kammerverdampfer durch das Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs.
  • Das beschriebene Verfahren kann zum Kühlen einer Kältekammer auf bis zu -130°C eingesetzt werden. Vorzugsweise beginnen die angegebenen Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge. Optional wird ein Verfahrensschritt beendet, bevor der darauffolgende Verfahrensschritt beginnt. Alternativ gibt es zeitliche Überschneidungen zwischen den einzelnen Verfahrensschritten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des zweiten Kältemittels und das Kühlen der Kühlumgebung mit dem zweiten Kammerverdampfer und/oder das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des dritten Kältemittels und das Kühlen der Kühlumgebung mit dem dritten Kammerverdampfer wenigstens zeitweise gleichzeitig.
  • Dadurch, dass die Vorkühlung eines Kältemittelkreislaufs zeitgleich mit dem Betrieb des Kammerverdampfers des gleichen Kältemittelkreislaufs erfolgt, kann das Verfahren zum Abkühlen der Kühlumgebung, insbesondere der Kältekammer, beschleunigt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens des zweiten Kältemittelkreislaufs der Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs gestartet und/oder nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens des dritten Kältemittelkreislaufs wird der Verdichter des dritten Kältemittelkreislaufs gestartet. Das eigentliche Kühlen der Kühlumgebung mit dem jeweiligen Kältemittelkreislauf umfasst den Betrieb des Verdichters des Kältemittelkreislaufs.
  • In einer optionalen Weiterbildung wird vor dem Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs und/oder vor dem Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs ein Freigabeprüfschritt durchgeführt, wobei geprüft wird, ob eine vorab vorgegebene Temperatur in der Kühlumgebung erreicht worden ist.
  • In anderen Worten, im Bereich der Kühlumgebung ist mindestens ein Temperatursensor zum Ermitteln einer momentanen Temperatur angeordnet, wobei der Sensor einen Messwert für einen Freigabeprüfschritt liefert. Es können in der Kühlumgebung auch mehr als ein Temperatursensor angeordnet sein, wobei jeder Temperatursensor einem eigenen Freigabeschritt zugeordnet ist. So ist bspw. in dem zweiten Kammerverdampfer ein Temperatursensor angeordnet, der den erforderlichem Messwert von -35°C für einen Freigabeschritt für den Beginn des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs bereitstellt. Ferner kann bspw. in dem dritten Kammerverdampfer ein Temperatursensor angeordnet werden, der den erforderlichem Messwert von -75°C für einen Freigabeschritt für den Beginn des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs bereitstellt. Für weitere Informationen zu den Freigabeschritten wird auf die Figurenbeschreibung zu Figur 3 verwiesen.
  • Vorzugsweise wird das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs und/oder das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs in einer vorab vorgegebenen Zeitdauer, bspw. 2-8 Minuten, durchgeführt.
  • Beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des zweiten Kältemittelkreislaufs ist der Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs noch nicht in Betrieb. Beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des dritten Kältemittelkreislaufs ist der Verdichter des dritten Kältemittelkreislaufs noch nicht in Betrieb. Vor dem Vorkühlen und/oder Vorkondensieren liegt das Kältemittel in den jeweiligen Kältemittelkreisläufen noch gasförmig vor und es herrscht durch das Gas ein sehr hoher Druck im System. Das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren wird daher durchgeführt, um das Kältemittel durch Energieentzug abzukühlen wenigstens teilweise zu verflüssigen, den Druck abzusenken, und die Verdichter bei deren Start vor zu hohen Drücken bzw. Belastungen zu schützen. Beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren kann innerhalb weniger Minuten der Druck um ca. 10 bar gesenkt werden. Durch die Implementierung eines festen Zeitintervalls ist für die Beendigung der Vorkühl-/Vorkondensierschritte die Einrichtung zusätzlicher, von Messwerten abhängigen, Freigabeschritten entbehrlich. Damit werden die Kosten zur automatischen Regelung der Anlage gesenkt und das Programm zur Steuerung der Anlage vereinfacht.
  • In einer bevorzugten sind beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs das Expansionsventil und das Kammer-Expansionsventil des zweiten Kältemittelkreislaufs teilweise geöffnet und/oder beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs ist das Expansionsventil des dritten Kältemittelkreislaufs teilweise geöffnet, damit das Kältemittel entgegen der Expansionsrichtung der Expansionsventile zurückströmt oder zurückströmen kann.
  • Das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren wird nachfolgend als Vorkühlbetrieb bezeichnet. Im Vorkühlbetrieb sind die Verdichter des vorzukühlenden Kreislaufs noch ausgeschaltet. Das in dem jeweiligen vorgekühlten Kältemittelkreislauf befindliche Kältemittel strebt quasi in einer "statischen Kühlung", bedingt durch das Druckgefälle zwischen heißestem und kältestem Punkt innerhalb des Kältemittelkreislaufs immer zum kältesten Punkt des jeweiligen Kältemittelkreislaufs. In dem dritten Kältemittelkreislauf ist dies beim Vorkühlbetrieb mit ca. -80°C der Kondensator des zweiten Wärmetauschers, der durch das verdampfende Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs gekühlt wird. Wenigstens teilweise geöffnete Expansionsventile geben dem Kältemittel die Möglichkeit, entgegen der eigentlichen Expansionsrichtung bzw. Einspritzrichtung der Ventile im Kältemittelkreislauf zum kältesten Punkt strömen und dort zu kondensieren. Das verflüssigte Kältemittel verbleibt während des Vorkühlbetriebs im Wärmetauscher und wird erst mit dem Start des jeweiligen Verdichters in Bewegung gesetzt. Insbesondere das Expansionsventil des dritten Kältemittelkreislaufs bleibt zu 20% des Betrags der maximalen Öffnung geöffnet, damit kein Einsperren des Kältemittels im Kältekreislauf möglich ist. Durch die Öffnung der Expansionsventile während des Vorkühlbetriebs, damit die gasförmigen Kältemittel zum kältesten Punkt im Kältemittelkreislauf strömen können, können zusätzliche Bypassleitungen entfallen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmals(unter) kombinationen, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels {bzw. -beispiele} der Erfindung und den Zeichnungen. Diese zeigen in
    • Fig. 1a
    ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer beispielhaften erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage mit zwei Kältemittelkreisläufen,
    Fig. 1b
    ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer ersten beispielhaften erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage mit drei Kältemittelkreisläufen,
    Fig. 1c
    ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage mit drei Kältemittelkreisläufen,
    Fig. 2
    das Steuerungs- und Regelungssystem des Überhitzungsreglers für den dritten Wärmetauscher und
    Fig. 3
    ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum kühlen einer Kühlumgebung mit einer Kompressionskälteanlage.
  • Die Figuren sind lediglich beispielhafter Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Zur besseren Anschaulichkeit wird nachfolgenden Figurenbeschreibung für das erste Kältemittel das beispielhaft eingesetzte Kältemittel R407F, für das zweite Kältemittel das beispielhaft eingesetzte Kältemittel R508B und für das dritte Kältemittel das beispielhaft eingesetzte Kältemittel R14 verwendet.
  • Figur 1a zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage 100 zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kältekammer 400 mit einer Kältekaskade mit zwei thermisch gekoppelten Kältemittelkreisläufen I, II. Damit können in der Kältekammer 400 maximal -80°C erreicht werden. Zur Erläuterung wird auf die Beschreibung zu Figur 1b verwiesen.
  • Die Figur 1b zeigt eine beispielhafte Kompressionskälteanlage 100 zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kältekammer 400. Damit in der Kältekammer 400 Temperaturen von bis zu -130 °C erreicht werden können, wird in der Kompressionskälteanlage 100 eine Kältekaskade mit drei thermisch gekoppelten Kältemittelkreisläufen I, II, III eingesetzt. Dabei kühlt ein erster Kältemittelkreislauf I oder mit dem Kältemittel R407F einen zweiten Kältemittelkreislauf II mit dem Kältemittel R508B. Der zweite Kältemittelkreislauf II wiederum kühlt einen dritten Kältemittelkreislauf III mit dem Kältemittel R14. Der dritte Kältemittelkreislauf III kann die tiefen Temperaturen in der Kältekammer 400 bereitstellen. Die einzelnen Kältemittelkreisläufe I, II, III werden nachfolgend einzeln beschrieben.
  • In dem ersten Kältemittelkreislauf I liegt das R407F zunächst gasförmig vor und wird in einem Verdichter 101 auf bspw. 11 bar verdichtet. Der Verdichter 101 ist vorzugsweise als Scrollverdichter, bspw. vom Typ Emerson ZF-25, ausgebildet. Am Ausgang aus dem Verdichter 101 ist eine Druckleitung 115 angeordnet. Der Verdichter 101 weist einen Öl geschmierten Antriebsmotor auf. Daher ist in der Druckleitung 115 ein Ölabscheider 113 vorgesehen, der das Öl aus dem verdichteten R407F-Gasstrom abscheidet. Eine Ölrückführung 114 führt das abgeschiedene Öl zum Verdichter 101 zurück. Durch den Verdichter 101 wird das gasförmige R407F auf ein höheres Druckniveau gebracht, womit sich auch die Temperatur erhöht. Die Druckleitung 115 leitet das gasförmige R407F zur Kühlung und Kondensation in einen Kondensator 102. Der Kondensator 102 ist eine als Wärmetauscher vom Typ SWEP B12H-70 ausgebildete Kühleinrichtung 110, die mit einem Kaltwassersatz 119 bei bspw. 25 °C gekühlt wird, sodass das gasförmige R407F abkühlt und kondensiert. Das kondensierte und damit flüssige R407F wird zunächst in einer Sammlerflasche 108 gesammelt. Am Austritt aus der Sammlerflasche 108 ist in der Flüssigkeitsleitung 116 ein Trockner 109 zur Absorption der Restfeuchte und ein Schauglas 112 angeordnet. Die Flüssigkeitsleitung 116 verzweigt sich auf insgesamt vier Flüssigkeitsteilleitungen 116a, 116b, 116c, 116d, wobei am Ende jeder Teilleitung 116a, 116b, 116c, 116d ein Expansionsventil 103, 106, 107, 131 angeordnet ist.
    • Am Ende einer ersten Teilleitung 116a ist das Expansionsventil 103 zur Absenkung der Verdampfungstemperatur des R407F angeordnet. An das Expansionsventil 103 schließt eine Einspritzteilleitung 117a an, welche das entspannte R407F in einen Verdampfer 104 eines ersten Wärmetauschers 120 vom Typ SWEP B12H-50 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R407F bei ca. -38°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus dem R508B auf, wobei das R508B dabei kondensiert. Das in dem Verdampfer 104 verdampfte gasförmige R407F wird durch den Verdichter 101 aus einer Saugteilleitung 118a wieder zum Verdichten angesaugt.
    • Am Ende einer zweiten Flüssigkeitsteilleitung 116b ist das Kammer-Expansionsventil 106 angeordnet. An das Kammer-Expansionsventil 106 schließt eine Einspritzteilleitung 117b an, welche das entspannte R407F in einen Kammerverdampfer 105 in der Kältekammer 400 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R407F bei ca. -38°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus der Kältekammer 400 auf. Das in dem Kammerverdampfer 105 verdampfte gasförmige R407F wird durch den Verdichter 101 aus einer Saugteilleitung 118b wieder zum Verdichten angesaugt.
    • Am Ende einer dritten Flüssigkeitsteilleitung 116c ist das Verdichter-Expansionsventil 107 angeordnet. An das Verdichter-Expansionsventil 107 schließt eine Einspritzteilleitung 117c an, welche das entspannte R407F in zur Kühlung des Verdichters 101 in den Verdichter 101 nacheinspritzt.
    • Am Ende einer vierten Flüssigkeitsteilleitung 217d ist das Vorkühl-Expansionsventil 131 angeordnet. An das Vorkühl-Expansionsventil 131 schließt eine Einspritzteilleitung 117d an, welche das entspannte R407F in einen Verdampfer 134 eines dritten Wärmetauschers 130 vom Typ SWEP B12H-20 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R407F bei ca. -38°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus dem R14 auf, wobei das R14 abkühlt. Das in dem Verdampfer 134 verdampfte gasförmige R407F wird durch den Verdichter 101 aus einer Saugteilleitung 118d wieder zum Verdichten angesaugt.
  • Die Saugteilleitungen 118a, 118b, 118d vereinigen sich vor dem Eintritt in den Verdichter 101 wieder zu einer gemeinsamen Saugleitung 118. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist ein Rekuperator 111 angeordnet, der von der Flüssigkeitsleitung 116 und der Saugleitung 118 durchsetzt ist, damit gasförmiges R407F aus der Saugleitung 118 das flüssige R407F aus der Flüssigkeitsleitung zusätzlich abkühlt.
  • In dem zweiten Kältemittelkreislauf II liegt auch das R508B zunächst gasförmig vor und wird in einem Verdichter 201 auf bspw. 11 bar verdichtet. Der Verdichter 201 ist vorzugsweise als Scrollverdichter, bspw. vom Typ Emerson ZF-15, ausgebildet. Am Ausgang aus dem Verdichter 201 ist eine Druckleitung 215 angeordnet. Der Verdichter 201 weist einen Öl geschmierten Antriebsmotor auf. Daher ist in der Druckleitung 215 ein Ölabscheider 213 vorgesehen, der das Öl aus dem verdichteten R508B-Gasstrom abscheidet. Eine Ölrückführung 214 führt das abgeschiedene Öl zum Verdichter 201 zurück. Durch den Verdichter 201 wird das gasförmige R508B auf ein höheres Druckniveau gebracht, womit sich auch die Temperatur des R508B erhöht. Die Druckleitung 215 leitet das gasförmige R508B zur Kühlung in einen Kondensator 202. Der Kondensator 202 ist Teil des ersten Wärmetauschers 120, der von verdampfendem R407F gekühlt wird, welches dabei den Verdampfer 104 des ersten Wärmetauschers 120 durchströmt. Das gasförmige R508B wird bei ca. -32°C gekühlt, sodass es abkühlt und kondensiert. Das gasförmige R508B kann ferner zusätzlich nach dem Austritt aus dem Verdichter 201 und vor dem Eintritt in den Kondensator 202 in der Druckleitung 315 durch einen zusätzlichen mit einem Kaltwassersatz 219 gekühlten Vorkühler 210, bspw. Typ SWEP B12H-20 abgekühlt werden. Am Austritt aus dem Kondensator 202 ist in der Flüssigkeitsleitung 216 ein Trockner 209 zur Absorption der Restfeuchte und ein Schauglas 212 angeordnet. Die Flüssigkeitsleitung 216 verzweigt sich auf insgesamt drei Flüssigkeitsteilleitungen 216a, 216b, 216c, wobei am Ende jeder Flüssigkeitsteilleitung 216a, 216b, 216c ein Expansionsventil 203, 206, 207 angeordnet ist.
    • Am Ende einer ersten Flüssigkeitsteilleitung 216a ist das Expansionsventil 203 zur Absenkung der Verdampfungstemperatur des R508B angeordnet. An das Expansionsventil 203 schließt eine Einspritzteilleitung 217a an, welche das entspannte R508B in einen Verdampfer 204 eines zweiten Wärmetauschers 230 vom Typ SWEP B12H-30 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R508B bei ca. -86°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus dem R14 auf, wobei das R14 dabei kondensiert. Das in dem Verdampfer 204 verdampfte gasförmige R508B wird durch den Verdichter 201 aus einer Saugteilleitung 218a wieder zum Verdichten angesaugt.
    • Am Ende einer zweiten Flüssigkeitsteilleitung 216b ist das Kammer-Expansionsventil 206 angeordnet. An das Kammer-Expansionsventil 206 schließt eine Einspritzteilleitung 217b an, welche das entspannte R508B in einen Kammerverdampfer 205 der Kältekammer 400 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R508B bei ca. -86°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus der Kältekammer 400 auf. Das in dem Kammerverdampfer 205 verdampfte gasförmige R508B wird durch den Verdichter 201 aus einer Saugteilleitung 218b wieder zum Verdichten angesaugt.
    • Am Ende einer dritten Flüssigkeitsteilleitung 216c ist das Verdichter-Expansionsventil 207 angeordnet. An das Verdichter-Expansionsventil 207 schließt eine Einspritzteilleitung 217c an, welche das entspannte R508B in zur Kühlung des Verdichters 201 in den Verdichter 201 nacheinspritzt.
  • Die Saugteilleitungen 218a, 218b vereinigen sich vor dem Eintritt in den Verdichter 201 wieder zu einer gemeinsamen Saugleitung 218. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist ein Rekuperator 211 angeordnet, der von der Flüssigkeitsleitung 216 und der Saugleitung 218 durchsetzt ist, damit gasförmiges R508B aus der Saugleitung 218 das flüssige R508B der Flüssigkeitsleitung 216 zusätzlich abkühlt.
  • In dem dritten Kältemittelkreislauf III liegt auch das R14 zunächst gasförmig vor und wird in einem Verdichter 301 auf bspw. 11 bar verdichtet. Der Verdichter 301 ist vorzugsweise als Scrollverdichter, bspw. vom Typ Emerson ZF-06, ausgebildet. Am Ausgang aus dem Verdichter 301 ist eine Druckleitung 315 angeordnet. Der Verdichter 301 weist ebenfalls in der Druckleitung 315 einen Ölabscheider 313 auf, der das Öl aus dem verdichteten R14-Gasstrom abscheidet. Eine Ölrückführung 314 führt das abgeschiedene Öl zum Verdichter 301 zurück. Durch den Verdichter 301 wird das gasförmige R14 auf ein höheres Druckniveau gebracht, womit sich auch die Temperatur des R14 erhöht. Die Druckleitung 315 leitet das gasförmige R14 nach dem Austritt aus dem Verdichter 301 zur Kühlung zunächst vorzugsweise durch einen, mit einem Kaltwassersatz 319 gekühlten, Vorkühler 310, bspw. Typ SWEP B12H-20. Dort wird dem gasförmigen R14 sensible Wärme entzogen. Nach dem Kaltwassersatz-gekühlten Vorkühler 310 wird das R14 durch den dritten Wärmetauscher 130 geleitet und dort bei ca. -30 °C weiter abgekühlt. Die Kühlleistung in dem dritten Wärmetauscher 130 wird durch das in dem Verdampfer 134 verdampfende R407F des ersten Kältemittelkreislaufs I bereitgestellt. Nach dem Austritt aus dem dritten Wärmetauscher 130 wird das R14 durch einen Kondensator 302 geleitet. Der Kondensator 302 ist Teil des zweiten Wärmetauschers 230, der von verdampfendem R508B gekühlt wird, welches den Verdampfer 204 des zweiten Wärmetauschers 230 durchströmt. Das gasförmige R14 wird bei ca. -80°C gekühlt, sodass es abkühlt und kondensiert. Am Austritt aus dem Kondensator 302 ist in der Flüssigkeitsleitung 316 ein Trockner 309 zur Absorption der Restfeuchte und ein Schauglas 312 angeordnet. Die Flüssigkeitsleitung 316 verzweigt sich auf insgesamt zwei Flüssigkeitsteilleitungen 316a, 316c, wobei am Ende jeder Flüssigkeitsteilleitung 316a, 316c ein Expansionsventil 303, 307 angeordnet ist.
    • Am Ende einer ersten Flüssigkeitsteilleitung 316b ist das Kammer-Expansionsventil 303 angeordnet. An das Kammer-Expansionsventil 303 schließt eine Einspritzteilleitung 317b an, welche das entspannte R14 in einen Kammerverdampfer 304 der Kältekammer 400 einspritzt. Beim Verdampfungsprozess verdampft das R14 bei ca. -126°C vollständig und nimmt dabei Wärme aus der Kältekammer 400 auf. Das in dem Kammerverdampfer 304 verdampfte gasförmige R14 wird durch den Verdichter 301 aus einer Saugleitung 318 wieder zum Verdichten angesaugt.
    • Am Ende einer zweiten Flüssigkeitsteilleitung 316c ist das Verdichter-Expansionsventil 307 angeordnet. An das Verdichter-Expansionsventil 307 schließt eine Einspritzteilleitung 317c an, welche das entspannte R14 zur Kühlung des Verdichters 301 in den Verdichter 301 nacheinspritzt.
  • Der erste Wärmetauscher 120, der zweite Wärmetauscher 230, der dritte Wärmetauscher 130, die Kühleinrichtung 110 und/oder die Vorkühler 210, 310 können alle oder teilweise als Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher, ausgebildet sein, die von Wärmeträgermedien (Kältemittel, Wasser,...) vorzugsweise im Gegenstrom durchströmt werden. Einspritzleitungen bzw. Einspritzteilleitungen 117a-d, 217a-c, 317b,c sind in der Praxis so kurz wie möglich ausgebildet, um Verluste zu vermeiden. Vorzugsweise befinden sich die Expansionsventile 103, 203, 303, 106, 206, 107, 207, 307, 131 direkt an der Vorrichtung, in die das entspannte Kältemittel eingespritzt wird. Die Kühleinrichtung 110 des ersten Kühlreislaufs I, der Vorkühler 210 des zweiten Kältemittelkreislaufs II und der Vorkühler 310 des dritten Kältemittelkreislaufs III sind an einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf 119, 219, 319 angeschlossen, wobei der Kühlwasserkreislauf 119, 219, 319 nach dem Durchströmen der durch eine Kaltwassersatzkühlung kühlbar ist. Nach dem Durchströmen der Kühleinrichtung 110 teil sich der Kühlwasserkreislauf 119 in zwei Kühlwasserteilströme 219, 319 auf, wobei ein erster Kühlwasserteilstrom 219 den Vorkühler 210 des zweiten Kältemittelkreislaufs II und ein erster Kühlwasserteilstrom 319 den Vorkühler 210 des dritten Kältemittelkreislaufs III parallel dazu durchströmt. Im Rücklauf vereinigen sich die Kühlwasserteilströme 219, 319 wieder. Zusätzlich kann im ersten Kältemittelkreislauf ein Hubkolbenverdichter 140 zum Entfeuchten der Kältekammer 400 beim Start der Kompressionskälteanlage 100 angeordnet sein.
  • Figur 1c zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage 100. Im Unterschied zu Figur 1b entfallen die wassergekühlten Vorkühler 210, 310. Stattdessen können bspw. (nicht dargestellte) luftgekühlte Vorkühler angeordnet sein.
  • Figur 2 zeigt das Steuerung- und Regelungssystem des Überhitzungsreglers für den dritten Wärmetauscher 130. Dabei nimmt ein analoger Temperatursensor 135, bspw. ein Platin-Messwiderstand PT 1000, am Austritt aus dem Verdampfer 134 des dritten Wärmetauschers 130 die momentane Temperatur T1,K1 des R407F auf.
  • Gleichzeitig errechnet eine Recheneinheit 500 aus dem analogen Druckmesswert p1,K1 eines Drucksensors 136 in der Saugleitung 118 eine Verdampfungstemperatur T0,K1. Ein DIPD-Regler ermittelt eine Regelabweichung durch einen Soll-Ist-Vergleich zwischen einer vorgegebenen Soll-Differenz und einer Ist-Differenz zwischen der gemessenen Temperatur T1,K1 und der aus dem Druckmesswert p1,K1 errechneten Verdampfungstemperatur T0,K1. Diese Soll-Differenz für die geforderte Überhitzung kann bspw. mit 5-15 K in dem DPID-Regler vorgegeben werden. Die vorgegebene Überhitzung ist grundsätzlich abhängig von den verwendeten Wärmetauschern. Ist die Soll-Differenz größer als die Ist-Differenz, besteht die Gefahr, dass das R407 nicht vollständig verdampft ist und den Verdichter 101 beschädigen könnte. Das Vorkühl-Expansionsventil 131 erhält das Stellsignal, die Durchflussmenge an R407F zu reduzieren. Ist die Soll-Differenz kleiner als die Ist-Differenz, verdampft das Kältemittel zu früh und die Kühlleistung des dritten Wärmetauschers130 ist möglicherweise unerwünscht reduziert, was die Energieeffizienz der Anlage verschlechtert. Das Vorkühl-Expansionsventil 131 erhält in diesem Fall das Stellsignal, die Durchflussmenge an R407F zu erhöhen.
  • Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600. Das Verfahren 600 beginnt mit dem Bereitstellen 601 der Kompressionskälteanlage 100. Dann erfolgt das Kühlen 602 der Kältekammer 400 mit einem ersten Kammerverdampfer 105 durch das R407F, wobei dem ersten Kammerverdampfer 105 durch das Kammer-Expansionsventil 106 R407F eingespritzt wird. Vor dem Beginn des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 603 des R508B wird ein Freigabeprüfschritt 607 durchgeführt. Dabei wird geprüft, ob eine vorab vorgegebene Temperatur TKammer von bspw. -35°C in der Kühlumgebung 400 erreicht ist. Die Temperatur TKammer wird durch einen Temperatursensor in der Kältekammer 400, insbesondere als Paketsensor in dem zweiten Kammerverdampfer 205 ermittelt. Die Temperatur TKammer wird optional als Analogwert an die Recheneinheit 500 übermittelt. Eine Software auf der Recheneinheit 500 startet an einem Umschlagpunkt die Vorkühlung 603, wobei der Umschlagpunkt neben der erforderlichen Freigabebedingung Temperatur TKammer auch weitere Freigabebedingen wie Lizenzen oder Sicherheitsketten beim Freigabeprüfschritt 607 voraussetzen kann. Durch eine voreingestellte Freigabedifferenz voreingestellte Freigabedifferenz von bspw. 30°C führen kurzzeitige Temperaturschwankungen nicht zu Freigabeschwankungen am Umschlagpunkt.
  • Zum Start oder zum Ende des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 603 des R508B mit dem ersten Wärmetauscher 120 durch das R407F wird das erste Kammer-Expansionsventil 106 geschlossen. Zum Start des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 603 des R508B wird das Expansionsventil 203 und das Kammer-Expansionsventil 206 des zweiten Kältemittelkreislaufs II wenigstens teilweise geöffnet (bspw. 20%), damit durch die Druckunterschiede innerhalb des zweiten Kältemittelkreislaufs II das gasförmige R508B entgegen der Einspritzrichtung der Expansionsventile 203, 206 zum Kondensator 202 strömen und dort zum Vorkondensieren sammeln kann. Das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren 603 des R508B wird nach Freigabe 607 der Vorkühlung 603 in einer vorab vorgegebenen Zeitdauer Δt, bspw. 2-8 Minuten, durchgeführt.
  • Nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 603 wird zum Kühlen 604 der Verdichter 201 des zweiten Kältemittelkreislaufs II gestartet. Beim Kühlen 604 der Kühlumgebung 400 mit einem zweiten Kammerverdampfer 205, wird dem zweiten Kammerverdampfer 205 durch das Kammer-Expansionsventil 206 R508B eingespritzt.
  • Vor dem Beginn des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 605 des R14 wird ein weiterer Freigabeprüfschritt 608 durchgeführt. Dabei wird geprüft, ob eine vorab vorgegebene Temperatur TKammer von bspw. -75°C in der Kühlumgebung 400 erreicht ist. Die Temperatur TKammer wird durch einen analogen Temperatursensor in der Kältekammer 400, insbesondere als Paketsensor in dem dritten Kammerverdampfer 304 ermittelt. Im Übrigen ist der Freigabeprüfschritt 608 zum dem Freigabeprüfschritt vergleichbar 607.
  • Zum Start oder zum Ende des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 605 des R14 mit dem zweiten Wärmetauscher 120 durch das R508B und mit dem dritten Wärmetauscher 130 durch das R14 wird das zweite Kammer-Expansionsventil 206 geschlossen. Zum Start des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 605 des R14 werden ferner das Expansionsventil 203 und das Vorkühl-Expansionsventil 131 geöffnet, damit die Verdampfer 134, 204 in den Wärmetauschern 230, 130 durchströmt werden können. Zum Start des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 605 des R14 wird ferner das (Kammer)-Expansionsventil 303 des dritten Kältemittelkreislaufs III zusätzlich wenigstens teilweise geöffnet (bspw. 20%), damit durch die Druckunterschiede innerhalb des dritten Kältemittelkreislaufs III das gasförmige R14 entgegen der Einspritzrichtung zum Kondensator 302 und zum dritten Wärmetauscher 130 strömen kann. Das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren 605 des R14 wird nach Freigabe 608 der Vorkühlung 605 in einer vorab vorgegebenen Zeitdauer Δt, bspw. 2-8 Minuten, wieder beendet. Nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens 605 wird der Verdichter 301 des dritten Kältemittelkreislaufs III gestartet.
  • Beim Kühlen 606 der Kältekammer 400 mit einem dritten Kammerverdampfer 304 durch das verdampfende R14 kann die tiefstmögliche Temperatur TKammer von max. -130°C erreicht werden. Prinzipiell ist es möglich, das Kühlen 606 ohne den dritten Wärmetauscher 130 durchzuführen und dafür das Vorkühl-Expansionsventil 121 zu schließen.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kompressionskälteanlage
    101
    Verdichter des ersten Kältemittelkreislaufs
    102
    Kondensator des ersten Kältemittelkreislaufs
    103
    Expansionsventil des ersten Kältemittelkreislaufs
    104
    Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufs
    105
    Kammerverdampfer des ersten Kältemittelkreislaufs
    106
    Kammer-Expansionsventil des ersten Kältemittelkreislaufs
    107
    Verdichter-Expansionsventil des ersten Kältemittelkreislaufs
    108
    Sammlerflasche des ersten Kältemittelkreislaufs
    109
    Trockner des ersten Kältemittelkreislaufs
    110
    Kühleinrichtung
    111
    Enthitzer des ersten Kältemittelkreislaufs
    112
    Schauglas des ersten Kältemittelkreislaufs
    113
    Ölabscheider des ersten Kältemittelkreislaufs
    114
    Ölrückführung des ersten Kältemittelkreislaufs
    115
    Druckleitung des ersten Kältemittelkreislaufs
    116
    Flüssigkeitsleitung des ersten Kältemittelkreislaufs
    116a-116d
    Flüssigkeitsteilleitung
    117
    Einspritzleitung des ersten Kältemittelkreislaufs
    117a-117d
    Einspritzteilleitung
    118
    Saugleitung des ersten Kältemittelkreislaufs
    118a,b,d
    Saugteilleitung
    119
    Kaltwassersatzkühlung des ersten Kältemittelkreislaufs
    120
    Erster Wärmetauscher
    130
    Dritter Wärmetauscher
    131
    Vorkühl-Expansionsventil
    134
    Verdampfer des dritten Wärmetauschers
    135
    Temperatursensor
    136
    Drucksensor
    170
    Hubkolbenverdichter
    201
    Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs
    202
    Kondensator des zweiten Kältemittelkreislaufs
    203
    Expansionsventil des zweiten Kältemittelkreislaufs
    204
    Verdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs
    205
    Kammerverdampfer des zweiten Kältemittelkreislaufs
    206
    Kammer-Expansionsventil des zweiten Kältemittelkreislaufs
    207
    Verdichter-Expansionsventil des zweiten Kältemittelkreislaufs
    209
    Trockner des zweiten Kältemittelkreislaufs
    210
    Vorkühler des zweiten Kältemittelkreislaufs
    211
    Enthitzer des zweiten Kältemittelkreislaufs
    212
    Schauglas des zweiten Kältemittelkreislaufs
    213
    Ölabscheider des zweiten Kältemittelkreislaufs
    214
    Ölrückführung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    215
    Druckleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    216
    Flüssigkeitsleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    216a-216c
    Flüssigkeitsteilleitung
    217
    Einspritzleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    217a-217c
    Einspritzteilleitung
    218
    Saugleitung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    218a,b
    Saugteilleitung
    219
    Kaltwassersatzkühlung des zweiten Kältemittelkreislaufs
    230
    Zweiter Wärmetauscher
    301
    Verdichter des dritten Kältemittelkreislaufs
    302
    Kondensator des dritten Kältemittelkreislaufs
    303
    Expansionsventil des dritten Kältemittelkreislaufs, insbesondere Kammer-Expansionsventil des dritten Kältemittelkreislaufs
    304
    Verdampfer des dritten Kältemittelkreislaufs, insbesondere dritter Kammerverdampfer
    307
    Verdichter-Expansionsventil des dritten Kältemittelkreislaufs
    309
    Trockner des dritten Kältemittelkreislaufs
    310
    Vorkühler des dritten Kältemittelkreislaufs
    312
    Schauglas des dritten Kältemittelkreislaufs
    313
    Ölabscheider des dritten Kältemittelkreislaufs
    314
    Ölrückführung des dritten Kältemittelkreislaufs
    315
    Druckleitung des dritten Kältemittelkreislaufs
    316
    Flüssigkeitsleitung des dritten Kältemittelkreislaufs
    316b,c
    Flüssigkeitsteilleitung
    317
    Einspritzleitung des dritten Kältemittelkreislaufs
    317b,c
    Einspritzteilleitung
    318
    Saugleitung des dritten Kältemittelkreislaufs
    319
    Kaltwassersatzkühlung des dritten Kältemittelkreislaufs
    400
    Kühlumgebung, insbesondere Kältekammer
    500
    Recheneinheit, insbesondere SPS
    600
    Verfahren
    601
    Bereitstellen der Kompressionskälteanlage
    602
    Kühlen
    603
    Vorkühlen und/oder Vorkondensieren
    604
    Kühlen
    605
    Vorkühlen und/oder Vorkondensieren
    606
    Kühlen
    607
    Freigabeprüfschritt für Vorkühlen und/oder Vorkondensieren
    608
    Freigabeprüfschritt für Vorkühlen und/oder Vorkondensieren
    I
    erster Kältemittelkreislauf
    II
    zweiter Kältemittelkreislauf
    III
    dritter Kältemittelkreislauf
    p1,K1
    momentaner Druck
    T0,K1
    Verdampfungstemperatur
    T1,K1
    momentane Temperatur
    TKammer
    momentane Kammertemperatur
    Δt
    Zeitdauer

Claims (15)

  1. Kompressionskälteanlage (100), geeignet zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere in einer Kältekammer (400), aufweisend mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe (I, II, III), darunter einen
    - ersten Kältemittelkreislauf (I) mit einem ersten Kältemittel, wobei das erste Kältemittel in einem Kondensator (102) einer Kühleinrichtung (110) unter Abgabe von Wärme verflüssigt oder verflüssigbar ist und unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer (104) eines ersten Wärmetauschers (120) verdampft oder verdampfen kann, einen
    - zweiten Kältemittelkreislauf (II) mit einem zweiten Kältemittel, wobei das zweite Kältemittel in einem Kondensator (202) des ersten Wärmetauschers (120) unter Abgabe von Wärme an den ersten Kältemittelkreislauf (I) verflüssigt oder verflüssigbar ist und unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer (204) eines zweiten Wärmetauschers (230) verdampft oder verdampfen kann, einen
    - dritten Kältemittelkreislauf (III) mit einem dritten Kältemittel, wobei das dritte Kältemittel in einem Kondensator (302) des zweiten Wärmetauschers (230) unter Abgabe von Wärme an den zweiten Kältemittelkreislauf (II) verflüssigt oder verflüssigbar ist und unter Aufnahme von Wärme in einem Verdampfer (304) verdampft oder verdampfen kann,
    wobei jeder der drei Kältemittelkreisläufe (I, II, III) ferner jeweils aufweist:
    - mindestens einen Verdichter (101, 201, 301) zum Verdichten von gasförmigem Kältemittel,
    - ein Expansionsventil (103, 203, 303) zum Entspannen von verflüssigtem Kältemittel,
    wobei
    ein dritter Wärmetauscher (130) zur thermischen Kopplung des ersten Kältemittelkreislaufs (I) mit dem dritten Kältemittelkreislauf (III) angeordnet ist und das erste Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (I) zum Abkühlen des dritten Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs (III) und zum Aufnehmen von Wärme aus dem dritten Kältemittel durch den dritten Wärmetauscher (130) geführt ist wobei ferner in dem ersten Kältemittelkreislauf (I) eine Leitung (116, 116d, 117d) den Kondensator (102) der Kühleinrichtung (110) mit dem dritten Wärmetauscher (130) verbindet und zwischen dem Kondensator (102) und dem dritten Wärmetauscher (130) ein Vorkühl-Expansionsventil (131) zum Entspannen des ersten Kältemittels vor dem Eintritt in den dritten Wärmetauscher (130) angeordnet ist,
    gekennzeichnet durch ein Steuerungs- und/oder Reglungssystem zum Schutz des Verdichters des ersten Kühlkreislaufs vor nicht verdampftem erstem Kältemittel, wobei das Steuerungs- und/oder Reglungssystem aufweist:
    - einen Temperatursensor (135) zur Messung einer momentanen Temperatur (T1,K1) des ersten Kältemittels in einer Leitung zwischen dem dritten Wärmetauscher (130) und dem Verdichter (101);
    - einen Drucksensor (136) zur Messung eines Momentandrucks (p1,K1) des ersten Kältemittels in einer Leitung zwischen dem dritten Wärmetauscher (130) und dem Verdichter (101);
    - eine Recheneinheit (500), welche ausgebildet ist
    ∘ zum Errechnen einer Verdampfungstemperatur (T0,K1) des ersten Kältemittels in dem dritten Wärmetauscher (130) aus dem gemessenen Momentandruck (p1,K1) und
    ∘ zum Ermitteln einer Regelabweichung zwischen einer vorgegebenen Soll-Differenz und einer Ist-Differenz, wobei die Ist-Differenz die Differenz zwischen der Verdampfungstemperatur (T0,K1) des ersten Kältemittels und der momentanen Temperatur (T1,K1) des ersten Kältemittels ist;
    - zum Ansteuern des Vorkühl-Expansionsventils (131) zum Einstellen eines Kältemassenstroms des ersten Kältemittels in Abhängigkeit der ermittelten Regelabweichung.
  2. Kompressionskälteanlage (100) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der dritte Wärmetauscher (130) einen Verdampfer (134) zum Verdampfen des ersten Kältemittels in dem dritten Wärmetauscher (130) aufweist.
  3. Kompressionskälteanlage (100) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Vorkühl-Expansionsventil (131) als ein schrittmotorgesteuertes Ventil ausgebildet ist, welches durch eine Veränderung des Querschnitts der Leitung (116, 116d, 117d) eine Durchflussmenge des ersten Kältemittels einstellt.
  4. Kompressionskälteanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    für die Kühlumgebung (400) angeordnet oder anordenbar sind:
    - ein erster Kammerverdampfer (105), der von dem ersten Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (I) durchströmt oder durchströmbar ist;
    - ein zweiter Kammerverdampfer (205), der von dem zweiten Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) durchströmt oder durchströmbar ist;
    - ein dritter Kammerverdampfer (304), der von dem dritten Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs (II) durchströmt oder durchströmbar ist.
  5. Kompressionskälteanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Druckleitung (315) den Verdichter (301) des dritten Kältemittelkreislaufs (III), mit dem Kondensator (302) des zweiten Wärmetauschers (230) verbindet und in der Druckleitung (315) zwischen dem Verdichter (301) und dem Kondensator (302) der dritte Wärmetauscher (130) angeordnet ist.
  6. Kompressionskälteanlage (100) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Druckleitung (315) zwischen dem zwischen dem Verdichter (301) und dem dritten Wärmetauscher (130) ein Vorkühler (310) des dritten Kältemittelkreislaufs (III) angeordnet ist.
  7. Kompressionskälteanlage (100) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Druckleitung (215) zwischen dem Verdichter (201) und dem ersten Wärmetauscher (120) ein Vorkühler (210) des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (110) des ersten Kühlreislaufs (I), der Vorkühler (210) des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) und der Vorkühler (310) des dritten Kältemittelkreislaufs (III) an einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf (119, 219, 319) anschließbar sind.
  8. Kompressionskälteanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der dritte Wärmetauscher (130) eine Wärmeübertragungsfläche aufweist und der zweite Wärmetauscher (210) eine Wärmeübertragungsfläche aufweist, wobei das Verhältnis der Wärmeübertragungsfläche des dritten Wärmetauschers (130) und der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Wärmetauschers (210) zwischen 14:28 und 22: 28, insbesondere 18:28 beträgt.
  9. Kompressionskälteanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Verdichter (101) des ersten Kältemittelkreislaufs (I), der Verdichter (201) des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) und/oder der Verdichter (301) des dritten Kältemittelkreislaufs (III) als Scrollverdichter ausgebildet sind.
  10. Kompressionskälteanlage (100) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem ersten Kältemittelkreislauf (I) und/oder dem zweiten Kältemittelkreislauf (II) und/oder dem dritten Kältemittelkreislauf (III) eine Leitung (116, 116c, 117c; 216, 216c, 217c; 316, 316c, 317c;) den jeweiligen Kondensator (102, 202, 302) mit dem jeweiligen Verdichter (101, 201, 301) verbindet, wobei in der Leitung (116, 116c, 117c; 216, 216c, 217c; 316, 316c, 317c;) zwischen dem Kondensator (102, 202, 302) und dem Verdichter (101, 201, 301) ein Verdichter-Expansionsventil (107, 207, 307) zum Einspritzen des Kältemittels in den Verdichter (101, 201, 301) angeordnet ist.
  11. Kompressionskälteanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im ersten Kältemittelkreislauf (I) als erstes Kältemittel eine Tetrafluorethan/ Pentafluorethan/Difluormethan-Mischung, im zweiten Kältemittelkreislauf (II) als zweites Kältemittel eine Trifluormethan/ Hexafluorethan-Mischung und im dritten Kältemittelkreislauf (III) als drittes Kältemittel Tetrafluormethan eingesetzt oder einsetzbar ist.
  12. Verfahren (600) zur Erzeugung von tiefen Temperaturen in einer Kühlumgebung, insbesondere einer Kältekammer (400), mit einer Kompressionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1-11, aufweisend mindestens drei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe (I, II, III),
    das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
    - Bereitstellen (601) der Kompressionskälteanlage (100)
    - Kühlen (602) der Kühlumgebung (400) mit einem ersten Kammerverdampfer (105) durch ein Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (I),
    - Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (603) eines Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (I) in einem ersten Wärmetauscher (120),
    - Kühlen (604) der Kühlumgebung (400) mit einem zweiten Kammerverdampfer (205) durch das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (II),
    - Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (605) eines Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs (III) durch das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) in einem zweiten Wärmetauscher (210) und durch das Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs (I) in einem dritten Wärmetauscher (130),
    - Kühlen (606) der Kühlumgebung (400) mit einem dritten Kammerverdampfer (304) durch das Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs (III)
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens (603) der Verdichter (201) des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) gestartet wird und/oder nach Beendigung des Vorkühlens und/oder Vorkondensierens (605) der Verdichter (301) des dritten Kältemittelkreislaufs (III) gestartet wird.
  13. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vor dem Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (603) des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) und/oder vor dem Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (605) des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs (III) ein Freigabeprüfschritt (607, 608) durchgeführt wird, wobei geprüft wird, ob eine vorab vorgegebene Temperatur (TKammer) in der Kühlumgebung (400) erreicht ist.
  14. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12-13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (603) des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) und/oder das Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (605) des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs (III) in einer vorab vorgegebenen Zeitdauer (Δt), bspw. 2-8 Minuten, durchgeführt wird.
  15. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12-14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (603) des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) ein Expansionsventil (203) und ein Kammer-Expansionsventil (206) des zweiten Kältemittelkreislaufs (II) teilweise geöffnet sind und/oder
    beim Vorkühlen und/oder Vorkondensieren (605) des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs (III) ein Expansionsventil (303) des dritten Kältemittelkreislaufs (III) teilweise geöffnet ist.
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