EP4191061A1 - Kühlkreislauf - Google Patents

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Publication number
EP4191061A1
EP4191061A1 EP21211901.0A EP21211901A EP4191061A1 EP 4191061 A1 EP4191061 A1 EP 4191061A1 EP 21211901 A EP21211901 A EP 21211901A EP 4191061 A1 EP4191061 A1 EP 4191061A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
compressor
cooling
supply
supply unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21211901.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robin Langebach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule Karlsruhe
Original Assignee
Hochschule Karlsruhe
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Karlsruhe filed Critical Hochschule Karlsruhe
Priority to EP21211901.0A priority Critical patent/EP4191061A1/de
Publication of EP4191061A1 publication Critical patent/EP4191061A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/006—Cooling of compressor or motor
    • F25B31/008—Cooling of compressor or motor by injecting a liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/16—Receivers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/02—Compressor arrangements of motor-compressor units
    • F25B31/023—Compressor arrangements of motor-compressor units with compressor of reciprocating-piston type

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration circuit and a method for operating a refrigeration circuit.
  • a refrigeration machine based on the compression refrigeration principle for cooling.
  • the basic components of such a refrigeration machine are a compressor (also called a compressor), a heat exchanger such as a condenser (air or water-cooled), a throttle element (usually an expansion valve) and an evaporator.
  • the compressor or compressor draws in the gaseous working substance, i.e. the refrigerant, from the evaporator.
  • the refrigerant is brought to a higher pressure in the compressor. This gas heats up. Now this compressed gas enters the heat exchanger or condenser, where it is cooled under almost constant pressure.
  • the refrigerant liquefies or cools down as a result of the heat extraction.
  • the refrigerant then reaches the throttling element, where it is expanded to a lower pressure.
  • the refrigerant begins to boil, i.e. to evaporate.
  • the environment cools down. This process runs continuously as long as the compressor is in operation.
  • the refrigerant is not consumed because it is in a closed circuit.
  • a cooling circuit comprising a refrigerant compressor with a suction connection and with a pressure chamber having a pressure connection, a condenser which is arranged in the cooling circuit following the pressure connection and has a fluid collection space in which a refrigerant supply is formed from refrigerant, an evaporator which is located in the cooling circuit between the condenser and the suction connection, and a supply unit which is connected on the one hand to the refrigerant supply and on the other hand to the pressure chamber for supplying Refrigerant from the refrigerant supply to the pressure chamber, which includes a pump unit for the refrigerant known.
  • the pump unit has a housing that is closed in a pressure-tight manner and is only provided with an inlet and an outlet as accesses, in whose pump chamber a pump element that can be moved for pumping the refrigerant is arranged.
  • semi-hermetic refrigerant compressors are mainly cooled with the cold suction gas from the refrigeration system.
  • the suction gas first flows around the motor and then goes to the suction chamber. This causes pressure losses and a corresponding heating of the suction gas before it enters the working space.
  • Both have a negative effect on the degree of delivery. Cooling by means of suction gas accordingly provokes a significant heating of the gas as well as an additional loss of pressure on the way into the working area.
  • Both are disadvantageous both for the degree of delivery and for the energetic efficiency.
  • the extent of the disadvantage depends on the structural design and the thermodynamic properties of the refrigerant.
  • the amount and the temperature of the available suction gas depends heavily on the operating point of the refrigeration system. In some cases, extremely high temperature differences of up to 100 K occur between the suction gas and the electric motor around which the flow occurs.
  • Compressed gas cooling is sometimes also used in hermetic compressors.
  • the gas which is already very hot, flows around the electric motor after compression. From a thermodynamic point of view, this type of cooling can be rated as comparatively favorable, but the outlet temperatures from the working area - depending on the thermodynamic properties of the refrigerant - are up to temperatures of 100 °C to 180 °C. Cooling is therefore only possible to a limited extent. Active cooling of the compression process is not carried out with the refrigerant from the system. Another disadvantage is that When flowing through the crankcase, significant amounts of refrigeration machine oil can be discharged and carried into the system.
  • Water cooling is also sometimes used in process gas compressors or very large industrial refrigerant compressors. These are expensive and require additional components for the water circuit, including the same cooling. In addition, there must be a hermetic separation between the coolant and the refrigerant.
  • the invention should enable needs-based and thermally homogeneous cooling of the working space and the compressor drive with one and the same working substance, i.e. refrigerant.
  • the terms “have”, “have”, “comprise” or “include” or any grammatical deviations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the features introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present.
  • the expression “A has B”, “A has B”, “A comprises B” or “A includes B” can both refer to the situation in which, apart from B, there is no other element in A ( ie to a situation in which A consists exclusively of B), as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even further elements.
  • cooling circuit is therefore proposed in a first aspect of the present invention.
  • the term "refrigeration cycle” is a broad term that should be given its ordinary and ordinary meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term may, without Restriction, refer in particular to a system and preferably closed system, which uses a compressor to transport thermal energy from a colder location to be cooled to a warmer environment.
  • the cooling circuit can be based on a thermodynamic cycle process.
  • the cooling circuit includes a refrigerant compressor with a compressor drive.
  • refrigerant compressor as used herein is a broad term which should be given its ordinary and ordinary meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term may refer particularly, without limitation, to a machine (fluid energy machine) that performs mechanical work on a confined gas. Compressors are used to compress gases. They increase the pressure and density of the gas.
  • compressor drive is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term may refer specifically, without limitation, to a machine or device configured to drive the refrigerant compressor to perform the compression process.
  • a driving machine is or includes a prime mover, which is also often referred to as a motor.
  • Another technical means is often a gear inserted between the driven working machine in the form of the refrigerant compressor and the driving machine, which changes the movement and/or the force or the torque.
  • Electric motors are preceded by at least one dynamo machine as an additional prime mover. This and the transmission lines are to be added to the extended drive.
  • the energy required to provide the driving force may be basic electrical energy or combustion energy, the former being common in the technical field of the invention.
  • the cooling circuit also includes a heat exchanger with a fluid collection space.
  • the fluid collection space is designed to form a refrigerant supply from refrigerant.
  • heat exchanger as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. In particular, the term may refer, without limitation, to an apparatus that transfers thermal energy from one stream of material to another.
  • the heat exchanger can be a condenser or gas cooler.
  • the term "liquefier” as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term can, without limitation, refer in particular to an apparatus in which a substance is converted from the gaseous state of aggregation to the liquid state of aggregation by condensation.
  • the term "liquefier” is used synonymously with the term “condenser”.
  • condensers are used to condense the vaporous refrigerant. This enables a closed cycle process in refrigeration systems.
  • gas cooler as used herein is a broad term which should be given its ordinary and ordinary meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. In particular, the term may refer, without limitation, to an apparatus that extracts heat from a gas and thus cools it. For example, in the case of supercritical operation, the refrigerant does not liquefy.
  • the refrigerant is thus liquefied in the heat exchanger in subcritical operation, as is the case with the usual commercially used refrigerants (except carbon dioxide - CO 2 ), but in supercritical operation the refrigerant is only cooled without this is liquefied.
  • fluid plenum is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term may refer particularly, without limitation, to a space where refrigerant is temporarily collected and stored. Thus, in the case of subcritical operation, liquid refrigerant collects in the fluid collection space, but in the case of supercritical operation, cooled, gaseous refrigerant collects.
  • the fluid collection space can be a liquid separator. The purpose of a liquid separator is to continuously supply liquid refrigerant to the expansion device and to store excess refrigerant in the circuit.
  • the cooling circuit further includes a supply unit.
  • the delivery unit has a pump.
  • the supply unit is connected to the fluid collection space and the refrigerant compressor.
  • the supply unit is for selectively supplying refrigerant from the refrigerant supply to at least one predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive by means of the pump at a predetermined pressure above a discharge pressure of the refrigerant compressor.
  • cooling spot is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art.
  • the term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term can, without limitation, refer in particular to a place where cooling takes place or is intended to take place.
  • heat is dissipated at the cooling point by means of the refrigerant, which absorbs heat in the process.
  • supply unit as used herein is a broad term which should be given its ordinary and ordinary meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term can, without limitation, relate in particular to a device that is set up to remove refrigerant from the fluid collection space and to convey it to the refrigerant compressor and/or the compressor drive, where the refrigerant is used to cool the refrigerant compressor and/or the compressor drive is used.
  • pump as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term may refer particularly, without limitation, to a pump that has a generates high pressure, the pressure generated is in any case above the discharge pressure of the refrigerant compressor.
  • the operating principle of the pump includes both mechanically and thermally driven pressure increases.
  • selected areas are cooled in or on a refrigerant compressor and alternatively or additionally selected areas of the compressor drive with a targeted supply of cooling refrigerant.
  • the refrigerant is supplied at a pressure above the high pressure in the refrigeration circuit.
  • the necessary pressure is provided by a pump for liquid or supercritical refrigerant.
  • refrigerant is taken from a reservoir on the high-pressure side in the liquid or supercritical state after the heat exchanger in the form of a condenser/gas cooler and compressed by a pump to a pressure level well above the high pressure.
  • this pressure level must be selected in such a way that no evaporation occurs due to pressure losses within the downstream lines and components.
  • the cooling circuit is designed in such a way that it is possible to switch at any time between cooling the selected areas of the refrigerant compressor alone, the compressor drive alone or the refrigerant compressor and the compressor drive together. This configuration of the cooling circuit results in an increase in efficiency.
  • the cooling circuit separates the main refrigerant flow for compression and the secondary refrigerant mass flow for cooling the compressor drive, such as a motor, and the compressor.
  • the cooling circuit allows the compression to be cooled by flowing around or through the liner and the valve plate and by spraying the refrigerant onto the underside of the piston crown.
  • the cooling circuit allows the compressor drive, such as an electric motor and any electronics that may be present, to be cooled by spraying the refrigerant in a targeted manner at the cooling points.
  • the invention is thus based on the provision of a separate refrigerant mass flow for cooling the compressor at a pressure level above the high pressure inside of the refrigeration system, if necessary even in the supercritical state.
  • the size of the separate refrigerant mass flow can be selected such that it is able to cool the compressor, in particular its drive, and also cool the compression process itself, such as the wall of the working space.
  • refrigerant for cooling is brought to the places where cooling is necessary.
  • the high heat transfer coefficients of nucleate or flow boiling can be used, which favors heat transfer over a small area.
  • the pressure change work for the cooling mass flow is realized exclusively by compressing liquid/supercritical fluid and is therefore particularly energy-efficient.
  • a particularly efficient way of cooling the working space and the electric motor is achieved without interacting with the suction gas. This improves the volumetric efficiency and the energy efficiency of the refrigerant compressor.
  • the components to be cooled are cooled more homogeneously and according to requirements. Minor leaks between the cooling mass flow and the main mass flow are irrelevant in terms of system operational safety.
  • the supply unit can be connected to the refrigerant compressor by means of at least one supply line and to the heat exchanger by means of at least one return line.
  • the predetermined pressure can be selected in such a way that it at least compensates for pressure losses in the supply line and the return line.
  • the pressure level should therefore be selected in such a way that the pressure loss within the downstream lines, throttles, ducts and the like is just overcome so that it can be returned to the condenser/gas cooler at the inlet.
  • the refrigerant compressor can be a reciprocating compressor with at least one working chamber and with at least one piston.
  • the piston can be movably arranged in the working space.
  • the working space can be delimited by at least one valve plate and one refrigerant compressor wall.
  • the predetermined cooling point can include at least the refrigerant compressor wall, the valve plate of the refrigerant compressor and/or an underside of the piston. This allows parts of the refrigerant compressor to be cooled particularly efficiently as required.
  • reciprocating compressor is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art.
  • the term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term may refer, without limitation, to a compressor in which the gas in a cylinder is drawn into the working space by a reciprocating piston, where it is compressed and then expelled again.
  • These compressors work cyclically, have comparatively low volume flows and high pressure ratios.
  • the suction and discharge valves are automatically working plate or lamella valves.
  • workspace as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term can, without limitation, refer in particular to a space of a compressor in which the compression of the gas takes place.
  • the working space is located between the compressor housing and one or more displacers, such as pistons. From the point of view of the flow of the working material in a compressor, the working space is located between a suction chamber, into which the gas is first drawn in, and a pressure chamber, into which the compressed gas is fed before it is discharged from the compressor.
  • a reciprocating compressor gas in a cylinder is drawn into the suction chamber by a reciprocating piston, compressed in the working space, and the compressed gas is ejected from the pressure chamber.
  • valve plate as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning.
  • the term can, without limitation, refer in particular to a plate-shaped component that closes the working space of a compressor and in which valves are arranged for admitting a fluid medium originating from a suction chamber into and discharging the fluid medium from the working space into a pressure chamber.
  • the valve plate is usually arranged on the side of the compressor housing which faces the top dead center of the piston.
  • the refrigerant compressor wall and/or the valve plate can have at least one refrigerant channel.
  • the supply unit can be fluidly connected to the refrigerant channel.
  • the refrigerant is thus preferably conducted in liquid form through one or more channels in the structure around the working space.
  • the channels are to be inserted in such a way that the geometric arrangement is to be expected at a temperature within the working space above that of the refrigerant used for cooling.
  • the refrigerant that is passed through absorbs heat and thus cools the walls of the working space.
  • the high heat transfer coefficients in nucleate or flow boiling can be used.
  • the flow through the valve plate is particularly advantageous.
  • the flow channels should be selected in such a way that the heat transfer to the actual suction gas is kept as low as possible.
  • the refrigerant mass flow through the individual channels should be selected in such a way that complete evaporation is achieved.
  • the fully evaporated or heated refrigerant is fed back into the main mass flow before the condenser/gas cooler.
  • the supply unit may be configured to spray the refrigerant onto the underside of the bulb. This allows the piston to be cooled particularly efficiently during the compression process.
  • the supply unit may have at least a first injection nozzle for spraying the refrigerant onto the underside of the piston.
  • the refrigerant is injected, which can preferably be done in such a way that the finely nebulized jet of refrigerant is applied to the underside of the piston in a well-distributed manner. This increases the surface area of the refrigerant available for heat transfer.
  • the compressor drive can have an electric motor with a stator and a rotor.
  • the predetermined cooling point can include the stator, the rotor and/or a gap between the stator and the rotor.
  • the coolant is brought to the electric motor and in particular the stator, rotor and air gap through suitable openings.
  • the refrigerant absorbs heat.
  • the heated refrigerant returns to the inlet side of the condenser/gas cooler via a recirculation system, possibly with oil separation.
  • the supply unit can be configured to spray the refrigerant onto the stator, the rotor and/or into the gap between the stator and the rotor. This allows the stator the rotor and/or the gap between the stator and the rotor are cooled particularly efficiently.
  • the supply unit can have at least one second injection nozzle for spraying the refrigerant onto the stator, the rotor, and/or into the gap between the stator and the rotor.
  • the refrigerant is injected, which can preferably be done in such a way that the finely nebulized jet of refrigerant is distributed well onto the stator, the rotor and/or into the gap between the stator and the rotor. This increases the surface area of the refrigerant available for heat transfer.
  • the electric motor can be arranged in a sealed motor housing. As a result, no refrigerant gets into the environment, so that operational reliability is increased.
  • the electric motor can be connected to power electronics.
  • the predetermined cooling point includes at least one component of the power electronics.
  • power electronics are also attached to the motor. This can also be used in particular in the automotive air-conditioning sector, since compact construction is required there and cooling is difficult.
  • power electronics as used herein is a broad term that should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term can, without limitation, relate in particular to components that are designed to convert electrical energy using switching electronic components. The conversion of electrical energy with converters, which are rotating machine sets consisting of an electric motor and generator, or power transformers are not counted as power electronics.
  • Typical power electronics components are diac (to control thyristors), bipolar power transistor (switched-mode power supplies and DC/DC converters), power MOSFET (switched-mode power supplies and DC/DC converters), GTO thyristors (integrated gate-commutated thyristors, IGCT) (high power converters), IGBT (switching power supplies, motor controls, converters), thyristors (power converters, semiconductor relays, pulse current sources), triac (dimmers, semiconductor relays), diodes for rectification and as freewheeling diodes (Schottky diodes for low voltages up to about 200 V, silicon diodes for voltages up to a few kilovolts), and power capacitors.
  • diac to control thyristors
  • bipolar power transistor switching-mode power supplies and DC/DC converters
  • power MOSFET switching-mode power supplies and DC/DC converters
  • GTO thyristors integrated gate
  • Rectifiers are used to generate direct current from alternating current. They consist of several non-controlled diodes or actively controlled components such as thyristors or IGBTs, which when connected together become rectifiers. In power electronics, in particular, three-phase rectifiers such as the six-pulse circuit or the twelve-pulse circuit are used. Controlled power converters are rectifier circuits that work with thyristors, GTO thyristors or IGBT and allow the output voltage to be continuously adjusted. Here, a phase control shifts the switching on of the electronic switches by an adjustable angle within the period. They are often able to feed the current from the DC side back into the grid (four-quadrant operation).
  • Inverters can convert direct current into alternating current.
  • DC converters are used with DC power supply with step-up converters (step-up converters, boost converters) and step-down converters (buck controllers, step-down converters).
  • step-up converters step-up converters, boost converters
  • step-down converters buck controllers, step-down converters
  • active PFC power factor correction
  • step-up converter connected downstream of the mains rectifier.
  • These DC converters work with bipolar transistors, MOSFET or IGBT. Instead of diodes, synchronous rectifiers are often implemented in DC choppers, so that it is in principle also possible here to feed back current.
  • AC power controllers are circuits with thyristors or triacs that are used to control the brightness of lamps (dimmers), the temperature of heating resistors or the control of magnetic coils or motors. Two thyristors connected in parallel in opposite directions or a triac also switch through both half-oscillations of the alternating current at a specific phase angle with phase control.
  • Semiconductor relays are electronic AC voltage switches and also work with thyristors or triacs, they have built-in electrical isolation between the mains and signal circuits and switch either immediately or always at the zero crossing of the AC voltage in order to prevent interference emissions.
  • Switching power supplies convert mains voltage into isolated, regulated direct voltages and work with a controlled inverter, which first generates a high-frequency alternating voltage from the rectified mains alternating voltage, which is then transformed and rectified.
  • Switching power supplies work with bipolar transistors, MOSFET or IGBT.
  • the refrigeration cycle can further include an aftercooler for cooling the refrigerant from the refrigerant supply.
  • the aftercooler increases the cooling capacity when cooling the compressor or its drive, since additional heat is extracted from the pressurized refrigerant.
  • the aftercooler can be designed, for example, to cool the refrigerant from the refrigerant supply to a temperature that is essentially identical to an ambient temperature of the cooling circuit.
  • the aftercooler can be arranged between the pump and the refrigerant compressor or the compressor drive.
  • the supply unit can be designed to supply essentially single-phase refrigerant from the refrigerant supply to the compressor and/or the compressor drive. Alternatively or additionally, the supply unit can be designed to supply refrigerant from the refrigerant supply to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive in a liquid or supercritical state. This enables very efficient cooling of the compression process.
  • the cooling circuit is suitable for operation in the subcritical as well as in the supercritical range of the refrigerant.
  • the cooling circuit can also include a control unit.
  • the control unit can be designed to control the timing of the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive.
  • the refrigerant can cool the refrigerant compressor and/or the compressor drive in a time-triggered manner by the control unit.
  • controller as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term can refer in particular, without limitation, to a central part of a computer in which arithmetic operations take place and which controls other functions.
  • the control unit can be designed to control the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive based at least on a temperature of the refrigerant compressor and/or the compressor drive be. Accordingly, the cooling of the refrigerant compressor and/or the compressor drive can take place as required, such as when a temperature threshold value for the refrigerant compressor and/or the compressor drive is exceeded.
  • the timing can include a point in time and/or a length of the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive. Accordingly, the point in time at which the refrigerant is supplied to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive and/or the length of the supply and thus the amount of refrigerant supplied can be controlled in a targeted manner.
  • selected areas in or on a refrigerant compressor and alternatively or additionally selected areas of the compressor drive are cooled with a targeted supply of cooling refrigerant.
  • the refrigerant is supplied at a pressure above the high pressure in the refrigeration cycle.
  • the necessary pressure is provided by a pump for liquid or supercritical refrigerant.
  • refrigerant on the high-pressure side is in the liquid or supercritical state after the heat exchanger in the form of a condenser/gas cooler from a reservoir and compressed by a pump to a pressure level well above the high pressure.
  • this pressure level must be selected in such a way that no evaporation occurs due to pressure losses within the downstream lines and components.
  • the cooling circuit is designed in such a way that it is possible to switch at any time between cooling the selected areas of the refrigerant compressor alone, the compressor drive alone or the refrigerant compressor and the compressor drive together. This configuration of the cooling circuit results in an increase in efficiency.
  • the method according to the invention separates the main refrigerant flow for compression and the secondary refrigerant mass flow for cooling the compressor drive, such as a motor, and the compressor.
  • the cooling circuit allows the compression to be cooled by flowing around or through the liner and the valve plate and by spraying the refrigerant onto the underside of the piston head.
  • the cooling circuit allows the compressor drive, such as an electric motor and any electronics that may be present, to be cooled by spraying the refrigerant in a targeted manner at the cooling points.
  • the invention is thus based on the provision of a separate refrigerant mass flow for cooling the compressor at a pressure level above the high pressure within the refrigeration system, if necessary even in the supercritical state.
  • the size of the separate refrigerant mass flow can be selected such that it is able to cool the compressor, in particular its drive, and also cool the compression process itself, such as the wall of the working space.
  • refrigerant for cooling is brought to the places where cooling is necessary.
  • the high heat transfer coefficients of nucleate or flow boiling can be used, which favors heat transfer over a small area.
  • the pressure change work for the cooling mass flow is realized exclusively by compressing liquid/supercritical fluid and is therefore particularly energy-efficient. A particularly efficient way of cooling the working space and the electric motor is achieved without interacting with the suction gas.
  • the degree of delivery and the energy efficiency of the Refrigerant compressor are thereby improved.
  • the components to be cooled are cooled more homogeneously and according to requirements. Minor leaks between the cooling mass flow and the main mass
  • the refrigerant from the refrigerant supply can be supplied to the predetermined cooling points of the refrigerant compressor and/or the compressor drive at a predetermined pressure above a discharge pressure of the refrigerant compressor.
  • the supply unit can be connected to the refrigerant compressor by means of at least one supply line and to the heat exchanger by means of at least one return line.
  • the predetermined pressure can be selected in such a way that it at least compensates for pressure losses in the supply line and the return line.
  • the pressure level should therefore be selected in such a way that the pressure loss within the downstream lines, throttles, ducts and the like is just overcome so that it can be returned to the condenser/gas cooler at the inlet.
  • the refrigerant compressor can be a reciprocating compressor with at least one working chamber and with at least one piston.
  • the piston can be movably arranged in the working space.
  • the working space can be delimited by at least one valve plate and one refrigerant compressor wall.
  • the predetermined cooling point can include at least the refrigerant compressor wall, the valve plate of the refrigerant compressor and/or an underside of the piston. This allows parts of the refrigerant compressor to be cooled particularly efficiently as required.
  • the refrigerant compressor wall and/or the valve plate can have at least one refrigerant channel.
  • the supply unit can be fluidly connected to the refrigerant channel.
  • the refrigerant can be supplied to the refrigerant channel.
  • the refrigerant is thus preferably conducted in liquid form through one or more channels in the structure around the working space.
  • the ducts are to be introduced in such a way that the geometrical arrangement is to be expected at a temperature within the working space above that of the refrigerant used for cooling.
  • the refrigerant that is passed through absorbs heat and thus cools the walls of the working space.
  • the high heat transfer coefficients in nucleate or flow boiling can be used.
  • the flow through the valve plate is particularly advantageous.
  • the flow channels should be selected in such a way that the heat transfer to the actual suction gas is kept as low as possible.
  • the refrigerant mass flow through the individual channels should be selected in such a way that complete evaporation is achieved.
  • the fully evaporated or heated refrigerant is fed back into the main mass flow before the condenser/gas cooler.
  • the refrigerant can be sprayed on the bottom of the bulb. This allows the piston to be cooled particularly efficiently during the compression process.
  • the refrigerant may be sprayed onto the underside of the piston using a first injection nozzle.
  • the refrigerant is injected, which can preferably be done in such a way that the finely nebulized jet of refrigerant is applied to the underside of the piston in a well-distributed manner. This increases the surface area of the refrigerant available for heat transfer.
  • the compressor drive can have an electric motor with a stator and a rotor.
  • the predetermined cooling point can include the stator, the rotor and/or a gap between the stator and the rotor.
  • the coolant is brought to the electric motor and in particular the stator, rotor and air gap through suitable openings.
  • the refrigerant absorbs heat.
  • the heated refrigerant returns to the inlet side of the condenser/gas cooler via a recirculation system, possibly with oil separation.
  • the refrigerant can be sprayed onto the stator, the rotor, and/or into the gap between the stator and the rotor.
  • the stator, the rotor and/or the gap between the stator and the rotor can thus be cooled particularly efficiently.
  • the refrigerant can be sprayed onto the stator, the rotor, and/or into the gap between the stator and the rotor by means of a second injection nozzle.
  • the refrigerant is injected, which can preferably be done in such a way that the finely nebulized jet of refrigerant is distributed well onto the stator, the rotor and/or into the gap between the stator and the rotor. This increases the surface area of the refrigerant available for heat transfer.
  • the electric motor can be placed in a sealed motor housing. As a result, no refrigerant gets into the environment, so that operational reliability is increased.
  • the electric motor can be connected to power electronics.
  • the predetermined cooling point includes at least one component of the power electronics.
  • the method may further include cooling the refrigerant from the refrigerant supply using an aftercooler.
  • the aftercooler increases the cooling capacity when cooling the compressor or its drive, since additional heat is extracted from the pressurized refrigerant.
  • the post-cooling can be carried out, for example, to cool the refrigerant from the refrigerant supply to a temperature that is essentially identical to an ambient temperature of the cooling circuit. After-cooling can take place between the pump and the refrigerant compressor or the compressor drive.
  • the refrigerant may be delivered from the refrigerant supply to the compressor and/or compressor drive in a substantially single phase state and/or in a liquid or supercritical state. This enables very efficient cooling of the compression process.
  • the cooling circuit is suitable for operation in the subcritical as well as in the supercritical range of the refrigerant.
  • the method may further include timing the delivery of the refrigerant to the predetermined refrigeration location of the refrigerant compressor and/or the compressor drive.
  • the refrigerant can cool the refrigerant compressor and/or the compressor drive in a time-triggered manner.
  • the delivery of the refrigerant to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive can be timed based at least on a temperature of the refrigerant compressor and/or the compressor drive. Accordingly, the cooling of the refrigerant compressor and/or the compressor drive can take place as required, such as when a temperature threshold value for the refrigerant compressor and/or the compressor drive is exceeded.
  • the timing can include a point in time and/or a length of the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive. Include refrigerant compressor and / or compressor drive. Accordingly, the point in time at which the refrigerant is supplied to the predetermined cooling point of the refrigerant compressor and/or the compressor drive and/or the length of the supply and thus the amount of refrigerant supplied can be controlled in a targeted manner.
  • a computer program with program code means is proposed in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is run on a computer or computer network.
  • the program code means can be stored on a computer-readable data carrier and/or a computer-readable storage medium.
  • computer-readable data carrier and “computer-readable storage medium” as used herein may refer to non-transitory data storage, for example a hardware data storage medium on which computer-executable instructions are stored.
  • the computer-readable data carrier or the computer-readable storage medium can in particular be or include a storage medium such as a random access memory (RAM) and/or a read-only memory (ROM).
  • RAM random access memory
  • ROM read-only memory
  • the present invention proposes a data carrier on which a data structure is stored which, after loading into a working memory and/or main memory of a computer or computer network, can execute the method according to the invention in one of its configurations.
  • a computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is also proposed within the scope of the present invention in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network.
  • a computer program product is understood as the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or on a computer-readable data medium, and can be distributed in particular via a data transmission network.
  • a modulated data signal which contains instructions that can be executed by a computer system or computer network for executing a method according to one of the described embodiments.
  • any of the method steps including the provision and/or manipulation of data can be performed using a computer or computer network.
  • these steps may include any of the method steps excluding steps that require manual labor, such as providing samples and/or certain aspects of making actual measurements.
  • FIG 1 shows a schematic circuit diagram of a cooling circuit 100 according to the invention.
  • the cooling circuit 100 comprises a refrigerant compressor 102 with a compressor drive 104.
  • the cooling circuit 100 further comprises a heat exchanger 106.
  • the heat exchanger 106 is connected to a pressure chamber of the refrigerant compressor 102, which is not shown in detail and has a pressure connection.
  • the heat exchanger 106 is a condenser or gas cooler.
  • the heat exchanger 106 is designed as a condenser in the case of NH 3 as the refrigerant and as a gas cooler in the case of CO 2 as the refrigerant.
  • the heat exchanger 106 has a fluid collection space 108 .
  • the fluid collection space 108 is designed to form a refrigerant reservoir of refrigerant.
  • the fluid collection space 108 is a collector or liquid separator depending on the refrigerant used.
  • the cooling circuit 100 also has an expansion element 110 connected to the heat exchanger 106 or the fluid collection space 108 and an evaporator 112, which is connected to the expansion element 110 and to a suction chamber of the refrigerant compressor 102, which is not shown in detail and has a suction connection connected is.
  • the cooling circuit 100 also includes a supply unit 114.
  • the supply unit 114 is connected to the fluid collection space 108 and the refrigerant compressor 102 and the compressor drive 104.
  • the supply unit 114 has a pump 116 .
  • Supply unit 114 is designed to selectively supply refrigerant from the refrigerant supply of fluid collection chamber 108 to at least one predetermined cooling point 118 of refrigerant compressor 102 and/or compressor drive 104 at a pressure above a discharge pressure of refrigerant compressor 102 by means of pump 116.
  • the predetermined cooling point 118 is shown here as an example of an expansion point.
  • the supply unit 114 is connected both to the fluid collection space 108 and to the refrigerant compressor 102 by means of at least one supply line 120 and to the heat exchanger 106 by means of at least one return line 122 .
  • the return line 122 extends from the refrigerant compressor 102 and opens into a refrigerant line 124 which connects the pressure chamber of the refrigerant compressor 102 and the heat exchanger 106 to one another.
  • the predetermined pressure is selected in such a way that it at least compensates for pressure losses in the supply line 120 and the return line 122 .
  • the pump 116 can be driven by its own drive. Alternatively, the pump can be driven directly by the refrigerant compressor 102 .
  • the pump 116 can either be connected to the refrigerant compressor 102 by means of a small gearbox or can be arranged or seated directly on the shaft of the refrigerant compressor 102 .
  • This optional embodiment has the advantage that a liquid line is laid back to the refrigerant compressor 102 which is at the pressure of the fluid collection space 108 (condensing pressure).
  • the geodetic arrangement of the pump 116 at a level below the fluid collection chamber is particularly advantageous. As a result, the pressure in front of or upstream of the pump 116 is immediately increased by the hydrostatic pressure and cavitation is further avoided or prevented.
  • the supply unit 114 for supplying essentially single-phase refrigerant from the refrigerant supply to the predetermined cooling point 118 by means of Pump 116 formed.
  • the supply unit 114 is also designed to supply refrigerant from the refrigerant supply to the predetermined cooling point 118 by means of the pump 116 in a liquid or supercritical state of the refrigerant.
  • the cooling circuit 100 also includes a control unit 126.
  • the control unit 126 is designed for timing the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point 118 by means of the pump 116.
  • the temporal control includes a point in time and/or a length of the supply of the refrigerant to the predetermined cooling point 118 by means of the pump 116.
  • the control unit 126 is designed to control the supply of refrigerant to the predetermined cooling point 118 by means of the pump 116 at least based on one Temperature of the refrigerant compressor 102 and/or the compressor drive 104.
  • the temporal control comprises a point in time and/or a length of time for the supply of the refrigerant to the refrigerant compressor 102 and/or the compressor drive 104.
  • the cooling circuit 100 further includes an optional aftercooler 128 for cooling the refrigerant from the refrigerant supply.
  • the aftercooler 128 is designed to cool the refrigerant from the refrigerant supply to a temperature that is essentially identical to an ambient temperature of the cooling circuit 100 .
  • the aftercooler 128 is positioned between the pump 116 and the refrigerant compressor 102 .
  • the embodiment shown can have the refrigerant compressor 102 a refrigerant compressor housing not shown in detail, in which the pump 116 is integrated.
  • the refrigerant coming from the evaporator 112 is sucked in by means of the refrigerant compressor 102 .
  • the sucked refrigerant is compressed by the refrigerant compressor 102 . This increases the pressure of the refrigerant.
  • the compressed refrigerant is then discharged from the refrigerant compressor 102 and fed to the heat exchanger 106 where it is cooled by the heat exchanger 106 .
  • the refrigerant can be recooled in supercritical operation and liquefied in subcritical operation. In any case, heat is extracted from the refrigerant.
  • the cooled refrigerant is then supplied to the fluid collection space 108 .
  • refrigerant reserve A portion of the refrigerant from the refrigerant supply is then fed to the expansion element 110, where the refrigerant expands. This part of the refrigerant is then fed to the evaporator 112, where it evaporates and is then sucked in again by the refrigerant compressor 102.
  • Another portion of the refrigerant from the refrigerant supply of the fluid collection space 108 is selectively supplied by the pump 116 to the predetermined cold spot 118 of the refrigerant compressor 102 and/or the compressor drive 104 by means of the pump 116 at a pressure above a discharge pressure of the refrigerant compressor 102.
  • the refrigerant from the refrigerant store is selectively supplied to the predetermined cooling point 118 of the refrigerant compressor 102 and/or the compressor drive 104 in an essentially single-phase state.
  • the refrigerant from the refrigerant supply is supplied by the pump 116 to the predetermined cooling point 118 of the refrigerant compressor 102 and/or the predetermined cooling point 118 of the compressor drive 104 in a liquid or supercritical state. If, for example, a temperature of the refrigerant compressor 102 exceeds a predetermined threshold value, but not a temperature of the compressor drive 104, the refrigerant is supplied exclusively to the predetermined cooling point 118 of the refrigerant compressor 102. For example, if a temperature of the compressor drive 104 exceeds a predetermined threshold value, but not a temperature of the refrigerant compressor 102 , the refrigerant is supplied exclusively to the predetermined cooling point 118 of the compressor drive 104 .
  • the refrigerant is supplied to predetermined cooling point 118 both of refrigerant compressor 102 and to predetermined cooling point 118 of compressor drive 104 .
  • the exact point at which the coolant is supplied can be controlled by the control unit 126 .
  • the control unit 126 temporally controls the supply of refrigerant, in particular the point in time and/or the length of the supply of refrigerant.
  • the refrigerant from the refrigerant store can be cooled by means of the aftercooler 128 .
  • the refrigerant from the refrigerant supply can be cooled by means of the aftercooler 128 to a temperature that is essentially identical to an ambient temperature of the cooling circuit 100 .
  • the aftercooler 128 can be arranged between the pump 116 and the refrigerant compressor 102 .
  • predetermined cold spot 118 Further details of the predetermined cold spot 118 are described below.
  • FIG 2 a schematic representation of a possible cooling point 118.
  • figure 2 shows a sectional view of the refrigerant compressor 102.
  • the refrigerant compressor 102 can be a reciprocating compressor 130 with at least one working chamber 132 and with at least one piston 134.
  • the piston 134 is movably arranged in the working chamber 132 .
  • the working space 132 is defined by at least one valve plate 136 and a refrigerant compressor wall 138 limited.
  • the valve plate 136 has at least one inlet valve 140 for admitting refrigerant from a suction chamber into the work space 136 and at least one outlet valve 142 for discharging compressed refrigerant from the work space 136 into a pressure chamber.
  • the predetermined cold spot 118 may include an underside 144 of the piston 134 .
  • the supply unit 114 is designed to spray the refrigerant onto the underside 144 of the piston 134 .
  • the supply unit 114 may include at least one first injection nozzle 146 for spraying the refrigerant onto the underside 144 of the piston 134 . Accordingly, in operation, the refrigerant is sprayed onto the underside 144 of the piston 134 by the first injector 146 .
  • the predetermined cold spot 118 may include the refrigerant compressor wall 138 .
  • the refrigerant compressor wall 138 can have at least one refrigerant channel 148 .
  • the refrigerant passage 148 may extend circumferentially around the piston 134 within the refrigerant compressor wall 138 .
  • the supply unit 114 is fluidly connected to the refrigerant channel 148 of the refrigerant compressor wall 138 .
  • the refrigerant is supplied from the supply unit to the refrigerant channel 148 of the refrigerant compressor wall 138 .
  • figure 4 shows a schematic representation of another possible cooling point 118. Only the differences to the cooling point of the figure 2 described and the same or comparable components are provided with the same reference numerals.
  • figure 4 shows a plan view of the refrigerant compressor 102.
  • the predetermined cold spot 118 may include the valve plate 136 .
  • the valve plate 136 can have at least one refrigerant channel 150 .
  • the coolant channel 150 can extend within the valve plate 136 in such a way that coolant can flow through the valve plate 136 in the areas of the pressure chamber of the coolant compressor 102 and thus in the high-temperature area.
  • the supply unit 114 is fluidly connected to the refrigerant channel 150 of the valve plate 136 . Accordingly, in operation, the refrigerant is supplied from the supply unit to the refrigerant channel 150 of the valve plate 136 .
  • figure 5 shows a schematic representation of another possible cooling point 118. Only the differences to the cooling point of the figure 2 described and the same or comparable components are provided with the same reference symbols.
  • figure 5 shows a sectional view of the refrigerant compressor 102 and the compressor drive 104.
  • the compressor drive 104 has, for example, an electric motor 152 with a stator 154 and a rotor 156.
  • the electric motor 152 may be housed in a sealed motor housing 158 .
  • the predetermined cooling point 118 comprises the stator 154, the rotor 156 and/or a gap 160 between the stator 154 and the rotor 156.
  • the supply unit 114 can be used to spray the refrigerant onto the stator 154, the rotor 156 and/or be formed in the gap 160 between the stator 154 and the rotor 156.
  • the supply unit can have at least one second injection nozzle 162 for spraying the refrigerant onto the stator 154, the rotor 156 and/or into the gap 160 between the stator 154 and the rotor 156.
  • the refrigerant is sprayed onto the stator 154, the rotor 156, and/or into the gap 160 between the stator 154 and the rotor 156 by the second injection nozzle 162.
  • the electric motor 152 can be connected to power electronics that are not shown in detail.
  • the predetermined cooling point 118 comprises at least one component of the power electronics.
  • FIG 6 shows a schematic representation of another possible cooling point 118. Only the differences to the cooling point of the figure 2 described and the same or comparable components are provided with the same reference numerals.
  • the invention is not limited to reciprocating compressors.
  • the refrigerant compressor may be a scroll compressor 164 .
  • the scroll compressor 164 may include a refrigerant passage 166 .
  • the refrigerant channel 166 can be arranged in a so-called backplate 168 of the scroll compressor 164 and can be fluidly connected to the supply unit 114 . In this way, the refrigerant passage 166 of the scroll compressor 164 allows refrigerant to flow through the backplate 168 during operation.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Kühlkreislauf (100) vorgeschlagen. Der Kühlkreislauf umfasst einen Kältemittelverdichter (102) mit einem Verdichterantrieb (104) zum Antreiben des Kältemittelverdichters (102), einen Wärmeübertrager (106) insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum (108), wobei der Fluidsammelraum (108) zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und eine Zufuhreinheit (114). Die Zufuhreinheit (114) weist eine Pumpe (116) auf. Die Zufuhreinheit (114) ist mit dem Fluidsammelraum (108) und dem Kältemittelverdichter (102) verbunden. Die Zufuhreinheit (114) ist zum wahlweisen Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) mittels der Pumpe (116) bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters (102) ausgebildet. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs (100) vorgeschlagen.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs.
    • Technischer Hintergrund
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Kühlung eine Kältemaschine nach dem Kompressionskälteprinzip zu verwenden. Grundsätzliche Komponenten einer solchen Kältemaschine sind ein Verdichter (auch Kompressor genannt), ein Wärmeübertrager, wie beispielsweise ein Verflüssiger (luft- oder wassergekühlt), ein Drosselorgan (meist Expansionsventil) und ein Verdampfer. Der Verdichter (bzw. Kompressor) saugt den gasförmigen Arbeitsstoff, also das Kältemittel, aus dem Verdampfer an. Das Kältemittel wird im Verdichter auf einen höheren Druck gebracht. Dabei erwärmt sich dieses Gas. Nun gelangt dieses komprimierte Gas in den Wärmeübertrager bzw. Verflüssiger, wo es unter nahezu gleichbleibendem Druck abgekühlt wird. Durch den Wärmeentzug verflüssigt sich das Kältemittel bzw. kühlt ab. Anschließend gelangt das Kältemittel zum Drosselorgan, wo es auf einen niedrigeren Druck entspannt wird. Unter Wärmezufuhr im nachgeschalteten Verdampfer beginnt das Kältemittel zu sieden, also zu verdampfen. Die Umgebung kühlt sich dabei ab. Dieser Vorgang läuft ununterbrochen, solange der Kompressor in Betrieb ist. Das Kältemittel verbraucht sich nicht, da es sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet.
  • Aus der WO 2015/071128 A1 ist ein Kühlkreislauf umfassend einen Kältemittelverdichter mit einem Sauganschluss und mit einer einen Druckanschluss aufweisenden Druckkammer, einen im Kühlkreislauf auf den Druckanschluss folgend angeordneten Verflüssiger mit einem Fluidsammelraum, in welchem sich ein Kältemittelvorrat aus Kältemittel bildet, einen im Kühlkreislauf zwischen dem Verflüssiger und dem Sauganschluss liegenden Verdampfer, und eine einerseits mit dem Kältemittelvorrat und andererseits mit der Drucckammer verbundene Zufuhreinheit zur Zufuhr von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der Druckkammer, welche eine Pumpeinheit für das Kältemittel umfasst, bekannt. Die Pumpeinheit weist ein druckdicht abgeschlossenes und nur mit einem Einlass sowie einem Auslass als Zugänge versehenes Gehäuse auf, in dessen Pumpkammer ein zum Pumpen des Kältemittels bewegbares Pumpelement angeordnet ist.
  • Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkreisläufe beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial.
  • Halbhermetische Kältemittelverdichter werden gemäß dem Stand der Technik überwiegend mit dem kalten Sauggas aus der Kälteanlage gekühlt. Dabei umströmt das Sauggas zunächst den Motor und geht anschließend zur Saugkammer. Dabei treten Druckverluste und eine entsprechende Aufheizung des Sauggases bis zum Eintritt in den Arbeitsraum auf. Beides wirkt sich negativ auf den Liefergrad aus. Die Kühlung mittels Sauggases provoziert entsprechend eine deutliche Aufheizung des Gases sowie einen zusätzlichen Druckverlust auf dem Weg in den Arbeitsraum. Beides ist nachteilig sowohl für den Liefergrad als auch für die energetische Effizienz. Die Höhe des Nachteils ist abhängig von der konstruktiven Gestaltung sowie von den thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels. Die Menge und die Temperatur des zur Verfügung stehenden Sauggases richtet sich stark nach dem Betriebspunt der Kälteanlage. Es treten teilweise extrem hohe Temperaturdifferenzen von bis zu 100 K zwischen dem Sauggas und dem umströmten Elektromotor auf.
  • In hermetischen Verdichtern wird mitunter auch eine Druckgaskühlung angewendet. Dabei umströmt das bereits stark erhitzte Gas nach der Verdichtung den Elektromotor. Thermodynamisch ist diese Variante der Kühlung als vergleichsweise günstig zu bewerten, allerdings liegen die Austrittstemperaturen aus dem Arbeitsraum - je nach thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels - bis zu Temperaturen von 100 °C bis 180 °C. Eine Kühlung ist damit nur eingeschränkt möglich. Eine aktive Kühlung des Verdichtungsvorganges wird mit dem Kältemittel aus der Anlage nicht durchgeführt. Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Durchströmen des Kurbelgehäuses nennenswerte Mengen an Kältemaschinenöl ausgetragen und in die Anlage verschleppt werden können.
  • In Prozessgasverdichtem oder sehr großen Industrie-Kältemittelverdichtern wird teilweise auch eine Wasserkühlung eingesetzt. Diese sind teuer und benötigen zusätzliche Komponenten für den Wasserkreislauf inklusive Kühlung desselben. Darüber hinaus muss eine hermetische Trennung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel erfolgen.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Es wäre daher wünschenswert, einen Kühlkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Kühlkreisläufe zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll die Erfindung eine bedarfsgerechte und thermisch homogene Kühlung des Arbeitsraums und des Verdichterantriebs mit ein und demselben Arbeitsstoff, d.h. Kältemittel, ermöglichen.
    • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird adressiert durch einen Kühlkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf, "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
  • Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe "mindestens ein" und "ein oder mehrere" sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
  • Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe "vorzugsweise", "insbesondere", "beispielsweise" oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch "in einer Ausführungsform der Erfindung" oder durch "in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung" eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Kühlkreislauf vorgeschlagen. Der Begriff "Kühlkreislauf', wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein System und bevorzugt geschlossenes System beziehen, das mittels eines Verdichters Wärmeenergie von einer kälteren, zu kühlenden, Stelle in eine wärmere Umgebung transportiert. Der Kühlkreislauf kann dabei auf einem thermodynamischen Kreisprozess beruhen.
  • Der Kühlkreislauf umfasst einen Kältemittelverdichter mit einem Verdichterantrieb.
  • Der Begriff "Kältemittelverdichter", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Maschine (Fluidenergiemaschine) beziehen, die einem eingeschlossenen Gas mechanische Arbeit zuführt. Verdichter werden zum Komprimieren von Gasen verwendet. Sie erhöhen den Druck und die Dichte des Gases.
  • Der Begriff "Verdichterantrieb", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Maschine oder Vorrichtung beziehen, die zum Antreiben des Kältemittelverdichters ausgebildet ist, so dass dieser den Verdichtungsprozess durchführt. Eine solche antreibende Maschine ist eine Kraftmaschine oder umfasst eine Kraftmaschine, die häufig auch als Motor bezeichnet wird. Weiteres technische Mittel ist häufig ein zwischen der angetriebenen Arbeitsmaschine in Form des Kältemittelverdichters und der antreibenden Maschine eingefügtes Getriebe, das die Bewegung und/oder die Kraft bzw. das Drehmoment ändert. Elektromotoren ist mindestens eine Dynamomaschine als weitere Kraftmaschine vorgeschaltet. Zum erweiterten Antrieb ist diese und sind die Übertragungsleitungen zuzuzählen. Die Energie, die benötigt wird, um die antreibende Kraft bereitzustellen, kann grundsätzliche elektrische Energie oder Verbrennungsenergie sein, wobei erstere auf dem technischen Gebiet der Erfindung üblich ist.
  • Der Kühlkreislauf umfasst weiterhin einen Wärmeübertrager mit einem Fluidsammelraum. Der Fluidsammelraum ist zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet. Der Begriff "Wärmeübertrager", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Apparat beziehen, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.
  • Der Wärmeübertrager kann ein Verflüssiger oder Gaskühler sein. Der Begriff "Verflüssiger", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Apparat beziehen, in welchem ein Stoff vom gasförmigen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand durch Kondensation überführt wird. Der Begriff "Verflüssiger" wird synonym zu dem Begriff "Kondensator" verwendet. In Kälteanlagen dienen Verflüssiger der Verflüssigung des dampfförmigen Kältemittels. Das ermöglicht in Kälteanlagen einen geschlossenen Kreisprozess. Der Begriff "Gaskühler", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Apparat beziehen, der einem Gas Wärme entzieht und dieses somit abkühlt. So erfolgt beispielsweise bei einer überkritischen Betriebsweise keine Verflüssigung des Kältemittels.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt in dem Wärmeübertrager somit bei unterkritischer Betriebsweise eine Verflüssigung des Kältemittels, wie dies bei den üblichen kommerziell eingesetzten Kältemitteln (außer Kohlendioxid - CO2) der Fall ist, jedoch bei überkritischer Betriebsweise nur eine Kühlung des Kältemittels, ohne dass dieses verflüssigt wird.
  • Der Begriff "Fluidsammelraum", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Raum beziehen, in dem Kältemittel vorrübergehend gesammelt und gespeichert wird. Somit sammelt sich bei unterkritischer Betriebsweise im Fluidsammelraum flüssiges Kältemittel, jedoch bei überkritischer Betriebsweise gekühltes, gasförmiges Kältemittel. Der Fluidsammelraum kann ein Flüssigkeitsabscheider sein. Der Zweck eines Flüssigkeitsabscheiders ist die kontinuierliche Zufuhr von flüssigem Kältemittel zum Expansionsorgan sowie das Speichern von überschüssigem Kältemittel im Kreislauf.
  • Der Kühlkreislauf umfasst weiterhin eine Zufuhreinheit. Die Zufuhreinheit weist eine Pumpe auf. Die Zufuhreinheit ist mit dem Fluidsammelraum und dem Kältemittelverdichter verbunden. Die Zufuhreinheit ist zum wahlweisen Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs mittels der Pumpe bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters ausgebildet.
  • Der Begriff "Kühlstelle", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Ort beziehen, an dem eine Kühlung stattfindet bzw. stattfinden soll. Entsprechend findet an der Kühlstelle eine Wärmeabfuhr mittels des Kältemittels statt, das dabei Wärme aufnimmt.
  • Der Begriff "Zufuhreinheit", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung beziehen, die eingerichtet ist, Kältemittel aus dem Fluidsammelraum zu entnehmen und dieses mittels zu dem Kältemittelverdichter und/oder dem Verdichterantrieb zu fördern, wo das Kältemittel zur Kühlung des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs verwendet wird.
  • Der Begriff "wahlweises Zuführen" und seine grammatikalischen Äquivalente, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein gezieltes oder gesteuertes Zuführen zu dem Kältemittelverdichter und/oder dem Verdichterantrieb in einer Weise verstanden werden, dass die Zufuhr parallel bzw. gemeinsam oder seriell bzw. einzeln erfolgt. Mit anderen Worten besteht eine Fluidverbindung von dem Fluidsammelraum grundsätzlich sowohl zu dem Kältemittelverdichter als auch zu dem Verdichterantrieb, die Zufuhr kann dabei so eingestellt werden, dass sie sowohl zu dem Kältemittelverdichter als auch zu dem Verdichterantrieb oder ausschließlich zu dem Kältemittelverdichter oder ausschließlich zu dem Verdichterantrieb erfolgt.
  • Der Begriff "Pumpe", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Pumpe beziehen, die einen hohen Druck erzeugt, der erzeugte Druck liegt dabei in jedem Fall oberhalb des Abgabedrucks des Kältemittelverdichters. Das Arbeitsprinzip der Pumpe umfasst dabei sowohl die mechanisch als auch die thermisch angetriebene Druckerhöhung.
  • Entsprechend erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf eine Kühlung ausgewählter Bereiche in oder an einem Kältemittelverdichter sowie alternativ oder zusätzlich ausgewählter Bereiche des Verdichterantriebs mit gezielter Zufuhr von kühlendem Kältemittel. Die Zufuhr von Kältemittel erfolgt mit einem Druck oberhalb des Hochdrucks im Kältekreislauf. Die notwendige Druckbereitstellung erfolgt durch eine Pumpe für flüssiges oder überkritisches Kältemittel. Zunächst wird Kältemittel auf der Hochdruckseite im flüssigen oder überkritischen Zustand nach dem Wärmeübertrager in Form eines Verflüssigers/Gaskühlers aus einem Reservoir entnommen und über eine Pumpe auf ein Druckniveau deutlich oberhalb des Hochdrucks komprimiert. Dieses Druckniveau ist einerseits so zu wählen, dass sowohl durch Druckverluste innerhalb der nachfolgenden Leitungen und Komponenten keinerlei Verdampfung auftritt. Andererseits muss ein hinreichendes Druckniveau erreicht werden, um eine Rückführung des Kältemittels nach Durchströmung der ausgewählten Bereiche des Kältemittelverdichters und/oder Verdichterantriebs zu dem Wärmeübertrager bzw. Verflüssiger zu ermöglichen. Dabei ist der Kühlkreislauf so gestaltet, dass jederzeit gewechselt werden kann zwischen einer Kühlung der ausgewählten Bereiche des Kältemittelverdichters alleine, des Verdichterantriebs alleine oder des Kältemittelverdichters und des Verdichterantriebs zusammen. Durch diese Ausgestaltung des Kühlkreislaufs wird eine Effizienzsteigerung realisiert.
  • Weiterhin wird durch den erfindungsgemäßen Kühlkreislauf eine Trennung von Hauptkältemittelstrom zur Verdichtung und Nebenkältemittelmassenstrom zur Kühlung von Verdichterantrieb, wie beispielsweise ein Motor, und Verdichter realisiert. Beispielsweise erlaubt der Kühlkreislauf eine Kühlung der Verdichtung durch Um- bzw. Durchströmung der Laufbuchse und der Ventilplatte sowie durch Sprühen des Kältemittels an die Unterseite des Kolbenbodens. Außerdem erlaubt der Kühlkreislauf eine Kühlung des Verdichterantriebs, wie beispielsweise eines Elektromotors und der ggf. vorhandenen Elektronik, durch gezieltes Sprühen des Kältemittels an die Kühlstellen.
  • Die Erfindung basiert somit auf der Bereitstellung eines separaten Kältemittelmassenstroms zur Kühlung des Verdichters auf einem Druckniveau oberhalb des Hochdrucks innerhalb der Kälteanlage, sofern notwendig sogar im überkritischen Zustand. Der separate Kältemittelmassenstrom kann in seiner Größe so gewählt werden, dass er gerade die Kühlung des Verdichters, insbesondere auch seines Antriebs realisiert und zusätzlich den Verdichtungsvorgang, wie beispielsweise die Wandung des Arbeitsraums, selbst kühlen kann. Hierbei wird Kältemittel zur Kühlung gezielt an die Stellen gebracht, wo Kühlung notwendig ist. Die hohen Wärmeübergangskoeffizienten des Blasen- bzw. Strömungssiedens können genutzt werden, was den Wärmeübergang auf kleiner Fläche begünstigt. Die Druckänderungsarbeit für den Kühlmassenstrom wird ausschließlich durch eine Verdichtung von Flüssigkeit/überkritischem Fluid realisiert und ist damit besonders energieeffizient. Es wird eine besonders effiziente Art der Kühlung des Arbeitsraums und des Elektromotors erzielt, ohne dabei mit dem Sauggas zu interagieren. Der Liefergrad und die Energieeffizienz des Kältemittelverdichters werden dadurch verbessert. Die zu kühlenden Bauteile werden homogener und bedarfsgerechter gekühlt. Kleinere Leckagen zwischen Kühlmassenstrom und Hauptmassenstrom sind unerheblich im Sinne der Anlagenbetriebssicherheit.
  • Die Zufuhreinheit kann mittels mindestens einer Zufuhrleitung mit dem Kältemittelverdichter und mittels mindestens einer Rückführungsleitung mit dem Wärmeübertrager verbunden sein. Dabei kann der vorbestimmte Druck so gewählt sein, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung und der Rückführungsleitung kompensiert. Somit ist das Druckniveau so zu wählen, dass die Druckverluste innerhalb der nachfolgenden Leitungen, Drosseln, Kanälen und dergleichen gerade überwunden wird, um am Eintritt in den Verflüssiger/Gaskühler wieder rückgeführt zu werden können.
  • Der Kältemittelverdichter kann ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Arbeitsraum und mit mindestens einem Kolben sein. Dabei kann der Kolben beweglich in dem Arbeitsraum angeordnet sein. Der Arbeitsraum kann von mindestens einer Ventilplatte und einer Kältemittelverdichterwand begrenzt sein. Die vorbestimmte Kühlstelle kann mindestens die Kältemittelverdichterwand, die Ventilplatte des Kältemittelverdichters und/oder eine Unterseite des Kolbens umfassen. Damit lassen sich besonders effizient Teile des Kältemittelverdichters nach Bedarf kühlen.
  • Der Begriff" Hubkolbenverdichter ", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Verdichter beziehen, bei dem das Gas in einem Zylinder von einem hin- und hergehenden Kolben in den Arbeitsraum angesaugt, dort verdichtet und wieder ausgestoßen wird. Diese Verdichter arbeiten zyklisch, haben vergleichsweise geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse. Ansaug- und Auslassventil sind selbststätig arbeitende Platten- oder Lamellenventile.
  • Der Begriff "Arbeitsraum", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Raum eines Verdichters beziehen, in dem die Verdichtung des Gases stattfindet. Der Arbeitsraum befindet sich zwischen dem Verdichtergehäuse und einem oder mehreren Verdrängern, wie beispielsweise Kolben. Der Arbeitsraum befindet sich aus Sicht des Flusses des Arbeitsstoffs bei einem Verdichter zwischen einer Saugkammer, in die das Gas zunächst eingesaugt wird, und einer Druckkammer, der das verdichtete Gas zugeführt wird, bevor es aus dem Verdichter ausgestoßen wird. Beispielsweise wird bei einem Hubkolbenverdichter Gas in einem Zylinder von einem hin- und hergehenden Kolben in die Saugkammer angesaugt, im Arbeitsraum verdichtet und das verdichtete Gas aus der Druckkammer wieder ausgestoßen.
  • Der Begriff "Ventilplatte", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein plattenförmiges Bauteil beziehen, das den Arbeitsraum eines Verdichters verschließt und in welchem Ventile zum Einlassen eines aus einem Saugkammer stammendend fluiden Mediums in und Auslassen des fluiden Mediums aus dem Arbeitsraum in eine Druckkammer angeordnet sind. Bei einem Hubkolbenverdichter ist die Ventilplatte üblicherweise auf der dem oberen Totpunkt des Kolbens zugewandten Seite des Verdichtergehäuses angeordnet.
  • Die Kältemittelverdichterwand und/oder die Ventilplatte können mindestens einen Kältemittelkanal aufweisen. Dabei kann die Zufuhreinheit mit dem Kältemittelkanal fluidverbunden sein. Das Kältemittel wird somit vorzugsweise in flüssiger Form durch einen oder mehrere Kanäle in der Struktur um den Arbeitsraum geleitet. Die Kanäle sind so einzubringen, dass die geometrische Anordnung auf eine Temperatur innerhalb des Arbeitsraumes oberhalb derer des zur Kühlung verwendeten Kältemittels zu erwarten ist. Beim Durchströmen nimmt das durchgeleitete Kältemittel Wärme auf und kühlt damit die Wände des Arbeitsraumes. Dabei können insbesondere die hohen Wärmeübergangskoeffizienten beim Blasen- bzw. Strömungssieden genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist das Durchströmen der Ventilplatte. Hierbei sollen die Strömungskanäle so gewählt sein, dass die Wärmeübertragung auf das eigentliche Sauggas möglichst geringgehalten wird. Der Kältemittelmassenstrom durch die einzelnen Kanäle soll so gewählt sein, dass gerade ein vollständiges Verdampfen realisiert wird. Das vollständig verdampfte bzw. erwärmte Kältemittel wird vor dem Verflüssiger/Gaskühler wieder in den Hauptmassenstrom zurückgeführt.
  • Die Zufuhreinheit kann zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite des Kolbens ausgebildet sein. Damit kann der Kolben besonders effizient während des Verdichtungsvorgangs gekühlt werden.
  • Die Zufuhreinheit kann mindestens eine erste Einspritzdüse zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite des Kolbens aufweisen. Dadurch wird ein Eindüsen des Kältemittels realisiert, das entsprechend vorzugsweise so geschehen kann, dass der fein vernebelte Kältemittelstrahl gut verteilt auf die Unterseite des Kolbens aufgebracht wird. Dadurch wird die Oberfläche des Kältemittels, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, vergrößert.
  • Der Verdichterantrieb kann einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor aufweisen. Dabei kann die vorbestimmte Kühlstelle den Stator, den Rotor, und/oder einen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor umfassen. Das Kältemittel wird durch geeignete Öffnungen gezielt an den Elektromotor und insbesondere Stator, Rotor, Luftspalt gebracht. Dabei nimmt das Kältemittel Wärme auf. Über eine Rückführung ggf. mit Ölabscheidung gelangt das erwärmte Kältemittel zurück auf die Eingangsseite des Verflüssigers/Gaskühlers.
  • Die Zufuhreinheit kann zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildet sein. Damit kann der Stator, der Rotor, und/oder der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor besonders effizient gekühlt werden.
  • Die Zufuhreinheit kann mindestens eine zweite Einspritzdüse zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweisen. Dadurch wird ein Eindüsen des Kältemittels realisiert, das entsprechend vorzugsweise so geschehen kann, dass der fein vernebelte Kältemittelstrahl gut verteilt auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor gebracht wird. Dadurch wird die Oberfläche des Kältemittels, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, vergrößert.
  • Der Elektromotor kann in einem abgedichteten Motorgehäuse angeordnet sein. Dadurch gelangt kein Kältemittel in die Umgebung, so dass die Betriebssicherheit erhöht wird.
  • Der Elektromotor kann mit einer Leistungselektronik verbunden sein. Dabei umfasst die vorbestimmte Kühlstelle mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik. Bei neueren Verdichtern ist beispielsweise zusätzlich an den Motor noch eine Leistungselektronik angebracht. Das ist insbesondere auch im Kfz-Klimabereich einsetzbar, da dort kompakt gebaut werden muss und die Kühlung schwierig ist.
  • Der Begriff "Leistungselektronik", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf Bauteile beziehen, die zur Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen ausgebildet sind. Die Umformung elektrischer Energie mit Umformern, das sind rotierende Maschinensätze bestehend aus einem Elektromotor und Generator, oder auch Leistungstransformatoren werden nicht zur Leistungselektronik gerechnet. Typische Bauteile der Leistungselektronik sind Diac (zur Ansteuerung von Thyristoren), bipolarer Leistungstransistor (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler), Leistungs-MOSFET (Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler), GTO-Thyristor (Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT) (Stromrichter großer Leistung), IGBT (Schaltnetzteile, Motorsteuerungen, Umrichter), Thyristor (Stromrichter, Halbleiterrelais, Impulsstromquellen), Triac (Dimmer, Halbleiterrelais), Dioden zur Gleichrichtung und als Freilaufdioden (Schottkydioden für kleine Spannungen bis etwa 200 V, Siliziumdioden für Spannungen bis einige Kilovolt), und Leistungskondensatoren.
  • Gleichrichter dienen dazu, aus Wechselstrom Gleichstrom zu generieren. Sie bestehen aus mehreren nicht gesteuerten Dioden oder aktiv gesteuerten Bauelementen wie Thyristoren oder IGBTs, die durch ihre Zusammenschaltung zu Gleichrichtern werden. In der Leistungselektronik werden insbesondere Dreiphasengleichrichter wie die Sechspulsschaltung oder die Zwölfpulsschaltung angewendet. Als gesteuerte Stromrichter werden Gleichrichter-Schaltungen bezeichnet, die mit Thyristoren, GTO-Thyristoren oder IGBT arbeiten und es gestatten, die Ausgangsspannung stufenlos zu verstellen. Hier verschiebt eine Phasenanschnittsteuerung das Einschalten der elektronischen Schalter innerhalb der Periode um einen einstellbaren Winkel. Sie sind oft in der Lage, den Strom von der Gleichstromseite auch zurück ins Netz zu speisen (Vierquadrantenbetrieb). Wechselrichter (auch Inverter) können Gleichspannung in Wechselspannung umwandeln. Gleichstromsteller werden bei Gleichstromspeisung mit Aufwärtswandlem (Hochsetzstellern engl. step up converter, boost converter) und Abwärtswandlern (Tiefsetzstellern, buck-Regler, step down converter). Auch die sogenannte "aktive PFC" (Leistungsfaktorkorrektur) arbeitet mit einem dem Netzgleichrichter nachgeschalteten Aufwärtswandler. Diese Gleichstromsteller arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT. Oft werden bei Gleichstromstellern statt Dioden Synchrongleichrichter realisiert, sodass es prinzipiell auch hier möglich ist, Strom zurückzuspeisen. Als Wechselstromsteller werden Schaltungen mit Thyristoren oder Triacs bezeichnet, mit denen Helligkeitssteuerungen von Lampen (Dimmer), Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen oder Motoren realisiert werden. Zwei gegenläufig parallel geschaltete Thyristoren oder ein Triac schalten hier ebenfalls mit einer Phasenanschnittsteuerung beide Halbschwingungen des Wechselstromes in einem bestimmten Phasenwinkel durch. Halbleiterrelais (engl. solid state relay) sind elektronische Wechselspannungsschalter und arbeiten ebenfalls mit Thyristoren oder Triac, sie verfügen über eine eingebaute Potentialtrennung zwischen Netz- und Signalstromkreis und schalten entweder sofort oder stets im Nulldurchgang der Wechselspannung, um so Störemissionen zu verhindern. Schaltnetzteile wandeln Netzspannung in potentialgetrennte, geregelte Gleichspannungen um und arbeiten mit einem gesteuerten Wechselrichter, der aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung zunächst eine Wechselspannung hoher Frequenz erzeugt, die anschließend transformiert und gleichgerichtet wird. Schaltnetzteile arbeiten mit Bipolartransistoren, MOSFET oder IGBT.
  • Der Kühlkreislauf kann weiterhin einen Nachkühler zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat umfassen. Der Nachkühler erhöht die Kühlungsleistung beim Kühlen des Verdichters bzw. dessen Antriebs, da dem unter Druck stehenden Kältemittel zusätzlich Wärme entzogen wird. Der Nachkühler kann beispielsweise ausgebildet sein zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs ist. Der Nachkühler kann zwischen der Pumpe und dem Kältemittelverdichter bzw. dem Verdichterantrieb angeordnet sein.
  • Die Zufuhreinheit kann zum Zuführen von im Wesentlichen einphasigen Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu dem Verdichter und/oder Verdichterantrieb ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Zufuhreinheit zum Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs in einem flüssigen oder überkritischen Zustand ausgebildet sein. Dadurch wird ein sehr effizientes Kühlen des Verdichtungsvorgangs ermöglicht. Dabei eignet sich der Kühlkreislauf für eine Betriebsweise im unterkritischen als auch im überkritischen Bereich des Kältemittels.
  • Der Kühlkreislauf kann weiterhin eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann zum zeitlichen Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs ausgebildet sein. Entsprechend kann das Kältemittel zeitlich getriggert durch die Steuereinheit den Kältemittelverdichter und/oder den Verdichterantrieb kühlen.
  • Der Begriff "Steuereinheit", wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen zentralen Bestandteil eines Computers beziehen, in dem Rechenoperationen ablaufen und der weitere Funktionen steuert.
  • Die Steuereinheit kann zum Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs ausgebildet sein. Entsprechend kann die Kühlung des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs nach Bedarf erfolgen, wie beispielsweise bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts für den Kältemittelverdichter und/oder den Verdichterantrieb.
  • Das zeitliche Steuern kann einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs umfassen. Entsprechend lässt sich der Zeitpunkt der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs und/oder auch die Länge der Zufuhr und somit die Menge des zugeführten Kältemittels gezielt steuern.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs vorgeschlagen. Der Kühlkreislauf weist einen Kältemittelverdichter mit einem Verdichterantrieb zum Antreiben des Kältemittelverdichters, einen Wärmeübertrager, insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum, wobei der Fluidsammelraum zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und eine Zufuhreinheit auf. Die Zufuhreinheit ist mit dem Fluidsammelraum und dem Kältemittelverdichter verbunden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
    • Ansaugen eines Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters,
    • Verdichten des Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters,
    • Kühlen, insbesondere Rückkühlen und/oder Verflüssigen, des Kältemittels mittels des Wärmeübertragers,
    • Zuführen des gekühlten Kältemittels zu dem Fluidsammelraum, und
    • wahlweises Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs.
  • Entsprechend erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kühlung ausgewählter Bereiche in oder an einem Kältemittelverdichter sowie alternativ oder zusätzlich ausgewählter Bereiche des Verdichterantriebs mit gezielter Zufuhr von kühlendem Kältemittel. Die Zufuhr von Kältemittel erfolgt mit einem Druck oberhalb des Hochdrucks im Kältekreislauf. Die notwendige Druckbereitstellung erfolgt durch eine Pumpe für flüssiges oder überkritisches Kältemittel. Zunächst wird Kältemittel auf der Hochdruckseite im flüssigen oder überkritischen Zustand nach dem Wärmeübertrager in Form eines Verflüssigers/Gaskühlers aus einem Reservoir entnommen und über eine Pumpe auf ein Druckniveau deutlich oberhalb des Hochdrucks komprimiert. Dieses Druckniveau ist einerseits so zu wählen, dass sowohl durch Druckverluste innerhalb der nachfolgenden Leitungen und Komponenten keinerlei Verdampfung auftritt. Andererseits muss ein hinreichendes Druckniveau erreicht werden, um eine Rückführung des Kältemittels nach Durchströmung der ausgewählten Bereiche des Kältemittelverdichters und/oder Verdichterantriebs zu dem Wärmeübertrager bzw. Verflüssiger zu ermöglichen. Dabei ist der Kühlkreislauf so gestaltet, dass jederzeit gewechselt werden kann zwischen einer Kühlung der ausgewählten Bereiche des Kältemittelverdichters alleine, des Verdichterantriebs alleine oder des Kältemittelverdichters und des Verdichterantriebs zusammen. Durch diese Ausgestaltung des Kühlkreislaufs wird eine Effizienzsteigerung realisiert.
  • Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Trennung von Hauptkältemittelstrom zur Verdichtung und Nebenkältemittelmassenstrom zur Kühlung von Verdichterantrieb, wie beispielsweise ein Motor, und Verdichter realisiert. Beispielsweise erlaubt der Kühlkreislauf eine Kühlung der Verdichtung durch Um- bzw. Durchströmung der Laufbuchse und der Ventilplatte sowie durch Sprühen des Kältemittels an die Unterseite des Kolbenbodens. Außerdem erlaubt der Kühlkreislauf eine Kühlung des Verdichterantriebs, wie beispielsweise eines Elektromotors und der ggf. vorhandenen Elektronik, durch gezieltes Sprühen des Kältemittels an die Kühlstellen.
  • Die Erfindung basiert somit auf der Bereitstellung eines separaten Kältemittelmassenstroms zur Kühlung des Verdichters auf einem Druckniveau oberhalb des Hochdrucks innerhalb der Kälteanlage, sofern notwendig sogar im überkritischen Zustand. Der separate Kältemittelmassenstrom kann in seiner Größe so gewählt werden, dass er gerade die Kühlung des Verdichters, insbesondere auch seines Antriebs realisiert und zusätzlich den Verdichtungsvorgang, wie beispielsweise die Wandung des Arbeitsraums, selbst kühlen kann. Hierbei wird Kältemittel zur Kühlung gezielt an die Stellen gebracht, wo Kühlung notwendig ist. Die hohen Wärmeübergangskoeffizienten des Blase- bzw. Strömungssiedens können genutzt werden, was den Wärmeübergang auf kleiner Fläche begünstigt. Die Druckänderungsarbeit für den Kühlmassenstrom wird ausschließlich durch eine Verdichtung von Flüssigkeit/überkritischem Fluid realisiert und ist damit besonders energieeffizient. Es wird eine besonders effiziente Art der Kühlung des Arbeitsraums und des Elektromotors erzielt, ohne dabei mit dem Sauggas zu interagieren. Der Liefergrad und die Energieeffizienz des Kältemittelverdichters werden dadurch verbessert. Die zu kühlenden Bauteile werden homogener und bedarfsgerechter gekühlt. Kleinere Leckagen zwischen Kühlmassenstrom und Hauptmassenstrom sind unerheblich im Sinne der Anlagenbetriebssicherheit.
  • Das Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat kann zu den vorbestimmten Kühlstellen des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters zugeführt werden.
  • Die Zufuhreinheit mittels mindestens einer Zufuhrleitung mit dem Kältemittelverdichter und mittels mindestens einer Rückführungsleitung mit dem Wärmeübertrager verbunden sein. Dabei kann der vorbestimmte Druck so gewählt werden, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung und der Rückführungsleitung kompensiert. Somit ist das Druckniveau so zu wählen, dass die Druckverluste innerhalb der nachfolgenden Leitungen, Drosseln, Kanälen und dergleichen gerade überwunden wird, um am Eintritt in den Verflüssiger/Gaskühler wieder rückgeführt zu werden können.
  • Der Kältemittelverdichter kann ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Arbeitsraum und mit mindestens einem Kolben sein. Dabei kann der Kolben beweglich in dem Arbeitsraum angeordnet sein. Der Arbeitsraum kann von mindestens einer Ventilplatte und einer Kältemittelverdichterwand begrenzt sein. Die vorbestimmte Kühlstelle kann mindestens die Kältemittelverdichterwand, die Ventilplatte des Kältemittelverdichters und/oder eine Unterseite des Kolbens umfassen. Damit lassen sich besonders effizient Teile des Kältemittelverdichters nach Bedarf kühlen.
  • Die Kältemittelverdichterwand und/oder die Ventilplatte können mindestens einen Kältemittelkanal aufweisen. Dabei kann die Zufuhreinheit mit dem Kältemittelkanal fluidverbunden werden. Das Kältemittel kann dem Kältemittelkanal zugeführt werden. Das Kältemittel wird somit vorzugsweise in flüssiger Form durch einen oder mehrere Kanäle in der Struktur um den Arbeitsraum geleitet. Die Kanäle sind so einzubringen, dass die geometrische Anordnung auf eine Temperatur innerhalb des Arbeitsraumes oberhalb derer des zur Kühlung verwendeten Kältemittels zu erwarten ist. Beim Durchströmen nimmt das durchgeleitete Kältemittel Wärme auf und kühlt damit die Wände des Arbeitsraumes. Dabei können insbesondere die hohen Wärmeübergangskoeffizienten beim Blasen- bzw. Strömungssieden genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist das Durchströmen der Ventilplatte. Hierbei sollen die Strömungskanäle so gewählt sein, dass die Wärmeübertragung auf das eigentliche Sauggas möglichst geringgehalten wird. Der Kältemittelmassenstrom durch die einzelnen Kanäle soll so gewählt sein, dass gerade ein vollständiges Verdampfen realisiert wird. Das vollständig verdampfte bzw. erwärmte Kältemittel wird vor dem Verflüssiger/Gaskühler wieder in den Hauptmassenstrom zurückgeführt.
  • Das Kältemittel kann auf die Unterseite des Kolbens gesprüht werden. Damit kann der Kolben besonders effizient während des Verdichtungsvorgangs gekühlt werden.
  • Das Kältemittel kann auf die Unterseite des Kolbens mittels einer ersten Einspritzdüse gesprüht werden. Dadurch wird ein Eindüsen des Kältemittels realisiert, das entsprechend vorzugsweise so geschehen kann, dass der fein vernebelte Kältemittelstrahl gut verteilt auf die Unterseite des Kolbens aufgebracht wird. Dadurch wird die Oberfläche des Kältemittels, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, vergrößert.
  • Der Verdichterantrieb kann einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor aufweisen. Dabei kann die vorbestimmte Kühlstelle den Stator, den Rotor, und/oder einen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor umfassen. Das Kältemittel wird durch geeignete Öffnungen gezielt an den Elektromotor und insbesondere Stator, Rotor, Luftspalt gebracht. Dabei nimmt das Kältemittel Wärme auf. Über eine Rückführung ggf. mit Ölabscheidung gelangt das erwärmte Kältemittel zurück auf die Eingangsseite des Verflüssigers/Gaskühlers.
  • Das Kältemittel kann auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor gesprüht werden. Damit kann der Stator, der Rotor, und/oder der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor besonders effizient gekühlt werden.
  • Das Kältemittel kann auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor mittels einer zweiten Einspritzdüse gesprüht werden. Dadurch wird ein Eindüsen des Kältemittels realisiert, das entsprechend vorzugsweise so geschehen kann, dass der fein vernebelte Kältemittelstrahl gut verteilt auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor gebracht wird. Dadurch wird die Oberfläche des Kältemittels, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, vergrößert.
  • Der Elektromotor in einem abgedichteten Motorgehäuse kann angeordnet werden. Dadurch gelangt kein Kältemittel in die Umgebung, so dass die Betriebssicherheit erhöht wird.
  • Der Elektromotor kann mit einer Leistungselektronik verbunden werden. Dabei umfasst die vorbestimmte Kühlstelle mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik.
  • Das Verfahren kann weiterhin Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat mittels eines Nachkühlers umfassen. Der Nachkühler erhöht die Kühlungsleistung beim Kühlen des Verdichters bzw. dessen Antriebs, da dem unter Druck stehenden Kältemittel zusätzlich Wärme entzogen wird. Das Nachkühlen kann beispielsweise durchgeführt werden zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs ist. Das Nachkühlen kann zwischen der Pumpe und dem Kältemittelverdichter bzw. dem Verdichterantrieb erfolgen.
  • Das Kältemittel kann im Wesentlichen in einem einphasigen Zustand aus dem Kältemittelvorrat zu dem Verdichter und/oder Verdichterantrieb und/oder in einem flüssigen oder überkritischen Zustand zugeführt werden. Dadurch wird ein sehr effizientes Kühlen des Verdichtungsvorgangs ermöglicht. Dabei eignet sich der Kühlkreislauf für eine Betriebsweise im unterkritischen als auch im überkritischen Bereich des Kältemittels.
  • Das Verfahren kann weiterhin zeitliches Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs umfassen. Entsprechend kann das Kältemittel zeitlich getriggert den Kältemittelverdichter und/oder den Verdichterantrieb kühlen.
  • Die Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs kann zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs zeitlich gesteuert werden. Entsprechend kann die Kühlung des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs nach Bedarf erfolgen, wie beispielsweise bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts für den Kältemittelverdichter und/oder den Verdichterantrieb.
  • Das zeitliche Steuern kann einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs umfassen. Kältemittelverdichter und/oder Verdichterantrieb umfassen. Entsprechend lässt sich der Zeitpunkt der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs und/oder auch die Länge der Zufuhr und somit die Menge des zugeführten Kältemittels gezielt steuern.
  • Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
  • Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
  • Der Begriffe "computerlesbarer Datenträger" und "computerlesbares Speichermedium", wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
  • Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits-und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
  • Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
  • Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
  • Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
  • Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:
    • Ausführungsform 1: Kühlkreislauf umfassend
      • einen Kältemittelverdichter mit einem Verdichterantrieb zum Antreiben des Kältemittelverdichters,
      • einen Wärmeübertrager insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum, wobei der Fluidsammelraum zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und
      • eine Zufuhreinheit, wobei die Zufuhreinheit eine Pumpe aufweist, wobei die Zufuhreinheit mit dem Fluidsammelraum und dem Kältemittelverdichter verbunden ist, wobei die Zufuhreinheit zum wahlweisen Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs mittels der Pumpe bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 2: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhreinheit mittels mindestens einer Zufuhrleitung mit dem Kältemittelverdichter und mittels mindestens einer Rückführungsleitung mit dem Wärmeübertrager verbunden ist, wobei der vorbestimmte Druck so gewählt ist, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung und der Rückführungsleitung kompensiert.
    • Ausführungsform 3: Kühlkreislauf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Kältemittelverdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Arbeitsraum und mit mindestens einem Kolben ist, wobei der Kolben beweglich in dem Arbeitsraum angeordnet ist, wobei der Arbeitsraum von mindestens einer Ventilplatte und einer Kältemittelverdichterwand begrenzt ist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle mindestens die Kältemittelverdichterwand, die Ventilplatte des Kältemittelverdichters und/oder eine Unterseite des Kolbens umfasst.
    • Ausführungsform 4: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Kältemittelverdichterwand und/oder die Ventilplatte mindestens einen Kältemittelkanal aufweist, wobei die Zufuhreinheit mit dem Kältemittelkanal fluidverbunden ist.
    • Ausführungsform 5: Kühlkreislauf nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Zufuhreinheit zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite des Kolbens ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 6: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhreinheit mindestens eine erste Einspritzdüse zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite des Kolbens aufweist.
    • Ausführungsform 7: Kühlkreislauf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Verdichterantrieb einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor aufweist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle den Stator, den Rotor, und/oder einen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor umfasst.
    • Ausführungsform 8: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhreinheit zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 9: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhreinheit mindestens eine zweite Einspritzdüse zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist.
    • Ausführungsform 10: Kühlkreislauf nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Elektromotor in einem abgedichteten Motorgehäuse angeordnet ist.
    • Ausführungsform 11: Kühlkreislauf nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Elektromotor mit einer Leistungselektronik verbunden ist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik umfasst.
    • Ausführungsform 12: Kühlkreislauf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, weiterhin umfassend einen Nachkühler zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat, insbesondere zum Kühlen auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs ist.
    • Ausführungsform 13: Kühlkreislauf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Zufuhreinheit zum Zuführen von im Wesentlichen einphasigen Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu dem Verdichter und/oder Verdichterantrieb ausgebildet ist und/oder wobei die Zufuhreinheit zum Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs in einem flüssigen oder überkritischen Zustand ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 14: Kühlkreislauf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, weiterhin umfassend eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit zum zeitlichen Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs ausgebildet ist.
    • Ausführungsform 15: Kühlkreislauf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zum Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs.
    • Ausführungsform 16: Kühlkreislauf nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das zeitliche Steuern einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs umfasst.
    • Ausführungsform 17: Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs, wobei der Kühlkreislauf einen Kältemittelverdichter mit einem Verdichterantrieb zum Antreiben des Kältemittelverdichters, einen Wärmeübertrager insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum, wobei der Fluidsammelraum zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und eine Zufuhreinheit, wobei die Zufuhreinheit mit dem Fluidsammelraum und dem Kältemittelverdichter verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst:
      • Ansaugen eines Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters,
      • Verdichten des Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters,
      • Kühlen, insbesondere Rückkühlen und/oder Verflüssigen, des Kältemittels mittels des Wärmeübertragers,
      • Zuführen des gekühlten Kältemittels zu dem Fluidsammelraum, und
      • wahlweises Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters.
    • Ausführungsform 18: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhreinheit mittels mindestens einer Zufuhrleitung mit dem Kältemittelverdichter und mittels mindestens einer Rückführungsleitung mit dem Wärmeübertrager verbunden ist, wobei der vorbestimmte Druck so gewählt wird, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung und der Rückführungsleitung kompensiert.
    • Ausführungsform 19: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 19, wobei der Kältemittelverdichter ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Arbeitsraum und mit mindestens einem Kolben ist, wobei der Kolben beweglich in dem Arbeitsraum angeordnet ist, wobei der Arbeitsraum von mindestens einer Ventilplatte und einer Kältemittelverdichterwand begrenzt ist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle mindestens die Kältemittelverdichterwand, die Ventilplatte des Kältemittelverdichters und/oder eine Unterseite des Kolbens umfasst.
    • Ausführungsform 20: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Kältemittelverdichterwand und/oder die Ventilplatte mindestens einen Kältemittelkanal aufweist, wobei die Zufuhreinheit mit dem Kältemittelkanal fluidverbunden wird, wobei das Kältemittel dem Kältemittelkanal zugeführt wird.
    • Ausführungsform 21: Verfahren nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Kältemittel auf die Unterseite des Kolbens gesprüht wird.
    • Ausführungsform 22: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Kältemittel auf die Unterseite des Kolbens mittels einer ersten Einspritzdüse gesprüht wird.
    • Ausführungsform 23: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 23, wobei der Verdichterantrieb einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor aufweist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle den Stator, den Rotor, und/oder einen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor umfasst.
    • Ausführungsform 24: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Kältemittel auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor gesprüht wird.
    • Ausführungsform 25: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Kältemittel auf den Stator, den Rotor, und/oder in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor mittels einer zweiten Einspritzdüse gesprüht wird.
    • Ausführungsform 26: Verfahren nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Elektromotor in einem abgedichteten Motorgehäuse angeordnet wird.
    • Ausführungsform 27: Verfahren nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Elektromotor mit einer Leistungselektronik verbunden wird, wobei die vorbestimmte Kühlstelle mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik umfasst.
    • Ausführungsform 28: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 27, weiterhin umfassend Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat, insbesondere Kühlen auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs ist, mittels eines Nachkühlers.
    • Ausführungsform 29: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 28, wobei das Kältemittel im Wesentlichen in einem einphasigen Zustand aus dem Kältemittelvorrat zu dem Verdichter und/oder Verdichterantrieb und/oder in einem flüssigen oder überkritischen Zustand zugeführt wird.
    • Ausführungsform 30: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 29, weiterhin umfassend zeitliches Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs.
    • Ausführungsform 31: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs zeitlich gesteuert wird.
    • Ausführungsform 32: Verfahren nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das zeitliche Steuern einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle des Kältemittelverdichters und/oder des Verdichterantriebs umfasst.
    Kurze Beschreibung der Figuren
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
  • Im Einzelnen zeigen:
    • Figur 1
    ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer möglichen Kühlstelle;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle;
    Figur 4
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle;
    Figur 5
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle; und
    Figur 6
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs 100. Der Kühlkreislauf 100 umfasst einen Kältemittelverdichter 102 mit einem Verdichterantrieb 104. Der Kühlkreislauf 100 umfasst weiterhin einen Wärmeübertrager 106. Der Wärmeübertrager 106 ist mit einer nicht näher gezeigten und einen Druckanschluss aufweisenden Druckkammer des Kältemittelverdichters 102 verbunden. Der Wärmeübertrager 106 ist in Abhängigkeit von dem verwendeten Kältemittel ein Verflüssiger oder Gaskühler. Beispielsweise ist der Wärmeübertrager 106 im Fall von NH3 als Kältemittel als Verflüssiger und im Fall von CO2 als Kältemittel als Gaskühler ausgebildet. Der Wärmeübertrager 106 weist einen Fluidsammelraum 108 auf. Der Fluidsammelraum 108 ist zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet. Der Fluidsammelraum 108 ist in Abhängigkeit von dem verwendeten Kältemittel ein Sammler oder Flüssigkeitsabscheider.
  • Um einen geschlossenen Kühlkreislauf 100 zu realisieren weist der Kühlkreislauf 100 weiterhin ein mit dem Wärmeübertrager 106 bzw. dem Fluidsammelraum 108 verbundenes Expansionsorgan 110 und einen Verdampfer 112 auf, der mit dem Expansionsorgan 110 und mit einer nicht näher gezeigten und einen Sauganschluss aufweisenden Saugkammer des Kältemittelverdichters 102 verbunden ist.
  • Der Kühlkreislauf 100 umfasst weiterhin eine Zufuhreinheit 114. Die Zufuhreinheit 114 ist mit dem Fluidsammelraum 108 und dem Kältemittelverdichter 102 sowie dem Verdichterantrieb 104 verbunden. Die Zufuhreinheit 114 weist eine Pumpe 116 auf. Die Zufuhreinheit 114 ist zum wahlweisen Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat des Fluidsammelraums 108 zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle 118 des Kältemittelverdichters 102 und/oder des Verdichterantriebs 104 bei einem Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters 102 mittels der Pumpe 116 ausgebildet. Die vorbestimmte Kühlstelle 118 ist dabei beispielhaft als Expansionsstelle dargestellt. So ist die Zufuhreinheit 114 mittels mindestens einer Zufuhrleitung 120 sowohl mit dem Fluidsammelraum 108 als auch mit dem Kältemittelverdichter 102 und mittels mindestens einer Rückführungsleitung 122 mit dem Wärmeübertrager 106 verbunden ist. Beispielsweise erstreckt sich die Rückführungsleitung 122 von dem Kältemittelverdichter 102 ausgehend und mündet eine Kältemittelleitung 124, die die Druckkammer des Kältemittelverdichters 102 und den Wärmeübertrager 106 miteinander verbindet. Dabei ist der vorbestimmte Druck so gewählt, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung 120 und der Rückführungsleitung 122 kompensiert.
  • Die Pumpe 116 kann von einem eigenen Antrieb angetrieben werden. Alternativ kann die Pumpe mit durch den Kältemittelverdichter 102 direkt angetrieben werden. Beispielsweise kann die Pumpe 116 entweder mittels eines kleinen Getriebes mit dem Kältemittelverdichter 102 verbunden oder direkt auf der Welle des Kältemittelverdichter 102 angeordnet sein bzw. sitzen. Diese optionale Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine Flüssigkeitsleitung zurück zum Kältemittelverdichter 102 gelegt wird, die auf dem Druck des Fluidsammelraums 108 (Verflüssigungsdruck) liegt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die geodätische Anordnung der Pumpe 116 auf einem Höhenniveau unterhalb des Fluidsammelraums. Dadurch wird durch den hydrostatischen Druck gleich der Druck vor bzw. stromaufwärts der Pumpe 116 erhöht und Kavitation weiter vermieden oder verhindert.
  • Insbesondere ist die Zufuhreinheit 114 zum Zuführen von im Wesentlichen einphasigen Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 mittels der Pumpe 116 ausgebildet. So ist die Zufuhreinheit 114 weiterhin zum Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 mittels der Pumpe 116 in einem flüssigen oder überkritischen Zustand des Kältemittels ausgebildet ist.
  • Der Kühlkreislauf 100 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 126. Die Steuereinheit 126 ist zum zeitlichen Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 mittels der Pumpe 116 ausgebildet. Das zeitliche Steuern umfasst einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 mittels der Pumpe 116. So ist die Steuereinheit 126 ausgebildet zum Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 mittels der Pumpe 116 zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters 102 und/oder des Verdichterantriebs 104. Das zeitliche Steuern umfasst dabei einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu dem Kältemittelverdichter 102 und/oder Verdichterantrieb 104.
  • Der Kühlkreislauf 100 umfasst weiterhin einen optionalen Nachkühler 128 zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat. Der Nachkühler 128 ist ausgebildet zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs 100 ist. Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Nachkühler 128 zwischen der Pumpe 116 und dem Kältemittelverdichter 102 angeordnet. Abweichend zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform kann der Kältemittelverdichter 102 ein nicht näher gezeigtes Kältemittelverdichtergehäuse aufweisen, in dem die Pumpe 116 integriert ist.
  • Nachstehend wird anhand der Figur 1 ein Verfahren zum Betreiben des Kühlkreislaufs 100 beschrieben. Das vom Verdampfer 112 kommende Kältemittel wird mittels des Kältemittelverdichters 102 angesaugt. Das angesaugte Kältemittel wird mittels des Kältemittelverdichters 102 verdichtet. Dabei erhöht sich der Druck des Kältemittels. Das verdichtete Kältemittel wird anschließend vom Kältemittelverdichter 102 abgegeben und dem Wärmeübertrager 106 zugeführt, wo es mittels des Wärmeübertragers 106 gekühlt wird. Dabei kann das Kältemittel bei überkritischer Betriebsweise rückgekühlt und bei unterkritischer Betriebsweise verflüssigt werden. In jedem Fall wird dem Kältemittel Wärme entzogen. Nachfolgend wird das gekühlte Kältemittel dem Fluidsammelraum 108 zugeführt. Dort bildet es einen Kältemittelvorrat. Ein Teil des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat wird dann dem Expansionsorgan 110 zugeführt, wo sich das Kältemittel entspannt. Anschließend wird dieser Teil des Kältemittels dem Verdampfer 112 zugeführt, wo es verdampft und anschließend wieder vom Kältemittelverdichter 102 angesaugt wird.
  • Ein anderer Teil des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat des Fluidsammelraums 108 wird von der Pumpe 116 wahlweise zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Kältemittelverdichters 102 und/oder des Verdichterantriebs 104 mittels der Pumpe 116 bei einem Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters 102 zugeführt. Insbesondere wird mittels der Pumpe 116 das Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat wahlweise zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Kältemittelverdichters 102 und/oder des Verdichterantriebs 104 in einem im Wesentlichen einphasigen Zustand zugeführt. So wird mittels der Pumpe 116 das Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Kältemittelverdichters 102 und/oder der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Verdichterantriebs 104 in einem flüssigen oder überkritischen Zustand zugeführt. Überschreitet beispielsweise eine Temperatur des Kältemittelverdichters 102 einen vorbestimmten Schwellwert, nicht jedoch eine Temperatur des Verdichterantriebs 104, wird das Kältemittel ausschließlich der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Kältemittelverdichters 102 zugeführt. Überschreitet beispielsweise eine Temperatur des Verdichterantriebs 104 einen vorbestimmten Schwellwert, nicht jedoch eine Temperatur des Kältemittelverdichters 102, wird das Kältemittel ausschließlich der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Verdichterantriebs 104 zugeführt. Überschreitet beispielsweise dahingegen eine Temperatur sowohl des Kältemittelverdichters 102 als auch des Verdichterantriebs 104 einen vorbestimmten Schwellwert, wird das Kältemittel der vorbestimmten Kühlstelle 118 sowohl des Kältemittelverdichters 102 als auch der vorbestimmten Kühlstelle 118 des Verdichterantriebs 104 zugeführt. Die exakte Stelle der Zufuhr des Kältemittels kann dabei von der Steuereinheit 126 gesteuert werden. Die Steuereinheit 126 steuert dabei die Zufuhr an Kältemittel zeitlich, insbesondere den Zeitpunkt und/oder die Länge der Zufuhr an Kältemittel.
  • Optional kann das Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat mittels des Nachkühlers 128 gekühlt werden. Dabei kann das Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat mittels des Nachkühlers 128 auf eine Temperatur gekühlt werden, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs 100 ist. Zu diesem Zweck kann der Nachkühler 128 zwischen der Pumpe 116 und dem Kältemittelverdichter 102 angeordnet werden.
  • Nähere Details zu der vorbestimmten Kühlstelle 118 werden nachstehend beschrieben.
  • Figur 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Kühlstelle 118. Figur 2 zeigt dabei eine Schnittansicht des Kältemittelverdichters 102. Der Kältemittelverdichter 102 kann ein Hubkolbenverdichter 130 mit mindestens einem Arbeitsraum 132 und mit mindestens einem Kolben 134 sein. Dabei ist der Kolben 134 beweglich in dem Arbeitsraum 132 angeordnet. Der Arbeitsraum 132 ist von mindestens einer Ventilplatte 136 und einer Kältemittelverdichterwand 138 begrenzt. Die Ventilplatte 136 weist mindestens ein Einlassventil 140 zum Einlassen von Kältemittel aus einer Saugkammer in den Arbeitsraum 136 und mindestens ein Auslassventil 142 zum Auslassen von verdichteten Kältemittel aus dem Arbeitsraum 136 in eine Druckkammer auf. Wie in Figur 2 gezeigt kann die vorbestimmte Kühlstelle 118 eine Unterseite 144 des Kolbens 134 umfassen. Beispielsweise ist die Zufuhreinheit 114 zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite 144 des Kolbens 134 ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Zufuhreinheit 114 mindestens eine erste Einspritzdüse 146 zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite 144 des Kolbens 134 aufweisen. Entsprechend wird bei Betrieb das Kältemittel auf die Unterseite 144 des Kolbens 134 mittels der ersten Einspritzdüse 146 gesprüht.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle 118. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Kühlstelle der Figur 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie in Figur 3 gezeigt kann die vorbestimmte Kühlstelle 118 die Kältemittelverdichterwand 138 umfassen. Zu diesem Zweck kann die Kältemittelverdichterwand 138 mindestens einen Kältemittelkanal 148 aufweisen. Der Kältemittelkanal 148 kann sich innerhalb der Kältemittelverdichterwand 138 in Umfangsrichtung um den Kolben 134 erstrecken. Die Zufuhreinheit 114 ist mit dem Kältemittelkanal 148 der Kältemittelverdichterwand 138 fluidverbunden. Entsprechend wird im Betrieb das Kältemittel von der Zufuhreinheit dem Kältemittelkanal 148 der Kältemittelverdichterwand 138 zugeführt.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle 118. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Kühlstelle der Figur 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 4 zeigt dabei eine Draufsicht des Kältemittelverdichters 102. Wie in Figur 4 gezeigt kann die vorbestimmte Kühlstelle 118 die Ventilplatte 136 umfassen. Zu diesem Zweck kann die Ventilplatte 136 mindestens einen Kältemittelkanal 150 aufweisen. Der Kältemittelkanal 150 kann sich innerhalb der Ventilplatte 136 derart erstrecken, dass eine Durchströmung der Ventilplatte 136 mit Kältemittel in den Bereichen der Druckkammer des Kältemittelverdichters 102 und somit im Hochtemperaturbereich erlaubt. Die Zufuhreinheit 114 ist mit dem Kältemittelkanal 150 der Ventilplatte 136 fluidverbunden. Entsprechend wird im Betrieb das Kältemittel von der Zufuhreinheit dem Kältemittelkanal 150 der Ventilplatte 136 zugeführt.
  • Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle 118. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Kühlstelle der Figur 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 5 zeigt dabei eine Schnittansicht des Kältemittelverdichters 102 und des Verdichterantriebs 104. Der Verdichterantrieb 104 weist beispielsweise einen Elektromotor 152 mit einem Stator 154 und einem Rotor 156 auf. Der Elektromotor 152 kann in einem abgedichteten Motorgehäuse 158 angeordnet sein. Die vorbestimmte Kühlstelle 118 umfasst bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Stator 154, den Rotor 156 und/oder einen Spalt 160 zwischen dem Stator 154 und dem Rotor 156. Die Zufuhreinheit 114 kann zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator 154, den Rotor 156 und/oder in den Spalt 160 zwischen dem Stator 154 und dem Rotor 156 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Zufuhreinheit mindestens eine zweite Einspritzdüse 162 zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator 154, den Rotor 156 und/oder in den Spalt 160 zwischen dem Stator 154 und dem Rotor 156 aufweisen. Entsprechend wird bei Betrieb das Kältemittel auf den Stator 154, den Rotor 156 und/oder in den Spalt 160 zwischen dem Stator 154 und dem Rotor 156 mittels der zweiten Einspritzdüse 162 gesprüht. Optional kann der Elektromotor 152 mit einer nicht näher gezeigten Leistungselektronik verbunden sein. Dabei umfasst die vorbestimmte Kühlstelle 118 mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik.
  • Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Kühlstelle 118. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der Kühlstelle der Figur 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie in Figur 6 gezeigt ist, ist die Erfindung nicht auf Hubkolbenverdichter beschränkt. Stattdessen kann es sich bei dem Kältemittelverdichter um einen Scrollverdichter 164 handeln. Der Scrollverdichter 164 kann einen Kältemittelkanal 166 aufweisen. Der Kältemittelkanal 166 kann in einer sogenannten Backplate 168 des Scrollverdichters 164 angeordnet sein und mit der Zufuhreinheit 114 fluidverbunden sein. Auf diese Weise ermöglicht der Kältemittelkanal 166 des Scrollverdichters 164 bei Betrieb eine Durchströmung der Backplate 168 mit Kältemittel.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kühlkreislauf
    102
    Kältemittelverdichter
    104
    Verdichterantrieb
    106
    Wärmeübertrager
    108
    Fluidsammelraum
    110
    Expansionsorgan
    112
    Verdampfer
    114
    Zufuhreinheit
    116
    Pumpe
    118
    Kühlstelle
    120
    Zufuhrleitung
    122
    Rückführungsleitung
    124
    Kältemittelleitung
    126
    Steuereinheit
    128
    Nachkühler
    130
    Hubkolbenverdichter
    132
    Arbeitsraum
    134
    Kolben
    136
    Ventilplatte
    138
    Kältemittelverdichterwand
    140
    Einlassventil
    142
    Auslassventil
    144
    Unterseite des Kolbens
    146
    erste Einspritzdüse
    148
    Kältemittelkanal der Kältemittelverdichterwand
    150
    Kältemittelkanal der Ventilplatte
    152
    Elektromotor
    154
    Stator
    156
    Rotor
    158
    Motorgehäuse
    160
    Spalt zwischen Stator und dem Rotor
    162
    zweite Einspritzdüse
    164
    Scrollverdichter
    166
    Kältemittelkanal des Scrollverdichters
    168
    Backplate

Claims (15)

  1. Kühlkreislauf (100) umfassend
    einen Kältemittelverdichter (102) mit einem Verdichterantrieb (104) zum Antreiben des Kältemittelverdichters (102),
    einen Wärmeübertrager (106) insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum (108), wobei der Fluidsammelraum (108) zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und
    eine Zufuhreinheit (114), wobei die Zufuhreinheit (114) eine Pumpe (116) aufweist, wobei die Zufuhreinheit (114) mit dem Fluidsammelraum (108) und dem Kältemittelverdichter (102) verbunden ist, wobei die Zufuhreinheit (114) zum wahlweisen Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) mittels der Pumpe (116) bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters (102) ausgebildet ist.
  2. Kühlkreislauf (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zufuhreinheit (114) mittels mindestens einer Zufuhrleitung (120) mit dem Kältemittelverdichter (102) und mittels mindestens einer Rückführungsleitung (122) mit dem Wärmeübertrager (106) verbunden ist, wobei der vorbestimmte Druck so gewählt ist, dass er mindestens Druckverluste in der Zufuhrleitung (120) und der Rückführungsleitung (122) kompensiert.
  3. Kühlkreislauf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kältemittelverdichter (102) ein Hubkolbenverdichter (130) mit mindestens einem Arbeitsraum (132) und mit mindestens einem Kolben (134) ist, wobei der Kolben (134) beweglich in dem Arbeitsraum (132) angeordnet ist, wobei der Arbeitsraum (132) von mindestens einer Ventilplatte (136) und einer Kältemittelverdichterwand (138) begrenzt ist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle (118) mindestens die Kältemittelverdichterwand (138), die Ventilplatte (136) des Kältemittelverdichters (102) und/oder eine Unterseite (144) des Kolbens (134) umfasst.
  4. Kühlkreislauf (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kältemittelverdichterwand (138) und/oder die Ventilplatte (136) mindestens einen Kältemittelkanal (148, 150) aufweist, wobei die Zufuhreinheit (114) mit dem Kältemittelkanal (148, 150) fluidverbunden ist.
  5. Kühlkreislauf (100) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zufuhreinheit (114) zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite (144) des Kolbens (134) ausgebildet ist.
  6. Kühlkreislauf (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zufuhreinheit (114) mindestens eine erste Einspritzdüse (146) zum Sprühen des Kältemittels auf die Unterseite (144) des Kolbens (134) aufweist.
  7. Kühlkreislauf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichterantrieb (104) einen Elektromotor (152) mit einem Stator (154) und einem Rotor (156) aufweist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle (118) den Stator (154), den Rotor (156), und/oder einen Spalt (160) zwischen dem Stator (154) und dem Rotor (156) umfasst.
  8. Kühlkreislauf (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zufuhreinheit (114) zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator (154), den Rotor (156), und/oder in den Spalt (160) zwischen dem Stator (154) und dem Rotor (156) ausgebildet ist.
  9. Kühlkreislauf (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zufuhreinheit (114) mindestens eine zweite Einspritzdüse (162) zum Sprühen des Kältemittels auf den Stator (154), den Rotor (156), und/oder in den Spalt (160) zwischen dem Stator (154) und dem Rotor (156) aufweist.
  10. Kühlkreislauf (100) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (152) in einem abgedichteten Motorgehäuse (158) angeordnet ist.
  11. Kühlkreislauf (100) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (152) mit einer Leistungselektronik verbunden ist, wobei die vorbestimmte Kühlstelle (118) mindestens ein Bauteil der Leistungselektronik umfasst.
  12. Kühlkreislauf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Nachkühler (128) zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kältemittelvorrat, insbesondere zum Kühlen auf eine Temperatur, die im Wesentlichen identisch zu einer Umgebungstemperatur des Kühlkreislaufs (100) ist.
  13. Kühlkreislauf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zufuhreinheit (114) zum Zuführen von im Wesentlichen einphasigen Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu dem Verdichter und/oder Verdichterantrieb (104) ausgebildet ist und/oder wobei die Zufuhreinheit (114) zum Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu der vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) in einem flüssigen oder überkritischen Zustand ausgebildet ist.
  14. Kühlkreislauf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Steuereinheit (126), wobei die Steuereinheit (126) zum zeitlichen Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (126) insbesondere ausgebildet ist zum Steuern der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) zumindest basierend auf einer Temperatur des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104), wobei das zeitliche Steuern insbesondere einen Zeitpunkt und/oder eine Länge der Zufuhr des Kältemittels zu der vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) umfasst.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs (100), wobei der Kühlkreislauf (100) einen Kältemittelverdichter (102) mit einem Verdichterantrieb (104) zum Antreiben des Kältemittelverdichters (102), einen Wärmeübertrager (106) insbesondere ein Verflüssiger oder Gaskühler, mit einem Fluidsammelraum (108), wobei der Fluidsammelraum (108) zum Bilden eines Kältemittelvorrats aus Kältemittel ausgebildet ist, und eine Zufuhreinheit (114), wobei die Zufuhreinheit (114) mit dem Fluidsammelraum (108) und dem Kältemittelverdichter (102) verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst:
    - Ansaugen eines Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters (102),
    - Verdichten des Kältemittels mittels des Kältemittelverdichters (102),
    - Kühlen, insbesondere Rückkühlen und/oder Verflüssigen, des Kältemittels mittels des Wärmeübertragers (106),
    - Zuführen des gekühlten Kältemittels zu dem Fluidsammelraum (108), und
    - wahlweises Zuführen von Kältemittel aus dem Kältemittelvorrat zu mindestens einer vorbestimmten Kühlstelle (118) des Kältemittelverdichters (102) und/oder des Verdichterantriebs (104) bei einem vorbestimmten Druck oberhalb eines Abgabedrucks des Kältemittelverdichters (102).
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