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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kühlgerät mit mehrstufiger
Kompression, das eine Vielzahl von Kompressionsmitteln zum Komprimieren
eines Kühlmittels
in mehreren Stufen aufweist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein
typisches Kühlgerät mit mehrstufiger Kompression
zur Verwendung in einer Kühlmaschine und
einer Klimaanlage umfasst einen Rotationskompressor, der aus einem
Kompressionsmittel erster Stufe und einem Kompressionsmittel zweiter
Stufe besteht, die in einem geschlossenen Behälter aufgenommen sind, und
wobei jedes eine Rolle zum Komprimieren eines Kühlmittels in dem betreffenden
Zylinder aufweist. Der Kompressor führt die Kompression des Kühlmittels
in zwei Stufen durch, erstens durch das Kompressionsmittel erster
Stufe, das als ein Niederdruckkompressor dient, und dann durch das
Kompressionsmittel zweiter Stufe, das als ein Hochdruckkompressor
dient, der angepasst ist, um das Kühlmittelgas, das von dem Niederdruckkompressor
erster Stufe komprimiert wurde, weiter zu komprimieren. Beispiele
eines derartigen Geräts
sind in
EP 0935106 A und
US 4748820 offenbart.
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Ein
derartiges Kühlgerät mit mehrstufiger Kompression
kann ein Hochkompressionsverhältnis erzielen,
während
Drehmomentschwankungen pro Kompression unterdrückt werden.
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Ein
derartiger mehrstufiger Kompressor weist jedoch ein Manko auf, da,
wenn ein Kühlmittel ein
hohes, spezifisches Wärmeverhältnis aufweist, das
Kompressionsmittel zweiter Stufe eine niedrige Saugeffizienz aufweist,
da es heißes
Kühlmittel
erhält,
das von dem Kompressionsmittel erster Stufe erwärmt wurde. Der mehrstufige
Kompressor leidet auch unter dem weiteren Nachteil, dass die Temperatur
des Kühlmittels
in dem Hochdruckkompressionsmittel zweiter Stufe in hohem Maße erwärmt wird,
so dass das darin verwendete Schmiermittel thermisch in Säuren und
Alkohole hydrolysiert wird, insbesondere wenn Esteröl (zum Beispiel
Polyolester, POE) verwendet wird. Diese Säuren entwickeln unvorteilhafterweise
Schlämme,
die tendenziell die Kapillarrohre des Kompressors verstopfen, das
Schmiermittel degradieren und somit die Leistung des Geräts herabsetzen.
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Um
diese Probleme zu umgehen, sind manche Kompressoren mit einer Abkühleinrichtung
zum Abkühlen
des aus dem Kompressionsmittel erster Stufe abgelassenen Kühlmittelgases
bevor es an das Hochkompressionsmittel zweiter Stufe gespeist wird, versehen,
wodurch die Temperatur des aus dem Kompressor zweiter Stufe abgelassenen
Kühlmittelgases
ausreichend herabgesetzt wird. Zum Beispiel weist ein bekannter
Typ eines derartigen Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression (siehe
EP
0935106A ), wie in
4 gezeigt,
Folgendes auf: einen mehrstufigen Kompressor
411, der aus
einem Niederdruckkompressionsmittel erster Stufe und einem Hochdruckkompressionsmittel
zweiter Stufe besteht; einen Kondensator
412; ein erstes
Dekompressionsmittel
413, einen Zwischenkühler
414,
ein zweites Dekompressionsmittel
415 und einen Verdampfer
416 auf.
Das Kühlmittel,
das den Kondensator
412 verlässt, wird in zwei Teile umgeleitet,
wobei ein Teil über
das erste Dekompressionsmittel
413 zu dem Zwischenkühler
414 geleitet
wird, der andere Teil jedoch aus dem zweiten Dekompressionsmittel
415 direkt
zu dem Verdampfer
416 geleitet wird, so dass das Kühlmittel,
das in das zweite Dekompressionsmittel
415 folgt, einem
Wärmeaustausch
bei dem Zwischenkühler
414 unterzogen
wird. Das Kühlmittel, das
den Verdampfer
416 verlässt,
wird dem Kompressionsmittel erster Stufe des mehrstufigen Kompressors
411 zugeführt. Andererseits
wird der Teil des Kühlmittels,
der durch den Zwischenkühler
414 geleitet
wurde, mit dem Kühlmittel,
das aus dem Niederdruckkompressionsmittel erster Stufe abgelassen wurde,
gemischt, bevor es in das Kompressionsmittel zweiter Stufe eintritt.
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Folglich
weist dieses Kühlgerät mit mehrstufiger
Kompression einen Kühlkreis,
wie in dem P-h-Diagramm (durchgezogene Linie) in 5 gezeigt,
auf. Bei diesem herkömmlichen
Gerät wird
die Enthalpie des Kühlmittels
durch den Wärmeaustausch
mit dem Zwischenkühler 414 um δ Ho reduziert,
wie in 5 gezeigt, so dass das Kühlmittel abgekühlt wird,
bevor es in das zweite Dekompressionsmittel 415 fließt. Somit
kann diese Anordnung eine Enthalpiedifferenz über den Verdampfer 416 hinweg
erhöhen.
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Bei
dem oben erwähnten
herkömmlichen Gerät sind jedoch
die in dem Niederdruck- und dem Hochdruckkompressionsmittel genommen
Drücke des
Kühlmittelgases
während
einer frühen
Stufe der Inbetriebsetzung beinahe gleich (Gleichgewichtsdruck).
Falls das Niederdruckkompressionsmittel ein größeres Fördervolumen als das Hochdruckkompressionsmittel
besitzt, übersteigt
demzufolge die Menge und somit der Ausgangsdruck des Kühlmittelgases,
das aus dem zuerst genannten Kompressionsmittel abgelassen wird,
die/den des zuletzt genannten Kompressionsmittels, wodurch ein Rückfluss
des Gases von dem Kompressor zu dem Zwischenkühler 414 verursacht
wird.
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Dann
wird der Zwischenkühler 414 durch den
Rückfluss
des Kühlmittelgases
aus dem Niederdruckkompressionsmittel erwärmt, was wiederum das Versagen
an adäquater
Abkühlung
des Kühlmittels,
das dem zweiten Dekompressionsmittel 415 zugeführt wird,
durch den Zwischenkühler 414 zur
Folge hat. Somit braucht das Gerät
unvorteilhafterweise Zeit, um eine Unterkühlung zu erzielen, um eine
große
Enthalpiedifferenz δ Ho
(in 5 gezeigt) zu erzeugen, die bei stabilem normalem
Betrieb erhalten werden kann.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, diese Probleme zu überwinden, indem ein effizientes
Kühlgerät mit mehrstufiger
Kompression bereitgestellt wird, das ein Niederdruckkompressionsmittel
erster Stufe und ein Hochdruckkompressionsmittel zweiter Stufe umfasst.
Das Gerät
beinhaltet einen Zwischenkühler zum
Abkühlen
des Kühlmittelgases,
das aus dem Niederdruckkompressionsmittel abgelassen wird, bevor
es dem Hochdruckkompressionsmittel zugeführt wird, so dass das Kühlmittelgas,
das aus dem Hochdruckkompressionsmittel abgelassen wird, eine nach unten
gedrückte
Temperatur aufweist. Um die Zeit zu verkürzen, in der das Gerät nach einer
Inbetriebsetzung seinen stabilen Betrieb erreicht, ist das Gerät mit einem
Rückschlagventil
versehen, um den Rückfluss
des Kühlmittelgases
von dem Kompressionsmittel erster Stufe zu dem Zwischenkühler zu
verhindern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist ein Kühlgerät mit mehrstufiger
Kompression gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Bei
dieser Anordnung kann das Gerät
Folgendes: die Temperatur des Kühlmittelgases,
das aus dem Hochdruckkompressionsmittel zweiter Stufe abgelassen
wird, ausreichend nach unten drücken und
den Rückfluss
des Kühlmittels
von dem Niederdruckkompressionsmittel erster Stufe zu dem ersten Zwischenkühler verhindern.
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Das
Kühlgerät kann des
Weiteren ein drittes Dekompressionsmittel zum Dekomprimieren des zweiten
Teils des umgeleiteten Kühlmittels,
nachdem das Kühlmittel
einem Wärmeaustausch
mit dem zweiten Zwischenkühler
unterzogen wurde, beinhalten. Die Temperatur des Kühlmittels,
das in den Verdampfer eintritt, wird bei dieser Anordnung weiter
herabgesetzt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
einen Kühlmittelkreislauf
eines bevorzugten Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression, das die Erfindung verkörpert.
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2 zeigt
einen longitudinalen Querschnitt des Hauptabschnitts eines Rotationskompressors mit
zweistufiger Kompression gemäß der Erfindung.
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3 ist
ein P-h-Diagramm eines Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression der Erfindung.
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4 zeigt
einen Kühlmittelkreislauf
eines herkömmlichen
Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression.
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5 zeigt
ein P-h-Diagramm eines herkömmlichen
Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression.
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BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen,
die eine Ausführungsform
eines Kühlgeräts mit mehrstufiger Kompression
gemäß der Erfindung
darstellen, beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt, weist ein mehrstufiges Kompressionsmittel
der Erfindung in der Form eines Rotationskompressors 10 mit
zweistufiger Kompression einen im Wesentlichen zylindrischen geschlossenen
Stahlbehälter 12,
einen Elektromotor 14, der in einem oberen Raum des Behälters 12 installiert
ist, und ein Kompressionselement in der Form eines Rotationskompressionsmechanismus 18,
der in einem Raum unter dem Elektromotor 14 installiert
und durch eine Kurbelwelle 16 betriebsfähig mit dem Elektromotor 14 verbunden
ist, auf.
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Der
Behälter 12 weist
an dem Boden davon einen Ölsumpf
auf und besteht aus einem Behälterkörper 12A zum
Unterbringen des Elektromotors 14 und des Rotationskompressionsmechanismus 18, und
einem Abdeckelement 12B zum Abschließen einer oberen Öffnung,
die in dem Behälterkörper 12A gebildet
ist. Das Abdeckelement 12B weist eine Reihe von Endstellen
(Verbindungsleitungen, nicht gezeigt) 20 zur Speisung von
elektrischem Strom von einer externen Stromquelle zu dem Elektromotor 14 auf.
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Der
Elektromotor 14 weist einen Ständer 22, der torisch
an der inneren Oberfläche
des geschlossenen Behälters 12 montiert
ist, und einen Rotor 24, der innerhalb des Ständers 22 mit
einem kleinen Zwischenraum zwischen diesen montiert ist, auf. Der
Rotor 24 kann mit der Kurbelwelle 16, die sich
vertikal durch die Mitte des Rotors erstreckt, integral sein.
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Der
Ständer 22 umfasst
einen Stapel 26 elektromagnetisch beeinflussbarer ringförmiger Stahlplatten
und eine Vielzahl von Wicklungen 28, die auf den Stapel 26 gewickelt
sind. Wie der Ständer 22 ist
auch der Rotor 24 aus einem Stapel 30 aus einer
Vielzahl von elektromagnetisch beeinflussbaren Stahlplatten zusammengesetzt.
Bei dem hier gezeigten Beispiel ist der Elektromotor 14 ein
Wechselstrommotor, der durch einen Gleichstrommotor mit Dauermagneten
ersetzt werden kann.
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Der
Rotationskompressionsmechanismus 18 umfasst ein Niederdruckkompressionselement 32 erster
Stufe, das als ein Niederdruckkompressionsmittel dient, und ein
Hochdruckkompressionselement 34 zweiter Stufe, das als
ein Hochdruckkompressionsmittel dient. Insbesondere besteht der
Rotationskompressionsmechanismus 18 aus einer dazwischen
liegenden Unterteilungsplatte 36; einem oberen und einem
unteren Zylinder 38 bzw. 40, die über und
unter der dazwischen liegenden Unterteilungsplatte 36 bereitgestellt
sind; einer oberen und einer unteren Rolle 46 bzw. 48,
die mit einem zugehörigen oberen
und unteren exzentrischen Element 42 und 44, die
zur Rotation innerhalb des oberen und unteren Zylinders 38 und 40 an
der Kurbelwelle 16 montiert sind, verbunden sind; einer
oberen und einer unteren Schaufel 50 bzw. 52,
die zur Unterteilung des zugehörigen
Raums des oberen und des unteren Zylinders 38 und 40 in
zugehörige
Saugkammern (Einlassseiten der Räume)
und Kompressionskammern (Auslassseiten der Räume) mit der zugehörigen oberen
und unteren Rolle 46 und 48 in Kontakt stehen; und
einem oberen und einem unteren Stützelement 54 bzw. 56 zum
Tragen der Kurbelwelle 16 und zum Schließen der Öffnung des
zugehörigen
oberen und unteren Zylinders 38 und 40.
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Über und
unter dem zugehörigen
oberen und unteren Stützelement 54 und 56 sind
Ablassgeräuschdämpferkammern 58 und 60 bereitgestellt,
die gebildet sind, um über
Schaufelmittel (nicht gezeigt) angemessen mit dem oberen und dem
unteren Zylinder 38 bzw. 40 in Verbindung zu stehen.
Die Öffnungen
dieser Ablassgeräuschdämpfer werden
von der oberen und der unteren Platte 62 bzw. 64 geschlossen.
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Die
obere und die untere Schaufel 50 bzw. 52 sind
verschiebbar in den entsprechenden radialen Führungsrillen (nicht gezeigt),
die in den Zylinderwänden
des oberen und des unteren Zylinders 38 und 40 gebildet
sind, montiert und werden von den zugehörigen Federn 70 und 72 vorgespannt,
um immer an der entsprechenden oberen und unteren Rolle 46 und 48 aneinanderzustoßen.
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In
dem unteren Zylinder 40 wird die (Niederdruck-)Kompression
erster Stufe durchgeführt,
während
in dem oberen Zylinder 38 die (Hochdruck-)Kompression zweiter
Stufe des Kühlmittelgases
durchgeführt
wird.
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Bei
dem hier gezeigten Beispiel sind das obere Stützelement 54, der
obere Zylinder 38, die dazwischen liegende Unterteilungsplatte 36,
der untere Zylinder 40 und das untere Stützelement 56 in
der erwähnten
Reihenfolge platziert und zwischen die obere und die untere Platte 62 bzw. 64 eingeschoben und
mit einer Vielzahl von Montagebolzen 74 sicher fixiert,
um insgesamt den Rotationskompressionsmechanismus 18 auszumachen.
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Durch
die Welle 16 ist ein gerades Ölschmierungsbohrloch 76 gebildet,
das über
transversale Ölschmierungsbohrlöcher 78 und 80 mit
Spiralölschmierungsnuten 82 und 84 in
Verbindung steht, um Öl
an die entsprechenden Lager und diejenigen Elemente, die damit in
Schleifkontakt stehen, zu speisen.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
wird das Kühlmittel
R404A verwendet. Das Schmiermittel kann ein beliebiges der herkömmlichen
Schmiermittel wie etwa Mineralöle,
Alkylbenzenöle,
Polyalkylenglykolöle
(PAG-Öle),
Etheröle
und Esteröle
sein.
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Das
Niederdruckkompressionselement 32 erster Stufe des oben
beschriebenen Rotationskompressionsmechanismus 18 ist entworfen,
um mit einem Einlasskühlmitteldruck
von 0,05 MPa und einem Ausgangskühlmitteldruck
von 0,18 MPa zu arbeiten. Das Hochdruckkompressionselement 34 zweiter
Stufe arbeitet mit einem Einlasskühlmitteldruck von 0,18 MPa
und einem Ausgangskühlmitteldruck
von 1,90 MPa. Das Fördervolumen
D1 des Niederdruckkompressionselements 32 ist größer als
das D2 des Hochdruckkompressionselements 34 gemacht. Bei einer
hier gezeigten Ausführungsform
liegt das Verhältnis
D2/D1 in den Bereichen von ungefähr
9 bis 39%. Mit diesem Verhältnis
der Fördervolumina
wird der Leistungskoeffizient und somit die Effizienz des Geräts verbessert,
wenn der Verdampfer eine Verdampfungstemperatur im Bereich von –50°C bis –70°C aufweist.
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Der
obere und der untere Zylinder 38 und 40 sind mit
einem oberen und einem unteren Kühlmittelsaugdurchgang
(nicht gezeigt) zum Einführen
des Kühlmittels
und mit einem Ablassdurchgang 86 zum Ablassen des komprimierten
Kühlmittels über die
Ablassgeräuschdämpferkammern 58 und 60 versehen. Jeder
der Kühlmittelsaugdurchgänge und
der Kühlmittelablassdurchgang 86 sind über Verbindungsrohre 90, 92 und 94,
die an dem geschlossenen Behälter 12 gesichert
sind, mit entsprechenden Kühlmittelleitungen 98, 100 und 102 verbunden.
Ein Saugdämpfer 106 zwischen
den Kühlmittelleitungen 100 und 102 verbindet
diese, wobei er als ein Flüssigkeit-Gas-Separator
wirkt.
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In
dem Saugdämpfer 106 mischt
sich das Kühlmittel
aus der Leitung 100 mit dem Kühlmittel aus einer Kühlmittelleitung 201,
die mit einem dritten Zwischenkühler
(nicht gezeigt), der außerhalb
des Kompressors 10 montiert ist, verbunden ist, wie später beschrieben.
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Zudem
ist die obere Stützplatte 62 mit
einem Ablassrohr 108 darauf versehen, damit die Ablassgeräuschdämpferkammer 58 des
oberen Stützelements 54 mit
dem inneren Zwischenraum des geschlossenen Behälters 12 in Verbindung
steht. Ein Kühlkreis
der Art Dampfkompression ist in dem Gerät wie folgt errichtet. Das
Kühlmittelgas
des Hochdruckkompressionselements 34 zweiter Stufe wird
direkt in den geschlossenen Behälter 12 abgelassen,
was dem Behälter 12 hilft,
einen hohen inneren Druck beizubehalten. Das Gas wird dann über ein
Verbindungsrohr 96, das an der oberen Abdeckung 12B gesichert
ist, und eine Kühlmittelleitung 104,
die mit dem Verbindungsrohr 96 verbunden ist, zu einem
externen Kondensator (nicht gezeigt) geführt. Das Kühlmittel zirkuliert wie unten
beschrieben durch den Kühlmittelkreis
und kehrt über
die Kühlmittelleitung 98,
das Verbindungsrohr 90 und den oberen Kühlmittelsaugdurchgang des oberen
Zylinders 38 zu dem Niederdruckkompressionselement 32 erster
Stufe zurück.
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Es
sei bemerkt, dass den Komponenten in dem Niederdruckkompressionselement 32 erster Stufe
ein kleinerer Abstand als der in dem Hochdruckkompressionselement 34 zweiter
Stufe bereitgestellt wird. Zum Beispiel beträgt der Abstand in dem Niederdruckelement 32 erster
Stufe etwa 10 Mikrometer, während
der Abstand in dem Hochdruckkompressionselement 34 zweiter
Stufe etwa 20 Mikrometer beträgt.
Somit wird verhindert, dass das Kühlmittelgas höheren Drucks
in dem Behälter 12 in das
Kompressionselement 32 erster Stufe, welches das Kühlmittelgas
mit einem weitaus niedrigeren Druck enthält, läuft, wodurch die volumetrische
Effizienz und die Kompressionseffizienz des Kompressors verbessert
werden.
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Als
Nächstes
wird mit Bezug auf 1 der Betrieb des Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression, das mit einem Rotationskompressor 10 mit zweistufiger
Kompression der Erfindung ausgestattet ist, beschrieben.
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Wenn
das Hochdruckkühlmittel
aus dem Rotationskompressor 10 mit zweistufiger Kompression abgelassen
wird, fließt
es über
eine Kühlmittelleitung 104 in
einen Kondensator 1, wie in 1 gezeigt. Das
Kühlmittel
wird in dem Kondensator 1 kondensiert und durch die Kühlmittelleitung 110 geleitet,
wobei das Kühlmittel
bei einem dritten Zwischenkühler 2 einem
Wärmeaustausch
unterzogen wird, wie später beschrieben.
Die Kühlmittelleitung 110 ist
in zwei Kühlmittelleitungen 112 und 114 gegabelt,
um das Kühlmittel
in einen ersten bzw. einen zweiten Teil umzuleiten.
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Ein
erstes Expansionsventil 3 ist in der gegabelten Leitung 112 bereitgestellt,
um als ein Mittel zum Dekomprimieren des ersten Teils des Kühlmittels,
welcher durch die Leitung 112 geleitet wird, zu dienen.
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Ein
zweites Expansionsventil 4 ist in der anderen gegabelten
Leitung 114 bereitgestellt, um als ein drittes Dekomprimierungsmittel
zum Dekomprimieren des zweiten Teils des Kühlmittels, welcher durch diese
geleitet wird, zu dienen. Das Kühlmittel, welches
durch die Leitung 114 fließt, wird zu dem zweiten Zwischenkühler 5 geleitet,
wo es einem Wärmeaustausch
mit dem aus dem Verdampfer 8 abgelassenen Kühlmittel
unterzogen wird. Das Kühlmittel wird
dann zu dem zweiten Expansionsventil 4 geführt.
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Ein
erster Zwischenkühler 6 ist
mit dem Ablassende des ersten Expansionsventils 3 verbunden, der
ermöglicht,
dass das Kühlmittel
einem Wärmeaustausch
mit dem Kühlmittel,
das mittels des zweiten Expansionsventils 4 dekomprimiert
wird, unterzogen wird. Der dritte Zwischenkühler 2 ist mit dem Auslassende
des ersten Zwischenkühlers 6 verbunden.
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Das
Kühlmittel,
das aus dem dritten Zwischenkühler 2 abgelassen
wird, fließt über die
Kühlmittelleitung 201 in
den Saugdämpfer 106,
wo das Kühlmittel
mit dem Kühlmittel,
das aus dem Niederdruckkompressionselement 32 erster Stufe über die Kühlmittelleitung 100 darin
abgelassen wird, gemischt wird.
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Ein
Rückschlagventil 9 ist
in der Kühlmittelleitung 201,
welche den dritten Zwischenkühler 2 mit dem
Saugdämpfer 106 verbindet,
bereitgestellt, wobei es als der Mischpunkt dient, um zu ermöglichen, dass
das Kühlmittel
lediglich in der Richtung von dem dritten Zwischenkühler 2 zu
dem Mischpunkt fließt. Die
Bereitstellung des Rückschlagventils
verhindert den Rückfluss
des Kühlmittelgases,
das aus dem Niederdruckkompressionselement 32 abgelassen wird,
zu dem ersten Zwischenkühler 6,
was wiederum die Erwärmung
des ersten Zwischenkühlers 6 und des
dritten Zwischenkühlers 2 durch
den Rückfluss verhindert,
wodurch die Zeit, in der die stationäre Unterkühlung nach der Wiederaufnahme
der Kühlung erreicht
wird, verkürzt
wird.
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Das
Kühlmittelgas,
das aus dem Saugdämpfer 106 abgelassen
wird, wird mittels der Kühlleitung 102 dem
Hochdruckkompressionselement 34 zweiter Stufe zugeführt.
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Das
Rohr 7 ist ein Kapillarrohr, das als das zweite Dekompressionsmittel
dient, um das Kühlmittel,
das zum Wärmeaustausch
aus dem zweiten Expansionsventil 4 an den ersten Zwischenkühler 6 abgelassen
wird, zu dekomprimieren. Das Kühlmittel, das
aus dem Kapillarrohr 7 abgelassen wird, wird an den Verdampfer 8 gespeist,
wo es durch die Umgebungsluft erwärmt wird, um zu verdampfen.
Der zweite Zwischenkühler 5 ist
mit dem Auslass des Verdampfers 8 verbunden, wo das Kühlmittel
einem Wärmeaustausch
mit dem Kühlmittel,
das durch die Kühlmittelleitung 114 geleitet
wird, unterzogen wird. Dann wird das Kühlmittel über die Kühlmittelleitung 98 an
das Verbindungsrohr 90 des Niederdruckkompressionselement 32 erster
Stufe des Rotationskompressors 10 mit zweistufiger Kompression
geleitet.
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Dies
schließt
den Kühlkreis
des Kühlgeräts mit mehrstufiger
Kompression der Erfindung ab.
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Der
erste Zwischenkühler 6,
der zweite Zwischenkühler 5 und
der dritte Zwischenkühler 2 absorbieren
Wärme aus
ihrem Umfeld, um den erforderlichen Kühlprozess durchzuführen. Der
Wärmeaustauscher
dieser Zwischenkühler
wird hiernach als der erste bzw. der zweite bzw. der dritte Unterkühlungsabschnitt
bezeichnet.
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Der
Grund, weshalb Unterkühler
an unterschiedliche Positionen verteilt werden, besteht darin, dass
ein Problem gelöst
wird, das für
herkömmliche Geräte, wie
in 4 gezeigt, relevant ist, sprich, ohne diese Zwischenkühler wird
das Kühlmittel,
das in das zweite Dekompressionsmittel 415 fließt, aufgrund
der fühlbaren
Wärme in
den Rohren des Zwischenkühlers 414 während einer
frühen
Stufe der Inbetriebsetzung allein durch den Zwischenkühler 414 nicht
ausreichend abgekühlt,
so dass der Verdampfer keine Enthalpiedifferenz δ Ho, die für einen normalen Betrieb erforderlich
ist (wie in 5 angezeigt), schaffen kann.
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Bei
der oben gegebenen Beschreibung wird das Kühlmittel einmal in dem zweiten
Unterkühlungsabschnitt
unterkühlt
und dann über
das zweite Expansionsventil 4 an den ersten Unterkühlungsabschnitt
geleitet. Dies basiert auf unserer Erkenntnis, dass die Wärmeübertragungseffizienz
verbessert wird, indem das Kühlmittel
einmal vor der Expansion und einmal nach der Kompression mittels
eines Dekompressors einer Unterkühlung
ausgesetzt wird.
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Nun
werden die thermodynamischen Bedingungen des Kühlmittels während eines Kühlkreises, wie
oben beschrieben, mit Bezug auf 3, welche das
P-h-Diagramm zeigt, beschrieben. In dieser Figur wird eine Änderung
des thermodynamischen Zustands des Kühlmittels während eines normalen Betriebs
des Geräts
durch eine durchgezogene Linie dargestellt, während die Änderung des Zustand des Kühlmittels
während
einer frühen
Stufe der Inbetriebsetzung durch eine gestrichelte Linie dargestellt
wird.
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In 3 repräsentiert
Punkt A den Zustand des Kühlmittels,
das aus dem Hochdruckkompressionselement 34 zweiter Stufe
des Rotationskompressors 10 mit zweistufiger Kompression
abgelassen wird. Das Kühlmittel
wird von Punkt A zu Punkt B einer Änderung unterzogen, wenn es
mittels des Kondensators 1 kondensiert wird. Danach wird
das Kühlmittel
durch den Wärmeaustausch
bei dem dritten Unterkühlungsabschnitt
(d. h. dem dritten Zwischenkühler 2)
auf Punkt C abgekühlt.
Bei Punkt C wird das Kühlmittel
umgeleitet, wobei ein Teil mittels des ersten Expansionsventils 3 dekomprimiert
wird, und wird zu dem ersten Zwischenkühler 6 geleitet, nachdem der
Druck auf Punkt D herabgesetzt wurde.
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Der
andere Teil, der bei Punkt C umgeleitet wird, wird durch den Wärmeaustausch
mit dem zweiten Zwischenkühler 5,
der mit dem Ablasskanal des Verdampfers 8 verbunden ist,
in dem zweiten Unterkühlungsabschnitt
auf Punkt H abgekühlt
und mittels des zweiten Expansionsventils 4 weiter auf
Punkt I dekomprimiert. In dem ersten Unterkühlungsabschnitt wird das Kühlmittel
bei Punkt I einem Wärmeaustausch
mit dem ersten Zwischenkühler 6 ausgesetzt,
wobei es Punkt J erreicht. Andererseits ändert das Kühlmittel bei Punkt D an dem
Ablasskanal des ersten Zwischenkühlers 6 seinen
Zustand auf Punkt E.
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Punkt
F repräsentiert
den Zustand des ersten Teils des Kühlmittels, nachdem es den ersten Zwischenkühler 6 verlassen
hat und in dem dritten Zwischenkühler 2 einem
Wärmeaustausch
mit dem Kühlmittel
unterzogen wurde, das mittels des Kondensators 1 auf den
Zustand B kondensiert und zu dem dritten Zwischenkühler 2 geleitet
wurde.
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Das
Kühlmittel
wird durch das Kapillarrohr 7 bei Punkt J nach unten auf
Punkt K dekomprimiert, bevor das Kühlmittel in den Verdampfer 8 fließt. Das Kühlmittel,
das (bei Punkt L) in dem Verdampfer 8 verdampft wird, wird
unterkühlt,
wobei es an dem Auslass des zweiten Zwischenkühlers 5 seinen Zustand
auf Punkt M ändert,
und darf dann in das Niederdruckkompressionselement 32 erster
Stufe des Kompressors 10 fließen.
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Das
nun in dem Niederdruckkompressionselement 32 erster Stufe
auf Punkt N komprimierte heiße
Hochdruckkühlmittel,
wird zu dem Saugdämpfer 106 geführt, wo
das Kühlmittel
mit dem Teil des Kühlmittels,
der aus einem dritten Zwischenkühler 2 abgelassen
wird (und einen durch Punkt F repräsentierten Zustand aufweist),
gemischt wird. Das gemischte Kühlmittel
wird auf Punkt G abgekühlt.
Das (auf Punkt G abgekühlte)
Kühlmittel
wird zur Kompression zweiter Stufe (Punkt A) dem Hochdruckkompressionselement 34 zweiter
Stufe des Rotationskompressors 10 mit zweistufiger Kompression
zugeführt und
an den Kondensator 1 abgelassen.
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Es
sei bemerkt, dass auf diese Weise das Kühlmittel, das aus dem Kondensator 1 abgelassen wird,
in dem dritten Unterkühlungsabschnitt
unterkühlt
werden kann, und dass der zweite Teil des Kühlmittels, der durch das Kapillarrohr 7 und
den Verdampfer 8 geleitet wird, in dem ersten und dem zweiten
Unterkühlungsabschnitt
unterkühlt
werden kann.
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Ebenso
sei bemerkt, dass die fühlbare
Wärme der
Unterkühlungsabschnitte
durch das Bereitstellen von verteilten Unterkühlungsabschnitten, wobei jeder
eine beschränkte
Wärmekapazität aufweist, minimiert
werden kann. Somit ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten möglich, selbst
in einer frühen
Stufe der Inbetriebsetzung des Geräts eine Unterkühlung zu
erlauben (3, gestrichelte Linie), um die
Enthalpiedifferenz δ H
in dem Verdampfer 8 zu erhöhen.
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Insbesondere
versteht es sich, dass die Bereitstellung des zweiten Unterkühlungsabschnitts 5 zusätzlich zu
dem ersten Unterkühlungsabschnitt 6 durch
den Wärmeaustausch
mit dem kalten Kühlmittel,
das aus dem Verdampfer 8 abgelassen wird, in einer kurzen
Zeit nach einer Inbetriebsetzung eine ausreichende Unterkühlung des
zweiten Teils des Kühlmittels,
der durch das Kapillarrohr 7 geleitet wird, sicherstellt.
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Die
Erfindung ist zusammen mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden,
welche die Erfindung, wie in den Patentansprüchen definiert, darstellen
und die Erfindung, wie durch die angehängten Patentansprüche definiert,
nicht beschränken
sollen.
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Zum
Beispiel kann anstelle eines Behälters 12 der
Art Hochdruck zum Halten eines unter hohem Druck stehenden Kühlmittels
ein Behälter
der Art Niederdruck zum Halten eines Kühlmittels bei einem Niederdruck
in einem wesentlichen Gleichgewicht mit dem Kühlmittel bei dem Einlasskanal
des Niederdruckkompressionselements 32 erster Stufe und
ein Behälter
der Art dazwischen liegender Druck zum Halten des Kühlmittels
bei einem dazwischen liegenden Druck in einem wesentlichen Gleichgewicht
mit dem Kühlmittel
bei dem Auslasskanal des Niederdruckkompressionselements 32 erster
Stufe benutzt werden.
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INDUSTRIELLER NUTZEN
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Gemäß der Erfindung
wird ein Kühlmittel, das
in einem Niederdruckkompressor erster Stufe komprimiert und daraus
abgelassen wird, weiter abgekühlt,
um die Temperatur des Kühlmittels,
das aus dem Hochdruckkompressor abgelassen wird, nach unten zu drücken, und
der Rückfluss
des Kühlmittelgases
von dem Niederdruckkompressionsmittel erster Stufe zu dem Zwischenkühler wird
verhindert. Folglich benötigt
ein erfinderisches Kühlgerät mit mehrstufiger
Kompression lediglich eine kurze Zeit, um nach einer Inbetriebsetzung
seine stabile normale Betriebsbedingung zu erreichen, wobei eine
verbesserte Kühleffizienz
geboten wird.