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EP0411172A1 - Kühleinrichtung für mehrere Kühlmittelkreisläufe - Google Patents

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EP0411172A1
EP0411172A1 EP89114116A EP89114116A EP0411172A1 EP 0411172 A1 EP0411172 A1 EP 0411172A1 EP 89114116 A EP89114116 A EP 89114116A EP 89114116 A EP89114116 A EP 89114116A EP 0411172 A1 EP0411172 A1 EP 0411172A1
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EP
European Patent Office
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coolant
evaporator
compressor
circuits
cooling
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EP89114116A
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English (en)
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Noya Mikhail
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Kkw Kulmbacher Klimagerate-Werk GmbH
Original Assignee
Kkw Kulmbacher Klimagerate-Werk GmbH
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Publication date
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Priority to US07/552,752 priority patent/US5076068A/en
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine
    • 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
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    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2501—Bypass valves
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    • F25B2700/21171—Temperatures of an evaporator of the fluid cooled by the evaporator
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2117—Temperatures of an evaporator
    • F25B2700/21175—Temperatures of an evaporator of the refrigerant at the outlet of the evaporator

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for a plurality of coolant circuits for devices to be cooled, which also run through an evaporator, and also greatly differing cooling capacity requirements, in detail according to claim 1.
  • cooling devices for changing volume flow or, in general, for changing cooling capacity can only be provided with relatively great effort. Realization becomes all the more difficult the more coolant circuits are to be operated, especially when the cooling capacity changes. If the cooling device is designed for high output, there is a risk of freezing at low output.
  • the invention has for its object to develop a cooling device whose cooling capacity depends in a simple manner on the coolant throughput in the secondary coolant circuits.
  • the solution to the described problem consists in a cooling device according to claim 1.
  • the evaporator is arranged in a refrigerant circuit with other components, such as a compressor, condenser and expansion valve.
  • a thermostat switches on the compressor depending on the temperature of the coolant of the secondary cooling circuits measured in front of the evaporator when the switching temperature of the coolant is reached.
  • the compressor is switched off when the temperature falls below the switching temperature.
  • a bypass valve is controlled in a bypass line between connection points of the refrigerant line behind the compressor on the one hand and behind the expansion valve on the other hand by a pressure sensor in the refrigerant line.
  • the pressure sensor is in the direction of flow of the refrigerant arranged in front of the compressor. It controls the bypass valve so that it is opened at a minimum pressure in the evaporator, which should not be undercut in the evaporator for safety reasons against freezing of the coolant - in one of the secondary circuits.
  • the bypass valve is closed at a certain pressure in the evaporator above the minimum pressure.
  • the cooling capacity of the cooling device adapts itself through the special control of the compressor to different flow rates or outputs in the secondary coolant lines, whereby the special bypass control prevents freezing of the coolant in the compressor, so that the full capacity adjustment is sensibly possible.
  • the adjustment of the cooling capacity of the cooling device goes so far that the coolant can also stand in individual coolant circuits, so that no cooling capacity can be achieved by the respective coolant circuit.
  • the evaporator can have a coaxial structure consisting of jacket tube, center tube and inner tube in a particularly simple manner, so that there are three coaxially arranged annular spaces.
  • a coolant can flow through the outer and the inner annulus in one direction, the refrigerant being passed through in the middle annulus in the opposite direction to the flow of the coolant.
  • Such a coaxial tube structure is known per se (DE-GM 84 07 854).
  • the thermostat has a temperature sensor, to which the lines of all the coolant circuits are guided.
  • the coolant temperature is averaged and simple control is only possible because there are individual sensors on the respective coolant line with coolant standstill, there would be no signal change, so that regulation with simple means would not be sensibly possible.
  • Water can be used as the coolant in the secondary coolant circuits.
  • the cooling device has two coolant circuits 2 and 3 guided through an evaporator 1.
  • Devices to be cooled can be connected to the connection sockets 4, which each complete the coolant circuits.
  • a compressor 6, a condenser 7 and an expansion valve 8 are located in the refrigerant circuit 5.
  • the expansion valve 8 is controlled in a conventional manner by means of temperature or additional pressure control in the throughput in such a way that just as much refrigerant is let through that it is in the evaporator 1 can still evaporate almost completely.
  • a dryer 9 can be connected upstream of the expansion valve 8 in the flow direction in a manner known per se. The direction of flow is illustrated by flow arrows 10.
  • a thermostat 11 switches on the compressor 6 as a function of the temperature of the coolant of the cooling circuits measured in front of the evaporator 1 when the switching temperature of the coolant is reached and switches off the compressor when the temperature falls below the switching temperature.
  • a bypass valve 12 in a bypass line 13 between connection points of the refrigerant line behind the compressor 6 on the one hand and behind the expansion valve 8 on the other hand is controlled by a pressure sensor 14 in the refrigerant circuit, which is arranged upstream of the compressor 6 and which controls as follows: At a minimum pressure in the evaporator 1, which for reasons of Safety against freezing of the coolant in the evaporator should not be undercut, the bypass valve 12 is opened.
  • the bypass valve 12 is closed. Otherwise, the coolant in the evaporator could freeze especially when the coolant comes to a standstill in a cooling circuit.
  • the requested cooling capacity can drop so far that some cooling circuits come to a standstill.
  • one of two cooling circuits can be switched off without the operation of the cooling device being impaired.
  • the pressure sensor 14 is functionally part of the pressostat 16.
  • the evaporator 1 can have a coaxial tube structure consisting of a jacket tube, center tube and inner tube.
  • the outer one can be provided to the coolant circuit 3 and the inner one to the coolant circuit 2.
  • the refrigerant then flows through the middle annulus.
  • the outer annular space can advantageously be provided for a coolant circuit for greater cooling capacity than in a coolant circuit connected to the inner annular space, since the outer annular space has larger heat-exchanging surfaces.
  • the lines of all coolant circuits are advantageously guided past a temperature sensor 15 of the thermostat 11.
  • the temperature sensor 15 is functionally part of the thermostat 11.
  • the two lines of the coolant circuits 2 and 3 are guided past the temperature sensor. Even if the coolant comes to a standstill in a coolant circuit, since cooling in this circuit is no longer required at all, the temperature sensor 15 thus easily determines a signal that can be used. For example, if the coolant circuit 3 is designed for 500 W cooling power and the coolant circuit 2 for 300 W, Standstill of the coolant in the coolant circuit 3, the cooling capacity provided by the coolant circuit 5 is reduced to the extent that the temperature at the temperature sensor 15 lowers due to the reduced cooling requirement.
  • the coolant in the cooling circuits 2 and 3 can be water.
  • Lithotripsy devices are one area of application for the cooling device, which takes into account very different cooling power requirements.

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Abstract

Kühleinrichtung für mehrere durch einen Verdampfer (1) geführte Kühlmittelkreise (2, 3) für zu kühlende Geräte, auch stark unterschiedlichen Kühlleistungsbedarfs, dessen Verdampfer (1) in einem Kältemittelkreis (5) mit weiteren Bauteilen, wie Verdichter (6), Kondensator (7) und Expansionsventil (9) angeordnet ist. - Ein Thermostat (11) schaltet in Abhängigkeit von der vor dem Verdampfer (1) gemessenen Temperatur des Kühlmittels der Kühlkreise den Verdichter (6) ein, wenn die Schalttemperatur des Kühlmittels erreicht wird und den Verdichter (6) ab, wenn die Schalttemperatur unterschritten wird. - Ein Bypaßventil (12) in einer Bypaßleitung (13) zwischen Anschlußstellen der Kältemittelleitung hinter dem Verdichter (6) einerseits und hinter dem Expansionsventil (8) andererseits wird von einem Drucksensor (14) im Kältemittelkreis, der vor dem Verdichter (6) angeordnet ist, gesteuert derart, daß er bei einem Mindestdruck im Verdampfer (1), der aus Gründen der Sicherheit gegen Einfrieren des Kühlmittels im Verdampfer nicht unterschritten werden soll, das Bypaßventil (12) öffnet und bei einem bestimmten Druck im Verdampfer oberhalb des Mindestdrucks das Bypaßventil (12) schließt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für mehrere durch einen Verdampfer geführte Kühlmittelkreise für zu kühlen­de Geräte, auch stark unterschiedlichen Kühlleistungsbedarfs, im einzelnen nach Patentanspruch 1.
  • Kühlgeräte für wechselnden Volumenstrom oder allgemein für wechselnde Kühlleistung sind in der Praxis nur mit verhältnis­mäßig hohem Aufwand bereitzustellen. Die Realisierung wird um so schwieriger, je mehr Kühlmittelkreisläufe, insbesondere bei wechselnder Kühlleistung, zu betreiben sind. Wenn die Kühl­einrichtung für hohe Leistung ausgelegt ist, besteht bei nie­driger Leistung Gefahr, daß Einfrierungen auftreten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrich­tung zu entwickeln, deren Kühlleistung in einfacher Weise vom Kühlmitteldurchsatz in den sekundären Kühlmittelkreisen ab­hängt. Die Lösung der geschilderten Aufgabe besteht in einer Kühleinrichtung nach Patentanspruch 1. Der Verdampfer ist in einem Kältemittelkreis mit weiteren Bauteilen, wie Verdichter, Kondensator und Expansionsventil, angeordnet. Ein Thermostat schaltet in Abhängigkeit von der vor dem Verdampfer gemessenen Temperatur des Kühlmittels der sekundären Kühlkreise den Verdichter ein, wenn die Schalttemperatur des Kühlmittels er­reicht wird. Der Verdichter wird abgeschaltet, wenn die Schalt­temperatur unterschritten wird. Ein Bypaßventil ist in einer Bypaßleitung zwischen Anschlußstellen der Kältemittelleitung hinter dem Verdichter einerseits und hinter dem Expansions­ventil andererseits von einem Drucksensor in der Kältemittel­leitung gesteuert. Der Drucksensor ist in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter angeordnet. Er steuert das Bypaßventil so, daß bei einem Mindestdruck im Verdampfer, der aus Gründen der Sicherheit gegen Einfrieren des Kühlmittels - in einem der Sekundärkreise - im Verdampfer nicht unter­schritten werden soll, es geöffnet wird. Bai einem bestimmten Druck im Verdampfer oberhalb des Mindestdrucks wird das Bypaß­ventil geschlossen. Die Kühlleistung der Kühleinrichtung paßt sich durch die besondere Steuerung des Verdichters unterschied­lichem Mengendurchsatz bzw. Leistung in den sekundären Kühl­mittelleitungen an, wobei durch die besondere Bypaßsteuerung ein Einfrieren des Kühlmittels im Verdichter vermieden wird, so daß die volle Leistungsanpassung sinnvoll ermöglicht wird.
  • Die Anpassung der Kälteleistung der Kühleinrichtung geht so weit, daß das Kühlmittel in einzelnen Kühlmittelkreisläufen auch stehen kann, so daß also vom jeweiligen Kühlmittelkreis keine Kühlleistung zu erbringen ist.
  • Der Verdampfer kann bei zwei Kühlmittelkreisen besonders ein­fach einen Koaxialaufbau aus Mantelrohr, Mittelrohr und Innen­rohr aufweisen, so daß sich drei koaxial angeordnete Ringräume ergeben. Der äußere und der innere Ringraum kann von je einem Kühlmittel in einer Richtung durchflossen werden, wobei in Gegenrichtung zur Durchströmung des Kühlmittels das Kälte­mittel im mittleren Ringraum durchgeleitet wird. Ein derarti­ger Koaxialrohraufbau ist für sich gesehen bekannt (DE-GM 84 07 854).
  • Nach einer Weiterbildung der Kühleinrichtung weist der Thermos­tat einen Temperatursensor auf, an dem die Leitungen sämtlicher Kühlmittelkreise vorbeigeführt sind. Dadurch wird die Kühlmit­teltemperatur gemittelt und eine einfache Regelung erst ermög­licht, da Einzelsensoren an der jeweiligen Kühlmittelleitung bei Kühlmittelstillstand keine Signalveränderung ergäben, so daß eine Regelung mit einfachen Mitteln nicht sinnvoll möglich wäre. Als Kühlmittel in den sekundären Kühlmittelkreisen kann Wasser eingesetzt werden.
  • Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung grob schema­tisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels für zwei Kühlmittel­kreise und einen Kältemittelkreis näher erläutert werden:
  • Die Kühleinrichtung weist im Ausführungsbeispiel zwei durch einen Verdampfer 1 geführte Kühlmittelkreise 2 und 3 auf. Zu kühlende Geräte können an den Anschlußbuchsen 4 angeschlossen werden, die die Kühlmittelkreise jeweils vervollständigen. Außer dem Verdampfer 1 liegen im Kältemittelkreis 5 ein Verdichter 6, ein Kondensator 7 und ein Expansionsventil 8. Das Epansions­ventil 8 ist in üblicher Weise mittels Temperatur- oder zu­sätzlicher Drucksteuerung im Durchsatz so gesteuert, daß gerade so viel Kältemittel durchgelassen wird, daß es im Verdampfer 1 noch nahezu vollständig verdampfen kann. Zusatzlich kann in an sich bekannter Weise ein Trockner 9 dem Expansionsventil 8 in Strömungsrichtung vorgeschaltet sein. Die Strömungsrichtung ist durch Strömungspfeile 10 veranschaulicht.
  • Wesentlich ist, daß ein Thermostat 11 in Abhängigkeit von der vor dem Verdampfer 1 gemessenen Temperatur des Kühlmittels der Kühlkreise den Verdichter 6 einschaltet, wenn die Schalttempe­ratur des Kühlmittels erreicht wird und den Verdichter abschal­tet, wenn die Schalttemperatur unterschritten wird. Weiter ist wesentlich, daß ein Bypaßventil 12 in eine Bypaßleitung 13 zwi­schen Anschlußstellen der Kältemittelleitung hinter dem Ver­dichter 6 einerseits und hinter dem Expansionsventil 8 anderer­seits von einem Drucksensor 14 im Kältemittelkreis gesteuert wird, der vor dem Verdichter 6 angeordnet ist und der folgender­maßen steuert:
    Bei einem Mindestdruck im Verdampfer 1, der aus Gründen der Sicherheit gegen Einfrieren des Kühlmittels im Verdampfer nicht unterschritten werden soll, wird das Bypaßventil 12 geöffnet. Bei einem bestimmten Druck im Verdampfer oberhalb des Min­destdrucks wird das Bypaßventil 12 geschlossen. Das Kühl­mittel im Verdampfer könnte anderenfalls besonders dann ein­frieren, wenn das Kühlmittel in einem Kühlkreislauf zum Stehen kommt. Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann die an­geforderte Kühlleistung so weit zurückgehen, daß einige Kühl­kreise zum Stillstand kommen. Im Ausführungsbeispiel kann einer von zwei Kühlkreisen abgeschaltet werden, ohne daß der Betrieb der Kühleinrichtung beeinträchtigt wird. Der Drucksensor 14 ist funktionell Teil des Pressostaten 16.
  • Bei zwei Kühlmittelkreisen 2 und 3 kann der Verdampfer 1 einen Koaxialrohraufbau aufweisen, aus Mantelrohr, Mittelrohr und Innenrohr. Von den sich ergebenden koaxial angeordneten Ring­räumen kann der äußere dem Kühlmittelkreis 3 und der innere dem Kühlmittelkreis 2 zur Verfügung gestellt werden. Durch den mittleren Ringraum strömt dann das Kältemittel. Der äußere Ring­raum kann vorteilhafterweise für einen Kühlmittelkreis für größere Kühlleistung als in einem am inneren Ringraum ange­schlossenen Kühlmittelkreise zur Verfügung gestellt werden, da der äußere Ringraum größere wärmetauschende Flächen aufweist.
  • An einem Temperatursensor 15 des Thermostaten 11 werden vor­teilhafterweise die Leitungen sämtlicher Kühlmittelkreise vorbeigeführt. Der Temperatursensor 15 ist funktionell Teil des Thermostaten 11. Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Leitungen der Kühlmittelkreise 2 und 3 am Temperatursensor vorbeigeführt. Selbst wenn das Kühlmittel in einem Kühlmittel­kreis zum Stillstand kommt, da in diesem Kreis überhaupt keine Kühlung mehr erforderlich ist, wird so auf einfache Weise vom Temperatursensor 15 ein einfach verwertbares Signal ermittelt. Wenn der Kühlmittelkreis 3 beispielsweise für 500 W Kühlleistung ausgelegt ist und der Kühlmittelkreis 2 für 300 W, kann beim Stillstand des Kühlmittels im Kühlmittelkreis 3 die vom Kälte­mittelkreis 5 bereitgestellte Kühlleistung in dem Maß herunter­gefahren werden, wie sich die Temperatur am Temperatursensor 15 wegen verringerten Kältebedarfs erniedrigt. Das Kühlmittel in den Kühlkreisen 2 und 3 kann Wasser sein.
  • Für die Kühleinrichtung, die stark unterschiedlichen Kühllei­stungsbedarf berücksichtigt, sind beispielsweise ein Einsatz­gebiet Lithotripsiegeräte.

Claims (4)

1. Kühleinrichtung für mehrere durch einen Verdampfer (1) ge­führte Kühlmittelkreise (2, 3) für zu kühlende Geräte, auch stark unterschiedlichen Kühlleistungsbedarfs, dessen Verdampfer (1) in einem Kältemittelkreis (5) mit weiteren Bauteilen, wie Verdichter (6), Kondensator (7) und Expansionsventil (9) an­geordnet ist, wobei
- ein Thermostat (11) in Abhängigkeit von der vor dem Verdamp­fer (1) gemessenen Temperatur des Kühlmittels der Kühlkreise den Verdichter (6) einschaltet, wenn die Schalttemperatur des Kühlmittels erreicht wird und den Verdichter (6) abschaltet, wenn die Schalttemperatur unterschritten wird und
- ein Bypaßventil (12) in einer Bypaßleitung (13) zwischen An­schlußstellen der Kältemittelleitung hinter dem Verdichter (6) einerseits und hinter dem Expansionsventil (8) anderer­seits von einem Drucksensor (14) im Kältemittelkreis, der vor dem Verdichter (6) angeordnet ist, gesteuert wird, derart, daß bei einem Mindestdruck im Verdampfer (1), der aus Gründen der Sicherheit gegen Einfrieren des Kühlmittels im Verdampfer nicht unterschritten werden soll, das Bypaßventil (12) öffnet und bei einem bestimmten Druck im Verdampfer oberhalb des Mindestdrucks das Bypaßventil (12) geschlossen wird.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Verdampfer bei zwei Kühlmit­telkreisen einen Koaxialrohraufbau aus Mantelrohr, Mittelrohr und Innenrohr aufweist, so daß sich drei koaxial angeordnete Ringräume ergeben, deren äußerer und innerer Ringraum von je einem Kühlmittel in einer Richtung durchflossen werden, in Gegenrichtung zur Durchströmung mit Kältemittel im mittleren Ringraum.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Thermostat (11) einen Tempe­ratursensor (15) aufweist, an dem die Leitungen sämtlicher Kühlmittelkreise (2, 3) vorbeigeführt sind.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser eingesetzt ist.
EP89114116A 1989-07-31 1989-07-31 Kühleinrichtung für mehrere Kühlmittelkreisläufe Expired - Lifetime EP0411172B1 (de)

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