DE4115905C2 - Kältekreisanordnung mit zwei gleichzeitig angetriebenen Verdichtern - Google Patents

Kältekreisanordnung mit zwei gleichzeitig angetriebenen Verdichtern

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Description

Die Erfindung bezieht sicht allgemein auf eine Kälte­ kreisanordnung mit zwei Verdichtern und betrifft insbesondere eine Kältekreisanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine Kältekreisanordnung umfaßt einen Verdichter zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittelgases, einen Kondensator zum Verflüssigen des durch den Verdichter unter Druck gesetzten Kältemittelgases, eine Druckmindervorrichtung zur Verringerung des Drucks des durch den Kondensator verflüssigten Kältemittels und einen Verdampfer zum Verdampfen des gedrosselten flüssigen Kältemit­ tels, um damit Kälte zu erzeugen. Die genannten Bauelemente sind über Rohrleitungen aufeinanderfolgend zusammengeschaltet.
Der Verdichter kann von verschiedenartiger Bauart sein. Bei einer derartigen Bauart sind zwei Verdichtereinheiten in einem geschlossenen Gehäuse ent­ halten; diese beiden Verdichtereinheiten sind mit einer einzigen Motoreinheit verbunden und werden durch diese gleichzeitig angetrieben.
Beispielsweise beschreibt die veröffentlichte geprüfte JP-Gebrauchsmusteranmeldung 62-30 693 eine Kältekreisan­ ordnung mit einem zwei Verdichtereinheiten umfassenden Verdichter.
Ein für eine Kältekreisanordnung erforderlicher Verdich­ ter ist jedoch einem weiten Bereich von Kältekreislasten unterworfen. Aus diesem Grund muß die Leistung des Verdichters variabel sein. Diesbezüglich ist aber der zwei Verdichtungsstufen aufweisende Verdichter nicht zufriedenstellend.
Aus diesem Grund ist z. B. in der JP-OS 63-2 12 797 ein Verdichter vorgeschlagen, bei dem eine erste Verdichter­ einheit und eine zweite Verdichtereinheit mit zwei Zylindern (großen und kleinen Zylindern) unterschied­ licher Verdichtungsvolumina in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sind.
An Saug- und Druckseite jeder Verdichtereinheit sind jeweils Ventile vorgesehen, wobei diese beiden Einrichtungen über eine Rohrleitung miteinander verbunden sind.
Die beiden Verdichtereinheiten werden gleichzeitig angetrieben. Die Ventile werden zur Gewährlei­ stung von drei Antriebsbetriebsarten umgeschaltet, nämlich:
1. Unabhängiger Betrieb, in welchem die Verdichtung in großen und kleinen Zylindern (zwei Zylindern) unabhängig voneinander durchgeführt wird; 2. Parallelbetrieb, in welchem die Zylinder die Verdichtung parallel durchführen; und 3. Reihenbetrieb, in welchem die Verdichtung in zwei Stufen von einem Zylinder zum anderen Zylinder erfolgt.
Bei diesem Verdichter ist der Leistungsregelbereich deutlich vergrö­ ßert, so daß den Anforderungen an schwankende Kältelasten besser entsprochen werden kann.
Der beschriebene Verdichter weist jedoch eine große Zahl an Ventilen auf, wobei die Steuereinrichtung entsprechend kompliziert ist.
Aufgrund der Verwendung mehrerer Ventile wird auch die für ihre Verbindung benutzte Rohrleitung länger, so daß das gesamte Gerät größer wird.
Eine gattungsgemäße Kältekreisanordnung ist aus der JP-2-8660 A bekannt. Bei dieser bekannten Kältekreisschaltung mit Kondensator, Drossel, Verdampfer und Verdichter sind zwei Verdichtereinheiten mit einem Vierwegeventil so zusammenschaltbar, daß ausschließlich im Abtau-Betrieb ein Ansteigen des Eingangsdrucks in den zweiten Verdichter verhindert wird, indem in Abhängigkeit von einer Druckerhöhung im Verdampfer während des Abtau-Betriebs das Vierwegventil so geschaltet wird, daß die beiden Verdichtereinheiten parallel arbeiten. Im normalen Betrieb sind die Verdichtereinheiten stets für einen Zweistufen-Verdichtungsbetrieb geschaltet.
Die DE-PS 618 048 schließlich offenbart einen mehrstufigen Zellenverdichter, bei dem zwei Verdichterstufen zum Zwecke verbesserter Kühlung und Lagerschmierung in einem mit Öl bzw. mit Kältemittel befüllten geschlossenen Gehäuse untergebracht sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kältekreis in einfacher Weise an einen hohen bzw. niedrigen Kältebedarf anzupassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Schaffung einer Kältekreisanordnung mit den Merkmalen im Patentanspruch 1.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 eine Kältekreisanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch einen Verdichter und einen Sammler und Fig. 2 eine schematische Dar­ stellung einer Kältekreisschal­ tung zeigen, und
Fig. 3 und 4 Kältekreisläufe oder Teile davon gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 veranschaulicht einen Verdichter S und einen Sammler 20 einer Kältekreisanordnung.
In einem geschlossenen bzw. abgedichteten Gehäuse 1 befinden sich ein Motor 3 und ein Verdichter 4, die über eine drehbare Welle 2 miteinander verbunden sind.
Der Motor 3 umfaßt einen auf der Welle 2 sitzenden Rotor 5 und einen zwischen sich und dem Rotor 5 einen kleinen Spalt festlegenden Stator 6.
Der Verdichter 4 umfaßt eine erste und eine zweite Verdichterstufe A bzw. B, die längs der Welle 2 nebeneinander angeordnet sind.
Der erste und der zweite Verdichter A bzw. B sind im folgenden näher beschrieben.
An der Welle 2 sind in entgegengesetzten Richtungen exzentrische Kurbelteile 7a und 7b angeformt und mit Rollkolben 8a bzw. 8b versehen. Die Rollkolben 8a und 8b sind in mit Ansaug- bzw. Einlaßöffnungen m und Auslaßöffnungen n versehenen Zylindern 9a bzw. 9b enthalten und darin exzentrisch drehbar.
Insbesondere bestehen die ersten und zweiten Verdichter A bzw. B aus sog. Kreiselverdichtern.
Eine das geschlossene Gehäuse 1 von außen her durchset­ zende erste Kältemittel-Saugleitung 10 ist an die Ansaug- bzw. Einlaßöffnung m der ersten Verdichtereinheit A angeschlos­ sen. An der Auslaßöffnung n der ersten Verdichtereinheit A ist ein Auslaßventil 11 vorgesehen. Das vom Ventil 11 entlassene Gas wird über einen Ventildeckel 13 in das geschlossene Gehäuse 1 eingeführt. Der Ventil­ deckel 13 ist an einem Hauptlager 12 für die Welle 2 vorgesehen.
Eine zweite, das geschlossene Gehäuse 1 von außer her durchsetzende Kältemittel-Saugleitung 14 ist an die Ansaugöffnung m der zweiten Verdichtereinheit B ange­ schlossen, an deren Auslaßöffnung n ein Auslaßventil 15 vorgesehen ist. Das vom Ventil 15 ent­ lassene Gas wird vorübergehend in einen an einem Neben­ lager 16 vorgesehenen Ventildeckel 17 eingeleitet. Das Nebenlager 16 ist zusammen mit den Zylindern 9a und 9b am Hauptlager 12 befestigt und dient zur Lagerung der Welle 2.
Eine das geschlossene Gehäuse 1 von außen her durchset­ zende Austragleitung 18 ist mit dem Zylinder 9b verbunden. Das vom Ventildeckel 17 abgegebene Kältemittelgas wird durch die Austragleitung 18 aus dem geschlossenen Gehäuse 1 herausgeführt.
An die Seitenfläche des geschlossenen Gehäuses 1 ist eine Kältemittel-Austragleitung 19 angeschlossen, über welche das Gas aus dem Gehäuse 1 nach außen abgeführt wird.
In der Nähe des Verdichters S ist ein Sammler 20 zum Trennen des Kältemittels in gasför­ mige und flüssige Anteile vorgesehen. Die Endabschnitte der ersten und zweiten Kältemittelsaugleitungen 10 bzw. 14 sind in den Sammler 20 eingeführt.
Ein Rückschlag­ ventil 21 ist nur in der ersten, in den Sammler 20 eingeführten Kältemittelsaugleitung 10 vorgesehen. Das Rückschlagventil 21 sperrt die Gasströmung von der ersten Verdichterstufe A zum Sammler 20.
Ein Endabschnitt der Austragleitung 18 ist an eine Saugöffnung 22a eines elektromagnetischen Dreiwege­ ventils 22 angeschlossen, bei dem eine erste Auslaßöffnung 22b mit einer Verdich­ ter-Verbindungsleitung 23 verbunden ist, die mit einem mittleren Abschnitt der ersten Saug­ leitung 10 kommuniziert.
Die Anschlußstelle y, an welcher die genannte Verbin­ dungsleitung 23 mit der ersten Saugleitung 10 verbunden ist, muß zwischen der Saugseite der ersten Verdichter­ einheit A und dem Rückschlagventil 21 liegen. Diese Stelle y befindet sich an der Stromabseite des Rück­ schlagventils 21, in der Richtung des aus dem Sammler 20 zur ersten Verdichtereinheit A angesaugten Kältemittel­ gases gesehen.
Eine zweite Auslaßöffnung 22c des elektro­ magnetischen Dreiwegeventils 22 ist mit einer Gehäuse- Verbindungsleitung 24 verbunden, deren eines Ende mit dem Inneren des geschlossenen Gehäuses 1 in Ver­ bindung steht.
Das durch die zweite Verdichterstufe B verdichtete Kältemittelgas wird somit entsprechend der Umschaltung des elektromagnetischen Dreiwegeventils 22 entweder zur Verdichter-Verbindungs­ leitung 23 oder zur Gehäuse-Verbindungsleitung 24 gelei­ tet.
Beispielweise wird das zur Verdichter-Verbindungsleitung 23 geleitete Kältemittelgas durch das Rückschlagventil 21 an einer Strömung in den Sammler 20 gehindert, und es wird über die erste Saugleitung 10 nur von der ersten Verdichterstufe A angesaugt.
Das zur Gehäuse-Verbindungsleitung 24 geleitete Kälte­ mittelgas wird unmittelbar in das geschlossene Gehäuse 1 eingeführt.
Gemäß Fig. 2 sind der Verdichter S und der Sammler 20 mit einer Kältekreisschaltung K verbunden. In Fig. 2 sind das geschlossene Gehäuse 1 des Verdichters S weggelassen und die Rohrleitungskonstruktion gemäß Fig. 1 vereinfacht dargestellt.
Die Kältemittel-Austragleitung 19 ist mit einem Kondensa­ tor 25 verbunden und sodann aufeinanderfolgend an einen Flüssigkeitsbehälter 27, eine als Druckmindervorrichtung dienende Kältemittel-Drossel 28 und über eine Kältemittelleitung 26 an einen Verdampfer 29 angeschlossen, von denen letzterer mit der Saugseite des Sammlers 20 in Verbindung steht.
Das elektromagnetische Dreiwegeventil 22 ist elektrisch mit einem Temperatur-Fühler 40 zum Messen der Temperatur des Verdampfers 29 verbunden. Wenn das Meßsignal vom Fühler 40 einen Istwert feststellt, der gleich groß oder kleiner ist als ein vorbestimmter Sollwert, wird die Austragleitung 18 mit der Ver­ dichter-Verbindungsleitung 23 in Verbindung gebracht. Wenn das Meßsignal vom Fühler 40 den vorbe­ stimmten Wert übersteigt, wird die Austragleitung 18 mit der Gehäuse-Verbindungsleitung 24 in Verbindung gebracht.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend be­ schriebenen Kältekreisanordnung näher erläutert.
Der Temperatur-Fühler 40 mißt die Temperatur des Ver­ dampfers 29. Wenn die gemessene Temperatur den vorbe­ stimmten Wert übersteigt, d. h. wenn der Kältebedarf über dem vorbestimmten Wert liegt, wird das elektro­ magnetische Dreiwegeventil 22 betätigt, um die Austragleitung 18 mit der Gehäuse-Verbindungsleitung 24 in Verbindung zu bringen.
Das Kältemittel wird im Verdampfer 29 zur Herbeiführung einer Abkühlung verdampft. Sodann wird das verdampfte Kältemittel, das im Sammler 20 in gasförmige und flüssige Anteile aufgetrennt worden ist, über erste und zweite Saugleitung 10 bzw. 14 von der ersten und zweiten Verdichterstufe A bzw. B verdich­ tet.
Das in der ersten Verdichterstufe A verdichtete Druck­ gas wird über den Ventildeckel 13 unmittelbar in das geschlossene Gehäuse 1 ausgetragen. Das in der zweiten Verdichterstufe B verdichtete Kältemittel-Druckgas wird von der Austragleitung 18 über das elektroma­ gnetische Dreiwegeventil 22 zur Gehäuse-Verbindungslei­ tung 24 geleitet und dann in das Gehäuse 1 ausgetragen.
Die von der ersten und zweiten Verdichterseite A bzw. B abgegebenen Gasströme werden somit im geschlossenen Gehäuse 1 miteinander vereinigt.
Aus dem Gehäuse 1 wird das Kältemittel-Druckgas zur Austragleitung 19 ausgetragen und zum Kondensator 25 geleitet, in welchem das Gas kondensiert und verflüssigt wird.
Das durch den Kondensator 25 verflüssigte Kältemittel wird vorübergehend im Flüssigkeitsbehälter 27 gesammelt und dann einer Expansion durch die Kältemittel- Drossel 28 unterworfen.
Das expandierte flüssige Kältemittel wird im Verdampfer 29 verdampft, wobei es Umgebungsverdampfungswärme absorbiert und dadurch die Abkühlung bewirkt.
Das im Verdampfer 29 verdampfte Kältemittel wird zum Sammler 20 zurückgeführt und auf oben beschriebene Weise im Kältekreis K umgewälzt.
Wenn - wie beschrieben - der Kältebedarf eine vorbe­ stimmte Größe übersteigt, sind die erste und zweite Ver­ dichterstufe A bzw. B des Verdichters S im Paral­ lelbetrieb mit maximaler Leistung geschaltet.
Wenn insbesondere der Betrieb mit maximaler Leistung beim Einleiten des Kältekreisbetriebs oder dann, wenn der Kältebedarf stark ansteigt, durchgeführt wird, kann die Last sehr schnell verringert werden.
Wenn jedoch der Betrieb mit maximaler Leistung über eine lange Zeitspanne fortgeführt wird, nimmt die Wärmelast des Verdampfers 29 allmählich ab, wobei der Verdampfungsdruck des Kältemittels sinkt. Wenn die erfindungsgemäße Anordnung bei einer Tieftemperaturkäl­ temaschine eingesetzt wird, kann der Saugdruck der Verdichtereinrichtung S unter den Atmosphärendruck abfallen.
Darüber hinaus verringern sich die Menge des im Kältekreis K umgewälzten Kältemittelgases und die Kapazität zum Kühlen der Motoreinheit 3, wobei sich ein hohes Verdichtungsverhältnis und eine hohe Über­ hitzung des Kältemittels einstellt.
Wenn die durch den Temperatur-Fühler 40 gemessene Tempe­ ratur des Verdampfers 29 der vorbestimmten Größe ent­ spricht oder diese unterschreitet, d. h. wenn der Kälte­ bedarf gleich groß oder niedriger ist als eine vorbe­ stimmte Größe, wird das mit dem Meßsignal vom Fühler 40 beaufschlagte elektromagnetische Dreiwegeventil 22 umgeschaltet, um die Austragleitung 18 und die Verdichter-Verbindungsleitung 23 miteinander zu verbin­ den.
Das durch den Verdampfer 29 verdampfte und durch den Sammler 20 in gasförmige und flüssige Anteile getrennte Kältemittelgas wird nicht zur ersten Kältemittel-Saug­ leitung 10, sondern aufgrund des noch näher zu beschrei­ benden Betriebs des Rückschlagventils 21 in Zuordnung zum Betrieb des Dreiwegeventils 22 nur zur zweiten Sauglei­ tung 14 geleitet.
Das Kältemittelgas wird über die zweite Saugleitung 14 von der zweiten Verdichterstufe B angesaugt, wobei das Gas verdichtet und als Zwischendruckgas an die Austragleitung 18 abgegeben wird.
Das Gas wird sodann über die mittels des Dreiwegeventils 22 gewählte oder angesteuerte Verdichter-Verbindungslei­ tung 23 zur ersten Saugleitung 10 geleitet.
Das Rückschlagventil 21 wird durch den Gasstrom von der Verdichter-Verbindungsleitung 23 geschlossen, so daß damit die Strömung zum Sammler 20 und zum Verdampfer 29 gesperrt wird.
Das gesamte Gas mit dem Zwischendruck wird über die erste Saugleitung 10 von der ersten Verdichterstufe A angesaugt und verdich­ tet.
Damit wird das Kältemittelgas zunächst durch die zweite Verdichterstufe B und dann durch die erste Verdichterstufe A in zwei Stufen verdichtet. Das verdichtete Gas wird in das geschlossene Gehäuse 1 ausgetragen und über die Austragleitung 19 auf beschrie­ bene Weise im Kältekreis K umgewälzt.
Im Vergleich zum Parallel-Verdichtungsbetrieb ist der Zweistufen-Verdichtungsbetrieb bezüglich der Kälteerzeu­ gungsleistung unterlegen. Mit der Abnahme des Verdichtungsverhältnisses erhöht sich jedoch der Verdichtungswirkungsgrad.
Weiterhin verringert sich der Überhitzungsgrad der verdichteten Gasmenge, während sich der volumetrische Wirkungsgrad und die Kälteleistung erhöht.
Bei Durchführung des Zweistufen-Verdichtungsbetriebs nehmen die Kälteleistung und die Lei­ stung des Motors 3 ab, wobei eine Motorüberhitzung verhindert werden kann. Andererseits verringert sich im Vergleich zum normalen Einstufen-Verdichtungsbetrieb die Motor-Drehmomentpulsation, so daß weniger Betriebsgeräusch erzeugt wird.
Insbesondere bei einer Kältekreisanordnung mit Freon 22 in einer Tieftempera­ tur-Kältemaschine fällt der Verdampfungsdruck unter den Atmosphärendruck ab, wenn die Verdampfungstemperatur des Kältemittels -40° (°C) beträgt.
Wenn in diesem Fall der Zweistufen-Verdichtungsbetrieb durchgeführt wird, kann eine Überhitzung der Verdichter­ einrichtung S wirksam vermieden werden; zudem werden dabei der Verdichtungswirkungsgrad verbessert und auch der mechanische Wirkungsgrad durch Senkung der Lagerbe­ lastung erhöht. Zudem wird der Betriebsgeräuschpegel gesenkt. Demzufolge kann bei Tieftemperatur-Kälteanlagen der Betrieb verbessert werden.
Gemäß Fig. 3 kann das elektromagnetische Dreiwegeventil 22 elektrisch mit einem Drucksensor oder -fühler 41 zum Messen des Saugdrucks der Verdichtereinrichtung S, einem Temperaturfühler 42 zum Messen der Auslaßgastemperatur des Verdichters S und einem Temperaturfühler 43 zum Messen der Temperatur des geschlossenen Gehäuses 1 des Verdichters S verbunden sein.
Genauer gesagt: das elektromagnetische Dreiwegeventil 22 kann dabei nicht nur die Umschaltung auf der Grundlage des Meßsignals vom Temperaturfühler 40 (Fig. 2) zum Messen der Temperatur des Verdampfers 29, sondern auch auf der Grundlage des Meßsi­ gnals von einem der Fühler 41, 42 und 43 durchführen.
Bei einer in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform enthält eine Kältekreisschaltung Ka einen Zwischenkühler 38 zum Kühlen des Kältemittel­ gases mittels Luft oder Wasser. Der Kühler 38 ist in die an das elektromagnetische Dreiwegeventil 22 angeschlossene Verdichter-Verbindungsleitung 23 einge­ schaltet.
Das durch die zweite Verdichterstufe B verdichtete und vom Dreiwegeventil 22 zur Verdichter-Verbindungsleitung 23 geleitete Gas wird im Zwischenkühler 38 gekühlt.
Das gekühlte Gas wird dann der ersten Verdichterstufe A der höheren Stufe zugeführt. Die Temperatur des Gases wird gesenkt, und eine Überhitzung des Gases wird ver­ hindert.

Claims (2)

1. Kältekreisanordnung
mit einem ersten und einem zweiten Verdichter (A, B,) welche gleichzeitig durch einen Motor (3) angetrieben werden;
mit einem Kondensator (25) zum Verflüssigen eines durch die Verdichter verdichteten Kältemittelgases, einer Kältemitteldrossel (28) zur Expansion des verflüssigten Kältemittels, einem Verdampfer (29) zum Verdampfen des expandierten Kältemittels, um dadurch eine Kühlung zu bewirken, wobei der Kondensator (25), die Kältemittel-Drossel (28), der Verdampfer (29) und die Verdichter aufeinanderfolgend geschaltet sind;
mit einem in einer Ansaugleitung (m) des ersten Verdichters (A) angeordneten Rückschlagventil (21), welches eine Strömung des Kältemittelgases vom ersten Verdichter (A) zum Verdampfer (29) sperrt, mit einem Teperaturfühler (40) am Verdampfer (29) und mit einem Mehrwege-Umschaltventil, welches mit dem Ausgang des zweiten Verdichters in Verbindung steht und die Kältekreisanordnung zwischen zwei Betriebsarten umzuschalten vermag, wobei in einer ersten Stellung des Umschaltventils die Auslaßseite des zweiten Verdichters mit der Auslaßseite des ersten Verdichters verbunden ist, um eine parallele Verdichtung zu ermöglichen und wobei in einer zweiten Stellung des Umschaltventils die Auslaßseite des zweiten Verdichters mit einer Einlaßseite des ersten Verdichters verbunden ist, um das Kältemittel zweistufig zu verdichten, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Verdichter (A, B) das komprimierte Kältemittelgas in ein geschlossenes Gehäuse (1) fördern, welches mit dem Kondensator verbunden ist,
daß das Umschaltventil ein elektromagnetisches Dreiwegeventil (22) ist, welches in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturfühlers (40) derart betätigbar ist, daß bei hohem Kältebedarf das Dreiwegeventil in die erste Stellung geschaltet wird, wenn eine durch den Temperaturfühler (40) gemessene Temperatur hoch ist, und bei niedrigem Kältebedarf das Dreiwegeventil in die zweite Stellung geschaltet wird, wenn eine von dem Temperaturfühler (40) gemessene Temperatur niedrig ist.
2. Kältekreisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kältekreisanordnung einen Sammler (20) zum Abtrennen von Flüssigkeit aus dem verdampften Kältemittel aufweist, welches von den Verdichtern (A, B) angesaugt wird,
daß die Einlaßseiten (m) der beiden Verdichter (A, B) jeweils durch Kältemittelleitungen (10, 14) gebildet werden, die in den Sammler (20) eingeführt sind, und
daß das Rückschlagventil (21) in dem Sammler angeordnet ist.
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