DE69116091T2 - Kreiselverdichter mit rohrförmigem Diffusor und Kollektor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein Kühlsysteme, die Kühlmittelverdichter aufweisen, und insbesondere solche, die Kreiselverdichter mit einer besonderen Diffusor- und Kollektorkombination zur Erzielung einer Leistung mit hohem Wirkungsgrad aufweisen.
• Bei Klimaanlagen mit großer Luftkapazität unter Verwendung von wassergekühlten Kühlaggregaten werden üblicherweise Kreiselverdichter verwendet. Das Kühlmittel der Wahl in solchen Verdichtern ist üblicherweise DFC-11, das einen relativ hohen thermodynamischen Zykluswirkungsgrad hat.
• Bei Verwendung dieses üblichen Kühlmittels und bei den üblichen Systemkapazitätsanforderungen für eine besondere Anlage (d.h. dem Ansaug- und Druckverhältnis und den Strömungsanforderungen) kann dann die Größe der verschiedenen Komponenten bestimmt werden. Wenn die Geschwindigkeit als fest angesehen wird, wie dies allgemein der Fall ist, dann werden der Laufraddurchmesser und die Laufradbreite so gewählt, daß sie den besonderen Kapazitätsanforderungen angepaßt sind. Es ist tatsächlich das Laufrad, das das Kühlmittel auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, wonach es notwendig ist, das Kühlmittel auf eine niedrige Geschwindigkeit zu verzögern, während die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird. Dies erfolgt allgemein mit dem Diffusor und in einem gewissen Maß mit der Kammer, in die der Diffusor sein Kühlmittel abgibt.
• Bei der Verwendung von CFC-11 als Kühlmittel ist allgemein anerkannt, daß die vollständige Diffusion (d.h. die Umwandlung von im wesentlichen der gesamten kinetischen Energie in Druckenergie) innerhalb der normalen Grenzen verfügbaren Diffusorraums nicht erreicht werden kann. Dies bedeutet, daß solch ein Diffusor übermäßig groß bzgl. der Antriebsmotor- und Getriebesysteme ist, so daß erhebliche Bedenken gegen die prakitsche Anwendung solch eines Systems bestehen. Die normale Lösung besteht darin, den Diffusionsprozeß in einem spiralförmigen Gehäuse, das als Spiralgehäuse bezeichnet wird, zu vervollständigen. Das Spiralgehäuse dient daher dem Zweck, den diffusionsprozeß zu vervollständigen und den Auslaßdampf für die nachfolgende Weiterleitung zum Kondensor zu sammeln. Obwohl das Spiralengehäuse mit seinem allmählich zunehmenden Querschnitt eine optimale Konstruktion für die Ausnutzung des verfügbaren Raums darstellt, ist erkannt worden, daß ein bestimmter Wirkungsgrad bei der Diffusion, die im Spiralgehäuse stattfindet, verlorengeht. Ein Verdichter mit einem Laufrad, einem Diffusor und einem Spiralgehäuse ist z.B. in EP-A-0 198 784 beschrieben.
• Typische Kreiselverdichter haben ein Spiralgehäuse mit einem Außendurchmesser, das etwa zweimal so groß wie der Laufraddurchmesser ist. Unter diesen geometrischen Bedingungen ist daher die Diffusionsgröße im Kompressor begrenzt. Um eine weitere Diffusion zu erreichen, ist nicht nur ein größerer Diffusoraußendurchmesser und damit ein größerer Spiralgehäusedurchmesser erforderlich, sondern es ist auch eine größere Querschnittsfläche im Spiralgehäuse erforderlich, um den Durchgang einer bestimmten Volumenstromrate bei niedrigen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Wegen dieser Grenzen haben Kreiselverdichter mit üblichen, größenbegrenzten Diffusor/Spiralgehäuse-Kombinationen erhöhte Umfangsströmungsstörungen bei Teillastbedingungen, wenn das Spiralgehäuse überdimensioniert ist und am Beginn als Umfangsdiffusor wirkt. Der sich ergebende Umfangsdruckaufbau und seine entsprechenden Strömungsungleichmäßigkeiten sind stromaufwärts des Diffusors und selbst am Einlaß des Laufrades festzustellen. Die Wirkungen dieser Ungleichmäßigkeiten auf die Gesamtverdichterleistung sind ein Verlust an Wirkungsgrad und eine Verringerung des stabilen Arbeitsbereichs unter Teillastbedingungen.
• Die CH-A-306143 offenbart einen mehrstufigen Kreiselverdichter, bei dem die Diffusorelemente in den jeweiligen Stufen Eintritts- zu Austrittsflächenverhältnisse von 4,77, 4,75 und 4,71 haben.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kühlsystem zu schaffen, das einen Kreiselverdichter verwendet.
• Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche und durch die Merkmale deren kennzeichnender Teile.
• Gemäß der Erfindung besteht der Diffusor aus einem Rohr- bzw. Kanaldiffusor mit mehreren, in Umfangsrichtung beabstandeten, nach außen gerichteten kegelstumpfförmigen Kanälen, deren Längen so gewählt sind, daß sie ein Flächenverhältnis von 5:1 haben, um eine im wesentlichen vollständige Diffusion der Kühlmittelgase zu ermöglichen.
• Außerdem ist das übliche Spiralgehäuse eines Kreiselverdichters durch einen in Umfangsrichtung symmetrischen Kollektor zur Aufnahme des Gases niedriger Geschwindigkeit ersetzt. Wegen der im wesentlichen vollständigen Diffusion, die im Diffusor erfolgt, ist die Umfangsdruckstörung, die im Kollektor infolge der ungleichmäßigen Geschwindigkeiten auftritt, minimal. Wegen der relativ großen Querschnittsfläche des Kollektors im Vergleich mit einem Spiralgehäuse können die relativ großen Strömungsvolumina, die sich aus der vollständigeren Diffusion der Kühlmittelgase ergeben, ohne Drosselung aufgenommen werden. Auf diese Weise wird ein Kanaldiffusor, bei dem eine im wesentlichen vollständige Diffusion stattfindet, und ein relativ großer Kollektor mit einem gleichmäßigen Umfangsquerschnitt in Kombination wirksam verwendet werden, um einen optimalen Wirkungsgrad über einen großen stabilen Arbeitsbereich zu erreichen, und all dies innerhalb der gegebenen geometrischen Grenzen.
• Ein Kühlmittelgas mit relativ hoher Dichte (z.B. HCFC-22) wird derart verwendet, daß, wenn übliche Bemessungsvorschriften angewendet werden, die lineare Größe der aerodynamischen Komponenten in solche einem Maß verringert werden kann, daß der Motor und die Antriebsvorrichtung die die Größe bestimmenden Elemente statt der aerodynamischen Konstruktion werden, wobei es dann die reduzierte Größe ermöglicht, Vorkehrungen zu treffen, um eine vollständige Umwandlung der kinetischen Energie in Druckenergie im Diffusor zu erreichen, so daß dadurch höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Diffusionsprozesses optimiert, während man innerhalb der geometrischen Grenzen bleibt. Das Kühlmittelgas hat vorzugsweise ein höhere Dichte als CFC-11.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, jedoch sind verschiedene andere Abwandlungen und alternative Konstruktionen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu überschreiten.
• Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht eines Kreiselverdichters für ein Kühlmittelsystem gem. der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Teilendansicht des Laufrads der Erfindung.
• Fig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linien 3-3 davon.
• Fig. 4 ist eine Axialschnittansicht des Diffusors der Erfindung.
• Fig. 5 ist eine Schnittansicht längs der Linien 5-5 davon.
• Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilansicht davon.
• Fig. 7 ist eine Schnittansicht des Kollektors der Erfindung.
• Fig. 8 ist eine Schnittansicht längs der Linien 8 - 8 davon.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist die Erfindung allgemein bei 10 gezeigt, eingebaut in einen Kreiselverdichter 11, der ein Laufrad 12 zur Beschleunigung von Kühlmitteldampf auf eine hohe Geschwindigkeit, einen Diffusor 13 zur Verzögerung des kühlmittels auf eine niedrige Geschwindigkeit bei Umwandlung der kinetischen Energie in Druckenergie und einen Füllraum in Form eines Kollektors 14 zur Aufnahme des Auslaßdampfes zur nachfolgenden Weiterleitung zu einem Kondensor aufweist. Das Lauf rad 12 wird von einem Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben, der hermetisch abgedichtet im anderen Ende des Verdichters angeordnet ist, und der eine Welle 16 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, die wiederum mit einem Antriebszahnrad 17, einem angetriebenen Zahnrad 18 und einer Hochgeschwindigkeitswelle 19 in Antriebsverbindung steht.
• Die Hochgeschwindigkeitswelle 19 ist an jedem Ende in Lagern 21 und 22 gelagert, wobei das Lager 22 sowohl als Drehlager wirkt, um die radiale Lage der Welle 19 aufrechtzuerhalten, als auch als Axiallager, um deren axiale Lage aufrechtzuerhalten.
• Um eine Gegenwirkung zum aerodynamischen Axialdruck zu erzeugen, der vom Lauf rad 12 erzeugt wird, ist ein Ausgleichskolben mittels einer Niederdruckkammer 20 hinter dem Laufrad 12 angeordnet. Mehrere Kanäle 25 sind im Laufrad 12 vorgesehen, um den Druck in der Kammer bzw. dem Ausgleichskolben 20 auf dem selben niedrigen Druck wie dem im Verdichteransaugbereich zu halten, der allgemein mit der Bezugsziffer 23 bezeichnet ist. Da der Druck in der Kammer 24 höher als der in der Kammer 20 ist, und insbesondere bei Teillastbetrieb, ist eine Labyrinthdichtung 26 zwischen dem Lager 22 und dem Laufrad 12 vorgesehen, um diesen Bereich gegen den Zustrom von Öl und Gas aus der Transmission in den Ausgleichskolben 20 abzudichten. Dieses Konzept ist ebenso bekannt wie das weitere Konzept der Druckbeaufschlagung der Labyrinthdichtung durch Beaufschlagung mit einem Hochdruckgas. Der Hochdruckdampf zur Druckbeaufschlagung der Labyrinthdichtung wird mittels der Leitung 27 und ihrer bei 28 angegebenen zugehörigen Kanäle eingeleitet.
• Es wird nun auf die Art Bezug genommen, in der der Kühlmittelstrom im Kompressor 11 verläuft. Das Kühlmittel tritt in die Einlaßöffnung 29 des Ansauggehäuses 31 ein, verläuft durch die Schaufelringanordnung 32 und die Leitschaufeln 33 und tritt dann in den Verdichtungsansaugbereich 23 ein, der zu dem Verdichtungssbereich führt, der an seiner Innenseite von dem Laufrad 12 und an seiner Außenseite von der Radwand 34 begrenzt wird. Nach der Verdichtung strömt das Kühlmittel dann in den Diffusor 13, den Kollektor 14 und die Auslaßleitung (nicht gezeigt). Es ist ersichtlich, daß die Verdichtertragplatte 36, die den Kollektor 14 als integrales Teil aufweist, am Transmissionsgehäuse 37 und am Motorgehäuse 38 durch geeignete Befestigungsmittel wie Bolzen (nicht gezeigt) oder dgl. befestigt ist. Das Ansauggehäuse 31 wiederum ist an der Verdichtertragplatte 36 durch mehrere Bolzen 39 befestigt. Die Schaufelringanordnung 32 wiederum ist am inneren Ende 41 des Ansauggehäuses 31 durch Bolzen 45 befestigt.
• Vor der Montage des Ansauggehäuses 31 an der Verdichtergrundplatte 36 wird der Diffusor 13 an einer ringförmigen Stirnfläche 42 der Verdichtertragplatte 36 durch mehrere Bolzen 43 befestigt, wie gezeigt ist. Die Radwand 34 wird dann am Diffusoraufbau durch mehrere Bolzen 44 befestigt. Ein schmaler Spalt 46 kann dann zwischen dem Einlaßende 47 des Laufrads 34 und der stromabwärtigen Seite der Laufringanordnung verbleiben.
• Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, die das Laufrad 12 detaillierter zeigen, das eine Nabe 50, die einstückig damit ausgebildete und radial verlaufende Scheibe 48 und mehrere Schaufeln 49 aufweist. An der Nabe 50 sind eine Nabenbohrung 51 und Keilnuten 52 und 53 zur antriebsmäßigen Montage des Lauf rads 12 auf der Hochgeschwindigkeitswelle 19 ausgebildet. In der Nabe 50 sind auch die Kanäle 25 zum Aufbau der richtigen Drücke für den Ausgleichskolben 20, wie zuvor erläutert wurde, und mehrere Gewindebohrungen 54 zur Befestigung der konusförmigen Nase 56 am Laufrad ausgebildet, wie Fig. 1 zeigt. Das Laufrad ist so konstruiert, daß es mit einem Druckverhältnis von wenigstens 2:1 arbeitet.
• Auf der Rückseite des Laufrades 50 ist die flache, zylindrische Kammer 20 ausgebildet, die mit einem Niederdruckbereich mittels der Kanäle 25 in Verbindung steht, um als Ausgleichskolben zu wirken, wie zuvor beschrieben wurde. Zusätzlich ist eine ringförmige Kammer 57 nahe der Bohrung 51 zum Druckabbau der Teilnuten 52 und zum Abstandsausgleich für die Einstellung der axialen Lage des Laufrads 12 ausgebildet.
• Der Diffusor 13 ist detaillierter in den Fig. 4 - 6 gezeigt. Er besteht aus einem einzigen, ringförmigen Gußteil und hat ein Körper- bzw. Ringstück 58, einen inneren, ringförmigen Flansch 59 und einen äußeren, ringförmigen Flansch 61. Der innere ringförmige Flansch 59 dient dazu, den Ringwandaufbau 34 zu tragen, der daran durch mehrere Bolzen 44 befestigt ist, wie zuvor erläutert wurde. Der äußere ringförmige Flansch 61 hat einen radial verlaufenden Bund 62, der an einer Innenfläche des Kollektors 14 angreift, wie Fig. 1 zeigt. Eine Nut 63 ist am Ende des Bunds 62 ausgebildet, um eine Ringdichtung (nicht gezeigt) aufzunehmen und ein Kühlmittelleck zwischen dem Bund 62 und dem Rand des Kollektors 14 zu verhindern.
• Im Ringstück 58 des Diffusors 13 sind mehrere Bohrungen 64 zur Aufnahme der Bolzen 43 ausgebildet, die den Diffusor 13 am Kollektoraufbau 14 befestigen, wie Fig. 1 zeigt. Im Ringstück 58 sind durch spanabhebende Bearbeitung oder dgl. mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete, etwa radial verlaufende, sich verjüngende Kanäle 66 ausgebildet, deren Mittellinien 67 Tangenten an einem gemeinsamen Kreis sind, der allgemein mit 68 angegeben ist und allgemein als Tangentenkreis bezeichnet wird.
• Wie Fig. 6 zeigt, hat jeder der sich verjüngenden Kanäle 66 drei in Reihe geschaltete Abschnitte, die alle konzentrisch zur Achse 67 sind, wie bei 69, 71 und 72 angegeben ist. Der erste Abschnitt 69 hat zylindrische Form (d.h. einen konstanten Durchmesser) und ist derart winkelig angeordnet, daß er gleiche Abschnitte auf einer Umfangsseite schneidet. Ein zweiter, bei 71 angegebener Abschnitt hat ein sich etwas erweiterndes axiales Profil, wobei die Wände 73 nach außen unter einem Winkel β bzgl. der Wände des Abschnitts 69 bzw. bzgl. der Achse 67 geneigt sind. Ein Winkel, der sich für β als geeignet erwiesen hat, beträgt 2º. Der dritte Abschnitt 72 hat ein axiales Profil, das sich noch mehr erweitert, wobei die Wände 74 unter einem Winkel α bzgl. der Wände des Abschnitts 29 bzw. der Mittellinie 67 geneigt sind. Ein Winkel, der sich für den Winkel α als geeignet erwiesen hat, beträgt 4º. Solch ein Profil mit zu den äußeren Enden des Kanals 66 zunehmender Fläche ist charakteristisch für den Diffusionsgrad, der im Diffusor 73 bewirkt wird und der durch die folgende Gleichung gegeben ist:
• Flächenverhältnis = Fläche am Auslaßkanal/Fläche am Einlaßkanal
• wobei die Auslaßfläche normal zur Achse an der mit A bezeichneten Stelle angenommen wird, und die Einlaßfläche normal zur Achse an der mit B in Fig. 6 bezeichneten Stelle angenommen wird.
• Wie zuvor erwähnt, ist es erwünscht, daß im wesentlichen die gesamte Diffusion im Diffusor 13 erfolgt, so daß das Kühlmittelgas nicht weiter expandiert, wenn es in die Kollektoranordnung 14 eintritt. Damit solch eine vollständige Diffusion stattfindet, ist es erwünscht, daß das Flächenverhältnis in der Größenordnung von 5:1 oder größer liegt. Bei solche einem erzeugten Flächenverhältnis im Diffusor expandiert das Kühlmittelgas, das den Diffusor verläßt, vollständig, so daß eine erheblich große Auslaßfläche erforderlich ist, um es zur weiteren stromabwärtigen Verteilung aufzunehmen. Der relativ große Kollektro 14 ist daher für diesen Zweck vorgesehen.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen die Verdichtertragplatte 36 mit dem einstückig ausgebildeten Kollektoraufbau 14. Es ist ersichtlich, daß die radial verlaufende Wand 76 mit ihren Öffnungen 77 die Tragkonstruktion für das Laufrad 12, seine Antriebswelle 19 und seine Lager 22 bildet. Da sich die Wand 76 radial nach außen erstreckt, wird ihre Fläche 42 zur Lagerung des Diffusors 13 verwendet, der daran befestigt ist, und da sie sich noch weiter radial nach außen erstreckt, ist der ringförmige Kollektor 14, wie gezeigt, mit einem Umfangsguerschnitt versehen, der relativ groß ist und eine gleichmäßige Form hat. Die Konstruktion endet am radial inneren Ende 78, das mit der Nut 63 des Bunds 62 des Diffusors 13 zusammenwirkt, wie zuvor beschrieben wurde.
• Wegen der relativ großen Abmessung des im Kollektor 14 gebildeten Füllraums 79 können alle diffundierten oder expandierten Kühlmittelgase, die vom Diffusor 13 kommen, im Füllraum 79 ohne irgendeine wesentliche Drosselung gesammelt werden, bevor sie längs der Auslaßöffnung 61 zum Kondensor geleitet werden. Zu diesem Zweck sollte der Füllraum des Kollektors 14 eine radiale Querschnittsfläche haben, die gleich dem 1,5-fachen oder größer als das 1,5-fache und vorzugsweise das 2-fache der kombinierten radialen Querschnittsflächen der Diffusorkanäle 66 an ihren Auslaßenden ist. Diese Auslaßendfläche wird wiederum an einem Punkt, der normal zur Kanalachse an der mit A in Fig. 6 bezeichneten Stelle liegt, angenommen.
• Obwohl die vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform erläutert wurde, ist das Konzept der Erfindung leicht auf andere Ausführungsformen anwendbar, und der Fachmann kann die Konstruktion ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ändern. Obwohl z.B. der Diffusor 13 anhand einer sog. Rohrdiffusorkonstruktion beschrieben wurde, können andere Arten von Kanaldiffusoren wie ein Diffusor vom keilförmigen Typ in Kombination mit der Kollektoranorndung zur Erzielung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Claims (8)

1. Kühlsystem mit einem Kreiselverdichter (11) und einem Kühlmittelgas, wobei der Verdichter (11) ein Laufrad (12) zur Beschleunigung des Kühlmittelgases auf eine hohe Geschwindigkeit, einen Diffusor (13) zur Umwandlung der kinetischen Energie des Gases in Druckenergie und eine Auslaßkammer zur Aufnahme des verzögerten Gases aus dem Diffusor zum Weitertransport zu einem Kondensor aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß:

das System so ausgebildet ist, daß es eine im wesentlichen vollständige Diffusion des Kühlmittelgases im Diffusor durch Verwendung eines Kühlmittelgases relativ hoher Dichte und eines Diffusors bewirkt, der mehrere in Umfangsrichtung beabstandete, nach außen verlaufende, sich erweiternde Kanäle (66) aufweist, die Eintritts-Austrittsflächenverhältnisse von wenigstens 5:1 haben, und daß

die Auslaßkammer (14) einen im wesentlichen in Umfangsrichtung symmetrischen Kollektor (14) aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor eine radiale Querschnittsfläche hat, die ausreichend groß ist, um das diffundierte Kühlmittel aus dem Diffusor ohne wesentliche Drosselung des Kühlmittelstromes im Diffusor (13) aufnehmen zu können.

3. System nach Anspruch 3, die radiale Querschnittsfläche des Kollektors wenigstens 1,5 mal so groß wie die kombinierten Querschnittsflächen der Auslässe der Kanäle (66) ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (66) jeweils zwei in Reihe liegende Abschnitte aufweisen, wobei der erste Abschnitt (21) divergierende Wände hat, die unter einem Winkel (2β) geneigt sind, und der zweite abschnitt (22) divergierende Wände hat, die unter einem größeren zweiten Winkel (2α) geneigt sind.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (2β) zwischen den Wänden im ersten Abschnitt (71) 4º und der Winkel zwischen den Wänden im zweiten Abschnitt 8º (2α) beträgt.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (66) im Querschnitt rund sind.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (66) im Längsschnitt kegelstumpfförmig sind.

8. Kreiselverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel HCFC-22 ist.