DE102005016433A1 - Refrigerant compressor - Google Patents
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Abstract
Um einen Kältemittelverdichter für Kälteanlagen, umfassend mindestens eine Zylindereinheit, die ein Zylindergehäuse und ein in dem Zylindergehäuse oszillierend bewegbaren Kolben aufweist, einen Zylinderkopf, mit einer von einem Einlaßstrom der mindestens einen Zylindereinheit durchströmten Einlaßkammer und mit einer von einem Auslaßstrom der mindestens einen Zylindereinheit durchsetzten Auslaßkammer und ein Schaltventil zum Unterbrechen des Einlaßstroms, derart zu verbessern, daß dieser in beliebigen Teillastbereichen betreibbar ist, wird vorgeschlagen, daß eine Steuerung zum Ansteuern des Schaltventils vorgesehen ist, welche zum Betrieb des Kältemittelverdichters in einem unteren Teillastbereich das Schaltventil in aufeinanderfolgenden, jeweils ein Öffnungsintervall und ein Schließintervall des Schaltventils umfassenden Schaltintervallen betreibt, die kürzer sind als eine kürzeste Zeitdauer, nach welcher eine Temperatur eines Verdampfers in der arbeitenden Kälteanlage bei Unterbrechung des Einlaßstroms um ungefähr 10% angestiegen ist.To a refrigerant compressor for refrigeration systems, comprising at least one cylinder unit having a cylinder housing and a piston oscillatingly movable in the cylinder housing, a cylinder head, with an inlet flowed through by an inlet flow of the at least one cylinder unit inlet chamber and with an outlet of the at least one cylinder unit interspersed outlet chamber and a switching valve for interrupting the intake flow to be improved so as to be operable in any partial load ranges, it is proposed that a control is provided for driving the shift valve, which for operating the refrigerant compressor in a lower part load range, the switching valve in successive, one opening interval and a closing interval of the switching valve operates at comprehensive switching intervals that are shorter than a shortest period of time, after which a temperature of an evaporator in the operating refrigeration plant ge has increased by interruption of the inlet flow by about 10%.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter für Kälteanlagen umfassend mindestens eine Zylindereinheit, die ein Zylindergehäuse und einen in dem Zylindergehäuse oszillierend bewegbaren Kolben aufweist, einen Zylinderkopf, mit einer von einem Einlaßstrom der mindestens einen Zylindereinheit durchströmten Einlaßkammer und mit einer von einem Auslaßstrom der mindestens einen Zylindereinheit durchsetzten Auslaßkammer, sowie ein Schaltventil zum Unterbrechen des Einlaßstroms.The The invention relates to a refrigerant compressor for refrigeration systems comprising at least one cylinder unit comprising a cylinder housing and one in the cylinder housing having oscillating movable piston, a cylinder head, with one of an inlet stream the flowed through at least one cylinder unit inlet chamber and with one of a outlet stream the at least one cylinder unit interspersed outlet chamber, and a switching valve for interrupting the intake flow.
Derartige Kältemittelverdichter sind aus dem Stand der Technik bekannt, bei diesen besteht mit dem Schaltventil die Möglichkeit, dauerhaft eine oder mehrere Zylindereinheiten abzuschalten oder dauerhaft zuzuschalten.such Refrigerant compressor are known from the prior art, in these consists with the Switching valve the possibility permanently switch off one or more cylinder units or permanently switch on.
Mit dieser Lösung ist eine Steuerung des Massendurchsatzes lediglich entsprechend dem Verhältnis des Hubvolumens der abgeschalteten Zylindereinheiten und des Hubvolumens der arbeitenden Zylindereinheiten möglich.With this solution is a control of the mass flow rate only according the relationship the stroke volume of the deactivated cylinder units and the stroke volume the working cylinder units possible.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kältemittelverdichter der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß dieser in beliebigen Teillastbereichen betreibbar ist.Of the The invention is therefore based on the object, a refrigerant compressor of the generic type to improve so that this is operable in any part load ranges.
Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittelverdichter der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Steuerung zum Ansteuern des Schaltventils vorgesehen ist, welche zum Betrieb des Kältemittelverdichters in einem unteren Teillastbereich das Schaltventil in aufeinanderfolgenden, jeweils ein Öffnungsintervall und ein Schließintervall des Schaltventils umfassenden Schaltintervallen betreibt, die kürzer sind als eine kürzeste Zeitdauer, nach welcher eine Temperatur eines Verdampfers in der arbeitenden Kälteanlage bei einer Unterbrechung des Einlaßstroms um ungefähr 10% angestiegen ist.These Task becomes with a refrigerant compressor The type described above according to the invention achieved in that a controller is provided for driving the switching valve, which for operation of the refrigerant compressor in a lower part load range, the switching valve in successive, one opening interval each and a closing interval the switching valve comprehensive switching intervals operates, which are shorter as a shortest Period of time after which a temperature of an evaporator in the working refrigeration system at an interruption of the inlet flow increased by about 10% is.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese die Möglichkeit eröffnet, einen Kältemittelverdichter, insbesondere einen Hubkolbenverdichter in einem unteren Teillastbereich bei beliebiger Teillast zu betreiben, da durch das Verhältnis der Öffnungsintervalle und der Schließintervalle innerhalb jedes Schaltintervalls der zu verdichtende Massenstrom stufenlos und beliebig einstellbar ist.Of the Advantage of the invention is solution to see that this the possibility opened, one Refrigerant compressor, in particular a reciprocating compressor in a lower part load range operate at any part load, as by the ratio of the opening intervals and the closing intervals within each switching interval of the mass flow to be compressed steplessly and is freely adjustable.
Dabei werden für die Schaltintervalle Zeitdauern gewählt, die ausreichend kurz sind, so daß aufgrund der Trägheit der Reaktion der erfindungsgemäßen Kälteanlage auf die Schaltintervalle nur unwesentliche Temperaturschwankungen im Verdampfer der Kälteanlagen entstehen, die eine präzise Regelung der Temperatur nicht beeinträchtigen.there be for the switching intervals have chosen durations that are sufficiently short so that due of inertia the reaction of the refrigeration system according to the invention on the switching intervals only insignificant temperature fluctuations in the evaporator of the refrigeration systems arise, which is a precise Control of the temperature does not affect.
Alternativ zur vorstehend beschriebenen Lösung ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Kältemittels der eingangs beschriebenen Art eine Steuerung zum Ansteuern des Schaltventils vorgesehen, welche zum Betrieb des Kältemittelverdichters in einem unteren Teillastbereich das Schaltventil in aufeinanderfolgenden, jeweils ein Öffnungsintervall und ein Schließintervall des Schaltventils umfassenden Schaltintervallen betreibt, die kürzer sind als ungefähr 10 Sekunden.alternative to the solution described above is in a further embodiment a refrigerant the type described above, a controller for driving the Switching valve provided, which for the operation of the refrigerant compressor in a lower part load range, the switching valve in successive, one opening interval each and a closing interval the switching valve comprehensive switching intervals operates, which are shorter as about 10 seconds.
Durch eine derartige Limitierung der Dauer der Schaltintervalle ist ebenfalls in erfindungsgemäßer Weise die Möglichkeit geschaffen, den Kältemittelverdichter in dem unteren Teillastbereich bei beliebig einstellbarer Teillast zu betreiben, ohne das Druckschwankungen in der Kälteanlage auftreten, die die Qualität der Regelung derselben beeinträchtigen.By such a limitation of the duration of the switching intervals is also in accordance with the invention the possibility created, the refrigerant compressor in the lower part load range with arbitrarily adjustable part load to operate without the pressure fluctuations in the refrigeration system occur, which is the quality the regulation of the same.
Noch vorteilhafter ist es dabei, wenn die Schaltintervalle kürzer als ungefähr 2 Sekunden sind.Yet it is more advantageous if the switching intervals shorter than approximately 2 seconds are.
Um die Schaltventile wirksam betreiben zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Schaltintervalle länger als ungefähr 0,02 Sekunden sind.Around to operate the switching valves effectively is preferably provided that the switching intervals longer as about 0.02 seconds are.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die Schaltintervalle länger als 0,5 Sekunden sind und besonders günstig ist es, wenn die Schaltintervalle länger als 0,1 Sekunden sind.Yet it is more advantageous if the switching intervals longer than 0.5 seconds and it is particularly favorable if the switching intervals longer than 0.1 seconds.
Besonders vorteilhaft ist es für ein Schalten des Schaltventils, wenn die Schaltintervalle einer Schaltfrequenz entsprechen, die kleiner als eine Eigenfrequenz des Schaltventils ist.Especially it is advantageous for a switching of the switching valve when the switching intervals of a switching frequency which are smaller than a natural frequency of the switching valve is.
Noch besser ist es, wenn die Schaltintervalle einer Schaltfrequenz entsprechen, die um mehr als einen Faktor 5 kleiner als eine Eigenfrequenz des Schaltventils ist.Yet it is better if the switching intervals correspond to a switching frequency, by more than a factor of 5 smaller than a natural frequency of the switching valve is.
Grundsätzlich wäre es denkbar, mit der erfindungsgemäßen Steuerung im unteren Teillastbereich beispielsweise einen Teil der Zylindereinheiten abzuschalten und nur einen Teil der Zylindereinheiten in den Schaltintervallen zu betreiben.In principle, it would be conceivable with the control according to the invention in the lower part load range, for example, a part of the cylinder units turn off and only a part of the cylinder units in the switching intervals to operate.
Eine besonders zweckmäßig Lösung sieht jedoch vor, daß die Steuerung in dem unteren Teillastbereich alle Zylindereinheiten des Kältemittelverdichters in den Schaltintervallen betreibt.A especially appropriate solution, however, looks before that the Control in the lower part load range all cylinder units of the refrigerant compressor operates in the switching intervals.
Ferner ist es denkbar, auch im oberen Teillastbereich nur einen Teil der Zylindereinheiten abzuschalten und einen anderen Teil Zylindereinheiten in den Schaltintervallen zu betreiben.Furthermore, it is conceivable, even in the upper Part load range only a part of the cylinder units off and operate another part of cylinder units in the switching intervals.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Steuerung im gesamten Teillastbereich alle Zylindereinheiten in den Schaltintervallen betreibt.Especially Cheap it is however, if the control in the entire partial load range all Cylinder units operates in the switching intervals.
Hinsichtlich der Zeitdauer der Schaltintervalle sind die unterschiedlichsten Lösungsmöglichkeiten denkbar. So sieht eine aus Gründen der Einfachheit besonders günstige Variante vor, daß die Steuerung mit zeitlich konstanten Schaltintervallen arbeitet.Regarding The duration of the switching intervals are the most varied Possible solutions conceivable. This is one of the reasons the simplicity particularly favorable Variant ago, that the Control operates with time-constant switching intervals.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Steuerung die Schaltintervalle entsprechend einer Antriebsdrehzahl des Kältemittelverdichters variiert.A another advantageous solution provides that the Control the switching intervals according to a drive speed of the refrigerant compressor varied.
Hinsichtlich der Ausbildung des Schaltventils wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.Regarding the formation of the switching valve have been no further details made.
So wäre es denkbar, das Schaltventil so auszubilden, daß dieses unmittelbar, beispielsweise magnetgesteuert, auf den Einlaßstrom einwirkt.So would it be conceivable, the switching valve in such a way that this directly, for example magnetically controlled, to the inlet stream acts.
Aus Gründen der erforderlichen hohen Ventilkräfte hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn das Schaltventil ein Servoventil ist.Out establish However, the required high valve forces, it has as proven advantageous when the switching valve is a servo valve.
Insbesondere ist es dabei günstig, wenn das Servoventil einen durch einen mit dem Druck in der Auslaßkammer zusammenhängenden Druck betätigbaren Ventilkörper umfaßt.Especially is it cheap, when the servo valve one by one with the pressure in the outlet chamber related Pressure actuated valve body includes.
Um sicherzustellen, daß der Ventilkörper die nicht durch den Druck in der Auslaßkammer herbeigeführte Endstellung selbsttätig einnimmt, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Ventilkörper durch einen entgegengesetzt zur Wirkung des Drucks auf den Ventilkörper einwirkenden elastischen Kraftspeicher beaufschlagt ist.Around to make sure that valve body the not brought about by the pressure in the outlet chamber end position automatic assumes, it is preferably provided that the valve body by a opposite to the action of the pressure acting on the valve body elastic force storage is applied.
Hinsichtlich der Betätigung des Ventilkörpers durch den Druck in der Auslaßkammer sind die unterschiedlichsten konstruktiven Lösungen denkbar. Beispielsweise wären Lösungen mit durch den Druck in der Auslaßkammer beaufschlagten Membranen oder ähnliches denkbar.Regarding the operation of the valve body the pressure in the outlet chamber are the most diverse constructive solutions conceivable. For example would be solutions with by the pressure in the outlet chamber acted upon membranes or the like conceivable.
Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, daß der Ventilkörper mit einem mit den Druck in der Auslaßkammer zusammenhängenden Druck beaufschlagbaren und in einem Schaltzylindergehäuse geführten Schaltkolben gekoppelt ist, welcher dann den Ventilkörper betätigt.A particularly expedient solution provides that the valve body with one related to the pressure in the outlet chamber Pressure applied and guided in a switching cylinder housing switching piston is coupled, which then actuates the valve body.
Hinsichtlich der Beaufschlagung des Schaltkolbens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Schaltkolben und das Schaltzylindergehäuse eine Schaltzylinderkammer umschließen und wenn der Druck in der Schaltzylinderkammer steuerbar ist.Regarding the application of the switching piston, it has to be advantageous proven when the switching piston and the shift cylinder housing a switching cylinder chamber enclose and when the pressure in the switching cylinder chamber is controllable.
Ferner ist es aus konstruktiven Gründen günstig, wenn der Ventilkörper und der Schaltkolben eine Einheit bilden, die in dem Schaltzylindergehäuse geführt ist.Further it is favorable for constructive reasons, if the valve body and the switching piston form a unit which is guided in the switching cylinder housing.
Des weiteren ist es bei einem derartigen Servoventil günstig, wenn dieses ein von der Steuerung ansteuerbares Steuerventil umfaßt.Of Further, it is favorable in such a servo valve, if this comprises a controllable by the controller control valve.
Ein derartiges Steuerventil ist beispielsweise als schnellreagierendes, elektrisch anzusteuerndes Magnetventil oder ähnlich aufgebautes Ventil ausgebildet.One Such control valve is for example as fast-reacting, electrically actuated solenoid valve or similarly constructed valve formed.
Zum Betreiben des Servoventils ist dabei bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß das Steuerventil einen Verbindungskanal zwischen der Steuerzylinderkammer und der Auslaßkammer öffnet oder schließt, so daß in einfacher Weise die Möglichkeit besteht, den Schaltkolben mit unter dem Druck in der Auslaßkammer stehendem Medium zu beaufschlagen.To the Operating the servo valve is in an advantageous embodiment provided that the Control valve a connection channel between the control cylinder chamber and the outlet chamber opens or closes so that in easy way the way consists, the switching piston with under pressure in the outlet chamber pressurize standing medium.
Um bei einem derartigen Servoventil eine möglichst hohe Eigenfrequenz und somit kurze Schaltzeit zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Eigenfrequenz der Einheit aus Schaltkolben, Ventilkörper und elastischem Kraftspeicher mindestens der Eigenfrequenz des Schaltventils entspricht.Around in such a servo valve the highest possible natural frequency and thus to achieve short switching time is preferably provided that the Natural frequency of the unit consisting of switching piston, valve body and elastic force storage at least the natural frequency of the switching valve equivalent.
Eine derartige hohe Eigenfrequenz des Schaltventils läßt sich insbesondere dann erreichen, wenn der Schaltkolben aus einem Leichtbaumaterial hergestellt ist.A Such high natural frequency of the switching valve can be achieved in particular if the control piston is made of a lightweight material.
Ein derartiges Leichtbaumaterial kann beispielsweise ein Leichtmetall oder auch ein Kunststoff, beispielsweise auch ein faserverstärkter Kunststoff, sein.One Such lightweight construction material may for example be a light metal or a plastic, for example, a fiber-reinforced plastic, be.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Schaltkolbens sieht vor, daß diese als Hohlkörper ausgebildet ist, so daß auch dadurch eine hohe Eigenfrequenz der Einheit aus Schaltkolben, Ventilkörper und elastischem Kraftspeicher erreichbar ist.A further advantageous embodiment of the control piston provides that this designed as a hollow body is, so too thereby a high natural frequency of the unit of control piston, valve body and elastic energy storage is accessible.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.Further Features and advantages of the invention are the subject of the following Description and the drawings of some embodiments.
In der Zeichnung zeigen:In show the drawing:
Ein
Ausführungsbeispiel
einer als Ganzes mit
Von
dem Kondensator
Nach
Durchströmen
des Verdampfers
Wie
in
Jede
dieser Zylindereinheiten
Das
Zylindergehäuse
Vorzugsweise überdeckt
dabei die Ventilplatte
Das
Verdichtergehäuse
Wie
in
Ist
das Schaltventil
Das
Schaltventil
Der
Ventilkörper
Eine
aus dem Schaltzylindergehäuse
Wird
die Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal
Dabei
wirkt der auf den Schaltkolben
Insbesondere
ist der Schaltkolben
Das
Schaltventil
Innerhalb der Dauer des jeweiligen Schaltintervalls SI kann nun in allen Teillastbereichen die Zeitdauer des Öffnungsintervalls O und des Schließintervalls S relativ zueinander variabel eingestellt werden, so daß entweder das Öffnungsintervall O größer ist als das Schließintervall oder umgekehrt.Within the duration of the respective switching interval SI can now in all partial load ranges the duration of the opening interval O and the closing interval S be set variably relative to each other, so that either the opening interval O is larger as the closing interval or the other way around.
Im Extremfall kann das Öffnungsintervall O im wesentlichen sich über die gesamte Dauer des Schaltintervalls S erstrecken, während das Schließintervall S beliebig klein wird, oder es kann umgekehrt auch sich das Schließintervall S im wesentlichen über die gesamte Dauer des Schaltintervalls SI erstrecken, so daß das Öffnungsintervall O beliebig klein wird.in the Extreme case may be the opening interval O essentially over the entire duration of the switching interval S extend during the closing interval S becomes arbitrarily small, or vice versa, the closing interval S essentially over extend the entire duration of the switching interval SI, so that the opening interval O becomes arbitrarily small.
Da
in der erfindungsgemäßen Kälteanlage
Allerdings
ist das System mit einer Reaktionsträgheit versehen, so daß bei einer
Unterbrechung der Absaugung von Kältemittel aus dem Verdampfer
So lange der Wert D bei Werten kleiner 10% einer Ausgangstemperatur TA des Verdampfers liegt, sind diese Schwankungen für die Funktion der erfindungsgemäßen Kälteanlage irrelevant.As long as the value D is less than 10% of an outlet temperature T A of the evaporator, these fluctuations are irrelevant to the function of the refrigeration system according to the invention.
Aus
diesem Grund ist das Schaltintervall SI so gewählt, daß dieses kürzer ist, als die Zeitdauer
Z, die vergeht, bis die Temperatur T des Verdampfers
Damit
ist sichergestellt, daß die Öffnungsintervalle
O und die Schließintervalle
S innerhalb des jeweiligen Schaltintervalls SI sich unwesentlich
auf die Funktion der Kälteanlage
auswirken und lediglich zu geringfügigen Temperaturschwankungen
des Verdampfers
Üblicherweise liegen die Zeitdauern der Schaltintervalle SI bei Zeitdauern, die kürzer sind als ungefähr 10 Sekunden, noch besser kürzer als ungefähr 2 Sekunden.Usually, the durations of the Switching intervals SI for periods of time shorter than about 10 seconds, more preferably shorter than about 2 seconds.
Andererseits sind, um ausreichende Öffnungsintervalle O zu gewährleisten, die Schaltintervalle länger als ungefähr 0,02 Sekunden, noch besser länger als 0,05 Sekunden und vorzugsweise länger als 0,1 Sekunden.on the other hand are to have sufficient opening intervals To ensure O the switching intervals longer as about 0.02 seconds, better still longer than 0.05 second and preferably longer than 0.1 second.
Ein bevorzugter Betriebsbereich sieht Schaltintervalle SI vor, deren Dauer zwischen 0,1 und 10 Sekunden liegt.One preferred operating range provides switching intervals SI whose Duration is between 0.1 and 10 seconds.
Um
derart kurze Schaltintervalle SI zu gewährleisten ist vorzugsweise
vorgesehen, daß die Schaltkolben
Vorzugsweise
liegen die Eigenfrequenzen der Systeme aus Schaltkolben
Um
dies zu realisieren ist zweckmäßigerweise
vorgesehen, daß die
Schaltkolben
Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters,
dargestellt in
Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
beispielsweise ein derartiges Schaltventil
Es
ist aber auch denkbar, ein derartiges Schaltventil
Bei
einer vorteilhaften Lösung
steuert die Steuerung
Aber
auch in höheren
Teillastbereichen, beispielsweise in einem oberen Teillastbereich
zwischen ungefähr
30% und 100% des maximalen Massenstroms, ist es günstig, alle
Zylindereinheiten
Die
Steuerung
In diesem Fall wird der maximale Massenstrom von Kältemittel auf Hochdruck H verdichtet.In In this case, the maximum mass flow of refrigerant is compressed to high pressure H.
Es
besteht auch die Möglichkeit
in einem Nulllastbereich das Schaltventil
Im
Teillastbereich ist die Steuerung
Dabei kann in allen Teillastbereichen das Schaltintervall SI gleich groß sein.there In all partial load ranges, the switching interval SI can be the same.
Es
ist aber auch denkbar das Schaltintervall SI entweder proportional
oder in einzelnen Schritten abhängig
von der Drehzahl der Exzenterwelle
Beispielsweise erfolgt die Variation des Schaltintervalls SI so, daß bei kleiner Drehzahl des Elektromotors die Schaltintervalle SI lang und bei großer Drehzahl des Elektromotors die Schaltintervalle kürzer sind.For example the variation of the switching interval SI is such that at less Speed of the electric motor, the switching intervals SI long and at high speed of the electric motor, the switching intervals are shorter.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß bei den Hubkolbenverdichter die Leistungsaufnahme proportional zum Massendurchsatz ist und somit bei einer Reduzierung des Massendurchsatzes durch aufeinanderfolgende Öffnungsintervalle O und Schließintervalle S im Teillastbereich die Möglichkeit besteht, auch die Leistungsaufnahme des Hubkolbenverdichters zu reduzieren.The advantage of the solution according to the invention is the fact that in the reciprocating compressor, the power consumption is proportional to the mass flow rate and thus at a reduction of the mass flow rate by successive Öff O intervals and closing intervals S in the partial load range, it is also possible to reduce the power consumption of the reciprocating compressor.
Außerdem schafft
die erfindungsgemäße Lösung die
Möglichkeit,
den Anlaufvorgang des Kältemittelverdichters
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