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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Verwendung derselben gemäß Patentanspruch 8, sowie einen Bus, einen Transportbehälter und ein Schienenfahrzeug gemäß den Ansprüchen 9, 10 und 11.
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Kälteanlagen nach dem Kaltdampf-Kompression-Prinzip sind hinlänglich bekannt. Herkömmliche Anlagen dieser Art werden mit Verdichtern ausgeführt, welche entweder in offener Bauweise über einen Fremdantrieb betrieben werden oder in hermetischer/halbhermetischer Bauweise mittels integriertem Elektromotor betrieben werden. Zur Leistungsregelung des Verdichters und somit zur Anpassung der Verdichterkälteleistung zum aktuell erforderlichen Kältebedarf werden folgende Möglichkeiten eingesetzt:
- – Heißgas-Bypass-Regelung,
- – Mechanische Leistungsregelung durch saugseitiges Absperren einzelner Verdichtungsräume,
- – Drehzahlregelung des Antriebs wie bspw. Änderung von Übersetzungsverhältnissen, oder Frequenzregelung des Elektromotors,
- – zeitweises Abheben der Spiralen bei Scroll-Verdichtern (vgl. z. B. US 6,213,731 B1 ) oder
- – Verwendung mehrerer kleiner Verdichter zur stufenweisen Leistungsanpassung
- – An- oder Abschalten des Verdichters oder Ein- oder Auskuppeln des Verdichters in den ihm zugeordneten Antriebsstrang
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Diese Möglichkeiten zur Leistungsregulierung von Verdichtern sind mit Ausnahme der Frequenzregelung, welche aber wiederum eine aufwändige, komplexe und damit kostenintensive Konstruktion bedingt, nicht sehr energieeffizient, zum Teil sehr grob in der Abstufung oder mit sehr hohem finanziellem Aufwand verbunden. Außerdem müssen elektronische Steuerungen und/oder Frequenzumformer den hohen Anforderungen von mobilen Anwendungen entsprechen.
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Des Weiteren sind einige der derzeit verwendeten Verdichterbauarten sehr voluminös in deren Außenabmessungen und zum Teil sehr schwer, was wiederum negative Einflüsse auf den Gesamtenergieverbrauch von Fahrzeugen hat.
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Ausgehend vom vorstehend diskutierten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kälteanlage anzugeben, die eine kompakte und leichte Bauweise aufweist, und welche eine verbesserte Leistungsregelung des Verdichters und damit der Kälteanlage ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mögliche Verwendungsgebiete einer derartigen Kälteanlage, in denen die Vorteile der erfindungsgemäßen Kälteanlage verstärkte Bedeutung besitzen, zu identifizieren und weiterhin derartige Apparaturen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Der verwendungstechnische Aspekt der Aufgabenstellung wird durch Patentanspruch 8 gelöst, während die entsprechenden anwendungstechnischen apparativen Aspekte Gegenstand der Patentansprüche 9 bis 11 sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch den Einsatz eines oder mehrerer Verdichter nach dem Axialkolbenprinzip ermöglicht die Erfindung eine sehr kompakte und leichte Bauweise der Kälteanlage. Der variable Schwenkmechanismus zur Auslenkung der Kolben gestattet eine nahezu stufenlose Leistungsregelung des Verdichters durch eine Veränderung des Hubvolumens. Die optionale Integration des Elektromotors in ein gemeinsames Gehäuse mit dem Verdichter verhindert die Leckage von Kältemittel und Öl, wie bspw. bei offenen Verdichtern vorfindbar. Eine Abdichtung einer Antriebswelle durch das Gehäuse wie bei offenen Verdichtern kann entfallen.
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Die Leistung der Kälteanlage kann mittels des variablen Schwenkmechanismus sehr genau angepasst werden. Aufgrund eines integrierten Rückstellmechanismus, welcher den Schwenkmechanismus im Stillstand in den Ausgangszustand bringt, wird ein nahezu unbelasteter Anlauf des Verdichters realisiert, was zum einen den Vorteil eines minimierten Anlaufstroms des Elektromotors ermöglicht, und zum Anderen im Falle eines Anlaufs mit flüssigem Kältemittel wesentlich sanfter startet und somit in geringeren Belastungen für das Triebwerk resultiert.
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Besonders geeignet ist dieses Kälteanlagen-Konzept für folgende Anwendungen:
- – Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge
- – Klimaanlagen für Busse
- – Transportkälteanlagen (Trailer, Kühlauflieger, Verteilerfahrzeuge, ...)
- – Containerkühlanlagen (Reefer-units)
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Des Weiteren ist dieses Konzept auch für stationäre Kälteanlagen vorteilhaft und denkbar. Denkbar ist auch eine Parallelschaltung von mehreren Verdichtern in einer Kälteanlage.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
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2 eine zweite mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
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3 ein Beispiel für einen in einer erfindungsgemäßen Kälteanlage Verwendung findenden Verdichter.
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Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform handelt es sich um eine konstruktiv einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 10. Diese weist einen Verdichter 12, einen Verflüssiger bzw. Gaskühler 14, eine Expansionsvorrichtung 16 sowie eine Verdampferkühlstelle 18 auf.
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Die vorstehend genannten Komponenten sind zur Bildung eines Kältemittelkreislaufs mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Fluidverbindung, welche in der vorliegenden Ausführungsform durch erste bis vierte Rohrleitungen 20, 22, 23 und 24 realisiert sind, miteinander verbunden. Die erste Rohrleitung 20 verbindet einen Ausgang des Verdichters 12 mit einem Eingang des Verflüssigers bzw. Gaskühlers 14. Die zweite Rohrleitung 22 verbindet einen Ausgang des Verflüssigers bzw. Gaskühlers 14 mit einem Eingang der Expansionsvorrichtung 16. Die dritte Rohrleitung 23 verbindet einen Ausgang der Expansionsvorrichtung 16 mit einem Eingang der Verdampferkühlstelle 18, während die vierte Rohrleitung 24 einen Ausgang der Verdampferkühlstelle mit einem Eingang des Verdichters 12 verbindet. Sämtliche Rohrleitungen sind mit den jeweiligen zugeordneten Komponenten bzw. Bauteilen, genauer gesagt mit deren Ein- und Ausgängen fluiddicht verbunden. Durch die vorstehend aufgezählten Bauteile wird ein Kältemittelkreislauf definiert, welcher eine Betriebsströmungsrichtung des Kältemittels vom Verdichter 12 zu dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 14 und weiter zu der Expansionsvorrichtung 16 und der Verdampferkühlstelle 18 aufweist. Von dort strömt das Kältemittel wieder zurück zum Verdichter 12. Die Betriebsströmungsrichtung ist in 1 durch einen Pfeil 26 angedeutet.
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Der Verdichter 12 dient zur Verdichtung des in der Kälteanlage 10 befindlichen Kältemittels, das in der beschriebenen Ausführungsform R 134a ist, wobei jedoch auch jedes andere Kältemittel, wie z. B. R 744 (CO2) in alternativen Ausführungsformen Verwendung finden kann. Dazu wird dem Verdichter 12 auf einem Niedrigdruckniveau befindliches Kältemittel über einen Eingang desselben zugeführt, in diesem auf ein Hochdruckniveau verdichtet und über einen Ausgang in die Rohrleitung 20 abgegeben. Über die Rohrleitung 20 gelangt das verdichtete Kältemittel zu dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 14, der zum Kühlen und ggf. (je nach Kältemittel, das in der Kälteanlage Verwendung findet) vollständigen oder zumindest teilweisen Verflüssigen des durch den Verdichter 12 verdichteten Kältemittels dient. Das durch den Verflüssiger bzw. Gaskühler 14 gekühlte, verdichtete und ggf. verflüssigte Kältemittel wird dann (über die Rohrleitung 22) der Expansionsvorrichtung 16 zugeführt, in welcher das Kältemittel (auf ein niedrigeres Druckniveau, Niedrigdruckniveau) expandiert bzw. entspannt wird. Zusammen mit der Expansion wird das Kältemittel gleichzeitig abgekühlt. In der Verdampferkühlstelle 18, der das expandierte Kältemittel über die Rohrleitung 23 zugeführt wird, wird dem entspannten und damit abgekühlten Kältemittel ”Kälte entzogen”, d. h. aus physikalischer Sicht Wärme bzw. Wärmeenergie zugeführt (im flüssigen Zustand vorliegende Anteile des Kältemittels werden dabei verdampft). Danach gelangt das Kältemittel über die Rohrleitung 24 zurück zum Verdichter 12.
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In 2 ist eine zweite mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 10' dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche Komponenten bzw. Bauteile, welche die gleiche Funktion und Wirkung wie die in 1 beschriebenen Bauteile und Komponenten haben. Zusätzlich zu den Bauteilen gemäß 1 weist die zweite Ausführungsform einen zweiten Verdichter 28 auf, welcher mit dem (ersten) Verdichter 12 in Serie angeordnet und mit diesem über eine fünfte Fluidverbindung in Form einer Rohrleitung 29 verbunden ist. Die fünfte Rohrleitung 29 verbindet dabei einen Ausgang des (ersten) Verdichters 12 mit einem Eingang des zweiten Verdichters 28. Die Kälteanlage 10' ist demnach zweistufig ausgelegt, wobei der entspannte, auf Niedrigdruckniveau befindliche Kältemittelstrom aus der Verdampferkühlstelle 18 dem (ersten) Verdichter 10, welcher eine erste Verdichterstufe bildet, zugeführt wird und von diesem auf ein Zwischendruckniveau verdichtet wird. Danach wird der auf dem Zwischendruckniveau befindliche Kältemittelstrom über die fünfte Rohrleitung 29 dem zweiten Verdichter 28, welcher eine zweite Verdichterstufe bildet, zugeführt und in diesem auf Hochdruckniveau verdichtet. Der Rest des Kältemittelkreislaufs der zweiten Ausführungsform entspricht demjenigen der ersten Ausführungsform.
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In einer alternativen Ausführungsform kommt anstelle der Verdichter 12 und 28 ein Verdichter einer zweistufigen Bauart, d. h. ein Verdichter, in welchem zwei Verdichterstufen integriert sind, zum Einsatz. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Axialkolbenverdichter mit sechs Kolben handeln, wovon drei Kolben die erste Verdichterstufe bilden, während die drei anderen Kolben die zweite Verdichterstufe bilden. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass beispielsweise vier Kolben die erste Verdichterstufe (Niederdruckstufe) bilden, während zwei Kolben die zweite Verdichterstufe (Hochdruckstufe) bilden In wiederum alternativen Ausführungsformen ist es möglich, dass die erste und/oder die zweite Verdichterstufe mehr als einen Verdichter aufweisen. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist es denkbar, dass, im Falle einer einstufigen Kälteanlage 10, in Bertiebsströmungsrichtung des Kältemittelstroms nach dem Verdichter 12, und im Falle einer zweistufigen Anlage in Bertiebsströmungsrichtung des Kältemittelstroms nach dem ersten und/oder nach dem zweiten Verdichter 12, 28 ein Wärmetauscher zur Gewinnung von Wärme aus dem verdichteten Kältemittel angeordnet ist. Dies führt zu einer guten Nutzung der Energie und (bei einer Anordnung zwischen den beiden Verdichterstufen) zu einem erhöhten Wirkungsgrad der zweiten Verdichterstufe.
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Sowohl bei dem Verdichter 12 gemäß 1 und 2 als auch bei dem Verdichter 28 gemäß 2 handelt es sich um Axialkolbenverdichter der Schwenkscheiben-Bauart, welche elektrisch angetrieben sind und einen hermetisch (in alternativen Ausführungsformen halbhermetisch) integrierten Elektromotor 30 aufweisen. In der Folge seien die Merkmale und Eigenschaften der Verdichter 12, 28 beispielhaft anhand des Verdichter 12 erläutert.
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Der Verdichter 12 weist ein Triebswerksgehäuse 32 auf, welches einen Triebwerksraum 34 (Kurbelraum) und einen Maschinenraum 35 begrenzt, in welchem der Elektromotor 30 angeordnet ist. Im Triebwerksraum 34 ist eine Schwenkscheibe 36 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann die Schwenkscheibe 36 auch in Form eines Schwenkringes ausgebildet sein. Die Schwenkscheibe 36 wird durch eine Antriebswelle 38, welche durch den Elektromotor 30 in eine Drehung versetzt wird, drehangetrieben und steht über Gleitsteine (in 3 nicht dargestellt) mit Kolben 40 in Wirkeingriff. Bei der hier dargestellten Ausführungsform weist der Verdichter 12 sechs Kolben 40 auf, welche allesamt einen identischen Durchmesser aufweisen. Alternativ hierzu ist aber auch jegliche andere Kolbenanzahl denkbar.
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Die Schwenkscheibe 36, welche drehfest mit der Antriebswelle 38 verbunden ist, ist an der Antriebswelle 38 mittels eines (nicht näher dargestellten Kipp- bzw. Schwenkmechanismus', angedeutet durch einen Doppelpfeil 42) derart angelenkt, dass sie in ihrer Neigung (Neigungswinkel 44) der Antriebswelle gegenüber verstellbar ist. Durch die Änderung des Neigungswinkels 44 zwischen der Antriebswelle 38 und der Schwenkscheibe 36 kann das Hubvolumen und damit das Fördervolumen des Verdichters 12 geregelt bzw. gesteuert werden. Je weiter der Neigungswinkel 44 von 90° abweicht, d. h. je kleiner der Neigungswinkel wird, desto größer wird das Hub- bzw. Fördervolumen, da der Hub der Kolben 40, welche in jeweils einem Kolben zugeordneten Zylinderbohrungen 46 angeordnet sind, umso größer wird, je kleiner der Neigungswinkel 44 ist.
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Die Antriebswelle 38 ist an zwei Stellen im Verdichter 12 gelagert, nämlich mittels eines ersten Lagers 47, welches in einer Trennwand 32a zwischen dem Triebwerksraum 34 (Kurbelraum) und dem Maschinenraum 35 angeordnet ist, und mittels eines zweiten Lagers 48, welches in einem Zylinderblock 50 angeordnet ist, in welchem auch die Zylinderbohrungen 46 angeordnet sind. Die Trennwand 32a ist integral mit dem Triebswerksgehäuse 32 gebildet. Ebenfalls durch das Triebswerksgehäuse 32 begrenzt weist der Verdichter 10 ein Ölreservoir 51 auf, welches mit dem Triebwerksraum 34 über eine Öffnung 52 in Fluidverbindung steht. Sowohl im Ölreservoir 50 als auch in Teilen des Triebwerksraumes 44 befindet sich ein Ölsumpf 54, welcher der Schmierung des Verdichters 12 dient. In der ersten und zweiten möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage ist der Verdichter in einer liegenden Weise, d. h. horizontal angeordnet; in anderen Worten gesagt erstreckt sich eine Längsachse des Verdichters, welche mit einer Mittelachse der Antriebswelle 38 koinzidiert, in einer horizontalen Richtung dem Erdboden gegenüber. Dies sorgt für eine optimale Schmierung des Verdichters.
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Der Verdichter 12 weist weiterhin einen Zylinderkopf 56 auf, welcher durch ein Zylinderkopfgehäuse 57 begrenzt ist. Im Zylinderkopf 56 ist ein Sauggasvolumen 58 in Form einer Saugkammer bzw. eines Saugraums angeordnet, welches mit dem vorstehend, insbesondere in Verbindung mit 1 erwähnten Eingang des Verdichters 12 in Fluidkommunikation steht. Weiterhin ist im Zylinderkopf 56 ein Hochdruckvolumen 60 in Form eines kammerförmigen Druckraumes angeordnet, welches mit dem ebenfalls vorstehend erwähnten Ausgang des Verdichters 12 in Fluidkommunikation steht. Wie durch einen ersten Pfeil 62 angedeutet, strömt aus dem Sauggasvolumen 58 zu verdichtendes Kältemittel über eine (nicht dargestellte) Öffnung (Saugventil, Sauglamelle) in die Zylinderbohrungen 46, welches nach dem Verdichtungsvorgang, wie durch einen zweiten Pfeil 64 angedeutet, in das Hochdruckvolumen 60 ausgestoßen wird. Danach folgt das Kältemittel dem in Zusammenhang mit 1 und 2 erwähnten Kältemittelkreislauf.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sämtliche Fluidverbindungen nicht zwangsläufig als Rohrleitungen ausgelegt sein müssen. Selbstverständlich können die Fluidverbindungen auch durch entsprechend geeignete Schläuche bzw. Schlauchleitungen oder dgl. realisiert sein. Ferner können mehrere Bauteile ineinander integriert sein, beispielsweise kann die Expansionsvorrichtung 16 in der Verdampferkühlstelle 18 integriert sein.
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Wie bereits einleitend erwähnt, ist eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Kälteanlage insbesondere zur Erzeugung von Kälte für die Kühlung und/oder Tiefkühlung, für die Lagerung oder den Transport von Gütern oder die Klimatisierung von von der Umgebung abgetrennten Volumina, insbesondere Fahrzeugführer- bzw. Fahrgasträumen im Personenverkehr denkbar. In anderen Worten gesagt, ist ein mögliches Verwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Kälteanlage eine Transportkälte- oder Transportklimaanlage insbesondere im Bereich von Bus- oder Schienenfahrzeugen bzw. Trailern, Kühlaufliegern, Verteilerfahrzeugen und dgl. oder Containern (Containerkühlanlagen, Reefer-units).
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Neben einer Verwendung einer erfindungsgemäßen Kälteanlage für die vorstehenden Anwendungen umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen, insbesondere einen Bus, ein Schienenfahrzeug, weiterhin insbesondere einen Wagon zur Beförderung von Personen oder Gütern, sowie einen Transportbehälter zum Gütertransport, insbesondere einen Container, Trailer oder Sattelauflieger mit einer Kälteanlage gemäß den vorstehenden Ausführungen, insbesondere gemäß den beigefügten Patentansprüchen.
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Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Kälteanlage
- 12
- Verdichter
- 14
- Verflüssiger bzw. Gaskühler
- 16
- Expansionsvorrichtung
- 18
- Verdampferkühlstelle
- 20, 22, 23, 24
- Rohrleitung
- 26
- Pfeil
- 28
- zweiter Verdichter
- 29
- Rohrleitung
- 30
- Elektromotor
- 32
- Triebswerksgehäuse
- 32a
- Trennwand
- 34
- Triebwerksraum
- 35
- Maschinenraum
- 36
- Schwenkscheibe
- 38
- Antriebswelle
- 40
- Kolben
- 42
- Doppelpfeil
- 44
- Neigungswinkel
- 46
- Zylinderbohrung
- 47
- erstes Lager
- 48
- zweites Lager
- 50
- Zylinderblock
- 51
- Ölreservoir
- 52
- Öffnung
- 54
- Ölsumpf
- 56
- Zylinderkopf
- 57
- Zylinderkopfgehäuse
- 58
- Sauggasvolumen
- 60
- Hochdruckvolumen
- 62
- erster Pfeil
- 64
- zweiter Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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