DE102017219651A1 - Kühlsystem - Google Patents

Abstract

Kühlsystem umfassend einen Kältemittelkompressor, ein erstes Betriebsmedium, welches aus einer Mischung von Kältemittel und einem Schmieröl besteht, wobei der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 25 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent reduziert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems.
• Es sind bereits Kühlsysteme bekannt, beispielsweise aus der EP 0 664 424 A2 , bei welchen ein Verfahren zum Schmieren von Lagern in Kältemittelkompressoren verbessert werden soll. Hierzu wird eine kleine Menge eines Kältemittel/Ölgemisches in die Nähe eines Lagers eingebracht, wobei das Kältemittel aufgrund der Lagertemperatur verdampft wird und ein Schmiermittel, das wenigstens 75 Volumenprozent Öl enthält auf dem Lager abgeschieden wird. Der Fließweg des Kältemittels und die Ausgestaltung des Lagers müssen hierbei so ausgelegt sein, das unter allen Umständen genügend Schmiervolumen mit wenigsten 75 % Öl abgeschieden wird. Insbesondere, wenn der Kältemittelkompressor noch nicht die Betriebstemperatur aufweist, muss die Lagerumgebung genügend Kältemittel aus dem Kältemittel-Ölgemisch verdampfen können.
• Weiterhin sind aus der EP 1 729 055 B1 Schmiersysteme für Wälzkörper in Kältemittelkompressoren bekannt, bei welchem das Schmiermedium aus ultraniedrig viskosem leichtflüchtigem Fluid (ULVVF) besteht. Zur Schmierung und Sicherstellung eines ausreichend großen flüssigen Schmierfilmes wird vorgeschlagen das verflüssigte Fluid einzuspritzen und mittels einer Strömungsbegrenzung das Fluid zumindest teilweise oberhalb des Verdampfungsdruckes zu halten. Nachteilig hierbei ist, dass selbst dann wenn sichergestellt wird dass das Fluid zur Schmierung der Wälzkörper einen flüssigen Schmierfilm bildet und das Lager nicht trocken läuft, das Lager aufgrund der schlechten Schmiereigenschaften des Fluids, welches kein Schmieröl enthält, extremen Anforderungen standhalten muss und somit in diesem Anwendungsbereich nur hochwiderstandsfähige und somit auch teure Lager zur Verwendung kommen können.
• Weiterhin sind aus der EP 0 711 929 B1 bereits Wälzkörperlager bekannt, bei welchen zumindest ein Wälzkörper aus einem Material besteht, das härter oder steifer ist als das Stahlmaterial der anderen Wälzkörper, was zu einer höheren Härte des zumindest einen Wälzkörpers in Bezug auf die anderen Wälzkörper führt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem bereitzustellen, welches mittels einer Mischung aus Kältemittel und Schmieröl betrieben wird, und welches kostengünstig darstellbar ist und zuverlässig in allen Betriebszuständen arbeitet.
• Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Das Viskositätsverhältnis κ bei Betriebstemperatur dient als Maß für die Wirksamkeit der Schmierung. Es bezeichnet das Verhältnis der tatsächlichen kinematischen Viskosität v zu der für eine ausreichende Schmierung erforderlichen kinematischen Viskosität v1.
• Bisher ging die allgemeine Lehre davon aus, dass bei Viskositätsverhältnissen κ < 1 kein ausreichend tragfähiger hydrodynamischer beziehungsweise elastohydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut werden kann und es dadurch zu einer Grenzschichtschmierung mit einer unmittelbare Berührung der Lagerkomponenten im Wälzkontakt kommt. Im Gegensatz dazu, sieht die Erfindung einen Ölseparator vor, der den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 15 Gewichtsprozent und 60 Gewichtsprozent reduziert, und dieses Betriebsmedium zum Schmieren bereitstellt, sodass in einem ersten Betriebszustand ein Viskositätsverhältnis von κ < 1 vorliegt.
• Das Viskositätsverhältnis ist hierbei definiert als κ =v/v1, wobei v1 die Nennviskosität ist, welche in Abhängigkeit vom mittleren Lagerdurchmesser und der Umfangsgeschwindigkeit die erforderliche kinematische Viskosität des Schmierstoffs bei Betriebstemperatur angibt. Es hat sich herausgestellt, dass die Nennviskosität für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche in guter Näherung durch zwei Gleichungen angegeben werden kann. Für Drehzahlen des Lagers n < 1000 r/min wird die Nennviskosität folgendermaßen angegeben: $$\mathrm{\nu 1=45000}{\text{n}}^{-\mathrm{0,83}}{\text{ D}}_{\text{pw}}{}^{-\mathrm{0,5}}$$

  
• Für Drehzahlen n ≥ 1000 r/min wird die Nennviskosität folgendermaßen angegeben: $$\mathrm{\nu 1=4500}{\text{n}}^{-\mathrm{0,5}}{\text{ D}}_{\text{pw}}{}^{-\mathrm{0,5}}$$

  

  mit D_pw als Teilkreisdurchmesser des Wälzlagers.
  v ist hierbei die tatsächliche kinematische Viskosität des Schmierstoffs bei Betriebstemperatur. Bei Werten von κ < 1 liegt somit die tatsächliche kinematische Viskosität unterhalb der Nennviskosität. Bei Werten von κ > 1 liegt somit die tatsächliche kinematische Viskosität oberhalb der Nennviskosität. Es kann dann davon ausgegangen werden, dass ein ausreichend ausgebildeter tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm vorliegt.
• Das Viskositätsverhältnis κ ist somit ein indirektes Maß der Filmdicke des Schmierfilms im Wälzkontakt zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen der Lagerringe. Die Filmdicke des Schmierfilms hängt direkt von der tatsächlichen kinematischen Viskosität des Schmierstoffs, dem Betriebsmedium zum Schmieren, ab. Die tatsächliche kinematische Viskosität wird bei Atmosphärendruck ermittelt. Die Viskosität des Schmierstoffs ist jedoch abhängig vom Druck, welcher auf den Schmierstoff wirkt, wobei bei steigendem Druck die Viskosität zunimmt. Die Viskosität des Schmierstoffs im Schmierfilm im Wälzkontakt ist also höher als die Viskosität des Schmierstoffs bei Umgebungsdruck. Ein Maß für die Druckabhängigkeit des Schmierstoffs ist der Druckkoeffizient, welcher für Schmieröl wesentlich höher ist, in etwa doppelt so hoch, als für Kältemittel. Die Viskosität des Schmierstoffs aus einer Mischung von Kältemittel und Schmieröl im Wälzkontakt sinkt also mit steigendem Anteil von Kältemittel im Gemisch nicht nur aufgrund der niedrigeren tatsächlichen kinematischen Viskosität des Kältemittels, sondern auch aufgrund des geringeren Druckkoeffizienten von Kältemittel. Das berechnete Viskositätsverhältnis κ des Kältemittel-Öl- Gemisches ist somit nicht ein direktes proportionales Maß der Filmdicke im Wälzkontakt. Die tatsächliche Filmdicke ist aus den beschriebenen Gründen kleiner als durch den Wert für κ angenommen werden könnte. Anders ausgedrückt, die Filmdicke eines reinen Schmieröls welches dasselbe Viskositätsverhältnis wie ein betrachtetes Kältemittel-Schmieröl- Gemisch aufweist, ist größer als die des Gemisches. Weiterhin hängt das Viskositätsverhältnis, beziehungsweise die Filmdicke, von der Drehzahl des Lagers ab. Je geringer die Geschwindigkeit, desto kleiner ist das Viskositätsverhältnis und damit die Filmdicke. Dies liegt daran, dass wie oben angegeben die Nennviskosität mit steigender Drehzahl sinkt.
• Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist in einem zweiten Betriebszustand das Viskositätsverhältnis κ > 1. Erste Betriebszustände können zum Beispiel Betriebszustände sein, bei welchen eine niedrige Drehzahl vorliegt, wohingegen zweite Betriebszustände beispielsweise durch eine im Vergleich zu den ersten Betriebszuständen höhere Drehzahl gekennzeichnet sind. So kann zum Beispiel der Drehzahlkennwert des Schrägkugellagers in einem ersten Betriebszustand unter 300.000 mm/min liegen, der Drehzahlkennwert in einem zweiten Betriebszustand oberhalb von 1.000.000 mm/min.
• Zusätzlich oder alternativ, können erste Betriebszustände auch durch im Vergleich zu zweiten Betriebszuständen höheren Temperaturen gekennzeichnet sein. Bei steigenden Temperaturen nimmt die Viskosität des Betriebsmediums mit einem konstanten Anteil an Kältemittel ab, sodass das Viskositätsverhältnis abnimmt. Andererseits kann bei sinkenden Temperaturen der Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium steigen, sodass durch diesen Effekt die Viskosität prinzipiell sinkt. Es kann also möglich sein, dass bei steigenden Temperaturen die Viskosität und damit das Viskositätsverhältnis erst steigt aufgrund des sinkenden Anteils von Kältemittel im Betriebsmedium und bei weiter steigenden Temperaturen dann wieder abnimmt aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität. So können die ersten Betriebszustände in einem ersten Temperaturbereich vorliegen und die zweiten Betriebszustände in einem zweiten Temperaturbereich vorliegen, welche sich vom ersten Temperaturbereich unterscheidet.
• Vorzugsweise kann ein mit Schmieröl angereicherte zweite Betriebsmedium nicht nur zum Schmieren des Schrägkugellagers verwendet werden, sondern auch zur separaten Schmierung von weiteren Bauteilen des Kältemittelkompressors wie zum Beispiel der rotierenden Förderschrauben im Falle eines Schraubenkompressors. Hierbei dient das schmierölangereicherte zweite Betriebsmedium vorzugsweise weiterhin zur Kühlung und zum Abdichten von Spalttoleranzen der weiteren Bauteile. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Anforderungen an den Ölseparator zum Bereitstellen des zweiten Betriebsmediums im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen geringer ist, da der Anteil von Kältemittel im Schmiermedium wesentlich höher als 20 Gewichtsprozent sein kann. Vorzugsweise ist hierbei das Schrägkugellager als einreihiges Schrägkugellager ausgebildet welches, in einer Richtung axiale Kräfte aufnehmen kann. Alternativ kann das Schrägkugellager jedoch auch als 4-Punkt Lager ausgebildet sein, welches Axialkräfte in beide Richtungen aufnehmen kann. Durch den Einsatz mindestens einer ersten Kugel welche zumindest bereichsweise aus einer Keramik besteht wird das Lager resistenter gegenüber Defiziten des Schmierfilms bei Viskositätsverhältnissen κ < 1, welche ansonsten zu Schäden an der Laufbahn führen würden. Erfindungsgemäß besteht zumindest die Oberfläche der ersten Kugel aus einer Keramik. Bevorzugt wird Siliziumnitrid Si₃N₄ verwendet. Die erfindungsgemäße erste Kugel weist hierbei eine Oberfläche auf, die härter ist als die Laufbahnen des Innenringes und des Außenringes. Erfindungsgemäß werden hierbei Mikroschäden, wie beispielsweise Micropitting, welche durch unzureichende Schmierbedingungen auftreten, durch das Abwälzen der härteren Oberfläche der ersten Kugel auf der Laufbahn teilweise behoben und die Laufbahn geglättet, wodurch die Lebensdauer des Lagers auch bei schlechten Schmierbedingungen verlängert wird. Vorzugsweise sind hierbei der Innenring und der Außenring und ihre jeweiligen Laufbahnen aus herkömmlichen Kugellagerstahl gefertigt, ohne dass der Stahl besonderen Anforderungen aufgrund der mangelnden Schmierbedingungen gerecht werden muss.
• In einem bevorzugten Kühlsystem enthält das Kältemittel Derivate von Alkenen. Als besonders bevorzugte Derivate sind hierbei Derivate von Hydrofluorolefinen , auch als HFOs bezeichnet oder von Hydrochlorfluorolefine auch als HCFOs vorgesehen. Auch ein Kältemittel, welches unter anderem HFOs und HCFOs enthält, kann gemäß einer bevorzugten Ausführung Einsatz als Kältemittel finden. Vorteilhaft hierbei ist das die bevorzugten Derivate von Alkenen besonders umweltfreundlich sind, da ihr GWP Wert niedriger als bei herkömmlichen Kältemittel liegt. Als GWP Wert ist das Global-Warming-Potential bezeichnet, welches den direkten Beitrag des Kältemittels zum Treibhauseffekt angibt. Die bevorzugten Kältemittel weisen jedoch ein niedrigeres Schmierpotenzial auf, als herkömmliche Kältemittel. Zudem sind sie leichter flüchtig.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlsystems reduziert der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 30 Gewichtsprozent und 60 Gewichtsprozent, sodass das mit Schmieröl angereicherte zweite Betriebsmedium einen Anteil von Kältemittel zwischen 30 Gewichtsprozent und 60 Gewichtsprozent aufweist. Vorteilhaft hierbei ist, dass insbesondere bei Verwendung von HFOs und/oder HCFOs als Kältemittel, der Ölseparator nicht aufwendig dazu ausgelegt werden muss, den Anteil des Kältemittels unter allen Umständen <20 Gewichtsprozent im separierten Betriebsmedium zu reduzieren. Es können somit erfindungsgemäß Ölseparatoren herkömmlicher Bauart verwendet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlsystems ist ein gemeinsamer Betriebsmediumkreislauf von erstem und zweitem Betriebsmedium vorgesehen, wobei die Lagerstelle gegenüber dem ersten Betriebsmedium abgedichtet ist. Theoretisch wäre es wünschenswert, die Lagerstelle des Rotors mittels eines separaten, vom Kältemittelkreislauf komplett getrennten Schmiermediumkreislaufes zu schmieren. Hierzu wären jedoch aufwändige Dichtungssysteme notwendig um auf Dauer eine zuverlässige Trennung von Kältemittel und Schmiermittel zu gewährleisten. Da eine zuverlässige Trennung äußerst aufwendig und teuer wäre, ist zumindest in einem Teilbereich ein gemeinsamer Betriebsmediumkreislauf von erstem und zweiten Betriebsmedium vorgesehen, in welchem eine Mischung der beiden Betriebsmedien stattfindet. Zur Auftrennung des gemeinsamen Betriebsmediumkreislaufes in zwei Kreisläufe mit jeweils einem der beiden Betriebsmedien dient der erfindungsgemäße Ölseparator. Um das zweite Betriebsmedium im Bereich der Lagerstelle zuverlässig an einer ungewollten Vermischung mit dem ersten Betriebsmedium zu hindern, ist hierzu eine Dichtungsanordnung vorgesehen. Diese Dichtungsanordnung ist bevorzugt zwischen einer Rotorwelle des Rotors und einem Gehäuse angeordnet und dichtet die Lagerstelle zu einer Hochdruckseite des Kompressors ab.
• Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind alle Kugeln des Schrägkugellagers aus Keramik ausgebildet oder weisen eine Keramikoberfläche auf. Vorteilhaft hierbei ist, dass alle Kugeln als Keramikkugeln ausgebildet sind und somit die gleichen physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Wärmeausdehnung aufweisen. Weiterhin ist eine Montage des Schrägkugellagers nicht so aufwändig wenn lediglich eine Art von Kugeln verbaut wird, als wenn verschiedenartige Kugeln pro Lager verbaut würden. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Innenring und/oder des Außenring aus Lagerstahl hergestellt sind. Vorteilhaft gegenüber Lagern, bei denen die Ringe und die Wälzkörper aus Keramik bestehen oder eine keramische Oberfläche aufweisen ist, dass Lagerringe aus Lagerstahl wesentlich einfacher und günstiger herzustellen sind als solche aus Keramik oder mit einer keramischen Laufbahnoberfläche. Auch wenn prinzipiell einige wenige oder auch nur eine Kugel aus Keramik ausreicht, eine positive Auswirkung auf die Oberflächengüte der Laufbahnen zu erzielen, hat sich doch herausgestellt, dass mit steigendem Kältemittelanteil im Betriebsmedium, insbesondere bei Alkenen und/oder bei einem Kältemittelanteil von über 30 Volumenprozent, ein kompletter Kugelsatz aus keramischen Kugeln die Oberflächengüte der Laufbahnen zuverlässig in einem gewünschten Bereich zu halten vermag.
• Insgesamt kann damit das Schrägkugellager günstiger hergestellt werden bei einer ausreichend langen Lebensdauer bei einem Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium zwischen 25 und 80 Gewichtsprozent. Bei den besonders bevorzugten Bereich des Kältemittels im Betriebsmedium zwischen 30 und 60 Gewichtsprozent reicht ein Kugelsatz, bei dem alle Kugeln aus Keramik sind, und ein Ringsatz bei dem der Innenring und der Außenring nicht aus Keramik bestehen oder eine keramische Oberfläche aufweisen aus, um die geforderte Lebensdauer zu erreichen.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Schrägkugellager umfasst das Schrägkugellager einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Kugeln, wobei der Innenring und/oder der Außenring eine nitrierte oder eine karbonitrierte Laufbahn aufweist. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die nitrierte oder karbonitrierte Laufbahn diese eine verbesserte Oberflächenresistenz bei ungenügenden Schmierbedingungen aufweist. Die Lebensdauer des Schrägkugellagers kann hierdurch nochmals vergrößert werden. Alternativ kann der Innenring und/oder der Außenring einsatzgehärtet werden oder eine einsatzgehärtete Laufbahn aufweisen. Auch hierdurch wird die Oberflächenresistenz bei ungenügenden Schmierbedingungen erhöht, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.
• Eine Kombination von keramischen Kugeln und einer nitrierten oder karbonitrierten Laufbahn ist besonders vorteilhaft. Bevorzugt ist eine karbonitrierte Laufbahn vorgesehen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Laufbahnen sind diese brüniert. Durch die Brünierschicht auf der Laufbahn besitzt diese eine Beschichtung welche das Einlaufverhalten positiv beeinflusst. Es wird hierbei in Kauf genommen, dass im Betrieb des Kältemittelkompressors sich die Brünierschicht auf Dauer verbraucht, was jedoch bezüglich der positiven Eigenschaften auf das Einlaufverhalten von minderer Bedeutung ist. Insgesamt kann die Lebensdauer des Lagers bei den vorliegenden Schmierbedingungen positiv beeinflusst, also verlängert werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Laufbahn ist diese karbonitriert , wobei vorzugsweise die Oberfläche, nachdem sie karbonitriert ist, zusätzlich noch brüniert werden kann. Vorteilhaft hierbei ist, dass die positiven Effekte der beiden Verfahren auf die Oberflächen kombiniert werden können und sich somit die Lebensdauer weiter erhöht.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Lagerstelle mindestens ein zweites Lager auf, wobei das zweite Lager ein Zylinderrollenlager ist. Durch die Ausgestaltung des zweiten Lagers als Zylinderrollenlager werden Radialkräfte auf die Lagerstelle vom Zylinderrollenlager aufgenommen, wodurch das Schrägkugellager hauptsächlich axiale Kräfte aufnehmen muss. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein weiteres Schrägkugellager oder ein Radialkugellager eingesetzt werden. Besonders der Einsatz eines dritten Lagers welches als einreihiges Schrägkugellager ausgebildet ist, ist vorteilhaft, da somit durch die beiden verwendeten Schrägkugellager axiale Kräfte in beiden Richtungen aufgenommen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle eines Zylinderrollenlagers auch ein Nadellager Verwendung finden um Radialkräfte aufzunehmen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Lagers umfasst das zweite Lager einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Wälzkörper, wobei mindestens ein erster Wälzkörper aus einer Keramik besteht. Bevorzugt besteht hierbei die verwendete Keramik aus Si₃N₄. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der beiden Lager sieht vor, dass alle Wälzkörper des ersten und des zweiten Lagers aus der Keramik bestehen oder die Wälzkörper eine keramische Oberfläche aufweisen und die Lageringe nicht aus Keramik bestehen. Eine solche Ausgestaltung wird als hybrides Lager bezeichnet. Diese Ausgestaltung sowohl des ersten Lagers als auch des zweiten Lagers als hybrides Lagers ist besonders kosteneffektiv bei den vorherrschenden Schmierbedingungen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Kältemittelkompressors wird im Betrieb des Kühlsystems der Kältemittelkompressor mit variablen Drehzahlen betrieben. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Kühlsystem entsprechend der Anforderung betrieben werden kann so dass bei geringerer Leistungsanforderung die Drehzahl des Kompressors und somit die Leistung reduziert werden kann was zu einem Energie optimierten Einsatz führt. Da das vorherrschende Viskositätsverhältnis des Betriebsmediums direkt von der Drehzahl des Lagers abhängt, sinkt das Viskositätsverhältnis bei abnehmender Drehzahl. Die Schmierbedingungen verschlechtern sich somit entsprechend. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des zumindest ersten Schrägkugellager als hybrides Lager kann der Kompressor jedoch mit variabler Drehzahl betrieben werden ohne dass die daraus resultierenden sich entsprechend der Drehzahl ändernden Schmierbedingungen das Lager nachhaltig schädigen.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb ein Kühlsystems wobei der Rotor des Kältemittelkompressors mit variablen Drehzahlen betrieben wird.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1-4 näher dargestellt. Hierbei zeigt
• 1 ein erfindungsgemäßes Kühlsystem mit einem Schraubenkompressor
• 2 ein erfindungsgemäßes Kühlsystem mit einem Zentrifugalkompressor
• 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Kühlsystem mit einem Zentrifugalkompressor
• 4 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schraubenkompressor
• In 1 ist ein erfindungsgemäßes erstes Kühlsystem dargestellt, welches im Wesentlichen die Bauteile Kältemittelkompressor 2, Ölseparator 4, Kondensator 32, Expansionsventil 34, Verdampfer 36 und dazugehöriges Leitungssystem aufweist. Als Kältemittel mit welchem das Kühlsystem betrieben wird, dient ein Kältemittel welches im wesentlichen Derivate von HFOs und HCFOs enthält. Im Betriebsmedium ist das Kältemittel sowie zusätzlich ein Anteil von 0,5 Gewichtsprozent bis 2 Gewichtsprozent Schmieröl enthalten, sodass ein Kältemittel Öl Gemisch vorliegt. Der Kompressor 4 verdichtet das Betriebsmedium und führt es dem Ölseparator 4 zu. Im Ölseparator 4 wird aus Betriebsmedium das Öl separiert und der Betriebsmediumkreis in zwei Teilkreise aufgespalten. Im ersten Teilkreis welcher zum Kondensator 32 führt, beträgt der Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium zwischen 98 Gewichtsprozent und 99,5 Gewichtsprozent. Im zweiten Teilkreis, welcher zurück zum Kältekompressors führt, beträgt der Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium zwischen 25 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent. Der Ölseparator trennt somit den gemeinsamen Betriebsmediumkreislauf in einen ersten und einen zweiten Kreislauf auf wobei der erste Kreislauf ein kältemittelangereichertes Betriebsmedium und der zweite Kreislauf ein im Vergleich zum ersten Kreislauf ölangereichertes Betriebsmedium aufweist. In der Zuführung vom Kältemittelkompressor 2 zum Ölseparator 4 sind das erste und das zweite Betriebsmedium gemischt und stellen den gemeinsamen Teil des Betriebsmediumkreislaufs dar. Das komprimierte erste Betriebsmedium wird dem Kondensator 32 zugeführt, welcher das erste Betriebsmedium abkühlt und verflüssigt. Von da wird das flüssige Betriebsmedium über das Expansionsventil 34, welches den Druck des flüssigen Betriebsmediums reduziert, womit dieses abkühlt, dem Verdampfer 36 zugeführt. Vom Verdampfer schließlich wird das nunmehr gasförmige erste Betriebsmedium einer Ansaugseite des Kältemittelkompressors 2 zugeführt, welcher das kalte gasförmige erste Betriebsmedium wieder komprimiert und dem Kreislauf von neuem zuführt. Das vom Ölseparator abgetrennte zweite Betriebsmedium wird dem Kompressor zugeführt und dort über Injektionsleitungen den Lagerstellen zugeführt, sodass das zweite Betriebsmedium zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen der Lager einen Schmierfilm bildet und damit die Lager schmiert. Nach Durchfließen der Lager wird das den Lagern zugeführte zweite Betriebsmedium über eine Auslassleitung zurück zur Ansaugseite des Kompressors geführt. Alternativ kann auch vorgesehen sein dass zumindest ein Teil des zweiten Betriebsmediums über eine Auslassleitung direkt zurück zu einer Eingangsseite des Ölseparator geführt wird. Weiterhin wird ein Teil des vom Ölseparator bereitgestellten zweiten Betriebsmediums über Injektionsleitungen direkt den Schrauben des Schraubenkompressors zugeführt um die ineinandergreifenden Schraubenwindungen zu schmieren beziehungsweise zusätzlich zu kühlen und gegeneinander abzudichten. Von dort aus vermischt sich das zweite Betriebsmedium sofort mit dem komprimierten ersten Betriebsmedium.
• In 2 ist ein erfindungsgemäßes zweites Kühlsystem dargestellt, welches im Wesentlichen die Bauteile Kältemittelkompressor 2, Ölseparator 4, Kondensator 32, Expansionsventil 34, Verdampfer 36, eine Ölpumpe 38 und das dazugehörige Leitungssystem aufweist. Im Gegensatz zum Kältemittelkompressor der 1 ist der Kältemittelkompressor 4 der 2 als Zentrifugalkompressor ausgebildet und die 2 stellt ein hydraulisches Schaltbild eines Kühlsystems mit einem Zentrifugalkompressor dar. Der Betriebsmediumkreislauf des ersten Betriebsmedium 19 ist im Wesentlichen identisch dem der 1 und bildet einen Kreislauf über den Kältemittelkompressor 2, den Kondensator 32, das Expansionsventil 34, den Verdampfer 36 wieder zurück zum Kältemittelkompressor 2. Der Ölseparator 4 ist in 2 dem Verdampfer 36 fluidisch nachgeschaltet und wird über die Ölpumpe 38, welche flüssiges Betriebsmedium das sich im Bodenbereich des Verdampfer 36 befindet zum Ölseparator 4 gepumpt. Der Ölseparator 4 reduziert den Anteil des Kältemittels im ersten Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 25 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent und stellt dieses ölangereicherte zweite Betriebsmedium an einem Ausgang des Ölseparators 4 zur Verfügung, von wo aus es zum Kältemittelkompressor 2 geführt wird und dort über Injektionsleitungen zu den Lagerstellen zur Schmierung der Lager geführt wird. Nachdem das zweite Betriebsmedium die Lagerstelle durchlaufen hat wird es zurück zur Ansaugseite des Zentrifugalkompressors 4 geführt. Der Kältemittel angereicherte andere Teil des vom Ölseparator 4 aufgeteilten ersten Betriebsmediums wird über ein Leitungsteil 39 zusammen mit dem ersten Betriebsmedium welches aus dem Verdampfer 36 kommt, der Ansaugseite des Zentrifugalkompressors zugeführt.
• In 3 ist ein erfindungsgemäßes drittes Kühlsystem dargestellt, welches im Wesentlichen die Bauteile Kältemittelkompressor 2, Kondensator 32, Expansionsventil 34, Verdampfer 36, eine Ölpumpe 38, einen Öltank 37, und das dazugehörige Leitungssystem aufweist. Der Kältemittelkompressor 4 der 3 ist als Zentrifugalkompressor ausgebildet und die 3 stellt ein weiteres hydraulisches Schaltbild eines Kühlsystems mit einem Zentrifugalkompressor dar. Der Betriebsmediumkreislauf des ersten Betriebsmediums 19 ist im Wesentlichen identisch dem der 1 und bildet einen Kreislauf über den Kältemittelkompressor 2, den Kondensator 32, das Expansionsventil 34, den Verdampfer 36 wieder zurück zum Kältemittelkompressor 2. Der Ölseparator 4 ist in 3 nicht als separates Bauteil ausgebildet sondern funktional in den Verdampfer 36 integriert. Mit anderen Worten, das Bauteil 36 dient zum einen als Verdampfer und zum anderen als Ölseparator. Im Verdampfer 36 bildet sich hierbei flüssiges ölangereichertes Betriebsmedium im oberen Bereich des Verdampfers aus, welches separiert wird und als zweites Betriebsmedium über eine Leitung dem Öltank 37 zugeführt wird. Vom Öltank 37 aus wird das zweite Betriebsmedium über die Ölpumpe 38, zum Kältemittelkompressor 2 gepumpt und dort über Injektionsleitungen zu den Lagerstellen zur Schmierung der Lager geführt.
• Nachdem das zweite Betriebsmedium die Lagerstellen durchlaufen hat wird es größtenteils zurück in den Öltank 37 geführt. Ein geringerer Teil des zweiten Betriebsmediums gelangt jedoch über Leckage an den Dichtungen zur Ansaugseite des Zentrifugalkompressors 4 und wird somit dem ersten Betriebsmedium 19 und dessen Betriebsmediumkreislauf zugeführt.
• Der im Verdampfer funktional integrierte Ölseparator 4 reduziert den Anteil des Kältemittels im ersten Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 25 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent und stellt dieses ölangereicherte zweite Betriebsmedium an einem Ausgang des Verdampfers 36 zur Verfügung, von wo aus es zum Öltank 37 und von dort über die Ölpumpe 38 zum Kältemittelkompressor 2 geführt wird. Der verbleibende Kältemittel angereicherte andere Teil des im Verdampfer 36 , beziehungsweise Ölseparator 4 aufgeteilten ersten Betriebsmediums wird über ein Leitungsteil der Ansaugseite des Zentrifügalkompressors zugeführt.
• In 4 ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kältemittelkompressor 2 der 1 dargestellt. Der Kältemittelkompressor 2 ist als Schraubenkompressor ausgeführt und weist im Wesentlichen einen Antriebsmotor 40 sowie den Rotor 8, welcher zwei ineinandergreifenden Schrauben 41 und 42 aufweist, auf. Die beiden Schrauben 41, 42 sitzen auf einer eigenen Welle, welche jeweils separat gelagert ist. Der Rotor 8 ist auf der Ansaugseite des Kältemittelkompressors 2 über zwei Zylinderrollenlager 43 und 44 gelagert. Auf der dem Motor 40 abgewandten druckbeaufschlagten Seite des Kältemittelkompressor 2 ist der Rotor 8 über die Lagerstelle 6 im Gehäuse gelagert. Die Lagerstelle 6 ist über eine Dichtungsanordnung 45 zur mit Druck beaufschlagten Seite hin abgedichtet. Über die Einlassleitungen 46 und 48 wird das zweite Betriebsmedium zwischen der Dichtungsanordnung und den Lagern der Lagerstelle 6 in die Lagerstelle 6 eingebracht. Die Dichtungsanordnung 45 ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie bezüglich der Reibung optimiert ist, d.h. die Reibung und damit der Verlust ist minimal. Die Dichtungsanordnung ist hierzu jedoch nicht vollkommen abdichtend ausgebildet sondern lässt einen gewissen Leckageanteil an ersten Betriebsmedium von der Druckseite zur Lagerstelle durch. Das zweite Betriebsmedium durchläuft in Fließrichtung die Lagerstelle 6 in axialer Richtung und tritt über die Auslassleitung 50 aus der Lagerstelle 6 aus und wird zurück zur Ansaugseite des Kompressors 2 geführt. Über eine weitere Einlassleitung 52 wird das zweite Betriebsmedium zu den Schrauben 41 und 42 geführt um diese zu schmieren. Die Lagerstelle 6 umfasst zwei Lagerpakete welche jeweils eine Welle der Schrauben 41 und 42 im Gehäuse lagern. Das erste Lagerpaket 54 weist drei axial angeordnete Schrägkugellagern 10 und ein Zylinderrollenlager 11 auf. Die Schrägkugellager 10 und das Zylinderrollenlager 11 sind als hybride Lager ausgebildet, das heißt alle Kugeln eines jeden Schrägkugellagers 10 und alle Zylinderrollen des Zylinderrollenlagers 11 sind hierbei aus Siliziumnitrid Si₃N₄ gebildet; die Außen- und Innenringe der Schrägkugellager und des Zylinderrollenlager sind jedoch aus Wälzlagerstahl gebildet. Das erste Betriebsmedium, welches zum Schmieren durch die Lagerstelle 6 fließt, weist 25 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent Kältemittelauf. Das Kältemittel enthält zu einem großen Teil Hydrofluorolefine und Hydrochlorfluorolefinen, welche im Vergleich zu herkömmlichen Kältemitteln wie R134a wesentlich niedriger viskos sind und damit schlechtere Schmiereigenschaften aufweisen. Erfindungsgemäß ist die Verwendung der als Hybridlager ausgebildeten Schrägkugellager 10 und der Zylinderrollenlager 11 zur Lagerung der Rotorwellen des Kältemittelkompressors bei Verwendung eines Kältemittel-Öl Gemisches, welches zwischen 25 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent an Hydrofluorolefinen oder Hydrochlorfluorolefinen enthält, bezüglich der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den Kosten besonders günstig. Zum einen können anstelle von teuren und aufwändigen Ölseparatoren, welche auch bei HFO und/oder HCFO haltigen Kältemitteln den Kältemittelanteil zuverlässig unterhalb von 20 Gewichtsprozent einstellen, Ölseparatoren bekannter Bauart Verwendung finden. Zum anderen kann der Kältemittelkompressor auch mit variablen Drehzahlen betrieben werden. Bei Absenkung der Drehzahl sinkt das Viskositätsverhältnis κ, was zu verschlechterten Schmierbedingungen führt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit hybriden Lagern kann diese Verschlechterung in den Schmierbedingungen kompensieren wodurch der Kältemittelkompressor bedarfsoptimiert betrieben werden kann. Im Gegensatz zu reinen Keramiklagern bei denen sowohl die Lagerringe als auch die Wälzkörper aus Keramik bestehen sind hybride Lager kostengünstiger jedoch nicht so leistungsfähig. In dem beanspruchten Bereich von 25 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent hat sich jedoch herausgestellt dass die Leistungsfähigkeit bezüglich der geforderten Lebensdauer identisch ist und demzufolge hybriden Lagern der Vorzug zu geben ist, zu dem sie auch noch einen variablen Betrieb des Kältemittelkompressors ermöglichen.
• Bezugszeichenliste

2

Kältemittelkompressor

4

Ölseparator

6

Lagerstelle

8

Rotor

10

Schrägkugellager

12

Innenring des Schrägkugellagers

14

Außenring des Schrägkugellagers

16

Kugeln

17

Keramikkugel

18

Betriebsmediumkreislauf

19

Erstes Betriebsmedium

20

Zweites Betriebsmedium

22

Zweite Kugeln

24

Laufbahn

26

Zweites Lager

28

Innenring des zweiten Lagers

29

Außenring des zweiten Lagers

30

Wälzkörper des zweiten Lagers

32

Kondensator

34

Expansionsventil

36

Verdampfer

37

Öltank

38

Ölpumpe

39

Leitungsteil

40

Antriebsmotor

41

Schraube

42

Schraube

43

Zylinderrollenlager

44

Zylinderrollenlager

45

Dichtungsanordnung

46

Einlassleitung

48

Einlassleitung

50

Auslassleitung

52

Einlassleitung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 0664424 A2 [0002]
• EP 1729055 B1 [0003]
• EP 0711929 B1 [0004]

Claims (11)

1. Kühlsystem umfassend einen Kältemittelkompressor, ein erstes Betriebsmedium, welches aus einer Mischung von Kältemittel und einem Schmieröl besteht, und einen Ölseparator, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 25 Gewichtsprozent und 80 Gewichtsprozent reduziert, sodass ein schmierölangereichertes zweites Betriebsmedium vom Ölseparator bereitgestellt wird, wobei das bereitgestellte zweite Betriebsmedium in mindestens einem ersten Betriebszustand des Kühlsystems ein Viskositätsverhältnis κ < 1 aufweist und zur Schmierung mindestens einer Lagerstelle eines Rotors des Kältemittelkompressors dient, wobei die Lagerstelle mindestens ein Schrägkugellager umfasst, welches einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Kugeln umfasst, wobei mindestens eine erste Kugel aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid Si₃N₄, besteht.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelmittel Derivate von Alkenen, insbesondere Hydrofluorolefine (HFOs) und/oder Hydrochlorfluorolefine (HCFOs) enthält.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 30 Gewichtsprozent und 60 Gewichtsprozent reduziert.
4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Betriebsmediumkreislauf von erstem und zweitem Betriebsmedium vorgesehen ist, wobei die Lagerstelle gegenüber dem ersten Betriebsmedium abgedichtet ist.
5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kugeln des Schrägkugellagers aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid SI₃N₄, bestehen.
6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Kugeln umfasst, wobei der Innenring und/oder der Außenring eine nitrierte oder eine karbonitrierte Laufbahn aufweist.
7. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Kugeln umfasst, wobei der Innenring und/oder der Außenring eine brünierte Laufbahn aufweist.
8. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstelle mindestens ein zweites Lager aufweist, wobei das zweite Lager ein Zylinderrollenlager ist.
9. Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager einen Innenring, einen Außenring und dazwischen abwälzende Wälzkörper umfasst, wobei mindestens eine erster Wälzkörper aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid Si₃N₄, besteht.
10. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Kühlsystems der Kältemittelkompressor mit variablen Drehzahlen betrieben wird.
11. Verfahren zum, Betrieb ein Kühlsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (8) des Kältemittelkompressors (2) mit variablen Drehzahlen betrieben wird

Images