DE102017219652A1 - 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 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

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. Nur hierdurch wird gewährleistet, dass ein genügend dicker Schmierfilm im Wälzkontakt vorliegt um Grenzschichtschmierung mit einer unmittelbare Berührung der Lagerkomponenten im Wälzkontakt zu vermeiden. 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 ν1.
• Obwohl bisher die allgemeine Lehre davon ausging 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, sieht die Erfindung vor, dass ein Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert reduziert um Betriebsmedium zum Schmieren bereitzustellen, sodass in einem ersten Betriebszustand ein Viskositätsverhältnis von κ < 1 vorliegt. Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass das vom Ölseparator bereitgestellte Betriebsmedium in mindestens einem zweiten Betriebszustand ein Viskositätsverhältnis von κ > 1 aufweist und zur Schmierung der Lagerstelle dient.
• Das Viskositätsverhältnis ist hierbei definiert als κ =ν/ν1, wobei ν1 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: $$\mathrm{\nu 1=45000}{\text{n}}^{-\mathrm{0,83}}{\text{D}}_{\text{pw}}{}^{-05}$$

  
• 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.
• ν 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.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem zweiten Betriebszustand ein Viskositätsverhältnis von κ > 1 vorliegt. 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.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Kältemittelkompressors wird im Betrieb des Kühlsystems der Kältemittelkompressor mit variablen Drehzahlen betrieben wird. 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. Genaugenommen wird der Rotor des Kältemittelkompressors mit variablen Drehzahlen betrieben und somit wird auch das mindestens eine Schrägkugellager, welches den Rotor lagert mit variablen Drehzahlen betrieben.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des zumindest ersten Schrägkugellager ist das erste Schrägkugellager mit einer Laufbahn ausgestattet, welche gegen Oberflächenschäden infolge unzureichender Schmierfilmdicke besonders resistent ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Kompressor mit variabler Drehzahl betrieben werden ohne dass die daraus resultierenden sich entsprechend der Drehzahl sich ändernden Schmierbedingungen das Lager nachhaltig schädigen. Insbesondere kann der Kompressor dadurch mit gegenüber der Nenndrehzahl reduzierten Drehzahlen betrieben werden.
• Alternativ oder zusätzlich können erste Betriebszustände auch durch im Vergleich zu zweiten Betriebszuständen höheren Temperaturen gekennzeichnet sein. Bei steigenden Temperaturen nimmt die Viskosität eines Betriebsmediums mit einem konstanten Anteil an Kältemittel ab, so dass 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.
• 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.
• 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.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlsystems reduziert der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 5 Gewichtsprozent und 25 Gewichtsprozent, sodass das mit Schmieröl angereicherte zweite Betriebsmedium einen Anteil von Kältemittel zwischen 5 Gewichtsprozent und 25 Gewichtsprozent aufweist.
• In einem bevorzugten Kühlsystem weist das Kältemittel im Betriebsmedium eine dynamische Viskosität < 1 mPas bei Umgebungsdruck und Betriebstemperatur auf. Bevorzugte Kältemittel können beispielsweise R134a, R1233zd, R1234ze oder R1234yf sein. Alternativ kann das Kältemittel auch Derivaten von Alkenen umfassen. 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 umfasst, kann Einsatz als Kältemittel finden. Vorteilhaft hierbei ist das die 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.
• Vorteilhaft hierbei ist, dass der Ölseparator nicht aufwendig dazu ausgelegt werden muss, den Anteil des Kältemittels unter allen Umständen unter einem Wert zu halten, bei welchem der Schmierfilm im Wälzkontakt eine Mindestdicke aufweist, bei welcher eine Grenzschichtschmierung zuverlässig verhindert wird. Es können somit erfindungsgemäß Ölseparatoren herkömmlicher Bauart verwendet werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schrägkugellager im ersten Betriebszustand einen Drehzahlkennwert < 300.000mm/min auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schrägkugellager im zweiten Betriebszustand einen Drehzahlkennwert > 500.000mm/min auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei Nenndrehzahl des Kältemittelkompressors, bei welcher die größte Leistung abgegeben wird und somit auch erhöhte Anforderungen an die Schmierung vorliegen ein ausreichend ausgebildeter Schmierfilm im Wälzkontakt vorliegt, sodass ein Viskositätsverhältnis von κ > 1 vorliegt.
• Gemäß einer erfindungsgemäßen 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.
• Durch die nitrierten oder karbonitrierten Laufbahnen, beziehungsweise Oberflächen der Laufbahnen werden hierbei Mikroschäden, wie beispielsweise Micropitting, welche durch unzureichende Schmierbedingungen auftreten, zuverlässig minimiert, wodurch die Lebensdauer des Lagers auch bei schlechten Schmierbedingungen verlängert wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle Kugeln des Schrägkugellagers aus Kugellagerstahl hergestellt.
• Vorteilhaft hierbei ist, dass alle Kugeln aus demselben Material bestehen 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. Ein weiterer Vorteil bei Ausbildung der Ringe des Schrägkugellagers aus Wälzlagerstahl ist, dass die Lagerringe und die Kugeln, vergleichbare physikalische Eigenschaften aufweisen.
• Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Kugeln ist mindestens eine erste Kugel vorgesehen, welche zumindest bereichsweise aus einer Keramik besteht. Hierdurch wird das Lager resistenter gegenüber Defiziten des Schmierfilms bei Viskositätsverhältnissen < 1, welche ansonsten zu Schäden an der Laufbahn führen würden. Vorzugsweise besteht zumindest die Oberfläche der ersten Kugel aus einer Keramik. Bevorzugt wird Siliziumnitrid Si₃N₄ verwendet. Die erste Kugel weist hierbei eine Oberfläche auf, die härter ist als die Laufbahnen des Innenringes und des Außenringes. Es 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.
• Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel sieht vor, dass alle Kugeln des Schrägkugellagers aus Keramik ausgebildet sind oder eine Keramikoberfläche aufweisen. 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.
• 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 einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Laufbahnen sind diese brüniert. Durch die Brünierschicht auf der Laufbahn besitzt diese eine Beschichtung welche das Einlaufverhalten des Lagers positiv beeinflusst. Es wird hierbei in Kauf genommen, dass im Betrieb des Kältemittelkompressors die Brünierschicht nicht dauerfest ist und sich allmählich verbraucht, was jedoch bezüglich der positiven Eigenschaften auf das Einlaufverhalten des Lagers von untergeordneter 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. Auch nitrierte oder einsatzgehärtete Laufbahnoberflächen welche zusätzlich brüniert werden, weisen den Vorteil auf, dass das Einlaufverhalten des Lagers verbessert wird wodurch die Lebensdauer von Lagern mit solchen Laufbahnen bei dem erfindungsgemäßen Anwendungsbereich mit schlechten Schmierbedingungen verlängert wird.
• 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 der Innenring und/oder der Außenring des zweiten Lagers eine nitrierte oder eine karbonitrierte oder eine einsatzgehärtete Laufbahn aufweist. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen der Innenring und/oder der Außenring des ersten und des zweiten Lagers eine karbonitrierte Laufbahn auf.
• Es hat sich herausgestellt, dass in einigen Anwendungsfällen die Laufbahnen des ersten und des zweiten Lagers im Betrieb auf Dauer unterschiedlich beansprucht werden. Deshalb besteht in einer kostengünstigen Ausgestaltung s mindestens ein Wälzkörper des höher beanspruchten ersten oder zweiten Lagers aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid Si₃N₄.
• 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 das dazugehörige Leitungssystem aufweist. Als Kältemittel dient R134a. 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 5 Gewichtsprozent und 25 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 der 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 zu einer Ansaugseite des Kompressors geführt. Alternativ kann auch vorgesehen sein dass zumindest ein Teil des zweiten Betriebsmediums über eine Auslassleitung direkt zurück zu der 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. Der Kältemittelkompressor 2 kann mit variablen Drehzahlen betrieben werden, wodurch bei niedrigeren Drehzahlen das pro Zeiteinheit vom Ölseparator 4 bereitgestellte zweite Betriebsmedium kleiner ist als bei höheren Drehzahlen. Somit liegt bei niedrigeren Drehzahlen des Rotors 8 des Kältemittelkompressors 2 Nicht nur ein kleineres Viskositätsverhältnis vor, sondern auch noch ein geringerer Schmiermediumvolumenstrom. Je nach Leistungsanforderung an das Kühlsystem kann der Kältemittelkompressors 2 mit einer an die Leistungsanforderung angepasster Drehzahl betrieben werden.
• 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 Zentrifügalkompressor ausgebildet und die 2 stellt ein hydraulisches Schaltbild eines Kühlsystems mit einem Zentrifügalkompressor 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 5 Gewichtsprozent und 25 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 Zentrifügalkompressors 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 Zentrifügalkompressor 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 5 Gewichtsprozent und 25 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 Zentrifugalkompressors 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 weisen Innenringe und Außenringe auf, die aus Wälzlagerstahl gebildet sind, wobei deren Laufbahnen karbonitriert sind. Das erste Betriebsmedium, welches zum Schmieren durch die Lagerstelle 6 fließt, weist 5 Gewichtsprozent bis 25 Gewichtsprozent Kältemittel auf. Als Kältemittel kann ein herkömmliches Kältemittel wie R134a verwendet werden. Erfindungsgemäß ist die Verwendung der mit karbonitrierten Laufbahne ausgebildeten Schrägkugellager 10 und der Zylinderrollenlager 11 zur Lagerung der Rotorwellen des Kältemittelkompressors bei Verwendung eines Kältemittel-Öl Gemisches, welches zwischen 5 Gewichtsprozent bis 25 Gewichtsprozent R134a enthält, bezüglich der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den Kosten besonders günstig. Hierdurch können anstelle von teuren und aufwändigen Ölseparatoren, welche auch bei reduzierten Drehzahlen der Lager den Anteil des Kältemittels unter allen Umständen unter einem Wert halten, bei welchem der Schmierfilm im Wälzkontakt eine Mindestdicke aufweist, bei welcher eine Grenzschichtschmierung zuverlässig verhindert wird, Ölseparatoren bekannter Bauart Verwendung finden. Bei Absenkung der Drehzahl sinkt das Viskositätsverhältnis κ, was zu verschlechterten Schmierbedingungen führt. Dies führt bei geringer Drehzahl zu auftretender Grenzschichtschmierung in den Lagerstellen. Bei Nenndrehzahl des Kältemittelkompressors liegt das Viskositätsverhältnis κ über dem Wert 1, und ein ausreichend dicker Schmierfilm im Wälzkontakt liegt vor, sodass bei Nenndrehzahl keine Grenzschichtschmierung auftritt. Die erfindungsgemäße Verwendung der karbonitrierten Lager kann diese Verschlechterung in den Schmierbedingungen kompensieren wodurch der Kältemittelkompressor bedarfsoptimiert betrieben werden kann. Im Gegensatz zu reinen Hybridlagern, bei denen sämtliche Wälzkörper aus Keramik bestehen und die Lagerringe aus Wälzlagerstahl, oder semihybride Lagern, bei denen nur einige Wälzkörper aus Keramik bestehen und die Lagerringe aus Wälzlagerstahl bestehen sind karbonitrierte Lager mit Stahlkugeln kostengünstiger jedoch nicht so leistungsfähig. In dem beanspruchten Bereich von 5 Gewichtsprozent bis 25 Gewichtsprozent hat sich jedoch herausgestellt dass die Leistungsfähigkeit bezüglich der geforderten Lebensdauer vergleichbar ist und demzufolge karbonitrierten 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 [0002]
• EP 0711929 B1 [0003]

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 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, und wobei das bereitgestellte zweite Betriebsmedium in mindestens einem zweiten Betriebszustand des Kühlsystems ein Viskositätsverhältnis κ > 1 aufweist und zur Schmierung der Lagerstelle des Rotors dient.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Ölseparator den Anteil des Kältemittels im Betriebsmedium auf einen Wert zwischen 5 Gewichtsprozent und 25 Gewichtsprozent reduziert.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Kühlsystems der Rotor des Kältemittelkompressors mit variablen Drehzahlen betrieben wird.
4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager im erste Betriebszustand einen Drehzahlkennwert < 300.000mm/min aufweist.
5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager im zweiten Betriebszustand einen Drehzahlkennwert > 500.000mm/min aufweist
6. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring eine nitrierte oder karbonitrierte Laufbahn aufweist.
7. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring eine brünierte Laufbahn aufweist.
8. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, mindestens eine erste Kugel aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid Si₃N₄, besteht.
9. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstelle mindestens ein zweites Lager aufweist, wobei das zweite Lager ein Zylinderrollenlager ist.
10. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Laufbahn des zweiten Lagers karbonitriert und/oder brüniert ist und/oder dass mindestens ein Wälzkörper des zweiten Lagers aus einer Keramik, vorzugsweise Siliziumnitrid Si₃N₄, besteht
11. Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor des Kältemittelkompressors mit variablen Drehzahlen betrieben wird.

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