DE102019001161A1

DE102019001161A1 - Kältemittelverdichter und Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters

Info

Publication number: DE102019001161A1
Application number: DE102019001161.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Jahn; Robin Langebach; Roy Bretschneider; Ingo ZERBES; Joachim Rodler; Daniel Schuster; Harald Manske
Original assignee: Diehl Aviation Gilching GmbH
Current assignee: Diehl Aviation Gilching GmbH
Priority date: 2019-02-16
Filing date: 2019-02-16
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Ein Kältemittelverdichter (12) für eine Kompressionskälteanlage weist ein von einem Kältemittelstrom (40, 42) durchströmbares Verdichtergehäuse (20), eine Kompressionsvorrichtung (24) zum Komprimieren des Kältemittelstroms durch das Verdichtergehäuse (20) und einen elektrischen Verdichtermotor (30) zum Antreiben der Kompressionsvorrichtung (24) auf. Zur Leistungsregelung des Kältemittelverdichters (12) ist der Verdichtermotor (30) derart in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet, dass er mit dem Kältemittelstrom (40, 42) durch das Verdichtergehäuse (20) in Wärmeaustausch steht, sodass durch Erhöhen einer elektrischen Verlustleistung des Verdichtermotors (30) der Kältemittelstrom (40, 42) im Verdichtergehäuse (20) überhitzt werden kann, wodurch die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage reduziert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter, eine Kompressionskälteanlage mit einem solchen Kältemittelverdichter, ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters und ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Kompressionskälteanlage mit einem solchen Kältemittelverdichterbetriebsverfahren.
Die Kälteleistung von Kompressionskälteanlagen muss regelbar sein, um sie an den jeweils erforderlichen Bedarf anpassen zu können. Zum Regeln der Kälteleistung von Kompressionskälteanlagen sind bereits einige verschiedene Methoden bekannt, wie zum Beispiel das Verändern der Drehzahl und/oder der Laufzeit des Verdichters (vgl. z.B. DE 10 2017 003 523 A1 ), das Nutzen eines schaltbaren Bypasses (vgl. z.B. DE 34 28 704 A1 ), das Nutzen variabler Betriebsstellungen der Kompressionsvorrichtung im Verdichter (vgl. z.B. DE 197 13 413 A1 ) und dergleichen.
Je nach Anwendungsfall kann eine Regelung der Kälteleistung der Kompressionskälteanlage über einen sehr großen Bereich erforderlich sein. Im Fall von Flugzeugküchen kann dies insbesondere auch eine Regelung im extremen Teillastbereich erfordern. Bei herkömmlichen Kompressionskälteanlagen führen häufige und weitreichende Veränderungen der Kälteleistung zu aufwändigen Regelungsmaßnahmen und können zum Teil auch zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Anlage bzw. ihrer Komponenten, zu Geräuschbelästigungen, etc. führen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der die Kälteleistung einer Kompressionskälteanlage über einen sehr großen Bereich regelbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Kältemittelverdichter ein von einem Kältemittelstrom durchströmbares Verdichtergehäuse, eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren des Kältemittelstroms durch das Verdichtergehäuse und einen elektrisch angetriebenen Verdichtermotor zum Antreiben der Kompressionsvorrichtung auf, wobei der Verdichtermotor derart in dem Verdichtergehäuse angeordnet ist, dass er mit dem Kältemittelstrom durch das Verdichtergehäuse in Wärmeaustausch steht. Erfindungsgemäß ist außerdem eine elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors regelbar, um eine Temperatur des Kältemittelstroms im Verdichtergehäuse zu verändern.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, durch eine gezielte Variation der elektrischen Verlustleistung des Verdichtermotors den Kältemittelstrom im Verdichter unterschiedlich stark zu überhitzen, wodurch die Kälteleistung einer den Kältemittelverdichter enthaltenden Kompressionskälteanlage geregelt werden kann. Die Verlustleistung des Verdichtermotors kann rein elektronisch bzw. per Software geregelt werden, sodass auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden kann, wodurch der Bauraumbedarf, das Gewicht und der Integrationsaufwand reduziert sind. Hierdurch kann auch ein Qualifikationsaufwand für zusätzliche Bauteile entfallen, der zum Beispiel bei der Anwendung im Luftfahrbereich notwendig wäre. Durch den möglichen Verzicht bzw. die mögliche Minimierung von Drehzahländerungen und Ein- und Ausschaltzyklen rotierender Komponenten des Verdichters lassen sich auch die Lebensdauer verlängern und ein akustisch optimierter Betrieb erzielen.
Der Kältemittelverdichter der Erfindung ist insbesondere für den Einsatz in Kompressionskälteanlagen geeignet, und insbesondere für Anwendungen im Luftfahrbereich wie beispielsweise Flugzeugküchen vorteilhaft einsetzbar. Die Charakteristiken der Flugzeugküchen können hinsichtlich Wärmeeintrag und Dichtigkeit stark voneinander abweichen, was eine Regelung der Kälteleistung über einen sehr großen Bereich erforderlich macht. Außerdem ist in Flugzeugküchen auch eine Regelung der Kälteleistung im extremen Teillastbereich notwendig. Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter kann zum Beispiel in verschiedenen Flugzeugküchen eingesetzt werden, da er eine umfangreiche Regelung der Kälteleistung ermöglicht.
In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Verdichtermotor kältemittelstromauf der Kompressionsvorrichtung in dem Verdichtergehäuse angeordnet, um die Temperatur des Kältemittelstroms stromauf der Kompressionsvorrichtung zu verändern. Bei dieser Ausführungsvariante, die auch als „sauggasgekühlte Ausführung“ bezeichnet werden kann, erfolgt die Motorkühlung durch den Sauggasstrom des Kältemittels stromauf der Kompressionsvorrichtung, welcher sich hierdurch erwärmt, was zu einer zusätzlichen Sauggasüberhitzung führt. Unter der Annahme einer konstanten Verdampfungstemperatur reduziert sich bei steigender Temperatur des Sauggasstroms die Dichte des Kältemittels auf der Eingangsseite des Kältemittelstroms durch den Verdichter, sodass bei einer vorgegebenen Drehzahl der Kompressionsvorrichtung mit konstantem Kompressionsvolumen der Fördermassenstrom und damit die Kälteleistung des Kältemittelverdichters reduziert werden.
In einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Verdichtermotor kältemittelstromab der Kompressionsvorrichtung in dem Verdichtergehäuse angeordnet, um die Temperatur des Kältemittelstroms stromab der Kompressionsvorrichtung zu verändern. Bei dieser Ausführungsvariante, die auch als „druckgasgekühlte Ausführung“ bezeichnet werden kann, erfolgt die Motorkühlung durch den Heißgasstrom des Kältemittels stromab der Kompressionsvorrichtung, welcher sich hierdurch erwärmt und als Folge den Hochdruck im Verflüssiger der Kompressionskälteanlage erhöht. Unter der Annahme einer konstanten Unterkühlung des Kältemittels im Verflüssiger und einer konstanten Verdampfungstemperatur reduziert sich bei steigender Temperatur des Heißgasstroms in Verbindung mit der reduzierten Drehzahl des Kondensator-Lüfters die spezifische Enthalpiedifferenz über den Verdampfer der Kompressionskälteanlage, sodass bei einer vorgegebenen Drehzahl der Kompressionsvorrichtung mit konstantem Kompressionsvolumen die Kälteleistung des Kältemittelverdichters reduziert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichtermotor einen Stator auf, der durch die thermische Verlustleistung des Verdichtermotors erwärmt werden kann. Vorzugsweise weist der Verdichtermotor einen Stator mit einer Statorwicklung auf und ist eine Statorstromkomponente durch diese Statorwicklung veränderbar, die kein Drehmoment erzeugt, insbesondere die d-Komponente des Statorstroms. Der Verdichtermotor ist vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, besonders bevorzugt ein fremderregter Elektromotor.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichtermotor derart in dem Verdichtergehäuse angeordnet, dass ein durch die elektrische Verlustleistung erwärmter Bereich des Verdichtermotors von dem Kältemittelstrom direkt umströmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist in dem Verdichtergehäuse ferner wenigstens ein Wärmeleitelement angeordnet, das mit einem durch die Verlustleistung erwärmten Bereich des Verdichtermotors thermisch gekoppelt ist und von dem Kältemittelstrom umströmbar ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der einen oben beschriebenen Kältemittelverdichter der Erfindung aufweist.
Der Kältemittelkreislauf der Kompressionskälteanlage weist ferner typischerweise einen Verflüssiger / Kondensator, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer auf. Der Verdampfer steht zum Beispiel mit einem Kühlraum wie beispielsweise einer Flugzeugküche in Wärmeaustausch, um ihn zu kühlen.
Die Kompressionskälteanlage weist vorzugsweise ferner eine Steuereinheit auf, die mit dem Kältemittelverdichter verbunden ist und ausgestaltet ist, um die elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors des Kältemittelverdichters zu regeln.
Der Kältemittelverdichter und die Kompressionskälteanlage der Erfindung können optional mit weiteren Maßnahmen zur Leistungsregelung kombiniert werden. Hierzu zählen beispielsweise das Verändern der Drehzahl des Verdichters, das Verändern der Laufzeit des Verdichters, ein schaltbarer bzw. im Querschnitt kontinuierlich veränderlicher Bypass, variable Betriebsstellungen der Kompressionsvorrichtung im Verdichter, ein Abschalten einzelner Verdichterstufen in einem mehrstufigen Verdichter, ein Abschalten einzelner Verdichter in einem Verbund mehrerer Verdichter, das Verändern des Kältemittelstroms durch den Verdichter mittels einer Ventilvorrichtung, ein Verändern des Kältemitteldrucks auf der Eingangsseite des Verdichters, regelbare Drehzahlen von vorhandenen Kondensator- bzw. Verdampfer-Lüftern und dergleichen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters, der ein von einem Kältemittelstrom durchströmbares Verdichtergehäuse, eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren des Kältemittelstroms durch das Verdichtergehäuse und einen elektrisch angetriebenen Verdichtermotor zum Antreiben der Kompressionsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtermotor derart in dem Verdichtergehäuse angeordnet ist, dass er mit dem Kältemittelstrom durch das Verdichtergehäuse in Wärmeaustausch steht, und dass eine elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors geregelt wird, um eine Temperatur des Kältemittelstroms im Verdichtergehäuse zu verändern.
Mit diesem Verfahren können die gleichen Vorteile erzielt werden wie oben in Zusammenhang mit dem Kältemittelverdichter der Erfindung beschrieben. Bezüglich der Vorteile, Begriffserläuterungen und bevorzugten Ausführungsformen wird daher auf die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters verwiesen.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird durch die elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors vorzugsweise die Temperatur des Kältemittelstroms stromauf der Kompressionsvorrichtung oder die Temperatur des Kältemittelstroms stromab der Kompressionsvorrichtung verändert, bevorzugt deutlich über den Zustand nach dem Kompressionsvorgang erhöht.
Vorzugsweise weist der Verdichtermotor einen Stator mit einer Statorwicklung auf und wird eine Statorstromkomponente durch die Statorwicklung geregelt, die kein Drehmoment erzeugt, um eine Temperatur des Stators zu verändern.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Kältemittelverdichter aufweist, wobei der Kältemittelverdichter mit dem oben beschriebenen Verfahren der Erfindung betrieben wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden als Führungsgröße(n) für die Verdichterleistung des Kältemittelverdichters bzw. die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage eine Überhitzung des Kältemittelstroms stromauf der Kompressionsvorrichtung, eine Temperatur des Kältemittelstroms aus dem Kältemittelverdichter, ein Druck des Kältemittelstroms aus dem Kältemittelverdichter, eine Temperatur des Stators des Verdichtermotors und/oder eine Temperatur der Statorwicklung des Verdichtermotors benutzt.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, zum Teil schematisch:

1 den Aufbau einer Kompressionskälteanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 einen Kältemittelverdichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 einen Kältemittelverdichter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist zunächst der Grundaufbau einer Kompressionskälteanlage veranschaulicht, der auch für eine erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage zutreffend ist.
Die Kompressionskälteanlage hat einen Kältemittelkreislauf 10 für ein Kältemittel (z.B. R134a), der einen Verdichter (oder Kompressor) 12, einen hochdruckseitigen Wärmetauscher in Form eines Verflüssigers (oder Kondensators) 13, ein Expansionsorgan (z.B. Expansionsventil oder Drossel) 14 und einen niederdruckseitigen Wärmetauscher in Form eines Verdampfers 15 aufweist. Das gasförmige Kältemittel wird zunächst im Verdichter 12 komprimiert und dann im Verflüssiger 13 unter Wärmeabgabe verflüssigt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel durch das Expansionsorgan 14 entspannt. Im anschließenden Verdampfer 15 verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur, um dann wieder im Verdichter 12 komprimiert zu werden. Der Verdampfer 15 steht beispielsweise mit einem Kühlraum 16 in Wärmeaustausch, um den Kühlraum 16 durch die Wärmeaufnahme des Kältemittels zu kühlen. Im Verflüssiger 13 gibt das Kältemittel Wärme zum Beispiel an die Umgebung ab.
Wie in 1 dargestellt, enthält die Kompressionskälteanlage ferner eine Steuereinheit 17 zum Regeln des Betriebs der Komponenten 12, 13, 14, 15 des Kältemittelkreislaufs. Die Steuereinheit 17 ist mit mehreren Kreislaufsensoren 18 zum Erfassen von Temperatur und/oder Druck des Kältemittels an verschiedenen Stellen des Kältemittelkreislaufs 10 und einem Kühlraumsensor 19 zum Erfassen der Temperatur im Kühlraum 16 (drahtlos oder leitungsgebunden) verbunden. Die Steuereinheit 17 regelt insbesondere die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage, um im Kühlraum 16 eine gewünschte Temperatur zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage ist insbesondere für Anwendungen im Luftfahrbereich wie beispielsweise Flugzeugküchen in vorteilhafter Weise geeignet, ohne auf diese Anwendungen beschränkt zu sein. Die Charakteristiken der Flugzeugküchen können hinsichtlich Wärmeeintrag und Dichtigkeit stark voneinander abweichen, was eine Regelung der Kälteleistung über einen sehr großen Bereich erforderlich macht. Außerdem ist in Flugzeugküchen auch eine Regelung der Kälteleistung im extremen Teillastbereich notwendig. Der erfindungsgemäß konfigurierte Kältemittelverdichter ermöglicht eine umfangreiche Regelung der Kälteleistung, sodass die Anlage in verschiedenen Flugzeugküchen eingesetzt werden kann.
Bezugnehmend auf 2 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kältemittelverdichters näher erläutert, der zum Beispiel in der Kompressionskälteanlage von 1 eingesetzt werden kann. Das erste Ausführungsbeispiel stellt eine sauggasgekühlte Ausführungsvariante der Erfindung dar.
Der Kältemittelverdichter 12 hat ein Verdichtergehäuse 20 mit einem Kältemitteleingang 21 in Form zum Beispiel eines Saugstutzens und einem Kältemittelausgang 22 in Form zum Beispiel eines Druckstutzens, sodass das Verdichtergehäuse 20 von einem Kältemittelstrom durchströmt werden kann.
In dem Verdichtergehäuse 20 ist eine Kompressionsvorrichtung 24 angeordnet. Die Kompressionsvorrichtung 24 ist eingangsseitig über den Innenraum des Verdichtergehäuses 20 mit dem Kältemitteleingang 21 und ausgangsseitig direkt mit dem Kältemittelausgang 22 verbunden. Als Kompressionsvorrichtung 24 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine hermetisch ausgeführte Rollkolbenverdichterstufe mit einem Kompressionsraum 25 und einem Rollkolben 26 verwendet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann für die Kompressionsvorrichtung 24 zum Beispiel auch eine Hubkolbenmaschine oder eine Scrollmaschine benutzt werden.
Der Kältemittelstrom durch das Verdichtergehäuse 20 wird kältemittelstromauf der Kompressionsvorrichtung 24, d.h. zwischen dem Kältemitteleingang 21 und der Kompressionsvorrichtung 24 auch als Sauggasstrom 40 bezeichnet. Kältemittelstromab der Kompressionsvorrichtung 24, d.h. zwischen der Kompressionsvorrichtung 24 und dem Kältemittelausgang 22 wird der Kältemittelstrom durch das Verdichtergehäuse 20 auch als Heißgasstrom 42 bezeichnet.
Die Kompressionsvorrichtung 24 wird durch einen elektrischen Verdichtermotor 30 angetrieben. Der Verdichtermotor 30 ist beispielsweise ein fremderregter, bürstenloser Gleichstrommotor und hat einen Stator 31 mit einer Statorwicklung 32, einen Rotor 33 und eine Antriebswelle 34. Die Antriebswelle 34 ist einerseits mit dem Rotor 33 verbunden, um mittels eines Statorstroms durch die Statorwicklung rotiert zu werden, und anderseits mit dem Rollkolben 26 der Kompressionsvorrichtung 24 verbunden, um diesen anzutreiben und den Kältemittelstrom zu komprimieren.
Wie in 2 dargestellt, ist der Verdichtermotor 30 ebenfalls in dem Verdichtergehäuse 20 angeordnet. Außerdem ist der Verdichtermotor 30 in diesem Ausführungsbeispiel kältemittelstromauf der Kompressionsvorrichtung 24 positioniert.
Der Verdichtermotor 30 ist außerdem so ausgestaltet und durch die Steuereinheit 17 so ansteuerbar, dass seine elektrische Verlustleistung gezielt verändert werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist zum Beispiel die d-Komponente des Statorstroms durch die Statorwicklung 32, die kein Drehmoment erzeugt, regelbar. Ferner ist der Verdichtermotor 30 so in dem Verdichtergehäuse 20 angeordnet, dass er und insbesondere sein Stator 31 direkt von dem Sauggasstrom 40 umströmt werden.
Eine Veränderung der d-Komponente des Statorstroms bewirkt eine Veränderung der Temperatur der Statorwicklung 32 und des Stators 31. Da die Motorkühlung über den Sauggasstrom 40 erfolgt, verändert eine Veränderung der d-Komponente des Statorstroms auch eine Temperaturveränderung des Sauggasstroms. Soll die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage bzw. des Kältemittelverdichters 12 verringert werden, so kann durch eine Erhöhung der thermischen Verlustleistung des Verdichtermotors 30 die Überhitzung des Sauggasstroms 40 gesteigert werden, wodurch unter der Annahme einer konstanten Verdampfungstemperatur die Dichte des Sauggasstroms 40 reduziert wird, sodass bei einer vorgegebenen Drehzahl der Kompressionsvorrichtung 24 mit konstantem Kompressionsvolumen der vom Verdichter 12 geförderte Massenstrom und damit die Kälteleistung des Kältemittelverdichters 12 reduziert werden können.
Sollgröße ist die Verdichterleistung bzw. die zu dieser direkt proportionale Kälteleistung der Kompressionskälteanlage. Als Führungsgröße für die Leistungsregelung können zum Beispiel die Temperatur bzw. Überhitzung des Sauggastroms 40 und/oder die Temperatur der Statorwicklung 32 oder des Stators 31 (vorzugsweise mittels in-situ-Temperaturmessung) herangezogen werden.
Bezugnehmend auf 3 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kältemittelverdichters näher erläutert, der zum Beispiel in der Kompressionskälteanlage von 1 eingesetzt werden kann. Das zweite Ausführungsbeispiel stellt eine druckgasgekühlte Ausführungsvariante der Erfindung dar.
Das Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich von dem Kältemittelverdichter von 2 insbesondere durch die Positionierung des Verdichtermotors und die damit verbundene Überhitzungswirkung auf den Kältemittelstrom durch den Verdichter.
Der Kältemittelverdichter 12 hat ein Verdichtergehäuse 20 mit einem Kältemitteleingang 21 in Form zum Beispiel eines Saugstutzens und einem Kältemittelausgang 22 in Form zum Beispiel eines Druckstutzens, sodass das Verdichtergehäuse 20 von einem Kältemittelstrom durchströmt werden kann.
In dem Verdichtergehäuse 20 ist eine Kompressionsvorrichtung 24 angeordnet. Die Kompressionsvorrichtung 24 ist eingangsseitig direkt mit dem Kältemitteleingang 21 und ausgangsseitig über den Innenraum des Verdichtergehäuses 20 mit dem Kältemittelausgang 22 verbunden. Als Kompressionsvorrichtung 24 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine hermetisch ausgeführte Rollkolbenverdichterstufe mit einem Kompressionsraum 25 und einem Rollkolben 26 verwendet.
Die Kompressionsvorrichtung 24 wird durch einen elektrischen Verdichtermotor 30 angetrieben. Der Verdichtermotor 30 ist beispielsweise ein fremderregter, bürstenloser Gleichstrommotor und hat einen Stator 31 mit einer Statorwicklung 32, einen Rotor 33 und eine Antriebswelle 34. Die Antriebswelle 34 ist einerseits mit dem Rotor 33 verbunden, um mittels eines Statorstroms durch die Statorwicklung rotiert zu werden, und anderseits mit dem Rollkolben 26 der Kompressionsvorrichtung 24 verbunden, um diesen anzutreiben und den Kältemittelstrom zu komprimieren.
Wie in 3 dargestellt, ist der Verdichtermotor 30 ebenfalls in dem Verdichtergehäuse 20 angeordnet. Außerdem ist der Verdichtermotor 30 in diesem Ausführungsbeispiel kältemittelstromab der Kompressionsvorrichtung 24 positioniert.
Der Verdichtermotor 30 ist außerdem so ausgestaltet und durch die Steuereinheit 17 so ansteuerbar, dass seine elektrische Verlustleistung gezielt verändert werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist zum Beispiel die d-Komponente des Statorstroms durch die Statorwicklung 32, die kein Drehmoment erzeugt, regelbar. Ferner ist der Verdichtermotor 30 so in dem Verdichtergehäuse 20 angeordnet, dass er und insbesondere sein Stator 31 direkt von dem Sauggasstrom 40 umströmt werden. Alternativ oder zusätzlich können in dem Verdichtergehäuse 20 auch ein oder mehrere Wärmeleitelemente 36 vorgesehen sein, die einerseits mit dem Stator 31 des Verdichtermotors 30 in Wärmekontakt sind und andererseits von dem Heißgasstrom 42 umströmt werden. Als Wärmeleitelemente 36 können zum Beispiel Kupferbleche, Kupferstäbe, Beschichtungen der Innenfläche des Verdichtergehäuses, etc. verwendet werden.
Eine Veränderung der d-Komponente des Statorstroms bewirkt eine Veränderung der Temperatur der Statorwicklung 32 und des Stators 31 sowie des wenigstens einen Wärmeleitelements 36. Da die Motorkühlung über den Heißgasstrom 42 erfolgt, verändert eine Veränderung der d-Komponente des Statorstroms auch eine Temperaturveränderung des Heißgasstroms 42. Soll die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage bzw. des Kältemittelverdichters 12 verringert werden, so kann durch eine Erhöhung der thermischen Verlustleistung des Verdichtermotors 30 die Überhitzung des Heißgasstroms 42 gesteigert und.als Folge davon der Hochdruck im Verflüssiger 13 der Kompressionskälteanlage erhöht werden, wodurch unter der Annahme einer konstanten Unterkühlung des Kältemittels im Verflüssiger 13 und einer konstanten Verdampfungstemperatur die spezifische Enthalpiedifferenz über den Verdampfer 15 der Kompressionskälteanlage sinkt, sodass bei einer vorgegebenen Drehzahl der Kompressionsvorrichtung 24 mit konstantem Kompressionsvolumen die Kälteleistung des Kältemittelverdichters 12 reduziert werden kann.
Wie in 3 angedeutet, ist in dem Verdichtergehäuse 20 auch ein Ölsumpf 38 vorhanden, aus dem kontinuierlich Öl zur Schmierung der Antriebswelle 34 entnommen wird. Eine Ölsumpfheizung wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das vom Verdichtermotor 30 erwärmte Wärmeleitelement 36 gebildet oder unterstützt.
Sollgröße ist die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage. Als Führungsgröße für die Leistungsregelung können zum Beispiel die Austrittstemperatur des Heißgastroms 42 aus dem Verdichter 12, der Hochdruck des Kältemittelstroms auf der Ausgangsseite des Verdichters und/oder die Temperatur der Statorwicklung 32 oder des Stators 31 (vorzugsweise mittels in-situ-Temperaturmessung) herangezogen werden.
Im Rahmen der Erfindung können die Merkmale der beiden Ausführungsbeispiele von 2 und 3 auch miteinander kombiniert werden. D.h. zum Beispiel kann auch das Verdichtergehäuse 20 des Kältemittelverdichters 12 von 2 mit wenigstens einem Wärmeleitelement 36 und/oder einem Ölsumpf 38 ausgestattet sein.
Für beide Ausführungsbeispiele von 2 und 3 gilt, dass durch die oben beschriebene Leistungsregelung über eine flexible softwarebasierte Anpassung der Motorstatorverlustleistung der Regelbereich erweitert und die Steuerparameter flexibel angepasst werden können. Durch die oben beschriebene Leistungsregelung über eine flexible softwarebasierte Anpassung der Motorstatorverlustleistung kann zudem auf zusätzliche Bauteile (z.B. Umrichter, Ventile, etc.) verzichtet werden, was Bauraum, Gewicht und Montageaufwand sowie Kosten reduziert und gegebenenfalls erforderliche Qualifikationen vermeidet. Für beide Ausführungsbeispiele von 2 und 3 gilt außerdem, dass sich durch einen Verzicht bzw. eine Minimierung von Drehzahländerungen bzw. Ein- und Ausschaltzyklen der rotierenden Komponenten des Kältemittelverdichters 12 (Kompressionsvorrichtung, Verdichtermotor, Lüfter) ein akustisch optimierter Betrieb gewährleisten lässt. Auch kann eine längere Lebensdauer des Kältemittelverdichters 12 und der gesamten Kompressionskälteanlage erzielt werden, die durch einen Verzicht bzw. eine Minimierung von Ein- und Ausschaltzyklen, d.h. einen kontinuierlichen Betrieb des Verdichters 12 erreicht werden kann. Wird die erfindungsgemäße Leistungsregelung mit anderen Maßnahmen zur Leistungsregelung kombiniert, kann der Regelbereich entsprechend weiter erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Kältemittelkreislauf
12: (Kältemittel-)Verdichter / Kompressor
13: Verflüssiger / Kondensator
14: Expansionsorgan
15: Verdampfer
16: Kühlraum
17: Steuereinheit
18: Kreislaufsensoren
19: Kühlraumsensor
20: Verdichtergehäuse
21: Kältemitteleingang
22: Kältemittelausgang
24: Kompressionsvorrichtung
25: Kompressionsraum
26: Rollkolben
30: Verdichtermotor
31: Stator
32: Statorwicklung
33: Rotor
34: Antriebswelle
36: Wärmeleitelement
38: Ölsumpf
40: Sauggasstrom
42: Heißgasstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017003523 A1 [0002]
DE 3428704 A1 [0002]
DE 19713413 A1 [0002]

Claims

Kältemittelverdichter (12), insbesondere für eine Kompressionskälteanlage, aufweisend ein von einem Kältemittelstrom (40, 42) durchströmbares Verdichtergehäuse (20), eine Kompressionsvorrichtung (24) zum Komprimieren des Kältemittelstroms durch das Verdichtergehäuse (20) und einen elektrischen Verdichtermotor (30) zum Antreiben der Kompressionsvorrichtung (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtermotor (30) derart in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet ist, dass er mit dem Kältemittelstrom (40, 42) durch das Verdichtergehäuse (20) in Wärmeaustausch steht; und eine elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors (30) regelbar ist, um eine Temperatur des Kältemittelstroms (40, 42) im Verdichtergehäuse (20) zu verändern.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 1, bei welchem der Verdichtermotor (30) kältemittelstromauf der Kompressionsvorrichtung (24) in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet ist, um die Temperatur des Kältemittelstroms (40) stromauf der Kompressionsvorrichtung (24) zu verändern.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 1, bei welchem der Verdichtermotor (30) kältemittelstromab der Kompressionsvorrichtung (24) in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet ist, um die Temperatur des Kältemittelstroms (42) stromab der Kompressionsvorrichtung (24) zu verändern.
Kältemittelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Verdichtermotor (30) einen Stator (31) aufweist, der durch die elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors erwärmt werden kann.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 4, bei welchem der Verdichtermotor (30) einen Stator (31) mit einer Statorwicklung (32) aufweist und eine Statorstromkomponente durch die Statorwicklung (32), die kein Drehmoment erzeugt, veränderbar ist.
Kältemittelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Verdichtermotor (30) derart in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet ist, dass ein durch die elektrische Verlustleistung erwärmter Bereich des Verdichtermotors (30) von dem Kältemittelstrom (40, 42) direkt umströmbar ist.
Kältemittelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in dem Verdichtergehäuse (20) wenigstens ein Wärmeleitelement (36) angeordnet ist, das mit einem durch die thermische Verlustleistung erwärmten Bereich des Verdichtermotors (30) thermisch gekoppelt ist und von dem Kältemittelstrom (40, 42) umströmbar ist.
Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (10), der einen Kältemittelverdichter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kompressionskälteanlage nach Anspruch 8, ferner aufweisend eine Steuereinheit (17), die mit dem Kältemittelverdichter (12) verbunden ist und ausgestaltet ist, um die elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors (30) des Kältemittelverdichters (12) zu regeln.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelverdichters (12), insbesondere für eine Kompressionskälteanlage, der ein von einem Kältemittelstrom (40, 42) durchströmbares Verdichtergehäuse (20), eine Kompressionsvorrichtung (24) zum Komprimieren des Kältemittelstroms durch das Verdichtergehäuse (20) und einen elektrischen Verdichtermotor (30) zum Antreiben der Kompressionsvorrichtung (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtermotor (30) derart in dem Verdichtergehäuse (20) angeordnet ist, dass er mit dem Kältemittelstrom (40, 42) durch das Verdichtergehäuse (20) in Wärmeaustausch steht; und eine elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors (30) geregelt wird, um eine Temperatur des Kältemittelstroms (40, 42) im Verdichtergehäuse (20) zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem durch die elektrische Verlustleistung des Verdichtermotors (30) die Temperatur des Kältemittelstroms (40) stromauf der Kompressionsvorrichtung (24) oder die Temperatur des Kältemittelstroms (42) stromab der Kompressionsvorrichtung (24) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem der Verdichtermotor (30) einen Stator (31) mit einer Statorwicklung (32) aufweist und eine Statorstromkomponente durch die Statorwicklung (32), die kein Drehmoment erzeugt, geregelt wird, um eine Temperatur des Stators (31) zu verändern.
Verfahren zur Leistungsregelung einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (10), der einen Kältemittelverdichter (12) aufweist, wobei der Kältemittelverdichter (12) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem als Führungsgröße(n) für die Verdichterleistung des Kältemittelverdichters (12) oder die Kälteleistung der Kompressionskälteanlage eine Überhitzung des Kältemittelstroms (40) stromauf der Kompressionsvorrichtung (24), eine Temperatur des Kältemittelstroms (42) aus dem Kältemittelverdichter (12), ein Druck des Kältemittelstroms (42) aus dem Kältemittelverdichter (12), eine Temperatur des Stators (31) des Verdichtermotors (30) und/oder eine Temperatur der Statorwicklung (32) des Verdichtermotors (30) benutzt werden.