DE10240980A1

DE10240980A1 - Spiralkompressor mit variabler Kapazität

Info

Publication number: DE10240980A1
Application number: DE10240980A
Authority: DE
Inventors: Christope Ancel; Yves Rosson; Jean De Bernardi
Original assignee: Danfoss Maneurop SA
Current assignee: Danfoss Maneurop SA
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: US20030063983A1; DE10240980B4; CN100400884C; US6715999B2; FR2830291A1; FR2830291B1; CN1409015A

Abstract

Dieser Kompressor weist mindestens ein Bypassventil (14) auf, das in der Niederdruckzone innerhalb des Gehäuses (2) des Kompressors angeordnet ist, das eine Kammer (17) aufweist, die über eine erste Leitung (13) mit mindestens einer Kompressionstasche (8) verbunden ist, die in der peripheren Zone der Kompressionsstufe gelegen ist, und durch eine zweite Leitung (20, 22) mit der Niederdruckzone, wobei die beiden Leitungen nahe beieinander münden, so daß sie durch einen Schließer (19) geschlossen werden können, der sich frei in der Kammer (17) bewegen kann und geführt wird durch die Wände, die diese Kammer (17) begrenzen, und eine dritte Leitung (25) vorgesehen ist zum Transportieren eines Schließer-Steuerfluids, die sich in die untere Wand der Kammer (17) des Ventils öffnet. Der Schließer wird geöffnet durch Schwerkraft, wenn kein Steuerfluid angewendet wird.

Description

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Spiralkompressor mit variabler Kapazität.
Kältemittelkompressoren erlauben es, die Hochdruckseite einer Installation mit komprimiertem Kältemittelgas zu versorgen. In einer Klimaanlagen-, Kühl- oder Wärmepumpen-Installation kann der Kompressor zyklisch in Abschnitten arbeiten, die einige Male pro Stunde wenige Minuten dauern. Die Definition der Dauer des Zyklus hängt ab vom Kältebedarf auf der Verdampferseite und von der Temperatur der äußeren Umgebung auf der Kondensatorseite. Die Massendurchflußrate des benötigten gasförmigen Kältemittels verändert sich entsprechend diesen Bedingungen. Insbesondere muß die Verdrängung des Kompressors auf die Konditionen zugeschnitten werden, die herkömmlicherweise die Installation bestimmen. Zu diesem Zweck ist es möglich, Anordnungen zu verwenden mit mehreren Kompressoren, was es möglich macht, den Anforderungen zu entsprechen, indem man auswählt, wieviele Kompressoren arbeiten müssen.
Eine ändere Lösung ist es, lediglich einen Kompressor zu verwenden mit einer Leistungsmodulationseinrichtung. Diese Leistungsmodulation kann in verschiedenen Wegen erreicht werden:

- Verändern der Geschwindigkeit der Kompressorwelle (variable Geschwindigkeit),
- Vorsehen einer Beschränkung auf der Saugseite des Kompressors (variabler Eingangsdruck),
- Rezirkulieren eines Teils des Kältemittels (variable Verdrängung oder Kapazität).

Ein Spiralkompressor, der auch Scroll-Kompressor genannt wird, ist begrenzt durch ein abgedichtetes Gehäuse, wobei dieses Gehäuse einen Gaseinlaßabschnitt aufweist, der auf niedrigem Druck ist und der die Kompressionsstufe versorgt, die aus zwei Spiralelementen besteht, nämlich einem festen Element und einem beweglichen Element, wobei das bewegliche Element durch einen Motor mit einer orbitierenden Bewegung angetrieben wird. Das Gas wird in Taschen gelassen, die durch die beiden Spiralelemente begrenzt sind und die an dem Umfang angeordnet sind, wobei das Volumen der peripheren Taschen größer ist als das von zentralen Taschen. Somit verkleinern sich während der orbitierenden Bewegung des beweglichen Elements die Taschen, die durch die beiden, das feste und das bewegliche, Element begrenzt, sind von der Außenseite nach innen, was bewirkt, daß das Gas komprimiert wird, bis es die Mitte der Kompressionsstufe erreicht, die eine Ausgabeöffnung und/oder eine Leitung hat, die mit einem Einwegschließer ausgerüstet sind, der mit der Hochdruckzone des Kompressors verbunden ist. Die Erfindung ist auf einen Kompressor gerichtet, in dem die Verdrängung oder Kapazität variabel ist.

Das Dokument US 4 846 633 beschreibt einen Spiralkompressor mit variabler Kapazität, in dem das feste Spiralelement versehen ist mit einer Bypass-Einrichtung, die in der Lage ist, jede periphere Tasche, in die Gas eingelassen wird, mit einem Niederdruckvolumen in Verbindung zu bringen. Zu diesem Zweck weist jede Bypasseinrichtung eine Kammer auf, die in dem festen Spiralelement gebildet ist, die eine Öffnung aufweist in Verbindung mit einer Tasche der Kompressionsstufe des Kompressors und in Verbindung mit einer Niederdruckkammer des Kompressors. Die korrespondierenden beiden Öffnungen können gleichzeitig geschlossen und/oder geöffnet werden unter Verwendung eines und desselben Schließers. Dieser Schließer ist auf seiner entgegengesetzten Seite dem Druck eines Steuerfluids ausgesetzt, der darauf gerichtet ist, den Schließer gegen seinen Sitz gepreßt zu halten, d. h. sozusagen die in Frage stehende Tasche von der Kompressionsstufe und der Druckkammer zu isolieren, wenn die maximale Kompressorkapazität verwendet werden soll. Wenn die Arbeitskapazität des Kompressors vermindert werden soll, wird der Druck, der auf den Schließer wirkt, vermindert, so daß sich der Schließer anhebt und die in Frage stehende Tasche der Hochdruckstufe mit der Niederdruckkammer in Verbindung bringt. Um diese Bewegung möglich zu machen ist dem Schließer eine Feder zugeordnet. Diese wirkt in eine Richtung, um den letzteren zu öffnen, weil die Öffnungsbewegung einen gewissen Antrieb benötigt und das Phänomen des Flatterns vermieden werden sollte.

Solch eine Anordnung ist technisch schwieriger zu realisieren im Fall eines Spiralkompressors, in dem das feste Spiralelement teilweise die Hochdruckzone des Kompressors begrenzt, weil die Leitungen, die das Steuerfluid befördern, durch das Gehäuse der Hochdruckwand geführt sind.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf einen Spiralkompressor des letztgenannten Typs gerichtet.

Der Zweck der Erfindung ist es, solch einen Spiralkompressor mit variabler Kapazität vorzusehen, in dem die Kapazitätsveränderung erreicht wird unter Verwendung von Mitteln, die einfach und zuverlässig sind, ohne eine Bearbeitung der Kammern der Bypasseinrichtung in dem festen Spiralelement zur Folge zu haben, und in dem die verwendeten Teile einfach zu bearbeiten sind und einfach darauf zugeschnitten werden können, daß sie verschiedenen Gestaltungen von Bypass-Kreisen folgen können.

Zu diesem Zweck ist der Spiralkompressor, auf den sich die Erfindung bezieht von dem Typ, der ein festes Spiralelement und ein bewegliches Spiralelement aufweist, die innerhalb eines hermetischen Gehäuses angeordnet sind, wobei das bewegliche Element durch einen Motor mit einer orbitierenden Bewegung angetrieben wird, so daß es mit dem festen Element Paare von Kompressionstaschen begrenzt, deren Volumen in Richtung auf die Mitte der Elemente während der orbitierenden Bewegung abnimmt, wobei der Kompressor mindestens eine Einlaß kammer hat, die in der Niederdruckzone innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, die Kompressionstaschen mit Fluid zu versorgen, und eine zentrale Auslaßpassage für das Fluid, das durch die Taschen komprimiert ist, wobei diese Passage versehen ist mit einem Einweg-Schließer und eine Hochdruckkammer versorgt, die teilweise durch das feste Spiralelement begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein Bypassventil aufweist, das in der Niederdruckzone innerhalb des Gehäuses des Kompressors angeordnet ist, das eine Kammer aufweist, die durch eine erste Leitung mit mindestens einer Kompressionstasche und durch eine zweite Leitung mit der Niederdruckzone verbunden ist, wobei die beiden Leitungen sich nahe beieinander öffnen, so daß sie durch einen Schließer geschlossen werden können, der sich frei in der Kammer bewegen kann und geführt wird durch die Wände, die diese Kammer begrenzen, und eine dritte Leitung dazu bestimmt ist, ein Schließer-Steuerfluid zu transportieren, die in die untere Wand der Kammer des Ventils mündet, und das Bypassventil begrenzt ist durch einen Körper mit Spezialzweck, der in der Umhüllung aufgenommen ist, die durch das Kompressorgehäuse begrenzt ist.

Diese Einrichtung macht es möglich, von einem nominalen Betriebsmodus mit 100% der Durchflußrate zu einem Modus mit verminderter Kapazität umzuschalten, z. B. mit einer 40%-Reduktion der Durchflußrate. Um dies zu tun, d. h. um von dem nominalen Betriebsmodus zu einem Modus mit verminderter Kapazität umzuschalten, ist es notwendig, das Ventil zu öffnen, das jeder Tasche zugeordnet ist, die entleert werden kann, wobei diese Tasche über das Ventil mit einer Niederdruckzone des Kompressors in Verbindung gesetzt wird. Es sollte bemerkt werden, daß der dem Bypassventil zugeordnete Schließer der Wirkung der Schwerkraft unterworfen ist, was bedeutet, daß der Schließer in seine offene Position umschaltet, sobald der Druck des Steuerfluids abnimmt, ohne die Notwendigkeit, eine Feder zu verwenden. Weiterhin gibt es unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Schließer unter der Wirkung der Schwerkraft öffnet, keine Flattererscheinung von ihm. Es sollte bemerkt werden, daß beim Kompressorstart der Schließer offen ist, weil die Installation dem Bypassventil kein Hochdruckfluid zuführt und dies vermindert das Motor-Startmoment.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung öffnen sich die erste Leitung und die zweite Leitung vertikal, wobei sie nach unten gerichtet sind in eine und dieselbe Ebene und einen Sitz für den Schließer bilden, wobei der Schließer mehr oder weniger flach ist, z. B. in der Form einer Scheibe.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist die zweite Leitung, die das Ventil mit der Niederdruckzone in Verbindung bringt, eine ringförmige Nut auf, die in der Wand der Kammer ausgebildet ist, einen Sitz für den Schließer bildet und in mindestens eine Öffnung parallel zu der Achse des Ventils und in Verbindung mit der Niederdruckzone mündet, während die erste Leitung, die mit mindestens einer Kompressionstasche verbunden ist, in die Mitte des Sitzes mündet. Der Querschnitt der ringförmigen Nut ist bestimmt entsprechend dem gewünschten Tragbereich zwischen dem Schließer und seinem Sitz, so daß man das gewünschte Dichtniveau und die gewünschte Geschwindigkeit erhält.

Vorteilhafterweise weist das Bypassventil mehrere Öffnungen auf, die die ringförmige Nut in Verbindung mit der Niederdruckzone bringen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Unterseite der Kammer des Ventils, die einen Anschlag für den Schließer bildet und in die die Leitung mündet, die das Steuerfluid transportiert, eine zentrale Öffnung auf, in die diese Leitung zusammen mit einem peripheren Kanal konzentrisch mit dieser Öffnung mündet. Dieser periphere Kanal macht es möglich zu vermeiden, daß der Schließer durch Öl an seinem Anschlag stecken bleibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung verläuft die dritte Leitung, die das Steuerfluid transportiert durch das Kompressorgehäuse und wird versorgt von einer Fluidquelle, die außerhalb des Kompressors angeordnet ist. Das Ventil kann auf der Basis des Drucks in dem Kondensator oder auf der Basis des Niederdrucks in dem Verdampfer gesteuert werden.

Gemäß einer Ausführungsform des Kompressors besteht die erste Leitung, die das Bypassventil in Verbindung mit mindestens einer Kompressionstasche bringt, teilweise aus vertikalen und horizontalen Bohrungen, die in dem festen Spiralelement ausgebildet sind.

Es sollte bemerkt werden, daß es dann, wenn das feste Spiralelement ein Gußteil ist, möglich ist, die Kanäle durch Verwendung eines Gußverfahrens unter Verwendung von Polysteroleinsätzen darin auszubilden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieses Kompressors weist die erste Leitung, die das Bypassventil in Verbindung mit mindestens einer Kompressionstasche bringt, eine oder zwei Passagen auf, die in dem festen Spiralelement ausgebildet sind, die in ein Rohr öffnen, das in der Hochdruckzone des Kompressors angeordnet ist und sich soweit in den Kompressor erstreckt, wie das Bypassventil.

Weiterhin hat die Kammer, die den Schließer enthält, eine kalibrierte Leckage, die den Druck in dem Abteil erniedrigt, das das Steuerfluid enthält, wenn die Zufuhr von Steuerfluid endet. Diese Leckage kann bestehen aus einer kalibrierten Öffnung, die in dem Ventilkörper ausgebildet ist, oder erhalten werden durch ein Spiel zwischen den verschiedenen zusammengebauten Teilen, aus denen das Ventil gebildet ist.

In jedem Fall wird die Erfindung besser verstanden werden mit Hilfe der Beschreibung, die folgt, unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung, die mit Hilfe von nicht beschränkenden Beispielen eine Ausführungsform dieses Kompressors darstellt:
Fig. 1 ist eine Ansicht im Längsschnitt eines Kompressors, der mit einem Bypassventil versehen ist, das zwischen dem äußeren Gehäuse und dem Motor aufgenommen ist;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Bypassventils;
Fig. 3 und 4 sind zwei Ansichten im Längsschnitt in der geschlossenen Position bzw. in der offenen Position.
Der in Fig. 1 dargestellte Kompressor weist ein hermetisches äußeres Gehäuse 2 auf, in dem ein Körper 3 montiert ist, der eine Kompressionsstufe trägt, die ein festes Spiralelement 4 und ein bewegliches Spiralelement 5 besitzt. Das bewegliche Element 5 ist durch eine Welle 6 eines Motors 7 mit einer orbitierenden Bewegung angetrieben, um zusammen mit dem festen Element 4 Kompressionstaschen 8 zu begrenzen, deren Volumen während der orbitierenden Bewegung in Richtung auf die Mitte der Elemente 4, 5 abnimmt. Diese Taschen werden gefüllt, im allgemeinen symmetrisch und paarweise von einer Einlaßkammer, die in der Niederdruckzone 9 des Kompressors gelegen ist. Das komprimierte Gas tritt aus über eine Auslaßleitung 10 in Richtung auf eine Hochdruckkammer 12 durch ein Schließerventil, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Da es der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die Kapazität des Kompressors so zu bemessen, daß er der Leistung folgt, die abgegeben werden soll, durch Veränderung des Arbeitsvolumens der Taschen, sind zwei symmetrische Taschen 8 jeweils über eine Leitung 13 mit einem Bypassventil 14 verbunden. Die beiden Leitungen 13 sind zusammengeführt in eine einzelne Leitung, die mit dem Ventil 14 durch einen vertikalen Verbinder 15verbunden ist, der nach unten gerichtet ist. Das Bypassventil 14, das in der Niederdruckzone des Kompressors angeordnet ist, weist einen Körper 16 auf, in dem eine zylindrische Kammer 17 ausgebildet ist, die an ihrer Oberseite eine Fläche 18 aufweist, die den Sitz für einen Schließer 19 bildet, der in Fig. 3 in der Position dargestellt ist, in der er die Leitung verschließt, die mit den Taschen 8 verbunden ist. In dem Sitz 18 ist eine ringförmige Nut 20 ausgebildet, die nach außen geöffnet ist, d. h. über zwei Öffnungen 22 in die Niederdruckzone des Kompressors. Eine Öffnung 23 mündet in die untere Wand der Kammer 17, die versorgt wird durch einen Verbinder 24 mit Steuerfluid, das durch eine Rohrleitung 25 transportiert wird, die durch das äußere Gehäuse 2 des Kompressors verläuft. Die Öffnung 23 ist so dimensioniert, daß der Kontaktbereich des Schließers 19 mit det Unterseite der Kammer 17 vermindert ist, insbesondere so, daß der Schließer 19 auf dieser Unterseite nur mit seinem Umfang aufliegt. Dieser begrenzte Kontaktbereich macht es möglich, jeden Aufschlag des Schließers 19 auf seinen Sitz 18 zu vermeiden als das Ergebnis eines verzögerten Starts der Bewegung, die daraus resultiert, daß der Schließer 19 am Ventilkörper 16 festklebt, wenn irgendwelches Öl, das durchsickert, vorhanden ist. Wenn die volle Kapazität des Kompressors verwendet werden muß, preßt das Steuerfluid den Schließer 19 gegen den Sitz, der an der Oberseite angeordnet ist, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn die Kapazität des Kompressors vermindert werden muß, wird der Druck des Steuerfluids zurückgeführt auf den Niederdruckwert, so daß sich der Schließer von seiner in Fig. 3 dargestellten Position in die in Fig. 4 dargestellte Position bewegt, und somit dem in den Taschen 8 enthaltenen Fluid erlaubt, durch die Rohrleitungen 13 und den Verbindungen 15 zu der ringförmigen Nut 20 und den Öffnungen 22 in die Niederdruckzone zu laufen.
Eine kalibrierte Öffnung 27 ist in dem Körper 16 des Ventils ausgebildet und erlaubt dem Steuerfluid, das in der Kammer enthalten ist, zu entweichen, um so dem Schließer zu erlauben, seine Position zu wechseln, wenn die Zufuhr des Steuerfluids endet.
Wie aus dem vorangegangenen ersichtlich, bietet die Erfindung eine große Verbesserung zum Stand der Technik, indem sie einen Kompressor mit variabler Kapazität zur Verfügung stellt mit einfacher und zuverlässiger Struktur.
Man muß nicht extra sagen, daß die Erfindung nicht einfach auf die Ausführungsform dieses Kompressors beschränkt ist, der oben beispielhaft beschrieben ist; im Gegenteil, sie umfaßt alle alternativen Formen davon. Somit können die Leitungen insbesondere aus Rohren bestehen, die oberhalb des festen Spiralelements in der Hochdruckkammer umlaufen; die Löcher 22 können sich seitlich zum Ventilkörper 16 öffnen; der Schließer 19 kann in diesem Fall die Form einer Scheibe haben und er kann gegen den Sitz 18 gepreßt werden, wie oben beschrieben, oder er kann eine Dicke haben, die ihm eine zylindrische Form gibt, um zu erlauben, daß er in der geschlossenen Position diese seitlich öffnenden Löcher 22 schließt der Kompressor kann zwei Bypassventile haben, die simultan oder anders gesteuert werden.

Claims

1. Spiralkompressor mit variabler Kapazität, der ein festes Spiralelement (4) und ein bewegliches Spiralelement (5) aufweist, die innerhalb eines hermetischen Gehäuses (2) angeordnet sind, wobei das bewegliche Element (5) durch einen Motor (7) mit einer orbitierenden Bewegung angetrieben ist, so daß es mit dem festen Element (4) Paare von Kompressionstaschen (8) begrenzt, deren Volumen in Richtung auf das Zentrum der Elemente während der orbitierenden Bewegung abnimmt, wobei der Kompressor zumindest eine Einlaßkammer, die in der Niederdruckzone (9) innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist, und die dazu vorgesehen ist, die Kompressionstaschen mit Fluid zu versorgen, und eine zentrale Auslaßpassage (10) für das Fluid aufweist, das durch die Taschen komprimiert ist, wobei diese Passage versehen ist mit einem Einweg-Schließer und eine Hochdruckkammer (12) versorgt, die teilweise durch das feste Spiralelement (4) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein Bypassventil (14) aufweist, das in der Niederdruckzone innerhalb des Gehäuses (2) des Kompressors angeordnet ist und eine Kammer (17) aufweist, die durch eine erste Leitung (13) mit mindestens einer Kompressionstasche (8) und durch eine zweite Leitung (20, 22) mit der Niederdruckzone verbunden ist, wobei die beiden Leitungen nahe beieinander münden, so daß sie durch einen Schließer (19) geschlossen werden können, der sich frei in der Kammer (17) bewegen kann, wobei er durch die Wände geführt wird, die diese Kammer (17) begrenzen, und eine dritte Leitung (25) dazu vorgesehen ist, ein Schließer- Steuerfluid zu transportieren und die in die untere Wand der Kammer (17) des Ventils mündet, und das Bypassventil (14) begrenzt ist durch einen Körper (16) mit Spezialzweck, der in der Umgebung angeordnet ist, die durch das Kompressorgehäuse begrenzt ist.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (13) und die zweite Leitung (20, 22) vertikal münden und nach unten gerichtet sind in einer und derselben Ebene und einen Sitz (18) für den Schließer (19) bilden, wobei der Schließer (19) mehr oder weniger flach ist, z. B. in der Form einer Scheibe.

3. Kompressor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung, die das Ventil in Verbindung mit der Niederdruckzone bringt, eine ringförmige Nut (20) aufweist, die in der Wand der Kammer (17) ausgebildet ist, die einen Sitz für den Schließer (19) bildet, in mindestens eine Öffnung (22) parallel zu der Achse des Ventils mündet und mit der Niederdruckzone in Verbindung steht, während die erste Leitung (13), die mit mindestens einer Kompressionstasche verbunden ist, in die Mitte des Sitzes mündet.

4. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Öffnungen (22) aufweist, die die ringförmige Nut (20) in Verbindung mit der Niederdruckzone bringen.

5. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Kammer (17) des Ventils, die einen Anschlag für den Schließer (19) bildet und in die die Leitung (25), die das Steuerfluid befördert, mündet, eine zentrale Öffnung (23) aufweist, wobei diese zentrale Öffnung (23) so dimensioniert ist, daß der Kontaktbereich des Schließers (19) mit der Unterseite der Kammer (17) klein ist, insbesondere so, daß der Schließer (19) auf dieser Unterseite nur an seinem Umfang aufliegt.

6. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Leitung (25), die das Steuerfluid transportiert, durch das Kompressorgehäuse (2) verläuft und von einer Fluidquelle versorgt wird, die außerhalb des Kompressors angeordnet ist.

7. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (13), die das Bypassventil in Verbindung mit mindestens einer Kompressionstasche (8) bringt, teilweise aus vertikalen und horizontalen Bohrungen besteht, die in dem festen Spiralelement gebildet sind.

8. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung, die das Bypassventil in Verbindung mit mindestens einer Kompressionstasche bringt, eine oder zwei Passagen aufweist, die in dem festen Spiralelement ausgebildet sind, die sich in ein Rohr öffnen, das in der Hochdruckzone des Kompressors angeordnet ist und sich soweit in den Kompressor erstreckt, wie das Bypassventil.

9. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (17), die den Schließer (19) enthält, eine kalibrierte Leckage aufweist, die den Druck in dem Abteil absenkt, das das Steuerfluid enthält, wenn die Zufuhr des Steuerfluids endet.