DE112015003519T5 - Turbokühler - Google Patents

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DE112015003519T5
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pressure
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DE112015003519.2T
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Yasushi Hasegawa
Kenji Ueda
Noriyuki Matsukura
Ryosuke SUEMITSU
Shintaro OMURA
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Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
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Abstract

Ein Turbokühler, der eine ölfreie Konfiguration aufweist und welcher die Wartungsfrequenz und die durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel reduziert, und der eine verminderte Umweltbelastung erzielen kann, indem die Eigenschaften des Niederdruck-Kältemittels R1233zd(E), das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder weniger erreicht, verwendet werden. Der Turbokühler umfasst einen Kühlkreislauf, umfassend einen Turboverdichter (2), einen Kondensator, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer, die in der Reihenfolge durch Leitungen verbunden sind, und der mit einem Kältemittel gefüllt ist; wobei das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential ist; wobei der Turboverdichter (2) eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der die Drehwelle (18) von Flügelrädern (15, 17) direkt mit einem Motor (19) verbunden ist; und die Drehwelle (18) durch magnetische Lager (20, 21, 23, 24) getragen wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbokühler mit einer reduzierten Umweltbelastung, der ein R1233zd(E)-Kältemittel mit einem niedrigen Treibhauspotenzial (GWP) und einem geringen Ozonabbaupotential (ODP) verwendet.
  • Stand der Technik
  • Derzeit werden Fluorkohlenwasserstoff(IFC)-Kältemittel wie R134a in Turbokühlern verwendet. HFC-Kältemittel haben neben einem Ozonabbaupotential (ODP) von 0, ein hohes Treibhauspotenzial (GWP). Turbokühler erfordern eine routinemäßige Wartung, bei der Lager, Schmieröl, ein Ölfilter und dergleichen ausgetauscht werden. Während die Wartung nach dem Rückgewinnen des Kältemittels vom Kühlkreislauf ausgeführt wird, kann unwiederbringliches Kältemittel im Kühler verbleiben und Kältemittel kann im Schmieröl enthalten sein. Folglich kann ein wenig Kältemittel in die Atmosphäre freigegeben werden. Obwohl dies die Bestimmungen nicht verletzt, ist das aus Sicht der Erderwärmung nicht wünschenswert.
  • Einige konventionelle Turbokühler haben eine ölfreie Konfiguration, die die Notwendigkeit für ein Schmiersystem beseitigt; sowie einen Verdichter mit einer hohen Drehzahl, der ein hohes Verdichtungsverhältnis bietet und das Saugvolumen erhöht; erhöhte Motordrehzahl, die kompaktere Motoren ermöglicht und Lagerverluste reduziert; und vereinfachte Bestandteile, die die Zuverlässigkeit verbessern und Kosten reduzieren; alles als Ergebnis einer Direktantriebsmotor-Konfiguration, in der die Drehwelle des Flügelrads direkt mit dem Motor verbunden ist, wobei die Drehwelle durch die magnetischen Lager getragen wird (siehe beispielsweise Patentdokumente 1 und 2). Aber viele Turbokühler haben nach wie vor eine Konfiguration, in der die Drehwelle des Flügelrads über die Motorwelle, die durch eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit verbunden ist, angetrieben wird. In solchen Konfigurationen muss auch ein Schmiersystem für das Kühlen und Schmieren der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit installiert werden. Folglich ist eine Wartung, wie beispielsweise das Austauschen des Schmieröls oder des Ölfilters, unvermeidbar.
  • In letzter Zeit hat R1233zd(E)-Kältemittel als Kältemittel an Aufmerksamkeit gewonnen. Das R1233zd(E)-Kältemittel hat ein geringes GWP von 5 oder weniger und ein geringes ODP von 0,00031, und erreicht einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder geringer. Das R1233zd(E)-Kältemittel ist ein Niederdruck-Kältemittel mit einer geringen Dichte, das gewöhnlich und vorwiegend als ein Urethan-Treibmittel verwendet wird. Als Teil einer Bemühung, die Auswirkung auf die Umwelt zu verringern, wird Hydrochlorfluorolefin(HCFO)-Kältemittel einschließlich seiner Anwendung in Kühlern erforscht.
  • Liste der Patentdokumente
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 28093468
    • Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2013-122331A
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Das R1233zd(E)-Kältemittel hat als HCFO-Kältemittel mit geringem GWP aufgrund seiner wünschenswerten Eigenschaften von geringem GWP und ODP und folglich geringer Auswirkung auf die Umwelt an Aufmerksamkeit gewonnen. Aber es ist ein Niederdruck-Kältemittel und hat eine geringe Dichte (ungefähr 1/5 von jener eines R134a-Kältemittels). Folglich wurde es für den Gebrauch in Kühlern, Klimaanlagen und Wärmepumpen, die einen Spiral- oder Drehverdrängungsverdichter verwenden, aufgrund der Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung, als ungeeignet erachtet.
  • Zentrifugalverdichter sind Turboverdichter mit dem Vorteil, dass sie für eine Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet sind. Diese Erfinder haben sich darauf konzentriert zu erfahren, ob die Eigenschaften des Niederdruck-R1233zd(E)-Kältemittels, das eine geringe Dichte hat und einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder weniger erreicht, durch Anwendung bei einem Kühler, der mit einem Turboverdichter vorgesehen ist, verwendet werden könnten. Als Ergebnis einer gewissenhaften Forschung haben diese Erfinder eine Möglichkeit entdeckt, um einen Turbokühler mit verminderter Umweltbelastung vorzusehen, der das R1233zd(E)-Kältemittel verwendet, wobei das R1233zd(E)-Kältemittel bei einem Turbokühler, der mit einem Turboverdichter mit einer spezifischen Konfiguration vorgesehen ist, angewendet wird.
  • Angesichts des Vorstehenden ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Turbokühler bereitzustellen, der eine ölfreie Konfiguration aufweist, der die Wartungsfrequenz und die durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel reduziert, und der eine verminderte Umweltbelastung erzielen kann, indem die Eigenschaften des Niederdruck-Kältemittels R1233zd(E) verwendet werden, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder weniger erreicht.
  • Technische Lösung
  • Der Turbokühler gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen geschlossenen Kühlkreislauf, umfassend einen Turboverdichter, einen Kondensator, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer, die in der Reihenfolge durch Leitungen verbunden sind, und der mit einem Kältemittel gefüllt ist; wobei das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential ist; wobei der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der die Drehwelle eines Flügelrads direkt mit einem Motor verbunden ist; und die Drehwelle durch ein magnetisches Lager getragen wird.
  • Gemäß dieser Konfiguration ist das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential, wobei der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der die Drehwelle des Flügelrads direkt mit dem Motor verbunden ist und die Drehwelle durch das magnetische Lager getragen wird. Folglich wird ein Leistungsverlust bei der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit und Lagerverluste von Kugellagern reduziert, wodurch dem Turboverdichter eine höhere Drehgeschwindigkeit ermöglicht wird, die für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, wodurch inhärente Probleme mit der Verwendung des R1233zd(E)-Kältemittels kompensiert werden, von dem angenommen wird, dass es Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung aufgrund der geringen Dichte des Niederdruck-Kältemittels und seiner hohen Schallgeschwindigkeit verglichen mit gewöhnlichen Fluorkohlenwasserstoff-Kältemitteln hat. Durch eine ölfreie Konfiguration ohne eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit oder Kugellager, die einer Ölschmierung bedürfen, kann auf die Wartung von Schmiersystemen, wie das Austauschen von Schmieröl und Ölfiltern, verzichtet werden. Folglich kann eine notwendige Leistung sichergestellt werden, wenn das R1233zd(E)-Kältemittel verwendet wird, welches ein Niederdruck-Kältemittel mit einer geringen Dichte ist. Ferner kann der Turbokühler mit verminderter Umweltbelastung vorgesehen werden, da die Wartungsfrequenz und durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel reduziert wird und die Eigenschaften eines Kältemittels, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder niedriger erreicht, verwendet werden, derart, dass verhindert wird, dass Kältemittel in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ferner weist der Turbokühler eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten aufgrund einer vereinfachten Konfiguration, in der auf das Schmiersystem verzichtet wird, auf.
  • Der Turbokühler gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen geschlossenen Kühlkreislauf, umfassend einen Turboverdichter, einen Kondensator, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer, die in der Reihenfolge durch Leitungen verbunden sind, und der mit einem Kältemittel gefüllt ist; wobei das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential ist; der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration, in der die Drehwelle eines Flügelrads direkt mit einem Motor verbunden ist, aufweist; und die Drehwelle durch ein ölfreies keramisches Lager getragen wird.
  • Gemäß dieser Konfiguration ist das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential, wobei der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der eine Drehwelle eines Flügelrads direkt mit einem Motor verbunden ist und die Drehwelle durch das ölfreie keramische Lager getragen wird. Folglich wird ein Leistungsverlust bei der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit und Lagerverluste von Kugellagern reduziert, wodurch dem Turboverdichter eine höhere Drehgeschwindigkeit ermöglicht wird, die für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, wodurch inhärente Probleme mit der Verwendung des R1233zd(E)-Kältemittels kompensiert werden, von dem angenommen wird, dass es Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung aufgrund der geringen Dichte des Niederdruck-Kältemittels und seiner hohen Schallgeschwindigkeit verglichen mit gewöhnlichen Fluorkohlenwasserstoff-Kältemitteln hat. Durch eine ölfreie Konfiguration ohne eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit, die einer Ölschmierung bedarf, kann auf die Wartung, wie das Austauschen von Schmieröl und einem Ölfilter, verzichtet werden. Folglich kann eine notwendige Leistung sichergestellt werden, wenn das R1233zd(E)-Kältemittel verwendet wird, welches ein Niederdruck-Kältemittel mit einer geringen Dichte ist. Ferner kann der Turbokühler mit verminderter Umweltbelastung vorgesehen werden, da die Wartungsfrequenz und durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel maßgeblich reduziert wird und die Eigenschaften eines Kältemittels, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder niedriger erreicht, verwendet werden, derart, dass verhindert wird, dass Kältemittel in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ferner weist der Turbokühler eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten aufgrund einer vereinfachten Konfiguration, in der auf das Schmiersystem verzichtet wird, auf.
  • Der Turbokühler gemäß dem zweiten Aspekt weist ferner eine Konfiguration auf, wobei ein flüssiges Kältemittel vom Kühlkreislauf als ein Kühl- und Schmiermedium für ein Lagergehäuse des Lagers und einen Luftzwischenraum des Motors zirkuliert werden.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann das flüssige Kältemittel vom Kühlkreislauf als ein Kühl- und Schmiermedium für das Lagergehäuse des Lagers und den Luftzwischenraum des Motors zirkuliert werden. Durch das Kühlen und Schmieren der keramischen Lager mit dem flüssigen Kältemittel, kann die Beständigkeit der Lager verlängert werden und Wärmeverlust und ausfallsichere Operationen aufgrund eines überhöhten Temperaturanstiegs im Motor können reduziert werden, indem die Kühlleistung des flüssigen Kältemittels, das den Motor mit hoher Drehzahl kühlt, sichergestellt wird. Diese Konfiguration kühlt und schmiert das ölfreie keramische Lager und den Motor auf erfolgreiche Weise, indem ihre Beständigkeit und Leistung verbessert werden und folglich wird dem Turbokühler eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit verliehen.
  • Der Turbokühler gemäß dem zweiten Aspekt hat ferner eine Konfiguration, bei der dem Luftzwischenraum des Motors anstatt des flüssigen Kältemittels ein gasförmiges Niederdruck-Kältemittel zugeführt werden kann.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann dem Luftzwischenraum des Motors anstatt des flüssigen Kältemittels das gasförmige Niederdruck-Kältemittel zugeführt werden. Durch Zuführen des gasförmigen Niederdruck-Kältemittels als das Kühlmedium kann ein Schüttelverlust aufgrund des Motors mehr als in Konfigurationen reduziert werden, in denen das flüssige Kältemittel zugeführt wird. Daher kann ein Wärmeverlust und dergleichen aufgrund von ausreichender Kühlung des Motors reduziert werden und Schüttelverlust kann weiter verringert werden. Folglich kann die Motorleistung verbessert werden, was höhere Drehgeschwindigkeiten ermöglicht.
  • Der Turbokühler gemäß dem zweiten Aspekt weist ferner eine Konfiguration auf, wobei eine Spiralnut, die dem flüssigen Kältemittel oder dem gasförmigen Niederdruck-Kältemittel, das dem Luftzwischenraum des Motors zugeführt wird, ermöglicht, axial nach außen zu strömen, zumindest auf einer Innenumfangsfläche eines Stators des Motors, einer Außenumfangsfläche eines Rotors und einer Außenumfangsfläche eines Wuchtrings, der an einer Endfläche des Rotors vorgesehen ist, vorgesehen ist.
  • Gemäß dieser Konfiguration, ist die Spiralnut, die dem flüssigen Kältemittel oder dem gasförmigen Niederdruck-Kältemittel, das dem Luftzwischenraum des Motors zugeführt wird, ermöglicht, axial nach außen zu strömen, auf zumindest einer der Innenumfangsfläche des Stators des Motors, der Außenumfangsfläche des Rotors und der Außenumfangsfläche des Wuchtrings, der an der Endfläche des Rotors vorgesehen ist, vorgesehen ist. Dementsprechend kann das dem Luftzwischenraum zugeführte Kältemittel schnell axial nach außen ausgelassen werden. Folglich kann die Kühlwirkung des Kältemittels am Motor weiter verbessert werden und die Motorleistung kann weiter gesteigert werden, indem ein Lüftungsverlust des Motors aufgrund des geschüttelten Kältemittels reduziert wird.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsverlust bei der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit und Lagerverluste von Kugellagern reduziert, wodurch dem Turboverdichter eine höhere Drehgeschwindigkeit ermöglicht wird, die für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, wodurch inhärente Probleme mit der Verwendung des R1233zd(E)-Kältemittels kompensiert werden, von dem angenommen wird, dass es Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung aufgrund der geringen Dichte des Niederdruck-Kältemittels und seiner hohen Schallgeschwindigkeit verglichen mit gewöhnlichen HFC-Kältemitteln hat. Durch eine ölfreie Konfiguration ohne eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit oder Kugellager, die einer Ölschmierung bedürfen, und der Verwendung von ölfreien keramischen Lagern kann auf die Wartung von Schmiersystemen, wie das Austauschen von Schmieröl und einem Ölfilter, verzichtet werden. Ferner kann der Turbokühler mit verminderter Umweltbelastung vorgesehen werden, da die Wartungsfrequenz und durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel maßgeblich reduziert wird und die Eigenschaften eines Kältemittels, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder niedriger erreicht, verwendet werden, derart, dass verhindert wird, dass Kältemittel in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ferner weist der Turbokühler eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten aufgrund einer vereinfachten Konfiguration, in der auf das Schmiersystem verzichtet wird, auf.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen Turbokühler gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das einen Turboverdichter, der beim Turbokühler angewendet wird, darstellt.
  • 3 zeigt eine schematische Konfiguration, die einen Turboverdichter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Antriebsmotors für den Turboverdichter, der in 3 dargestellt wird.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nachstehend anhand von 1 und 2 beschrieben.
  • 1 stellt ein Konfigurationsdiagramm eines Turbokühlers gemäß der ersten Ausführungsform dar. 2 stellt ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Turboverdichters, der beim Turbokühler angewendet wird, dar.
  • Der Turbokühler 1, wie in 1 dargestellt, ist mit einem geschlossenen Kühlkreislauf 9 vorgesehen, in dem ein Turboverdichter 2, ein Kondensator 3, eine erste Dekompressionsvorrichtung 4, ein Gas-/Flüssigkeitsabscheider 5, der als ein Abgasvorwärmer dient, eine zweite Dekompressionsvorrichtung 6 und ein Verdampfer 7 in der Reihenfolge durch eine Kältemittelleitung (Leitung) 8 verbunden sind.
  • Der Kühlkreislauf 9 der vorliegenden Ausführungsform ist ferner mit einem bekannten Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 verbunden, der konfiguriert ist, um das gasförmige Kältemittel, das beim Gas-/Flüssigkeitsabscheider 5 abgeschieden wurde, in das Zwischendruck-Kältemittel, das an einem unterstufigen Verdichtungsabschnitt 14 des Turboverdichters 2 verdichtet wird, über eine Zwischenöffnung einzuspritzen. Der Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 ist hier ein Gas-/Flüssigkeitsabscheidetyp, der mit dem Gas-/Flüssigkeitsabscheider 5 vorgesehen ist. Aber der Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 kann ein Zwischenkühlertyp mit einem Zwischenkühler sein, um einen Wärmeaustausch zwischen einem flüssigen Kältemittel und einem Teil des Kältemittels, das beim Kondensator 3, der abgezweigt und dekomprimiert ist, kondensiert und verflüssigt wird, vorzusehen. Beachten Sie, dass der Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist.
  • Der oben beschriebene Kühlkreislauf 9 ist mit der erforderlichen Menge R1233zd(E)-Kältemittel gefüllt. Das R1233zd(E)-Kältemittel hat ein geringes Treibhauspotential (GWP) von 5 oder weniger und ein geringes Ozonabbaupotential (ODP) von 0,00031, und erreicht einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder geringer. Das R1233zd(E)-Kältemittel ist ein Hydrochlorfluorolefin (HCFO)-Kältemittel mit einem geringen GWP. Das R1233zd(E)-Kältemittel ist ein Niederdruck-Kältemittel mit geringer Dichte, das ungefähr 1/5 der Dichte des R134a, ein Fluorkohlenwasserstoff(HFC)-Kältemittel, hat, das in gewöhnlichen Turbokühlern verwendet wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform hat der Turboverdichter 2, der im Turbokühler 1, der mit dem R1233zd(E) gefüllt ist, installiert ist, die folgende Konfiguration.
  • 2 ist schematisches Konfigurationsdiagramm des Turboverdichters 2. Der Turboverdichter 2 kann ein bekannter Zentrifugalverdichter sein, der gasförmiges Niederdruck-Kältemittel in gasförmiges Hochdruck-Kältemittel über ein rotierendes Flügelrad verdichtet und das Hochdruck-Gas durch den Kühlkreislauf 9 zirkuliert.
  • Der Turboverdichter 2 der vorliegenden Ausführungsform hat eine Direktantriebskonfiguration, in der eine Drehwelle 18 direkt mit einem Rotor 19A eines Motors 19 verbunden ist. Ein unterstufiges und oberstufiges Flügelrad 15, 17 drehen sich um die Drehwelle 18, die vom Motor 19 angetrieben wird. Die Drehwelle 18 wird auf eine Weise getragen, die die freie Drehung durch ein Paar magnetischer Radiallager 20, 21 ermöglicht, die an der Vorder- und Rückseite in Bezug auf ein Gehäuse 11 angeordnet sind, und durch ein Paar magnetischen Drucklager 23, 24, die gegenüberliegend angeordnet sind.
  • Mit anderen Worten hat der Turboverdichter 2 die folgende Konfiguration. Der Turboverdichter 2 ist mit dem Gehäuse 11 ausgestattet, das ein Verdichtergehäuse 11A und ein Motorgehäuse 116 umfasst, das mit dem Verdichtergehäuse 11A verbunden ist. Das gasförmige Niederdruck-Kältemittel, das beim Verdampfer 7 verdampfte, wird von einer Kältemittel-Saugöffnung 12 eingelassen und strömt durch einen Einlassflügel 13. Danach wird das gasförmige Niederdruck-Kältemittel in zwei Stufen verdichtet, beim unterstufigen Verdichtungsabschnitt 14 mit dem unterstufigen Flügelrad 15 und beim oberstufigen Verdichtungsabschnitt 16 mit dem oberstufigen Flügelrad 17, und wird zu einem gasförmigen Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel. Das gasförmige Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel wird von einer Auslassöffnung des Spiralgehäuses zu einem Kondensator 3 außen ausgelassen. Das Zwischendruck-Kältemittelgas wird vom Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 zwischen dem unterstufigen Verdichtungsabschnitt 14 und dem oberstufigen Verdichtungsabschnitt 16 über die Zwischenöffnung eingespritzt.
  • Das unterstufige Flügelrad 15 und das oberstufige Flügelrad 17 sind einstückig mit der Drehwelle 18 an dem Ende zu einer Seite der Drehwelle 18 verbunden und durch einen vorher festgelegten Abstand unterteilt. Die Drehwelle 18 ist mit einem Rotor 19B des Motors 19 verbunden, folglich ist die Drehwelle 18 der Flügelräder 15, 17 direkt mit dem Motor 19 verbunden. Ferner ist der Motor 19 mit dem Rotor 19A und einem Stator 19B vorgesehen, ist im Wesentlichen im Inneren des Motorgehäuses 11B zentral vorgesehen und ist konfiguriert, um die Drehzahl über einen Wechselrichter, der nicht dargestellt wird, variabel zu steuern.
  • Die zuvor beschriebene Drehwelle 18 wird auf eine Weise getragen, damit eine freie Drehung durch das Paar der magnetischen Radiallager 20, 21, die an der Vorder- und Rückseite des Motors 19 vorgesehen sind, ermöglicht wird. Im Rückabschnitt ist eine Druckscheibe 22 auf eine feststehende Weise vorgesehen. Das Paar magnetische Drucklager 23, 24 sind an gegenüberliegenden Seite der Druckscheibe 22 gegenüberliegend vorgesehen und tragen die Drehwelle 18 ebenfalls. Beachten Sie, dass auf das Paar magnetischer Drucklager 23, 24 eine magnetische Anziehungskraft ausgeübt wird, wenn Strom durch die Spule fließt, und indem die Druckscheibe 22 zentral vorgesehen wird, wird die durch die Drehwelle 18 erhaltene Axialbelastung getragen.
  • Gemäß der vorstehen beschriebenen Konfiguration, hat die vorliegende Ausführungsform folgende Wirkungsweisen und Effekte.
  • Im zuvor beschriebenen Turbokühler 1, wird durch Antreiben des Turboverdichters 2 das gasförmige Niederdruck-Kältemittel, das beim Verdampfer 7 verdampfte, von der Saugöffnung 12 eingelassen und strömt durch den Einlassflügel 13. Das Niederdruck-Kältemittel wird in zwei Stufen am unterstufigen Verdichtungsabschnitt 14 und dem oberstufigen Verdichtungsabschnitt 16, zuerst von Niederdruck zu Zwischendruck, dann von Zwischendruck zu Hochdruck über das unterstufige Flügelrad 15 und das oberstufige Flügelrad 17, die sich mit hoher Geschwindigkeit drehen, zentrifugal verdichtet. Nach dem Auslassen in das Spiralgehäuse wird das Kältemittel dem Kondensator 3 außen zugeführt.
  • Das Kältemittel tauscht beim Kondensator 3 Wärme mit einem Kühlmedium aus und wird kondensiert und verflüssigt. Das kondensierte und verflüssigte Kältemittel strömt durch die erste Dekompressionsvorrichtung 4, den Gas-/Flüssigkeitsabscheider 5, der als eine Abgasvorwärmer dient, und die zweite Dekompressionsvorrichtung 6 und wird unterkühlt und auf einen Niederdruck reduziert, bevor es zum Verdampfer 7 geleitet wird. Das flüssige Niederdruck-Kältemittel, das zum Verdampfer 7 geleitet wurde, tauscht mit einem zu kühlenden Medium Wärme aus, absorbiert Wärme vom zu kühlenden Medium, wobei es das zu kühlende Medium kühlt und selbst verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird dann dem Turboverdichter 2 zugeführt und erneut verdichtet und die Operation wiederholt sich.
  • Ferner kann die Abgasvorwärmer-Funktion zum Verbessern der Kühlleistung erreicht werden, indem das flüssige Kältemittel, das beim Gas-/Flüssigkeitsabscheider 5 abgeschieden wurde, verdampft, und das flüssige Kältemittel, das in das gasförmige Zwischendruck-Kältemittel, welches beim unterstufigen Verdichtungsabschnitt 14 verdichtet wird, von der Zwischenöffnung des Turboverdichters 2 über den Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 einzuspritzen ist, unterkühlt wird.
  • Der Kühlkreislauf 9 des Turboverdichters 1 ist mit dem R1233zd(E)-Kältemittel gefüllt. Das R1233zd(E)-Kältemittel ist ein Niederdruck-Kältemittel mit geringer Dichte und weist ein geringes Treibhauspotential (GWP) und geringes Ozonabbaupotential (ODP) auf. Bei diesem Kältemittel wird davon ausgegangen, dass es Schwierigkeiten hat, die im Zusammenhang mit dem Sicherstellen einer entsprechenden Leistung stehen. Aber in der vorliegenden Ausführungsform hat ein Turboverdichter 2, der für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, eine Konfiguration, in der die Drehwelle 18 der Flügelräder 15, 17 direkt mit dem Motor 19 verbunden sind, und die Drehwelle 18 durch die magnetischen Radiallager 20, 21 und die magnetischen Drucklager 23, 24 getragen wird.
  • Dementsprechend wird ein Leistungsverlust bei der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit und Lagerverluste von Kugellagern reduziert, wodurch dem Turboverdichter 2 eine höhere Drehgeschwindigkeit ermöglicht wird, die für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, wodurch inhärente Probleme mit der Verwendung des R1233zd(E)-Kältemittels kompensiert werden, von dem angenommen wird, dass es Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung aufgrund der geringen Dichte des Niederdruck-Kältemittels und seiner hohen Schallgeschwindigkeit verglichen mit HFC-Kältemitteln hat. Durch eine ölfreie Konfiguration ohne eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit oder Kugellager, die einer Ölschmierung bedürfen, kann auf die Wartung von Schmiersystemen, wie das Austauschen von Schmieröl und Ölfiltern, verzichtet werden.
  • Folglich kann ein Turbokühler 1 vorgesehen werden, in dem eine notwendige Leistung mit der Anwendung des R1233zd(E)-Kältemittels, welches ein Niederdruck-Kältemittel mit geringer Dichte ist, sichergestellt wird. Zusätzlich weist der Turbokühler 1 eine verminderte Umweltbelastung auf, da die Wartungsfrequenz und durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel reduziert wird und die Eigenschaften eines Kältemittels, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder niedriger erreicht, verwendet werden, derart, dass verhindert wird, dass Kältemittel in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ferner kann ein höchst zuverlässiger Turbokühler 1 aufgrund einer vereinfachten Konfiguration, in der auf ein Schmiersystem verzichtet wird, zu geringen Kosten vorgesehen werden.
  • Beachten Sie, dass in der zuvor beschriebenen Ausführungsform ein Beispiel eines Turboverdichters 2 mit zweistufiger Verdichtung beschrieben wurde. Aber in der vorliegenden Erfindung beschränkt sich der Turboverdichter 2 nicht auf eine zweistufige Verdichtung und kann eine einzige Stufe haben, oder eine drei- oder mehrstufige Verdichtung. Mit anderen Worten ist es nur erforderlich, dass der Turboverdichter 2 eine Direktantriebskonfiguration hat, in der die Drehwelle 18 eines Flügelrads/von Flügelrädern direkt mit dem Motor 19 verbunden ist und die Drehwelle 18 durch magnetische Lager getragen wird.
  • Zweite Ausführungsform
  • Nun wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von 3 und 4 beschrieben.
  • Die vorliegende Ausführungsform weicht von der ersten Ausführungsform insofern ab, als dass die Drehwelle 18 auf eine Weise getragen wird, die eine freie Drehung durch ölfreie keramische Lager 25, 26 ermöglicht. Andere Punkte sind der ersten Ausführungsform ähnlich, weshalb ihre Beschreibungen hier ausgelassen werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Drehwelle 18 auf eine Weise getragen, die die freie Drehung durch die ölfreien keramischen Gleitlager oder Kugellager 25, 26 (nachstehend in der vorliegenden Erfindung als keramischer Lager bezeichnet), wie in 3 dargestellt, anstatt der magnetischen Radiallager 20, 21 und der magnetischen Drucklager 23, 24, ermöglicht.
  • Die keramischen Lager 25, 26 sind aus Siliziumnitrid hergestellt, haben eine große Beständigkeit und eine lange Lebensdauer, obwohl sie ölfrei sind. In der vorliegenden Ausführungsform können die keramischen Lager 25, 26 durch flüssiges Kältemittel, das vom Kühlkreislauf 9 entnommen wird, gekühlt und geschmiert werden. Mit anderen Worten wird ein Teil von flüssigem Hochdruck-Kältemittel, das beim Kondensator 3 kondensiert und verflüssigt wird, vom Kühlkreislauf 9 oder eine Menge von flüssigem Niederdruck-Kältemittel von der Leitung oder einer Vorrichtung zwischen dem Kondensator 3 und dem Verdampfer 7 über eine Kältemittel-Entnahmeleitung 27 entnommen. Der Durchfluss des entnommenen flüssigen Kältemittels wird bei einem Durchflussregelventil 28 angepasst und zu Lagergehäusen 25A, 26A der keramischen Lager 25, 26 geleitet. Folglich können die keramischen Lager 25, 26 durch das flüssige Kältemittel gekühlt und geschmiert werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann neben den keramischen Lagern 25, 26 auch der Motor 19 durch das zuvor beschriebene flüssige Kältemittel gekühlt werden. In einer solchen Konfiguration wird ein Teil des flüssigen Kältemittels, das durch die Kältemittel-Entnahmeleitung 27 und das Durchflussregelventil 28 zugeführt wird, in einen Luftzwischenraum 19D des Motors 19 durch eine Kältemitteleinspritzöffnung 19C, das im Stator 19B des Motors 19 vorgesehen ist, eingeführt, wodurch ermöglicht wird, dass der Rotor 19A und der Stator 19B gekühlt werden. Nach dem Kühlen der keramischen Lager 25, 26 und des Motors 19, wird das Kältemittel in einem Kältemittelsumpf 29 des Motorgehäuses 11B gesammelt, bevor es zum Niederdruckbereich des Kühlkreislaufs 9, d. h. dem Verdampfer 7 und dergleichen, über eine Kältemittel-Auslassleitung 30 retourniert wird.
  • Um ferner einen Lüftungsverlust beim Motor 19 durch die schnelle Auslassung des flüssigen Kältemittels, das in den Luftzwischenraum 19D, wie in 4 dargestellt, eingeführt wird, zu reduzieren, sind Spiralnuten 32A, 32B, 32C, die ermöglichen, dass das flüssige Kältemittel, das in den Luftfreiraum 19D geleitet wird, axial nach außen strömt, an zumindest einer der Außenumfangsfläche des Rotors 19A des Motors 19 der Innenumfangsfläche des Stators 19B und der Außenumfangsfläche des Wuchtrings 31, der an der Endfläche des Rotors 19A vorgesehen ist, vorgesehen. Beachten Sie, dass von den Spiralnuten 32A, 32B, 32C, aus Sicht der Bearbeitung, die Spiralnut 32C vorzugsweise auf der Außenumfangsfläche des Wuchtrings 31 vorgesehen ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform, in der die Drehwelle 18 durch die ölfreien keramischen Lager 25, 26 auf ähnliche Weise, wie jene der ersten Ausführungsform, getragen wird, wird ein Leistungsverlust bei der Drehzahl erhöhenden Getriebeeinheit und Lagerverluste von Kugellagern reduziert, wodurch dem Turboverdichter 2 eine höhere Drehgeschwindigkeit ermöglicht wird, die für die Kältemittelverdichtung mit hohem Durchfluss geeignet ist, wodurch inhärente Probleme mit der Verwendung des R1233zd(E)-Kältemittels kompensiert werden, von dem angenommen wird, dass es Schwierigkeiten beim Sicherstellen von geeigneter Leistung aufgrund der geringen Dichte des Niederdruck-Kältemittels und seiner hohen Schallgeschwindigkeit verglichen mit gewöhnlichen HFC-Kältemitteln hat. Durch eine ölfreie Konfiguration ohne eine Drehzahl erhöhende Getriebeeinheit oder Kugellager, die einer Ölschmierung bedürfen, kann auf die Wartung von Schmiersystemen, wie das Austauschen von Schmieröl und Ölfiltern, verzichtet werden.
  • Folglich kann ein Turbokühler 1 vorgesehen werden, in dem eine notwendige Leistung mit der Anwendung des R1233zd(E)-Kältemittels, welches ein Niederdruck-Kältemittel mit geringer Dichte ist, sichergestellt wird. Zusätzlich weist der Turbokühler 1 eine verminderte Umweltbelastung auf, da die Wartungsfrequenz und durch Wartung verursachte Freisetzung von Kältemittel reduziert wird und die Eigenschaften eines Kältemittels, das einen negativen Druck bei einer Sättigungstemperatur von 18°C oder niedriger erreicht, verwendet werden, derart, dass verhindert wird, dass Kältemittel in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ferner kann ein höchst zuverlässiger Turbokühler 1 aufgrund einer vereinfachten Konfiguration, in der auf ein Schmiersystem verzichtet wird, zu geringen Kosten vorgesehen werden.
  • Ferner kann das flüssige Kältemittel, das ein Kühl- und Schmiermedium für die Lagergehäuse 25A, 26A der keramischen Lager 25, 26 und den Luftzwischenraum 19D des Motors 19 dient, vom Kühlkreislauf 9 durch die Kältemittel-Entnahmeleitung 27, das Durchflussregelventil 28 und die Kältemittel-Auslassleitung 30 zirkuliert werden. Indem die keramischen Lager 25, 26 durch das flüssige Kältemittel gekühlt und geschmiert werden, kann die Beständigkeit der keramischen Lager 25, 26 verbessert werden und Wärmeverlust und ausfallsichere Operationen können reduziert werden, indem die Kühlleistung des flüssigen Kältemittels, das den Motor 19 mit hoher Drehzahl kühlt, sichergestellt wird. Diese Konfiguration kühlt und schmiert die ölfreien keramischen Lager 25, 26 und den Motor 19 mit ihrer verbesserten Beständigkeit und Leistung, was dem Turbokühler 1 eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit verleiht.
  • Ferner sind die Spiralnuten 32A, 32B, 32C in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, die dem flüssigen Kältemittel, das dem Luftzwischenraum 19D des Motors 19 zugeführt wird, ermöglichen, axial nach außen zu strömen, an zumindest einer der Innenumfangsfläche des Stators 19B des Motors 19, der Außenumfangsfläche des Rotors 19A und der Außenumfangsfläche des Wuchtrings 31, der an der Endfläche des Rotors 19A vorgesehen ist, vorgesehen. Dementsprechend kann das flüssige Kältemittel, das in den Luftzwischenraum 19D geleitet wird, schnell nach außen über die Spiralnuten 32A, 32B, 32C ausgelassen werden. Folglich kann die Kühlwirkung des flüssigen Kältemittels auf dem Motor 19 weiter verbessert werden und die Motorleistung kann weiter gesteigert werden, indem ein Lüftungsverlust des Motors 19 aufgrund des geschüttelten flüssigen Kältemittels reduziert wird.
  • Ferner wird der Motor 19 in der oben beschriebenen Ausführungsform gekühlt, indem flüssiges Hochdruck-Kältemittel oder flüssiges Niederdruck-Kältemittel von der Kältemitteleinspritzöffnung 19C zugeführt wird. Aber anstelle des flüssigen Kältemittels kann gasförmiges Niederdruck-Kältemittel, das durch Verdampfen beim Verdampfer 7 gebildet wird, zugeführt werden, um den Motor 19 zu kühlen. In einer Konfiguration, in der gasförmiges Niederdruck-Kältemittel als das Kühlmedium für den Motor 19 zugeführt wird, kann der Schüttelverlust aufgrund des Motors 19 mehr als in Konfigurationen reduziert werden, in denen flüssiges Kältemittel zugeführt wird. Daher kann der Motor 19 ausreichend gekühlt werden, was folglich ermöglicht, dass ein Wärmeverlust und dergleichen reduziert wird; und Schüttelverlust kann weiter reduziert werden, was dem Motor 19 eine hohe Leistung gewährt und höhere Drehzahlen ermöglicht.
  • Beachten Sie, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Erfindung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und sie kann nach Bedarf modifiziert werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wird in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel einer Anwendung des Kühlkreislaufs 9, der mit dem Abgasvorwärmer-Kreislauf 10 ausgestattet ist, beschrieben. Aber ein Wärmepumpen-Kreislauf einer Turbowärmepumpe kann ähnlich angewendet werden. Ferner kann die erste Ausführungsform eine Konfiguration haben, die ähnlich der zweiten Ausführungsform ist, in der die magnetischen Lager 20, 21, 23, 24 und der Motor 19 durch das Kältemittel gekühlt werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbokühler
    2
    Turboverdichter
    3
    Kondensator
    4
    Erste Dekompressionsvorrichtung
    5
    Gas-/Flüssigkeitsabscheider
    6
    Zweite Dekompressionsvorrichtung
    7
    Verdampfer
    8
    Kältemittelleitung (Leitung)
    9
    Kühlkreislauf
    14
    Unterstufiger Verdichtungsabschnitt
    15
    Unterstufiges Flügelrad
    16
    Oberstufiger Verdichtungsabschnitt
    17
    Oberstufiges Flügelrad
    18
    Drehwelle
    19
    Motor
    19A
    Rotor
    19B
    Stator
    19C
    Kältemitteleinspritzöffnung
    19D
    Luftzwischenraum
    20, 21
    Magnetisches Radiallager
    23, 24
    Magnetisches Drucklager
    25, 26
    Keramisches Lager
    25A, 26A
    Lagergehäuse
    27
    Kältemittel-Entnahmeleitung
    28
    Durchflussregelventil
    29
    Kältemittelsumpf
    30
    Kältemittel-Auslassleitung
    31
    Wuchtring
    32A, 32B, 32C
    Spiralnut

Claims (4)

  1. Turbokühler, umfassend: einen geschlossenen Kühlkreislauf, der einen Turboverdichter, einen Kondensator, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer umfasst, die in der Reihenfolge durch Leitungen verbunden sind, und der mit einem Kältemittel gefüllt ist; wobei das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential ist; der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der eine Drehwelle eines Flügelrads direkt mit einem Motor verbunden ist; und die Drehwelle durch ein magnetisches Lager getragen wird.
  2. Turbokühler, umfassend: einen geschlossenen Kühlkreislauf, der einen Turboverdichter, einen Kondensator, eine Dekompressionsvorrichtung und einen Verdampfer umfasst, die in der Reihenfolge durch Leitungen verbunden sind, und der mit einem Kältemittel gefüllt ist; wobei das Kältemittel ein Niederdruck-Kältemittel R1233zd(E)-Kältemittel mit geringem Treibhauspotential und geringem Ozonabbaupotential ist; der Turboverdichter eine Direktantriebskonfiguration aufweist, in der eine Drehwelle eines Flügelrads direkt mit einem Motor verbunden ist; und die Drehwelle durch ein ölfreies keramisches Lager getragen wird.
  3. Turbokühler nach Anspruch 2, wobei ein flüssiges Kältemittel vom Kühlkreislauf als ein Kühl- und Schmiermedium für ein Lagergehäuse des Lagers und einen Luftzwischenraum des Motors zirkuliert werden kann. Turbokühler nach Anspruch 3, wobei dem Luftzwischenraum des Motors anstatt des flüssigen Kältemittels ein gasförmiges Niederdruck-Kältemittel zugeführt werden kann.
  4. Turbokühler nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Spiralnut, die dem flüssigen Kältemittel oder dem gasförmigen Niederdruck-Kältemittel, das dem Luftzwischenraum des Motors zugeführt wird, ermöglicht, axial nach außen zu strömen, zumindest auf einer Innenumfangsfläche eines Stators des Motors, einer Außenumfangsfläche eines Rotors und einer Außenumfangsfläche eines Wuchtrings, der an einer Endfläche des Rotors vorgesehen ist, vorgesehen ist.
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