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Kältemittelverdichter Die Erfindung betrifft einen motorisch angetriebenen
Kältemittelverdichter mit saugdruckabhängiger Steuerung des Füllgrades,
- wie er z. B. bei einer hermetisch gekapselten Kleinkältemaschine Verwendung
finden k
Bei der Auslegung solcher Kältemittelverdichter ist darauf zu achten,
daß sowohl der Antriebsmotor als auch der Verdichter so ausgelegt sind, daß sie
auch unter extremen Betriebsbedingungen einwandfrei arbeiten. Maßgebend für die
Auslegung des Verdichters ist die tiefste Verdampfertemperatur, bei der der Verdichter
arbeiten soll, z. B. Low Back Pressure-Maschinen -40'C, Medium Back Pressure-Maschinen
-20'C und High Back Pressure-Maschinen -5'C bzw. der ihr zugeordnete niedrigste
Sangdruck. Hubraumgröße und Hubzahl müssen so be-
messen sein, daß bei diesen
Bedingungen noch eine ausreichende Menge des Kältemittels mit Verflüssigungsdruck
gefördert wird. Maßgebend für die Auslegung des Motors ist eine höchste Verdampfertemperatur
bzw. der ihl zugeordnete Saugdruck. Er muß nämlich diejenige Leistung aufbringen
können, die der für den anderen Extremwert ausgelegte Verdichter bei diesem extremen
Wert verbraucht.
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Es ist ein motorisch angetriebener Kältemittelverdichter bekannt,
der ein in die Saugleitung geschaltetes Widerstandsorgan besitzt, das beim überschreiten
eines bestimmten Saugdruckes wirksam wird, indem es aus einer ersten in eine zweite
Stellung umschnappt. Mit dieser Maßnahme kann eine Entlastung des Antriebsmotors
des Kältemittelverdichters bei zu hohem Saugdruck und entsprechend hoher Dichte
des Kältemittels erzielt werden. Es ist ferner eine Anordnung bekannt, bei der zwei
Verdichter verwendet werden, von denen der eine dauernd und der andere nur bei Bedarf
eingeschaltet wird, wobei das Einschalten erfolgt, wenn ein vorbestimmter Saugdruck
überschritten wird.
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Nachteilig ist im ersten Fall, daß lediglich zwei Betriebszustände
berücksichtigt werden können, was nur eine unzureichende Anpassung an die gegebenen
Betriebsbedingungen ermöglicht. Zu diesem Nachteil tritt im zweiten Fall noch der
erhöhte bauliche Aufwand durch den zweiten Verdichter hinzu.
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Des weiteren ist ein Kältemittelverdichter bekannt,
der mit
einem Nebenschlußpfad zwischen Hubraum und Ansaugraum versehen ist, in welchem sich
ein während des Anfangsabschnittes des Druckhubes wirksames Ventil befindet. Dieses
Ventil ist als zylindrischer Schieber ausgebildet, der durch ein Zentrifugalgewicht
gesteuert wird. Eine solche drehzahlabhängige Steuerung vermag zwar eine Anlaufentlastung
zu bieten, nicht aber eine überlastung des Motors im normalen Betrieb zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine saugdruckabhängige
Steuerung des Füllgrades bei einem motorisch angetriebenen Kältemittelverdichter
anzugeben, die eine kontinuierliche Regelung in Ab-
hängigkeit vom Saugdruck
gestattet.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß in an sich bekannter Weise
ein Nebenschlußpfad zwischen Hubraum und Ansaugraum mit während des Anfangsabschnittes
des Druckhubes wirksamem Ventil vorgesehen ist und daß die öffnungszeit des Ventils
mit steigendem Saugdruck steigt.
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Mit Hilfe der Erfindung wird von einer bestimmten Saugdruckgröße an
ein Teil des Kältemittels über den Nebenschlußpfad wieder abgeführt, bevor es in
wesentlichem Maße verdichtet wird. Auf diese Weise läßt sich unter sonst gleichen
Verhältnissen ein wesentlich kleinerer und daher billigerer Motor als bisher verwenden.
Hierbei erfolgt die Regelung des den Füllgrad beeinflussenden Ventils zeitabhängig.
Man kann daher ein normales Auf-Zu-Ventil durch die Zeitabhängigkeit dem steigenden
Saugdruck anpassen. Es ergibt sich dann ein Kältemittelverdichter, bei dem der Füllgrad
nicht nur zwischen zwei Werten umgeschaltet werden kann, sondern insgesamt mit steigendem
Saugdruck abnimmt. Dies macht es möglich, den Motor noch besser als bisher auszunutzen.
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Zumindest bei Low and Medium Back Pressure-Maschinen ist ein Betrieb
mit dem maximalen Grenzwert der Verdampfertemperatur recht selten. Der Hauptarbeitsbe,reich
für einen solchen Kältemittelverdichter liegt bei den tiefen bis mittleren Verdampfertemperaturen.
Das entspricht bisher dem
unteren Viertel oder Drittel des Leistungsbereichs
des Motors; der Motorverbrauch war daher zu einem erheblichen Prozentsatz durch
die Leerverluste ge-
geben. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Verdichters
kann der Motor so weit verkleinert werden, daß der durch die Verdampfertemperaturen
gekennzeichnete Hauptarbeitsbereich einem sehr viel größeren Teil des Motorleistungsbereichs
entspricht, so daß die Motorverluste einen entsprechend geringeren Prozentsatz des
Verbrauchs ausmachen.
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Das Ventil muß nicht direkt vom Saugdruck beeinflußt werden, es kann
auch von einer saugdruckabhängigen Größe, z. B. dem Verdampferdruck gesteuert sein.
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Eine besonders einfache zeitabhängige Beeinflussung des Ventils ergibt
sich, wenn es in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Hubraumdruck und Saugdruck
gesteuert ist. Diese Steuerungsart macht von der Tatsache Gebrauch, daß mit steigendem
Saugdruck der Druckanstieg im Hubraum ebenfalls anwächst, so daß das Ventil um so
früher öffnet, je
höher der Saugdruck ist. Außerdem kann das Ventil
in seiner einfachsten Form als den Nebenschlußpfad im Saugraum abschließendes, federbelastetes
Ventilplättchen ausgebildet sein, so daß der für die Steuerung benötigte Mehraufwand
minimal ist.
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Es wurde bereits betont, daß das Ventil nur im Anfangsabschnitt des
Druckhubes wirksam sein soll, d. h. der Nebenschlußpfad während des Endabschnitts
des Druckhubes in jedem Fall geschlossen gehalten werden muß. Dies kann auf vielerlei
Weise geschehen, beispielsweise durch ein zweites, in Ab-
hängigkeit von der
Kolbenbewegung gesteuertes Ventil. Wesentlich einfacher ist es jedoch, wenn der
Nebenschlußpfad in an sich bekannter Weise als Öffnung in der Zylinderwand angeordnet
ist und vom Kolben während des Hubes abgedeckt wird.
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Eine weitere Absenkung der maximal erforderlichen Motorleistung kann
man erreichen, wenn man das Grundprinzip der Erfindung mehrmals anwendet, also mindestens
ein weiteres, während eines größeren Anfangsabschnittes des Druckhubes wirksames
Ventil vorsieht, das einen weiteren Nebenschlußpfad bei steigendem größeren Saugdruck
bzw. größerer Hubraumdruck-Saugdruck-Differenz öffnet (alles im Vergleich zum eingangs
erwähnten ersten Ventil).
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 in schematischer
Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdichters mit zugehöri
'-ein P-V-Diagr F i g. 2 in einem Diagramrn die Leistungsaufnahme
N des Motors über dem Saugdruck PS,
F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in schematischer Darstellung mit zwei Ventilen und zugehörigem P-V-Diagramm
und F i g. 4 die konstruktive Ausgestaltung eines Verdichters gemäß der Erfindung.
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In F i g. 1 ist schematisch der Zylinder 1 mit Ventildeckel
2 und Kolben 3 veranschaulicht. Vom Hubraum 4 führt ein Nebenschlußpfad
5 zurück in den Saugraum 6 außerhalb des Zylinders. Der Nebenschlußpfad
5 ist außer mit einem Ventilsitz 7 versehen, der von einem mit der
Feder 8 belasteten Ventilplättchen 9 abgedeckt ist. Auf das Ventilplättchen
wirkt von innen der Hubraumdruck und von außen der Saugdruck. Die Kraft der Feder
sei A p.
Im Betrieb ist normalerweise der Kondensatordruck pK vorgegeben,
während der Saugdruck PS in weiten Grenzen schwanken kann. Bei einem niedrigen
Saugdruckps, ergibt sich der bekannte LinienzugI im P-V-Diagramm. Bis zu
dem Zeitpunkt, in dem das Ventil 9 durch Abdecken des Nebenschlußpfades
5 unwirksam gemacht worden ist, war der Anstieg des Hubraumdruckes noch so
gering, daß er nicht zur überwindung der Federkraftd p ausreicht. Bei einem
Saugdruck PS, und bei kleineren Sangdrücken arbeitet also der veranschaulichte
Verdichter in üblicher Weise.
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Steigt jedoch der Saugdruck über den Wert PS ,
hinaus,
beispielsweise auf den Wert PS 2, so wird der übliche Linienzug II
abgewandelt in den Linienzug III, bei jedem Hub also eine der gestrichelten Fläche
F entsprechende Arbeit eingespart. Dies geschieht deshalb, weil bei steigendem Saugdruck
nicht nur der Absolutwert dieses Druckes, sondern auch die Anstiegsgeschwindigkeit
des Hubraumdrucks anwächst. Die Differenz A p zwischen Hubraumdruck
und Saugdruck, die zur überwindung der Feder 8 ausreicht, tritt schon zu
einem Zeitpunkt ein, in welchem der Nebenschlußpfad 5 noch nicht übersteuert
ist. Während des Hubabschnittes a wird daher Kältemittel aus dem Hubraum herausgedrückt.
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Wenn man annimmt, daß die beiden eingetragenen Linienzüge
1 und III die Grenzwerte des Saugdruckbereichs darstellen, in welchem das
Ventil 9 tätig wird, so ist leicht einzusehen, daß die öffnungszeit des Ventils
9 und daher auch das ausgeblasene Kältemittelvolumen von dem Wert null beim
Saugdruck PS , auf einen der Strecke a entsprechenden Wert beim Saugdruck
PS 2 kontinuierlich ansteigt. Die veranschaulichte Konstruktion ergibt also nicht
nur eine Auf-Zu-Steuerung in Abhängigkeit vom Saugdruck, sondern außerdem eine vom
Saugdruck abhängige Mengenregelung.
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Bei den bekannten Motorverdichtem hat die Leistungsaufnahme
N des Motors in Abhängigkeit vom Saugdruck PS den Verlauf der Kurve
N., die sich aus den Abschnitten NI' (voll ausgezogen) und N,_"' (gestrichelt
gezeichnet) zusammensetzt. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, den Leistungsbedarf
im Bereich höherer Saugdrücke abzusenken, so daß sich die Kurve N2 mit dem
unteren Abschnitt N2' = Nl' und dem oberen AbschnittN." ergibt. Dies
wiederum bedeutet, daß man statt eines Motors mit der maximalen Belastbarkeit NJ
..x mit einem Motor mit der wesentlich geringeren BelastbarkeitN2"",
auskommt.
Besonders wichtig ist hierbei, daß in dem Hauptarbeitsbereich
b, der bei einem Haushaltskühlschrank beispielsweise den Verdampfertemperaturen
von - 25 bis - 15' C entspricht, überhaupt keine Änderungen
gegenüber dem normalen Betrieb auftreten. Nur in den relativ seltenen Fällen einer
extremen Belastung zwischen den höheren Saugdruckwerten PS , und PS
2 tritt das erfindungsgemäße Nebenschlußventil in Tätigkeit.
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In F i g. 3 ist veranschaulicht, daß man zusätzlich zu der
in F i g. 1 geschilderten Anordnung emien weiteren Nebenschlußpfad
5' mit Ventil 9' und Feder 8' vorsehen kann. Dieses Ventil
ist während eines größeren Anfangsabschnitts des Druckhubes wirksam, da der Pfad
5' erst später als der Pfad 5
vom Kolben 3 übersteuert wird.
Außerdem ist die Feder 8' stärker als die Feder 8, d. h., das Ventil
9'
öffnet erst bei einer größeren Differenz A p' als das
Ventil
9. Auf diese Weise ergibt sich der im P-V-Diagramm der F i g. 3 veranschaulichte
Linienzug IV, der keiner näheren Erläuterung bedarf.
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In F i g. 4 ist in der Kapsel 10 an Federn
11 ein Motorverdichter gehalten. Der Elektromotor 12 treibt über die Kurbelwelle
13, den Gleitstein 14 und die Gleitsteinführung 15 den Kolben
16 an. Der Zylinder 17 ist in üblicher Weise durch Ventilplatte
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und Ventildeckel 19 abgedeckt. Die nicht zum Verständnis der Erfindung
notwendigen Teile sind nur angedeutet oder überhaupt weggelassen.
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Außen auf den Zylinder 17 ist ein Deckel 20 aufgesetzt, der
zusammen mit dem Zylinder eine Kammer 21 bildet. Diese steht mit dem Saugraum 22
innerhalb der Kapsel über das Rohr 23 in Verbindung. In der Kammer ist ein
Haltebügel 24 für die Blattfeder 25 vorgesehen, die das Ventilplättchen
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auf seinen Sitz 27 am Ausgang der Nebenschlußpfadbohrung
28 in der Zylinderwand drückt. Die Feder 25 kann mit Hilfe der Justierschraube
29 auf den gewünschten Vorspanndruck eingestellt werden. Die Kammer 21 dient
hauptsächlich der Dämpfung des Schalls beim Austritt des Kältemittels aus dem Ventil
26. Sie ist für die erfindungsgemäße Funktion nicht unbedingt erforderlich.
Man kann sie auch dadurch einsparen, daß man das über das Ventil austretende Kältemittel
in eine bereits aus anderen Gründen vorhandene, dem Saugventil vorgeschaltete Saugschalldämpferkammer
abbläst.
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Die Erfindung ist überall da anwendbar, wo ein Kältemittelverdichter
in einem Kreislauf arbeitet, in welchem das Sauggas unterschiedlich hohe Temperatur,
also unterschiedlich hohen Druck besitzt. Sie ist also nicht auf Verdichter mit
hin und her gehendem Kolben beschränkt oder auf hermetisch gekapselte Kältemaschinen.