DE2545304C3

DE2545304C3 - Kältemaschine

Info

Publication number: DE2545304C3
Application number: DE2545304A
Authority: DE
Inventors: Arnold 7312 Kirchheim Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1979-01-25
Also published as: FR2327667A1; US4138862A; DE2545304A1; FR2327667B1; GB1539960A; DE2545304B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eire Kältemaschine mit einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Kondensator für ein Kältemittel und einem den Verdichter antreibenden gekühlten Induktionsmotor, dessen Stator und Rotor dicht umschließendes Gehäuse vollständig mit einem Kühlmedium gefüllt ist, das in einem geschlossenen Kühlkreislauf umgewälzt und in einem im Kühlkreislauf angeordneten Kühler mittels des von dem Kühlmedium getrennten Kältemittels rückgekühlt wird.

Bei einer bekannten Kältemaschine dieser Art (US-PS 27 68 511) wird als Kühlmedium für den Induktionsmotor ein Gas verwendet, das mittels eines im Innern des Gehäuses auf der Rotorwelle sitzenden Lüfters umgewälzt wird und dabei einen am Motorgehäuse angeordneten Kühler durchströmt. Der Kühler wird andererseits von einem Teil des Kältemittels durchflossen, das am Ausgang des im Kältemittelkreislaufes befindlichen Kondensators abgezweigt wird und nach Durchströmen des Kühlers und Aufnahme des vom Kühlgas im Motor aufgenomenen Wärme dem Kondensator wieder zugeführt wird. Im Hauptkreislauf des Kältemittels wird üblicherweise das im Verdampfer unter Aufnahme der Wärme von einem Kältetransportmittel verdampfende Kältemittel in dem von dem Induktionsmotor angetriebenen Verdichter komprimiert und in dem Kondensator durch Kühlwasser od. dgl. abgekühlt. Das flüssige Kältemittel wird nunmehr wiederum dem Verdichter zugeführt, wo der Verdampfungsprozeß erneut einsetzt.

Eine solche Kältemaschine bildet eine herkömmliche Kühlvorrichtung für das Kältetransportmittel, bei welchem gleichzeitig das Kältemittel dazu benutzt wird, die in dem Induktionsmotor entstehende Verlustwärme abzuführen.

Bei einer solchen herkömmlichen Kältemaschine hat sich gezeigt, dafl während einer längeren Betriebsdauer der Kältemaschine der Verdampfer allmählich einfriert, als dessen Folge der Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Kältetransportmittel beeinträchtigt wird und damit insgesamt die Kühlleistung der Kältemaschine sinkt. Um diesen Leistungsverlust zu

ίο vermeiden, muß daher nach einer bestimmten Betriebsdauer die Kältemaschine stillgesetzt und der Verdampfer enteist bzw. abgetaut werden. Ein solches Stillsetzen der Kältemaschine ist aber häufig dem mit dem Kältetransportmittel zu kühlenden Kühlgut nicht zuträglich, so daß die Kältemaschine über lange Zeit mit verminderter Kühlleistung arbeiten muß, bis sich die

Gelegenheit bietet, durch Auslagern des Kühlgutes die Kältemaschine abschalten zu können. Außerdem kann eine solchermaßen ausgestaltete

Kältemaschine lediglich als Kühlaggregat verwendet werden, nicht aber in unveränderter Form beispielsweise als Antriebsaggregat für eine Heizungsanlage nach Art einer Wärmepumpe. Bei einem solchen Wärmepumpenbetrieb wird die Heizleistung für die Heizanlage am Kondensator abgenommen. Diese Heizleistung wird teilweise einem den Verdichter umströmenden Medium mit annähernd konstanter Temperatur, wie beispielsweise Außenluft oder Grundwasser, entnommen und über den Verdichter dem Kondensator zugeführt Da

jo durch diesen Wärmepumpenkreislauf der Kondensator allmählich auf eine höhere Temperatur, etwa 60 bis 80 Grad, erwärmt wird, wird das Stator und Rotor des Induktionsmotors bestreichende Kühlgas im Kühler nicht mehr ausreichend rückgekühlt, so daß eine

J5 ausreichende und schnelle Ableitung der im Induktionsmotor entstehenden Verlustwärme nicht mehr gewährleistet ist Es müssen daher zusätzliche Maßnahmen vorgesehen werden, um die Kühlung des Induktionsmotors im gleichen Maße wie bei Verwendung der

■"' Kältemaschine als Kühlaggregat zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher dit Aufgabe zugrunde, bei einer Kältemaschine der eingangs genannten Art durch besondere Ausgestaltung und Anpassung des gekühlten Induktionsmotors an die Kältemaschine ein kompaktes Aggregat mit gutem Wirkungsgrad zu schaffen, das sowohl bei Einsatz in einer Kühlvorrichtung wie Kühl-, Eisschrank oder Klimaanlage einen ununterbrochenen Betrieb der Kältemaschine bei gleichbleibender Kühlleistung ermöglicht, als auch in unverändertem Aufbau als Antriebsaggregat für eine Heizanlage nach Art einer Wärmepumpe verwendet werden kann.

Diese Aufgabe ist bei einer Kältemaschine der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kühlmedium eine isolierende Kühlflüs-

sigkeit, insbesondere Öl, ist und Kühler und Verdampfer in einer einen gegenseitigen Wärmeaustausch ermöglichenden räumlichen Zuordnung stehen.

Durch diese erfinderischen Maßnahmen wird zum einen ein optimaler Wärmeaustausch zwischen Stator, Statorwicklung, Rotor, Rotorwicklung einerseits und Kühlmedium andererseits ermöglicht und zum andern auch eine ausreichende Rückkühlung des Kühlmediums und damit eine zuverlässige Abfuhr der Verlustwärme aus dem Gehäuseinnern des Motors gewährleistet.

^hi Durch die Zufuhr der erwärmten Motorkühlflüssigkeit zu dem Verdampfer, wird ein Einfrieren des Verdampfers und damit das Absinken der Kühlleistung der Kältemaschine im Laufe einer längeren Betriebsphase

verhindert. Die Kältemaschine kann ununterbrochen in Betrieb gehalten werden.

Weiterhin ist es aber auch möglich, die Kältemaschine ohne irgendwelche Änderungen als Antriebsaggregat für eine nach Art einer Wärmepumpe arbeitenden Heizanlage zu verwenden. Da die vom Motor erwärmte Kühlflüssigkeit nicht dem Kondensator, sondern dem Verdampfer zugeführt wird, ist einerseits sichergestellt, daß auch im Betrieb als Wärmepumpe die Kühlflüssigkeit für den Motor ausreichend rückgekühit wird. Andererseits heizt die vom Motor erwärmte Kühlflüssigkeit in dem Verdampfer das Kältemittel auf, stellt also eine zusätzliche Wärmequelle zu dem den Verdampfer durchströmenden Medium, dem mittels des Verdampfers eine gewisse Wärmeenergie entzogen wird, dar. Die Verlustwärme des Motors wird also letztlich wieder in den Kreislauf der Kältemaschine zurückgeführt und zu nutzbringender Wärme umgewandelt Dsmit verbessert sich insgesamt der Wirkungsgrad der mit der erfindungsgemäßen Kältemaschine betriebenen Heizanlage.

Mit isolierender Flüssigkeit, insbesondere mit öl, gekühlte Induktionsmotoren sind an sich bekannt (DE-AN Z 287 VHF d/21 d 1 vom 5.10.1950 und DE-AN S 14 544 VIII d/21 d 1 vom 3.7.1952), auch als Antrieb für eine Unterwasserpumpe (US-PS 25 56 435). Bei diesen Motoren wird eine intensive Kühlung von Stator und Rotor und deren Wicklungen, somit eine zuverlässige Abfuhr der im Motor anfallenden Verlustwärme gewährleistet. Dies bedeutet aber, daß der Induktionsmotor ohne Rücksicht auf die anfallende Verlustwärme konzipiert werden kann, bei gleichem Volumen also erheblich größere Leistung des Motors bzw. bei gleicher Leistung ein wesentlich kleineres Bauvolumen des Motors erzielbar ist. Selbst gegenüber zwangsbelüfteten Motoren oder Motoren, deren Inneres mit Kühlgas bestrichen wird, läßt sich noch eine solche Leistungssteigerung bzw. Volumenreduzierung erreichen. Durch Einführen des zwar an sich bekannten Kühlmediums einer isolierenden Flüssigkeit, insbesondere öl, in die Kältemaschine der eingangs beschriebenen Gattung, läßt sich also das Volumen des Induktionsmotors als eines wesentlichen Bauteils der Kältemaschine reduzieren und damit ein weiterer Schritt zur Schaffung eines kompakten Aggregats tun.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdampfer in einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden, als Kältetransportmittel fungierenden Luftstrom angeordnet und der Kondensator von einem isolierenden Gehäuse umgeben, das von Heizschlangen eines Leitungssystems durchzogen ist, in welchem ein Wärmetransportmittel umläuft. Auf diese Weise wird die Differenztemperatur zwischen der Siedetemperatur des Kältemittels und der Temperatur der Außenluft, die durch den als Kältetransportmittel fungierenden Luftstrom etwa konstantgehalten wird, von dem Verdampfer in nutzbringende Wärme umgewandelt. Das erwärmte Kältemittel wird nach Kompression durch den Verdichter dem Kondensator zugeführt und gibt hier die Wärme an das die Heizschlangen durchströmende Wärmetransportmittel ab, wobei Temperaturen bis etwa 70⁰C des Wärmetransportmittels erzielt werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das den Kondensator umgebende isolierende Gehäuse mit Wärmeöl gefüllt. Auf diese Weise wird einmal Hie Wärmeübertragung vom Kondensator auf das in den Heizschlangen befindliche Wärmetransportmittel verbessert und andererseits langfristig eine annähernd gleichbleibende Temperatur im Gehäuseinnern sichergestellt. Wegen der großen Wärmespeicnerkapazität des Wärmeöls kann eine Aufheizung des Wärmeöls über den Kompressor auch bei Nacht erfolgen, wobei der verbilligte Nachtstromtarif ausgenutzt werden kann. Der gleiche Vorteil wird auch erzielt, wenn nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das den Kondensator umgebende

^lu isolierende Gehäuse einen Wasserspeicher bildeL Ein solcher Wasserspeicher kann zur Erzeugung von Warmwasser, insbesondere für Schwimmbäder, genutzt werden. Bei beiden Ausführungsformen bildet das Wärmeöl bzw. das Wasser des Wasserspeichers ein

Zwischenmedium zwischen dem Kältemittel einerseits und dem Wärmetransportmittel in den Heizschlangen andererseits. Dieses Zwischenmedium verbessert die Wärmeübertragung zwischen beiden Mitteln und gewährleistet annähernd konstante Temperaturen in den Kondensator enthaltenden Gehäuse.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführangsbeispiels näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen teilweisen Axialschnitt eines Teils der erfindungsgemäßen Kälte-

-⁵ maschine, nämlich Verdichter, gekühlter Induktionsmotor zum Antrieb des Verdichters und Verdampfer in kompakte, raumsparender Bauweise.

An den Verdichter oder Kompressor 1 der Kältemaschine ist auf der einen Seite ein Induktionsmotor 2

^Jl) üblicher Ausführung angesetzt. Der Induktionsmotor 2 weist in dem Gehäuseinnern 3 einen Stator 4 und einen Rotor 5 auf, der auf einer Welle 6 angeordnet ist, die mit der Welle des Kompressors 1 eine Einheit bildet Der Motor 2 kann als Flanschmotor an dem Kompressor 1

J5 befestigt sein oder unmittelbar am Kompressorgehäuse bzw. an einer gasdichten Zwischenwand 9 sitzen. Das gesamte Gehäuseinnere 3 ist mit einer isolierenden Kühlflüssigkeit, vorzugsweise öl, gefüllt, welches den Motor 2 durchströmt. Dabei können in bekannter Weise im Bedarfsfall Längsdurchbohrungen 7 in dem Rotor 5 und in dem Stator 4 oder Abflachungen in dem letzteren

zwecks besserer Durchströmung des Öls vorgesehen

sein.

In dem außen befindlichen Lagerschild 8 ist eine

Umwälzpumpe 10 eingebaut, wobei das Öl unmittelbar aus dem Gehäuseinneren 3 in die Umwälzpumpe 10 eintritt und über die Austrittsöffnung 11 wieder nach außen gelangt. Von dort aus fließt das Öl über die entsprechend bemessene und verlegte Verbindungslei-

¹JO tung 15 zu der Rückflußöffnung 12 am anderen Ende des Motors 2. Durch diese öffnung 12 gelangt das öl wieder in das Gehäuseinnere 1, so daß der Kreislauf des Öls geschlossen ist. Die Verbindungsleitung 15 durchzieht dabei den Kühler 14 mit den Kühlrippen 13, in welchem

" das von iein Motor 2 gelangende erwärmte öl gekühlt und daraufhin dem Motor 2 zugeführt wird. Der Kreislauf des Öls ist dadurch von dem Kältemittelkreislauf vollständig getrennt und von dem letzteren hermetisch abgeschlossen.

^b0 Der Kühler 14 ist in dem Gehäuse des Verdampfers 17 angeordnet, das seitlich an dem Lagerschild 8 des Motors 2 angeflanscht ist. Dieses Gehäuse des Verdampfers 17 bildet einen Teil des Verdampfers der Kältemaschine und wird von einem Kältetransportmit-

^h' tel, beispielsweise Luft, bestrichen. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen dem Kältetransportmittel und dem Kältemittel kann die Oberfläche des Gehäuses des Verdampfers 17 mit Rippen versehen

werden. Ebenso können aber die Kühlrippen 13 des Kühlers 14 hohl ausgebildet sein und in Offnungen an der Oberfläche des Gehäuses des Verdampfers 17 enden. Dann wird das Kältetransportmittel das Innere der Kühlrippen 13 durchströmen, so daß ein optimaler Wärmeaustausch zwischen Kältetransportmittel und Kältemittel erzielt wird.

Das flüssige Kältemittel tritt in der Ansaugöffnung 18 im unteren Teil des Gehäuses des Verdampfers 17 in den Verdampfer ein, durchströmt den Kühler 14 unter Umspülung der Kühlrippen 13 und der Verbindungsleitung 13. Dabei nimmt das Kältemittel von dem Kältelransporlmittel und dem Ol Wärme auf und verdampft Das durch die Vsrbindungsleitung 15 Greinende warme öl des Motors verhindert ein r> Einfrieren des Verdampfers bei längerer Betriebsdauer. Am oberen finde des Gehäuses des Verdampfers 17 ist die /u dem Anschluß 20 an dem Kompressor 1 führende Kälteleitutig 19 vorgesehen, durch welche das dampfförmige Kältemittel in den Kompressor 1 gelangt, hier verdichtet und somit wieder verflüssigt wird.

Auf die Darstellung des Kältemittelkreislaufes der Kältemaschine, der noch in üblicher Weise den Kondensator und das zwischen Kondensator und Verdampfer angeordnete Expansionsventil enthält, ist ."> in der Zeichnung verzichtet worden. Ebenso ist die Wirkungsweise einer solchen Kältemaschine bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen zu werden H-ÜMCht.

Ohne Änderung des bestehenden AufhH;" kann die ii erfindungsgemäße Kältemaschine auch als Wärmepumpe in einer Heizanlage verwendet werden. Hierzu ist lediglich ergänzend dafür Sorge zu tragen, daß einmal der Verdampfer 17 in einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Luftstrom angeordnet wird, so r> daß die Luft die Oberfläche des Gehäuses 17 des Verdampfers oder die Innenwände der Kühlrippen 13 bestreicht. Dies geschieht in einfachster Weise dadurch.

daß das gesamte Kompaktaggregat, bestehend au? Kompressor I, Motor 2 und Verdampfer 17, in einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kanal angeordnet wird, in welchem ein Ventilator dpn nötiger Luftdurchsatz bewirkt. Zum anderen muß der Kondensator in ein isolierendes Gehäuse eingebracht werden das von Heizschlangen des Leitungssystems dei Heizanlage durchzogen ist, in welchem das Wärme transportmittel umläuft und Wärme von dem Kondensator zu den Heizkörpern der Heizanlage transportiert Das Gehäuse ist mit Wärmeöl gefüllt, kann aber auch einen Speicherkessel zur Warmwassererzeugung, bei spielsweise zur Versorgung eines .Schwimmbeckens bilden. Durch die große Wärniespeicherkapazität des Wärmeöls aber auch eines gut isolierten Wasserspeicherkessels mit großem fassungsvermögen, kann zur Aufheizung des Wärmeöls bzw. des Warmwasser« der verbilligte Ndchtstromtarif ausgenutzt werden.

Bei dieser nach Art einer Wärmepumpe arbeitender Heizanlage wird die Differenziell;··.; jtur zwischen der Siedetemperatur des Kältemittels und der Temperatur der Außenluft von dem Verdampfer in nutzbringende Wärme umgewandelt. Gleichzeitig wird aber auch in dem Verdampfer die durch das Kiihlöl des Motor; abgeführte Motorverlustwärmc ebenfalls in nutzbrin genHo Wärme umgewandelt. Nach der Kompression durch den Kompressor 1 wird das Kältemittel den Kondensator zugeführt, wobei es seine Wärme an da« de. Kondensator umspülende Wärmeöl abgi¹»'. Dabe wird letzteres auf eine Temperatur bis etwa 70⁰C erwärmt. Über das Expansionsventil gelangt das abgekühlte Kältemittel wieder in den Verdampfer, wo der beschriebene Vorgang von nei^;cn; einsetzt. Das aufgeheizte Wärmeöl gibt seine Wärme an das in den Heizschlangen des Leitungssystems befindliche Wärmetransportmittel ab, das in üblicher Weise diese Wärme zur Heizung und zur Bildung von Warmwasser einem Wohn- oder Nutzungsbereich zuführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Kältemaschine mit einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Kondensator für ein Kältemittel und einem den Verdichter antreibenden gekühlten Induktionsmotor, dessen Stator und Rotor dicht umschließendes Gehäuse vollständig mit einem Kühlmedium gefüllt ist, das in einem geschlossenen Kühlkreislauf umgewälzt und in einem im Kühlkreislauf angeordneten Kühler mittels des von dem Kühlmedium getrennten Kältemittels rückgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium eine isolierende Kühlflüssigkeit, insbesondere öl, ist und Kühler (14) und Verdampfer (17) in einer einen gegenseitigen Wärmeaustausch ermöglichenden räumlichen Zuordnung stehen.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (17) in einem mit der Außenluft in Verbindung stehenden, als Kältetransportmittel fungierenden Luftstrom angeordnet und der Kondensator von einem isolierenden Gehäuse umgeben ist, das von Heizschlangen eines Leitungssystems durchzogen ist, in welchem ein Wärmetransportmittel umläuft

3. Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kondensator umgebende isolierende Gehäuse mit Wärmeöl gefüllt ist.

4. Kältemaschine nach Acjpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kondensator umgebende isolierende Gehäuse einen Wasserspeicher bildet.