DE3139460C1

DE3139460C1 - Kälte- oder Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE3139460C1
Application number: DE19813139460
Authority: DE
Inventors: Frans Karl 6430 Nordborg Eggert
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1981-10-03
Filing date: 1981-10-03
Publication date: 1983-06-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Anlage dieser Art (DE-OS 25 02 158) wird die Bypaßleitung durch eine Druckausgleichsöffnung gebildet, die unmittelbar vom Bypaßventil verschlossen werden kann. Als Steuervorrichtung dient ein Bimetallglied mit Heizwicklung, die gleichzeitig mit dem Motor des Verdichters eingeschaltet werden kann. Die Druckausgleichsöffnung verhindert, daß der Verdichter gegen einen im Druckraum des Verdichters vorher aufgebauten Druck anläuft. Das Bypaßventil schließt selbsttätig nach der Anlaufphase.

Bei einer ähnlichen bekannten Anlage (FR-OS 22 33 573) befindet sich die Bypaßleitung außerhalb der Kapsel zwischen Druckleitung und Saugleitung. Das Bypaßventil wird durch einen Elektromagneten betätigt, der beim Einschalten des Verdichtermotors erregt und mit einer strom- oder spannungsabhängigen Verzögerung entregt wird.

Beide Konstruktionen erlauben zwar einen erleichterten Anlauf des Verdichtermotors, lösen aber nicht das folgende Problem: Bei Anlagen mit hermetisch gekapseltem Motorverdichter, bei denen der Innenraum der Kapsel unter Saugdruck steht, kann es geschehen, daß alle Teile die gleiche Temperatur annehmen oder der Verdichter sogar eine geringere Temperatur hat als der Verdampfer. Dies gilt beispielsweise bei Wärmepumpenanlagen, bei denen der Verdampfer in der Außenluft angeordnet ist, oder bei Kälteanlagen, bei denen der Verdampfer elektrisch abgetaut wird oder — wie bei der Milchkühlung — mit warmem Wasser gereinigt werden muß. In diesen Fällen kann sich flüssiges Kältemittel — in Extremfällen die gesamte Kältemittelmenge der Anlage — in' der Kapsel sammeln, so daß sich ein flüssiges Kältemittel-Öl-Gemisch ergibt. Wenn der Verdichter eingeschaltet wird, sinkt der Druck im Saugraum unter den Stillstandsdruck, sei es, weil keine Bypaßleitung vorhanden ist, die Bypaßleitung nur Überdrücke im Druckraum reduzieren soll oder gleich nach dem Anlauf geschlossen wird. Unter dem Einfluß des Saugdrucks schäumt das Gemisch auf. Wenn der Schaum zur Ansaugöffnung gelangt, treten Teile des flüssigen Gemische in den Verdichter ein, wodurch Schäden, insbesondere an den Ventilen, auftreten können.

Es ist ferner eine Kälteanlage bekannt (US-PS 31 30 558), bei der die Druckseite des Verdichters über eine Bypaßleitung mit der Saugseite verbunden ist. In dieser ist ein als Magnetventil ausgebildetes Bypaßventil vorgesehen, das durch einen Differenzthermostaten von der Überhitzung des Sauggases, also der Differenz zwischen der Verdampfertemperatur, dargestellt durch den Verdampferdruck, und der Sauggastemperatur, gemessen an der Außenseite der Saugleitüng, gesteuert wird. Sinkt diese Überhitzung unter einen vorgegebenen Wert, öffnet das Bypaßventil, um dem Sauggas einen Teil des heißen Druckgases .zuzumischen und dadurch die Gefahr zu vermindern, daß das Sauggas flüssigen Kältemittelteile enthält, welche zu Schäden im Verdichter führen können. Hierbei ist die zurückgeführte Druckgasmenge so klein zu halten, daß der Normalbetrieb der Anlage nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Über den Aufbau des Verdichters ist in dieser Literaturstelle nichts ausgesagt. . .

Es gibt auch Anlagen (US-PS 42 08 883, US-PS 40 04 431), bei denen das flüssige Kältemittel mit Hilfe einer zusätzlichen Heizvorrichtung aus dem ölsumpf ausgetrieben wird. Immer dann, wenn die Temperatur des Ölsumpfes sich unterhalb eines vorgegebenen Wertes befindet, wird entweder die Heizvorrichtung eingeschaltet oder die Verdichtermotor abgeschaltet

bzw. nicht in Betrieb gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anlage der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der Gefahren durch Aufschäumen des Kältemittel-ÖI-Gemisches auf einfache Weise praktisch vollständig vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1.

Bei dieser Anordnung sorgt die beim Start des Verdichters voll geöffnete Bypaßleitung dafür, daß der Druck auf der Saugseite nicht oder nur wenig absinkt und daher das Aufschäumen des Kältemittel-Öl-Gemischs ganz oder weitgehend vermieden wird. Das in der Kapsel befindliche Gemisch wird durch die dem

Anspruch 5 mit einem Temperaturfühler gearbeitet. Auch hier erfolgt die Öffnung des Bypasses bedarfsabhängig. Wenn die Verdichtertemperatur über der Verdampfertemperatur liegt, ist sichergestellt, daß sich im Verdichtergehäuse kein flüssiges Kältemittel mehr befindet. Darüber hinaus ist diese Temperatursteuerung erschütterungsunabhängig. Sie ermöglicht daher einen sehr zuverlässigen Betrieb.

Es ist nicht notwendig, den Fühler für die Verdichtungstemperatur im Innern der Flüssigkeit anzubringen. Es reicht für die praktischen Zwecke aus, den Fühler gemäß Anspruch 6 außen an der Kapsel vorzusehen. Des weiteren kann ein Fühler gemäß Anspruch 7 für die Verdampfertemperatur außen am Verdampfer ange-

Verdichter zugeführte Leistung erwärmt. Beispielsweise 15 bracht werden. So angebrachte Fühler erfordern keinen

entsteht Wärme in den Wicklungen des elektrischen Antriebsmotors, durch Reibung u. dgl. Hierdurch wird das Kältemittel unter konstantem Druck aus dem Öl herausgekocht, ohne daß ein störendes Aufschäumen auftritt. Schon nach kurzer Zeit ist die Kapsel frei von flüssigem Kältemittel, so daß das Bypaßventil geschlossen werden kann. Alsdann arbeitet die Anlage normal.

Es besteht sogar die Möglichkeit, die Kältemittelmenge der Anlage so groß zu wählen, daß bei Akkumulie-Eingriff in das Kältesystem. Diese Anordnung eignet sich daher auch für den nachträglichen Einbau in eine Kälteanlage.

Des weiteren ist es gemäß Anspruch 8 in manchen Fällen empfehlenswert, wenn die Bypaßleitung von der Druckseite des Verdichters nicht direkt zur Saugleitung, sondern zum Eingang des Verdampfers führt. Sobald das geförderte gasförmige Kältemittel eine höhere Temperatur als der Verdampfer hat, kann es dort

rung in der Kapsel der Füllstand bis dicht unter die 25 kondensieren, so daß die Kapsel rascher vom flüssigen

Ansaugöffnung des Verdichters reicht. Während man bisher gezwungen war, zwischen dem genannten Füllstand und der Ansaugöffnung einen erheblichen Sicherheitsabstand zu halten, damit die Gefahren des Aufschäumens wenigstens einigermaßen gering gehalten werden konnten, ist es nunmehr möglich, bei einer Anlage mit vorgegebenen Kapselabmessungen eine größere Kältemittelmenge einzufüllen. Solche Anlagen können dann auch noch unter extremen Betriebszuständen arbeiten. Insbesondere kann man bei einer Wärmepumpenanlage einen Verdichter passender Leistung mit entsprechend bemessener Kapsel anwenden, auch wenn wegen langer Wege zwischen Verdichter, Verdampfer und Kondensator eine größere Kältemittelmenge eingefüllt werden muß.

Bei einer ersten Ausführungsform weist die Steuervorrichtung einen Zeitgeber gemäß Anspruch 2 auf. Versuche haben gezeigt, daß eine Verzögerungszeit von etwa zwei Minuten auch unter extremen Bedingungen, Kältemittel befreit wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

so F i g. 1 eine Anlage mit durch eine Temperaturdifferenz gesteuertem Bypaßventil,

Fig.2 eine Anlage mit einem zeitgesteuerten Bypaßventil,

Fig. 3 eine Anlage mit einem füllstandsgesteuerten J5 Bypaßventil und

Fig.4 schematisch einen Schnitt durch einen hermetisch gekapselten Motorverdichter.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 weist die Kälteanlage einen Verdichter 1, der von einer hermetisch abgeschlossenen Kapsel 2 umgeben ist, einen Kondensator 3, einen Sammler 4, ein Expansionsventil 5 und einen Verdampfer 6 auf, wobei das Expansionsventil, das thermostatisch von einem Fühler 7, der die Sauggastemperatur mißt, gesteuert wird. Eine

also wenn die bisher erlaubte Kältemittelmenge um 45 Bypaßleitung 8 mit einem als Magnetventil ausgebilde-

50%, 80% oder mehr überschritten ist, ausreicht, um die Kapsel von flüssigem Kältemittel zu befreien.

Eine zweite Lösung arbeitet nach Anspruch 3 mit einer Flüssigkeitsstand-Überwachung in der Kapsel.

ten Bypaßventil 9 verbindet die Druckleitung 10 am Ausgang des Verdichters mit der Saugleitung 11 am Eingang des Verdichters. Das Bypaßventil 9 wird von einer Steuervorrichtung 12 gesteuert, die mit einem

Hierfür gilt als zusätzlicher Vorteil, daß die Bypaßlei- 50 außen an der Kapsel 2 angebrachten Fühler 13, einem

tung nur dann geöffnet wird, wenn dies beim Start des Verdichters tatsächlich notwendig ist, also wenn der Flüssigkeitsstand infolge des Vorhandenseins von flüssigem Kältemittel in der Kapsel über dem vorgegebenen Wert liegt. Darüber hinaus wird die Öffnungszeit der Bypaßleitung dem Bedarf angepaßt Sie kann daher im Einzelfall wesentlich kürzer als eine fest vorgegebene Verzögerungszeit gehalten werden.

Besonders zweckmäßig ist die Anordnung nach Anspruch 5 mit einem Zweipunkt-Signalgeber. Dieser Signalgeber, der auch eine Hysterese aufweisen kann, gibt bei einem oberhalb des vorgegebenen Werts liegenden Flüssigkeitsstand ein erstes Signal und bei einem unterhalb davon liegenden Flüssigkeitsstand ein zweites Signal ab. Diese Signale können durch einfache logische Verknüpfung direkt zur Steuerung eines Magnetbypaßventils benutzt werden.

Bei einer dritten Ausführungsform wird gemäß am Verdampfer 6 anliegenden Fühler 14 und den elektrischen Zuleitungen 15 und 16 verbunden sind. Der Fühler 13 mißt eine Temperatur, die recht genau mit der Temperatur der Flüssigkeit in der Kapsel 2 übereinstimmt. Wenn diese Temperatur etwa gleich der vom Fühler 14 gemessenen Verdampfertemperatur oder kleiner ist, gibt die Steuervorrichtung 12 an das normalerweise geschlossene Bypaßventil 9 einen Öffnungsbefehl ab, sofern die Zuleitungen 15 und 16 an Spannung U liegen, also ein Thermostatschalter 17 in der Zuleitung geschlossen ist.

In Fig.4 ist der Verdichter 1 in seiner Kapsel 2 genauer dargestellt Es handelt es sich um einen Motorverdichter mit einem Motorteil 18 und einem Verdichterteil 19. Diese Einheit ist über Federn 20 in der Kapsel 2 aufgehängt. Eine Ansaugöffnung 21 befindet sich im Gasraum 22 der Kapsel. Ein Druckrohr 23 führt vom Verdichterausgang zur Druckleitung 10. In der

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Kapsel befindet sich ein Ölsumpf 24, in den eine Schmierölfördervorrichtung 25 des Verdichters 1 eintaucht. Im Betrieb hat der Füllstand der Flüssigkeit die Höhe Ai; der darüber befindliche Innenraum der Kapsel bildet den Gasraum. Normalerweise durfte die ^r> Anlage lediglich soviel Kältemitte enthalten, daß bei vollständiger Akkumulierung in der Kapsel 2 die Füllstandshöhe A₂ erreicht wird. Der darüber befindliche Abstand 5 bis zur Ansaugöffnung 21 diente als Sicherheitsabstand, um trotz Aufschäumens des Kälte- ι ο mittel-Öl-Gemischs die Öffnung 21 von diesem Gemisch freizuhalten. Nunmehr ist es möglich, die Kältemittelmenge der Anlage so weit zu erhöhen, daß bei vollständiger Akkumulierung in der Kapsel die Füllstandshöhe A₃ erreicht wird. Die genauen Werte der r, Höhen Ai, A₂ und A₃ hängen von der Bauhöhe des Verdichters ab. Der verbleibende Abstand a bis zur Ansaugöffnung 21 kann jedoch sehr klein sein. Während bisher ein Sicherheitsabstand s=75mm oder mehr eingehalten werden mußte, kann nunmehr der Abstand a=20 mm oder sogar noch weniger betragen.

Im Betrieb ergibt sich die folgende Funktionsweise. Es sei angenommen, daß in der Kapsel 2 sich nach einer längeren Stillstandszeit nicht nur Öl, sondern auch flüssiges Kältemittel gesammelt hat. Dann ist die vom Fühler 13 gemessene Temperatur nicht höher als diejenige des Fühler 14. Wird nun der Thermoschalter 17 eingeschaltet, so erhält das Magnetventil 9 den Öffnungsbefehl gleichzeitig mit dem Start des Verdichters 1. Da der Widerstand der Bypaßleitung 8 verhältnismäßig klein ist, wird praktisch das gesamte verdichtete Kältemittel über die Bypaßleitung zur Saugleitung 11 zurückbefördert. Die durch die dem Verdichter 1 zugeführte Leistung entstehende Wärme dient der Aufheizung der Flüssigkeit und der Verdampfung des darin befindlichen Kältemittels. Da die gesamte Anlage aufgrund der Bypaßleitung 8 etwa auf dem gleichen Druckniveau sich befindet, kondensiert das verdampfte Kältemittel an der kältesten Stelle der Anlage, die nicht im Bereich des Verdichters 1 liegt, weil dort Wärme erzeugt wird. Hierbei wird ein Aufschäumen weitgehend vermieden, weil wegen der Bypaßleitung 8 eine starke Absenkung des saugseitigen Drucks vermieden wird. Das Auskochen erfolgt unter konstantem Druck, wenn der Verdampfer die gleiche Tempera-

tür wie der Verdichter hat. Wenn die Temperatur des Verdampfers höher ist als diejenige des Verdichters erfolgt das Auskochen bei dem der Verdampfertemperatur entsprechenden Sättigungsdruck. Wenn das gesamte flüssige Kältemittel verdampft ist, steigt die vom Fühler 13 gemessene Temperatur und das Bypaßventil 9 schließt. Je nach der Menge, des in der Kapsel 2 enthaltenen Kältemittels erfolgt dieses Schließen nach wenigen Sekunden oder längstens innerhalb von zwei Minuten. Dann beginnt der normale Betrieb der Kälteanlage, ohne daß eine Gefährdung des Verdichters durch flüssiges Kältemittel zu befürchten ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig.2 werden für entsprechende oder gleiche Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Unterschiedlich ist im wesentlichen, daß die Steuervorrichtung 112 lediglich ein Zeitglied t enthält, das das Bypaßventil 109 beim Start des Verdichters 101 für zwei Minuten öffnet,"und daß die Bypaßleitung 108 am Eingang des Verdampfers 106 in die Saugseite mündet.

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 werden für gleiche oder entsprechende Teile um 200 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Unterschiedlich gegenüber F i g. 1 ist lediglich, daß die Steuervorrichtung 212 von einem Signalgeber 218 mit Zweipunktverhalten beeinflußt wird. Das erste Signal wird abgegeben, wenn ein zugehöriger Flüssigkeitsstandsfühler 219 im Innern der Kapsel 202 von der Flüssigkeit 220 vollständig benetzt ist, ein zweites Signal dagegen, wenn dieser Fühler 219 mit der Flüssigkeit 220 nicht mehr in Berührung steht. Bei Benetzung gibt die Steuervorrichtung an das Bypaßventil 209 ein Öffnungssignal ab, solange Spannung an den Verdichter 201 gelegt ist.

Der Fühler 14 kann auch dadurch ersetzt werden, daß der Verdampferdruck gemessen wird. Der Fühler 13 kann auch im Innern der Kapsel 2, insbesondere im Ölsumpf angeordnet sein. Der Fühler 219 kann beispielsweise ein elektrisches Bauelement sein, das unter dem Einfluß der Benetzung sein Widerstandsverhalten ändert. Der Flüssigkeitsstand kann aber auch mit Hilfe eines Schwimmers festgestellt werden. Das Prinzip läßt sich auch bei Verdichtern anwenden, von denen nur Teile gekapselt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kälte- oder Wärmepumpenanlage mit einem Verdichter, der mindestens teilweise in einer einen Ölsumpf aufweisenden Kapsel angeordnet ist und eine im Gasraum dieser Kapsel befindliche Ansaugöffnung besitzt mit einer von der Druckseite des Verdichters zur Saugseite führenden Bypaßleitung, die ein Bypaßventil aufweist, und mit einer Steuervorrichtung, die das Bypaßventil beim Start des Verdichters offenzuhalten und nach einer Verzögerungszeit zu schließen vermag, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypaßventil (9; 109; 209) zur annähernden Aufrechterhaltung des Still-Standsdrucks auf der Saugseite so bemessen ist, daß bei geöffnetem Bypaßventil im wesentlichen die gesamte vom Verdichter geförderte Kältemittelmenge direkt zur Saugseite strömt, und daß die Steuervorrichtung (12; 112; 212) das Bypaßventil erst schließt, wenn die Kapsel (2; 102; 202) frei von ' flüssigem Kältemittel ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (112) einen Zeitgeber (t) aufweist, der eine konstante Verzögerungszeit von etwa 2 min bestimmt.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (212) einen den Flüssigkeitsstand in der Kapsel (2; 102) feststellenden Fühler (219) aufweist und das Bypaßventil (209) beim Start des Verdichters (101) öffnet, wenn und solange der Flüssigkeitsstand über einem vorgegebenen Wert liegt.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (219) im Inneren der Kapsel (202) angeordnet ist und einen Signalgeber (218) mit Zweipunktverhalten steuert.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (12) Temperaturfühler (13, 14) aufweist und das Bypaßventil (9) beim Start des Verdichters (1) öffnet, wenn und solange die Temperatur im Flüssigkeitsraum der Kapsel (2) etwa gleich der Verdampfertemperatur oder kleiner ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fühler (13) für die Verdichtertemperatur außen an der Kapsel (2) angebracht ist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fühler (14) für die Verdampfertemperatur außen am Verdampfer (6) angebracht ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (108) von der Druckseite des Verdichters (101) zum Eingang des Verdampfers (106) führt.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelmenge so groß ist, daß bei Akkumulierung in der Kapsel (2; 102; 202) der Füllstand (h3) bis dicht unter die Ansaugöffnung (21) des Verdichters reicht.