DE3301304A1

DE3301304A1 - Kuehlanlage mit einem kompressor in spiralbauweise

Info

Publication number: DE3301304A1
Application number: DE19833301304
Authority: DE
Inventors: Sumihisa Kotani; Kensaku Oguni; Kazutaka Suefuji; Kenji Shimizu Tojo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1983-01-17
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE3301304C2; US4475360A; JPS58148290A

Description

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Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweise

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweiss, der mit einer Gaseinstrahleinrichtung versehen ist.

Ein Kompressor der Spiralbauweise besteht gewöhnlich aus einem Umlaufspiralelement mit einer Stirnplatte und einer Spiralwand, die längs einer Evolventenkurve oder einer einer Evolventenkurve angenäherten Kurve verläuft und nach oben von einer Seite der Stirnplatte vorsteht, und aus einem feststehenden Spiral· element, das eine Stirnplatte hat, die mit einer zentralen Abgabeöffnung und einer am Umfang befindlichen Saugöffnung versehen ist und eine Spiralwand aufweist, die zu der des Umlaufspiralelementes gleich ist und nach oben von der Stirnplatte vorsteht. Das Umlaufspiralelement und das feststehende Spiralelement sind so zusammengefügt, daß ihre Spiralwände ineinandergreifen. Sie sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, welches mit einem Saugrohr und einem Abgaberohr versehen ist.

Zwischen dem Umlaufspiralelement und dem Rahmen des Kompressors oder zwischen dem Umlaufspiralelement und dem feststehenden Spiralelement ist ein Oldham-Ring derart angeordnet, daß sich das Umlaufspiralelement nicht um seine eigene Achse drehen kann. Eine an dem Umlaufspiralelement angreifende Kurbelwelle bedingt eins Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes, ohne daß sich dieses um seine eigene Achse dreht, wodurch ein in den geschlossenen, von den Spiralelementen gebildeten Kammern eingeschlossenes Gas fortlaufend verdichtet und aus der Abgabeöffnung abgeführt wird. Ein Beispiel eines solchen Kompressors in Spiralbauweise ist in der US-PS 3 884 599 beschrieben.

Der Mengenstrom des von einem solchen Kompressor komprimierten Gases wird von dem spezifischen Volumen des in die Saugkammer angesaugten Gases, die zwischen zwei Spiralelementen ausgebildet ist, und von dem maximalen Einschlußvolumen bestimmt, das

sich ergibt, wenn die Saugkammer infolge der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes in eine Kompressionskammer umgewandelt wird. Da das maximale Einschlußvolumen feststeht, wird der Mengenstrom konstantgehalten, vorausgesetzt, daß das spezifische Volumen des Gases unverändert bleibt.

Bei der Klimatisierung ist über das Jahr gesehen der Heizbedarf im Winter größer als die erforderliche Kühlung im Sommer. Bei einer üblichen Wärmepumpenklimaanlage mit Kühlsystem ist das Verhältnis zwischen der Kühlkapazität und der Wärmskapazität nahezu eins, d. h. das Kühlungsvermögen und das Heizungsvermögen sind fast gleich. Das bedeutet, daß die Heizleistung im Winter immer zu gering ist. Um diesen Mangel an Heizleistung auszugleichen, wird gewöhnlich eine zusätzliche Wärmequelle vorgesehen, beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung, die die Klimaanlage für Heizzwecke im Winter unterstützt. In diesem Fall ist die Steigerung der Heizleistung gleich der Steigerung der zugeführten Energie. Das Energiewirkungsgradverhältnis ist deshalb kleiner als das, welches man erhält, wenn keine elektrische Heizeinrichtung benutzt wird.

Bekannt ist ein sogenanntes "Gaseinstrahlsystem", das zur Steigerung der Leistung einer Klimaanlage ohne zusätzliche Wärmequelle, wie einer elektrischen Heizeinrichtung, verwendet wird. Das Gaseinstrahlsystem besteht aus einem Kühlsystem mit einem Rotationskompressor, einem Kühlsystem mit einem Schraubenkompressor und dergleichen.

Dabei ist stromab vom Kondensator eines Kühlsystems ein erstes Expansionsventil angeordnet. Mit der stromab gelegenen Seite des ersten Expansionsventils ist ein Gas-Flüssigkeits-Separator verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Separator hat einen Gasauslaß und einen Flüssigkeitseinlaß. Mit der stromab gelegenen Seite des Flüssigkeitsauslasses des Gas-Flüssigkeits-Separators ist ein zweites Expansionsventil verbunden. Die Auslaßseite des zweiten Expansionsventils ist mit einem Verdampfer verbunden.

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Der Gasauslaß ist seinerseits mit einer Gaseinstrahlöffnung verbunden, welche in eine Kompressionskammer während ihrer Kompression mündet. Demzufolge wird der Druck in dem Gas-Flüssigkeits-Separator auf einem Zwischenwart zwischen dem Saugdruck und dem Abgabedruck gehalten.

Bei einem solchen Gaseinstrahlsystem sind zwei Kühlmittelkreisläufe vorgesehen. Einmal ein Kreislauf, der von einem Kompressor ausgeht und dort endet, und zwar über den Kondensator, einen ersten Druckminderer, einen Gas-Flüssigkeits-Separator, einen zweiten Druckminderer und den Verdampfer. Der zweite Kreis besteht ausgehend vom Kompressor bis zum Gas-Flüssigkeits-Separator aus dem ersten Kreis und zweigt dort vom ersten Kreis am Separator ab und führt zum Kompressor.

Bei dem Gaseinstrahlsystem wird die abgezogene Wärmemenge im Verdampfer aufgrund der großen Enthalpiedifferenz des Kühlmittels zwischen dem Einlaß und Auslaß des Verdampfers gesteigert, während im Kondensator die Wärmeabgabe aufgrund der Steigerung des Kühlmittelmengenstroms erhöht wird. Somit erhöht das Gaseinstrahlsystem wirksam sowohl die Heizleistung als auch die Kühlleistung.

Bei dem Gaseinstrahlsystem erfolgt die Steigerung der Kompressionsarbeit aufgrund einer Erhöhung des Kühlmittelmengenstroms nur auf einem Teil der gesamten Kompressionsarbeit, d. h. von einem Punkt zwischen der Kompression bis zum Ende der Abgabe. Diese Steigerung ist viel geringer als die Steigerung der Kompressionsarbeit, die sich bei einem Einstufenkompressor ergeben würde, wenn die Einstrahlung des zusätzlichen Kühlmittels am Beginn der Kompression ausgeführt würde. Das bedeutet, daß das Gaseinstrahlsystem in vorteilhafter Weise eine Steigerung des Energiewirkungsgradverhältnisses bietet. Im Gegensatz zur elektrischen Heizeinrichtung ist die Leistungssteigerung, die die Gaseinstrahlung bietet, nicht nur im Heizvorgang, sondern auch im Kühlvorgang erreichbar. Es ist

deshalb möglich, nach dem Anlauf des Kühlvorgangs eine zeitlang die Gaseinstrahlung auszuführen, um das Kühlen in dem Zeitraum unmittelbar nach dem Anlauf der Klimaanlage zu beschleunigen.

Wenn das Gaseinstrahlsystem bei einem Kompressor verwendet wird, der einen Zyklus durch eine Drehung vollendet, wie dies beispielsweise bei einem Rotationskompressor oder einem Schraubenverdichter der Fall ist, ist die Steigerung des Drucks in der Kompressionskammer so groß, daB die Gaseinstrahlung nur während eines begrenzten Zeitraums gewährleistet ist. Um die Gaseinstrahlung mit einer größeren Menge zu bewirken, ist es deshalb erforderlich, für die Einstrahlöffnung eine große Fläche vorzusehen. Die Steigerung der Fläche der Einstrahlöffnung bedeutet jedoch eine Steigerung des Spaltvolumens der Kompressionskammer, wodurch der interene Verlust an Gas steigt, der einen nachteiligen erhöhten Leistungsverlust ergibt.

Bei dem Rotationskompressor öffnet sich die Einstrahlöffnung im gesamten Bereich des Kompressionshubs, so daß es erforderlich ist, eine geeignete Einrichtung zu verwenden, die den Rücklauf des Kühlmittels aus der Kompressionskammer verhindert oder den Einstrahlzeitraum derart begrenzt, daß eine Einstrahlung während des Zeitraums, in welchem der Innendruck der Kompressionskammer den Einstrahldruck übersteigt, unterbunden ist.

Bisher wurde die Anwendung der Gaseinstrahlung bei einem Kühlsystem mit einem Spiralverdichter nicht in Betracht gezogen, obwohl das 3P-GM 85 8o7/81 ein Flüssigkeitseinspritzsystem zeigt, das dem Gaseinstrahlsystem ähnlich ist und bei einem Kühlsystem mit einem Spiralkompressor verwendet wird. Dieses bekannte Flüssigkeitseinspritzsystem dient jedoch dazu, den Kompressor durch Einführen von flüssigem Kühlmittel in die Kompressionskammer unter Kompression zu Kühlen, um dadurch den Temperaturanstieg in den Motorwicklungen und dem Öl zu unterdrücken, um eine Zersetzung und ein Heißlaufen der Lager zu verhindern.

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Als Ergebnis der Flüssigkeitseinspritzung wird die Abgabemenj erhöht, die gesamte Heizleistung wird jedoch nicht verändert, da die Kühlmittelenthalpie am Kondensatoreinlaß abgesenkt wii Die Verdampferseite ist im Aufbau identisch zu der eines Gbliehen Kühlkreislaufes. Die Kühlleistung entspricht der eines üblichen Kühlsystems. Bei dem Flüssigkeitseinspritzsystem ergibt sich jedoch das Problem, daß das Energiewirkungsgradverhältnis aufgrund einer Steigerung der Eingabe in den Kom-■pressor verringert wird.

Aus dem JP-GM 81 513/79 ist ein Kompressor in Spiralbauweise bekannt, bei welchem ein Teil des aus der Abgabeöffnung des Kompressors abgeführten Gases, das dann gekühlt wird, zu einei Druckminderer geführt wird, der den Druck des gekühlten Gases auf einen Zwischendruck reduziert. Das Gas mit dem Zwischendruck wird dann in das Gehäuse des Kompressors eingeführt, um auf das umlaufende Spiralelement eine axiale Druckkraft auszuüben. Zusätzlich .ist in dem feststehenden Spiralelement oder in dem umlaufenden Spiralelement eine Einstrahlöffnung vorgesehen, die mit dem Gehäuse in Verbindung steht. Durch diese Einstrahlöffnung wird in den geschlossenen Raum, der zwischen den Spiralwänden des Umlaufspiralelementes und des feststehenden Spiralelementes gebildet wird, Gas eingestrahlt und dadurch die Lagerung und die Rückseite des Umlaufspiralelementes sowie der Antriebsmotor gekühlt. Die Einstrahlung des Gases bei diesem Kompressor dient jedoch nicht dazu, die Heizleistung oder Kühlleistung zu steigern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, für eine Wärmepumpenklimaanlage eine Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweise zu schaffen, bei der ein Gaseinstrahlsystem zur Steigerung der Heiz- und Kühlleistung verwendet wird, so daß die Anlage mit unterschiedlichen optimalen Leistungen beim Kühlen und Heizen betrieben werden kann, indem eine Gaseinstrahlung nur beim Heizvorgang gewährleistet wird, um die Heizleistung zu erhöhen. Dabei soll eine große

Steigerung der Kühlleistung und Heizleistung bei geringer Steigerung der Eingangsleistung erreicht werden, um dadurch ein höheres Energiewirkungsgradverhältnis zu erhalten..

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wit einer Kühlanlage gelöst, welche einen Kompressor in Spiralbauweise aufweist, in welchem eine Gaseinstrahlöffnung in dem Abschnitt der Stirnplatte des feststehenden Spiralelementes, das eine Kompressionskammer unter Kompression bildet, an einer Stelle in der Nähe der Oberfläche der Spiralwand ausgebildet ist. Die Gaseinstrahlöffnnng ist insbesondere an einer Position ausgebildet, die sich in einem Abstand von der Oberfläche der Spiralwand befindet, der kleiner ist als die Stärke der Spiralwand. Der Kompressor in Spiralbauweise ist mit einem Vierwegeventil, einem im Raum befindlichen Wärmetauscher, dem Innenwärmetauscher, einem ersten Expansionsventil, einem Gas-Flüssigkeitsseparator, einem zweiten Expansionsventil und einem außerhalb des Raums befindlichen Wärmetauscher, dem Außenwärmetauscher, verbunden, wodurch ein Kühlkreislauf gebildet wird. Zur Verbindung des Gasauslasses des Gas-Flüssigkeits-Separators des Kühlmittelkreislaufes mit der Gaseinstrahlöffnung ist ein Gaseinstrahlkanal vorgesehen, wodurch das Einstrahlen des Kühlmittelgases, das im oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators gespeichert ist, in die unter Kompression stehende Kompressionskammer gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, ein Gaseinstrahlsystem bei einer Kühlanlage zu verwenden, die einen Kompressor in Spiralbauweise aufweist. Dadurch wird der Mengenstrom des Kühlmittels durch den Kondensator sowohl beim Kühlvorgang als auch beim Heizvorgang gesteigert, so daß die Wärmeabgabe vergrößert ist, um die Heizleistung und Kühlleistung zu erhöhen.

Der Kompressor in Spiralbauweise schließt einen Kompressionszyklus in mehreren Drehungen ab, so daß die Drucksteigerung vergleichsweise gering ist. Das bedeutet, daß der Druck in

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der Kompressionskammer während eines längeren Zeitraums als bei den anderen Kompressoren unter dem Einstrahldruck gehalten wird. Zusätzlich kann die Einstrahlöffnung in Verbindung mit der Kompressionskammer während eines langen Zeitraums von etwa einer Drehung gehalten werden. Aus diesem Grund ist es möglich, ein wirksames Einstrahlen zu bewirken, auch wenn die Einstrahlöffnung eine kleine Fläche hat. Die kleine Querschnittsflache der Einstrahlöffnung verringert ihrerseits das Spaltvolumen um die öffnung herum, so daß der interne Gasverlust ebenfalls verringert wird. Dies hat zur Folge, daß eine unrentable Kompression ausgeschlossen und eine merkliche Steigerung des Nutzungsgrades der Energie erreicht werden.

Da der Gas-Flüssigkeits-Separator zwischen dem ersten und dem zweiten Expansionsventil angeordnet ist, ist der Druck im Gas-Flüssigkeits-Separator höher als der Ansaugdruck. Deshalb wird das in dem oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators gespeicherte gasförmige Kühlmittel in die Kompressionskammer eingestrahlt, die gerade die Ansaugöffnung freigegeben hat und somit einen ausreichend niedrigen Innendruck aufweist. Aufgrund der Drbitalbewegung des Umlaufspiralelementes steigt der Druck in der Kompressionskammer allmählich an. Wenn er den Einstrahldruck überschreitet, wird die Gaseinstrah! öffnung von der Kompressionskammer getrennt, so daß die Einstrahlung des Gases in diese Kompressionskammer aufhört. Die Einstrahlöffnung steht mit der nächsten Kompressionskammer in Verbindung. Da die Kompressionskammer mit der Gaseinstrahlöffnung nur dann in Verbindung steht, wenn der Druck in der Kompressionskammer niedrig ist, ist es nicht erforderlich, einen speziellen Mechanismus vorzusehen, der das Rückströmen von Kühlmittel in den Einstrahlkanal verhindert. ■

Es ist möglich, die Heizleistung verglichen mit der Kühlleistung zu steigern und somit das Verhältnis von Heizung zu Kühlung zu verbessern, wenn die Anordnung so getroffen wird, daß der Einstrahlkanal während des Heizens geöffnet ist, um das Einstrahlen des gasförmigen Kühlmittels aus dem Gas-

Flüssigkeits-Separator zu ermöglichen, während beim Kühlen der Einstrahlkanal geschlossen ist, um die Einstrahlung abzusperren.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 ein Wärmepumpenkühlsystem mit einer ersten Ausführungsform einer Gaseinstrahleinrichtung, wobei ein Kompressor der Spiralbauweise im Schnitt zusammen mit einem angeschlossenen Kühlkreislauf gezeigt ist,

Fig. 2 den Schnitt H-II von Fig. 1,

Fig. 3 in einer Einzelheit im Schnitt ein mit einer Gaseinstrahlöffnung gemäß Fig. 1 versehenes Spiralelement,

Fig. 4 einen Schnitt wie Fig. 2 durch ein Spiralelement mit einer zweiten Ausführungsform der Einstrahlöffnung,

Fig. 5 in einer Einzelheit im Schnitt ein Spiralelement mit einer dritten Ausführungsform einer Einstrahlöffnung,

Fig. 6 in einer Einzelheit im Schnitt ein Spiralelement mit einer Einstrahlöffnung, welche einen Mechanismus zur Verhinderung eines Rückstroms aufweist, und

Fig. 7 vergrößert den Mechanismus zur Verhinderung des Rückstroms.

Fig. 1 und 3 zeigen ein Kühlsystem, das mit einer ersten Ausführungsform eines Kompressors der Spiralbauweise gemäß der Erfindung versehen ist. Der in Fig. 1 gezeigte Kompressor in Spiralbauweise hat ein geschlossenes Gehäuse 1, welches einen Kompressorabschnitt 2 und einen Motorabschnitt 3 aufnimmt.

Der Kompressorabschnitt 2 hat ein feststehendes Spiralelement 5 und ein · Umlaufspiralelement 6, die miteinander unter Bildung von dazwischenliegenden Kompressionskammern 9 zusammenwirken. Das feststehende Spiralelement 5 hat eine scheibenförmige Stirnplatte 5a und eine Spiralwand 5b, die längs einer Evolventenkurve oder einer einer Evolvente angenäherter Kurve ausgebildet ist und nach oben von einer Seite der Stirnplatte 5a vorsteht. Im Mittelabschnitt des feststehenden Spiralelementes 5 ist eine Abgabeöffnung 1o, im Umfangsabschnitt eine Ansaugöffnung 7 ausgebildet. Das Umlaufspiralelement B hat eine scheibenförmige Stirnplatte 6a und eine Spiralwand 6b, welche die gleiche Form wie die Spiralwand des feststehenden Spiralelementes 5 hat und nach oben von der Stirnplatte 6a vorsteht. Auf der der Spiralwand 6b gegenüberliegenden Seite der Stirnplatte 6a ist ein runder Vorsprung 6c ausgebildet.

Ein Rahmen 11 trägt ein zentrales Lager 11a, in welchem eine Kurbelwelle 4 drehbar gelagert ist. Der Kurbelzapfen 4a an dem Ende der Kurbelwelle ist drehbar in dem runden Vorsprung 6c aufgenommen.

Das feststehende Spiralelement 5 ist an dem Rahmen 11 durch eine Vielzahl von Bolzen befestigt. Das Umlaufspiralelement 6 wird vom Rahmen 11 über einen Oldham-Mechanismus 12 getra- · gen, der aus einem Dldham-Ring und einem Oldham-Keil besteht, so daß das Umlaufspiralelement 6 eine Umlaufbewegung bezüglich des feststehenden Spiralelementes 5 ausführen kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen.

Der Motorabschnitt 3 weist einen Elektromotor auf, dessen Drehwelle 4b direkt mit dem unteren Ende der Kurbelwelle 4 verbunden ist.

In der Stirnplatte 5a des feststehenden Spiralelementes 5 sind Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b ausgebildet. Mit den

Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b ist ein durch die Wand des geschlossenen Gehäuses 1 hindurchgehendes Gaseinstrahlrohr 16 verbunden.

Durch die Wand des geschlossenen Gehäuses 1 erstreckt sich ein Ansaugrohr 17, das mit der Saugöffnung 7 des feststehenden Spiralelementes 5 verbunden ist. Über ein Abgaberohr 19, welches sich durch die Wand des geschlossenen Gehäuses 1 erstreckt, ist eine Abgabekammer 1a angeschlossen, in welche die Abgabeöffnung 1o mündet.

Wenn in Betrieb die Kurbelwelle 4 vom damit direkt verbundenen Motor 3 in Drehung versetzt wird, führt der Kurbelzapfen 4a eine exzentrische Drehung aus, welche eine Umlaufbewegung des UmlaufSpiralelementes 6 über den runden Ansatz 6c verursacht. Infolge dieser Umlaufbewegung bewegt sich die Kompressionskammer allmählich zur Mitte unter Reduzierung ihres Volumens hin. Inzwischen wird Gas in die Saugkammer 8 über das Saugrohr 17 und dann durch die Saugöffnung 7 angesaugt und in der Kompressionskammer komprimiert. Das komprimierte Gas wird durch die Abgabeöffnung 1o in die Abgabekammer 1a und weiter zur unteren Kammer 1b über den Kanal 18 gefördert. Das Gas wird schließlich aus dem Kompressor über das Abgaberohr 19 abgeführt.

Die Positionen der Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b sind in Fig. 2 gezeigt. Die eine Gaseinstrahlöffnung 15a ist an einer Stelle ausgebildet, die vom äußeren Umfangsende 1o5a der Innenfläche der Spiralwand 5b des feststehenden Spiralelementes aus nach innen in einem Abstand, der gleich oder größer als ein Gang der Spiralwand bzw. Hülle ist, in dem Abschnitt der Stirnplatte angrenzend an die Fläche der Spiralwand angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform hat die Gasein strahlöffnung 15a die Form eines Kreises. Der Abstand zwischen diesem Loch und dem äußeren Umfangsende 1o5a der Innenfläche der Spiralwand 5b ist gleich einem Gang bzw. einer Teilung

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bzw. einer Steigung der Spiralwand. Die andere Gaseinstrahlöffnung 15b hat ebenfalls die Form eines Kreises in einem Abschnitt der Stirnplatte angrenzend an die Spiralwand an einer Stelle, die von dem äußeren Umfangsende 5b der Außenfläche der Spiralwand 6b des feststehenden Spiralelementes 5 aus nach innen in einem Abstand angeordnet ist, der gleich ode größer als ein Gang der Spiralwand ist (bei der gezeigten Ausführungsform ist der Abstand einem Gang der Spiralwand gleich) Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind die Durchmesser der Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b so gewählt, daß der Abstand . zwischen der Fläche der Spiralwand 5b und den Rändern 15a' und 15b' der öffnungen in der radialen Richtung der Stirnplatte kleiner als die Stärke der Spiralwand Bb ist.

Die Einstrahlöffnung 15a mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau wird in Verbindung mit der Kompressionskammer 9a gebracht, unmittelbar nachdem der Kontaktpunkt 1o6a zwischen den Spiralwänden 5b und 6b des feststehenden bzw.umlaufenden Spiralelementes diese öffnung passiert.hat, d.h. unmittelbar nachdem die Ansaugung vorüber ist, und in Verbindung während nahezu einer Kurbelumdrehung gehalten, bis der nächste Kontaktpunkt

diese Öffnung passiert. In gleicher Weise wird die andere Gaseinstrahlöffnung 15b in Verbindung mit der KomDressionskammer """" 9b über im wesentlichen eine Kurbelumdrehung von dem Zeitpunkt an gehalten, in welchem der Kontaktpunkt 1o6b zwischen den Flächen der Spiralwände diese öffnung passiert, bis zu dem Augenblick, in welchem der nächste Kontaktpunkt an dieser öffnung vorbeigeht. Die Kontaktpunkte 1o6a und 1o6b passieren die Gaseinstrahlöffnung 15a bzw. 15b unmittelbar nachdem die Saugkammern geschlossen sind aufgrund der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes, um die Kompression einzuleiten.

Wie vorstehend erläutert, sind die Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b so bemessen, daß die Öffnungsränder 15a' und 15b' kleiner als die Stärke der Spiralwand sind. Deshalb stehen die beiden Kompressionskammern, die auf beiden Seiten der Wandfläche

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der Spiralwand 6b des Umlaufspiralelementes gebildet werden, niemals in Verbindung miteinander über die Gaseinstrahlöffnung.

Im Folgenden wird der Kühlkreislauf erläutert, der mit dem Kompressor in Spiralbauweise verbunden ist. Das Ansaugrohr und das Abgaberohr 19 sind an ihren Enden mit zwei Kanälen eines Vierwegeventils 2o verbunden. Einer der restlichen beiden Kanäle des Vierwegeventils 2o ist mit dem Innenwärmetauscher 21 über ein Rohr 31, der andere mit dem AuBenwärmetauscher 22 über ein Rohr 32 verbunden. Die beiden Wärmetauscher 21 und 22 sind miteinander durch Rohre 34 und 35 verbunden, die einen ersten Druckminderer 23, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 24 und einen zweiten Druckminderer 25 aufweisen, wodurch ein Wärmepumpen-Hauptkühlmittelkreis gebildet wird. Als Druckminderer können beispielsweise Expansionsventile verwendet werden.

Mit einem oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators ist ein Rohr 33 verbunden. Das Rohr 33 hat in seinem Zwischenabschnitt ein Magnetabsperrventil 26. Das andere Ende dieses Rohres 33 ist mit dem Einstrahlrohr 16 verbunden. Die-mit einer ausgezogenen Linie und gestrichelt gezeigten Pfeile am Hauptkühlmittelkreislauf zeigen die Strömungsrichtungen des Kühlmittels während des Heizens bzw. Kühlens.

Durch Umschalten des Vierwegeventils 2o in die mit ausgezogenen Linien gezeigte Stellung weist der mit ausgezogener Linie gezeigte Kühlmittelkreislauf das Abgaberohr 19 des Kompressors in Spiralbauweise, das Vierwegeventil 2o, den Innenwärmetauscher 21, den ersten Druckminderer 25, den AuBenwärmetauscher 22, das Vierwegeventil 2o und das Saugrohr 17 des Kompressors in Spiralbauweise auf. Das System arbeitet somit im Heizmodus, in welchem der Innenwärmetauscher 21 und der Außenwärmetauscher 22 als Kondensator bzw. Verdampfer wirken.

Wenn das Vierwegeventil auf die mit gestrichelter Linie gezeigte Position umgeschaltet wird, wird der Kühlmittelkreislauf entsprechend den gestrichelten Linien von dem Abgaberohr 19 des Kompressors in Spiralbauweise, dem Vierwegeventil 2o, dem Außenwärmetauscher 22, dem zweiten Druckminderer 25, dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24, dem ersten Druckminderer 23, dem Innenwärmetauscher 21, dem Vierwegeventil 2o und dem Saugrohr 1o des Kompressors in Spiralbauweise gebildet. Das System arbeitet in diesem Fall für eine Kühlung, bei welcher der Außenwärmetauscher 22 und der Innenwärmetauscher 21 als Kondensator bzw. Verdampfer wirken.

Beim Heizvorgang wird das aus dem Abgaberohr 19 austretende komprimierte Gas in den als Kondensator wirkenden Innenwärmetauscher 21 über das Vierwegeventil 2o eingeführt und die Wärme im Innenwärmetauscher 21 zur Erwärmung von Raumluft abgeführt. Das Kühlmittel selbst wird gekühlt und verflüssigt aufgrund der Abgabe von Wärme. Das verflüssigte Kühlmittel wird dann in den ersten Druckminderer 23 eingeführt, wo der Druck reduziert wird und ein Teil des Kühlmittels verdampft.

Das Kühlmittel wird dann durch das Rohr 34 in den Gas-Flüssigkeits-Separator 24 eingeführt, wo das gasförmige Kühlmittel und das Kühlmittel in flüssigem Zustand voneinander getrennt werden. Das flüssige Kühlmittel wird dann durch den zweiten Druckminderer 25 über das Rohr 35 strömen gelassen, so daß der Druck in dem flüssigen Kühlmittel reduziert und ein Zweiphasenstrom gebildet wird, der aus einer Gasphase und einer flüssigen Phase besteht. Dieser Strom wird dann in den Außenwärmetauscher 22 eingeführt, der in diesem Fall als Verdampfer wirkt. Das Kühlmittel absorbiert dort Wärme und verdampft, wodurch es gasförmig wird und dann in den Kompressor in Spiralbauweise durch das Ansaugrohr 17 über das Vierwegeventil 2o angesaugt wird.

Das von dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24 separierte gasförmige Kühlmittel wird im oberen Teil des Gas-Flüssigkeits-Separators 24 gespeichert. Da der Druck in dem Gas-Flüssigkeits·

Separator 24 höher als der Ansaugdruck ist, wird das gas- -förmige Kühlmittel aus den .Gaseinstrahlöffnungen 15a, 15b in dem Spiralelement 5 in die Kompressionskammer 9a, 9b eingestrahlt, in denen die Kompression gerade begonnen hat, und zwar über das Rohr 31, das Magnetabsperrventil 26 und das Einstrahlrohr 16, vorausgesetzt, daB das Magnetabsperrventil 26 geöffnet ist. Zu der Zeit, in welcher der Druck in der Kompressionskammer 9a, 9b infolge der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes 6 soweit angestiegen ist, daß er den Druck in dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24 überschreitet, sind beide Gaseinstrahlöffnungen 15a und 15b von den Kompressionskammern 9a, 9b durch die Umlaufverschiebung der Spiralwand 6b des Umlaufspiralelementes 6 isoliert. Als Folge davon ist die Einstrahlung des Gases in diese Kompressionskammern beendet. Die Einstrahlöffnungen werden in Verbindung mit den nächsten Kompressionskammern gebracht.

Wie erläutert, stehen bei dem Kompressor in Spiralbauweise die Kompressionskammern in Verbindung mit den Gaseinstrahlöffnungen nur über einen Zeitraum, in welchem der Innendruck in diesen Kompressionskammern niedrig ist, so daß es nicht erforderlich ist, einen speziellen Mechanismus vorzusehen, der den Rückstrom des eingestrahlten Gases verhindert.

Infolge der Gaseinstrahlung steigt der Mengenstrom des komprimierten gasförmigen Kühlmittels an, so daß der Mengenstrom des Kühlmittels durch den als Kondensator wirkenden Innenwärmetauscher 21 und somit die abgegebene Wärmemenge erhöht werden, was die Heizleistung steigert.

Die Gaseinstrahlung kann nicht nur bei dem beschriebenen Heizvorgang, sondern auch beim Kühlvorgang erfolgen, der dann aus· geführt wird, wenn das Vierwegeventil 2o so geschaltet ist, daß der Kühlkreislauf umgesteuert ist, was allein durch öffnen des Magnetabsperrventils 26 geschieht. In diesem Fall ist die Enthalpiedifferenz des Kühlmittels zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des als Verdampfer wirkenden Innenwärme-

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tauschers 21 so bemessen, daß die Wärmeabsorption zur Steigerung der Kühlleistung erhöht ist.

Es ist möglich, das System so. zu betreiben, daß das Magnetabsperrventil 26 geöffnet ist, wodurch die Gaseinstrahlung beim Heizvorgang bewirkt wird, während beim Kühlvorgang das Magnetabsperrventil 26 geschlossen ist, wodurch die Gaseinstrahlung ausgesetzt wird. Dadurch ist es möglich, die Heizleistung verglichen mit der Kühlleistung zu steigern, wodurch die Wärmepumpenklimaanlage mit Leistungen arbeiten kann die den Kühl- bzw. Heizbelastungen oder -bedürfnissen genügen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Gaseinstrahlöffnung. Anstelle der Gaseinstrahlöffnung mit Kreisform von Fig. 2, hat die hier gezeigte Gaseinstrahlöffnung eine langgestreckte Form. Die gekrümmte langgestreckte Form der Ein-Strahlöffnungen 25a und 25b verläuft längs der Seitenfläche der Spiralwand 5b des festgelegten Spiralelementes 5.

In diesem Fall ist es wesentlich, daß die Öffnungslänge zwischen der Wandfläche der Spiralwand und dem anderen Öffnungsrand in Radialrichtung der Stirnplatte so begrenzt ist, daß sie kleiner ist als die Stärke der Spiralwand, und daß die Längsöffnungsränder 25a" und 25b" der Einstrahlöffnungen 25a, 25b von den äußeren Enden 1o5a, 1o5b der inneren und äußeren Flächen der Spiralwand des stationären Spiralelementes aus nach innen hin in einem Abstand -angeordnet sind, der größer ist als eine Ganghöhe der Spiralwand.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsfarm der Einstrahlöffnung. Die Einstrahlöffnungen 35a und 35b erstrecken sich über die Stärke der Stirnplatte 5a des feststehenden Spiralelementes und sind in die Spiralwand 5b des feststehenden Spiralelements eingeschnitten. Die Gaseinstrahlöffnungen 35a und 35b haben einen Durchmesser, der größer ist als der der Gaseinstrahlöffnungen von Fig. 3. Dabei ist es wichtig, daß der radiale Abstand zwischen den Öffnungsrändern 35a' und 35b' der Fläche 5b'

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der Spiralwand kleiner ist als die Stärke der Spiralwand. Der maximale Durchmesser der öffnungen 35a und 35b wird so gewählt, daß er kleiner ist als das Doppelte der Stärke der Spiralwand, so daS der Abschnitt der öffnung, der in die Spiralwand 5b einschneidet, nicht in die Fläche 5b" der Spiralwand 5b mündet, die der Fläche 5b' gegenüberliegt. Die Einstrahlöffnungen, die in die Spiralwand eingeschnitten sind, haben eine langgestreckte Form, wie dies in Fig. 4 ge-■ zeigt ist, oder auch eine Kreisform. Wenn die langgestreckte Form benutzt wird, ist es wesentlich, daß der Abstand zwischen der Spiralwand und dem radialen Öffnungsrand kleiner ist als die Stärke der Spiralwand und daß die Länge der langgestreckten öffnungen in Radialrichtung der Stirnplatte kleiner ist als das Zweifache der Spiralwandstärke.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist kein Mechanismus vorgesehen, der den Rückstrom des eingestrahlten Gases verhindert. Es kann jedoch ein solcher Mechanismus in der Einstrahlöffnung vorgesehen werden, was anhand der Ausführungsform von Fig. 6 erläutert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Kompressor der Spiralbauweise ist es, wie erläutert, nicht erforderlich, den Gaseinstrahlkanal mit einem speziellen Mechanismus zu versehen, der das Rückströmen des Kühlmittels verhindert. Es ist jedoch in Betracht zu ziehen, daß sich das Gas zwischen der Kompressionskammer und dem Einstrahlrohr bewegt, wenn die Gaseinstrahlung unterbrochen wird, was zu einer Gasleckage führt, die zu einem Verbrauch zusätzlicher Kompressionsenergie führt. Um dies zu vermeiden, kann ein Mechanismus vorgesehen werden, der den Gasrückstrom in der Nähe der Gaseinstrahlöffnung verhindert.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist eine den Rückstrom sperrende Einrichtung 145 an der Stirnplatte 5a des feststehenden Spiralelementes 5 vorgesehen. Die Einrichtung ist

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zwischen das Einstrahlrohr 16 und die Onstrahlöffnungen 45a und 45b geschaltet, die sich über idie Stärke der Stirnplatte 5a erstrecken.

Die den Rückstrom verhindernde Einrichtung 145, die in Fig. gezeigt ist,, hat ein mit einem Boden versehenes zylindrisches Gehäuse 146 mit einem offenen Ende angrenzend an die Öffnung 45a und ist an ihrem anderen Ende mit einer Öffnung 147 versehen, an welche ein Einstrahlrohr 16 angeschlossen ist. In dem Gehäuse 46, in welchem ein mit einem Boden versehenes zylindrisches Ventilgehäuse 15o angeordnet ist, sind Spalte

148 und 149 ausgebildet. Das Ventilgehäuse 15o ist so angeordnet, daß sein offenes Ende der Öffnung 147 gegenüberliegt, während eine Bohrung 151 in der Bodenwand des Ventilgahäuses 15o ausgebildet ist. In der Zylindsrwand des offenen Endes "is eine Vielzahl von Einkerbungen 152 vorgesehen. Der Raum in dei Ventilgehäuse 15o steht mit den Spalten 148 und 149 im Gehäusi 146 in Verbindung. In dem Ventilgehäuse 15o sind ein Kugelventil 153 und eine Feder 154 angeordnet. Das Kugelventil wird durch die Feder 154 so vorgespannt, daß es die Öffnung 147 blockiert oder verschließt.

Bei dem beschriebenen, den Rückstrom verhindernden Mechanismus wird das Kugelventil 153 nach oben und unten bewegt, um die Ventilöffnung 147 zu öffnen bzw. zu schließen, und zwar durch den Differenzdruck zwischen der oberen Gasschicht in dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24, mit dem das Gaseinstrahlrohr 16 verbunden ist, und der Druckkammer, mit welcher die Einstrahlöffnungen 45a und 45b in Verbindung stehen. Wenn der Druck in dem Einstrahlrohr 16 höher ist als der Druck in der Kompressionskammer, wird das Kugelventil 153 nach unten gedrückt, wodurch die Kraft der Feder 154 überwunden wird, so daß das Einstrahlrohr 16 in Verbindung mit den Einstrahlöffnungen 45a und 45b über die Einkerbung 152 und die Spalte 148,

149 steht. Dadurch wird gasförmiges Kühlmittel aus dem oberen Raum in dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24 in die Kompressions-

kammern eingestrahlt. Wenn dann der Druck in den Kompressionskammern über den Druck in dem Einstrahlrohr 16 infolge der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes 5 angestiegen ist, wird das Kugelventil 153 durch die Kraft abgehoben, welche sich aus der Summe der Kraft, die durch die Druckdifferenz erzeugt wird, und der Kraft ergibt, die durch die Feder 154 ausgeübt wird, um die Ventilöffnung 147 zu schließen. Dadurch wird die Gaseinstrahlung unterbrochen und verhindert, daß komprimiertes Gas in den Kompressionskammern zurück in das Einstrahlrohr 16 fließt.

Claims

330130Α

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17. Januar 1983

Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweise

Patentansprüche

/Kühlanlage mit einem Kompressor in Spiralbauweise, der ein feststehendes Spiralelement, welches von einer Stirnplatte und einer Spiralwand gebildet wird, die von einer Seite der Stirnplatte vorsteht, ein Umlaufspiralelement, das von einer Stirnplatte und einer Spiralwand gebildet wird, die nach oben von einer Seite der Stirnplatte vorstehen, wobei das feststehende Spiralelement und das Umlaufspiralelement so zusammengefügt sind, daß die Spiralwände ineinandergreifen, eine Abgabeöffnung im Mittelabschnitt der Stirnplatte des feststehenden Spiralelementes, eine Saugöffnung, die in einen Umfangsabschnitt der Stirnplatte des feststehenden Spiralelementes mündet, ein mit der Abgabeöffnung verbundenes Abgaberohr, ein mit der Saugöffnung verbundenes Saugrohr und Einrichtungen zur Ausführung einer Umlaufbewegung durch das Umlaufspiralelement aufweist, ohne daß dieses sich um seine eigene Achse drehen kann, und mit einer Kühlkreiseinrichtung, die zwischen das Saugrohr und das Abgaberohr geschaltet ist und ein Vierwegeventil, einen Innenwärmetauscher,

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einen Druckminderer und einen Außenwärmetauscher aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Gaseinstrahlöffnung (15a, 15bj 25a, 25bj 35a, 35b, 45a, 45b) in der Stirnplatte (5a) des feststehenden Spiralelementes (5), das eine Kompressionskammer (9, 9a, 9b) unter Kompressionsdruck bildet, wobei die Gaseinstrahlöffnung in der Nähe der Wandoberfläche der Spiralwand (5b) in einem radialen Abstand davon angeordnet ist, der kleiner ist als die Stärke der Spiralwand (5b), durch einen ersten Druckminderer (23), einen Gas-Flüssigkeits-Separator (24) und einen zweiten Druckminderer (25), der zwischen den Innenwärmetauscher (21) und den AuBenwärmetauscher (22) geschaltet ist, und durch einen Gaseinstrahlkanal (33, 16), der eine Gasauslaßöffnung an einem oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators (24) mit der Gaseinstrahlöffnung (15a, 15b; 25a, 25bj 35a, 35bj 45a, 45b) verbindet, wodurch das im oberen Abschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators (24) gespeicherte gasförmige Kühlmittel zusätzlich in die Kompressionskammer (9, 9a, 9b) unter Kompression in dem Kompressor der Spiralbauweise eingebracht wird.
2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Gaseinstrahlöffnung (15a, 15b) immer dort vorgesehen ist, wo in symmetrischen, unter Kompression stehenden Kompressionskammern (9a, 9b) ein gleicher Druck eingestellt ist.
3. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinstrahlöffnung (15a, 15b; 25a, 25bj 35a, 35b) längs der inneren oder äußeren Fläche der Spiralwand (5b) des feststehenden Spiralelementes (5) an einer Stelle ausgebildet ist, die vom äußeren Ende (1o5a) der inneren oder äußeren Fläche der Spiralwand (5b) des feststehenden Spiralelementes (5) nach innen einen Abstand hat, der gleich oder größer ist als ein Gang der Spiralwand (5).
4. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinstrahlöffnung (15a, 15b; 35a, 35b) die Form eines Kreises hat, dessen Durchmesser kleiner als die Stärke der Spiralwand (5b) ist, oder eine langgestreckte Form (25a, 25b) in einer Breite aufweist, die kleiner ist als die Stärke der Spiralwand (5b).
5. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinstrahlöffnung (35a, 35b) sich durch den Boden einer Vertiefung zwischen benachbarten Blechen der Spiralwand erstreckend derart ausgebildet ist, daß sie teilweise in die Spiralwand (5b) einschneidet,und die Form eines Kreises oder eines langgestreckten Kreises aufweist, dessen Durchmesser kleiner als das Zweifache der Stärke der Spiralwand (5b) ist.
B. Kühlanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rückstrom unterbindenden Mechanismus (145), der in dem Gaseinstrahlkanal (33, 16) angeordnet ist.
7. Kühlanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Plagnetabsperrventil (26), das in dem Gaseinstrahlkanal (33, 16) angeordnet ist.
8. Kühlanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetabsperrventil (26) geöffnet ist, während der Kühlkreis auf Heizbetrieb geschaltet ist, und geschlossen ist, während der Kühlkreis auf Kühlbetrieb geschaltet ist.