DE3301304C2

DE3301304C2 - Wärmepumpen-Klimaanlage

Info

Publication number: DE3301304C2
Application number: DE3301304A
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: 1986-01-30
Also published as: US4475360A; DE3301304A1; JPS58148290A

Abstract

Die Kühlanlage hat einen Kompressor in Spiralbauweise mit einem stationären Spiralelement, welches eine Stirnplatte und eine Spiralwand aufweist, die senkrecht nach oben vorsteht, ein Umlaufspiralelement mit einer Stirnplatte und einer Spiralwand, die senkrecht davon absteht, eine Abgabeöffnung im zentralen Abschnitt der Stirnplatte des ortsfesten Spiralelementes, eine Saugöffnung, die in einem Umfangsabschnitt der Stirnplatte des festgelegten Spiralelementes ausgebildet ist, wenigstens eine Gaseinstrahlöffnung, die sich über die Stärke der Stirnplatte des feststehenden Spiralelementes in einem Abschnitt der Stirnplatte in der Nähe der Spiralwand an einer Stelle erstreckt, die einen radialen Abstand von der Fläche der Spiralwand hat, der kleiner ist als die Stärke der Spiralwand, ein Abgaberohr, das mit der Abgabeöffnung verbunden ist, ein Ansaugrohr, das mit der Saugöffnung verbunden ist, und Einrichtungen, die eine Umlaufbewegung des Umlaufspiralelementes bezüglich des feststehenden Spiralelementes herbeiführen, ohne daß sich dieses um seine Achse drehen kann. Die Kühlanlage hat weiterhin einen Kühlmittelkreislauf, der zwischen das Ansaugrohr und das Abgaberohr des Kompressors in Spiralbauweise geschaltet ist. Die Anlage hat ein Vierwegeventil, einen Innenwärmetauscher, einen ersten Druckminderer, einen Gas-Flüssigkeits-Seperator, einen zweiten Druckminderer und einen Außenwärmetauscher. Zwischen den Gasauslaß in einem äußeren Teil des Gas-Flüssigkeits-Separators und die ..

Description

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chen Kurve verlaufende Spiralwand 56 senkrecht absteht, sowie ein umlaufendes Element 6 mit einer scheibenförmigen Stirnplatte 6a und einer senkrecht davon abstehenden Spiralwand 66, deren Verlauf in dem der Spiralwand 5b entspricht Die Spiralwände 56 und 6b greifen unter Bildung von Kompressionskammern 9 ineinander. Auf der der Spiralwand 6Z/ gegenüberliegenden Seite ist die Stirnplatte 6a mit einer Nabe 6c versehen. Das feststehende Element 5 hat eine Druckleitung 10 im Mittelabschnitt und am Umfangsabschniu eine Saugleituiig 7.

In einem zentralen Lager 11a an einem Rahmen 11 ist eine Kurbelwelle 4 drehbar gelagert, deren Kurbelzapfen 5a drehbar in der Nabe 6c aufgenommen ist

Das feststehende Element 5 ist am Rahmen 11 mit Bolzen befestigt Das umlaufende Element 6 wird vom Rahmen 11 über einen aus Ring und Keil bestehenden Oldham-Mechanismus 12 getragen, wodurch das umlaufende Element 6 bezüglich des feststehenden Elements 5 eine Umlaufbewegung ausüben kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen.

Im Motorabschnitt 3 ist ein Elektromotor vorgesehen, dessen Welle Ab direkt mit der Kurbelwelle 4 verbunden ist

in der Stirnpiatte 5a des feststehenden Elements 5 sind Gaseinblasöffnungen 15a und 156 ausgebildet, mit denen ein durch die Wand des geschlossenen Gehäuses 1 hindurchgehende Leitung 16 für eine Zwischeneinspeisung verbunden ist

Ebenfalls durch die Wand des Gehäuses 1 geht ein mit der Saugleitung 7 verbundenes Saugrohr 17. Die Druckleitung 10 mündet in eine Förderkammer la, die über einen Kanal 18 im Gehäuse mit einer unteren motorseitigen Kammer 16 verbunden ist, aus der das komprimierte Gas über eine Förderleitung 19 abgeführt wird. Die Saugleitung 17 und die Förderleitung 19 sind mit einem Vierwegeventil 20 verbunden. Das Vierwegeventil 20 ist über eine Leitung 31 mit einem Innenraumwärmetauscher 21 verbindbar, der über eine erste Drossel 23 und eine Leitung 34 mit einem Abscheider 24 in Verbindung steht Die Gasseite des Abscheiders 24 ist über eine Leitung 33 und ein Ventil 26 sowie die Leitung 16 mit den Gaseinblasöffnungen 15a und 156 verbunden. Die Flüssigkeitsseite des Abscheiders ist über eine Leitung 35 und eine zweite Drossel 25 mit einem Außenraumwärmetauscher 22 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 32 an das Vierwegeventil 20 angeschlossen ist. Die in F i g. 1 mit ausgezogenen Linien gezeigte Stellung des Vierwegeventils 20 entspricht dem Kühlbetrieb, wobei der Kältemittelfluß durch die Pfeile mit ausgezogenem Schaft veranschaulicht ist Die gestrichelt gezeichnete Stellung des Vierwegeventils 20 entspricht dem Heizbetrieb, der zugehörige Kältemittelfluß ist durch Pfeile mit gestrichelten Schäften gezeigt

Wenn die Kurbelwelle 4 vom Motor 3 gedreht wird, führt der Kurbelzapfen 4a eine exzentrische Umlaufbewegung aus, die er durch Eingriff in die Nabe 6c auf das umlaufende Element 6 überträgt, dessen Spiralwand 66 zusammenwirkend mit der Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 die Kompressionskammern 9 bilden, die ihr Volumen zum Zentrum hin verringern. Das über die Ansaugleitung 7 und die Ansaugkammer 8 angesaugte Gas wird dabei komprimiert und über die Druckleitung 10, die Förderkammer la, den Kanal 18 und das Förderrohr 19 abgeführt.

Die Positionierung der Gaseinblasöffnungen 15a und 156 ist im einzelnen aus F i g. 2 zu ersehen. Die eine Gaseinblasöffnung 15a ist in dem Abschnitt der Stirnplatte 5a angrenzend an die Fläche der Spiralwand 56 an einer Stelle ausgebildet, die vom äußeren U mfangsende 105a der Innenfläche der Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 aus nach innen in einem Abstand angeordnet ist, der, wie gezeigt einem Spiralgang der Spiralwand 56 gleich ist oder größer sein kann. Die Gaseinblasöffnung 15a hat einen kreisförmigen Querschnitt Die andere Gaseinblasöffnung 156 hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt und ist in einem Abschnitt der Stirnplatte 5a angrenzend an die Spiralwand 56 an einer Stelle angeordnet die vom äußeren Umfangsende 1056 der Außenfläche der Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 aus nach innen einen Abstand hat der wie gezeigt gleich einem Spiralgang der Spiralw&nd 56 ist oder größer sein kann.

Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß der Durchmesser der Gaseinblasöffnungen 15a und 156 so gewählt ist, daß der Abstand zwischen der Fläche der Spiralwand 56 und

den Rändern 15a' und 156' der öffnungen in Radialrichtung der Stirnpiatte 5a kleiner ais die Stärke der Spiraiwand 56 des umlaufenden Elements 6 ist.

Die Einblasöffnung 15a in der Anordnung von F i g. 2 kommt mit der Kompressionskammer 9a in Verbindung unmittelbar nachdem der Kontaktpunkt 106a zwischen den Spiralwänden 56 und 66 des feststehenden Elements 5 bTw. des umlaufenden Elements 6 die Einblasöffnung 15a passiert hat, also unmittelbar nachdem die Ansaugung vorüber ist. Die Verbindung mit der Einblasöffnung 15a bleibt nahezu über einer Kurbelumdrehung solange bestehen, bis der nächste Kontaktpunkt die Einblasöffnung 15a passiert Genauso kommt die andere Gaseinblasöffnung 156 zu einem Zeitpunkt mit der Kompressionskammer 96 in Verbindung, in welchem der Kontaktpunkt 1066 zwischen den Flächen der Spiralwände 56 und 66 diese Gaseinblasöffnung 156 passiert, bleibt im wesentlichen während einer Kurbelumdrehung von diesem Zeitpunkt an mit der Kompressionskammer 96 in Verbindung bis zu dem Augenblick, in welchem der nächste Kontaktpunkt an der Gaseinblasöffnung 156 vorbeigeht. Die Kontaktpunkte 106a, 1066 passieren die Gaseinblasöffnungen 15a bzw. 156 unmittelbar nach dem Schließen der Saugkammern aufgrund der Umlaufbewegung des umlaufenden Elements 6, wodurch die Kompression eingeleitet wird.

Da die Gaseinstrahlöffnungen 15a und 156 so bemessen sind, daß die Öffnungsränder 15a' und 156' von der Stärke der Spiralwand 66 des umlaufenden Elements 6 überdeckt werden, stehen die beiden Kompressionsso kammern 9a und 96 auf beiden Seiten der Wandfläche der Spiralwand 66 des umlaufenden Elements 6 niemals über eine Gaseinblasöffnung 15a bzw. 156 miteinander in Verbindung.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung der Wärmepumpen-Klimaanlage wird das gasförmige bzw. dampfförmige Kältemittel im oberen Teil des Abscheiders 24 gespeichert. Da der Druck im Speicher 24 höher als der Ansaugdruck ist, wird gasförmiges Kältemittel über die Gaseinblasöffnungen 15a und 156 in die Kompressionskammern 9a, 96 eingeblasen, in denen gerade die Kompression begonnen hat, jedoch nur dann, wenn das magnetisch betätigbare Ventil 26 geöffnet ist. Wenn der Druck in der Kompressionskammer 9a bzw. 96 aufgr'nd der Umlaufbewegung des umlaufenden Elements 6 so weit angestiegen ist, daß er den Druck im Abscheider 24 überschreitet, sind beide Gaseinblasöffnungen 15a und 156 von den Kompressionskammern 9a und 96 durch die Verschiebung der Spiralwand 66 des umlau-

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fenden Elements 6 bei dessen Umlauf getrennt Dadurch ist die Gaseinblasung in die Kompressionskammern beendet Die Gaseinblasöffnungen 15a und 156 kommen dann in Verbindung mit den nächsten, sich bildenden Kompressionskammern.

Die Kompressionskammern 9a und 96 stehen also mit den Gaseinblasöffnungen 15a und 156 nur während des Zeitraums in Verbindung, während welchem der Innendruck in den Kompressionskammern niedrig ist, so daß ein einen Gasrückstrom behinderndes Ventil nicht vorgesehen zu werden braucht Aufgrund der Gaseinblasung steigt der Mengenstrom des komprimierten gasförmigen Kältemittels an, wodurch der Mengenstrom in dem als Kondensator wirkenden Innenraumwärmetauscher 21 und somit die abgegebene Wärmemenge er- höht werden kann, was die Heizleistung steigert Die Gaseinblasung kann auch während des Kühlbetriebs erfolgen. In diesem Fall ist die Enthalpiedifferenz des Kältemittels zwischen dem Einlaß und Auslaß des als Verdampfer wirkenden Innenraumwärmetauschers 21 so bemessen, daß die Wärmeabsorption zur Steigerung der Kühlleistung beiträgt Die Zwischeneinspeisung im Kühlbetrieb kann durch Schließen des Ventils 26 unterbrochen werden, so daß in Übereinstimmung mit gewünschten Bedingungen die Heizleistung erheblich grö- 2s ßer ist als die Kühlleistung.

Die in F i g. 4 gezeigten Gaseinblasöffnungen 25a und 256 haben die Form von langgestreckten Löchern, deren Krümmung längs der Seitenfläche der Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 verläuft. Wesentlich ist dabei, daß die Öffnungslänge zwischen der Wandfläche der Spiralwand 56 und dem in Radialrichtung der Stirnplatte 5a gegenüberliegenden Öffnungsrand so begrenzt ist, daß sie kleiner ist als die Stärke der Spiralwand 66, und daß die Längsränder 25a' und 25b¹ von den äußeren Enden 105a bzw. 1056 der inneren bzw. äußeren Fläche der Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 aus nach innen hin in einem Abstand angeordnet sind, der größer ist als ein Spiralgang der Spiralwand 56.

Bei der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform erstrekken sich die Gaseinblasöffnungen 35a und 356 über die Stärke der Stirnplatte 5a des feststehenden Elements 5 hinaus. Die Gaseinblasöffnungen 35a und 356 haben einen Durchmesser, der größer ist als der der Gaseinblasöffnungen von F i g. 3. Sie sind so angeordnet, daß ihre Umfangserstreckung in die Spiralwand 56 des feststehenden Elements 5 einschneidet Wesentlich ist, daß der radiale Abstand zwischen den Rändern 35a' und 35V der Spiralwandfläche 56* kleiner ist als die Stärke der Spiralwand 56. Der maximale Durchmesser der Öffnungen 35a und 356 wird so gewählt, daß er kleiner ist als das Doppelte der Stärke der Spiralwand 56 bzw. 66, so daß der Abschnitt der Gaseinblas-Öffnung 35a bzw. 356, der in die Spiralwand 56 einschneidet nicht in die Fläche 56" der Spiralwand 56 mündet, die der Fläche 56* gegenüberliegt Die in die Spiralwand 56 eingeschnittenen Gaseinblasöffnungen 35a und 356 können die in F i g. 4 gezeigte langgestreckte Form oder Kreisform haben, wobei im ersteren Fall der Abstand zwi- sehen der Spiralwand 56 und dem radialen Öffnungsrand kleiner ist als die Stärke der Spiralwand 56, während die Länge der langgestreckten Öffnungen in radialer Richtung der Stirnplatte 5a kleiner ist als das Zweifache der Spiralwandstärke.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

33 Ol 304 1 2 einspeisung während des Heizbetriebs öffnet, sobald Patentansprüche: der umlaufende verdichtende Exzenter eine 20° -Stel lung passiert hat, an der sich die Ansaugöffnung befin-

1. Wärmepumpen-Klimaanlage mit einem Korn- det, und schließt, wenn sich der Exzenter zwischen der pressor (1,2% der ein feststehendes, eine Stirnplatte 5 180°- und 210°-Stellung befindet Die Form der öffnung {5a) aufweisendes Element (5) und ein unter Bildung für die Zwischeneinspeisung kann dabei kreisförmig, von wenigstens einer im Volumen veränderbaren oval oder anders gestaltet sein. Der Einsatz solcher Ro-Kompressionskammer (9) darin exzentrisch umiau- tationsverdichter in Wärmepumpen-Klimaanlagen erfendes, von einem Antrieb (3,4,4a, Sc) angetriebenes fordert relativ viel Raum. Außerdem ist ein solcher Element (6) aufweist, mit einer Druckleitung (10, la, io Kompressor in Bau- und Arbeitsweise sehr aufwendig. 18,19) und einer Saugleitung (17,7,8), die einerseits Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be-

mit dem Kompressor (1,2) und andererseits mit ei- steht deshalb darin, bei der Wärmepumpen-KJimaanlanem Vierwegeventil (20) verbunden ist, das seiner- ge der eingangs genannten Art die bekannte Zwischenseits in aufeinanderfolgender Anordnung mit einem einspeisung bei einem anderen Verdichter zu ermögliersten Wärmetauscher (21), einer ersten Drossel 15 chen. Die Lösungsmittel dieser Aufgabe sind im Kenn-(23), der Flüssigkeitsseite eines Abscheiders (24), ei- zeichen des Patentanspruchs 1 zusammengefaßt Die ner zweiten Drossel (25) und einem zweiten Wärme- Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der tauscher (22), oder umgekehrt, verbindbar ist, wobei erfindungsgemäßen Wärmepumpen-Klimaanlage, die Gasseite des Abscheiders (24) über eine Leitung Aus der DE-OS 28 52 977 ist zwar bereits ein Spiral-

(33, 16) mit wenigstens einer in der Stirnplatte {5a) 20 verdichter bekannt, der bei einem System zur Erhöhung des feststehenden Elements (5) vorgesehenen Gas- des Gasdrucks eingesetzt wird und der in die Kompreseinblasöffnung (15a, 156,25a, 256,35a, 356) verbun- sionskammern mündende öffnungen für eine Zwischenden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der einspeisung aufweist, denen jedoch Rückschlagventile Kompressor (1,2) ein Kompressor in Spiralbauweise zugeordnet sind, die automatisch schließen, wenn der ist, bei welchem von der einen Seite der Stimplatte 25 Druck der Zwischeneinspeisung kleiner wird als der (5a) des feststehenden Elements (5) eine Spiralwand Druck in den entsprechenden Kompressionskammern. (5b) absteht, in die eine Spiralwand {6b) unter BiI- Mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpen-Kli-

dung von im Volumen veränderbaren Kompres- maanlage ist es möglich, ohne Einsatz von Rückschlagsionskammern (9a, 9b) eingreift, die von einer Stirn- ventilen aufgrund der speziellen Anordnung der Gasplatte (6a) des umlaufenden Elements (6) absteht, 30 einbiasöffnungen eine Steigerung der Verdichterleif| dessen Antrieb den Umlauf des Elements (6) ohne stung, insbesondere für den Heizbetrieb der Klimaanla-

t| Drehung um seine eigene Achse bewirkt, wobei die ge, zu erreichen, ohne daß ein Kurzschluß mit der An-

g Saugleitung (17,7) sich durch die Umfangswand und saugseite des Verdichters eintreten kann.

rl die Druckleitung (10) sich durch die Stirnwand (5a) Durch Einsatz des Spiralkompressors ist es erfin-

des feststehenden Elements (5) erstreckt, daß der 35 dungsgemäß möglich, den Druck in der Kompressionsgrößtmögliche Abstand zwischen den angrenzenden kammer während eines Zeitraums unter dem Einblas· Wandflächen der Spiralwand (5b) des feststehenden druck zu halten, der länger ist als bei dem bekannten Elements (5) und dem Rand (15a¹,150", 35a', 35b") der Rotationsverdichter. Zusätzlich kann die Einblasöff-Gaseinblasöffnung (15a, 156, 23a, 256,35a, 35t) klei- nung während eines relativ langen Zeitraums von etwa ner als die Stärke der Spiralwand (6b) des umlaufen- 40 einem Umlauf in Verbindung mit der jeweiligen Komden Elements (6) ist, so daß die Gaseinblasöffnung pressionskammer gehalten werden. Dadurch kann ein (15a, 156, 25a, 256, 35a, 356) von der Spiralwand (6b) wirksames Einblasen auch bei einer Einblasöffnung mit des umlaufenden Elements (6) zeitweise abgedeckt kleinem Querschnitt erreicht werden. Aufgrund der wird, und daß die Gaseinblasöffnung (15a, 156,25a, kleinen Querschnittsfläche wird auch das Spaltvolumen 256,35a, 356) an einer Stelle ausgebildet ist, die vom 45 um die öffnung herum verringert, so daß interne Gasäußeren Ende (105a) der inneren oder äußeren Verluste verringert werden, was eine merkliche Wir-Wandfläche der Spiralwand (56,1 des feststehenden kungsgradsteigerung zur Folge hat, was sich insbeson-Elements (5) um wenigstens einen Spiralgang ver- dere bei der auf Heizbetrieb gestellten Wärmepumpensetzt ist. Klimaanlage im Hinblick auf eine gesteigerte Heizlei-

2. Wärmepumpen-Klimaanlage nach Anspruch 1, 50 stung bemerkbar macht

dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinblasöffnung Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbei-

(35a, 356) sich über einen Teil der Stärke der Spiral- spiel der Erfindung näher erläutert Es zeigt

wand (5b) des feststehenden Elements (5) in diese F i g. 1 eine Wärmepumpen-Klimaanlage mit einem

einschneidend erstreckt. Spiralkompressor,

3. Wärmepumpen-Klimaanlage nach Anspruch 2, 55 F i g. 2 den Schnitt II-II von F i g. 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser oder F i g. 3 in einer Einzelheit im Schnitt ein mit einer

die radiale Breitenerstreckung der Gaseinblasöff- Gaseinblasöffnung versehenes Spiralelement, nung (35a, 356) kleiner als die doppelte Stärke der F i g. 4 im Schnitt von F i g. 2 ein Spiralelement mit

Spiralwand ist. einer modifizierten Einblasöffnung und

60 F i g. 5 in einer Einzelheit im Schnitt ein Spiralele-

ment mit einer anders gestalteten Einblasöffnung.

Die in den F i g. 1 und 3 gezeigte Wärmepumpenklimaanlage arbeitet mit einem Spiralkompressor, der ein

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpen-Klimaan- Gehäuse 1 aufweist, welches einen Kompressorablage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 65 schnitt 2 und einen Motorabschnitt 3 aufnimmt. Der Bei einer solchen, aus der GB-OS 20 37 965 bekann- Kompressorabschnitt 2 hat ein feststehendes Element 5, ten Wärmepumpen-Klimaanlage ist ein Rotationsver- bestehend aus einer scheibenförmigen Stimplatte 5a, dichter vorgesehen, dessen öffnung für die Zwischen- von der eine längs einer Evolventenkurve oder ähnli-