DE3705849A1 - Kaelteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit einem Kältemittel­ kreislauf, in dem nacheinander ein Kompressor, ein Kondensator, ein Druckminderer, ein Zwischendrucksammler, ein Drosselorgan und ein Verdampfer vorgesehen ist, wobei der Zwischendrucksamm­ ler über eine separate Verbindungsleitung mit dem Kompressor zur Zwischendruck-Gaseinspeisung verbunden ist.

Eine bekannte Kälteanlage (DE-PS 34 22 390), die sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen betreibbar ist, besitzt unter ande­ rem einen Kompressor mit Zwischendruck-Gaseinspeisung. Das von dem Kompressor hochverdichtete Gas wird in einem nachgeschalte­ ten Kondensator abgekühlt und verflüssigt. An diesen Kondensa­ tor schließt sich ein Druckminderer an, der den Hochdruck auf einen Zwischendruck reduziert. Das im Anschluß an den Druck­ minderer anfallende Kältemittel wird über einen Sammler in die flüssige und die dampfförmige Phase getrennt, wobei das Kälte­ mittelgas in die Zwischendruckstufe des Kompressors eingeleitet wird, und das flüssige Kältemittel über ein Drosselorgan weiter entspannt und in einem Verdampfer unter Wärmeaufnahme verdampft wird. Schließlich wird es durch den Kompressor aus dem Verdamp­ fer angesaugt und wieder verdichtet. Durch die Zwischendruck- Gaseinspeisung wird eine Leistungssteigerung des Kälteprozesses erzielt.

Derartige Anlagen sind für den stationären Betrieb ausgelegt. Ihre Verwendung in Kraftfahrzeugen ist mit Schwierigkeiten verbunden. Kälteanlagen in Kraftfahrzeugen müssen derart ausgelegt sein, daß sie im instationären Betrieb, d.h. bei wechselnden Betriebsbedingungen, wie schwankende Antriebslei­ stungen des Kompressors, variierende Drehzahlen, unterschiedli­ cher Kältebedarf, schwankende Kühlleistung des Kondensators usw., noch mit einem vertretbaren Wirkungsgrad arbeiten. Sta­ tionäre Anlagen sind auf einen optimalen Betriebspunkt ausge­ legt, was zur Folge hat, daß diese Anlagen bei anderen Be­ triebsbedingungen einen relativ großen Leistungsverlust aufwei­ sen. Außerdem sind derartige Anlagen nur schwierig auf bestimm­ te Betriebszustände einstellbar, was des öfteren nur dadurch erreicht werden kann, daß die einzelnen Anlagekomponenten ent­ sprechend den geänderten Betriebsbedingungen ausgelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie instationär betreibbar ist, eine hohe Kälteleistung aufweist und einfach für verschiedene Betriebszustände einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der den Zwischendrucksammler mit dem Kompressor verbindenden Ver­ bindungsleitung ein Druckminderer und ein Rückschlagventil an­ geordnet sind.

Das einen Zwischendruck aufweisende Kältemittelgas wird nunmehr nicht direkt vom Sammler über die Verbindungsleitung in den Kompressor eingespeist, sondern durchströmt einen zusätzlichen Druckminderer, wodurch dem Kompressor ein definierter Gasmas­ senstrom aufgegeben wird. Dieses im Sättigungszustand befind­ liche Gas kühlt den Kompressor und erhöht den geförderten Massenstrom in der Hochdruckstufe. Durch die Verringerung der Heißgastemperatur vermindert sich der Verschleiß des Kompres­ sors. Um ein Zurückblasen des Zwischendruckgases aus dem Kompressor zu vermeiden, ist in der Verbindungsleitung ein Rückschlagventil vorgesehen. Dieses Rückschlagventil schließt die Verbindungsleitung, wenn der Druck im Kompressor über den am Ausgang des Druckminderers anliegenden Druck ansteigt. Vorteilhaft ist das Rückschlagventil nahe dem Kompressor angeordnet, so daß nur ein geringer Totraum zwischen Kompressor und Rückschlagventil entsteht. Der Kompressor selbst bedarf nunmehr keiner die Eintrittsöffnungen für das Zwischendruckgas abschließenden Ventile.

Die Anordnung eines Druckminderers in der Verbindungsleitung zwischen dem Sammler und dem Kompressor hat den wesentlichen Vorteil, daß dem Verdichter zugeführte Massenstrom des Zwischendruckgases auch bei wechselnden Betriebszuständen auf einen optimalen Wert begrenzt wird.

Vorteilhaft sind die Druckminderer als Nadelventile ausgebil­ det, und ist der zwischen dem Zwischendrucksammler und dem Kom­ pressor sich befindende Druckminderer einstellbar. Dies ermög­ licht die Einstellung des Drucks des dem Kompressor zugeführten Zwischendruckgases auf einen optimalen Wert, bzw. ist die Käl­ teanlage durch entsprechende Einstellung des Zwischendruckmin­ derers an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpaßbar. Über diesen Druckminderer ist auch der Enddruck des Kompressors und somit die Kälteleistung der Anlage variierbar.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der zwischen dem Kondensator und dem Zwischendrucksammler sich befindende Druckminderer einstellbar ist. Durch Drosselung die­ ses Druckminderers kann eine geringe Unterkühlung des Kältemit­ tels erreicht werden, so daß bei gleichzeitiger Zufuhr von Zwi­ schendruckgas an den Kompressor eine merkliche Verbesserung der Leistungsziffer der Anlage erzielbar ist. Über die beiden ein­ stellbaren Druckminderer ist der Betriebsbereich der Anlage in einem weiten Feld variierbar, und somit an die unterschiedlich­ sten Betriebsbedingungen anpaßbar, so daß sie vorteilhaft auch für den instationären Betrieb in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Die Einstellung der Druckminderer kann entweder manuell oder über eine Steuerung erfolgen, wobei die Steuerung z. B. die aktuellen Betriebsdaten der Anlage erfaßt, und durch entsprechende Drosselung der Kältemittelströme die Leistungs­ ziffer der Anlage optimiert wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das Drosselorgan regelbar ist. Diese Regelung erfaßt z. B. die Betriebszustände am Aus­ tritt des Verdampfers und regelt entsprechend den Massenstrom des in den Verdampfer einfließenden Kühlmittels. Bei einer Aus­ führungsform, bei der der Kompressor als Flügelzellenkompressor ausgebildet ist, ist vorgesehen, daß die Seitenscheiben des Verdichtungsraumes des Flügelzellenkompressors mit Eintritts­ öffnungen für das Zwischendruckgas versehen sind. Über diese Eintrittsöffnungen wird das vom Zwischendrucksammler abgezweig­ te gasförmige Kältemittel dem Kompressor aufgegeben. Dabei strömt das Kältemittel so lange in den Verdichtungsraum, bis entweder ein Druckausgleich hergestellt ist, oder der Druck im Verdichtungsraum den Zwischendruck übersteigt und somit das Rückschlagventil schließt, wodurch eine Rückströmung des Kälte­ mittelgases verhindert wird. Die Anordnung der Eintrittsöffnun­ gen an den Seitenscheiben hat den Vorteil, daß dadurch die an den Flügeln vorgesehenen axialen Dichtflächen nicht nachteilig beeinträchtigt werden, so daß sich die Lebensdauer des Kompres­ sors nicht vermindert.

Weist der Kompressor mehrere Verdichtungsräume auf, so besitzt jeder Verdichtungsraum Eintrittsöffnungen für das Zwischen­ druckgas. Die Eintrittsöffnungen sind dabei derart angeordnet, daß die in den Verdichtungsraum mündenden Eintrittsöffnungen für das Niederdruckgas und das Zwischendruckgas durch wenig­ stens einen Flügel des Flügelzellenkompressors voneinander ge­ trennt sind. Die Eintrittsöffnungen des Niederdruckgases, über die das Kältemittelgas aus dem Verdampfer angesaugt wird, und die Eintrittsöffnungen für das vom Zwischendrucksammler kommen­ de Zwischendruckgas münden in separate Förderzellen, so daß sich die einen unterschiedlichen Druck aufweisenden Kältemit­ telströme nicht gegenseitig beeinflussen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Flügelzellenkom­ pressors ist vorgesehen, daß die Eintrittsöffnung derart ange­ ordnet ist, daß die Förderzellen jeweils unmittelbar nach Ab­ schluß des Saugvorganges mit dem Zwischendruckgas beaufschlagt werden. Sobald die Förderzelle die Eintrittsöffnung für das Niederdruckgas überstrichen hat, und somit der Saugvorgang ab­ geschlossen ist, mündet in diese Förderzelle die Eintrittsöff­ nung des Zwischendruckgases, so daß unmittelbar nach dem Saug­ vorgang in der Förderzelle der Zwischendruck herrscht. Dies hat den Vorteil, daß der Kompressor einen höheren Enddruck und eine gesteigerte Förderleistung erreicht. Sobald der Druck in der Förderzelle den Zwischendruck übersteigt, wird eine Rückströ­ mung des Zwischendruckgases durch das sich schließende Rück­ schlagventil verhindert.

Die Eintrittsöffnung für das Zwischendruckgas kann auch derart angeordnet sein, daß die Förderzellen nicht unmittelbar nach dem Abschluß des Saugvorganges aber vor Beginn des Ausstoßes des verdichteten Gases mit dem Zwischendruckgas beaufschlagt werden. Nach dem Abschluß des Saugvorganges durchläuft nunmehr die Förderzelle einen gewissen Bereich, in dem weder die Ein­ trittsöffnung für das Niederdruckgas noch die Eintrittsöffnung für das Zwischendruckgas einmündet. Eine Ausführungsform sieht vor, daß die Eintrittsöffnung für das Zwischendruckgas als Boh­ rung ausgebildet ist.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Kälteanlage und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Flügelzellenkompressor.

Die Fig. 1 zeigt eine Kälteanlage (1), mit zu einem Kältekreis­ lauf geschalteten Bauteilen, wie einen Kompressor (2), einen nachgeschalteten Kondensator (3), einen Druckminderer (4), ei­ nen Zwischendrucksammler (5), ein Drosselorgan (6) und einen Verdampfer (7). Der Zwischendrucksammler (5) ist über eine Ver­ bindungsleitung (8) mit dem Kompressor (2) gekoppelt, wobei die Verbindungsleitung (8) einen weiteren Druckminderer (9) und ein Rückschlagventil (10) aufweist. Die Bauteile (2 bis 5) sind über eine Verbindungsleitung (11) und die Bauteile (5, 6, 7 und 2) über eine Verbindungsleitung (12) miteinander verbunden.

Nachfolgend wird kurz die Funktionsweise der Kälteanlage (1) beschrieben:

Das im Verdampfer (7) in gasförmigem Zustand sich befindende Kältemittel wird vom Kompressor (2) angesaugt und verdichtet. Als Hochdruckgas verläßt das Kältemittel den Kompressor (2) über die Verbindungsleitung (11) und wird im Kondensator (3) abgekühlt und verflüssigt. Über den Druckminderer (4) wird der Druck des Kältemittels auf einen Zwischendruck reduziert, und im nachfolgenden Zwischendrucksammler (5) wird die dampfförmige von der flüssigen Phase getrennt. Das flüssige Kältemittel wird über die Verbindungsleitung (12) dem Drosselorgan (6) zugelei­ tet, das den Druck des Kältemittels weiter reduziert. Im Ver­ dampfer (7) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme, so daß es wieder vom Kompressor (2) angesaugt werden kann. Die im Zwischendrucksammler (5) sich befindende dampfförmige Phase des Kältemittels wird in die Verbindungsleitung (8) eingeleitet und gelangt über den Druckminderer (9) und das Rückschlagventil (10) in die Zwischendruckstufe des Kompressors (2). Der Massen­ strom des vom Zwischendrucksammler (5) zum Kompressor (2) strö­ menden Kältemittelgases ist mittels des Druckminderers (9) in der Verbindungsleitung (8) bestimmbar. Vorteilhaft sind der Druckminderer (4) und der Druckminderer (9) einstellbar ausgebildet, so daß die Massenströme in einem weiten Bereich variierbar sind, wodurch die Kälteanlage (1) an unterschiedli­ che Betriebszustände anpaßbar ist. Durch völliges Schließen des Druckminderers (9) erhält man eine konventionelle Kälteanlage ohne Zwischendruck-Gaseinspeisung in den Kompressor (2). Durch Drosselung des Druckminderers (4) ist eine Unterkühlung des Kältemittels erreichbar. Eine merkliche Verbesserung der Lei­ stungsziffer der Kälteanlage (1) ist durch Drosselung des Druckminderers (4), was eine geringe Unterkühlung bewirkt, und durch eine teilweise Öffnung des Druckminderers (9), was eine Zwischendruck-Gaseinspeisung in den Kompressor (2) bewirkt, er­ reichbar. Eine weitere Leistungsverbesserung wird über ein re­ gelbares Drosselorgan (6) erzielt, wobei über Leitungen (13) die Betriebszustände des Kältemittels am Ausgang des Verdamp­ fers (7) ermittelt werden und dementsprechend das Drosselorgan (6) verstellt wird.

Die Fig. 2 zeigt einen Flügelzellenkompressor (14), der zwi­ schen dem Rotor (15) und dem Stator (16) zwei Verdichtungsräume (17) aufweist. Der Rotor (15) trägt im wesentlichen radial an­ geordnete Flügel (18), die die Verdichtungsräume in Förderzel­ len (19) aufteilen. Der Stator (16) weist zwei Eintrittsöffnun­ gen (20) für das Niederdruckgas auf und ist mit zwei Austritts­ öffnungen (21) für das hochverdichtete Kältemittelgas ausge­ stattet. Weiterhin sind zwei Eintrittsöffnungen (22) für das Zwischendruckgas vorgesehen, die ebenfalls in die Verdichtungs­ räume (17) münden. Diese Eintrittsöffnungen (22) sind an den Seitenscheiben (23) des Kompressors (14) vorgesehen, so daß sie nicht von den Dichtungen (24) der Flügel (18) überfahren wer­ den.

Die beiden Verdichtungsräume (17) erstrecken sich jeweils über einen Winkel von 180° am Umfang des Rotors (15), wobei im Be­ reich von 0° die Eintrittsöffnung (20) für das Niederdruckgas und im Bereich von 180° die Austrittsöffnung (21) für das hoch­ verdichtete Kältemittelgas angeordnet ist. Die Eintrittsöffnung (22) für das Zwischendruckgas ist bei einem Winkel (α) vorgese­ hen, wobei der Winkel (α) derart gewählt ist, daß die Förder­ zellen (19) jeweils erst nach Abschluß des Saugvorganges mit dem Zwischendruckgas beaufschlagt werden. Dabei kann das Zufüh­ ren des Zwischendruckgases unmittelbar nach Abschluß des Saug­ vorganges erfolgen, wobei dann die Eintrittsöffnung (22) beim kleinstmöglichen Winkel (α) vorgesehen ist. Bei größeren Win­ keln (α) rückt die Eintrittsöffnung (22) näher zur Austritts­ öffnung (21) für das hochverdichtete Kältemittelgas. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Eintrittsöffnungen (22) als Bohrungen ausgebildet, wobei eine Rückströmung des zugeführten Zwischendruckgases durch das Rückschlagventil (10) verhindert wird.

Claims (12)

1. Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, in dem nacheinander ein Kompressor, ein Kondensator, ein Druckmin­ derer, ein Zwischendrucksammler, ein Drosselorgan und ein Ver­ dampfer vorgesehen sind, wobei der Zwischendrucksammler über eine separate Verbindungsleitung mit dem Kompressor zur Zwi­ schendruck-Gaseinspeisung verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß in der den Zwischendrucksammler (5) mit dem Kompressor (2) verbindenden Verbindungsleitung (8) ein Druckminderer (9) und ein Rückschlagventil (10) angeordnet sind.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckminderer (4, 9) als Nadelventile ausgebildet sind.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zwischen dem Zwischendrucksammler (5) und dem Kompressor (2) angeordnete Druckminderer (9) einstellbar ist.

4. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Kondensator (3) und dem Zwischendrucksammler (5) angeordnete Druckminderer (4) ein­ stellbar ist.

5. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (6) regelbar ist.

6. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kompressor als Flügelzellenkompressor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenscheiben (23) des Verdichtungs­ raumes (17) des Flügelzellenkompressors (14) mit Eintrittsöff­ nungen (22) für das Zwischendruckgas versehen sind.

7. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verdichtungsraum (17) Eintrittsöffnungen (22) für das Zwischendruckgas aufweist.

8. Kälteanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in den Verdichtungsraum (17) mündenden Ein­ trittsöffnungen (20, 22) für das Niederdruckgas und das Zwi­ schendruckgas durch wenigstens einen Flügel (18) des Flügelzel­ lenkompressors (14) voneinander getrennt sind.

9. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (22) derart angeordnet ist, daß die Förderzellen (19) jeweils unmittelbar nach Ab­ schluß des Saugvorganges mit dem Zwischendruckgas beaufschlagt werden.

10. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (22) derart angeordnet ist, daß die Förderzellen (19) nach Abschluß des Saugvorganges und vor Beginn des Ausstoßes des verdichtenden Gases mit dem Zwischendruckgas beaufschlagt werden.

11. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (22) für das Zwischen­ druckgas als Bohrung ausgebildet ist.

12. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zwischendrucksammler (5) ein Flüssig­ keitsabscheider zugeordnet ist oder der Zwischendrucksammler (5) die Funktion des Flüssigkeitsabscheiders erfüllt.