DE3725688A1 - Rotationskompressor mit abgassteuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskompressor gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2, der insbesondere in einem Kühlkreislauf eines kryogenen Kühlgeräts oder Klimageräts zum Einsatz kommt.

Ein kryogenes bzw. Tieftemperatur-Kühlgerät mit einem Rota­ tionskompressor ist allgemein bekannt, z. B. aus der japa­ nischen Patentveröffentlichung Nr. 60-204 986. Die Fig. 1 zeigt einen Kühlkreislauf mit einem Rotationskompressor, wie er in der oben genannten japanischen Patentveröffentli­ chung offenbart ist. Im Schaltungsdiagramm nach Fig. 1 ist ein Rotationskompressor 1 mit einem Kondensator bzw. Ver­ flüssiger 2 verbunden, der seinerseits mit einem Steuerven­ til 3 verbunden ist. Das Steuerventil 3 ist über eine Ka­ pillarröhre 4 mit einem Verdampfer 5 verbunden. Der Ver­ dampfer 5 ist seinerseits über ein Prüfventil 6 wiederum mit dem Drehkompressor 1 verbunden. Wie bekannt, sind diese Elemente innerhalb des Kühlkreislaufs in Flußrichtung in der genannten Reihenfolge hintereinandergeschaltet. Demzu­ folge zirkuliert ein Kühlgas innerhalb der geschlossenen Schleife der kryogenen Kühlschaltung, und zwar in Richtung der in Fig. 1 gezeigten Pfeile, um einen Wärmeaustausch durchzuführen.

Um die oben beschriebene konventionelle Kühlschaltung zu verbessern, wurde bereits in der genannten Patentveröffent­ lichung der Einsatz eines weiteren Rotationskühlkompressors vorgeschlagen, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist.

Entsprechend der Fig. 2 befinden sich innerhalb eines ge­ schlossenen Gehäuses 7 ein Kompressionselement 8, ein Elek­ tro-Antriebselement 9, eine Hochdruck- bzw. Strahlröhre 10 und ein Steuerventil 3. Dieser Kompressor ist zum Wärmeaus­ tausch innerhalb einer Kühlschaltung ähnlich der Fig. 1 an­ geordnet.

In der Kühlschaltung nach Fig. 1 wird das Steuerventil 3 so angesteuert, daß es während des Betriebs des Kompressors 1 geöffnet ist, während es geschlossen ist, nachdem der Kom­ pressor 1 gestoppt worden ist. Auf diese Weise kann die Kühlschaltung geöffnet und geschlossen werden. Durch das Steuerventil 3 läßt sich daher verhindern, daß unter hohem Druck stehendes Kältemittel innerhalb des Kondensators 2 und des geschlossenen Gehäuses 7 des Kompressors 1 in den Ver­ dampfer 5 bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur über die Kapillarröhre 4 strömt, nachdem der Kompressor 1 ge­ stoppt worden ist. Da ein Temperaturanstieg im Verdampfer 5 aufgrund der Einströmung des Kühlmittels in den Verdampfer 5 unterdrückt wird, kann der Arbeitszyklus des Kompressors 1 klein gehalten werden, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad der Kühlschaltung ergibt. Die Funktion des Prüfventils 6 wird nachfolgend näher beschrieben. Dieses Prüfventil 6 ist geöffnet, wenn das Kühlmittel in der normalen Richtung wäh­ rend des Betriebs des Kompressors 1 fließt. Dagegen wird das Prüfventil 6 durch eine Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer 5 und dem geschlossenen Gehäuse 7 des Kompres­ sors 1 geschlossen, nachdem der Kompressor 1 gestoppt wor­ den ist. Das Prüfventil 6 kann somit das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Kühlmittel blockieren, das in den Verdampfer 5 zu strömen neigt.

Die Fig. 2 zeigt einen Rotationskühlkompressor, bei dem ei­ ne entsprechende Steuerung mit Hilfe eines Prüfventils 6 und eines Steuerventils 3 durchgeführt wird. Während des Betriebs des Kompressors 1 wird dabei vom Kompressormecha­ nismus in einen Schalldämpfer bzw. Abgasraum geführtes Ab­ gas über das Hochdruck- bzw. Strahlrohr 10 in das geschlos­ sene Gehäuse 7 ausgegeben. Wie oben beschrieben, wird in diesem Fall das auf der Spitze des Hochdruck- bzw. Strahl­ rohrs 10 angeordnete Steuerventil durch eine Druckdifferenz zwischen dem Abgas in der Hochdruck- bzw. Strahlröhre 10 und dem Gas im geschlossenen Gehäuse 7 geöffnet und ge­ schlossen. Gleichzeitig wird durch das Steuerventil 3 ein Verbindungsloch 12 zwischen dem geschlossenen Gehäuse 7 und einem Abgasrohr 11 geöffnet und geschlossen, so daß das in­ nerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 vorhandene Gas über das Abgasrohr 11 in die Kühlschaltung gelangen kann. Da die oben beschriebene Druckdifferenz nach Unterbrechung des Kompressorbetriebs nicht lange aufrechterhalten bleibt, wird das Steuerventil 3 geschlossen, wodurch ebenfalls das Verbindungsloch 12 (Verbindungskanal) zwischen dem Abgas­ rohr 11 und dem geschlossenen Gehäuse 7 geschlossen wird. Die Strömung des unter hohem Druck stehenden Kühlmittels aus dem geschlossenen Gehäuse 7 in den Verdampfer 5 wird somit blockiert.

Das im Ansaugweg angeordnete Prüfventil 6 weist anderer­ seits im wesentlichen den gleichen Prüfventil-Mechanismus wie das in Fig. 1 gezeigte Prüfventil auf und liegt inner­ halb des geschlossenen Gehäuses 7. Das Prüfventil 6 verhin­ dert, daß das im geschlossenen Gehäuse 7 unter hohem Druck stehende Kühlmittel über den Ansaugweg in den Verdampfer 5 strömt, wobei es in ähnlicher Weise wie das in Fig. 1 ge­ zeigte Prüfventil arbeitet.

Der konventionelle Rotationskompressor mit dem oben be­ schriebenen Aufbau weist jedoch mehrere Nachteile auf. Insbesondere ist von Nachteil, daß das vom Kompressor 1 in den Abgasraum 13 abgegebene und unter hohem Druck sowie ho­ her Temperatur stehende Gas über die Hochdruck- bzw. Strahlröhre 10 in das geschlossene Gehäuse 7 gelangt. Die Wärmestrahlung vom abgegebenen Gas erhitzt somit das ge­ schlossene Gehäuse 7. Aufgrund der Wärmestrahlung kann da­ her die Gesamttemperatur des Kompressors 1 beträchtlich an­ steigen, so daß er einen verringerten Arbeitswirkungsgrad aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotations­ kompressor zu schaffen, durch den verhindert wird, daß sich nach Abschaltung des Rotationskompressors der Wirkungsgrad der Kühleinheit oder der Kühlschaltung aufgrund eines Druckgleichgewichts des Kühlmittels verringert.

Ziel der Erfindung ist es ferner, einen Rotationskompressor anzugeben, bei dem durch Unterbrechung der Wärmestrahlung vom abgegebenen Gas verhindert wird, daß sich sein Arbeits­ wirkungsgrad verringert.

Der Rotationskompressor soll darüber hinaus kostengünstig herstellbar sein.

Lösungen der gestellten Aufgaben sind den kennzeichnenden Teilen der jeweils nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Rotationskompressor, bei dem ein Rollkolben-Kompres­ sionselement und ein Elektro-Antriebselement zum Antreiben des Rollkolben-Kompressionselements in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind, das als Hochdruckgefäß ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, daß

• - ein Prüfventil in einem Kühlgas-Ansaugweg des Kompressors angeordnet ist und in einem Gas-Auslaßweg des Kompressors folgende Einrichungen vorhanden sind:
• - ein Auslaßventil an einem Auslaß des Kompressionselemen­ tes,
• - ein das Auslaßventil überdeckendes Element zur Bildung eines luftdichten Abgasraums,
• - ein Abgasrohr, dessen eines Ende mit dem Abgasraum in Verbindung steht, und
• - ein am Einlaßbereich oder in einem Zwischenabschnitt des Abgasrohres angeordnetes Steuerventil, das innerhalb des Abgasraumes geöffnet und geschlossen werden kann.

Kurzgefaßt sind in einem Rotationskompressionsgerät ein Prüfventil in einer Gas-Ansaugeinheit und ein Auslaßventil in einer Gas-Auslaßeinheit angeordnet. Zusätzlich befindet sich ein Steuerventil an einem Einlaßbereich eines Abgas­ rohres. Ein Ende dieses Abgasrohres steht mit dem Abgasraum in Verbindung, der einen luftdichten Raum innerhalb eines geschlossenen Gehäuses des Kompressors bildet. Dieses Steu­ erventil ist als Gleitventil ausgebildet, wobei der Steuer­ ventilbetrieb des Steuerventils infolge einer Druckdiffe­ renz durchführbar ist, die sich einerseits durch den inne­ ren Druck im Abgasraum, der auf einen Ventilkörper des Steuerventils wirkt, und andererseits durch in einen in entgegengesetzter Richtung auf den Ventilkörper einwirken­ den äußeren Druck, verstärkt um die Kraft einer Feder, ein­ stellt. Der äußere Druck baut sich dabei im geschlossenen Gehäuse des Kompressors auf.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer konventionel­ len Kühlschaltung mit einem Rotationskompressor,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch einen konventionellen Rotationskompressor,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch den wesentlichen Teil eines Rotationskompressors nach einem ersten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch einen Rotationskom­ pressor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt eines Rotationskom­ pressors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Es sei dar­ auf hingewiesen, daß gleiche Elemente wie in den Fig. 1 und 2 gleiche Bezugszeichen tragen.

Der Rotationskompressor 1 nach Fig. 3 weist ein geschlosse­ nes Gehäuse 7 auf. Innerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 befinden sich ein Kompressionselement 8, ein Elektro-An­ triebselement 9, ein Auslaßventil 14 an einem Teil des Kom­ pressormechanismus und ein aus Blech bestehender Schall­ dämpfer bzw. Abgasraum 13 (Kappe bzw. Schale) zur Abdeckung des Auslaßventils 14.

Das Auslaßventil 14 wird infolge einer Druckdifferenz zwi­ schen dem inneren Druck im Abgasraum 13 und dem Druck im Zylinder geöffnet oder geschlossen. Ist das Auslaßventil 14 geöffnet, so strömt das Abgas aus dem Zylinder in den Ab­ gasraum 13. Ist dagegen das Auslaßventil 14 geschlossen, so wird ein Rückstrom des Gases aus dem Abgasraum 13 in den Zylinder blockiert.

Ein Ende des Abgasrohrs 11 ist direkt mit der Kühlschaltung außerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 verbunden, während das andere Ende des Abgasrohres 11 mit dem aus Metallblech bestehenden Auspuffraum 13 über ein Axial- bzw. Gegendruck­ lager 16 des Kompressionselements 8 in Verbindung steht. In der Nähe einer Öffnung 17 ist ein Steuerventil 30 positio­ niert. Dieses Steuerventil 30 enthält einen gleitend ver­ schiebbaren Ventilkörper 15 aus einem im wesentlichen rechteckförmigen, vollen Material, einem Raum 16-b zur Auf­ nahme des Ventilkörpers 15, wobei der Raum 16-b durch eine Ausnehmung an der zylinderseitigen Oberfläche 16-a des Axial- bzw. Gegendrucklagers 16 gebildet ist, sowie eine Feder 18 zum Verschieben des Ventilkörpers 15. Der oben be­ schriebene Raum 16-b weist ein Loch 17 bzw. einen Kanal auf, der mit der Innenseite des Schalldämpfers 13 bzw. des Abgasraumes in Verbindung steht, ein anderes Loch 19 bzw. einen anderen Kanal, der mit dem Abgasrohr 11 an der der Oberfläche 16-a des Axial- bzw. Gegendrucklagers 16 gegen­ überliegenden Oberfläche in Verbindung steht, und eine Nut bzw. Furche 20, die zur Oberfläche eines Sitzes 16-c für die Feder 18 hin geöffnet ist und andererseits mit dem ge­ schlossenen Gehäuse 7 in Verbindung steht.

Wird der Rotationskompressor 1 gestartet, so wird zunächst durch das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Gas, das mit Hilfe des Kompressionselements 8 komprimiert worden ist, das Auslaßventil 14 geöffnet, wie in Fig. 3 durch den Pfeil 40 dargestellt ist. Dabei strömt das Gas ins Innere des Schalldämpfers 13 bzw. Auspuffraumes.

Anschließend strömt das meiste Abgas durch das Verbindungs­ loch 17 hindurch und erreicht ein Ende des Ventilkörpers 15 an der der Feder 18 gegenüberliegenden Seite, obwohl ein geringer Anteil des Abgases ins Innere des geschlossenen Gehäuses 7 hineinströmen kann, und zwar durch den abgedich­ teten Bereich hindurch, der zwischen dem Kompressionsele­ ment 8 und dem mit ihm verbundenen Auspuffraumblech liegt. Im zuletzt genannten Fall handelt es sich aber nur um Leck­ strömungen.

Unter den vorliegenden Bedingungen wird der Ventilkörper 15 innerhalb des Raumes 16-b in Richtung der Feder 18 bewegt, während er andererseits der Kraft der Feder 18 und der Druckkraft unterworfen ist, die sich aufgrund des Gasdrucks im geschlossenen Gehäuse 7 einstellt.

Das Verbindungsloch 19, das zuvor immer geschlossen war, wird jetzt geöffnet, und zwar in bezug auf den Raum 16-b, so daß das Abgasrohr 11 nunmehr mit der Innenseite des Aus­ puff- bzw. Abgasraums 13 in Verbindung steht. Das Gas in­ nerhalb des Abgasraumes 13 kann somit über das Abgasrohr 11 in die Kühlschaltung ausgegeben werden.

Im folgenden wird der Zustand beschrieben, der sich nach Abschaltung des Rotationskompressors einstellt.

Werden der Rotationskompressor gestoppt und die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden Gases blockiert, so übersteigt die resultierende Kraft, die sich aufgrund des Drucks innerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 und aufgrund der Kraft der Feder 8 ergibt, die interne Druckkraft aufgrund des inneren Drucks im Abgasraum 13. Dies hat zur Folge, daß der Ventilkörper 15 von der Feder 8 wegbewegt wird und die Verbindungsöffnung 19 schließt. Das Steuerventil 30 nach der Erfindung kann somit die Strömung des Kühlgases in die Schaltung blockieren, wenn der Kompressor 1 gestoppt bzw. abgeschaltet wird. Der Druckanstieg und der Temperaturan­ stieg in Richtung eines Gleichgewichts innerhalb der Schal­ tung werden daher erheblich verzögert.

Es ist ersichtlich, daß aufgrund des Prüfventils 6 eine Wärmezufuhr zum Verdampfer 5 erheblich unterdrückt werden kann, da das Prüfventil 6 an der Einlaßseite angeordnet ist und verhindert, daß Gas und Öl in umgekehrter Richtung durch den Ansaugweg hindurchströmen.

Der größte Anteil des vom Kompressionselement 8 abgegebenen Gases wird über den Auspuffraum 13 zum Abgasrohr 11 ge­ führt.

Die Gesamttemperatur des Kompressors 1 kann daher relativ gering gehalten werden, so daß sich auf diese Weise ein besserer Wirkungsgrad beim Ansaugen und Komprimieren des Gases einstellt. Neben einem verbesserten Antriebswirkungs­ grad für den Motor weist der Kompressor 1 aber auch eine höhere Lebensdauer und eine größere Betriebszuverlässigkeit auf.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Rota­ tionskompressors 1, bei dem das Steuerventil in einem Zwi­ schenbereich des Abgasrohres 11 angeordnet ist. Eine Kappe 54 ist gleitend auf einem Ende des Abgasrohrs 11 positio­ niert und wird an einem Flanschteil 56 durch eine zusammen­ gedrückte Feder 52 beaufschlagt. Die Kappe 54 steht in Druckkontakt mit dem Ventilkörper 15 im Bereich einer ge­ neigten Oberfläche 55. Wird der Kompressor 1 gestartet, so steigt der Druck im Abgasraum 13 an und sorgt dafür, daß der Ventilkörper 15 in Fig. 4 nach oben verschoben wird. Aufgrund der Feder 52 wird daher die Kappe 54 in Fig. 4 nach links bewegt. Diese Bewegung nach links erfolgt so weit, bis der mit der Feder 52 in Kontakt stehende Endteil der Kappe 54 bis über Abgaslöcher 51 hinaus verschoben ist und diese freigibt, die sich an einer Zwischenposition des Abgasrohrs 11 befinden. Der Ventilkörper 15 liegt dann an einem Abdichtmaterial 53 an. Das Abdichtmaterial 53 dient ebenfalls als Stopperelement für den Ventilkörper 15.

Sobald die Abgaslöcher 51 freiliegen, kann das Kühlmittel aus dem Abgasraum 13 in das Abgasrohr 11 strömen.

Wird der Kompressor 1 gestoppt, so wird der Ventilkörper 15 nach unten gedrückt, und zwar aufgrund der resultierenden Kraft, die sich infolge der Kraft der Feder 18 und der Druckkraft im Ansaugweg einstellt. Die Kappe 54 wird dabei in Fig. 4 nach rechts entgegen der Kraft der Feder 52 ver­ schoben. Sobald der Flanschteil 56 der Kappe 54 über die Abgaslöcher 51 bewegt worden ist, werden diese durch die Kappe 54 verschlossen.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Ventil­ körper 15 mit Hilfe der Kraft der Feder 18 bewegt. Alterna­ tiv kann die Feder 18 aber auch fortgelassen werden, wenn die Gleitrichtung des Ventilkörpers 15 vertikal liegt. Wird in diesem Fall der Kompressor 1 gestoppt, so übersteigt die resultierende Kraft aufgrund des Drucks innerhalb des ge­ schlossenen Gehäuses 7 und des Gewichts des Ventilkörpers 15 die innere Druckkraft im Abgasgehäuse 13 und bewirkt ei­ ne Verschiebung des Ventilkörpers 15 nach unten, so daß das Durchgangsloch 19 geschlossen wird.

Da das Kühlgas nicht in das geschlossene Gehäuse 7 hinein­ strömt, verbleibt die Gesamttemperatur des Kompressors 1 während seines Betriebs auf einem hinreichend niedrigen Wert.

Das Prüfventil und das Steuerventil liegen innerhalb des Kompressors, so daß sich die Kühlschaltung einfach und ko­ stengünstig aufbauen läßt. Es ergeben sich daher verschie­ dene Vorteile, beispielsweise eine verbesserte Betriebszu­ verlässigkeit, Wirtschaftlichkeit usw.

Claims (4)

1. Rotationskompressor, bei dem ein Rollkolben-Kompres­ sionselement (8) und ein Elektro-Antriebselement (9) zum Antreiben des Rollkolben-Kompressionselements (8) in einem geschlossenen Gehäuse (7) angeordnet sind, das als Hoch­ druckgefäß ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Prüfventil (6) in einem Kühlgas-Ansaugweg des Kom­ pressors (1) angeordnet ist und in einem Gas-Auslaßweg des Kompressors folgende Einrichtungen vorhanden sind:
• - ein Auslaßventil (14) an einem Auslaß des Kompressions­ elements (8),
• - ein das Auslaßventil (14) überdeckendes Element (13) zur Bildung eines luftdichten Abgasraums,
• - ein Abgasrohr (11), dessen eines Ende mit dem Abgasraum in Verbindung steht, und
• - ein am Einlaßbereich des Abgasrohres (11) angeordnetes Steuerventil (30), das innerhalb des Abgasraumes geöffnet und geschlossen werden kann.

2. Rotationskompressor, bei dem ein Rollkolben-Kompres­ sionselement (8) und ein Elektro-Antriebselement (9) zum Antreiben des Rollkolben-Kompressionselements (8) in einem geschlossenen Gehäuse (7) angeordnet sind, das als Hoch­ druckgefäß ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Prüfventil (6) in einer Gas-Ansaugeinheit des Kom­ pressors (1) angeordnet ist und in einem Gas-Auslaßweg des Kompressors (1) folgende Einrichtungen vorhanden sind:
• - ein Auslaßventil (14) an einem Auslaß des Kompressions­ elements (8),
• - ein das Auslaßventil (14) überdeckendes Element (13) zur Bildung eines luftdichten Abgasraumes,
• - ein Abgasrohr (11), dessen eines Ende mit dem Abgasraum in Verbindung steht, und
• - ein in einem Zwischenabschnitt des Abgasrohres (11) ange­ ordnetes Steuerventil (51, 54), das innerhalb des Abgas­ raums geöffnet und geschlossen werden kann.

3. Rotationskompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsteuerbetrieb des Steuerven­ tils infolge einer Druckkraftdifferenz durchführbar ist, die sich einerseits durch den inneren Druck im Abgasraum, der auf einen Ventilkörper (15) des Steuerventils wirkt, und andererseits durch einen in entgegengesetzter Richtung auf den Ventilkörper (15) einwirkenden äußeren Druck, ver­ stärkt um die Kraft einer Feder (18) einstellt.

4. Rotationskompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil zwischen den Montageteilen des Kompressionselements (8) positioniert ist und folgende Elemente enthält:

• - einen innerhalb der Montageteile liegenden Ventilkörper- Aufnahmeraum (16-b), der über ein Loch (17) mit dem Ab­ gasraum in Verbindung steht, und
• - einen im Ventilkörper-Aufnahmeraum (16-b) gleitend ver­ schiebbaren Ventilkörper (15), der das eine Ende des Ab­ gasrohrs (11) öffnet, wenn das Kompressionselement (8) in Betrieb ist und das Kühlgas aus dem Abgasraum über das Loch (17) in den Ventilkörper-Aufnahmeraum (16-b) strömt, und dieses Ende des Abgasrohrs (11) verschließt, wenn das Kompressionselement (8) außer Betrieb ist.