DE3804418A1 - Kapazitaetskontrolleinrichtung fuer spiralgehaeuse-kompressoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umgehungs- oder Bypass-Kapazitätskontrolleinrichtung für eine Spiralgehäuse-Strömungsmaschine, und insbesondere eine Kapazitätskontrolleinrichtung für einen Spiralgehäuse-Kompressor.

In den Fig. 3(A) und (B) ist die Konfiguration oder Ausgestaltung eines Spiralgehäuse-Kompressors mit einer herkömmlichen Kapazitätskontrolleinrichtung dargestellt. Hierbei weist der Kompressor 1 ein Gehäuse auf, das aus einer Vorder- oder Stirnendplatte 11 und einem schalenartigen Gehäuse 12 zusammengesetzt ist. Die Stirnendplatte 11 ist mit einem Mittelloch ausgebildet, in dem das Lager 13 angeordnet liegt, von dem durch das Mittelloch eine Hauptwelle 14 drehbar gehalten wird. Im Gehäuse 10 sind ein festes und ein umlaufendes Spiralteil 15 bzw. 16 angeordnet. Das feste Spiralteil 15 besitzt eine Seitenplatte 151 und ein Spiralglied 152, das auf der Innenfläche der Seitenplatte 151 eingesetzt ist, die fest mit dem Schalengehäuse 12 verbunden ist. Das umlaufende Spiralteil 16 besitzt eine Seitenplatte 161 sowie ein Spiralglied 162, das auf der Innenfläche der Seitenplatte 161 eingesetzt ist und dieselbe Konfiguration wie die des Spiralgliedes 152 aufweist. Hierbei kommt das umlaufende Spiralteil 16 mit dem festen Spiralteil derart in Eingriff, daß das Spiralglied 162 des Teiles 16 gegenüber dem Spiralglied 162 des Teiles 15 um einen Winkel von 180 Grad verschoben wird. Demgemäß werden die geschlossenen Kammern 251, 252 und 253 zwischen den beiden Spiralteilen gebildet.

Das umlaufende Spiralteil 16 ist mit einem Antrieb 6 und einer selbstdrehenden Kontrollvorrichtung 7 gekoppelt und führt mit der Drehung der Hauptwelle 14 auf einer vorbestimmten Kreisbahn eine Sonnenumlaufbewegung durch. Wenn somit das umlaufende Spiralteil 16 auf einer derartigen Bahn mit der Drehung der Welle 14 umläuft, werden die Kontaktabschnitte zwischen beiden Spiralgliedern längs der Flächen der Spiralglieder 152 und 162 zur Mitte der Spirale bewegt. Demzufolge werden auch die Kammern 251 und 252, die zwischen beiden Spiralteilen 15 und 16 durch deren Eingriff gebildet werden, zur Mitte der Spirale hin bewegt, während die Volumina der Kammern nach und nach verringert werden. Das in die Saugkammer 18 (18 a und 18 b) aus einem Außenhydraulikkreis durch die Saugöffnung 26 fließende Strömungsmittel wird durch eine äußere, aus den beiden Spiralgliedern 152 und 162 gebildete Umlauföffnung der Spirale in die Kammern 251 und 252 eingeführt und verdichtet. Das Strömungsmittel wird durch eine in der Seitenplatte 151 des festen Spiralteils 15 gebildete Durchdringungsöffnung 154 aus der Mittelkammer 253 in die Abführungskammer 19 abgegeben und strömt durch die Abführungsöffnung 22 in den Außenhydraulikkreis.

Wenn der Spiralgehäuse-Kompressor für einen Kompressor einer Wagenkühleinrichtung verwendet wird, wird die Antriebskraft des Motors über einen Riemen und eine Riemenscheibe 5 einer Kupplung an die Hauptwelle 14 des Kompressors 1 übertragen. Demgemäß erhöht sich das Kühlvermögen der Wagenkühleinrichtung praktisch linear proportional zur Drehzahl des Motors.

Durch die vermehrte Arbeit des Kompressors 1 wird das Antriebsleistungsvermögen des Automobils verringert, oder die übermäßige Kühlungskraft kühlt das Automobil unnötig ab. Um Probleme dieser Art zu lösen, sind zwei gleichgroße Durchmesser aufweisende Umgehungs- oder Bypasslöcher 30 a und 30 b vorgesehen, die in der Seitenplatte 151 des festen Spiralteils 15 ausgebildet sind und Öffnungen besitzen, die den beiden Kammern 251 bzw. 252 gegenüberliegend ausgebildet sind, wobei die Löcher 30 a und 30 b an Stellen in der Seitenplatte 151 ausgebildet sind, in der die Öffnungen der Löcher gleichzeitig von einem äußeren Endabschnitt des Spiralgliedes 162 des umlaufenden Spiralteils 16 geschlossen werden. Außerhalb der Seitenplatte 151 sind die Steller 32 a und 32 b angeordnet, durch die die beiden Bypasslöcher 30 a und 30 b geöffnet und geschlossen werden. Im vollbelasteten Zustand wird somit das Hochdruckgas in der Abführkammer 19 über ein hinter den Stellern 32 a und 32 b angeordnetes Regulierventil 34 an die Rückseiten der Steller 32 a und 32 b geführt, so daß die Steller 32 a und 32 b nach links bewegt werden, um die Bypasslöcher 30 a und 30 b zu schließen. Im unbelasteten Zustand wird dagegen das Gas, das einen zwischen niedrigem und hohem Druck schwankenden Druck hat, über das Regulierventil 34 an die Rückseiten der Steller 32 a und 32 b geführt, so daß die Steller 32 a und 32 b von den Federn 35 a und 35 b nach rechts bewegt werden, um mit den durchgehenden Öffnungen 42 a und 42 b in Verbindung zu treten.

Diese Öffnungen 42 a und 42 b stehen über die auf der inneren Peripherie des Gehäuses 10 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 46 a und 46 b mit der Saugkammer in Verbindung.

Die nach rechts laufende Bewegung der Steller 32 a und 32 b wird von dem Druck an deren Rückseiten bestimmt, und die Steller 32 a und 32 b werden mit einhergehender Drucksenkung nach rechts bewegt. Somit ist hierdurch eine Kapazitätskontrolleinrichtung geschaffen, durch die die offene Fläche der durchgehenden Öffnungen 42 a und 42 b durch die Bewegung der Steller zur Kontrolle einer Überströmgasmenge im Laufe der Verdichtung geändert wird.

Die Fig. 4 zeigt das in Fig. 3(A) eingezeichnete Regulierventil 34 in größeren Einzelheiten. Das Regulierventil 34 weist einen Balg 301 auf, in dem ein Gas wie Stickstoff mit konstantem Druck enthalten ist. Es umfaßt eine Druckfeder sowie ein Dreiwegventil 304. Durch das Bezugszeichen 303 ist ein Hohlraum gekennzeichnet, um Druck von der durchgehenden Öffnung 42 b an die Peripherie des Balgs 301 zu geben. Der Rückhaltering trägt das Bezugszeichen 306. Das Dreiwegventil 304 liegt an den durchgehenden Öffnungen 42 b, der Abführungskammer 19 und den Stellern 32 a und 32 b. Den Betrieb des Regulierventils 34 gibt die Fig. 5 wieder.

Wenn der Druck der durchgehenden Öffnungen 42 b (der gleich dem Saugdruck ist und hiernach mit LP bezeichnet wird) niedrig ist, schließt das Dreiwegventil 304 durch den Balg 301 das Ventil für die Abführungskammer 19. Dementsprechend ist der Betätigungsdruck (hiernach mit AP bezeichnet) der Steller 32 a und 32 b gleich dem LP. Zu diesem Zeitpunkt strömt kein Gas durch das Dreiwegventil. Dieser Zustand setzt sich fort bis zu dem mit 40 A der Fig. 5 bezeichneten Punkt. Wird der LP größer als der am Punkt 40 A und liegt zwischen den Drücken an den Punkten 40 A und 40 B, öffnet das Dreiwegventil 304 das Ventil für die Abführungskammer 19 und die durchgehenden Öffnungen 42 b. Gleichzeitig werden die offenen Flächen beider Ventile vom LP, dem Innendruck im Balg 301 und der Spannkraft der Druckfeder 302 proportional eingestellt. Dementsprechend ändert sich, wie Fig. 5 zeigt, der Gasdurchfluß und der AP. Im allgemeinen liegt der Unterschied zwischen den Drücken an den Punkten 40 A und 40 B bei etwa 0,0294 MPA (0,3 kg f/cm²). Da durch das Dreiwegventil 304 das Ventil für die durchgehende Öffnung 42 b an der Stelle 40 B geschlossen wird, ist AP gleich einem HP (der der Druck in der Abführungskammer 19 ist) und dieser Zustand von AP=HP wird über dem LP bei Punkt 40 B aufrechterhalten. Folglich wird, wie beschrieben, die Position oder Bewegung der Steller 32 a und 32 b im Bereich von vollständiger Öffnung oder der Volleinlaßstellung zur vollständigen Schließung linear kontrolliert.

Die o. a. bekannte Kontrolleinrichtung weist jedoch die folgenden beiden Nachteile auf:

(1) Das Regulierventil 34 ermittelt den LP und bestimmt - nach den vorstehenden Ausführungen - die Position des Dreiwegventils 304. Hierbei verändert sich jedoch die Beziehung zwischen LP und AP abhängig von der durch das Gleichgewicht der Kühlladung und der Leistungsfähigkeit der Wagenkühleinrichtung bestimmten Druckschwankung HP der Abführungskammer 19. Wie die Fig. 6 zum Beispiel zeigt, variiert die gestrichelt gezeichnete LP-AP-Kennlinie bei hohem HP gemäß der durchgezogenen Linie und der Strich-Punkt-Linie in dem Maße, wie der HP verringert wird. Deshalb wird die Stellung der Steller 32 a und 32 b (Bypassmenge), die bestimmt ist durch die Federn 35 a und 35 b, den Druck in den eingeschlossenen Kammern an den Bypasslöchern 30 a und 30 b und den AP, verändert. Der Betätigungsdruck AP, bei dem die Steller 32 a und 32 b, die die von den durchgehenden Öffnungen 42 a und 42 b der Steller 32 a und 32 b gebildete Bypassfläche kontrollieren, vollständig geöffnet und vollständig geschlossen sind, wird mit folgender Einschränkung bestimmt. Der AP am Punkt der vollständigen Schließung muß größer sein als die durch die Summe der Kompressionskraft der Federn 35 a und 35 b am vollständig geschlossenen Punkt erzeugte Kraft, der Druck in der geschlossenen Kammer an den Bypasslöchern 30 a und 30 b und der Gleitwiderstand der Steller 32 a und 32 b. Der Betätigungsdruck AP am vollgeöffneten oder Vollzugangspunkt muß kleiner sein als die Differenz zwischen der Summe der Kompressionskraft der Federn 35 a und 35 b am vollständig geschlossenen Punkt, der Druck in der geschlossenen Kammer an den Bypasslöchern 30 a und 30 b (gleich LP) und der Gleitwiderstand der Steller 32 a und 32 b.

Die Drücke AP im Zustand der vollständigen Schließung und Öffnung oder des vollen Zugangs sind in der Fig. 6 jeweils durch 50 B bzw. 50 A veranschaulicht. Der Gleit- oder Schleifwiderstand der Steller 32 a und 32 b ist unstabil und weitgehend veränderlich. Die Schwankungen der Kenndaten der Federn 35 a und 35 b müssen hierbei berücksichtigt werden. Da es demgemäß notwendig ist, den vollgeöffneten Punkt oder den Punkt des vollständigen Zugangs 50 A mit einem Spielraum zu bestimmen, ist der AP im allgemeinen größer als der LP, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Aus der Fig. 6 ist ersichtlich, daß der LP zum vollständigen Öffnen und Schließen der Steller 32 a und 32 b auf Schwankungen des HP weitgehend variiert.

Dementsprechend war es bisher so, daß der zu kontrollierende LP sich aufgrund der Schwankung des HP verändert.

(2) Die Kapazitätskontrolle des Rotationskompressors weist allgemein einen Bypassaufbau auf, wobei der Bypassdurchfluß gewöhnlich von den Stellern 32 a und 32 b kontrolliert oder geregelt wird, wie dies aus der Fig. 3 hervorgeht. Der hintere zwischen den Stellern 32 a und 32 b und dem Zylinder gebildete Raum der Steller ist aufgrund der Miniaturisierung des Kompressors klein und geschlossen. Folglich sammelt sich auch das Öl im allgemeinen in diesem hinteren Raum.

Die Position der Steller 32 a und 32 b, d. h. der Bestimmungsfaktor des Kapazitätskontrollbetrages wird durch das Gleichgewicht der Leistungsfähigkeit des Kompressors 1 sowie des Kühlungssystems und der thermischen Belastung ermittelt. Wenn z. B. die Drehzahl des Kompressors 1 und auch der LP plötzlich verändert wird, kann die Position der Steller 32 a und 32 b, d. h. der Ausgleichspunkt nach der Veränderung solange nicht bestimmt werden, bis der Rückkopplungsvorgang vom Kühlungssystem aus durchgeführt wird.

Der Raum zur Kontrolle oder Regulierung der Steller 32 a und 32 b ist jedoch, wie vorstehend beschrieben, klein und demgemäß sprechen die Steller sofort auf die Schwankung des LP an. Da die in Fig. 6 dargestellte proportionale Zone (Differenz zwischen 40 A und 40 B) der Kontrolle knapp ist und bei 0,0294 MPa liegt, wechseln die Steller 32 a und 32 b über zum vollgeschlossenen, vollgeöffneten oder Vollzugangspunkt über, wodurch sich eine mangelnde Stabilität ergibt.

Die bekannte Einrichtung weist also, wie vorstehend beschrieben, den Nachteil auf, daß der zu kontrollierende Saugdruck weitgehend variiert und daß es schwierig ist, eine stabile Kontrolle oder Regulierung zu erreichen.

Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen und eine Kapazitätskontrolleinrichtung eines Kompressors zu schaffen, durch die ein Kapazitätskontrollbetrag nur durch den Saugdruck des Kompressors bestimmt und eine stabile Kontrolle erreicht werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß folgende Ausgestaltung vorgesehen. Die Kapazitätskontrolleinrichtung des Spiralgehäuse-Kompressors bestehend aus einem festen Spiralteil und einem umlaufenden Spiralteil, die im allgemeinen baugleich und zueinander passend ausgebildet sind, einer Mitte des umlaufenden Spiralteils, das auf dem Umfang um die Mitte des festen Spiralteils eine sonnenbahnähnliche Umlaufbewegung durchführt, so daß Strömungsmittel angesaugt, verdichtet und abgeführt wird, und aus einem Steller, durch den eine Menge des Strömungsmittels, das von einer zwischen den Kontakten beider Spiralteile gebildeten Kompressionskammer aus umgeleitet wird, in die Saugkammer hinein kontrolliert oder geregelt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß darin ein Rückkopplungsmechanismus, in dem die Beziehung zwischen dem Saugdruck des Kompressors und dem den Steller betätigenden Druck eine Funktion ersten Grades ist, zur Kontrolle oder Regulierung vorgesehen ist, so daß der Saugdruck konstant ist.

Erfindungsgemäß wird als Rückkopplungsmechanismus ein Regulierventil verwendet. Hierbei wird die Beziehung zwischen dem Saugdruck und dem Betätigungs- oder Stelldruck des Stellers kennzeichnend ausgedrückt durch die Gleichung ersten Grades, und der Saugdruck sowie die Bypassmenge, d. h. der Kapazitätskontrollbetrag kann eindeutig bestimmt werden. Demnach kann also der Kapazitätskontrollbetrag nur durch den Saugdruck bestimmt und eine stabile Kontrolle erreicht werden.

Nach der Erfindung kann der Kapazitätskontrollbetrag des Kompressors unabhängig von anderen Schwankungsfaktoren nur durch den Saugdruck des Kompressors bestimmt werden. Dementsprechend kann der minimale Saugdruck genau eingeschränkt und die Frostkontrolle vom Kompressor selbst durchgeführt werden. Auch wenn der zu kontrollierende Raum knapp oder eng bemessen ist, läßt sich eine stabile Kontrolle oder Regulierung erreichen, wobei der Kompressor als Ganzes in kompakter und leichter Ausführung ausgebildet sein kann.

Die Erfindung wird anhand der nächstfolgenden Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht im Schnitt des Aufbaus eines Regulierventils nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Kenndatendiagramm, aus der die Beziehung des Steller- und Gasdruckes in einer Ausführungsform nach der Erfindung hervorgeht,

Fig. 3(A) und 3(B) eine Längansicht im Schnitt des Aufbaus eines herkömmlichen Spiralgehäuse-Kompressors mit einer Kapazitätskontrolleinrichtung bzw. eine Schnittansicht längs der Linie B-B der Fig. 3(A),

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils des herkömmlichen Regulierventils,

Fig. 5 ein Kurvendiagramm, aus der die Beziehung des Steller- und des Gasdruckes nach dem Stande der Technik ersichtlich ist, und

Fig. 6 ein Leistungsdiagramm eines Stellers.

In der den Aufbau eines Regulierventils nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigenden Fig. 1 ist die Ausgestaltung einer Kapazitätskontrolleinrichtung eines Kompressors nach der Erfindung identisch mit der der Fig. 3 mit Ausnahme des in Fig. 1 dargestellten Regulierventils 434, weshalb auch auf eine Beschreibung außer der des Regulierventils 434 verzichtet wird.

Das Regulierventil 434 nach einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Gehäuse 401 und ein Ventil 402 (Fig. 1) auf. Das Ventil 402 besitzt eine Federplatte oder Membran 406, Bänder 407 und 408, Federn 405 und 414, eine Stellschraube 404, eine Trennplatte 409, einen Rückkopplungskolben 410, einen Ventilkörper 411, einen hochdruckseitigen Ventilsitz 412 und einen federnden Anschlag 413. Durch den Ausgleicher 40 D sind die Räume 40 L und 40 G verbunden. Das Gehäuse 401 ist darüber hinaus mit einer Bohrung 40 P, die mit der durchgehenden Öffnung 42 b der Fig. 4 verbunden ist, eine Bohrung 40 Q, die mit der Rückseite der Steller 32 a und 32 b verbunden ist, und einer Bohrung 40 C ausgebildet, die mit der Abführungs- oder Ausflußkammer 19 verbunden ist. Das Ventil 412 ist durch einen O-Ring luftdicht abgedichtet in das Gehäuse 401 eingepaßt. Das Regulierventil der Fig. 1 verwendet mehrere andere O-Ring-Dichtungen, deren Funktion einzig und alleine die Dichtung betreffen und deshalb nicht weiter beschrieben werden.

Mit den Bezugszeichen 403 und 415 sind Anschlagringe, mit 417 ein Sieb, mit 40 E und 40 F Ventilsitze und mit 40 H, 40 K, 40 M und 40 N Räume bezeichnet.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.

Nach Fig. 1 wird atmosphärischer Druck in den Raum 40 N, Saugdruck LP in die Räume 40 K und 40 H, Steller-Betätigungsdruck AP in die Räume 40 G und 40 L und Abführungsdruck HP in den Raum 40 M eingeführt. Wenn die Wirkfläche der Membran oder Federplatte 406 der Druckaufnahme gleich SD und die Wirkfläche des Rückkopplungskolbens 410 der Druckaufnahme SP ist, ist der Querschnitt der oberen Stange des Rückkopplungskolbens 410, Flächenabschnitte, die die Ventilsitze 40 E und 40 F des Ventilkörpers 411 durchlaufen, und die Flächen der Ventilsitze 40 E und 40 F im Vergleich mit den Flächen SD und SP hinreichend klein, wobei die Beziehung von AP und LP allgemein durch die Gleichung

gegeben ist, in der F für die Belastung durch die Federn 405 und 414 steht. Die tatsächliche Schwankung von AP zeigt die Fig. 2. Wächst LP, wie in Fig. 6 gezeigt, zum Punkt 40 A hin an, beginnt sich der Ventilsitz 40 F zu öffnen und der AP wird erhöht. An Punkt 40 B ist der Ventilsitz 40 E praktisch geschlossen. Wie in Fig. 6 dargestellt, liegt bei 50 A der vollständig geöffnete oder Vollzugangspunkt des Stellers, wobei der Punkt 50 B den vollständig geschlossenen Punkt darstellt.

Wie die Gleichung (1) nach der Erfindung zeigt, werden LP und AP durch eine Gleichung ersten Grades ausgedrückt und der Einfluß des HP kann tatsächlich vernachlässigt werden, indem die Flächen der Ventilsitze 40 E und 40 F gegenüber der Fläche SD klein gehalten werden.

Folglich kann die Position des Stellers eindeutig durch den Saugdruck LP bestimmt werden. Ungeachtet der Schwankung des Abführungs- oder Ausflußausgangs kann der Saugdruckwert kontrolliert oder reguliert werden und der Kompressor verfügt vorteilhafterweise selbst über die Frostkontrollfunktion, die nach dem Stand der Technik durch ein Saugdruckeinstellventil oder dgl. erzielt wird.

Die Position der Steller kann in Bezug auf eine plötzliche Schwankung des LP ohne Rückkopplung bekanntermaßen über das gesamte Kühlungssystem bestimmt werden und dementsprechend läßt sich ein schnelles Ansprechen und eine stabile Kontrolle oder Regulierung erzielen.

Claims (3)

1. Kapazitätskontrolleinrichtung für Spiralgehäuse-Kompressoren bestehend aus einem festen Spiralteil und einem umlaufenden Spiralteil, die im allgemeinen baugleich und passend zueinander ausgebildet sind, einer Mitte des umlaufenden Spiralteils, das auf dem Umfang um die Mitte des festen Spiralteils eine sonnenbahnähnliche Umlaufbewegung durchführt, so daß Strömungsmittel angesaugt, verdichtet und abgeführt wird, und aus einem Steller, durch den eine Menge des Strömungsmittels, das von einer zwischen den Kontaktstellen beider Spiralteile gebildeten Kompressionskammer aus umgeleitet wird, in die Saugkammer hinein kontrolliert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß darin ein Rückkopplungsmechanismus, in dem die Beziehung zwischen dem Saugdruck des Kompressors und dem den Steller betätigenden Druck eine Funktion ersten Grades ist, zur Kontrolle oder Regulierung vorgesehen ist, so daß der Saugdruck konstant ist.

2. Kapazitätskontrolleinrichtung für Spiralgehäuse-Kompressoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsmechanismus eine Federplatte oder Membran mit einer Seite, die mit Saugdruck beaufschlagt wird, einen Rückkopplungskolben, der über eine Stange an die Federplatte oder Membran gekoppelt ist, so daß im Betrieb die Federplatte oder Membran in Richtung der Beaufschlagung des Saugdruckes mit einem Differentialdruck zwischen dem Saugdruck und dem Betätigungsdruck des Stellers beaufschlagt wird, und ein Dreiwegventil zum Öffnen und Schließen der Ventilsitze aufweist, um durch einen mit dem Kolben gekoppelten Ventilkörper den Betätigungsdruck des Stellers vom Saugdruck aus zum Abführungsdruck kontinuierlich zu kontrollieren oder zu regeln.

3. Kapazitätskontrolleinrichtung für Spiralgehäuse-Kompressoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querschnitt der Stange des Rückkopplungskolbens, ein den Ventilsitz des Ventilkörpers durchlaufender Flächenabschnitt und eine Fläche des Ventilsitzes im Vergleich mit der Wirkfläche der Federplatte oder Membran und des druckaufnehmenden Kolbens hinreichend klein gehalten sind.