DE3804418C2 - Einrichtung für die Fördermengenregelung eines Spiralverdichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Fördermengenregelung eines Spiralverdichters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In den Fig. 3(A) und 3(B) ist die Ausgestaltung eines Spiralverdichters mit einer herkömmlichen Fördermengenregeleinrichtung dargestellt. Hierbei weist der Kompressor 1 ein Gehäuse auf, das aus einer Stirnplatte 11 und einem schalenartigen Gehäuse 12 zusammengesetzt ist. Die Stirnplatte 11 ist mit einem Mitteloch 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 Spiralelement 15 bzw. 16 angeordnet. Das feste Spiralelemente 15 besitzt eine Grundplatte 151 und ein Spiralglied 152, das auf der Innenfläche der Grundplatte 151 eingesetzt ist, die fest mit dem Schalengehäuse 12 verbunden ist. Das umlaufende Spiralelement 16 besitzt eine Grundplatte 161 sowie ein Spiralglied 162, das auf der Innenfläche der Grundplatte 161 eingesetzt ist und dieselbe Konfiguration wie die des Spiralgliedes 152 aufweist. Hierbei kommt das umlaufende Spiralelement 16 mit dem festen Spiralelement 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 Spiralelementen gebildet. Das umlaufende Spiralelement 16 ist mit einem Antrieb 6 und einer Rotationsverhinderungsvorrichtung 7 gekoppelt und führt mit der Drehung der Hauptwelle 14 auf eine vorbestimmte Umlaufbewegung durch. Wenn somit das umlaufende Spiralelement 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 Spiralelementen 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 (18a und 18b) von außen durch die Saugöffnung 26 fließende Arbeitsmittel 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 Arbeitsmittel wird durch eine in der Grundplatte 151 des festen Spiralelementes 15 gebildeten Durchdringungsöffnung 154 aus der Mittelkammer 253 in die Auslaßkammer 19 abgegeben und strömt durch die Auslaßöffnung 22 nach außen.

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

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

Die nach rechts laufende Bewegung der Steller 32a und 32b wird von dem Druck an deren Rückseiten bestimmt, und die Steller 32a und 32b werden mit einhergehender Drucksenkung nach rechts bewegt. Somit ist hierdurch eine Fördermengenregeleinrichtung geschaffen, durch die die offene Fläche der durchgehenden Öffnungen 42a und 42b 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 Regelventil 34 in größeren Einzelheiten. Das Regelventil 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 42b an die Peripherie des Balgs 301 zu geben. Der Rückhaltering trägt das Bezugszeichen 306. Das Dreiwegventil 304 liegt an den durchgehenden Öffnungen 42b, der Auslaßkammer 19 und den Stellern 32a und 32b. Den Betrieb des Regelventiles 34 gibt die Fig. 5 wieder.

Wenn der Druck der durchgehenden Öffnungen 42b, der gleich dem Saugdruck (SAD) ist, niedrig ist, schließt das Dreiwegventil 304 durch den Balg 301 das Ventil für die Auslaßkammer 19.

Dementsprechend ist der Steuerdruck (STD) der Steller 32a und 32b gleich dem Saugdruck. Zu diesem Zeitpunkt strömt kein Gas durch das Dreiwegventil. Dieser Zustand setzt sich fort bis zu dem mit 40A der Fig. 5 bezeichneten Punkt. Wird der Saugdruck größer als der am Punkt 40A und liegt zwischen den Drücken an den Punkten 40A und 40B, öffnet das Dreiwegventil 304 das Ventil für die Auslaßkammer 19 und die durchgehenden Öffnungen 42b. Gleichzeitig werden die offenen Flächen beider Ventile vom Saugdruck dem Innendruck im Balg 301 und der Spannkraft der Druckfeder 302 proportional eingestellt. Dementsprechend ändert sich, wie Fig. 5 zeigt, der Gasdurchfluß und der Steuerdruck. Im allgemeinen liegt der Unterschied zwischen den Drücken an den Punkten 40A und 40B bei etwa 0,03 MPa. Da durch das Dreiwegventil 304 das Ventil für die durchgehende Öffnung 42b an der Stelle 40B geschlossen wird, ist der Steuerdruck gleich dem Auslaßdruck (AD), der der Druck in der Auslaßkammer 19 ist, und dieser Zustand von Steuerdruck = Auslaßdruck wird über dem Saugdruck bei Punkt 40B aufrechterhalten. Folglich wird, wie beschrieben, die Bewegung der Steller 32a und 32b im Bereich von vollständiger Öffnung oder der Volleinlaßstellung zur vollständigen Schließung linear kontrolliert.

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

(1) Das Regelventil 34 ermittelt den Saugdruck und bestimmt - nach den vorstehenden Ausführungen - die Position des Dreiwegventiles 304. Hierbei verändert sich jedoch die Beziehung zwischen Saugdruck und Steuerdruck abhängig von der durch das Gleichgewicht der Kühlleistung und der Leistungsfähigkeit der Automobil-Klimaanlage bestimmten Druckschwankung der Auslaßkammer 19. Wie die Fig. 6 z. B. zeigt, variiert die gestrichelt gezeichnete Saugdruck-Steuerdruck-Kennlinie bei hohem Auslaßdruck gemäß der durchgezogenen Linie und der Strich-Punkt-Linie in dem Maße, wie der Auslaßdruck verringert wird. Deshalb wird die Stellung der Steller 32a und 32b (Bypassmenge), die bestimmt ist durch die Federn 35a und 35b, den Druck in den eingeschlossenen Kammern an den Bypasslöchern 30a und 30b und den Steuerdruck verändert. Der Steuerdruck, bei dem die Steller 32a und 32b, die die von den durchgehenden Öffnungen 42a und 42b der Steller 32a und 32b gebildete Bypassfläche kontrollieren, vollständig geöffnet und vollständig geschlossen sind, wird mit folgender Einschränkung bestimmt. Der Steuerdruck am Punkt der vollständigen Schließung muß größer sein als die durch die Summe der Kompressionskraft der Federn 35a und 35b am vollständig geschlossenen Punkt erzeugte Kraft, der Druck in der geschlossenen Kammer an den Bypasslöchern 30a und 30b und der Gleitwiderstand der Steller 32a und 32b. Der Steuerdruck am voll geöffneten Punkt muß kleiner sein als die Differenz zwischen der Summe der Kompressionskraft der Federn 35a und 35b am vollständig geschlossenen Punkt, der Druck in der geschlossenen Kammer an den Bypasslöcher 30a und 30b (gleich Saugdruck) und der Gleitwiderstand der Steller 32a und 32b.

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

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

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

(2) Die Fördermengenregelung des Spiralverdichters weist allgemein einen Bypassaufbau auf, wobei der Bypassdurchfluß gewöhnlich von den Stellern 32a und 32b kontrolliert oder geregelt wird, wie dies aus der Fig. 3 hervorgeht. Der hintere, zwischen den Stellern 32a und 32b und dem Zylinder gebildeten 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 32a und 32b, d. h. der Bestimmungsfaktor des Fördermengenregelbetrages 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 Saugdruck plötzlich verändert wird, kann die Position der Steller 32a und 32b, d. h. der Ausgleichspunkt nach der Veränderung solange nicht bestimmt werden, bis der Rückkoppelungsvorgang vom Kühlungssystem aus durchgeführt wird.

Der Raum zur Kontrolle oder Regulierung der Steiler 32a und 32b ist jedoch, wie vorstehend beschrieben, klein, und demgemäß sprechen die Steiler sofort auf die Schwankung des Saugdruckes an. Da die in Fig. 6 dargestellte proportionale Zone (Differenz zwischen 40A 40B) der Kontrolle knapp ist und bei 0,03 MPa liegt, wechseln die Steiler 32a und 32b zum vollgeschlossenen oder vollgeöffneten Punkt 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 Regelung zu erreichen.

Ein Spiralkompressor mit einer druckabhängigen Bypassregelung ist auch in der EP 0 206 759 A1 offenbart. Die Betätigung des Bypassventiles erfolgt dort sowohl vom Saugdruck als auch vom Auslaßdruck. Als nachteilig erweist sich hier ebenfalls, daß der Steuerdruck von Schwankungen des Auslaßdruckes abhängig ist.

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

Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Fördermengenregeleinrichtung des Spiralverdichters, der aus je einem im wesentlichen baugleichen stationären und umlaufenden Spiralelement besteht, mit einer zwischen aufeinandertreffenden Stellen beider Spiralelemente liegenden zentralen Arbeitskammer, deren Volumen durch die relative Drehung beider Spiralelemente zueinander auf angenähert Null verringert wird, so daß ein Gas angesaugt, verdichtet und abgeführt wird, wobei zur Fördermengenregelung ein als Dreiwegventil ausgebildetes federbelastetes Regelventil in einen druckabhängig steuerbaren Bypass zwischen radial außen liegenden geschlossenen Arbeitskammern und einer Saugkammer zwischengeschaltet ist und einen Steuerdruck für Steller des steuerbaren Bypasses regelt, und wobei ein Ventilkörper des Regelventiles von einem auf Steuerdruck befindlichen Raum umschlossen ist, der über mit dem Ventilkörper zusammenwirkende Ventilsitze mit dem Saugdruck und mit dem Auslaßdruck verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet ist, daß das Regelventil eine Membran aufweist, die von der einen Seite mit einer Federkraft und von der anderen Seite mit dem Saugdruck des Spiralverdichters beaufschlagt ist, daß zum Öffnen und Schließen des Regelventiles der Ventilkörper durch einen Kolbenstange mit der Membran verbunden ist, daß an einem Ventilkolben des Regelventiles eine mit dem Steuerdruck beaufschlagte Kolbenfläche vorhanden ist, wobei der Steuerdruck über Kanäle durch die Kolbenstange von dem auf Steuerdruck befindlichen Raum zu einem Raum an der Kolbenfläche geleitet wird und wobei die mit dem Steuerdruck beaufschlagte Kolbenfläche der mit dem Saugdruck beaufschlagten Membran sowie einer in einem Raum mit dem Saugdruck beaufschlagten Kolbenfläche des Ventilkolbens entgegengerichtet angeordnet ist.

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

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

Fig. 2 ein Kenndatendiagramm, aus dem die Beziehung zwischen dem Steuerdruck STD und dem Saugdruck SAD sowie der Fördermenge und dem Saugdruck SAD in einer Ausführungsform nach der Erfindung hervorgeht.

Fig. 3(A) und 3(B) eine Längsansicht im Schnitt des Aufbaus eines herkömmlichen Spiralverdichters mit einer Fördermengenregelung bzw. eine Schnittansicht längs der Linie B-B der Fig. 3(A).

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teiles des herkömmlichen Regelventiles,

Fig. 5 ein Kurvendiagramm, aus dem die Beziehung zwischen dem Steuerdruck STD und dem Saugdruck SAD sowie der Fördermenge und dem Saugdruck SAD nach dem Stande der Technik ersichtlich ist, und

Fig. 6 ein Leistungsdiagramm eines Stellers.

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

Das Regelventil 434 nach einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Gehäuse 401 und ein Ventil 402 (Fig. 1) auf. Das Ventil 402 besitzt eine Membran 406, Bänder 407 und 408, Federn 405 und 414, eine Stellschraube 404, eine Trennplatte 409, einen Ventilkolben 410, einen Ventilkörper 411, einen hochdruckseitigen Ventilsitz 414 und einen federnden Anschlag 413. Durch Kanäle 40D sind die Räume 40L und 40G verbunden. Das Gehäuse 301 ist darüber hinaus mit einer Bohrung 40P, die mit der durchgehenden Öffnung 42b der Fig. 4 verbunden ist, eine Bohrung 40Q, die mit der Rückseite der Steller 32a und 32b verbunden ist, und einer Bohrung 40C ausgebildet, die mit der Auslaßkammer 19 verbunden ist. Das Ventil 412 ist durch einen O-Ring luftdicht abgedichtet in das Gehäuse 401 eingepaßt. Das Regelventil 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 40E und 40F Ventilsitze und mit 40H, 40K, 40M und 40N Räume bezeichnet.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.

Nach Fig. 1 wird atmosphärischer Druck öden Raum 40N, Saugdruck (SAD) in die Räume 40K und 40H, Steller-Steuerdruck (STD) in die Räume 40G und 40L und Auslaßdruck (AD) in den Raum 40M eingeführt. Wenn die Wirkfläche der Membran 40G der Druckaufnahme gleich AM und die Wirkfläche des Ventilkolbens 410 der Druckaufnahme AR ist, sind der Querschnitt der oberen Stange des Ventilkolbens 410, Flächenabschnitte, die die Ventilsitze 40E und 40F des Ventilkörpers 411 durchlaufen, und die Flächen der Ventilsitze 40E und 40F im Vergleich mit den Flächen AM und AR hinreichend klein, wobei die Beziehung von Steuerdruck STD und Saugdruck SAD allgemein durch die Gleichung

STD = [(AM+AR)/AR]_*SAD-(F/AR)

gegeben ist, in der F für die Belastung durch die Federn 405 und 414 steht. Die tatsächliche Schwankung des Steuerdruckes STD zeigt die Fig. 2. Wächst der Saugdruck SAD, wie in Fig. 6 gezeigt, zum Punkt 40A hin an, beginnt sich der Ventilsitz 40F zu öffnen und der Steuerdruck STD wird erhöht. An Punkt 408 ist der Ventilsitz 40E praktisch geschlossen. Wie in Fig. 6 dargestellt, liegt bei 50A der vollständig geöffnete Punkt des Stellers, wobei der Punkt 50B den vollständig geschlossenen Punkt darstellt.

Wie die Gleichung zeigt, werden der Saugdruck SAD und der Steuerdruck STD durch eine Gleichung ersten Grades ausgedrückt und der Einfluß des Auslaßdruckes AD kann tatsächlich vernachlässigt werden, indem die Flächen der Ventilsitze 40E und 40F gegenüber der Fläche AM klein gehalten werden.

Folglich kann die Position des Stellers eindeutig durch den Saugdruck SAD bestimmt werden. Ungeachtet der Schwankung des Auslaßdruckes kann der Saugdruckwert geregelt werden und der Kompressor verfügt vorteilhafterweise selbst über die Regelfunktion, die nach dem Stand der Technik durch ein Saugdruckeinstellventil oder dergleichen erzielt wird.

Claims (1)

1. Einrichtung für die Fördermengenregelung eines Spiralverdichters, wobei der Spiralverdichter aus je einem im wesentlichen baugleichen stationären und umlaufenden Spiralelement besteht, mit einer zwischen aufeinandertreffenden Stellen beider Spiralelemente liegenden zentralen Arbeitskammer, deren Volumen durch die relative Drehung beider Spiralelemente zueinander auf angenähert Null verringert wird, so daß ein Gas angesaugt, verdichtet und abgeführt wird, wobei zur Fördermengenregelung ein als Dreiwegeventil ausgebildetes federbelastetes Regelventil in einen druckabhängig steuerbaren Bypass zwischen radial außen liegenden geschlossenen Arbeitskammern und einer Saugkammer zwischengeschaltet ist und einen Steuerdruck für Steller des steuerbaren Bypasses regelt, und wobei ein Ventilkörper des Regelventiles von einem auf Steuerdruck befindlichen Raum umschlossen ist, der über mit dem Ventilkörper zusammenwirkende Ventilsitze mit dem Saugdruck und mit dem Auslaßdruck verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet,
   daß das Regelventil (434) eine Membran (406) aufweist, die von der einen Seite mit einer Federkraft und von der anderen Seite mit dem Saugdruck (SAD) des Spiralverdichters beaufschlagt ist, daß zum Öffnen und Schließen des Regelventiles (434) der Ventilkörper durch eine Kolbenstange mit der Membran (406) verbunden ist, daß an einem Ventilkolben (410) des Regelventiles (434) eine mit dem Steuerdruck (STD) beaufschlagte Kolbenfläche vorhanden ist, wobei der Steuerdruck (STD) über Kanäle durch die Kolbenstange von dem auf Steuerdruck befindlichen Raum (40L) zu einem Raum (40G) an der Kolbenfläche geleitet wird und wobei die mit dem Steuerdruck (STD) beaufschlagte Kolbenfläche der mit dem Saugdruck (SAD) beaufschlagten Membran (406) sowie einer in einem Raum (40H) mit dem Saugdruck (SAD) beaufschlagten Kolbenfläche des Ventilkolbens (410) entgegengerichtet angeordnet ist.