DE3806015A1 - Steueranordnung zur steuerung des inneren volumens eines rotationskompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Die Steuerung des inneren Volumens erfolgt mit Rücksicht auf die Belastung des Kompressors, um einen optimalen Wirkungs­ grad zu erzielen. Das innere Volumen eines Rotationskompres­ sors eines Kühl- oder Wärmepumpensystems wird durch einen oder mehrere verschiebbare Ventilkörper gesteuert, um das Druckverhältnis im Kompressor einzustellen.

Das eingebaute oder innere Volumen eines Rotationskompres­ sors sollte eine bestimmte Beziehung zum Druckverhältnis des Kompressors einhalten, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Es ist daher erforderlich, daß das innere Volumen variiert werden kann abhängig davon, ob der Kompressor mit Vollast oder mit Teillast arbeitet. Das innere Volumen kann beispielsweise durch einen axial verschiebbaren Schieber gesteuert werden. Eine stufenweise Kontrolle ist beispiels­ weise erreichbar durch Verwendung mehrerer radial einstell­ barer Luftventile. Die stufenlose Steuerung des inneren Vo­ lumens erfordert jedoch gewöhnlich eine außerordentlich komplizierte Steueranordnung, welche ein Hydrauliksystem mit Magnetventilen und einen Rechner, zum Beispiel ein Prozes­ sor, welcher die Magnetventile in Abhängigkeit des herrschenden Druckverhältnisses steuert. Die Magnetventile in einem Hydrauliksystem werden geöffnet und geschlossen, um unterschiedliche Druckniveaus dem Hydraulikmotor zuzuführen, der beispielsweise mit dem einstellbaren Schieber verbunden ist, um diesen zu positionieren und auf diese Weise das in­ nere Volumen zu steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Steueranord­ nung der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit welcher es möglich ist, ohne Benutzung äußerer Steuereinrichtungen die Position eines oder mehrerer Ventilkörper auf der Austrittsseite des Kompressors zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Steueranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche er­ findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Die Steueranordnung gemäß der Erfindung ist imstande, ohne eine äußere Steuereinrichtung in Abhängigkeit der verschie­ denen Druckniveaus des Kompressors die Position eines oder mehrerer Ventilkörper auf der Austrittsseite zu steuern. Durch Verwendung eines Zwischendrucks des Kompressors, der zusammen mit dem Druck einer Feder in einem Steuerteil gegen den Druck der Hochdruckseite des Kompressors wirkt, kann durch einen mit dem Steuerteil verbundenen Betätigungsteil die Lage des Ventilkörpers so eingestellt werden, daß das innere Volumen einen günstigen Wert annimmt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Steueranordnung zur Steuerung des inneren Volu­ mens eines Rotationskompressors,

Fig. 2 die prinzipiellen Kurven des Gesamtwirkungsgrades für einen Schraubenkompressor mit unterschiedlichen inneren Volumina V 1, Fig. 3 im Prinzip einen Übergangsbereich in einem P1/P2- Diagramm, Fig. 4 bis 7 verschiedene Steuerzustände in der Steu­ eranordnung, Fig. 8 eine Anordnung zur Steuerung des inneren Volumens, die mit dem Rotationskompressor integriert ist. Die Steueranordnung zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors gemäß der Erfindung umfaßt einen Steuerteil 1 und einen Betätigungsteil 2, die über einen Ventilkörper 3 zur Steuerung des inneren Volumens des Rotationskompressors verbunden sind. Zum Steuerteil 1 gehört ein Zylinderraum 7, in welchem ein Kolben 6 angeordnet ist, der unter dem Einfluß einer Federkraft und eines Fluiddruc­ kes steht. Wenn sich der Kolben 6 im Zylinderraum 7 bewegt, werden Öffnungen 11, 11′ in der Wand des Zylinderraumes 7 von einem Teil der Mantelfläche 15 des Kolbens freigegeben oder geschlossen. Auf die eine Stirnseite des Kolbens wirkt eine Federkraft und ein Fluiddruck, der von der Arbeitskammer 9 des Rotationskompressors abgeleitet ist. Dieser Fluiddruck wird dem Zylinderraum durch eine Öffnung in der Wand des Zy­ linderraums an der federseitigen Endfläche des Kolbens 6 zu­ geführt. Auf die andere Endfläche des Kolbens wirkt ein Fluiddruck, der von der Hochdruckseite 19 des Rotationskom­ pressors abgeleitet ist. Dieser Fluiddruck wird dem Zylin­ derraum 7 durch eine Öffnung 10 in der der Feder gegenüber­ liegenden Stirnseite des Zylinderraums zugeführt. Der Kolben hat einen mittleren Abschnitt 16, der einen kleineren Durch­ messer als die benachbarten Endabschnitte 15, 16′ des Kolbens 6 hat. Im mittleren Bereich hat die Wand des Zylinderraums eine Öffnung 12, über welche Fluid von der Niederdruckseite 17 des Rotationskompressors dem Raum zwischen der Zylin­ derwand und dem im Durchmesser kleineren Mittelabschnitt 16 des Kolbens zugeführt wird. Die Öffnungen 11, 11′ in der zy­ lindrischen Wand sind in Längsrichtung des Zylinders gegen­ einander versetzt zwischen der mittleren Öffnung 12 und der Stirnfläche mit der Öffnung 10. Der Abstand zwischen den Öffnungen 11 und 11′ und die Länge des Endabschnittes 15 des Kolbens sind so bemessen, daß der Kolben zur gleichen Zeit nur eine der Öffnungen 11 und 11′ freilegen und die andere schließen kann. Die Öffnungen 11 und 11′ können eventuell als ein einziger Anschluß ausgebildet sein, aber die Auftei­ lung in zwei axial versetzbare Öffnungen ergibt eine län­ gere Dichtungsfläche 15 am Kolben 6. Die Öffnungen 11, 11′, sind an die Kolben-Zylinderanordnung des Betätigungsteils 2 angeschlossen. Der Betätigungsteil 2 besteht aus einer Kol­ ben-Zylinderanordnung, in welcher die Kolbenstange des Kol­ bens 4 mit einem Ventilkörper 3 zwecks Steuerung des inneren Volumens des Rotationskompressors 5 verbunden ist. Der Zy­ linderraum auf der Kolbenstangenseite 14 ist an die Nieder­ druckseite 17 des Rotationskompressors angeschlossen. Der Zylinderraum 13 auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 4 ist an eine der beide Öffnungen 11, 11′ des oben genannten Zylinderraums 7 angeschlossen. Der Ventilkörper 3 kann in radialer Richtung bewegbar sein, wobei er in einer Aus­ trittsöffnung der Arbeitskammer des Rotationskompressors ar­ beitet. Er kann einen im wesentlichen dreieckigen Quer­ schnitt haben, wobei seine Stirnfläche mit minimalem Spiel bis an den Rotor des Rotationskompressors heranreicht, wenn der Ventilkörper voll eingeschoben ist. Der Ventilkörper kann auch als Teil der Kolbenanordnung ausgebildet sein. Mit einer solchen Anordnung ist eine Steuerung möglich, wobei verschiedene Ventilkörper verwendet werden. Ein Rotationskompressor arbeitet optimal, wenn der Druck und das Volumen in einem bestimmten Verhältnis zueinander ste­ hen: P1/P2=V _i ⁿ. Bei variierenden Arbeitsbedingungen ist es wichtig, daß das innere Volumen den herrschenden Bedingungen angepaßt werden kann. Dies kann stufenlos oder in Stufen er­ folgen, wobei die stufenweise Steuerung erheblich leichter verwirklicht werden kann als die stufenlose Steuerung. Je­ doch ergibt die stufenweise Steuerung häufig eine so gute Anpassung, daß die kontinuierliche, stufenlose Steuerung normalerweise nicht als gerechtfertigt angesehen werden kann, wenn man die Austrittsleistung und die komplizierte Konstruktion berücksichtigt.

Für die stufenweise Steuerung muß der Druck bestimmt werden, bei welchem ein Übergang zwischen den verschiedenen inneren Volumina erfolgen soll. Fig. 2 zeigt im Prinzip Kurven für den Gesamtwirkungsgrad eines Rotationskompressors mit ver­ schiedenen inneren Volumina (V _i). Der Übergang sollte in ei­ nem Bereich A erfolgen, um höchste Wirkungsgrade zu erzie­ len, da die Wirkungsgraddifferenzen für Betriebsbedingungen innerhalb dieses Bereiches für verschiedene innere Volumina klein sind. Fig. 3 zeigt im Prinzip den entsprechenden Übergangsbereich in einem P1/P2-Diagramm. Eine geeignete Wahl des Zwischendruckes 9 (Pm=f(P2)) und der Federkraft F ergibt eine Übergangsgrenze, die dem Bereich A gut ent­ spricht. Fig. 3 zeigt auch, daß durch Änderung der Feder­ kraft F, zum Beispiel mittels Unterlegscheiben, die Grenzli­ nie parallel verschoben werden kann. Um das Verfahren weiter zu optimieren, kann die Steigung innerhalb der relevanten Betriebsgrenzen durch Änderung von Pm verändert werden. Dies ist jedoch in der Praxis bedeutend schwieriger.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen, wie die Steueranordnung bei un­ terschiedlichen Betriebsbedingungen arbeitet. Wenn der Druck P des Systems in der Öffnung 10 kleiner ist als der Zwischendruck Pm und der Federdruck F (P < Pm+F), wie in Fig. 4 gezeigt, so nimmt der Kolben 6 eine Stellung ein, in welcher die Öffnung 11 geschlossen ist und die Öffnung 11′ freiliegt, so daß die Öffnung 11′ über die Öffnungen 12 mit der Niederdruckseite in Verbindung steht. Der Austrittsdruck des Kompressors bei 18 drückt dann den Ventilkörper 3 mit dem Kolben 4 in eine äußere Lage, welche einem niedrigen inneren Volumen entspricht. Wenn P1 ansteigt und/oder P2 sinkt, das Verhältnis P1/P2 also größer wird, so steigt der Druck auf der Hochdruckseite 19 und der Kolben 6 wird nach links geschoben (Fig. 5), so daß die Öffnung 11′ gschlossen wird und die Öffnung 11 freigelegt wird. Der Hochdruck von der Hochdruckseite 19 wird dann zu dem Zylinderraum 13 übertragen, wodurch der Kolben 4 nach rechts verschoben wird. Der mit dem Kolben 4 verbundene Ventilkörper 3 wird in Richtung auf die Verschlußlage verschoben. In Fig. 6 hat der Kolben 4 seine Endlage erreicht, und der Ventilkörper 3 hat eine Stellung erreicht, der ein hohes inneres Volumen entspricht. Fig. 7 zeigt eine Rückkehr in einen Zustand ei­ nes niedrigen inneren Volumens, wenn der Druck auf der Hoch­ druckseite sinkt. Der Zwischendruck und der Federdruck sind dann größer als der Druck auf der Hochdruckseite. Der Kolben bewegt sich nach links. Der Zylinderraum 13 in der Kolben- Zylinderanordnung steht mit der Niederdruckseite 17 in Ver­ bindung, so daß der Kolben 4 mit dem Ventilkörper 3 sich nach links bewegt in den Zustand eines niedrigen inneren Vo­ lumens.

Bei Teillast wird der Zwischendruck 9 kleiner sein als bei Vollast wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Kolben 6 wird nach links geschoben und ermöglicht das Einfließen von Fluid in den Zylinderraum 13. Der Ventilkörper 3 wird so in eine Stellung geschoben, welche einem hohen inneren Druck entspricht, was besonders wünschenswert ist, um das innere Volumen der Teillast anzupassen.

Wenn der Kompressor stillgesetzt wird, gleicht sich der Druck aus und die Feder bewegt dann den Kolben 6 in die rechte Lage gemäß 4. Der Zylinder 13 ist dann in seinem Be­ tätigungsteil an die Niederdruckseite 17 des Kompressors an­ geschlossen. Bei einem nachfolgenden Start befindet sich der Ventilkörper 3 in einer Stellung für niedriges inneres Volu­ men. Dies bedeutet, daß der Kompressor auch in einer Stel­ lung startet, welche das kleinstmöglichste Startmoment erfordert.

Der Steuerteil 1 in der beschriebenen Steueranordnung steu­ ert also den Betätigungsteil in die gewünschte Position für Vollast und Teillast sowie auch zum Stoppen und Starten ohne irgendwelche äußeren Steuereinrichtungen.

In einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind der Steuerteil und der Betätigungsteil mit dem Ventilkörper in dem Kompressorgehäuse integriert, um eine kompaktere Kon­ struktion zu erhalten. Der Kolben 6 des Steuerteils 1 ist hier unmittelbar über der Kolben-Zylinderanordnung des Betätigungsteils angeordnet, welche ihrerseits direkt mit der Austrittsseite des Kompressorgehäuses verbunden ist.

Claims (6)

1. Steueranordnung zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors mit einem Steuerteil (1) und einem Betä­ tigungsteil (2), das mit einem oder mehreren Ventilkörpern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (1) beeinflußbar ist durch eine Feder­ kraft und eine einem Zwischendruck des Kompressors propor­ tionale Kraft, die gemeinsam gegen eine des Hochdruckes des Kompressors proportionale Kraft wirken zur Positionierung des Ventilkörpers/der Ventilkörper (3) zwecks Steuerung des inneren Volumens, welcher/welche Ventilkörper von dem Betätigungsteils (2) betätigbar ist/sind, welches mit dem Steuerteil (1) verbunden ist.

2. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Steuerteil (1) ein Zylinder (7) gehört, in welchem sich ein federbetätigter Kolben (6) befindet mit einem engeren Mittelabschnitt (16), der an der Zylinderwand anliegende Kolbenflächen (15, 15′) trennt, wobei eine der Kolbenflächen so angeordnet ist, daß sie Öffnungen (11′, 11) in der Wand des Zylinders (7) schließen und freige­ ben kann.

3. Steueranordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zylinder (7) an jedem Ende mit einer Öffnung (8, 10) versehen ist, von denen die eine an einen Zwischendruck (9) und die anderen an einen Hochdruck (19) des Kompressors angeschlossen ist, daß eine annähernd in der Mitte der Zylinderwand vorhandene Öffnung (12) an die Niederdruckseite angeschlossen ist und daß die Öffnungen (11′, 11) an einen Zylinderraum (13) in dem Betätigungsteil (2) angeschlossen sind zur Betätigung eines Kolbens (4), der mit dem Ventilkörper (3) verbunden ist.

4. Steueranordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Betätigungsteil (2), wel­ ches mit dem Ventilkörper (3) verbunden ist, einen in einem Zylinder angeordneten Kolben (4) enthält, daß die Kolben­ stangenseite (14) in dem Zylinderraum an die Niederdruck­ seite (17) angeschlossen ist und daß die gegenüberliegende Seite (13) des Zylinderraumes an die Öffnungen (11′, 11) des Steuerteils (1) angeschlossen ist.

5. Steueranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilkörper (3) einen Teil der Kolbenanordnung (4) bildet.

6. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ teil (1) und der Betätigungsteil (2) mit dem Ventilkörper (3) zu einer integralen Einheit mit dem Rotationskompressor verbunden sind.