DE3836076A1

DE3836076A1 - Steuerteil fuer ein steuersystem zur steuerung des inneren volumens eines rotationskompressors

Info

Publication number: DE3836076A1
Application number: DE3836076A
Authority: DE
Inventors: Rune Valdemar Glanvall
Original assignee: Stal Refrigeration AB
Current assignee: Stal Refrigeration AB
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-10-22
Publication date: 1989-05-11
Also published as: US4932844A; SE469437B; SE8704196L; GB2211634A; GB2211634B; JP2602920B2; GB8824620D0; JPH01147188A; SE8704196D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerteil für ein Steuersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompres sors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompres sors hat den Zweck, einen optimalen Wirkungsgrad bei ver schiedenen Belastungen des Kompressors zu erreichen. Das in nere Volumen eines Rotationskompressors für ein Kühlsystem oder für ein Wärmepumpensystem wird durch ein oder mehrere verschiebbare Ventilkörper gesteuert, um es dem Druckver hältnis des Kompressors anzupassen.

Das eingebaute, sogenannte innere Volumen eines Rotations kompressors soll in einem bestimmten Verhältnis zu dem Druckverhältnis des Kompressors stehen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Es muß daher möglich sein, das innere Volumen in Abhängigkeit davon zu verstellen, ob der Kompressor mit Vollast oder mit Teillast arbeitet. Das in nere Volumen kann beispeilsweise durch einen achsial ver stellbaren Schieber verstellt werden. Eine stufenweise Ver stellung des inneren Volumens kann beispielsweise durch Ver wendung mehrere in radialer Richtung verstellbarer Hebeven tile erfolgen. Eine stufenlose Verstellung des inneren Volu mens verlangt dagegen gewöhnlich ein äußerst kompliziertes Steuersystem. Ein solches Steuersystem für das innere Volu men kann ein hydraulisches System mit Magnetventilen enthal ten sowie eine Recheneinheit, im wesentlichen einen Prozes sor, welcher die Magnetventile in Abhängigkeit des herr schenden Druckverhältnisses steuert. Die Magnetventile in dem hydraulischen System werden dabei geöffnet oder ge schlossen, um unterschiedliche Druckniveaus einem hydrauli schen Motor zuzuführen, der beispielsweise an einen ver stellbaren Schieber angeschlossen ist, um diesen zu positio nieren und dadurch das innere Volumen zu verstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerteil für ein Steuersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors zu entwickeln, welches ohne äußere Steuervorrichtungen auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Steuerteil für ein Steu ersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotations kompressors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorge schlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

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

Durch die Erfindung wird ein Steuersystem geschaffen, wel ches in Abhängigkeit der verschiedenen Druckniveaus des Kom pressors die Lage eines oder mehrerer Ventilkörper an der Austrittsseite ohne das Erfordernis äußerer Steuereinrich tungen steuert.

Durch die Verwendung eines druckabtastende Kolbens in einem Steuerteil, welcher Kolben mindestens zwei zylindrische End teile mit unterschiedlichen Durchmessern hat, ist das Steu erteil in der Lage, ausschließlich innerhalb eines gewünsch ten Übergangsbereiches A zu arbeiten. Der druckabtastende Kolben in dem Steuerteil wird nur von Druckdifferenzen und Sollwertdrücken beaufschlagt und verstellt das eingebaute Volumen entsprechend den gerade herrschenden Betriebsbedin gungen. Um den genannten Kolben im Falle eines Stillsetzens des Kompressors in eine gewünschte Ausgangslage zurückzufah ren, ist das Steuerteil mit einer mechanischen Feder verse hen, die auf das eine Ende des Kolbens wirkt.

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

Fig. 1 ein Steuersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors mit einem Steuerteil ge mäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 einen erwünschten Übergangsbereich sowie die Kennlinien des Steuerteils,

Fig. 4 die Stellung des Steuerteils für einen Betriebsfall mit niedrigem Druckverhältnis P 1/P 2 (rechts der ge strichelten Linien in Fig. 3) oder Teillast (herab gesetzter Zwischendruck P _m) oder vor einem Start des Kompressors,

Fig. 5 die Stellung des Steuerteils für einen Betriebsfall mit hohem Druckverhältnis (links der gestrichelten Linie in Fig. 3.

Das Steuersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors gemäß der Erfindung umfaßt im wesentli chen einen Steuerteil 1 und einen Betätigungsteil 2, der mit einem Ventilkörper 3 zur Steuerung des inneren Volumens des Rotationskompressors 5 verbunden ist. Zum Steuerteil 1 ge hört ein zylindrischer Raum 7, der unterschiedliche innere Durchmesser hat und in dem ein beweglicher Kolben 6 mit un terschiedlichen äußeren Durchmessern angeordnet ist, wobei dieser Kolben 6 in achsialer Richtung den inneren Durchmes sern des Raumes 7 angepaßt ist und unter der Wirkung des Druckes eines Fluids und einer Federkraft steht. Wenn sich der Kolben 6 im zylindrischen Raum 7 bewegt, werden durch die Mantelfläche 15 an dem einen Ende des Kolbens 6, dessen Durchmesser D ₁ beträgt, Öffnungen 11, 11′ in der Wand des zy lindrischen Raumes 7 freigelegt oder geschlossen. Das andere Ende des Kolbens 6 mit einem größeren Durchmesser D ₂ wird hauptsächlich von einem Fluiddruck beaufschlagt, der einem Zwischendruck entspricht, der an der Arbeitskammer 9 des Ro tationskompressors 5 abgegriffen wird. Der genannte Fluid druck wird durch eine Öffnung in oder nahe der Stirnflächen wand des zylindrischen Raumes 7 in diesen Raum eingeführt. Auf die andere Stirnseite des Kolbens 6 mit dem Durchmesser D ₁ wirkt ein Fluiddruck, der von der Hochdruckseite 19 des Rotationskompressors 5 abgegriffen wird und dem zylindri schen Raum 7 durch eine Öffnung 10 in der Stirnfläche des zylindrischen Raumes 7 zugeführt wird. Der Kolben 6 hat einen mittleren Abschnitt 16, dessen Durchmesser kleiner ist als die entsprechenden Durchmesser der angrenzenden Endab schnitte 15, 15′. Im zentralen Bereich der Wand des zylindri schen Raumes 7 ist eine Öffnung 12 angeordnet, die den Zu tritt des Fluids von der Niederdruckseite 17 des Rotations kompressors 5 in den Raum zwischen der Wand des zylindri schen Raumes 7 und dem zentralen verjüngten Mittelabschnitt 16 des Kolbens 6 ermöglicht. Die Öffnungen 11, 11′ in der Wand des zylindrischen Raumes sind in Längsrichtung des zy lindrischen Raumes gegeneinander versetzt und liegen zwi schen der zentralen 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 ge wählt, daß der Kolben 6 zur selben Zeit nur eine der Öffnun gen 11, 11′ freilegen kann, während er die andere schließt. Die Öffnungen 11 und 11′ können auch als ein einziger An schluß ausgeführt werden, jedoch ergibt die Anordnung mit zwei achsial versetzten Öffnungen eine längere Dichtungsflä che 15 für den Kolben 6. Die Öffnungen 11, 11′ sind an die Kolbenzylinderanordnung des Betätigungsteils 2 angeschlos sen. Der Betätigungsteil 2 besteht aus einer Kolben-Zylin deranordnung, in welcher die Kolbenstange des Kolbens 4 mit dem Ventilkörper 3 zur Steuerung des inneren Volumen des Ro tationskompressors 5 verbunden ist. Der zylindrische Raum ist an seinem dem Ventilkörper abgewandten Ende 13 an eine der Öffnungen 11, 11′ in dem oben genannten zylindrischen Raum angeschlossen. Der zylindrische Körper 3 kann einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt haben, wobei eine End fläche bei voll eingeschobenem Ventilkörper gegen die Roto ren des Rotationskompressors 5 mit minimalem Spiel anliegt. Der Ventilkörper 3 kann auch als ein Teil des Kolbens 4 aus gebildet sein. Bei einer solchen Anordnung kann die Steue rung durch mehrere Ventilkörper erfolgen.

Ein Rotationskompressor arbeitet optimal, wenn Druck und Vo lumen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen:

P 1/P 2 = V _i ⁿ.

Bei sich ändernden Betriebsbedingungen ist es wichtig, daß das innere Volumen V _i an die herrschenden Betriebsbedingun gen angepaßt werden kann. Dies kann stufenlos oder stufen weise geschehen, wobei die stufenweise Steuerung sich bedeu tend einfacher verwirklichen läßt als die stufenlose. Die stufenweise Steuerung ergibt häufig eine so gute Anpassung, daß die kontinuierliche stufenlose Steuerung normalerweise - unter Berücksichtigung der erzeugten Menge an verdichtetem Fluid und der komplizierten Konstruktion - nicht als ge rechtfertigt anzusehen ist.

Bei stufenweiser Steuerung muß der Druck, bei dem ein Über gang zwischen den verschiedenen inneren Volumina stattfinden soll, bestimmt werden. Fig. 2 zeigt im Prinzip die voll ständigen Wirkungsgradkurven für einen Schraubenkompressor mit verschiedenen inneren Volumina (V _i). Der Übergang sollte innerhalb des Bereiches A stattfinden, um den höchsten Wir kungsgrad zu erzielen, da die Unterschiede im Wirkungsgrad für Betriebsbedingungen innerhalb dieses Bereiches für die verschiedenen inneren Volumina klein sind. Fig. 3 zeigt im Prinzip den entsprechenden Übergangsbereich in einem P 1/P 2- Diagramm. Durch geeignete Wahl des Zwischendruckes 9 (P _m = f(P 2)) ist eine Übergangsgrenze erreichbar, die sehr gut dem Bereich A entspricht. Um die Arbeitsweise weiter zu optimie ren, kann die Steigung innerhalb der relevanten Betriebs grenzen durch Änderung von P _m verändert werden, jedoch ist dies in der Praxis bedeutend schwieriger zu verwirklichen.

Mit dem oben genannten Steuerteil 1 gemäß der Erfindung läßt sich eine Steuerung erreichen, die vollkommen innerhalb des gewünschten Bereiches A in den Fig. 2 und 3 liegt. Der druckabtastende Kolben 6 mit seinen beiden unterschiedliche Durchmesser D ₁, D ₂ aufweisenden zylindrischen Enden 15, 15′ kann durch Druckdifferenzen und Solldrücke beeinflußt wer den. Die einzige Aufgabe der Feder 20 besteht darin, den Kolben 6, wenn der Kompressor stillgesetzt wird, in die ge wünschte Ausgangsposition zurückzufahren, um den Kompressor vor dem nächsten Start zu entlasten. Die Federkraft kann da her gegenüber den Drücken vernachläßigt werden und damit die erzeugten Kräfte, welche auf die Stirnflächen des Kolbens 6 wirken.

Aus der Formel

ist erkennbar, daß das Durchmesserverhältnis vollständig von dem Druckverhältnis (P 1/ P 2) bestimmt wird, bei welchem der Übergang stattfinden soll, sowie von dem gewählten Zwischen druckfaktor K (P _m = K × P 2). Das Durchmesserverhältnis ist also unabhängig von der Betriebsweise. Der Querschnitt des Kolbens 6 kann natürlich von der Zylinderform abweichen, und aus mathematischer Sicht müssen die entsprechenden Endflä chen (A 1, A 2) dann dem entsprechenden Flächenverhältnis ange paßt werden (A 2 = A 1 (P 1/ P 2-1)/(K-1)).

Die Fig. 4 und 5 zeigen wie das Steuersystem bei unter schiedlichen Betriebsbedingungen arbeitet. Wenn der Druck P des Systems an der Öffnung 10 kleiner als der Zwischendruck P _m ist, P < P _m, wie in Fig. 4, dann nimmt der Kolben 6 eine Stellung ein, in welcher er die Öffnung 11 blockiert und die Öffnung 11′ freigibt, so daß die Öffnung 11′ über die Öff nung 12 mit der Niederdruckseite verbunden ist. Der Aus gangsdruck des Kompressors bei 18 drückt dann den Ventilkör per 3 mittels des Kolbens 4 in eine äußere Position, die ei nem kleinen inneren Volumen entspricht. Wenn P 1 steigt und/oder P 2 sinkt, entsprechend einem höheren Wert von P 1/P 2, also ein Anstieg des Druckes auf der Hochdruckseite stattfindet, dann wird der Kolben 6 gemäß Fig. 5 nach links gedrückt, wobei die Öffnung 11′ geschlossen und die Öffnung 11 freigelegt wird. Der hohe Druck von 19 wird dann dem Zy linderraum 13 zugeführt, wodurch der Kolben 4 nach rechts gedrückt wird. Dadurch wird der mit dem Kolben 4 verbundene Ventilkörper in eine geschlossene Stellung bewegt.

Bei Teillast ist der Zwischendruck 9 kleiner als bei Vollast, was den Verhältnissen gemäß Fig. 5 entsprechen kann. Der Kolben 6 wird dann nach links gedrückt, wodurch Fluid in den Zylinderraum 13 strömen kann. Der Ventilkörper 3 wird so in eine einem hohen inneren Volumen entsprechende Lage bewegt, was besonders wünschenswert ist, um das innere Volumen den Teillastverhältnissen anzupassen.

Wenn der Kompressor stillgesetzt wird, findet ein Druckaus gleich statt, und die Feder 20 drückt dann den Kolben 6 ge mäß Fig. 4 nach rechts. Der Zylinderraum 13 des Betäti gungsteils 2 steht dann in Verbindung mit der Niederdruck seite 17 des Kompressors. Bei einem folgenden Start befindet sich der Ventilkörper 3 in einer Position für kleines in neres Volumen. Das bedeutet, daß der Kompressor stets aus einer Lage startet, die das geringste Startdrehmoment erfor dert.

Der Steuerteil 1 des beschriebenen Steuersystems steuert auf diese Weise den Betätigungsteil 2 in die gewünschte Position für Vollast und Teillast sowie für Stop und Start ohne äußere Steuervorrichtungen.

Claims

1. Steuerteil für ein Steuersystem zur Steuerung des inneren Volumens eines Rotationskompressors mit einem Betätigungs teil, welches an einen oder mehrere Ventilkörper angeschlos sen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerteil (1) so beschaffen ist, daß er von einem Zwi schendruck (P _m) des Kompressors gegen die Wirkung eines Hochdruckes vom Kompressor derart beaufschlagt wird, daß der Ventilkörper zur Steuerung des inneren Volumens durch den mit dem Steuerteil (1) verbundenen Betätigungsteil (2) posi tioniert wird.

2. Steuerteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Steuerteil (1) ein Zylinder (7) ge hört, der unterschiedliche Durchmesser aufweist und mit ei nem entsprechend angepaßten Kolben (6) versehen ist, welcher einen verjüngten Mittelabschnitt (16) hat, der verschiedene Durchmesser aufweisende Kolbenoberflächenabschnitte (15, 15′) voneinander trennt, die an der Zylinderwand anliegen, wobei einer dieser Kolbenoberflächenabschnitte derart ausgebildet ist, daß durch ihn Öffnungen (11′, 11) in der Wand des Zylin ders (7) geschlossen oder freigelegt werden.

3. Steuerteil nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Zylinder (7) mit je einer Öffnung (8, 10) an jedem Ende versehen ist, wobei ein Zwischendruck (9) des Kompressors die größere Stirnfläche des Kolbens beaufschlagt und ein Hochdruck (19) des Kompres sors die kleinere Stirnseite des Kolbens beaufschlagt, daß eine Öffnung (12) in der Zylinderwand im Bereich des mittle ren Abschnittes des Kolbens an die Niederdruckseite ange schlossen ist und daß die genannten Öffnungen (11′, 11) an einen Zylinderraum (13) in dem Betätigungsteil (2) ange schlossen sind zur Betätigung eines Kolbens (4), der mit dem Ventilkörper (3) verbunden ist.

4. Steuerteil nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zu dem an den Ventilkörper (3) angeschlossenen Betätigungsteil (2) ein in einem Zylinder angeordneter Kolben (4) gehört, daß die Kolbenstangenseite (14) des Zylinderraumes an die Niederdruckseite (17) angeschlossen ist und daß die gegenüberliegende Zylinder raumseite (13) an die Öffnungen (11′, 11) in dem Steuerteil (1) angeschlossen ist.

5. Steuerteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die größere Stirnseite des Kolbens (6) von einer Feder (20) beaufschlagt wird, deren alleinige Aufgabe darin besteht, den Kolben in eine seiner Endlagen zu schieben, wenn der Kompressor still gesetzt wird.