DE3935571A1 - Klimaanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, deren Leistung so gesteuert werden kann, daß sie bezüglich eines breiten Bereichs von Laständerungen optimierbar ist.

Es sind bereits Verfahren zum Steuern von Klimaanlagen entsprechend Änderungen in der Last entwickelt worden. Eine dieser Klimaanlagen weist einen Kolbenkompressor mit mehreren Zylindern auf, wobei der Einsatz der Anzahl der wirksamen Zylinder verändert wird (Lastabnahme). Bei einer anderen Klimaanlage wird die Anzahl der Pole des Antriebsmotors durch Umschalten seiner Anschlüsse von außerhalb verändert, um die Drehzahl des Kompressors auszuwählen.

Mit der Entwicklung von Rotationskolbenverdichtern, wie der Kreiselverdichter und Spiralkompressoren, hat man zur Auswahl der Kompressordrehzahl Inverter-Antriebs­ systeme zur Änderung der Frequenz des Speisestroms für den Kompressorantriebsmotor verwendet. Bei der Klimaan­ lage der JP-A-63-1 40 884 wird ein Spiralkompressor ein­ gesetzt, der ein solches Inverterantriebssystem aufweist.

Fig. 6 dieser Druckschrift zeigt einen Kältemittelkreis­ lauf einer Klimaanlage mit Frequenzumwandlerantriebssystem, bestehend aus einem Spiralkompressor, einem Innenraum­ wärmeaustauscher, einem Expansionsventil und einem Außen­ raumwärmeaustauscher. Dabei wird der Kältemittelkreislauf zum Kühlen oder Heizen durch ein Vierwege-Umschaltventil umgeschaltet, das in dem Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Die Drehzahl des Spiralkompressors kann durch einen zwischen einer Wechselstromquelle und einem Antriebsmotor des Kompressors angeordneten Inverter bzw. Frequenzumwand­ ler geändert werden. Die Frequenz des vom lnverter abge­ gebenen Speisestroms wird entsprechend der Innenraumkühl­ belastung oder -heizbelastung gesteuert. Wenn sich der Kompressor mit niedriger Drehzahl dreht, arbeitet er mit einem niedrigen Druckverhältnis, d.h. der Förderdruck ist niedrig, während der Ansaugdruck hoch ist, oder, wenn der Kompressor sich mit einer hohen Drehzahl dreht, ar­ beitet er bei einem hohen Druckverhältnis, d.h. der För­ derdruck ist hoch, während der Ansaugdruck niedrig ist.

Zur Änderung der Leistung der Klimaanlage ansprechend auf eine Laständerung kann der Fördermengenstrom des Kom­ pressors geändert werden. Wenn jedoch ein Kolbenkompres­ sor durch Änderung der Drehzahl des Kompressors über den Inverter gesteuert wird, ist der Änderungsbereich der Drehzahl aufgrund von Vibrationen des hin- und hergehen­ den Elements und des dadurch bedingten Lärms beschränkt. Im Falle eines Rotationskompressors, beispielsweise ei­ nes Kreiselverdichters oder Spiralkompressors, ist der Änderungsbereich der Drehzahl vergleichsweise weit. Mit der Entwicklung von Mehrfachraumklimaanlagen zur Klimati­ sierung einer Vielzahl von Räumen, hat sich jedoch die Notwendigkeit ergeben, den Leistungsänderungsbereich wei­ ter zu verbessern.

Um dieser Forderung zu genügen kann der Bereich der Dreh­ zahländerungen des Kompressors dadurch erweitert werden, daß der Frequenzbereich des Antriebsspeisestroms vom In­ verter zum Kompressor vergrößert wird. Während des Betriebs mit hoher Drehzahl ergeben sich jedoch Probleme bezüglich der Festigkeiten der mechanischen Teile und der Betriebs­ sicherheit der Lager, da die Lasterhöhungen als Zentrifu­ galkräfte an den beweglichen Teilen zunehmen. Weiterhin treten Probleme hinsichtlich einer Steigerung der mecha­ nischen Verluste und Fluidverluste auf, was zu einer Ver­ ringerung des Wirkungsgrads führt, wodurch eine größere Leistungsaufnahme für die gleiche Arbeit erforderlich ist. Während des Betriebs mit niedriger Drehzahl ergeben sich weitere Probleme. So nimmt der Mengenstrom des aus dem Kompressionsraum als Leckstrom abströmenden Kältemit­ telgases zu, was den Wirkungsgrad verringert. Es ist schwierig, den gewünschten Ölfilm an dem Gleitabschnitt auszubilden und so die gewünschte Betriebssicherheit zu gewährleisten. Im Falle eines Kompressors mit einer Schmier­ ölpumpe, die die Zentrifugalkraft ausnutzt, ist es schwie­ rig, den erforderlichen zuzuführenden Ölmengenstrom auf­ rechtzuerhalten.

Eine Auslegung des Kompressors derart, daß der Leistungs­ änderungsbereich erweitert wird, indem lediglich der Be­ reich der Drehzahländerungen des Kompressors erweitert wird, ist somit unerwünscht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht des­ halb darin, den Leistungsänderungsbereich der Klimaanlage zu erweitern, ohne den Bereich der Änderungen der Dreh­ zahl des Kompressors zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Klimaanlage gelöst, die einen Kältemittelkreislauf hat, der einen Kältemittelkompressor, einen Kondensator, eine Expansions­ einrichtung und einen Verdampfer aufweist, die durch Rohre miteinander verbunden sind. Die Klimaanlage hat zur Steue­ rung der Drehzahl eines Elektromotors für den Antrieb des Kältemittelkompressors ferner eine Speisestromzufüh­ rung mit Frequenzumwandlung, eine Lastdetektoreinrichtung, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Speisestromfrequenz­ umwandlungseinrichtung auf der Basis eines Ausgangssignals aus der Lastdetektoreinrichtung und eine Kältemittelströ­ mungskanal-Steuereinrichtung zur Änderung des Mengenstroms, mit dem ein Kältemittel von dem Kältemittelkompressor zum Kondensator in Übereinstimmung mit einer In­ struktion aus der Stuereinrichtung strömt.

Die obere Grenze der Frequenz des Speisestroms aus der Inverterspeisestromeinrichtung zu dem Elektromotor für den Kompressorantrieb und somit die obere Grenze der Dreh­ zahl des Elektromotors wird durch die Zentrifugallast am Kompressor bestimmt, während die untere Grenze durch den Zustand des Ölfilms an dem Lagerabschnitt, die Lei­ stung der Schmierpumpe usw. bestimmt wird. Die Kältemit­ telkanal-Steuereinrichtung ist vorgesehen, um den Bereich von Änderungen der Kompressorförderleistung weiter zu steigern, die durch die Wechselrichtersteuerung für sich erreicht wird. Die Steuereinrichtung vergleicht Meßwerte aus der Lastdetektoreinrichtung mit Sollwerten, um eine Steuerung mit der Invertereinrichtung für den Speisestrom zu bewirken. Wenn es erforderlich wird, den Änderungsbe­ reich in der Leistung weiter zu steigern, setzt die Steuer­ einrichtung die Kältemittelströmungskanal-Steuereinrich­ tung zur Änderung des Mengenstroms ein, mit dem das Käl­ temittel von dem Kältemittelkompressor zum Kondensator strömt, wodurch ein weiterer Bereich der Leistungssteue­ rung zur Verfügung steht, und zwar basierend auf der Kom­ bination der regulären Steuereinrichtung und des Leistungs­ steuermechanismusses.

Wie bereits beschrieben wurde, sind Änderungen der Dreh­ zahl des Kompressors innerhalb des Bereichs des Kompres­ sorbetriebs mit hohem Wirkungsgrad ohne Änderung der För­ derleistung des Kompressors nur durch die Drehzahlsteue­ rung begrenzt. Die oberen und unteren Grenzen der Ände­ rungen der Förderkapazität, die sich durch Ändern der Drehzahl des Kompressors ergeben, können durch die Käl­ temittelströmungskanal-Steuereinrichtung erweitert wer­ den, wodurch die Klimaanlage in einem dementsprechend breiten Bereich von Laständerungen arbeiten kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen angegeben.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in einem Schaltbild den Grundaufbau der Klimaan­ lage,

Fig. 2 in einem Schaltbild eine Modifizierung eines Teils der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 und 4 in Schaltbildern den Aufbau von weiteren Ausführungsformen der Klimaanlage,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch den in Fig. 4 schematisch gezeigten Kompressor,

Fig. 6 eine Unteransicht des stationären Spiralelements des Kompressors von Fig. 4,

Fig. 7 im Axialschnitt einen Teil des Kompressors von Fig. 4 in der Nähe einer Bypassöffnung,

Fig. 8 in einen Schaltbild eine weitere Ausführungsform der Klimaanlage,

Fig. 9 in einem Schaltbild die Modifizierung eines Teils der Anordnung von Fig. 8,

Fig. 10 im Axialschnitt den in Fig. 8 schematisch gezeig­ ten Kompressor und

Fig. 11 im Axialschnitt einen Kompressor mit einem Umschalt­ ventil.

Die in Fig. 1 gezeigte Klimaanlage hat einen Kompressor 1 mit einem elektrischen Antriebsmotor, einen Innenraumwär­ meaustauscher 34, einen Außenraumwärmeaustauscher 36, ein Expansionsventil 35, ein Vierwegeumschaltventil 33, Rohrleitungen 31 und 32 sowie weitere Rohrleitungen, wel­ che die gezeigten Bauteile miteinander verbinden, Detekto­ ren 41 und 42, eine Steuereinrichtung 43, einen lnverter bzw. Wechselrichter bzw. Frequenzumformer 44 und einen Durchsatzsteuermechanismus 46. Die Rohrleitungen 31 und 32 sind mit den Kompressor 1 auf seiner Einlaßseite bzw. seiner Auslaßseite verbunden. Der Frequenzumformer 44 kann die Drehzahl des Kompressors durch Ändern der Fre­ quenz des Speisestroms aus einer Stromquelle 45 für den Elektromotor des Kompressors 1 ändern. Dem lnnenraumwärme­ austauscher 34 oder dem Außenraumwärmeaustauscher 36 wird ein in dem Kompressor 1 komprimiertes Gas über das Vier­ wegeumschaltventil 33 zugeführt, um einen Heizbetrieb oder Kühlbetrieb zu bewirken. Fig. 1 zeigt den Zustand für den Heizbetrieb.

Es braucht nur ein lnnenraumwärmeaustauscher 34 verwendet zu werden. Für die Klimatisierung einer Vielzahl von Räu­ men kann jedoch eine Vielzahl von zueinander parallelen Innenraumwärmeaustauschern 34 zusammen mit den entspre­ chenden Expansionsventilen 35 vorgesehen werden, was in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn in diesem Fall ein Schließventil 37 für jeden Wärmeaustauscher vorgesehen ist, kann die gewünschte Verteilung des Kältemittels in dem Kreisprozeß aufrecht erhalten werden. Das in den Fig. 1 und 2 gezeig­ te Expansionsventil kann eine Drossel in Kapillarbauweise oder ein Expansionsventil mit Temperaturfühlung sein, jedoch ist zur Steuerung eines breiteren Leistungsbereichs ein variables Expansionsventil effektiver, dessen Öffnung von außen her gesteuert werden kann.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, stellen die Detektoren 41 und 42 den Zustand des Innenraum- und Außenraumwärmeaustauschers fest, d.h. die Zustände auf der Hochdruck- und Nieder­ druckseite des Kältemittelkreisprozesses. Die Temperaturen oder die Drucke des Innenraum- und Außenraumwärmeaustau­ schers 34 und 36 können direkt gemessen werden. Es können auch die Temperaturen der Gebläseluft an den Auslässen des lnnenraum- und Außenraumwärmeaustauschers 34 und 36 gemessen werden. Zur Bestimmung des Drucks kann ein Ver­ fahren zur direkten Messung des Drucks oder ein Verfahren zum Messen von Temperaturen und Korrigieren und Umwandeln der gemessenen Temperaturen in Drucke ausgewählt werden.

Die Steuereinrichtung 43 vergleicht Daten aus den Detek­ toren 41 und 42 mit Sollwerten der Raumtemperatur und liefert ein Drehzahlerhöhungssignal für den Frequenzumwandler 44, wenn die Leistung für die Belastung unzureichend ist, oder ein Drehzahlre­ duzierungsignal , wenn die Leistung für die Belastung zu hoch ist. Der Frequenzumwandler 44 empfängt das Sig­ nal aus der Steuereinrichtung 43 und ändert die Frequenz des Speisestroms für den Kompressor 1, wodurch die Dreh­ zahl des Kompressors 1 gesteuert wird. In diesem Fall sind die obere und die untere Grenze des Frequenzände­ rungsbereichs des Frequenzumwandlers 44 oder der Bereich von Änderungen in dar Drehzahl des Kompressors 1 einge­ stellt. Die obere Grenze wird unter Berücksichtigung bei­ spielsweise der Zentrifugalkraftbelastung und dergleichen festgelegt, während die untere Grenze beispielsweise im Hinblick auf die Ausbildung eines Ölfilms in dem Lager, die Ölzuführungskapazität der Schmiermittelpumpe usw. festgelegt wird. Die so festgelegte obere und untere Gren­ ze werden in der Steuereinrichtung 43 gespeichert. Die Steuereinrichtung 43 vergleicht Daten aus den Detektoren 41 und 42 sowie ein Frequenzsignal aus dem Frequenzum­ wandler 44 mit den Zuständen des Kompressorbetriebs, die in ihrem inneren Speicher gespeichert sind, und sendet ein Signal zu dem Durchsatzsteuermechanismus 46 für des­ sen Einstellung. Der Durchsatzsteuermechanismus 46 steuert den Mengenstrom, mit dem das Kältemittel durch den Innen­ raumwärmeaustauscher 34, oder während des Kühlens, durch den Außenraumwärmeaustauscher 36 strömt. Die Steuerung des Mengenstroms, die von den Durchsatzsteuermechanismus 46 bewirkt wird, ermöglicht eine Weiterung des Leistungs­ änderungsbereichs über die Grenze hinaus, die durch die obere und untere Grenze des Frequenzänderungsbereichs des Frequenzumwandlers vorgegeben ist. Wenn es also erforder­ lich ist, die Leistung unter die Grenze zu reduzieren, die durch die untere Grenze des Frequenzänderungsbereichs des Frequenzumwandlers vorgegeben ist, wird durch später erläuterte Einrichtungen eine Entlastung bewirkt, nämlich durch einen Nebenstrom von einer Hochdruckseite oder Zwi­ schenkompressionsdruckseite zu einer Niederdruckseite. Wenn die Leistung über die Grenze gesteigert werden soll, die durch die obere Grenze des Frequenzumwandlers-Fre­ quenzbereichs festgelegt ist, wird durch eine weitere, noch zu beschreibende Einrichtung eine Überladung bzw. Überförderung bewirkt. Die von dem Durchsatzsteuermecha­ nismus 46 bewirkte Steuerung kann auch zum Beschränken des Betriebsdrucks des Kompressors innerhalb eines zuläs­ sigen Betriebsdruckbereichs unter Aufrechterhaltung der gewünschten Betriebssicherheit oder innerhalb eines Ar­ beitszugbereichs mit hohem Wirkungsgrad vollendet wer­ den. Die Temperaturen oder Drucke auf der Hochdruck- und Niederdruckseite, die von den Detektoren 41 und 42 gemes­ sen werden, werden mit den Solltemperatur- oder -druck­ werten entsprechend den jeweiligen Frequenzumwandler- Frequenzen verglichen, wobei diese Werte in der Steuer­ einrichtung 43 gespeichert sind, wodurch der Kältemittel­ durchsatz gesteuert wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Durchsatzsteuer­ mechanismus 46, der den Mengenstrom steuert, mit dem das Kältemittel durch den Wärmeaustauscher strömt. Bei dieser Ausführungform hat der Durchsatzsteuermechanismus 46 die Funktion, den Mengenstrom, mit dem das Kältemittel durch den Wärmeaustauscher strömt, zu verringern, und ist so gebaut, daß das Einlaßrohr 31 des Kompressors 1, i.e. ein Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, und das Auslaßrohr 32 des Kompressors 1, d.h. ein Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, durch eine Rohrleitung 311, ein Schließventil 461 und eine Rohrleitung 321 verbunden sind. Wenn das Schließventil 461 geöffnet ist, strömt ein Teil des Gases auf der Auslaßseite zur Einlaßseite, so daß der Mengenstrom, mit dem das Gas durch den Wärme­ austauscher 34 strömt, verringert ist. Bei dieser Ausfüh­ rungsform kann verhindert werden, daß der Kompressor mit einem übermäßig hohen Druck oder intermittierend in einem Ein-Aus-Betrieb durch Betätigung einer Schutzeinrichtung arbeitet, die ansprechend auf eine übermäßige Steigerung des Auslaßdrucks im Kältekreisprozeß aktiv wird. Diese Ausführungsform ist ferner vorteilhaft, da sie keinen speziellen Mechanismus für den Kompressor erfordert.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist der Durch­ satzsteuermechanismus 46 so gebaut, daß ein Rohr 5 g, das sich von einem inneren Abschnitt des Kompressors 1 aus erstreckt, das Einlaßrohr 31 und das Auslaßrohr 32 durch ein Rohr 312, ein Umschaltventil 462 und ein Rohr 322 verbunden sind. Um den Fördermengenstrom zu verringern, wird das Umschaltventil 462 betätigt, wodurch eine Verbin­ dung zwischen dem Rohr 5 g und dem Einlaßrohr 31 hergestellt wird. In anderen Fällen wird das Umschaltventil 462 so betätigt, daß eine Verbindung zwischen dem Rohr 5 g und dem Auslaßrohr 32 hergestellt wird. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Umschaltventil 462 für den Durchsatzsteuermechanismus verwendet. Diese Ausführungform umfaßt jedoch eine weitere mögliche Anord­ nung, bei der das Rohr 5 g zum Einlaßrohr 31 und zum Aus­ laßrohr 32 divergiert, wobei in jedem der Zweige ein Schließventil vorgesehen ist.

Der bei der Ausführungform von Fig. 4 benutzte, und in Fig. 5 gezeigte Spiralkompressor hat einen Kompressorab­ schnitt mit einem stationären Spiralelement 5 und einem umlaufenden Spiralelement 6, das direkt mit einem Elektro­ motor verbunden ist, wobei diese Bauteile in einem abge­ dichteten Gehäuse 3 aufgenommen sind.

Das stationäre Spiralelement 5 hat eine scheibenförmige Platte 5 a, eine Spiralwand 5 b, die ein Stück mit der schei­ benförmigen Platte 5 a bildet, sich senkrecht zu dieser erstreckt, und einen äußeren Wandabschnitt 5 c, der an seinem Außenumfang ausgebildet ist und die gleiche Höhe wie die Spiralwand hat. Das umlaufende Spiralelement 6 hat eine scheibenförmige Platte 6 a, eine Spiralwand 6 b, die in einem Stück mit der scheibenförmigen Platte 6 a ausgebildet ist und sich senkrecht zu ihr erstreckt, sowie eine Nabe 6 c, die auf der vom stationären Spiralelement 5 abgewandten Seite der scheibenförmigen Platte 6 a ausge­ bildet ist. Das stationäre Spiralelement 5 und das umlau­ fende Spiralelement 6 sind so kombiniert, daß die Spiral­ wände 5 b und 6 b nach innen weisen und zwischen sich ei­ nen Kompressionsraum bilden. Das stationäre Spiralelement 5 ist an einem Rahmen 7 festgelegt, der im Preß-Sitz in dem abgedichteten Gehäuse 3 eingepaßt ist.

Der Rahmen 7 hat einen Lagerabschnitt 7 a, der in seiner Mitte ausgebildet ist und eine Antriebswelle 4 lagert. Auf der Rückseite der scheibenförmigen Platte 6 a des um­ laufenden Spiralelements 6 ist ein Gegendruckraum 8 aus­ gebildet. An dem Rahmen 7 ist ferner ein Stator eines Elektromotors 2 festgelegt.

Von dem oberen Ende der Antriebswelle 4, die direkt mit einem Rotor eines Elektromotors 2 verbunden ist, steht eine exzentrische Welle 4 a vor, die in die Nabe 6 c des umlaufenden Spiralelements 6 eingreift. Zwischen dem Rah­ men 7 und der scheibenförmigen Platte 6 a des umlaufenden Spiralelements 6 ist ein eine Drehung des umlaufenden Spiralelements 6 um eine Achse unterbindender Mechanis­ mus 9 vorgesehen, der es dem umlaufenden Spiralelement 6 ermöglicht, eine Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements 5 auszuführen, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen, wenn sich die Antriebswelle 4 dreht.

In einem äußeren Umfangsabschnitt des stationären Spiral­ elements 5 ist eine Einlaßöffnung 11 vorgesehen. Das Ein­ laßrohr 31 geht durch das abgedichtete Gehäuse 3 hindurch und ist mit der Einlaßöffnung 11 verbunden. In einen zen­ tralen Abschnitt der scheibenförmigen Platte 5 a des sta­ tionären Spiralelements 5 ist eine Auslaßöffnung 13 so ausgebildet, daß sie in eine Auslaßkammer 3 a mündet, die über dem stationären Spiralelement 5 vorgesehen ist. Die Auslaßkammer 3 a steht mit einer Kammer 3 b, welche über dem Elektromotor 2 ausgebildet ist, über Kanäle 14 a bis 14 c in Verbindung. Das Förderrohr 32 ist mit der Kammer 3 b dadurch verbunden, daß es durch die Wand des abgedich­ teten Gehäuses 3 hindurchgeführt ist. Der Kanal 14 b ist in einem äußeren Umfangsabschnitt des Rahmens 7 ausgebil­ det, der im Preß-Sitz in dem abgedichteten Gehäuse 3 sitzt. Der Kanal 14 c ist so angeordnet, daß er dem Kanal 14 b zugewandt ist. Der Kanal 14 c wird von einem Kanalele­ ment gebildet, das längs einer Innenfläche des abgedich­ teten Gehäuses 3 angeordnet ist. Das untere Ende dieses Kanalelements wirkt als Kollisionsplatte, welches den Gasstrom aufhält. In einem lnnenwandabschnitt des Kanal­ elements ist in der Nähe seines unteren Endes eine Öff­ nung so ausgebildet, daß sie der Stirnseite der Stator­ wicklung des Elektromotors 2 zugewandt ist. Die Richtung, in welcher das Gas längs der Innenfläche des Gehäuses strömt, wird an diesem Abschnitt geändert, so daß das Gas zu der Spulenstirnseite des Elektromotors strömt, wodurch Öl von dem Gas abgetrennt wird. Für die Verbin­ dung zwischen dem Kompressionsraum und dem Gegendruckraum 8 während der Kompression sind durch die scheibenförmige Platte 6 a des umlaufenden Spiralelements 6 hindurchgehende Gegendrucklöcher 16 vorgesehen, wodurch eine Verbindung mit den beiden Abschnitten des Kompressionsraums herge­ stellt ist, die symmetrisch aufgrund des Eingriffs der Spiralwände des stationären und des umlaufenden Spiral­ elements ausgebildet sind. Wenn der Spiralkompressor ar­ beitet, wird ein Zwischengasdruck während der Kompression, der zwischen dem Ansaugdruck und dem Förderdruck liegt, aus dem Kompressionsraum in den Gegendruckraum 8 über das Gegendruckloch 16 eingeführt. Während des Betriebs wird das umlaufende Spiralelement 6 in Axialrichtung ge­ gen das stationäre Spiralelement 5 durch diesen Gegendruck gedrückt, wodurch die gewünschte Abdichtung zwischen den scheibenförmigen Platten 5 a und 6 a und den Stirnseiten der Spiralwände 6 b und 5 b in Axialrichtung aufrechterhal­ ten wird.

In der Antriebswelle 4 ist in ihrer Mitte eine Schmier­ bohrung 4 b ausgebildet. Am unteren Ende der Antriebswelle 4 ist ein Ölansaugrohr 4 c befestigt. Von der Schmierbohrung 4 b aus erstreckt sich eine Schmierbohrung 4 d für eine Verbindung mit dem Lager. In dem unteren Abschnitt 3 c des abgedichteten Gehäuses 3 gespeichertes Öl wird dem Lager für das Ölansaugrohr 4 c und die Schmierbohrungen 4 b und 4 d durch den Differenzdruck zwischen dem unteren Abschnitt 3 c und den Gegendruckraum 8 zugeführt.

Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, erstrecken sich zwei By­ passöffnungen 21, die einen Durchmesser haben, der annä­ hernd gleich der Dicke der Spiralwand 5 b ist, durch die scheibenförmige Platte 5 a des stationären Spiralelements an Stellen in der Nähe der Spiralwand 5 b, so daß die Kompressionskammern einen Nebenkanal zur Seite der spiegel­ förmigen Platte 5 a haben, der von der Spiralwand abgele­ gen ist, und zwar bei einem Druckverhältnis von 50 bis 70% des Solldruckverhältnisses. Das Solldruckverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Kompressions­ raum unmittelbar vor dessen Inverbindungtreten mit der Auslaßöffnung 13 und dem Druck in dem Kompressionsraum, wenn dieser zwischen den Spiralwänden des stationären und umlaufenden Spiralelements am größten ist, d.h. dem Ansaugdruck. Die Bypassöffnungen 21 münden in symmetri­ schen Positionen in zwei symmetrischen Sektionen des Kompressionsraums, die durch den Eingriff zwischen den Spiralwänden 5 b und 6 b der beiden Spiralelemente 5 und 6 gebildet werden. Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, ist ein Rückschlagventil 22, bestehend aus einer flexiblen Plat­ te und aus einem Anschlag 23 zur Beschränkung der Öff­ nung dieses Ventils durch einen Bolzen 24 an einem Ober­ flächenabschnitt der scheibenförmigen Platte 5 a auf der der Spiralwand gegenüberliegenden Seite dort befestigt, wo jede der Bypassöffnungen 21 ausgebildet ist. Das Rück­ schlagventil 22 verschließt die Bypassöffnung 21, wenn der Druck in einer nachstehend beschriebenen Bypasskam­ mer 5 f höher ist als der Druck in dem Kompressionsraum, oder gibt die Bypassöffnung 21 frei, wenn der Druck in dem Kompressionsraum höher ist als der Druck in der By­ passkammer 5 f, wodurch ein Bypasskanal für einen Strom von dem Kompressionsraum zur Bypasskammer 5 f gebildet wird.

Die Bypasskammer 5 f ist ein Ringraum, der auf der der Spiralwand gegenüberliegenden Seite der scheibenförmigen Platte 5 a des stationären Spiralelements 5 durch Vorsprün­ ge 5 d in Form von Doppelringen und einer Abdeckung 5 e gebildet wird, die sich zwischen den oberen Enden der Vorsprünge 5 d erstreckt. Das Bypassventil 22 ist in der Bypasskammer 5 f aufgenommen. Mit der Abdeckung 5 e ist ein Bypassrohr 5 g verbunden, das mit der Bypasskammer 5 f in Verbindung steht. Das Bypassrohr 5 g erstreckt sich zur Außenseite, wobei es durch das abgedichtete Gehäuse 3 hindurchgeht.

Der so gebaute Kompressor 1 ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, angeschlossen, wobei das Umschaltventil 462 betätigt wird, um eine Verbindung zwischen dem Rohr 5 g und dem Einlaßrohr 31 herzustellen. Der Druck in der Bypasskam­ mer 5 f ist auf den Niederdruckpegel des Kälteprozesses eingestellt, um im Nebenstrom das Gas zur Niederdrucksei­ te des Kältemittelkreisprozesses während der Kompression zu führen, wodurch eine Verringerung des Mengenstroms möglich wird, mit dem das Kältemittel durch den Wärmeaus­ tauscher strömt (Auslaßmengenstrom). Wenn das Umschalt­ ventil 462 umgeschaltet ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, um eine Verbindung zwischen dem Rohr 5 g und dem Aus­ laßrohr 32 herzustellen und um somit die Bypasskammer 5 f mit der Hochdruckseite des Kältemittelkreisprozesses zu verbinden, kann eine zu hohe Kompression in dem Spi­ ralkompressor unter der Bedingung verringert werden, daß die Betriebsbedingungen das Solldruckverhältnis der Spi­ ralwände nicht erreichen.

Bei dieser Ausführungform sind die Bypassöffnungen 21 an Positionen in symmetrischen Sektionen des Kompressors nahe der Spiralwand angeordnet. Die gleichen Wirkungen können erreicht werden, wenn eine Bypassöffnung zwischen den Spiralwänden angeordnet wird, wie dies aus der JP- A-61-1 87 584 bekannt ist.

Der Durchsatzsteuermechanismus der vorstehend beschriebe­ nen Ausführungformen kann den Mengenstrom verringern, mit dem das Kältemittel durch den Wärmeaustauscher (Aus­ laßmengenstrom des Kompressors) strömt, jedoch nicht diesen Durchsatz steigern. Fig. 8 zeigt eine Ausführungs­ form, die es ermöglicht, den Durchsatz zu erhöhen.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem Expansionsventil 35 und dem hochdruckseitigen Wärme­ austauscher (in dieser Ausführungsform der Innenraumwär­ meaustauscher 34) ein Speicher 47 vorgesehen. Der Kompres­ sor 1, dessen Aufbau im einzelnen noch erläutert wird, ist über eine Rohrleitung 313 durch das Bypassrohr 5 g und ein Umschaltventil 463 mit dem Einlaßrohr 31, über die Rohrleitung 323 mit dem Auslaßrohr 32 und über eine Rohrleitung 473 mit dem Speicher 47 verbunden.

Bei dieser Ausführungsform wird der noch anhand der Fig. 10 und 11 zu beschreibende Kompressor dazu verwendet, den Auslaßdurchsatz des Kompressors, also den Mengenstrom, mit dem das Kältemittel durch den Wärmeaustauscher strömt, zu steigern sowie ihn zu verringern.

Diese Ausführungsform kann derart modifiziert werden, daß ein erster Dekompressor 351, ein Gas-Flüssigkeits- Abscheider 48 und das Expansionsventil 35 wie in Fig. 9 dargestellt, angeordnet sind, wobei die Gasphase des Gas- Flüssigkeits-Abscheiders 48 mit dem Bypassrohr 5 g des Kompressors über das Umschaltventil 463 verbunden ist.

Der in Fig. 10 gezeigte Spiralkompressor 1 wird bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform oder bei der modifi­ zierten Ausführungsform von Fig. 9 eingesetzt. Dieser Aufbau entspricht dem des Spiralkompressors von Fig. 5, wobei jedoch das Rückschlagventil 22 und die zugehörigen Teile 23 und 24 fehlen. Aufgrund des Fehlens des Rück­ schlagventils stellt sich ein Überladen ein, wenn der Druck in der Bypasskammer 5 f höher als der Druck in dem Kompressionsraum ist. Wenn der Druck in dem Kompressions­ raum höher als der Druck in der Bypasskammer 5 f ist, strömt das Gas im Kompressionsraum im Nebenstrom zur By­ passkammer 5 f, wodurch der Förderdurchsatz des Kompres­ sors verringert wird.

Bei der Ausführungsform von Fig. 8 oder 9, bei welcher der Spiralkompressor von Fig. 10 als Kompressor 1 einge­ setzt wird, ist das Umschaltventil 463 wie nachstehend beschrieben abgeändert. Zur Verringerung des Förderdurch­ satzes werden die Bypasskammer 5 f und ein niederdruck­ seitiger Abschnitt (Einlaßrohr) 31 in Verbindung mitein­ ander gebracht. Um den Förderdurchsatz zu steigern, wer­ den die Bypasskammer 5 f und der Speicher 47 oder der Gas- Flüssigkeits-Abscheider 48 in Verbindung miteinander ge­ bracht. Wenn es erforderlich ist, die Überkompression zu verringern, werden die Bypasskammer 5 f und ein hoch­ druckseitiger Abschnitt (Auslaßrohr) 32 miteinander in Verbindung gebracht. Üblicherweise kann das Umschaltven­ til 463 geschlossen werden.

Bei dieser Ausführungsform kann auch eine Bypassöffnung 21 insgesamt in der Mitte zwischen den Spiralwänden an­ geordnet werden, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 der Fall ist.

Bei den Ausgestaltungen der Fig. 8 bis 10 ist das Umschalt­ ventil 463 außerhalb des Kompressors angeordnet, es kann jedoch auch in dem abgedichteten Gehäuse 3 untergebracht sein, wie dies bei der Ausführungsform von Fig. 11 der Fall ist.

Dabei besteht ein Ventil 5 h in einem Stück aus einer Abdeckung und einem Umschaltventil, das an den oberen Enden der ringförmigen Vorsprünge 5 d auf der der Spiralwand gegen­ überliegenden Seite der scheibenförmigen Platte 5 a des stationären Spiralelements 5 angeordnet ist. Das Ventil 5 h bildet die Bypasskammer 5 f und hat einen Kanal 25, der mit der Bypasskammer 5 f in Verbindung steht, einen Kanal 26, der mit der Auslaßkammer 3 a in Verbindung steht, einen Kanal 27, der mit der Einlaßkammer 12 a über die scheibenförmige Platte 5 a des stationären Spiralelements 5 in Verbindung steht, einen Kanal 28, der mit einem Ein­ spritzrohr 5 i in Verbindung steht, das durch das abge­ dichtete Gehäuse 3 hindurchgeht und mit der Außenseite verbinden ist, sowie einen geeigneten Umschaltmechanis­ mus (nicht gezeigt), um den mit der Bypasskammer 5 f in Verbindung stehenden Kanal 25 mit einem der anderen Kanäle 26 bis 28 in Verbindung zu bringen oder um den Kanal 25 zu schließen. Dieser Umschaltmechanismus kann von außer­ halb des Kompressors betätigt werden.

Bei diesem Kompressor wird eine Verbindung zwischen dem Kanal 25 und dem Kanal 27 zur Verringerung des Förder­ durchsatzes, mit dem Kanal 28 zur Steigerung des Förder­ durchsatzes oder mit dem Kanal 26 zur Verringerung der Überkompression hergestellt. Wenn für diese Wirkungen kein Bedarf besteht, wird der Kanal 25 geschlossen.

Dieser Kompressor kann durch Verbinden des Einspritzroh­ res 5 i des Kompressors mit dem Speicher 47 oder dem Gas- Flüssigkeits-Abscheider 48, was in Fig. 8 oder 9 gezeigt ist, eingesetzt werden, wodurch die Rohrverbindung des Kältemittelkreislaufs vereinfacht wird.

Das Einspritzrohr ist bei dieser Ausführungsform vorge­ sehen, um eine Steigerung des Förderdurchsatzes zu ermög­ lichen. Es ist jedoch auch möglich, das Einspritzrohr 5 i und den Kanal 28 wegzulassen, wenn kein Bedarf bezüg­ lich einer Steigerung des Förderdurchsatzes besteht, wäh­ rend der Förderdurchsatz verringert werden kann.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann der Förderdurchsatz weiter verringert oder gesteigert werden, ohne den Bereich der Änderungen der Drehzahl des Kompressors zu erweitern, wodurch sich eine Klimaanlage ergibt, die entsprechend einem weiten Bereich von Last­ änderungen gesteuert werden kann und in einem Betriebs­ bereich arbeitet, der einen hohen Wirkungsgrad des Kom­ pressorbetriebs gewährleistet.

Claims (12)

1. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbarer Leistung, bestehend aus

• - einem Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel­ kompressor (1), als Kondensator und Verdampfer die­ nenden Wärmeaustauschern (34, 36) und einer Expan­ sionseinrichtung (35) zwischen den Wärmeaustauschern (34, 36) und
• - einer Frequenzumwandlereinrichtung (44) für den Speisestrom zum Ändern der Frequenz des Speisestroms eines Elektromotors für den Antrieb des Kältemittel­ kompressors (1) zur Steuerung der Drehzahl des Mo­ tors,

gekennzeichnet

• - durch Lastdetektoreinrichtungen (41, 42),
• - durch eine Steuereinrichtung (43) zum Steuern der Frequenzumwandlereinrichtung (44) für den Speise­ strom auf der Basis eines Ausgangssignals aus den Lastdetektoreinrichtungen (41, 42), und
• - durch eine Kältemittelströmungskanal-Steuereinrich­ tung (46) für eine Änderung des Durchsatzes, mit dem ein Kältemittel von dem Kältemittelkompressor (1) zu einem der Wärmeaustauscher (34, 36) entsprechend einem Befehl aus der Steuereinrich­ tung (43) strömt.

2. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbarer Lei­ stung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet , daß eine obere und eine untere Grenze für die Frequenzen des Speisestroms aus der Frequenzumwandlereinrichtung (44) für den Speisestrom für den Kältemittelkompressorantriebsmotor eingestellt sind und daß die Steuereinrichtung (43) die Frequenz­ umwandlereinrichtung (44) für den Speisestrom in den Bereich zwischen der oberen und unteren Grenze sowie die Kältemittelströmungskanal-Steuereinrichtung (46) steuert, um den Kältemittelmengenstrom jenseits ei­ ner Grenze zu ändern, die durch die obere oder unte­ re Grenze vorgegeben ist.

3. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbaren Leistung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lastdetektorein­ richtungen (41, 42) Meßergebnisse der Temperaturen und/oder Drucke auf der Hochdruckseite bzw. Nieder­ druckseite des Kältemittelkreislaufs abgeben.

4. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbaren Leistung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (43) die Frequenz des Speisestroms aus der Frequenzum­ wandlungseinrichtung (44) für den Speisestrom zum Kältemittelkompressorantriebsmotor auf der Basis der Differenz zwischen den Solltemperaturen und den Tem­ peraturen auf der Hochdruckseite und der Niederdruck­ seite des Kältemittelkreislaufs steuert, die von den Lastdetektoreinrichtungen (41, 42) gemessen werden, und daß die Steuereinrichtung (43) ferner die Kälte­ mittelströmungskanal-Steuereinrichtung (46) steuert, indem die Temperaturen oder Drucke auf der Hochdruck­ seite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreis­ laufs, die von den Lastdetektoreinrichtungen (41, 42) gemessen werden, mit gespeicherten Solltempera­ turen oder Solldrucken entsprechend den Speisestrom­ frequenzen verglichen werden.

5. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbarer Leistung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kältemittelströmungskanal- Steuereinrichtung (46) einen Verbindungskanal und eine Einrichtung (33) zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals aufweist, wodurch ein Bypass zwi­ schen dem Kältemittelströmungskanal (32), der einen Auslaß des Kältemittelkompressors (1) und den Kon­ densator (34) verbindet, und einem Kältemittelkanal (31) hergestellt werden kann, der einen Einlaß des Kompressors (1) und den Verdampfer (36) verbindet.

6. Spiralkompressor, insbesondere zur Verwendung als Kältemit­ telkompressor in einer Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem stationären Spiralelement (5) , beste­ hend aus einer scheibenförmigen Platte (5 a) und einer von ihr senkrecht abstehenden Spiralwand (5 b), und mit einem umlaufenden Spiralelement (6), bestehend aus einer scheibenförmigen Platte (6 a) und einer davon senkrecht abstehenden Spiralwand (6 b), wobei das sta­ tionäre Spiralelement (5) und das umlaufende Spiral­ element (6) so ineinander greifen, daß ihre Spiral­ wände (5 b, 6 b) nach innen weisen, das umlaufende Spi­ ralelement (6) bezüglich des stationären Spiralelements (5) durch einen als Antrieb dienenden Elektromotor in Umlaufbewegung versetzt wird, während eine Dre­ hung um eine Achse unterbunden wird, so daß ein zwi­ schen den Spiralwänden (5 b, 6 b) der Spiralelemente (5, 6) gebildeter Kompressionsraum zu deren Zentrum hin verengt wird, um ein in den Kompressionsraum an­ gesaugtes Kältemittelgas zu komprimieren und dadurch das Gas über eine Förderöffnung in der Mitte des sta­ tionären Spiralelements (5) abzuführen, ge­ kennzeichnet durch eine abgedichtete Bypasskammer (5 f) auf der an der Spiralwand (5 b) des stationären Spiralelements (5) abgewandten Seite, so daß keine Verbindung mit der Förderöffnung (13) besteht, durch eine Bypassöffnung (21) in der schei­ benförmigen Platte (5 a) des stationären Spiralele­ ments (5) zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem Kompressionsraum und der abgedichteten Bypass­ kammer (5 f) während der Kompression und durch ein Bypassrohr (5 g) füreine Verbindung zwischen der ab­ gedichteten Bypasskammer (5 f) und der Außenseite des Kompressors (1).

7. Spiralkompressor nach Anspruch 6, gekenn­ zeichnet durch ein Rückschlagventil (22) zur Unterbindung eines Rückstroms von Kältemittel­ gas von der abgedichteten Bypasskammer (5 f) zur By­ passöffnung (21).

8. Spiralkompressor, insbesondere zur Verwendung als Kältemittel­ kompressor in einer Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem stationären Spiralelement (5), beste­ hend aus einer scheibenförmigen Platte (5 a) und einer von ihr senkrecht abstehenden Spiralwand (5 b), und mit einem umlaufenden Spiralelement (6), bestehend aus einer scheibenförmigen Platte (6 a) und einer davon senkrecht abstehenden Spiralwand (6 b), wobei das sta­ tionäre Spiralelement (5) und das umlaufende Spiral­ element (6) so ineinander greifen, daß ihre Spiral­ wände (5 b, 6 b) nach innen weisen, das umlaufende Spi­ ralelement (6) bezüglich des stationären Spiralele­ ments (5) durch einen als Antrieb dienenden Elektro­ motor in Umlaufbewegung versetzt wird, während eine Drehung zu einer Achse unterbunden wird, so daß ein zwischen den Spiralwänden (5 b, 6 b) der Spiralelemente (5, 6) gebildeter Kompressionsraum an deren Zentrum hin verengt wird, um ein in den Kompressionsraum an­ gesaugtes Kältemittelgas zu komprimieren und dadurch das Gas über eine Förderöffnung in der Mitte des sta­ tionären Spiralelements (5) abzuführen, ge­ kennzeichnet durch eine abgedichtete Bypasskammer (5 f) auf der von der Spiralwand (5 b) des stationären Spiralelements (5) abgewandten Sei­ te, so daß keine Verbindung mit der Förderöffnung (13) besteht, durch eine Förderöffnung (21) in der scheibenförmigen Platte (5 e) des stationären Spiral­ elements (5) zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem Kompressionsraum und der abgedichteten Bypasskam­ mer (5 f) während der Kompression , und durch einen Strömungskanal-Umschaltmechanismus, um selektiv die Verbindung zwischen der abgedichteten Bypasskammer (5 f), einer Einlaßkammer (11) am Außenumfangsabschnitt des stationären Spiralelements (5), einer Auslaßkam­ mer (3), die mit der Förderöffnung in der Mitte des stationären Spiralelements (5) in Verbindung steht, oder einem Einspritzrohr (5 e) zu schaffen, das mit der Außenseite des Kompressors (1) in Verbindung steht.

9. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbarer Leistung nach Anspruch 2, bei welcher der Spiralkom­ pressor nach Anspruch 7 als Kältemittelkompressor verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanal-Steuereinrichtung (46) einen Verbindungska­ nal und eine Einrichtung (33) zum Öffnen und Schließen des Verbin­ dungskanals aufweist, wodurch das Bypassrohr mit einem Rohr, das einen Auslaß des Kältemittelkompres­ sors (1) und den Kondensator (34) verbindet, oder mit einem Rohr verbunden wird, das einen Einlaß des Kompressors (1) und den Verdampfer (36) miteinander verbindet.

10. Klimaanlage mit in einem weiten Bereich steuerbarer Leistung nach Anspruch 2, bei welchem der Spiralkom­ pressor nach Anspruch 6 als Kältemittelkompressor verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Auslaß des Kondensators (34) und der Expansionseinrichtung (35) ein Speicher (47) vor­ gesehen ist, oder daß ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider (48) zwischen zweistufigen Expansionseinrichtungen (35, 351) vorgesehen ist, die mit dem Auslaß des Kon­ densators (34) verbunden sind, wobei die Kältemittel­ strömungskanal-Steuereinrichtung (46) einen Verbin­ dungskanal und eine Einrichtung (33) zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals aufweist, wodurch das Bypassrohr mit einem Kältemittelkanal, der den Einlaß des Kompressors (1) und den Verdampfer (36) miteinander verbindet, mit einem Kältemittelkanal, der den Auslaß des Kompressors (1) und den Kondensator (34) miteinander verbindet, mit dem Speicher (47) oder mit dem Gas-Flüssigkeitsabscheider (48) verbunden wird.

11. Klimaanlage mit in einen weiten Bereich steuerbarer Leistung nach Anspruch 2, bei welchem der Spiralkom­ pressor nach Anspruch 8 als Kältemittelkompressor verwendet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Speicher (47) zwischen einem Aus­ laß des Kondensators (34) und der Expansionseinrich­ tung (35) vorgesehen ist, oder daß ein Gas-Flüssig­ keitsabscheider (48) zwischen zweistufigen Expansions­ einrichtungen (35, 351) vorgesehen ist, die mit dem Auslaß des Kondensators (34) verbunden sind, wobei die Kältemittelströmungskanal-Steuereinrichtung (46) den Strömungskanal-Umschaltmechanismus und einen Ver­ bindungskanal aufweist, um das Einspritzrohr (5 i) mit dem Speicher (47) oder dem Gas-Flüssigkeits-Abschei­ der (48) zu verbinden.