DE60130984T2

DE60130984T2 - Mehrstufiger kompressor

Info

Publication number: DE60130984T2
Application number: DE60130984T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Ota-shi EBARA; Satoshi Imai; Masaya Nitta-gun TADANO; Atsushi Oda
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: CN1420964A; DE60130984D1; WO2001073293A1; EP1284366B1; EP1284366A1; KR20020084265A; EP1284366A4; US20030126885A1; CN1227459C; JP2001280253A; JP3370046B2; US6769267B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrstufenkompressor und insbesondere auf ein Kühlsystem zur Verwendung in einem derartigen Mehrstufenkompressor.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kompressoren, insbesondere Rotationskompressoren, sind auf verschiedenen Gebieten des Ingenieurwesens verwendet worden, besonders bei Klimaanlagen und Kühlsystemen. Diese Kompressoren verwenden größtenteils Chloride enthaltende Kühlmittel wie etwa R-22 (im Nachfolgenden Freon-Gas genannt).
Es ist jedoch bekannt, dass Freon-Gas die Ozonschicht der Erde zerstört, und seine Verwendung ist nun gesetzlich geregelt. Deswegen wurde umfangreiche Forschung nach einem alternativen Kühlmittel, das kein solches Problem darstellt, betrieben. In dieser Hinsicht wird erwartet, dass Kohlendioxid ein guter Kandidat ist.
Eine Art von Rotationskompressor ist bekannt, der Kohlendioxid als Kühlmittel in einem Mehrstufenkompressor, der mehrere Kompressionselemente inkorporiert, benutzt (Kohlendioxid wird im Nachfolgenden einfach als Kühlmittel bezeichnet, solange es nicht von anderen Kühlmitteln unterschieden werden muss).
Ein derartiger Mehrstufenkompressor beinhaltet mehrere Kompressionselemente für Ansaugen, Kompression und Abgabe des Kühlmittels, ein Antreibeelement zum Antreiben dieser Kompressionselemente und ein Gehäuse zum Unterbringen der Kompressionselemente und des Antriebselements.
Jedes der mehreren Kompressionselemente umfasst eine Rolle, die auf eine Exzenternocke gepasst ist, welche integral mit einer Rotationswelle des Antriebselements gebildet ist, und auf der inneren Wand eines Zylinders rollt. Der Raum zwischen der Rolle und dem Zylinder wird durch einen Flügel, der gegen die Rolle stößt, in eine Ansaugkammer und eine Kompressionskammer geteilt. Die mehreren Kompressionselemente sind angepasst, um Ansaugen, Kompression und Abgabe des Kühlmittels in mehreren Stufen sequenziell durchzuführen.
Das Antriebselement beinhaltet einen Elektromotor zum Drehen der Welle der Kompressionselemente. Diese Elemente sind alle in einem geschlossenen Behälter untergebracht.
Bei einem derartigen herkömmlichen Mehrstufenkompressor, wie oben erwähnt, fließt die die Antriebselemente umgebende Atmosphäre jedoch nicht, so dass von dem Antriebselement erzeugte Wärme im Inneren des geschlossenen Behälters bleibt, wodurch die Temperatur des Antriebselements erhöht wird, was wiederum die notwendige Kompression des Kühlmittels behindert. Dies ist für Geräte, die einen derartigen Kompressor benutzen, ein ernstes Problem.
Mit anderen Worten, von dem Antriebselement erzeugte Wärme muss durch den geschlossenen Behälter an die Umgebung abgestrahlt werden, es ist aber zunehmend schwierig geworden, einen Wärme abziehenden Ventilator zum Abziehen von Wärme aus dem Kompressor in einem Raum um den Kompressor zu installieren, um die neue Handelsanforderung eines immer kompakteren Kompressors zu erfüllen.
Es war daher beim Entwerfen eines Kompressors wichtig, ein Mittel zum effektiven Abstrahlen der von dem Antriebselement erzeugten Wärme aus dem geschlossenen Behälter zu implementieren, hoffentlich ohne die Umwelt zu beeinträchtigen. Eine zufriedenstellende Lösung wurde jedoch nicht gefunden.
Einige Kompressoren wurden darauf ausgerichtet, dieses Problem zu umgehen, wie in JP6-033886 , JP5-256285 , US5242280 , US5322424 und US5094085 offenbart. Diese Kompressoren des Stands der Technik erlauben es jedoch lediglich, das komprimierte Kühlmittel aus den Kompressionselementen abzugeben, um innerhalb des Behälters zu fließen, um eine Konvektion der Atmosphäre in dem Behälter zum Abkühlen der Elemente darin zu bewirken.
JP2723610BZ offenbart einen Kompressor, bei dem die erste Stufe durch eine externe Verrohrung mit der Oberseite des Behälters verbunden ist.
Um das oben erwähnte Problem des Stands der Technik zu überwinden, stellt die Erfindung einen Mehrstufenkompressor bereit, der das Erwärmen des Antriebselements eines Kompressors effizient unterbinden kann und kein damit verbundenes Erwärmungsproblem hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrstufenkompressor gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Auf diese Weise wird der Temperaturanstieg des Antriebselements mit einer derartigen einfachen Anordnung des Kompressors effizient unterbunden.
Ein zusätzlicher Kühlkörper kann an einem dazwischen liegenden Punkt des Verbindungsrohrs der ersten Stufe bereitgestellt werden, um die Wärmeabstrahlung von dem Kühlmittel zu verstärken, was dazu beiträgt, die Menge des in das Kompressionselement der zweiten Stufe gesaugten Gases zu erhöhen, wodurch die Kompressionseffizienz verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Zweistufenrotationskompressors gemäß der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsteilansicht des Zweistufenrotationskompressors von 1.
3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Zweistufenrotationskompressors gemäß der Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Zweistufenrotationskompressors, der durch das Hinzufügen eines zusätzlichen Kühlkörpers zu dem in 1 gezeigten Kompressor erhalten wird.
5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Zweistufenrotationskompressors, der durch das Hinzufügen eines zusätzlichen Kühlkörpers zu dem in 2. gezeigten Kompressor erhalten wird.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen eines Zweistufenrotationskompressors gemäß der Erfindung werden nun unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf die unten beschriebenen Ausführungsformen begrenzt sein wird und dass die Erfindung auf einen Kompressor mit mehr als zwei Stufen angewendet werden kann.
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Rotationskompressor ein Antriebselement in der Form eines Elektromotors 20 und ein Kompressionselement 30 einer ersten Stufe und ein Kompressionselement 40 einer zweiten Stufe, die unter dem Motor 20 montiert sind, wobei alle in einem geschlossenen Behälter 10 untergebracht sind, angepasst, um Kohlendioxid als Kühlmittel in zwei Stufen zu komprimieren.
In dem Bodenteilabschnitt des geschlossenen Behälters 10 wird ein Schmiermittel 15 zum Schmieren von Gleitelementen der Kompressionselemente 30 und 40 aufbewahrt.
Der Motor 20 besteht aus einem Stator 22, der durch Schrumpfsitz sicher an dem geschlossenen Behälter 10 fixiert ist, einem Rotor 23, der auf einer Welle 21, die in Bezug auf den Stator 22 drehbar ist, sicher montiert ist.
Das Kompressionselement 30 der ersten Stufe ist an dem Einlass davon mit einem Ansaugrohr 11 zum Ansaugen des Kühlmittels aus einer externen Quelle versehen. Das Kühlmittel wird von dem Kompressionselement 30 der ersten Stufe komprimiert und über eine Dämpferkammer 35, wie später ausführlich beschrieben wird, in den Behälter 10 abgegeben.
Das abgegebene Kühlmittel, das so abgegeben wurde, fließt an dem Motor 20 vorbei und in ein Verbindungsrohr 16 einer zweiten Stufe über einen Einlass 14 des in dem oberen Teilabschnitt des geschlossenen Behälters 10 bereitgestellten Verbindungsrohrs, und weiter von dem Ansaugrohr 13, das mit dem Verbindungsrohr 16 der zweiten Stufe verbunden ist, in das Kompressionselement 40 der zweiten Stufe.
Das Kühlmittel wird in dem Kompressionselement 40 der zweiten Stufe weiter komprimiert, bevor es durch ein Abgaberohr 12 aus dem Kompressor abgegeben wird.
Der Ansaugmechanismus und der Kompressionsmechanismus des Kompressionselements 30 der ersten Stufe und des Kompressionselements 40 der zweiten Stufe weisen die gleiche Struktur auf: Sie sind aus jeweiligen Zylindern 31 und 41, jeweiligen Rollen 33 und 43, die im Inneren der jeweiligen Zylinder 31 und 41 installiert sind, gebildet.
Mit Bezug auf 2 wird ein Seitenquerschnitt des Kompressionselements 30 der ersten Stufe gezeigt.
Wie in 1 und 2 zu sehen ist, sind das Kompressionselement 30 der ersten Stufe und das Kompressionselement 40 der zweiten Stufe aus jeweiligen Rollen 33 und 43, die sich im Dreheingriff mit jeweiligen Nocken 32 und 42, welche auf der Rotationswelle 21 gebildet sind, befinden, jeweiligen inneren Wänden 31A und 41A der Zylinder 31 und 41, einer oberen und unteren Stützplatte 36 und 46 und einer dazwischen liegenden Unterteilungsplatte 51 gebildet.
Jede von der oberen und unteren Nocke 32 und 42 ist integral auf einem verlängerten Teilabschnitt der Drehwelle 21 gebildet.
Auf die jeweiligen Nocken 32 und 42 sind die obere und untere Rolle 33 und 43 so drehbar gepasst, dass die äußeren Oberflächen der jeweiligen Rollen 33 und 43 gegen die jeweiligen inneren Wände 31A und 41A des oberen und unteren Zylinders 31 und 41 stoßen und auf ihnen rollen.
Die dazwischen liegende Unterteilungsplatte 51 ist zwischen dem oberen und dem unteren Zylinder 31 und 41 angeordnet, um sie zu trennen.
Die dazwischen liegende Platte 51 weist ein Loch auf, wie durch eine unterbrochene Linie in 2 angezeigt. Das Loch ist notwendig, damit eine Exzenternocke 42 dadurch und durch die Zylinder 31 und 41 durchgehen kann. Das Loch ist zu der Drehwelle 21 koaxial.
Ein oberer und ein unterer Zylinderraum sind auf den gegenüberliegenden Seiten der dazwischen liegenden Platte 51 gebildet, indem die Räume, die durch die äußeren Oberflächen der jeweiligen Rollen 33 und 43 und der inneren Wände 31A und 41A der jeweiligen Zylinder 31 und 41 definiert werden, mittels der oberen bzw. unteren Stützplatte 36 und 46 eingeschlossen werden.
Der obere und der untere Raum sind mit einem jeweiligen oberen und unteren Flügel 37 und 47 versehen, um die jeweiligen Räume zu unterteilen. Die Flügel 37 und 47 sind gleitfähig in den jeweiligen radialen Führungsrillen 38 und 48, die in den jeweiligen Zylinderwänden des oberen und des unteren Zylinders 31 und 41 gebildet sind, montiert und durch jeweilige Federn 39 und 49 vorgespannt, um mit der oberen und unteren Rolle 33 und 43 jederzeit in Kontakt zu sein.
Um das Ansaugen und die Abgabe des Kühlgases in die und aus den Zylinderräumen auszuführen, sind die Zylinder auf gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Flügel 37 und 47 mit einem oberen und unteren Einlass 31a und 41a und Auslass 31b und 41b versehen, wodurch ein oberer und unterer Ansaugraum 30A und 40A und ein oberer und unterer Abgaberaum 30B und 40B gebildet werden.
Die obere Stützplatte 36 und die untere Stützplatte 46 sind mit jeweiligen Abgabedämpferkammern 35 und 45 versehen, die über Abgabeventile (nicht gezeigt), die an den jeweiligen Auslässen 31b und 41b bereitgestellt sind, mit den jeweiligen Räumen 30B und 40B angemessen in Verbindung stehen.
Die Abgabeventile sind angepasst, um geöffnet zu werden, wenn der Druck in den jeweiligen Räumen 30B und 40B ein zuvor festgelegtes Niveau erreicht.
Bei dieser Anordnung wird das Kühlmittel aufgrund der exzentrischen Drehungen der jeweiligen Exzenterrollen, die von der Rotationswelle 21 des Motors 20 angetrieben werden, aus einer externen Quelle durch das Ansaugrohr 11 über den Einlass 31a des Kompressionselements 30 der ersten Stufe in den Ansaugraum 30A gesaugt.
Das Kühlgas mit geringem Druck wird durch die rollende Bewegung der Rolle 33 in den Kompressionsraum 30B transportiert und in ihm komprimiert, bis sein Druck einen zuvor festgelegten Zwischendruck erreicht, wenn das am Auslass 31b bereitgestellte Ventil geöffnet wird, um die Abgabe des Kühlgases durch die Dämpferkammer 35 in den inneren Raum des geschlossenen Behälters 10 zu erlauben.
Das in den inneren Raum des geschlossenen Behälters 10 abgegebene Kühlmittel kühlt den Motor 20, wenn es am Motor 20 vorbei in den oberen Teilabschnitt des geschlossenen Behälters 10 fließt. Das Kühlmittel fließt dann durch den Einlass 14 des Verbindungsrohrs in das Verbindungsrohr 16 der zweiten Stufe und wird über den Einlass 41a des Kompressionselements 40 der zweiten Stufe durch das Ansaugrohr 11 in den 40A gelenkt.
Das angesaugte Kühlmittel wird durch die rollende Bewegung der Rolle 33 zu dem Kompressionsraum 40B transportiert und von dem Zwischendruck weiter komprimiert auf einen vorgeschriebenen höheren Druck, wenn das an dem Auslass 41b bereitgestellte Ventil geöffnet wird, um das Kühlmittel über die Dämpferkammer 45 und durch das Abgaberohr 12 aus dem Kompressor abzugeben.
Auf diese Weise kühlt das aus dem Kompressionselement 30 der ersten Stufe abgegebene Kühlmittel den Stator 22 und den Rotor 23, während es durch den Motor 20 läuft. Dieser Fluss unterbindet den Temperaturanstieg des Motors 20 effektiv, selbst in Fällen, in denen es schwierig ist, einen externen, Wärme abstrahlenden Luftdurchgang auf dem geschlossenen Behälter 10 bereitzustellen, um Wärme von dem Antriebselement abzuziehen.
Es ließe sich denken, dass das Kühlmittel gleichermaßen gut aus dem Kompressionselement in der letzten Stufe in den geschlossenen Behälter abgegeben werden könne, um den Motor zu kühlen. Dafür ist es jedoch notwendig, den höchstzulässigen Druck des Behälters zu erhöhen, da Kohlendioxidkühlmittel im Allgemeinen im Vergleich zu R-22-Kühlmitteln in der letzten Stufe einen viel höheren Druck aufweist. Dieser Ansatz ist somit aus Sicht der Kosteneffizienz nicht notwendigerweise vorteilhaft.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, bei der der Motor 20 durch das in dem Kompressionselement 30 der ersten Stufe komprimierte und über die Dämpferkammer 35 in den geschlossenen Behälter 10 abgegebene Kühlmittel gekühlt wird, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Zum Beispiel kann ein Verbindungsrohr 17 der ersten Stufe, das den Auslass des Kompressionselements 30 der ersten Stufe mit dem unteren Teilabschnitt des geschlossenen Behälters 10 unter dem Motor 20 verbindet, bereitgestellt werden, um das von dem Kompressionselement 30 der ersten Stufe komprimierte Kühlmittel einmal aus dem Kompressor zu führen und es dann in den geschlossenen Behälter 10 zu führen, wodurch der Motor 20 gekühlt wird, bevor das Kühlmittel zu dem Verbindungsrohr 16 der zweiten Stufe zurückgeführt wird, wie in 3 gezeigt.
Bei dieser Anordnung zieht das Kühlmittel Wärme effektiv aus dem Behälter ab und wird außerhalb des Behälters abgekühlt, während das Kühlmittel durch das Verbindungsrohr 17 der erste Stufe außerhalb des Behälters fließt, wodurch das Abkühlen des Motors 20 weiter erleichtert wird.
Durch die Fertigung des Verbindungsrohrs 17 der ersten Stufe aus einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann das Abkühlen des Motors 20 verstärkt werden.
Zusätzlich dazu kann ein weiterer Kühlkörper 18 oder 19 mit dem Verbindungsrohr 16 der zweiten Stufe oder dem Verbindungsrohr 17 der ersten Stufe verbunden werden, wie in 4 und 5 gezeigt.
Wenn der Kühlkörper 18 mit dem Verbindungsrohr 16 der zweiten Stufe verbunden ist, wird die Menge des Kühlgases, die in das Kompressionselement 40 der zweiten Stufe gesaugt wird, erhöht, was die Kompressionseffizienz erhöht.
Wenn andererseits der Kühlkörper 18 mit dem Verbindungsrohr 17 der ersten Stufe verbunden ist, wird das Abkühlen des Motors 20 weiter verstärkt, so dass die Menge des Kühlmittels, die in das Kompressionselement 40 der zweiten Stufe gesaugt wird, entsprechend erhöht wird, was die Kompressionseffizienz ebenfalls verbessert.
Durch die Fertigung des Verbindungsrohrs 16 der zweiten Stufe und des Verbindungsrohrs 17 der ersten Stufe aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer oder Aluminium, kann der Wärmetransfer von dem Motor 20 weiter erhöht werden, um den Abkühlungseffekt zu verstärken.
INDUSTRIELLER NUTZEN DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, stellt die Erfindung einen einfachen Wärme abziehenden Mechanismus bereit, der für Mehrstufenkompressoren zur Verwendung in unterschiedlichen Arten von Kühlgeräten und Klimaanlagen geeignet ist.
Ein Kühlmittel kühlt das Antriebselement des Kompressors zwischen zwei Kompressionsstufen effizient ab, während es nach einer ersten Stufe in den geschlossenen Behälter abgegeben wird, und wird in die zweite Stufe der Kompression zurückgeführt, wodurch das Wärmeabstrahlungsproblem, das mit herkömmlichen Kompressoren verbunden ist, gelöst wird.

Claims

Ein Mehrstufenkompressor, der Folgendes umfasst: einen geschlossenen Behälter (10), ein Antriebselement in der Form eines Elektromotors (20), welcher in einem oberen Teilabschnitt des geschlossenen Behälters (10) sicher fixiert ist, und Kompressionselemente (30, 40) einer ersten und einer zweiten Stufe, die in einem unteren Teilabschnitt des geschlossenen Behälters (10) bereitgestellt sind, um als Reaktion auf die Drehungen einer zugehörigen oberen und unteren Nocke (32, 42), welche auf einer Arbeitswelle (21) des Motors (20) bereitgestellt sind, Ansaugen, Kompression und Abgabe eines Kühlmittels auszuführen, ein Kühlmittelansaugrohr (11) der ersten Stufe, das von außerhalb des geschlossenen Behälters eingeführt und mit einem Einlass (31a) des Kompressionselement (30) der ersten Stufe verbunden wird; ein Verbindungsrohr (16) der zweiten Stufe, das sich von dem oberen Teilabschnitt des geschlossenen Behälters (10) nach außen erstreckt und zu einem Einlass (41a) des Kompressionselements (40) der zweiten Stufe zurückführt; ein Kühlmittelabgaberohr (12) der zweiten Stufe, das mit dem Auslass (41b) des Kompressionselements (40) der zweiten Stufe verbunden ist und sich von dem geschlossenen Behälter (10) nach außen erstreckt, gekennzeichnet durch ein Verbindungsrohr (17) der ersten Stufe, das mit einem Auslass (31b) des Kompressionselements (30) der ersten Stufe verbunden ist und sich einmal von dem geschlossenen Behälter (10) nach außen erstreckt und zu dem unteren Teilabschnitt des geschlossenen Behälters zurückführt, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
Mehrstufenkompressor gemäß Anspruch 1, wobei jedes von dem Kompressionselement (30) der ersten Stufe und dem Kompressionselement (40) der zweiten Stufe Folgendes beinhaltet: eine obere und eine untere Exzenternocke (32, 42), die auf der Welle (21) des Motors (20) gebildet sind; zwei Rollen (33, 43), die drehbar auf die Exzenternocken gepasst sind; zwei Zylinder (31, 41), die jeweils eine innere Oberfläche (31A, 41A) aufweisen, gegen die die äußere Oberfläche der Rolle drehbar stößt, wenn die Welle gedreht wird; eine dazwischen liegende Unterteilungsplatte (51), die die Zylinder trennt; zwei Stützplatten (36, 46), die das obere und das untere Ende des jeweiligen Zylinders einschließen; zwei Flügel (37, 47), einen für jeden Zylinder, um einen jeweiligen geschlossenen Raum, der durch die jeweilige äußere Oberfläche der Rolle, die jeweilige innere Oberfläche des Zylinders, die Stützplatte und die dazwischen liegende Platte definiert wird, in einen Ansaugraum (30A, 40A) und einen Abgaberaum (30B, 40B) zu unterteilen; zwei Einlässe (31a, 41a), einen für jeden Zylinder, um das Kühlmittel in die Ansaugräume zu saugen; zwei Auslässe (31b, 41b), einen für jeden Zylinder, um das komprimierte Kühlmittel aus den jeweiligen Abgaberäumen (30B, 40B) abzugeben, und wobei das Kühlmittel, das über die jeweiligen Einlässe in die jeweiligen Ansaugräume gesaugt wird, in den jeweiligen Abgaberäumen komprimiert und als Reaktion auf die Drehung der Welle aus den jeweiligen Auslässen abgegeben wird.
Mehrstufenkompressor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kühlkörper (19) an einem dazwischen liegenden Punkt des Verbindungsrohrs (17) der ersten Stufe bereitgestellt ist.