HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Rotationskompressoren sind im allgemeinen fähig, rückwärts zu
laufen, wobei sie als Expansionseinricht ungen wirken. Ein
Rückwärtslaufen kann beim Ausschalten vorkommen, wenn ein
abgeschlossenes System versucht, den Druck über den Kompressor
auszugleichen, wodurch verursacht wird, dass der Kompressor als
Expansionseinrichtung mit vernachlässigbarer Last läuft. Dieses
Problem wurde angegangen, indem ein Auslass-Kontroliventil
bereitgestellt wurde, wie im gewöhnlich übertragenen U.S. Patent Nr.
4 904 165 erläutert wird, in dem das Kontrollventil so nahe als
möglich beim Auslass der Spirale angeordnet ist, um den Betrag an
Gas mit hohem Druck zu minimieren, der verfügbar ist, um ein
Rückwärtslaufen anzutreiben. Solange irgendwelches Gas mit hohem
Druck verfügbar ist, um ein Rückwärtslaufen anzutreiben, wird eine
Bewegung der umlaufenden Spirale mit begleitendem Geräusch
stattfinden, selbst wenn keine zugehörige Gefahr für den Kompressor
besteht. Selbst wenn es nicht schädlich ist, kann das Geräusch
lästig sein, und seine Verminderung und/oder Beseitigung ist
wünschenswert.
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Zusätzlich zur Neigung, beim Ausschalten rückwärts zu laufen,
entladen sich Spiralkompressoren beim Ausschalten auch noch selbst.
Die Spiralen müssen in abdichtendem Kontakt gegen die durch das
komprimiert werdende Gas ausgeübten Kräfte gehalten werden.
Typischerweise werden die axialen Kräfte, die dazu neigen, die
Spiralen in Kontakt zu halten, die axiale Nachgiebigkeit, durch den
Druck des Fluids bereit gestellt, der von einer oder mehreren
Taschen, die mit dem Auslassdruck und / oder einen dazwischen
liegenden Druck bereit gestellt werden, gegen ein Spiralteil wirkt.
Die undichtigkeit der Taschen, die normalerweise mit der
Gravitationskraft zusammenwirkt, trennt die Spiralen, was
Undichtigkeit an den Spitzen der Hülle zur Folge hat, wodurch der
Kompressor Entladen wird, sofern er nicht bereits entladen ist,
unabhängig von der radialen Bewegung der Spiralen aufgrund der
Gaskräfte, die auf die Spirale wirken, oder der Gravitationskraft,
die Undichtigkeit bei den Flanken der Hülle bewirkt und dadurch den
Kompressor entladet. Demzufolge entladen sich Spiralkompressoren von
Natur aus, eine kurze Zeit nachdem sie angehalten wurden, und sie
bleiben entladen bis sie wieder gestartet werden, wobei sie einen
leichten Start haben, weil sie nicht gegen ein Druckgefälle starten
müssen. Im Gegensatz dazu entladen sich andere Kompressoren im
allgemeinen nicht von selbst, ausser dort, wo ein Rückwärtslaufen
mit seinen begleitenden Problemen stattfindet. Als Folge davon ist
es gebräuchlich, zum Beispiel Kolbehkompressoren beim Ausschalten
oder beim Starten zu entladen, um einen leichten Start zu haben.
Dieser Lösungsweg wird durch die U.S. Patente 2 039 089, 2 579 439
und 2 715 992 erläutert. Das Entladen und die Verwendung von
variabler Geschwindigkeit zur Steuerung der Leistungsfähigkeit sind
gut bekannt. Demzufolge werden Spiralkompressoren nur als Teil eines
fortlaufenden Betriebes als Antwort auf einen Befehl entladen, oder
von Natur aus, als Folge des Anhaltens des Kompressors.
Spiralkompressoren werden nicht vor dem Ausschalten, als Teil des
Ausschaltvoganges, oder beim Ausschalten, durch die Bereitstellung
einer Vorzugs-umgehungsleitung, ausgeschaltet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Neigung eines Spiralkompressors, nach dem Ausschalten rückwärts
zu laufen, wird überwunden, indem kurz vor dem Ausschalten ein Weg
für das Fluid zwischen der Auslasseite und der Ansaugseite eines
Kompressors bereit gestellt wird. Die Verbindung zwischen der
Ansaugseite und der Auslasseite wird noch für eine kurze Weile
aufrecht erhalten, nachdem der Kompressor ausgeschaltet ist. Als
Alternative dazu kann die Verbindung beim Ausschalten hergestellt
werden, wenn der Betrag des zu entspannenden Gases und der
Strömungsweg so sind, dass der Druckausgleich schnell genug
stattfinden kann. Insbesondere ist es erforderlich, dass beim Ende
der kurzen Zeitspanne, die von der umlaufenden Spirale benötigt
wird, um anzuhalten, nicht genügend Energie vorhanden ist, um die
Trägheit der umlaufenden Spirale zu überwinden und ein
Rückwärts laufen einzuleiten.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Kompressor so zu
entladen, dass für ihn beim Ausschalten keine Neigung besteht,
rückwärts zu laufen.
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Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, den Lärm beim
Ausschalten zu vermindern.
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Des weiteren ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, den
Energieverlust, aufgrund des Entladens des Kompressors als Teil des
Ausschaltvorganges, zu minimieren.
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Diese Aufgaben sowie andere, wie nachfolgend ersichtlich wird,
werden durch die vorliegende Erfindung zustande gebracht.
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Im Grunde genommen wird die Auslasseite eines Kompressors derart zur
Ansaugseite umgangen oder entladen, dass, wenn der Kompressor
ausgeschaltet wird, auf der Auslasseite nicht genügend Energie
vorhanden ist, um den Kompressor rückwärts anzutreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung
sollte nun auf die folgende detaillierte Beschreibung von ihr im
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen werden,
bei denen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems ist, das die
vorliegende Erfindung verwendet;
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Figur 2 eine schematische Darstellung einer vereinfachten
elektrischen Steuerungsschaltung ist;
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Figur 3 eine modifizierte Darstellung einer vereinfachten
elektrischen Steuerungsschaltung ist;
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Figur 4 eine detaillierte Darstellung der Mikroprozessor-Steuerung
von Figur 3 ist;
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Figur 5 eine graphische Darstellung ist, welche die Betriebsabfolge
des Thermostaten, des umgehungsventils und des Kompressors zeigt;
und
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Figur 6 eine geschnittene Teilansicht eines Spiralkompressors ist,
die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der Figur 1 zeigt die Zahl 10 im allgemeinen ein Kühlsystem oder
eine Klimaanlage an. Der Kompressor 12 ist ein Rotationskompressor,
wie ein Schraubenkompressor oder ein Spiralkompressor, der dazu
neigen wird, nach dem Ausschalten, wenn der Druck im System 10 dazu
neigt, sich über den Kompressor 12 auszugleichen, rückwärts zu
laufen. Der Kühlkreislauf umfasst in einer seriellen Anordnung die
vier Grundelemente, die namentlich aus dem Kompressor 12, dem
Verflüssiger 16, der Expansionsvorrichtung 18 und dem Verdampfer 20
bestehen. Zusätzlich, wie es gebräuchlich ist, wo der Kompressor
fähig ist, beim Ausschalten rückwärts zu laufen, ist ein
Kontrollventil 14 bei einem Punkt zwischen dem Auslass des
Laufwerkes des Kompressors 12 und dem Verflüssiger 16 angeordnet.
Das Kontrollventil 14 kann innerhalb des Gehäuses des Kompressors 12
angeordnet sein, wie im gewöhnlich übertragenen U.S. Patent
4 904 165 offenbart wird. Das oben beschriebene System ist im
allgemeinen konventionell, und wenn der Verdampfer 20 die innen
liegende Kühlschlange ist, wird der Raum gekühlt, wogegen, wenn der
Verflüssiger 16 die innen liegende Kühlschlange ist, der Raum
geheizt wird. Die vorliegende Erfindung fügt eine Umgehungsleitung
mit Ventilen hinzu, die von der Auslasseite des Kompressors 12 bei
einem Punkt stromaufwärts des Kontrollventils 14 zur Ansaugseite des
Kompressors 12 bei einem Punkt stromabwärts des Verdampfers 20 geht.
Die umgehungsleitung mit Ventilen kann aussen am Kompressor 12, wie
in der Figur 1 dargestellt, oder innerhalb des Kompressors, wie in
der Figur 6 dargestellt, angebracht sein.
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Der Betrieb des Kompressors 12, und dadurch des Systems 10, reagiert
über die Steuerungsschaltung 30, die einen Mikroprozessor (nicht
dargestellt) einschliesst, auf den Thermostaten 40.
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Beim Betrieb des Kühlsystems 10 wird der Kompressor 12 als Antwort
auf ein Bedürfnis nach Kühlung, das durch den Thermostaten 40
gemessen wird, gestartet, und liefert gasförmiges Kühlmittel mit
einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zum Verflüssiger 16, wo
das Kühlmittel Wärme abgibt und kondensiert. Das flüssige
Kühlmittel, das durch die Expansionsvorrichtung 18 geht, wird
teilweise schnell verdampft und geht zum Verdampfer 20, wo das
restliche flüssige Kühlmittel Wärme aufnimmt und verdampft. Das
gasförmige Kühlmittel kehrt zum Kompressor 12 zurück, um den
Kreislauf zu vollenden. Wenn der Thermostat 40 befriedigt ist,
bewirkt die Steuerungsschaltung 30, dass der Kompressor 12
ausgeschaltet wird.
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Die vorliegende Erfindung fügt, wie oben erwähnt, eine
Umgehungsleitung mit Ventilen hinzu, die, wie in der Figur 1
dargestellt, eine Umgehungsleitung 22 umfasst, die von der
Auslassleitung 13 zur Ansaugleitung 21 geht und ein normalerweise
geschlossenes Magnetventil 24 enthält. Diese Änderung liefert einen
anderen Strömungsweg, um den Druck im System 10 anders als durch den
Kompressor 12 hindurch, mit dem zugehörigen Rückwärtslaufen des
Kompressors 12, auszugleichen. Insbesondere wird im Zusammenhang mit
dem Anhalten des Kompressors 12 das normalerweise geschlossene
Magnetventil 24 geoffnet, was einen direkten Stromungsweg zwischen
der Auslassleitung 13 an einem Punkt stromaufwärts des
Kontrollventils 14 und der Ansaugleitung 21 liefert. Das Öffnen des
Ventils 24 stellt somit eine Umgehungsströmung her, die den
Kompressor 12 entladet, ohne dass eine Strömung durch das Laufwerk
nötig ist. Insbesondere mit Bezug auf die Figur 6 würde das Laufwerk
die feste Spirale 101 und die umlaufende Spirale 102 umfassen.
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In Bezug insbesondere auf die Figur 2 ist zu bemerken, dass der
Kompressor 12 über die Leitungen L&sub1; und L&sub2; mit der Stromquelle 50
verbunden ist und einen Spulenkontakt C für den Nulleiter, einen
Spulenkontakt R zum Laufen und einen Spulenkontakt 5 zum Starten
hat. Der Kontakt C ist mit der Leitung L&sub1; verbunden und die Kontakte
5 und R sind mit der Leitung L&sub2; verbunden. Der Schaltschütz 32 des
Kompressors ist in der Leitung L&sub1; angeordnet und umfasst die
normalerweise offenen Kontakte 32-1 und 32-2. Die Spule 24-1 des
Magnetventils 24 ist quer über die Kontakte 32-1 und 32-2 verbunden.
Die Spule 34 wird, als Antwort auf ein Bedürfnis nach Kühlung, das
durch den Thermostaten 40 gemessen wird und bewirkt, dass die
Kontakte 40-1 und 40-2 geschlossen werden, aus dem Transformatoren
70 gespeist. Indem die Kontakte 40-1 und 40-2 geschlossen werden,
wird die Spule 34 gespeist, was bewirkt, dass die Kontakte 32-1 und
32-2 geschlossen werden, was wiederum bewirkt, dass der Kompressor
12 läuft. Solange die Kontakte 32-1 und 32-2 geschlossen sind, weist
der parallele Weg, der die Spule 24-1 des Elektromagneten enthält,
einen zu grossen Widerstand für die Speisung der Spule 24-1 auf.
Wenn der Thermostat 40 befriedigt ist, öffnen sich die Kontakte 40-1
und 40-2 und die Spule 34 wird in einen offenen Schaltkreis
gebracht, was bewirkt, dass sich die Kontakte 32-1 und 32-2 öffnen.
Mit den offenen Kontakten 32-1 und 32-2 wird noch immer ein
zusammenhängender Schaltkreis in serieller Anordnung durch die
Leitung L&sub1;, die Spule 24-1 des Elektromagneten, den Kontakt C, den
Kontakt R und die Leitung L&sub2; definiert. Diese serielle Schaltung ist
fähig, die Spule 24-2 des Elektromagneten zu speisen und dadurch das
Ventil 24 sowie die umgehungsleitung 22 zu öffnen, aber sie ist
nicht fähig, den Kompressor 12 anzutreiben.
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Beim Betrieb der Ausführungsform aus der Figur 2 wird das Ventil 24
zur gleichen Zeit geöffnet, zu welcher der Kompressor 12 angehalten
wird, und dies erfordert einen sehr schnellen Druckausgleich, um ein
Rückwärtslaufen zu verhindern. Das Volumen des Gases mit hohem Druck
stromaufwärts des Kontrollventils 14, der Querschnitt und die Länge
der Umgehungsleitung für den Strömungsweg sowie die Druckdifferenz
zwischen dem Ansaug und dem Auslass haben alle einen Einfluss auf
die Ausgleichszeit.
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In der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 wird eine
Mikroprozessorsteuerung 60 über den Transformatoren 70 gespeist, und
sie bezieht das Öffnen des Magnetventils 24 auf das Ausschalten des
Kompressors 12. Die Mikroprozessoreinheit, MPU, ist sowohl mit dem
Thermostaten 40, der Spule 62 und der Spule 64, als auch, über den
Transformatoren 70, mit der Stromquelle 50 verbunden. Wie in der
Ausführungsform der Figur 2 sind die Kontakte 32-1 und 32-2
geschlossen, wenn die Spule 34, als Antwort auf die Messung des
Erfordernisses nach Kühlung oder Heizung durch den Thermostaten 40
und dem daraus folgenden Schliessen der Kontakte 40-1 und 40-2,
gespeist wird. Insbesondere speist die MPU, wenn die Kontakte 40-1
und 40-2 geschlossen sind, die Spule 62, was bewirkt, dass die
Kontakte 60-1 und 60-2. geschlossen werden, wodurch die Spule 34
gespeist wird, die ihrerseits bewirkt, däss die Kontakte 32-1 und
32-2, welche über die Leitungen L&sub1; und L&sub2; den Kompressor 12 mit der
Stromquelle 50 verbinden, geschlossen werden.
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Wenn der Thermostat 40 befriedigt ist, wird eine Abfolge gestartet,
die durch die graphische Darstellung der Figur 5 dargestellt wird.
Insbesondere sind die Kontakte 32-1 und 32-2 geschlossen, wenn der
Kompressor läuft. Nachdem der Thermostat 40 befriedigt wird, öffnen
sich die Kontakte 40-1 und 40-2. Die MPU stellt fest, dass sich die
Kontakte 40-1 und 40-2 geöffnet haben, was bewirkt, dass die MPU
eine Zeitverzögerung für eine Periode t&sub0; einleitet. Nach dem
Zeitintervall t&sub0; bewirkt die MPU, dass der Strom zur Spule 64
eingeschaltet wird, was bewirkt, dass die Kontakte 60-3 und 60-4
geschlossen werden. Wenn die Kontakte 60-3 und 60-4 geschlossen
sind, wird der Strom zur Spule 24-1 des Elektromagneten
eingeschaltet, was bewirkt, dass sich das Magnetventil 24 öffnet und
dass über das Ventil 24 eine Verbindung für die Umgehung oder die
Entladung zwischen der Auslassleitung 13 / Auslasskammer 113 und der
Ansaugleitung 21 / Ansaugkammer 121 hergestellt wird. Nachdem eine
Zeitspanne tl verstrichen ist, schaltet die MPU den Strom zur Spule
62 aus, was bewirkt, dass die Kontakte 60-1 und 60-2 geöffnet
werden, was wiederum bewirkt, dass der Strom zur Spule 34
ausgeschaltet wird, wodurch bewirkt wird, dass sich die Kontakte
32-1 und 32-2 öffnen und der Kompressor 12 anhält, während das Ventil
24 offen bleibt. Nachdem eine zusätzliche Zeitspanne, t&sub2;, verstrichen
ist, schaltet die MPU den Strom zur Spule 64 aus, was bewirkt, dass
die Kontakte 60-3 und 60-4 geöffnet werden, was wiederum bewirkt,
dass der Strom zur Spule 24-1 ausgeschaltet wird und das Ventil 24
geschlossen wird. Es ist zu bemerken, dass die Spule 24-1 nur
während einem Zeitintervall von t&sub1; plus t&sub2; gespeist wird, und dass
die Umgehung oder das Entladen vor dem Ausschalten des Kompressors
12 eingeleitet wird und für ein kurzes Zeitintervall t&sub2; nach dem
Ausschalten des Kompressors 12 weiter geht.
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Es gibt optimale Zeitintervalle, die als Resultat zur Folge haben»
dass ein korrekter Schutz gegen ein Rückwärtslaufen erreicht wird
bei einer minimalen Verringerung des saisonalen Energieeffizienz-
Verhältnisses, SEER, des Systems. Das Zeitintervall t&sub1; ist die Zeit,
während der das Ventil 24 geöffnet ist, bevor der Strom zum Motor
des Kompressors ausgeschaltet wird. Wenn t&sub1; zu kurz ist, wird sich
der Kompressor 12 - rückwärts drehen, was Lärm erzeugt und
möglicherweise Probleme bei der Zuverlässigkeit verursacht, wenn
genügend Energie verfügbar ist. Wenn dieses Intervall jedoch zu lang
ist, wird die Undichtigkeit der Hochdruckseite zur Tiefdruckseite
hin als Resultat zur Folge haben, dass die Verhältnisse SEER des
Systems wesentlich verkleinert werden, weil der Kompressor 12 laufen
wird, ohne irgendwelche nützliche Arbeit zu verrichten. Es wurde
festgestellt, dass die optimale Länge von t&sub1; zwischen 100 ms und
2 000 ms liegt. Das Zeitintervall t&sub2; ist das Zeitintervall, zwischen
dem der Strom zum Kompressor 12 ausgeschaltet wird und das Ventil 24
geschlossen wird. Im Falle eines elektrisch zu betätigenden
Umgehungsverfahrens, wie zum Beispiel beim Magnetventil 24, wird die
während dem Zeitintervall t&sub2; verbrauchte elektrische Energie das SEER
des Systems verkleinern. Es ist deshalb wünschenswert, die Länge von
t&sub2; zu minimieren. Die Länge von t&sub2; muss jedoch genügend gross sein,
um zu verhindern, dass der Ausgleich vom Hochdruck zum Tiefdruck
durch die Spiralelemente hindurch stattfindet. Wenn t&sub2; zu kurz ist,
wird sich der Kompressor 12 während dem Ausschalten noch rückwärts
drehen. Es wurde ein optimales Intervall vom 1 500 ms bis 10 000 ms
für die elektrisch zu betätigenden Umgehungsanordnung festgestellt.
Für ein nicht elektrisch zu betätigendes Umgehungsverfahren muss das
Intervall t&sub2; lange genug dauern, um zu erlauben, dass die
Druckdifferenz von der Hochäruckseite zur Tiefdruckseite auf ein
genügend tiefes Niveau fällt, so dass kein Rückwärtslaufen
stattfinden kann, wenn das Ventil erneut geschlossen wird. Obwohl es
bei einem Spiralkompressor für einen leichten Start nicht benötigt
wird, könnte es in einer mechanisch zu betätigenden Konstruktion dem
Umgehungsventil erlaubt werden, dass es offen bleibt, bis der
Kompressor 12 erneut gestartet wird, weil während dem
Ausschaltzyklus des Kompressors keine elektrische Energie durch das
Umgehungsventil verbraucht würde. Das minimale Zeitintervall für t&sub2;
beträgt für ein mechanisch zu betätigendes Verfahren 1 500 ms.
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In Bezug nun auf die Figur 6 besteht der grösste Unterschied
gegenüber der Anordnung der Figur 1 darin, dass das Magnetventil 24
innerhalb des Gehäuses des Kompressors 12 angeordnet ist und eher
den Anschluss 122 in der Trennplatte 112 steuert als die
Umgehungsleitung 22. Die Anordnungen der Steuerung der Figuren 2 - 4
wären auch geeignet für die Verwendung mit der Ausführungsfbrm der
Figur 6.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
dargestellt und beschrieben wurden, können Fachmänner andere
Änderungen vornehmen. Es ist deshalb beabsichtigt, dass der Rahmen
der vorliegenden Erfindung nur durch den Rahmen der Patentansprüche
im Anhang begrenzt wird.