DE69310275T2

DE69310275T2 - Spiralverdichter mit Flüssigkeitseinspritzung

Info

Publication number: DE69310275T2
Application number: DE69310275T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Caillat; Karl Wang
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1993-06-09
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2013-06-10
Also published as: DE69310275D1; EP0579374B1; EP0754861A3; KR100300158B1; EP0579374A1; DE69330685D1; KR940005893A; US5329788A; DE69330685T2; EP0754861A2; JPH06294390A; US5447420A; EP0754861B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Spiralverdichter und insbesondere einen Spiralverdichter, bei dem flüssiges Kältemittel in einer Zwischenstufe des Verdichtungszyklus eingespritzt werden kann, um auf diese Weise die Überhitzung einzuschränken.
Spiralverdichter sind bekanntlich äußerst effizient, zuverlässig und geräuscharm bei Anwendungen, wo Kältemittel verdichtet wird. Wie alle Verdichter können sie jedoch in bestimmten Fällen hoher Belastung leicht überhitzt werden.
In einem normalen Kältekreislauf wird Dampf in einen Verdichter eingesaugt, wo er auf einen höheren Druck verdichtet wird. Der verdichtete Dampf wird abgekühlt und in einem Kondensator zu einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit kondensiert, die sich dann, normalerweise durch ein Expansionsventil auf einen niedrigeren Druck entspannt und in einem Verdampfer verdampft wird, um auf diese Weise Wärme einzuziehen und so die gewünschte Kühlwirkung zu liefern. Der unter relativ niedrigem Druck stehende entspannte Dampf, der den Verdampfer verläßt, wird wieder in den Verdichter eingesaugt, und der Zyklus beginnt von neuem. Der Vorgang des Verdichtens des Dampfes läßt den Dampf arbeiten und führt zu einem beachtlichen Anstieg der Dampftemperatur. Während ein großer Teil dieser Wärme anschließend während des Kondensationsprozesses an die Atmosphäre abgegeben wird, wird ein Teil der Wärme auf die Bauteile des Verdichters übertragen. Je nach dem speziellen verdichteten Kältemitteldampf und den Druckverhältnissen bei diesem Vorgang kann dieser Wärmeübergang dazu führen, daß die Temperatur der Bauteile des Verdichters auf einen Wert ansteigt, der zur Überhitzung des Verdichters führen kann, was zu einer Verschlechterung der Leistung und auch der Schmierung des Verdichters und somit zu einer möglichen Beschädigung des Verdichters führt.
Um Problemen bezüglich der Überhitzung zu begegnen, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um gasförmiges oder flüssiges Kältemittel unter Druck in die Ansaugöffnung eines Verdichters einzuspritzen, wo es sich entspannt und den Einlaßdampf und die Verdichtungskammer abkühlt. Zwei derartige Systeme sind offenbart und näher beschrieben in US-A-5,076,067 und 4,974,427, deren Offenbarungen hier ausdrücklich mit einbezogen werden. Das Einspritzen von Kältemittel in die Einlaßöffnung des Verdichters hat jedoch den Nachteil, daß es die Verdichterleistung herabsetzt, indem es die auf der Ansaugseite des Kältekreislaufs in den Verdichter eingesaugte Nettomenge an Kältemittel herabsetzt. Um diese Leistungseinschränkung zu minimieren, wurden Systeme entwickelt, die Thermostate oder andere Wärmegeber mit Ventileinrichtungen verwenden, die das Einspritzen von Kältemittel auf die Zeiten beschränken, wo die Verdichtertemperatur auf eine bestimmte voreingestellte Temperatur ansteigt, wie dies bei ungewöhnlich hoher Belastung der Fall ist. Andere Methoden zur Steuerung der Menge der eingespritzten Flüssigkeit umfassen die Bereitstellung von Kapillarröhrchen oder Wärmeausdehnungsventilen. Diese Vorrichtungen sind zwar einfach und relativ kostengünstig, lassen aber bekanntlich überschüssiges Kältemittel von der unter hohem Druck stehenden Auslaßseite in die unter relativ niedrigem Druck stehende Einlaßseite des Verdichters entweichen, so daß es möglicherweise verstärkt zu Problemen wegen Überflutung kommt. Wenn der Verdichter abgeschaltet wird, kann es außerdem sein, daß unter hohem Druck stehendes Kältemittel weiter durch diese Vorrichtungen bis zu dem normalerweise unter niedrigem Druck stehenden Einlaß des Verdichters gelangt, was die Möglichkeit entstehender Probleme noch erhöht.
Bei einem weiteren bekannten System wird die Auslaßtemperatur dadurch herabgesetzt, daß flüssiges Kältemittel an einem Punkt mit mittlerem Druck direkt in die Pumpkammer eingespritzt wird. Der Nachteil eines solchen Systems liegt darin, daß es sehr genaue, wiederholt einsetzbare und langlebige Thermostatvorrichtungen sowie zuverlässige und langlebige Regelventile erfordert. Außerdem ist eine beachtliche zusätzliche Bearbeitung erforderlich.
Die EP-A-0 479 421 offenbart einen Spiralverdichter für ein Kältemittel zur Verwendung in einem herkömmlichen Kältekreislauf und mit einer Flüssigkeitskühlung für den Kältemittelverdichter, umfassend:
(a) erste und zweite Spiralelemente mit jeweils einer Endplatte, die auf einer Seite mit einer Spiralwicklung versehen ist, wobei die Spiralelemente so angeordnet sind, daß die Wicklungen ineinander eingreifen, so daß dann, wenn eines der Spiralelemente in bezug auf das andere der Spiralelemente auf einer Umlaufbahn bewegt wird, die Wicklungen wandernde Fluidverdichtungskammern bilden, die sich von einer relativ großen Größe beim Ansaugdruck zu einer relativ kleinen Größe beim Enddruck verändern;
(b) eine Fluidvorspannkammer, die dicht schließend in bezug auf die gegenüberliegende Seite von einer der Endplatten angeordnet ist; und
(c) erste Kanaleinrichtungen in der einen Endplatte, um die Vorspannkammer mit dem Fluid in einer der Verdichtungskammern an einer Stelle in Fluidverbindung zu bringen, wo das verdichtete Fluid einen Druck zwischen dem Ansaugdruck und dem Enddruck besitzt, so daß das Fluid mit diesem mittleren Druck bewirkt, daß das eine Spiralelement mit der einen Endplatte gegen das andere Spiralelement vorgespannt wird, um diese besser gegeneinander abzudichten.
Im Vergleich zu dem in EP-A-0 479 421 offenbarten Verdichter ist der Verdichter der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß er eine zweite Kanaleinrichtung umfaßt, die die Vorspannkammer in Fluidverbindung mit dem flüssigen Kältemittel in dem Kreislauf bringt, wenn der Verdichter gekühlt werden muß.
Bei den nachfolgend beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen dieser Vorrichtung werden die obengenannten Nachteile der bekannten Systeme zum Einspritzen von Flüssigkeit mit Hilfe eines Systems überwunden, das sich selbst reguliert und daher die mit Thermostatregelsystemen verbundene Komplexität ausschaltet und die Einspritzung eines flüssigen Kältemittels in eine bei vielen Spiralverdichtern vorhandene Kammer ermöglicht, die immer angrenzend an und in Fluidverbindung mit einer Zwischenstufe des Verdichters angeordnet ist; d.h. mit der mittleren axialen Vorspannkammer zur Verbesserung der Abdichtung der Spiralspitzen. Außerdem ist eine Verengung vorgesehen, um den Druck der eingespritzten Flüssigkeit auf ungefähr den Druck der mittleren Stufe des Verdichters zu reduzieren. In den hier beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen bewirkt der Anstieg oder Abfall des Drucks in der mittleren Stufe des Verdichters in Abhängigkeit von Anstieg oder Abfall des Ansaugdruckes und damit des Druckunterschieds im Verdichter die automatische Regulierung der eingespritzten Menge an flüssigem Kältemittel, so daß ausreichend Flüssigkeit für die Kühlung des Verdichters bereitgestellt wird, ohne daß es zu einer Überflutung kommt. Des weiteren ist in den Ausführungsformen ein einfaches optionales Ventil vorgesehen, das bei Betätigung des Verdichters in Betrieb gesetzt wird, um zu verhindern, daß Fluid in den Verdichter gelangt, wenn dieser nicht in Betrieb ist. Die Ausführungsformen sehen auch die Verwendung von jeweils zwei Entlüftungsöffnungen (symmetrisch oder vorzugsweise nicht symmetrisch) für das Einspritzen von flüssigem Kältemittel vor, ohne daß es zu irgendeiner Art von akialer Vorspannung des mittleren Drucks kommt. Der Begriff "Flüssigkeitseinspritzung" wird hier verwendet, um anzugeben, daß flüssiges Kältemittel an einem Punkt unterhalb des Kondensators entnommen wird, in Wirklichkeit aber ein kleiner Teil dieser Flüssigkeit verdampft, wenn sie zu dem bzw. in den Verdichter fließt, so daß in Wirklichkeit ein zweiphasiges Fluid (Flüssigkeit und Dampf) in den Verdichter eingespritzt wird. Dies ist von Dampfeinspritzsystemen zu unterscheiden, wo reiner Dampf von einem Wärmetauscher oder einer Unterkühlungsvorrichtung gewonnen und mit mittlerem Druck in den Verdichter eingeleitet wird.
Theoretisch hat die Flüssigkeitseinspritzung in eine unter mittlerem Druck stehende Verdichtungskammer zur Kühlung des Abgases keinen thermodynamischen Vorteil (oder Nachteil). Da ein real existierendes System theoretisch nicht perfekt ist, wurde andererseits festgestellt, daß gewisse Unzulänglichkeiten bei der Wärmeübertragung in der Tat bei dem Verdichter- Überhitzungsverfahren reduziert werden, wenn flüssiges Kältemittel eingespritzt wird, und dadurch kann eine Erhöhung der Effizienz um 2 bis 4 Prozent erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich in einzigartiger Weise für die Bereitstellung einer Kühlung durch Einspritzung von flüssigem Kältemittel in die unter mittlerem axialem Druck stehenden Vorspannkammern auf der Seite der nichtumlaufenden Spirale oder auf der Seite der umlaufenden Spirale des Verdichters, und/oder durch in unregelmäßigen Abständen angeordnete Entlüftungsöffnungen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung offensichtlich; darin zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische vertikale Schnittansicht eines Verdichters, der das Flüssigkeitseinspritzsystem der vorliegenden Erfindung verkörpert, wobei die Einspritzung auf der Seite der nichtumlaufenden Spirale des Verdichters erfolgt;
Fig. 2 eine Vergrößerung eines Teils von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebauten Kältesystems, wobei die Einspritzung auf der Seite der nichtumlaufenden Spirale des Verdichters erfolgt;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, die jedoch die vorliegende Erfindung veranschaulicht, wobei die Einspritzung auf der Seite der umlaufenden Spirale des Verdichters erfolgt;
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die jedoch die vorliegende Erfindung veranschaulicht, wobei die Einspritzung auf der Seite der umlaufenden Spirale des Verdichters erfolgt;
Fig. 6 eine teilweise ausgeschnittene, fragmentarische Schnittansicht der Spiralelemente gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die bevorzugte Lage der Entlüftungsöffnungen in dem nichtumlaufenden Spiralelement veranschaulicht ist
Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 6, in der die Erfindung jedoch in bezug auf das umlaufende Spiralelement dargestellt ist;
Fig. 8 eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 6, in der jedoch eine alternative Lage für eine der Entlüftungsöffnungen gezeigt ist; und
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 7, in der jedoch eine alternative Lage für eine der Entlüftungsöffnungen im Zusammenhang mit der umlaufenden Spirale gezeigt ist.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere mit Bezug auf Fig. 1 ist ein spiralartiger hermetisch versiegelter Kältemittelverdichter 10 dargestellt. Der Verdichter 10 umfaßt ein äußeres hermetisch versiegeltes Gehäuse 12 mit einer Ansaugöffnung 14 in einem Seitenwandabschnitt desselben und eine Auslaßöffnung 16 in einem Abdeckelement 18, welches das obere Ende des Gehäuses 12 abschließt. Geeignete Einlaß- und Auslaßanschlüsse 20 bzw. 22 sind an den jeweiligen Öffnungen 14 und 16 befestigt, um den Verdichter an ein Kältesystem anzuschließen. Die Flüssigkeitseinspritzanordnung der vorliegenden Erfindung ist bei 70 dargestellt, befestigt an dem Abdeckelement 18 und sich durch dieses hindurch erstreckend.
Ein Spiralverdichter ist in dem Gehäuse 12 angeordnet und umfaßt umlaufende und nichtumlaufende Spiralelemente 24 bzw. 26, eine Antriebswelle 28, die drehbar auf einem Lagergehäuse 30 gelagert ist, wobei die Antriebswelle einen Exzenterbolzen 32 an ihrem oberen Ende aufweist, der mit dem umlaufenden Spiralelement 24 gekoppelt ist, das diesen in üblicher Weise über eine Muffe 29 in Umlauf bringt. Ein Antriebsmotor ist in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 12 angeordnet und umfaßt einen auf dem Gehäuse 12 gelagerten Ständer 34 und einen auf der Antriebswelle 28 gelagerten Läufer 36. Die Spiralelemente 24 und 26 umfassen Endplatten 37 und 39, von denen ineinander verzahnte Spiralwicklungen 38 bzw. 40 ausgehen, die allgemein als Evolvente eines Kreises definiert sind und wandernde Fluidtaschen mit veränderlichem Volumen bilden, wenn das Spiralelement 24 in bezug auf das Spiralelement 26 umläuft. Eine Ansaugöffnung 42 des Verdichters ist in dem nichtumlaufenden Spiralelement 26 ausgebildet, damit Sauggas in den Verdichter gelangen kann, und es ist ein mittiger Auslaßkanal 44 vorgesehen, der mit einer Auslaßdämpfungskammer 46 verbünden ist, die zwischen dem Abdeckelement 18 und der über das Gehäuse 12 hinausragenden Trennwand 48 ausgebildet ist. Außerdem ist eine Oldham-Kupplung 50 vorgesehen, die in üblicher Weise dazu dient, eine relative Drehung zwischen den Spiralelementen 24 und 26 zu verhindern.
In dieser Ausführungsform ist der Spiralverdichter 10 so ausgelegt, daß das nichtumlaufende Spiralelement 26 auf einen mittleren Druck gegen das umlaufende Spiralelement 24 vorgespannt wird, um eine bessere Abdichtung zu gewährleisten. Diese Anordnung sowie die Art der Befestigung der beiden Spiralelemente, die Oldham-Kupplung und der elastische Antriebsmechanismus sind ausführlich beschrieben in US-A-4,877,382, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist das nichtumlaufende Spiralelement 26 mit einer ringförmigen Vertiefung 52 ausgebildet. Am Boden der ringförmigen Vertiefung 52 ist bei bestehenden Verdichtern von Klimaanlagen eine Entlüftungsöffnung 54 (Fig. 6) in der Endplatte 39 im Bereich der (konkaven) Innenseite der Wicklung 40 ausgebildet, die eine Fluidverbindung mit einer mittleren Verdichtungsstufe in dem Verdichter herstellt. Die Trennwand 48 ist des weiteren mit einem ringförmigen Vorsprung 58 versehen, der dicht schließend in die ringförmige Vertiefung 52 eingreift, so daß eine mittlere Vorspannkammer 60 gebildet wird. Das nichtumlaufende Spiralelement 26 ist so angeordnet, daß eine begrenzte axiale Verschiebung in bezug auf die Trennwand 48 in der in der obengenannten US-A-4,877,382 beschriebenen Weise möglich ist. Da die mittlere Vorspannkammer 60 immer über die Öffnung 54 mit den spiralförmigen Verdichtungskammern in Fluidverbindung steht, hat der Druck in der Kammer 60 natürlich im Durchschnitt einen mittleren Wert, d.h. irgendwo zwischen dem Ansaugdruck und dem Auslaßdruck. Dieser Druck wird jedoch in Abhängigkeit von den Druckänderungen in den Verdichtungskammern, mit denen er durch die Öffnung 54 verbunden ist, leicht schwanken. Infolgedessenkommt es durch die Öffnung 54 zu einem Auf und Ab, wenn der Verdichter einen vollen Zyklus durchläuft. Dieser Druck wirkt auf den ringförmigen Vorsprung 58 und die ringförmige Vertiefung 52, so daß das nichtumlaufende Spiralelement 40 gegen das umlaufende Spiralelement 38 gedrückt wird, um die axiale Versiegelung an den Spitzen zu verbessern. Eine Vielzahl von ringförmigen Dichtungen 62 ist vorgesehen, um ein Entweichen von mittlerem Druck in die und aus der Auslaßkammer 46 zu verhindern. Mit Ausnahme der Einspritzanordnung 70 ist die bisher beschriebene Vorrichtung im Stand der Technik bekannt bzw. Gegenstand anderer Patentanmeldungen dieser Anmelderin.
Wenngleich die Verwendung einer einzigen Öffnung 54 zur Verwendung bei der Flüssigkeitseinspritzung der vorliegenden Erfindung ausreichend ist, sollten vorzugsweise zwei symmetrisch angeordnete Entlüftungsöffnungen 54 und 56 in der Endplatte 39 vorgesehen werden, um die Flüssigkeit in der mittleren Verdichtungskammer gleichmäßiger zu verteilen. Die Entlüftungsöffnungen 54 und 56 sind insoweit symmetrisch, als sie auf parallelen Linien angeordnet sind, die tangential zum Erzeugungskreis 57 der Wicklung 40 verlaufen, und die Öffnung 56 ist im Bereich der äußeren (konvexen) Seite der Wicklung 40 angeordnet. Falls es erwünscht ist, eine einzige Entlüftungsöffnung zur Flüssigkeitseinspritzung zu verwenden, dann sollte alternativ vorzugsweise die Öffnung 56 verwendet werden, die auf der Außenflanke der nichtumlaufenden Spiralwicklung liegt, da dies für eine mehr gerichtete Belastung der Oldham-Kupplung sorgen wird. Als weitere Alternative sollte, falls nichtsymmetrisch angeordnete Entlüftungsöffnungen verwendet werden sollen, die Entlüftungsöffnung auf der Innenseite der nichtumlaufenden Spiralwicklung vorzugsweise etwas weiter von der Ansaugöffnung weg angeordnet sein, beispielsweise bei 55 in Fig. 9. Bei dieser Anordnung wären die beiden Entlüftungsöffnungen dann 55 und 56. Alle Entlüftungsöffnungen in allen Ausführungsformen müssen von der Eintrittsstelle für das Sauggas immer um mindestens eine Wicklung getrennt sein.
Insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 umfaßt nun die Flüssigkeitseinspritzanordnung 70 ein äußeres im wesentlichen zylindrisches rohrförmiges Element 72, in dem ein einstückiger Schulterabschnitt 74 untergebracht ist, der an seinem inneren Ende 75 ausgebildet ist, und einen sich verjüngenden Abschnitt 76, der mit seinem äußeren Ende 77 zu einem Anschluß 79 für die Kältemittelleitung führt. Das innere Ende 75 ist in ein enges Sackloch 78 in der Trennwand 48 eingesetzt, und die Schulter 74 ist mit der Trennwand 48 verschweißt, um eine auslaufsichere innere Abdichtung zu bilden. Der äußere Abschnitt des Elements 72 ist in geeigneter Weise durch einen angeschweißten Kragen 73 an dem Abdeckelement 18 befestigt, um eine auslaufsichere Abdichtung zu bilden. Der Innendurchmesser des Elements 72 ist von der Höhe des Kragens 73 aus nach unten größer, so daß ein wärmeisolierender Zwischenraum 82 zwischen ihm und einem darin angeordneten Einspritzrohr 86 und ein Preßsitz im oberen Ende des Elements 72 entsteht. Das Einspritzrohr 86 ragt mit seinem unteren Ende 89 in eine in der Trennwand 48 am Boden der Bohrung 78 ausgebildete Bohrung 90, so daß eine Fluidverbindung zwischen der Einspritzanordnung 70 und der mittleren Vorspannkammer 60 entsteht. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich wird, dient der Raum 82 zur Isolierung des Einspritzrohres 86 gegen das erwärmte verdichtete Kältemittel, das durch den Auslaßkanal 44 in die Dämpfungskammer 46 abgelassen wird. Die vorgesehene Isolierung soll verhindern, daß eingespritzte Flüssigkeit verkocht, bevor sie in die mittlere Vorspannkammer 60 eingespritzt wird, was die Kühlleistung reduzieren würde. Vorzugsweise befindet sich der Großteil des in die mittlere Verdichtungskammer eingespritzten Kältemittels immer noch in der flüssigen Phase. Wenn eine einzige Entlüftungsöffnung verwendet wird, ist das Einspritzrohr 86 vorzugsweise radial und am Umfang angeordnet, so daß es axial mit der Entlüftungsöffnung fluchtet.
Wenn andererseits ein Paar von Entlüftungsöffnungen verwendet wird, befindet sich das Einspritzrohr 86 vorzugsweise an einem Punkt in der Mitte zwischen den Entlüftungsöffnungen, so daß es zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Strömung zu jeder und durch jede Öffnung kommt.
Die Funktionsweise des Flüssigkeitseinspritzsystems der vorliegenden Erfindung wird am besten verständlich anhand der in Fig. 3 gezeigten Schemadarstellung des Kältesystems. Der Verdichter 10 umfaßt eine Gasauslaßleitung 92, die mit einem Auslaßanschluß 22 verbunden ist, um einen Kondensator 94 mit unter hohem Druck stehendem Kältemittel zu versorgen. Eine Flüssigkeitsleitung 96 geht von dem Kondensator 94 aus und verzweigt sich in eine normale Durchflußleitung 98 und eine Flüssigkeitseinspritzleitung 100. Zur Vervollständigung der allgemeinen Funktionsweise des Kältekreislaufs befördert die Leitung 98 unter relativ hohem Druck stehendes, kondensiertes flüssiges Kältemittel zu einem Expansionsventil 102, wo es zu einer unter relativ niedrigem Druck stehenden Flüssigkeit und Dampf ausgedehnt wird. Die Leitung 104 befördert die unter niedrigem Druck stehende Flüssigkeit und den Dampf zu dem Verdampfer 106, wo die Flüssigkeit verdampft, wodurch Wärme absorbiert und die gewünschte Kühlwirkung erzeugt wird. Schließlich transportiert eine Gasrücklaufleitung 108 den unter niedrigem Druck stehenden Kältemittel dampf zu der Ansaugöffnung des Verdichters 10.
Zur Kühlung des Verdichters 10 zieht die Flüssigkeitseinspritzleitung 100 einen Teil des unter relativ hohem Druck stehenden flüssigen Kältemittels von dem allgemeinen Kältekreislauf ab. Eine Drossel 110 ist vorgesehen, um die Menge der abgezogenen Flüssigkeit auf eine für die Kühlung des Verdichters bei hoher Last ausreichende Menge zu begrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Drossel 110 ein vorgeeichtes Kapillarröhrchen. Es versteht sich jedoch, daß die Drossel 110 auch eine geeichte Öffnung oder eine regelbare, schraubenartige Drossel sein kann. Die abgezogene Flüssigkeit wird dann durch eine Leitung 112 über ein Absperrventil 114 zu der Flüssigkeitseinspritzanordnung 70 transportiert, wo die Flüssigkeit in den Verdichter 10 eingespritzt wird, um die Kühlung zu bewirken. Das Ventil 114 wird parallel zur Betätigung des Verdichters betätigt, um den Fluidstrom zu ermöglichen, und es schließt, wenn der Verdichter abgeschaltet wird, um zu verhindern, daß flüssiges Kältemittel in den Verdichter entweicht, was zu einer Überflutung führen würde.
Nun wird beschrieben, wie die Kühlung erfolgt. Bekanntlich wird bei einem Spiralverdichter der Dampf mit einem Einlaßbzw. Ansaugdruck eingesaugt, worauf sein Druck durch die Wirkung der Spiralen, die immer kleinere und kleinere Verdichtungskammern bilden, auf verschiedene mittlere Druckwerte erhöht wird, und schließlich wird er mit relativ hohem Auslaßdruck abgelassen. Bei dieser Anordnung ist der mittlere Druck im allgemeinen eine direkte Funktion des Ansaugdruckes, und der Auslaßdruck ist eine Funktion der Umgebungsbedingungen. Wenn die auf den Kältekreislauf wirkende Last zunimmt, steigt auch der Druckunterschied im Verdichter an. Dies führt wiederum dazu, daß der Druckunterschied zwischen der mittleren Verdichtungskammer und dem Kondensator ansteigt, so daß der Strom von flüssigem Kältemittel von dem Kondensator zu dem Verdichter zu Kühlzwecken ansteigt. Mit abnehmender Last nimmt auch der gesamte Druckunterschied ab, und der Unterschied zwischen dem Kondensator und der mittleren Verdichterkammer nimmt ebenfalls ab, so daß der Strom von flüssigem Kältemittel zu dem Verdichter verringert wird. Diese Druckänderungen stellen daher vorteilhafterweise ein Mittel zur Selbstregulierung der Kühlung des Verdichters durch Einspritzung von Flüssigkeit dar. Es versteht sich, daß die Drossel 110 so ausgelegt sein sollte, daß unter hoher Last (d.h. bei der schlimmsten erwarteten Temperatur oder bei den schlimmsten Druckverhältnissen) der Widerstand der Drossel 110 in Kombination mit dem Widerstand der Entlüftungsöffnung(en) derart ist, daß eine ausreichende Menge Flüssigkeit eingespritzt wird, um eine ausreichende Kühlung des Verdichters zu ermöglichen. Mit abnehmender Last wird auch die Menge der eingespritzten Flüssigkeit abnehmen, da das Druckverhältnis insgesamt abfällt. Die vorliegende Erfindung stellt eine selbstregulierende Vorrichtung zur automatischen Kühlung eines Spiralverdichters bereit, bei der eine axiale Vorspannung auf einen mittleren Druck und/oder in einzigartiger Weise angeordnete Entlüftungsöffnungen verwendet werden.
Es versteht sich jedoch, daß dieses System auch zur Steuerung durch einen Thermostat oder eine verstellbare Öffnung (anstelle der Drossel 110) geeignet ist, die auf die Auslaß temperatur anspricht, wenngleich die Verwendung derartiger Steuerungen einige der Vorteile des vorliegenden Systems schmälern würde.
Mit Bezug auf Fig. 4 und 5 ist ein Verdichter 10' bzw. ein schematischer Kältekreislauf einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wo flüssiges Kältemittel auf der umlaufenden Seite des Verdichters 10' eingespritzt wird (d.h. dort, wo das umlaufende Spiralelement durch mittleren Druck axial vorgespannt wird und nicht das nichtumlaufende Spiralelement). Die gestrichenen Bezugszeichen dienen zur Kennzeichnung derjenigen Teile der vorliegenden Ausführungsform, die die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist das nichtumlaufende Spiralelement 26' einstückig mit der Trennwand 48' ausgebildet, um deren axiale Bewegung zu verhindern. Wie am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist, besitzt das umlaufende Spiralelement 24' Entlüftungsöffnungen 54' und 56', die darin in der gleichen Weise und zu demselben Zweck ausgebildet sind wie in den vorherigen Ausführungsformen, um eine Fluidverbindung zwischen einer mittleren Stufe des Verdichters 10' und der Oberseite des Lagergehäuses 30' herzustellen, in dem eine ringförmige Nut 120 ausgebildet ist, die mit einer axialen Bohrung 122 in Verbindung steht, die wiederum in geeigneter Weise mit der Flüssigkeitseinspritzleitung 112' verbunden ist, um flüssiges Kältemittel zu einer mittleren Verdichtungskammer zu transportieren. Eine mittlere axiale Vorspannkammer 60' ist zwischen ringförmigen Nuten 124 und 126 ausgebildet, in denen ringförmige Dichtungen 128 bzw. 130 angeordnet sind, um ein Entweichen von unter mittlerem Druck stehendem Fluid in das Verdichtergehäuse 12' zu verhindern. Unter mittlerem Druck stehendes Fluid in der Kammer 60' wirkt über die Entlüftungsöffnungen 54' und 56' zwischen der Oberseite des Lagergehäuses 30' und der Unterseite des Spiralelements 24', um letzteres axial gegen das nichtumlaufende Spiralelement 26' vorzuspannen, um die Abdichtung an den Spitzen zu verbessern.
Die Entlüftungsöffnungen 54', 55' und 56' verlaufen durch die Endplatte 37' des umlaufenden Spiralelements und befinden sich in einer entsprechenden Position wie die Entlüftungsöffnungen der ersten Ausführungsform, außer daß nun die Öffnung 54' im Bereich der (konvexen) Außenseite der Wicklung 38' und die Öffnung 56' im Bereich der (konkaven) Innenseite der Wicklung 38' angeordnet ist, wobei die Öffnung 55' etwas weiter vom Ansaugbereich entfernt ist als die Öffnung 54'. Die bevorzugte Wahl sind Entlüftungsöffnungen 54' und 56', die insoweit symmetrisch sind, als sie auf parallelen Linien angeordnet sind, die tangential zum Erzeugungskreis 57' der Wicklung 38' verlaufen. Falls eine einzige Entlüftungsöffnung zur Flüssigkeitseinspritzung verwendet werden soll, dann wird alternativ bevorzugt, die Öffnung 56' zu verwenden, da dies zu einer mehr gerichteten Belastung der Oldham-Kupplung führt. Falls nichtsymmetrisch angeordnete Entlüftungsöffnungen verwendet werden sollen, wird als weitere Alternative bevorzugt, die Entlüftungsöffnung auf der Außenseite der umlaufenden Spiralwicklung etwas weiter weg von der Ansaugöffnung anzuordnen, beispielsweise bei 55' in Fig. 9. Wie zuvor, müssen alle Entlüftungsöffnungen in allen Ausführungsformen von der Eintrittsstelle für das Sauggas immer um mindestens eine Wicklung getrennt sein.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der Auslaßdampf über die Leitung 92' zu dem Kondensator 94' befördert. Ein Teil der den Kondensator 94' verlassenden, unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit wird dann von dem Kältekreislauf abgezogen, wobei die jeweilige Menge über die Drossel 110' gesteuert wird. Dieser abgezogene Teil der Flüssigkeit wird dann durch das Absperrventil 114' zu dem Verdichter 10' geleitet, und zwar über die Leitung 1121, die in geeigneter Weise mit der in dem Lagergehäuse 30' ausgebildeten Bohrung 122' verbunden ist. Diese Anordnung bringt vorteilhafterweise eine selbstregulierende Kühlung für einen Spiralverdichter, wobei sie in genau der gleichen Weise funktioniert wie bei der ersten Ausführungsform. Für diese Ausführungsform gelten auch die gleichen optionalen Steuerungsverfahren.
In der Ausführungsform von Fig. 8 sind alle Funktionsprinzipien die gleichen, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß die unter mittlerem Druck stehende axiale Vorspannkammer 60" teilweise durch eine darin angeordnete schwimmende Dichtung 200 begrenzt wird. Diese Konstruktion ist ausführlich beschrieben und dargestellt in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen Nr. 07/841,251, eingereicht am 24. Februar 1992, deren Offenbarung hier mit einbezogen wird. Aufgrund des Vorhandenseins der schwimmenden Dichtung 200 ist es nicht möglich, eine Einspritzanordnung zu verwenden, wie sie in Verbindung mit den zuvor beschriebenen ersten Ausführungsformen erläutert wurde. Infolgedessen wird bei dieser Ausführungsform flüssiges Kältemittel zu der Kammer 60" über die Fluidleitung 112" zurücktransportiert, die sich durch einen geeigneten Anschluß 202 in das Gehäuse 12" und von da in einen Kanal 204 erstreckt, der mit der Kammer 60" in Verbindung steht. Auch wenn sich die nichtumlaufende Spirale 26" sehr wenig in axialer Richtung bewegt, ist die Fluidleitung 112" flexibel genug, um eine solche Bewegung zuzulassen. Falls gewünscht, kann eine geeignete Dichtung 206 zwischen dem nichtumlaufenden Spiralelement und der Fluidleitung 112" vorgesehen werden. In jeder anderen Hinsicht funktioniert diese Ausführungsform in genau der gleichen Weise wie die hierin beschriebene erste Ausführungs form.

Claims

1. Spiralverdichter (10, 10') für ein Kältemittel zur Verwendung in einem herkömmlichen Kältekreislauf und mit einer Flüssigkeitskühlung für den Kältemittelverdichter, umfassend:

(a) erste und zweite Spiralelemente (24, 26, 24', 26') mit jeweils einer Endplatte (37, 39), die auf einer Seite mit einer Spiralwicklung (38, 40) versehen ist, wobei die Spiralelemente so angeordnet sind, daß die Wicklungen ineinander eingreifen, so daß dann, wenn eines der Spiralelemente in bezug auf das andere der Spiralelemente auf einer Umlaufbahn bewegt wird, die Wicklungen wandernde Fluidverdichtungskammern bilden, die sich von einer relativ großen Größe beim Ansaugdruck zu einer relativ kleinen Größe beim Enddruck verändem;

(b) eine Fluidvorspannkammer (60, 60'), die dicht schließend in bezug auf die gegenüberliegende Seite von einer der Endplatten (39) angeordnet ist; und

(c) erste Kanaleinrichtungen (54, 56, 54', 56') in der einen Endplatte (39), um die Vorspannkammer (60, 60') mit dem Fluid in einer der Verdichtungskammern an einer Stelle in Fluidverbindung zu bringen, wo das verdichtete Fluid einen Druck zwischen dem Ansaugdruck und dem Enddruck besitzt, so daß das Fluid mit diesem mittleren Druck bewirkt, daß das eine Spiralelement (26, 24') mit der einen Endplatte (39) gegen das andere Spiralelement (24, 26') vorgespannt wird, um diese besser gegeneinander abzudichten; dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter des weiteren folgendes umfaßt:

(d) eine zweite Kanaleinrichtung (112, 112'), die die Vorspannkammer (60, 60') in Fluidverbindung mit dem flüssigen Kältemittel in dem Kältekreislauf bringt, wenn der Verdichter gekühlt werden muß.

2. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 1, bei dem das eine der Spiralelemente ein umlaufendes Spiralelement (24') ist.

3. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 1, bei dem das eine der Spiralelemente ein nichtumlaufendes Spiralelement (26) ist.

4. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kanaleinrichtung (112, 112') eine Drosseleinrichtung (110, 110') umfaßt, die die zu dem Verdichter geleitete Menge Kältemittel begrenzt.

5. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 4, bei dem die Drosseleinrichtung ein Kapillarröhrchen (110, 110') umfaßt.

6. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem die Drosseleinrichtung (110, 110') flüssiges Kältemittel nur dann zu dem Verdichter fließen läßt, wenn der Druck in der Vorspannkammer (60, 60') einen Wert besitzt, der darauf hindeutet, daß der Verdichter gekühlt werden muß.

7. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kanaleinrichtung (112, 112') ein Absperrventil (114, 114') besitzt, mit dem bei Bedarf der Strom von Kältemittel zu dem Verdichter gesperrt wird.

8. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 7, bei dem das Absperrventil (114, 114') schließt, wenn der Verdichter abgeschaltet wird, und öffnet, wenn der Verdichter eingeschaltet wird.

9. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kanaleinrichtung (112) eine Isoliereinrichtung (82) umfaßt, die verhindert, daß flüssiges Kältemittel, welches zu der Vorspannkammer (60) geleitet wird, durch die Umgebung des Verdichters zu sehr aufgeheizt wird.

10. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 9, bei dem die Isoliereinrichtung eine Anordnung ist, welche folgendes umfaßt: ein Einspritzrohr (86) mit einem mit der Vorspannkammer (60) in Fluidverbindung stehenden ersten Ende und einem mit dem Kältekreislauf in Fluidverbindung stehenden zweiten Ende, und einem Hülsenelement (72), in dem das Einspritzrohr (86) mit einem Zwischenraum (82) zwischen dem Hülsenelement und dem Einspritzrohr angeordnet ist, um letzteres gegen die von dem Verdichter produzierte Wärme zu isolieren.

11. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Kanaleinrichtung (54, 56, 54', 56) ein Paar Entlüftungsöf fnungen umfaßt, die in der Endplatte (39) von einem der Spiralelemente (26, 24') ausgebildet sind.

12. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 11, bei dem die zweite Kanaleinrichtung in der Mitte zwischen dem Paar Entlüftungsöffnungen angeordnet ist.

13. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 11, bei dem das Paar Entlüftungsöffnungen (54, 56, 54', 56') symmetrisch angeordnet ist, d.h. auf parallelen Linien tangential zu dem Kreis, auf dem sich die Spiralwicklung bewegt.

14. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 11, bei dem das Paar Entlüftungsöffnungen (55, 56, 55?, 56') nichtsymmetrisch angeordnet ist, d.h. die Öffnungen liegen auf nichtparallelen Linien tangential zu dem Kreis der Spiralwicklung.

15. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Paar Entlüftungsöffnungen in der Endplatte (39) des nichtumlaufenden Spiralelements (26) ausgebildet sind.

16. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Paar Entlüftungsöffnungen in der Endplatte des umlaufenden Spiralelements (24') ausgebildet sind.

17. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 16, bei dem die erste der beiden Entlüftungsöf fnungen im Bereich der Außenseite der Spiralwicklung angeordnet ist, und die zweite Öffnung im Bereich der Innenseite der Spiralwicklung angeordnet ist.

18. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 17, bei dem die zweite Entlüftungsöffnung etwas weiter weg von der Ansaugöffnung des Verdichters angeordnet ist als in dem Fall, wo die Entlüftungsöffnungen symmetrisch angeordnet sind.

19. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 1, bei dem die erste Kanaleinrichtung (54, 56) eine Entlüftungsöffnung umfaßt, die in der Endplatte (39) des nichtumlaufenden Spiralelements (26) ausgebildet ist.

20. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 19, bei dem die zweite Kanaleinrichtung im wesentlichen entlang des Umfangs und radial zu der Entlüftungsöffnung ausgerichtet ist.

21. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 1, bei dem die erste Kanaleinrichtung (54', 56') eine Entlüftungsöffnung umfaßt, die in der Endplatte des umlaufenden Spiralelements (24') ausgebildet ist.

22. Spiralverdichter für ein Kältemittel nach Anspruch 21, bei dem die zweite Kanaleinrichtung im wesentlichen entlang des Umfangs und radial zu der Entlüftungsöffnung ausgerichtet ist.