DE69722146T2

DE69722146T2 - Kälteanordnung mit einem Verdichter für ein- oder mehrstufigen Betrieb mit Leistungsregelung

Info

Publication number: DE69722146T2
Application number: DE69722146T
Authority: DE
Inventors: Michael James Fabius Dormer; Bruce Alan Manlius Fraser
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: EP0845642A2; CN1188219A; KR19980063651A; JP3053379B2; MX9709349A; TW376428B; EP0845642B1; DE69722146D1; JPH10170083A; MY119339A; KR100409174B1; AR008924A1; BR9706031A; US5768901A; EP0845642A3; CN1109864C

Description

Bei Transportkühlung kann man eine Ladung haben, die eine Temperatur von –20°F (–29°C) im Fall von Speiseeis, 0°F (–18°C) im Fall von manchen gefrorenen Lebensmitteln und 40°F (4°C) im Fall von Blumen, frischen Früchten und frischem Gemüse benötigt. Ein Lastzug kann auch mehr als ein Abteil mit Ladungen, die unterschiedliche Temperaturanforderungen haben, aufweisen. Im Fall von manchen Frachtgütern, beispielsweise Früchten, Gemüse und Blumen, ist eine strenge Temperaturkontrolle notwendig, um vorzeitiges Reifen oder Blühen zu vermeiden. Zusätzlich können die angetroffenen Umgebungstemperaturen von –20°F (–29°C) oder niedriger bis 110°F (43°C) oder höher reichen. Wegen des weiten Bereichs von Umgebungstemperaturen, die auf einer einzelnen Fahrt angetroffen werden können, sowie den weit variierenden Temperaturanforderungen der Ladung, kann ein weiter Bereich von Kühlleistungsbedarf auftreten. Mehrstufige Kompressoren sind für Transportkühlanwendungen erwünscht, weil sie eine verbesserte Kühlleistung gegenüber herkömmlichen einstufigen Kompressoren gegen moderate Mehrkosten bieten. Die gegenwärtig erhältliche, mehrstufige Kompressortechnologie ist für den Endnutzer schwierig anzuwenden, da sie eine wesentliche Anzahl von äusseren Ventilen und Rohren benötigt und viele Anwendungsbeschränkungen aufweist, die notwendig sind, damit die Kompressoren verlässlich arbeiten. Das japanische Dokument 53-133, 257 beschreibt eine Mehrfach-Kompressor-Anordnung. Das US-Patent 5 577 390 von der gleichen Anmelderin bezieht sich auf einen mehrstufigen Kompressorbetrieb, und die US-Anmeldung mit der Anmelde-Nr. 08/360,483 der gleichen Anmelderin, die jetzt US-Patent 5 577 390 ist, bezieht sich auf eine Leistungskontrolle bei einem mehrstufigen Kompressor. Die US-Patente 4 938 029, 4 986 084 und 5 062 274 der gleichen Anmelderin beschreiben einen Betrieb mit reduzierter Leistung in Reaktion auf Ladungsanforderungen, wogegen das US-Patent 5 016 447 einen zweistufigen Kompressor mit Zwischenstufenkühlung beschreibt. Bei Kolbenkühlkompressoren mit mehreren Kompressionsstufen kann das Zwischendruckgas durch den Ölsumpf des Kurbelgehäuses geleitet werden. Die Verwendung dieses Ansatzes funktioniert bei Anwendungen mit niedriger Temperatur relativ gut, um den Wirkungsgrad zu steigern, jedoch ergeben sich bei Anwendungen mit mittlerer oder hoher Temperatur mehrere Probleme. Höhere Kurbelgehäusedrucke erzeugen eine niedrigere effektive Ölviskosität, erhöhte Druckscheiben-Belastungen und erhöhten Lagerbelastungen.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 718 568 A2 beschreibt ein Verfahren zur Leistungskontrolle für einen mehrstufigen Kompressor. Das US-Patent 4 947 655 bezieht sich auf ein Kühlsystem, welches mehrstufige Kompressoren verwendet.
Erfindungsgemäß wird ein Kühlsystem bereitgestellt, wie es breit in Anspruch 2 beansprucht ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Kompressor mit mehreren Zylinderanordnungen während eines Niedertemperaturbetriebs mehrstufig betrieben werden und bei einem Mitteltemperaturbetrieb oder Hochtemperaturbetrieb mit einer einzigen Stufe oder mehreren parallelen Einzelstufen betrieben werden. Zusätzlich kann ein Sparbetrieb angewendet werden, wenn sich der Kompressor im zweistufigen Betrieb befindet. Ein Schalten zwischen einem einstufigem und einem mehrstufigem Betrieb erfolgt unter der Kontrolle eines Mikroprozessors in Reaktion auf den erfassten Ansaugdruck oder Kurbelgehäusen-Ölsumpfdruck oder auf die Boxtemperatur im Falle eines Lastabfalls. Ein mehrstufiger Betrieb stellt durch die Verwendung eines Economizers und niedrigerer Druckdifferenzen über jede Stufe eine vergrößerte Leistung bereit. Ein Betrieb mit reduzierter Leistung kann durch Überbrücken der ersten Stufe zurück zum Ansaugbereich durch Anwenden einer Ansaugabschaltung in der ersten Stufe, durch Überbrücken der gesamten ersten Stufe oder durch Überbrücken der hohen Stufe erreicht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform setzt einen Sechszylinder-Kompressor voraus, der drei Anordnungen von zwei Zylindern definiert, wobei die beiden äußeren Anordnungen oder Abschlussanordnungen als Anordnungen für eine niedrige Stufe bestimmt werden können. Eine der Anordnungen für eine nied rige Stufe (LS-1) ist mit einer Zylinderkopfausgestaltung ausgestattet, die das Einleiten von Economizer-Gas in die Abgabeseite des Zylinderkopfes gestattet. Die andere Anordnung für eine niedrige Stufe (LS-2) ist mit einem Standard-Ansaugabschaltungs-Entlastungskopf ausgestattet. Die mittlere Anordnung des Kompressors ist als die hohe Stufe (HS) bestimmt und ist mit einem Zylinderkopf ausgestattet, der es dem Abgabegas von LS-2 erlaubt, zu der Ansaugseite von HS innerhalb von HS hinüber zu strömen. Es wird eine Ventilplatte verwendet, die die Strömung von Ansauggas von dem Kurbelgehäuse in die Ansaugseite von HS unterbindet.
Die vorliegende Erfindung vereinfacht bei ihrer bevorzugten Ausführungsform die Anwendung und die Kontrolle eines mehrstufigen Kompressors durch ein Leiten des Ansauggases direkt in das Kurbelgehäuse und durch das nach innen Verlagern des Leitens des Mittelstufengases. Die einzigen Rohrleitungsverbindungen zu dem Kompressor sind die herkömmlichen Ansaug- und Abgabeverbindung und eine zusätzliche Verbindung zum Einleiten von Economizer-Gas. Die einzigen zusätzlich benötigten Systemkomponenten im Vergleich mit einem normalen, einstufigen System, sind ein Economizer ein Economizer-Expansionsventil, ein Economizer-Flüssigleitungsmagnetventil und (ein) Überbrückungsleitungsventil(e).
Sechs Leistungskontrollstufen sind bei der Kompressorkonstruktion und der Systemauslegung der vorliegenden Erfindung verfügbar. Diese Stufen sind: einstufig mit zwei Zylindern/einer Anordnung, LS-1, unter Last; einstufig, wobei sowohl LS-1 als auch LS-2 unter Last sind; modifizierter mehrstufiger Betrieb, wobei die zwei Zylinder von einer Anordnung für eine niedrige Stufe, LS-1, in die Anordnung für eine hohe Stufe HS mit oder ohne aktivem Economizer pumpen; und herkömmlicher mehrstufiger Betrieb, wobei LS-1 und LS-2 mit oder ohne aktivem Economizer in HS pumpen.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung mindestens bei einer bevorzugten Ausführungsform eine vereinfachte, mehrstufige Kompressorkonstruktion bereitzustellen, die erlaubt, dass Ansauggas durch das Kurbelgehäuse geleitet wird.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung mindestens bei einer bevorzugten Ausführungsform, die Konstruktion und die Anwendung eines mehrstufigen Kompressors zur Verwendung bei transportablen und/oder stationären/kommerziellen Kühlsystemen zu vereinfachen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung mindestens bei einer bevorzugten Ausführungsform, einen Kompressor bereitzustellen, der mehrstufig oder einstufig arbeitsfähig ist, wobei ein einstufiger Betrieb eine einzige Stufe oder mehrere, parallele Einzelstufen umfasst. Diese Ziele und weitere, wie sie hierinnachstehend ersichtlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung mindestens in einer bevorzugten Ausführungsform erreicht.
Im Wesentlichen wird der Ansaugdruck oder der Kurbelgehäuse-Ölsumpfdruck und/oder die Boxtemperatur oder die Zonentemperatur erfasst, und in Reaktion dazu wird der Kompressor entweder in einem mehrstufigen oder in einem einstufigen Modus betrieben. Ein einstufiger Betrieb kann durch mehrere Anordnungen in Parallelschaltung oder durch Entlasten entweder der ersten Stufe oder der zweiten Stufe bei einem mehrstufigen Betrieb erfolgen. Ein Economizer-Betrieb kann bei einem mehrstufigen Betrieb angewendet werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, das den Kompressor der vorliegenden Erfindung anwendet.
2 ist die grundlegende schematische Darstellung des Kompressors;
3 ist eine Ansicht des Zylinderkopfes der hohen Seite; und
4 ist eine Schnittsansicht, die entlang Linie 4-4 von 3 genommen wurde.
Ein Mikroprozessor 100 übt die Gesamtkontrolle in dem Kühlsystem 10 von 1 aus. Ein Mikroprozessor 100 empfängt Zoneneingaben, die den Kühlbedarf anzeigen und startet und/oder koppelt ansprechend darauf den Verbrennungsmotor (nicht gezeigt), der einen Kompressor 12 in dem Fall eines Transport kühlsystems antreibt und dem Motor, der den Kompressor 12 in dem Fall eines stationären/kommerziellen Kühlsystems antreibt, Strom bereitstellt.
Ein Drucksensor 40 erfasst den Ansaugdruck in einem Kurbelgehäuse 14, der ein primärer Indikator des Betriebs des Kompressor 12 ist und der das Erfordernis, den Kompressor 12 mit Last zu beaufschlagen anzeigt, wenn der erfasste Druck über einem vorbestimmten Sollwert ist. In Reaktion auf den durch den Drucksensor 40 erfassten Druck und die Zoneneingaben, kontrolliert der Mikroprozessor 100 die Leistung des Kompressors 12 und dadurch das Systems 10 durch Steuern von Magnetventilen SV-1 bis SV-4. SV-1 ist normalerweise geöffnet, und SV-2 bis SV-4 sind normalerweise geschlossen. Es kann immer nur eines eines der Ventile SV-2 bis SV-4 geöffnet sein. Die Ventile SV-2 und SV-3 und die Leitungen, in denen sie sich befinden, können als redundant oder alternativ betrachtet werden, und normalerweise ist nur eines bzw. eine in einem System vorhanden.
Kolben (nicht gezeigt) werden durch den Motor (nicht gezeigt) über eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) derart angetrieben, dass sie sich hin- und her bewegen. Die Kurbelwelle befindet sich in dem Kurbelgehäuse 14, das einen Ölsumpf aufweist, der sich an dessen unterem Bereich befindet. Der Kompressor 12 hat eine Ansaugleitung 16 und eine Abgabeleitung 18, die mit dem Verdampfer 20 bzw. dem Kondensator 22 des Kühlsystems 10 verbunden sind. Ein Economizer 30 und eine Wärmeausdehnungseinrichtung, TXV, 32 sind in Reihenschaltung zwischen dem Kondensator 22 und dem Verdampfer 20 angeordnet. Die Ansaugleitung 16 umfasst das Kurbelgehäuse 14 und zweigt in eine Leitung 16-1 ab, welche die Zylinder der ersten Anordnung der niedrigen Stufe LS-1 versorgt, und in eine Leitung 16-2 ab, welche ein Ansaugunterbrechungsventil SV-1 aufweist und die Zylinder der zweiten Anordnung der niedrigen Stufe LS-2 versorgt. Ist SV-1 offen, geben die erste und die zweite Anordnung, LS-1 und LS-2, ein heißes Zwischendruck-Kühlmittelgas in einen Sammelraum M ab, der als der Ansaugsammelraum für eine hohe Stufe HS dient. Das heiße Gas mit einem hohen Druck, das von der hohen Stufe HS abgegeben wird, wird unter einem Abgabedruck P_D über eine Abgabeleitung 18 an den Kondensator 22 abgegeben. In dem Kondensator 22 gibt das heiße Kühlmittelgas Wärme an die Kondensatorluft ab, wodurch das verdichtete Gas gekühlt wird und sich der Zustand des Kühlmittels von Gas zu Flüssigkeit ändert. Ist das Magnetventil SV-4 geschlossen, strömt Flüssigkühlmittel von dem Kondensator 22 über eine Flüssigkeitsleitung 24 und einen Economizer 30, der außer Betrieb ist, zu einem Thermostatausdehnungsventil, TXV, 32. Während das flüssige Kühlmittel durch die Öffnung des TXV 32 fließt, verdampft ein Teil des flüssigen Kühlmittels in ein Gas (flash gas). Die Mischung von Flüssigkeit und gasförmigem Kühlmittel strömt über die Leitung 26 zu dem Verdampfer 20. Durch das Kühlmittel wird Wärme aus der Luft entlang des Verdampfers absorbiert, was verursacht, dass der Rest des flüssigen Kühlmittels in der Verdampferschlange 20 verdampft. Das verdampfte Kühlmittel mit einem Verdampferdruck P_EVAP strömt dann über die Ansaugleitung 16 und das Kurbelgehäuse 14 zu den Leitungen 16-1 und 16-2, welche die niedrigen Stufen LS-1 bzw. LS-2 des Kompressors 12 versorgen, um den Fluidkreislauf zu vervollständigen.
Durch Öffnen eines Magnetventils SV-4 zweigt der Mikroprozessors 100 einen Teil des flüssigen Kühlmittels der Leitung 24 in eine Abzweigleitung 24-1 ab, was ein Strömen durch den Economizer 30 ermöglicht und dadurch diesen unter der Kontrolle des TXV 34 aktiviert. Bei geöffnetem Servoventil SV-4 und geöffnetem TXV 34 wird expandiertes Kühlmittel unter einem Economizer-Druck P_ECON über die Leitung 24-1 einem Sammelraum M zugeführt, welcher den Abgabesammelraum der Anordnung LS-1 und LS-2 und den Ansaugsammelraum der Anordnung HS darstellt. Bei geöffnetem SV-1 und SV-4 wird die Maximalleistung erreicht. Ein Schließen des Magnetventils SV-1 und ein Entlasten der Anordnung LS-2 mittels Ansaugabschaltung dadurch reduziert die Gesamtleistung durch Reduzieren der Massenströmung des Systems unabhängig, ob ein Economizer-Betrieb vorliegt.
Bei geschlossenem SV-4 ist der Economizer deaktiviert, und es wird ein zweistufiger Betrieb mit reduzierter Leistung erreicht. Eine weitere Leistungsreduzierung kann durch Schließen des Magnetventils SV-1 und ein Entlasten der Anordnung LS-2 dadurch mittels Ansaugabschaltung erreicht werden. Ein reduzierter einstufiger Betrieb kann durch Öffnen von SV-2, um die erste Stufe zu überbrücken, so dass die Anordnung HS das gesamte Pumpen durchführt, oder durch Öffnen von SV-3, um die zweite Stufe zu überbrücken, erreicht werden. Bei geöffnetem SV-3 kann sowohl die Anordnung LS-1 als auch LS-2 pumpen, oder LS-2 kann durch Schließen von SV-1 entlastet werden. Wie oben angemerkt, sind SV-2 und SV-3 generell Alternativen.
Bei geöffnetem SV-4 und geschlossenem SV-1 findet ein Economizer-Betrieb statt, wobei LS-1 nach HS pumpt. LS-2 ist durch das Schließen von SV-1 abgeschaltet. Ein Entlasten von LS-2 könnte auch durch ein Überbrücken von heißem Gas erreicht werden. Das Schließen von SV-4 deaktiviert den Economizer-Betrieb.
Bei geschlossenem SV-4 und geschlossenem SV-1 und geöffnetem SV-3 findet ein einstufiger Betrieb statt, wobei LS-1 die gesamte Arbeit vollbringt. Falls SV-1 geöffnet ist, findet ein paralleler, einstufiger Betrieb statt, wobei sowohl LS-1 als auch LS-2 arbeiten.
Wie oben angemerkt, benötigt die vorliegende Erfindung einen modifizierten Zylinderkopf für die hohe Stufe HS. Man wendet sich zuerst 2 zu. Man erkennt, dass die Leitung 16-1 eine Ansaugkammer L von LS-1 versorgt und die Leitung 16-2 eine Ansaugkammer L von LS-2 versorgt. Kammern M, welche miteinander in Fluidkommunikation stehen, stellen Abgabekammern von LS-1 und LS-2 und die Ansaugkammer von HS dar. Die Kammer M von LS-2 steht mittels einer Passage 50-4 durch eine Kammer H in dem Zylinderkopf 50 von HS in Fluidkommunikation mit der Kammer M von HS. Man wendet sich jetzt 3 und 4 zu. Man erkennt, dass eine Trennwand 50-1 den Zylinderkopf 50 in die Kammer M und die Kammer N teilt. Die Ventilplatte (nicht gezeigt) arbeitet mit dem Zylinderkopf 50 zusammen, um die Kammern M und H von HS zu definieren. Um Bolzenorte unterzubringen und um den gewünschten Strömungsquerschnitt bereitzustellen, werden Einlassöffnungen 50-2 und 50-3 bereitgestellt. Die Öffnungen 50-2 und 50-3 liegen über der Passage 50-4 und korrespondierenden Öffnungen in der Ventilplatte (nicht gezeigt) von HS, die eine Fluidkommunikation mit der Kammer M von LS-2 bereitstellen. Demgemäß besteht ein Fluidpfad von der Kammer M von LS zu der Kammer M von HS, der in Serienschaltung die Öffnungen in der Ventilplatte von HS, die Öffnungen 50-2 und 50-3 und die Passage 50-4, die zu der Kammer M von HS führt, umfasst. Wie schematisch in 2 gezeigt ist, ist die Kammer M von LS-1 über einen Fluidpfad mit der Kammer M von HS verbunden, aber es bedarf nicht einer speziellen Modifikation des Zylinderkopfs 50, wie beispielsweise die Passage 50-4.

Claims

Beansprucht wird:
Kühlsystem (10) mit einem geschlossenen Kreis, der in Serie einen mehrstufigen Kompressor (12), einen Kondensator (22), einen Economizer (30), eine Expansionseinrichtung (32), einen Verdampfer (20) und eine Zweigleitung (24-1) aufweist, die mit dem geschlossenen Kreis zwischen dem Kondensator und dem Economizer verbunden ist, die einen Strömungspfad hat, der ein erstes Ventil (SV-4), eine Expansionseinrichtung (34) und den Economizer umfasst, und die mit dem Kompressor an einer Zwischenstufenstelle verbunden ist, wobei das System einen Mikroprozessor (100) zum Steuern des Systems aufweist, der auf Zoneneingaben und Systemeingaben reagiert, wobei der Kompressor aufweist: eine erste Stufe, die mindestens zwei Anordnungen (LS-1, LS-2) aufweist; eine zweite Stufe; dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor ferner aufweist: eine Einrichtung (SV-1) zum Entlasten einer der Anordnungen der ersten Stufe; eine Einrichtung (SV-2, SV-3 zum Entlasten der ersten Stufe oder der zweiten Stufe; wobei der Mikroprozessor das erste Ventil, die Einrichtung zum Entlasten einer der Anordnungen und die Einrichtung zum Entlasten entweder der ersten Stufe oder der zweiten Stufe steuert, wodurch das System einstufig, zweistufig mit oder ohne Economizer-Strömung und mit oder ohne Entlasten der einen der Anordnungen der ersten Stufe betrieben werden kann; wobei die Anordnungen der ersten Stufe Abgabekammern aufweisen und die zweite Stufe eine Ansaugkammer aufweist; wobei die zweite Stufe eine Abgabekammer aufweist und wobei die Abgabekammern der ersten Stufe und die Ansaugkammer der zweiten Stufe fluidmäßig mittels eines Strömungspfads verbunden sind, welcher sich durch die Abgabekammer der zweiten Stufe erstreckt.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Entlasten der ersten oder der zweiten Stufe die erste Stufe entlastet.
Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Entlasten der ersten oder der zweiten Stufe ein zweites Ventil aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Entlasten der ersten oder der zweiten Stufe die zweite Stufe entlastet.