DE69928055T2

DE69928055T2 - Liefermengenregelung eines Verdichters

Info

Publication number: DE69928055T2
Application number: DE69928055T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Dayton Caillat
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: KR20000017483A; ES2251158T3; USRE44636E1; EP1515047A3; CN1123695C; ES2364460T3; USRE40830E1; EP1515047A2; EP0982497A1; EP1515047B1; CN1245869A; US6206652B1; EP0982497B1; KR100555022B1; DE69928055D1; DE69943385D1

Description

Hintergrund und zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für die Modulation der Leistung eines Verdrängerverdichters, beispielsweise eines Kälteverdichters und/oder eines Klimaanlagenverdichters, und insbesondere ein System, das eine Ventilanordnung für das zyklische Sperren des Strömens von Sauggas zum Verdichter während des kontinuierlichen Antreibens des Verdichters enthält.
Die Leistungsmodulation ist häufig ein Merkmal, dessen Integrieren in Kälte- und Klimaanlagenverdichter sowie in Verdichter für anderen Anwendungen wünschenswert ist, damit diese den breiten Belastungsbereich besser bewältigen können, dem diese Verdichter enthaltende Systeme unterzogen werden können. Für das Vorsehen dieses Leistungsmodulationsmerkmals wurden viele verschiedene Strategien eingesetzt, die vom Steuern des Saugeinlassstroms, zum Beispiel durch Drosseln, bis zum Umleiten des Druckgases zurück zum Saugeinlass und auch durch verschiedene Arten von Zylinder- oder Verdichtungsvolumendurchtrittanordnungen reichen.
Bei Hubkolbenverdichtern mit mehreren Zylindern, die Sauggasregelung zur Verwirklichung der Leistungsmodulation einsetzen, ist es üblich, das Strömen zu einem oder mehreren, aber nicht allen Zylindern zu sperren. Bei Aktivierung wird die Leistung des Verdichters um einen Prozentsatz reduziert, der nominell gleich der Anzahl an Zylindern ist, zu denen ein Sauggasstrom gesperrt wurde, dividiert durch die Gesamtzahl an Zylindern. Solche Anordnungen bieten zwar unterschiedliche Grade an Leistungsmodulation, doch ist der verwirklichbare Grad an Modulation nur in relativ großen einzelnen Stufen verfügbar. Bei einem Verdichter mit sechs Zylindern zum Beispiel reduziert das Sperren des Ansaugens zu zwei Zylindern die Leistung um 1/3 bzw. 33,3%, wohingegen das Sperren des Strömens eines Sauggases zu vier Zylindern die Leistung um 2/3 bzw. 66,6% reduziert. Diese Form der Modulation in einzelnen Stufen erlaubt es nicht, die Systemleistung an die Lastanforderungsbedingungen überhaupt anzupassen, sondern erlaubt nur ein sehr grobes Annähern an die erwünschte Leistung, was entweder zu einem Leistungsüberschuss oder Leistungsmangel führt. Da Systembedingungen selten, wenn überhaupt, diesen groben Stufen der Modulation entsprechen, kann die Gesamtbetriebssystemleistungsfähigkeit nicht maximiert werden.
Verdichter, bei denen Druckgas zurück zum Saugeinlass geführt wird, bieten abhängig von der Abwandlung und Komplexität des Umleitmittels eine gewissermaßen stufenlose Leistungsmodulation. Wenn aber Druckgas zurück zum Saugeinlass geleitet wird, geht die Verdichtungsarbeit für diesen Teil des zurückgeleiteten Gases verloren, was somit zu verringerter Systemleistungsfähigkeit führt. Kombinationen der oben erwähnten Verfahren ermöglichen im Wesentlichen gewissermaßen stufenlose Leistungsmodulation bei etwas besserer Leistungsfähigkeit, können aber immer noch nicht die Fähigkeit bieten, die Verdichterleistung eng an die bediente Last anzugleichen.
Andere Ansätze, die zu einem gezielten Deaktivieren des Verdichtungsablaufs in einem oder mehreren Zylindern eines Mehrzylinderverdichters führen können, beispielsweise Zylinder-Porting, Hubänderung oder Kompressionsvolumen verändernde Verfahren, führen zu einer ähnlichen stufenweisen Modulation mit einer resultierenden Fehlanpassung zwischen Last und Leistung und leiden zusätzlich unter einem dynamischen Lastungleichgewicht und somit unter Vibration.
DE-C-0764179 offenbart ein Steuersystem für einen Luftkompressor, der ein Leerlaufventil aufweist, das geschlossen werden kann, um einen Leerlaufbetrieb (unbelastet) des Kompressors zu ermöglichen, und das geöffnet werden kann, um einen Betrieb unter Last zu ermöglichen. Der Kompressor wird beruhend auf Druck in einem von dem Kompressor gefüllten Druckbehälter zwischen der Leerlaufbetriebsart und der Lastbetriebsart umgeschaltet.
DE-A-4322398 offenbart ebenso ein Druckluftsystem, das einen von einem Verdichter gefüllten Druckbehälter umfasst, sowie die Regelung des Verdichters als Funktion des Systemdrucks.
GB-A-2116635 offenbart einen Scroll-Verdichter, der zwei Einlässe aufweist, die mit entweder elektrisch oder durch Fluiddruck betätigten Ventilen ausgestattet sind.
Die erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt einen leistungsmodulierten Verdichter nach Anspruch 1 an die Hand.
Eine zweite Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt ein Verfahren zur Modulation der Leistung eines Verdichters nach Anspruch 10 an die Hand.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Leistungsregelungsanordnung an die Hand, die eine Impulsbreitenmodulation des Strömens von Sauggas zum Verdichter einsetzt, was eine im Wesentlichen kontinuierliche Modulation der Leistung von 0% bis zu 100% bzw. volle Leistung ermöglicht. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Verdichters zu jedem Zeitpunkt exakt an die Systembelastung angepasst werden. Ferner kann in Hubkolbenverdichtern durch dieses Impulsbreitenmodulationssystem der Sauggasstrom zu jedem der Zylinder gleichzeitig geregelt werden, so dass ein unausgeglichener Betrieb des Verdichters ausgeschlossen wird.
Der impulsbreitenmodulierte Verdichter wird durch ein Steuersystem angetrieben, das beruhend auf einer gemessenen Systemlast ein Steuersignal für einen veränderlichen Arbeitszyklus liefert. Das Steuergerät kann auch die Frequenz (oder Zykluszeit) des Steuersignals regeln, um Druckschwankungen in der Kälteanlage zu minimieren. Die Einschaltzeit ist somit gleich dem Arbeitszyklus multipliziert mit der Zykluszeit, wobei die Zykluszeit die Umkehrfunktion der Frequenz ist.
Der impulsbreitenmodulierte Verdichter der vorliegenden Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen. Da die momentane Leistung des Systems problemlos durch eine Steuerung des veränderlichen Arbeitszyklus geregelt werden kann, kann ein überdimensionierter Verdichter eingesetzt werden, um bei Anlaufen und nach dem Abtauen ein schnelleres Temperaturabsenken zu erreichen, ohne wie bei herkömmlichen Verdichtersystemen unkontrollierte Schalthäufigkeit zu verursachen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das System schnell auf plötzliche Änderungen der Kondensatortemperatur- oder der Gehäusetemperatur-Sollwerte reagieren kann. Das Steuergerät passt die Leistung als Reaktion auf Störungen an, ohne instabile Schwingungen zu erzeugen und ohne signifikantes Überschreiten. Diese Fähigkeit ist bei Anwendungen von besonderem Vorteil, die das Kühlen von Vitrinen betreffen, da sie eine viel strengere Temperaturregelung in der Vitrine erlaubt, wodurch die Temperatureinstellung bei einem höheren Wert angesetzt werden kann, ohne fürchten zu müssen, dass zyklische Temperaturschwankungen die Temperaturen übersteigen, die für die bestimmten darin enthaltenen Waren als unbedenklich gelten.
Das Betreiben bei höheren Verdampfertemperaturen senkt die erforderliche Abtauenergie, da das System bei höheren Temperaturen Frost langsamer aufbaut. Dies ermöglicht auch ein Verlängern der Zeit zwischen den Abtauzyklen.
Der impulsbreitenmodulierte Verdichter liefert auch eine verbesserte Ölrückführung. Das vom System zum Verdichter zurückgeführte Ölvolumen hängt zum Teil von der Geschwindigkeit der Gasströmung zum Verdichter ab. In vielen Leistungsmodulationssystemen wird das Zurückströmen von Gas zum Verdichter bei einem relativ niedrigen Wert gehalten, wodurch das Zurückströmen von Öl verringert wird. In der vorliegenden Erfindung wechselt die Kältemittelströmung aber regelmäßig zwischen hoher Leistung und niedriger Leistung (z.B. 100% und 0%), wodurch eine vermehrte Ölrückführung aufgrund der Perioden mit Hochgeschwindigkeitsgasströmung erleichtert wird.
Ferner lässt sich das erfindungsgemäße impulsbreitenmodulierte System mit Saugsperrung relativ kostengünstig in einen Verdichter integrieren, da nur eine einzige Ventilanordnung erforderlich ist. Aufgrund der Einfachheit des Systems kann es weiterhin problemlos in eine Vielzahl von Verdichterkonstruktionen, darunter Rotations- und Scroll- sowie Hubkolbenverdichter, eingebaut werden. Da die vorliegende Erfindung ferner den Antriebsmotor weiter laufen lässt, während die Sauggasströmung moduliert wird, werden die mechanische Spannung und Beanspruchung des Motors, die sich aus periodischem Anlaufen ergeben, minimiert. Weitere Verbesserungen der Leistungsfähigkeit können durch Integrieren eines Motorsteuermoduls verwirklicht werden, das zur Steuerung seiner verschiedener Betriebsparameter dienen kann, um seine Betriebsleistungsfähigkeit während Zeiträumen zu verbessern, da die Motorlast aufgrund Entlastung des Verdichters reduziert ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Hubkolbenverdichters, der eine Vorrichtung enthält, durch welche das Strömen von Sauggas zum Verdichter erfindungsgemäß in impulsbreitenmodulierter Weise gesperrt werden kann;
2 ist ein Wellenformdiagramm, das das durch das Steuergerät erzeugte Signal des veränderlichen Arbeitszyklus sowie den Betrieb bei einer konstanten Frequenz zeigt;
3 ist ein Wellenformdiagramm des Signals des veränderlichen Arbeitszyklus, das den Betrieb bei variabler Frequenz zeigt;
4 ist eine graphische Darstellung, die die erwartete Temperaturdynamik eines die Erfindung einsetzenden Systems mit einem System herkömmlicher Auslegung vergleicht;
5 ist Ansicht ähnlich der von 1, zeigt aber einen Rotationsverdichter, der das erfindungsgemäße Impulsbreitenmodulationssystem enthält;
6 ist eine Schnittansicht des Verdichters von 5, wobei der Schnitt entlang der Linie 6-6 derselben verläuft;
7 ist eine Ansicht ähnlich der der 1 und 5, zeigt aber einen Scroll-Verdichter, der das erfindungsgemäße Impulsbreitenmodulationssystem enthält;
8 ist ein schematisches Diagramm, das das Einbeziehen eines Motorsteuermoduls zur Abwandlung eines oder mehrerer der Verdichtermotor-Betriebsparameter während Zeiten verringerter Last veranschaulicht; und
9 ist eine Schnittansicht, die allgemein eine bevorzugte Ventilanordnung für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 wird ein Hubkolben-Kälteverdichter 10 gezeigt, der einen Außenmantel 12 umfasst, in dem ein Hubkolbenverdichtergehäuse 14 angeordnet ist, an dem ein zugehöriger Antriebsmotor mit Stator 16 mit einer darin vorgesehenen Bohrung 18 angebracht ist. Ein Rotor 20 in der Bohrung 18 angeordnet, wobei er an einer Kurbelwelle 22 befestigt ist, die in dem Gehäuse 14 durch obere und untere Lager 24 bzw. 26 drehbar gelagert ist. Ein Paar Kolben 28 und 30 sind mit der Kurbelwelle 22 verbunden und sind in den Zylinder 32 bzw. 34 hin- und herbewegbar angeordnet. Eine Motorabdeckung 36 ist in darüberliegender Beziehung zu dem oberen Ende des Stators 16 befestigt und umfasst eine Einlassöffnung 38, die mit einem durch den Mantel 12 vorgesehenen Saugeinlassstutzen 40 ausgerichtet ist. Ein Saugdämpfer 44 ist an der gegenüberliegenden Seite der Motorabdeckung 36 angeordnet und dient zum Leiten von Sauggas vom Inneren der Motorabdeckung 36 über ein Saugrohr 42 und eine Kopfanordnung 46 zu den jeweiligen Zylindern 32, 34.
Der Verdichter 10 ist, soweit er bisher beschrieben wurde, ein typischer hermetischer Hubkolbenmotorverdichter und wird in dem U.S. Patent Nr. 5,015,155 eingehender beschrieben.
Eine Zweirichtungsventilanordnung 48 ist in dem Saugrohr 42 zwischen dem Saugdämpfer 44 und der Kopfanordnung 46 vorgesehen. Die Magnetventilanordnung dient zum Steuern des Strömens von Sauggas durch das Rohr 42, um dadurch die Leistung des Motorverdichters 10 zu modulieren. Nachstehend wird eine beispielhafte Ventilanordnung, die für diese Anwendung geeignet ist, eingehender beschrieben.
Zur Steuerung der Magnetventilanordnung 48 wird ein Steuermodul 50 vorgesehen, an dem ein oder mehrere geeignete Sensoren 52 angeschlossen sind. Die Sensoren 52 dienen zum Erfassen von Betriebssystembedingungen, die zur Ermittlung der Systembelastung erforderlich sind. Anhand der von den Sensoren 52 empfangenen Signale und unter der Annahme, dass die Systembedingungen anzeigen, dass eine unter der Vollleistung liegende Leistung erforderlich ist, bewirkt das Steuermodul 50 ein Pulsieren der Magnetventilanordnung 48, um abwechseln das Strömen von Sauggas durch eine Leitung 42 zu den Verdichtungszylindern 32 und 34 zuzulassen und zu verhindern, während der Motor die Kolben 28 und 30 weiter antreibt. Das durch das Steuermodul 50 erzeugte Steuersignal des veränderlichen Arbeitszyklus kann mehrere Formen annehmen. Die 2 und 3 geben zwei Beispiele. 2 zeigt das Signal des veränderlichen Arbeitszyklus, bei dem sich der Arbeitszyklus ändert, die Frequenz aber konstant bleibt. In 2 ist zu beachten, dass die durch Unterteilungsmarkierungen 53 eingezeichneten Zykluszeiten gleichmäßig beabstandet sind. 3 zeigt im Vergleich das Signal des veränderlichen Arbeitszyklus, wobei auch die Frequenz variiert. In 3 ist zu beachten, dass die Unterteilungsmarkierungen 53 nicht gleichmäßig beabstandet sind. Vielmehr weist die Wellenform Bereiche konstanter Frequenz, Bereiche zunehmender Frequenz und Bereiche abnehmender Frequenz auf. Die in 3 veranschaulichte variable Frequenz ist das Ergebnis der adaptiven Modulation der Zykluszeit zur weiteren Optimierung des Systembetriebs. Ein adaptives Modulationssteuersystem wird in der gleichzeitigen Anmeldung Nr. 08/939,779 der Patentnehmerin eingehender beschrieben.
Angesichts der Drehgeschwindigkeit des Verdichters gäbe es eine erhebliche Anzahl an Verdichtungszyklen, während denen den Verdichtungskammern kein Sauggas zugeführt werden würde. Danach würde es aber eine weitere Anzahl an Verdichtungszyklen geben, während denen den Zylindern eine voller Sauggasstrom zugeführt würde. Dadurch würde der Massenstrom im Schnitt auf einen erwünschten Prozentsatz der Volllastleistung gesenkt werden. Da der Massenstrom zu jedem Zylinder gleichzeitig gesenkt wird, wird das Betriebsgleichgewicht zwischen den jeweiligen Zylindern gewahrt, wodurch die Möglichkeit vermehrter Vibration vermieden wird. Weiterhin führt diese gepulste Art der Leistungsmodulation zu abwechselnden Zeiträumen, während denen der Antriebsmotor entweder bei Volllast oder bei wesentlich reduzierter Belastung arbeitet. Dadurch ist es möglich, weitere Vorrichtungen zu integrieren, um einen oder mehrere der Betriebsparameter des Motors während des Zeitraums des Betriebs bei verminderter Last zu verändern, wodurch die Leistungsfähigkeit des Systems, wie nachstehend eingehender erörtert wird, weiter verbessert wird.
4 stellt graphisch die Vorteile dar, die die vorliegende Erfindung bei der Wahrung einer strengeren Temperaturregelung, zum Beispiel in einer gekühlten Aufbewahrungsvitrine, bieten kann. Zu beachten ist, wie die Temperaturkurve 55 der Erfindung eine erheblich geringere Schwankung aufweist als die entsprechende Temperaturkurve 57 eines herkömmlichen Steuergeräts.
Beachtet werden sollte, dass die Ventilanordnung 48 in gepulster Weise zwischen offenen und geschlossenen Stellungen betätigt wird, um die erwünschte Leistungsmodulation zu bieten. Vorzugsweise ist die Zykluszeitdauer erheblich kürzer als die Zeitkonstante der Systemlast, die typischerweise in dem Bereich von etwa einer bis mehreren Minuten liegen kann. In einer bevorzugten Ausführung kann die Zykluszeit sogar um das 4- bis 8-fache kürzer sein als die thermische Zeitkonstante der Last oder sogar größer. Die thermische Zeitkonstante des Systems kann als Länge der Zeit definiert werden, die der Verdichter laufen muss, damit das System die Last von einer oberen Grenztemperatur, bei der das System so eingestellt ist, dass es einschaltet, hinunter zu einem Punkt, bei dem der Verdampferdruck einen unteren Grenzwert, bei dem der Verdichter abgeschaltet wird, erreicht, kühlen kann. Im Einzelnen wird in einer typischen Kälteanlage ein Strömen von verdichtetem Fluid zu dem Verdampfer durch ein auf Temperatur ansprechendes Magnetventil gesteuert, und der Betrieb des Verdichters wird als Reaktion auf den Verdampferdruck gesteuert. Wenn die Temperatur in dem gekühlten Raum einen vorbestimmten oberen Grenzwert erreicht, öffnet daher in einem typischen Zyklus das Magnetventil, was verdichtetes Fluid zu dem Verdampfer strömen lässt, um das Kühlen des Raums aufzunehmen. Wenn das verdichtete Fluid weiter zu dem Verdampfer strömt und Wärme absorbiert, steigt der Druck in dem Verdampfer auf einen Punkt, bei dem der Verdichter betätigt wird. Wenn die Temperatur in den gekühlten Räumen einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht, wird das Magnetventil geschlossen, wodurch ein weiteres Strömen von verdichtetem Fluid zu dem Verdampfer gestoppt wird, der Verdichter arbeitet aber weiter, um den Verdampfer abzupumpen. Wenn der Druck in dem Verdampfer einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht, wird der Verdichter abgeschaltet. Dadurch ist die tatsächliche Laufzeit des Verdichters die thermische Zeitkonstante der Last.
Durch Verwendung dieses impulsbreitenmodulierten Systems mit Saugsperre ist es möglich, die Verdichterlaufzeiten zu optimieren, was gegenüber herkömmlichen Leistungsmodulationssystemen die Anzahl an Ein-/Auszyklen minimiert und eine ausgezeichnete Last-Leistungs-Anpassung und eine hervorragende Temperaturregelung für den zu kühlenden Bereich zusammen mit verbesserter Gesamtsystemleistungsfähigkeit bietet. Wie in 4 dargestellt wird, erlaubt der erfindungsgemäße Verdichter mit impulsbreitenmodulierter Leistung gegenüber herkömmlichen Leistungsmodulationssystemen eine äußerst strenge Temperaturregelung. Bei Einsatz bei Kälteanlagen erlaubt diese strenge Temperaturregelung das Einstellen der durchschnittlichen Betriebstemperatur bei einem Wert, der dem oberen annehmbaren Temperaturgrenzwert näher kommt, während bei herkömmlichen Systemen die durchschnittliche Betriebstemperatur um einiges unter dem oberen annehmbaren Temperaturgrenzwert eingestellt werden muss, um die größeren Temperaturschwankungen zu vermeiden, die darin durch Überschreiten dieses oberen annehmbaren Grenzwerts auftreten. Die Verwendung einer höheren durchschnittlichen Betriebstemperatur führt nicht nur zu erheblichen direkten Energiekosteneinsparungen, sondern die höhere durchschnittliche Betriebstemperatur hält auch den Taupunkt des umschlossenen Raums bei einem höheren Wert, wodurch die Frostbildung stark reduziert wird. Bei Einsatz bei Klimaanlagen lässt der erfindungsgemäße impulsbreitenmodulierte Verdichter analog das Regeln der Temperatur des klimatisierten Raums in einem viel kleineren Bereich als bei herkömmlichen Systemen zu, wodurch die Behaglichkeit der sich in diesem Raum aufhaltenden Personen stark verbessert wird. Ferner kann dieses Leistungsmodulationssystem sogar bei Luftkompressoranwendungen vorteilhaft eingesetzt werden. Aufgrund der Fähigkeit des Verdichters, der Last sehr genau zu folgen (was bei Luftkompressoranwendungen das Volumen der bei einem erwünschten Druck verwendeten Luft ist), ist es möglich, die Größe des Druckbehälters stark zu reduzieren, wenn nicht gar ganz auf ihn zu verzichten. Ferner können bei Klimaanlagenanwendungen weitere Energieeinsparungen verwirklicht werden, weil sich der Verdichter der Last sehr genau anpassen kann. Dies führt zu niedrigeren Kondensationstemperaturen und somit Drücken, was bedeutet, dass der Druck, gegen den der Verdichter arbeitet, niedriger ist.
Bei den meisten Klimaanlagen- und Kälteverdichtern dient der Sauggasstrom zum Kühlen des Motors vor der Verdichtung. Da bisherige Leistungsmodulationssysteme mit Saugsperre so arbeiten, dass sie ein Strömen von Sauggas zur Verdichtungskammer verhindern, kann der Verdichter über längere Zeit nicht in einer Betriebsart mit verringerter Leistung betrieben werden, ohne dass sich der Verdichtermotor überhitzt. Die vorliegende Erfindung bietet aber den weiteren Vorteil einer starken Reduzierung dieser Überhitzungsmöglichkeit, da das relativ kühle Sauggas den Zylindern auf der Basis schnell wechselnder Beanspruchung zugeführt wird. Dies ermöglicht es solchen Verdichtern, über erheblich längere Zeiträume bei reduzierter Leistung zu arbeiten, was auch zu ihrer Fähigkeit beiträgt, eine strengere Temperaturregelung der zu kühlenden Räume auf kontinuierlicher Basis sowie verminderte Frostbildung in Niedrigtemperatur-Kälteanwendungen zu bieten.
Bei der Ermittlung der erwünschten Zyklusfrequenz sowie der Dauer des Arbeitszyklus oder des Zeitraums, in dem dem Verdichter Sauggas zugeführt werden soll, ist es im Allgemeinen wünschenswert, erst eine Zykluszeit zu wählen, die so lang wie möglich ist, aber dennoch Saugdruckschwankungen minimiert. Als Nächstes wird der Arbeitszyklus ermittelt, der hoch genug ist, um der Last zu entsprechen. Offensichtlich stehen der Arbeitszyklus und die Zykluszeit in Wechselverbindung, und es müssen auch andere Faktoren bei deren Auswahl berücksichtigt werden. Während es zum Beispiel wünschenswert ist, die Zykluszeit so lang wie möglich zu halten, kann sie nicht so lang sein, dass der Zeitraum, in dem das Strömen von Sauggas unterbrochen wird, zu einer übermäßigen Erhitzung des Verdichtermotors führt.
Während das erfindungsgemäße Leistungsmodulationssystem vorstehend unter Bezug auf einen Hubkolbenverdichter mit mehreren Zylindern beschrieben wurde, ist es gleichermaßen auch auf andere Arten von Verdichtern übertragbar, beispielsweise auf einen Rotations- oder Scroll-Verdichter. Ein Rotationsverdichter, der das erfindungsgemäße Leistungsmodulationssystem enthält, wird in den 5 und 6 veranschaulicht und unter Bezug auf diese beschrieben, und ein Scroll-Verdichter, der dieses aufweist, wird unter Bezug auf 7 gezeigt und beschrieben.
Wie in 5 gezeigt wird, umfasst ein hermetischer Rotationsverdichter 54 einen Außenmantel 56, in dem eine Verdichteranordnung und ein Antriebsmotor 58 mit einem Stator 60 und einem Rotor 62 angeordnet ist. Der Rotor 62 ist durch eine Kurbelwelle 66, welche wiederum durch obere und untere Lager 68 und 70 drehend gelagert wird, drehend gelagert und an dieser befestigt. Ein Verdichtungsrotor 72 ist an der Kurbelwelle 66 exzentrisch angebracht und dafür ausgelegt, von dieser angetrieben zu werden. Der Verdichtungsrotor 72 ist in einem in einem Gehäuse 76 vorgesehenen Zylinder 74 angeordnet und wirkt mit einer Schaufel 78 zusammen, um durch einen Einlasskanal 80 in den Zylinder 74 gesaugtes Fluid zu verdichten. Der Einlasskanal 80 ist mit einem in dem Mantel 56 vorgesehenen Saugstutzen 82 verbunden, um dem Verdichter 54 Sauggaszufuhr zu bieten. Soweit er bisher beschrieben wurde, ist der Rotationsverdichter 54 typisch für Kälte- und Klimaanlagenverdichter.
Um das erfindungsgemäße Impulsbreitenleistungsmodulationssystem in den Rotationsverdichter 54 zu integrieren, wird eine im Mantel 56 und zwischen dem Saugstutzen 82 und dem Sauggasströmweg 80 angeordnete Ventilanordnung 84 vorgesehen. Der Betrieb der Ventilanordnung 84 wird durch ein Steuermodul 86 gesteuert, das Signale von einem oder mehreren Sensoren 88 empfängt, die die Systembetriebsbedingungen anzeigen.
Der Betrieb der Ventilanordnung 84, des Steuermoduls 86 und der Sensoren 88 ist im Wesentlichen identisch zu dem vorstehend beschriebenen Betrieb der Ventilanordnung 84, die unter der Steuerung des Steuermoduls 86 arbeitet, um zyklisch zu öffnen und zu schließen, wodurch das Strömen von Sauggas in den Zylinder 74 moduliert wird. Wie bei Verdichter 10 können sowohl die Zyklusfrequenz als auch die relative Dauer der offenen und geschlossenen Teile des Zyklus durch das Steuermodul 86 als Reaktion auf Systembetriebsbedingungen verändert werden, wodurch die Systemleistungsfähigkeit maximiert und die Leistung zu jeder erwünschten Leistung zwischen null Last und Volllast verändert werden kann.
7 zeigt einen Scroll-Verdichter 144, der eine Verdichteranordnung 146 und einen Antriebsmotor 148 aufweist, die beide in einem hermetischen Mantel 150 angeordnet sind.
Die Verdichteranordnung 146 umfasst ein Hauptlagergehäuse 152, das in einem äußeren Mantel 150 befestigt und von diesem gelagert wird, ein orbitierendes Scrollelement 154, das am Lagergehäuse 152 beweglich gelagert ist, sowie ein nicht orbitierendes Scrollelement 156, das an dem Lagergehäuse 152 axial beweglich befestigt ist. Die Scrollelemente 154 und 156 umfassen jeweils Endplatten 158 und 160, von denen sich verzahnte Spiralwicklungen 162 und 164 nach außen erstrecken. Die Spiralwicklungen 162 und 164 bilden zusammen mit den Endplatten 158 und 160 sich bewegende Fluidtaschen 166, 168 aus, die an Größe abnehmen, wenn sie sich als Reaktion auf eine relative Orbitalbewegung zwischen den Scrollelementen 154 und 156 von einer radial äußeren Position zu einer radial inneren Position bewegen. In den sich bewegenden Fluidtaschen 166, 168 verdichtetes Fluid wird durch einen zentral angeordneten Ablasskanal 170, der in dem nicht orbitierenden Scrollelement 156 vorgesehen ist, in eine Druckkammer 172 abgelassen, die durch den oberen Teil des hermetischen Mantels 150 und eine Dämpferplatte 174 gebildet wird, und wird danach über einen Ablassstutzen 176 dem System zugeführt. Ferner ist eine Oldham-Kupplung vorgesehen, die zwischen den Scrollelementen 154 und 156 wirkt, um eine relative Drehung zwischen diesen zu verhindern.
Ferner ist eine Antriebswelle 180 vorgesehen, die in dem Lagergehäuse 152 drehend gelagert ist und mit ihrem einen Ende mit dem orbitierenden Scrollelement 154 antreibend gekoppelt ist. Ein Motorrotor 182 ist an der Antriebswelle 180 befestigt und wirkt mit dem Motorstator 184 zusammen, um die Antriebswelle 180 drehend anzutreiben. Der Scroll-Verdichter 144, so wie er bisher beschrieben wurde, ist typisch für Scroll-Verdichter und bewirkt, dass zu verdichtendes Fluid, das über den Einlass 186 in den hermetischen Mantel 150 strömt, über den in dem nicht orbitierenden Scrollelement 156 vorgesehenen Saugeinlass 188 in die sich bewegenden Fluidtaschen gesaugt wird, verdichtet dieses und lässt das verdichtete Fluid in die Druckkammer 172 ab.
Um das Impulsbreitenleistungsmodulationssystem in den Scroll-Verdichter 144 zu integrieren, wird eine in darüberliegender Beziehung zu dem Saugeinlass 188 positionierte Ventilanordnung 190 vorgesehen, um das Strömen von zu verdichtendem Fluid in jeweilige sich bewegende Fluidtaschen 166 und 168 gezielt zu steuern. Der Betrieb der Ventilanordnung 190 wird in im Wesentlichen gleicher Weise wie vorstehend beschrieben durch das Steuermodul 192 als Reaktion auf Signale gesteuert, die von einem oder mehreren Sensoren 194 empfangen werden. Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung zwar unter Bezug auf einen Scroll-Verdichter gezeigt und beschrieben wurde, bei dem der hermetische Mantel sich im Wesentlichen bei Saugdruck befindet, sie aber auch problemlos in andere Arten von Scroll-Verdichter integriert werden kann, zum Beispiel solche, bei denen das Innere sich bei Ablassdruck befindet oder bei denen beide Scrollelemente um radial versetzte Achsen drehen.
Wie nun gewürdigt werden kann, ist das erfindungsgemäße gepulste Leistungsmodulationssystem äußerst gut für eine Vielzahl von Verdichtern geeignet und ist beim Vorsehen eines vollen Modulationsbereichs bei relativ geringen Kosten äußerst effektiv. Es sollte beachtet werden, dass das erfindungsgemäße gepulste Leistungsmodulationssystem bei Bedarf für eine bestimmte Anwendung auch mit einem der anderen bekannten Typen von Leistungsmodulationssystemen kombiniert werden kann.
In den obigen Ausführungen ist beabsichtigt, dass der Verdichter weiter angetrieben wird, während er sich in einem entlasteten Zustand befindet. Offensichtlich ist die zum Antreiben des Verdichters erforderliche Leistung, wenn dieser entlastet ist (es findet keine Verdichtung statt) beträchtlich niedriger als die erforderliche Leistung, wenn der Verdichter voll belastet ist. Dementsprechend kann es erwünscht sein, weitere Steuermittel vorzusehen, die dazu dienen, die Motorleistungsfähigkeit während dieser Zeiträume des Betriebs bei verringerter Last zu verbessern.
Eine solche Ausführung wird schematisch in 8 gezeigt, welche einen Motorverdichter 90 umfasst, der von der oben unter Bezug auf 1, 5 und 6 oder 7 beschriebenen Art sein kann und eine Magnetventilanordnung aufweist, die mit einer Saugleitung verbunden ist, die dazu dient, das Strömen von Sauggas in den Verdichtungsmechanismus gezielt zu sperren. Die Magnetventilanordnung soll durch ein Steuermodul 92 als Reaktion auf durch Sensoren 94 erfasste Systembedingungen gesteuert werden. Das System, so weit es bisher beschrieben wurde, stellt eine schematische Veranschaulichung einer der oben beschriebenen Ausführungen dar. Um die Leistungsfähigkeit des Antriebsmotors während des Betriebs bei verringerter Last zu verbessern, wird auch ein Motorsteuermodul 96 vorgesehen, das über eine Leitung 98 mit dem Verdichtermotorschaltkreis und über eine Leitung 100 mit dem Steuermodul 92 verbunden ist. Es wird erwogen, dass das Motorsteuermodul 96 als Reaktion auf ein Signal von dem Steuermodul 92, welches anzeigt, dass der Verdichter in einen Betriebszustand verringerter Last gebracht wird, arbeitet. Als Reaktion auf dieses Signal bewirkt das Motorsteuermodul 96 das Verändern eines oder mehrerer der Verdichtermotorbetriebsparameter, um dadurch dessen Leistungsfähigkeit während der Zeiträume verringerter Last zu verbessern. Solche Betriebsparameter sollen alle veränderlich steuerbaren Faktoren umfassen, die sich auf die Motorbetriebsleistungsfähigkeit auswirken, einschließlich eine Spannungssenkung oder das Verändern der Laufkapazität, die für die Hilfswicklung eines Einphasenmotors verwendet wird. Sobald das Steuermodul 92 dem Motorsteuermodul 96 signalisiert, dass der Verdichter in den Volllastbetrieb rückgeführt wird, bewirkt das Motorsteuermodul 96 dann das Wiederherstellen der betroffenen Betriebsparameter, um die Motorleistungsfähigkeit unter Volllastbetrieb zu maximieren. Zwischen dem Schließen der Magnetventilanordnung und der reduzierten Belastung des Verdichters kann eine gewisse Zeitverzögerung liegen, was vorrangig von dem Sauggasvolumen in dem Bereich zwischen der Magnetventilanordnung und der Druckkammer abhängt. Dadurch kann es erwünscht sein, eine angemessene Zeitverzögerung vorzusehen, bevor der Motorbetriebsparameter für die verringerte Belastung angepasst wird. Natürlich ist erwünscht, dass die Magnetventilanordnung so nahe wie möglich an der Druckkammer positioniert wird, um die Zeit dieser verzögerten Reaktion zu minimieren.
Es sollte auch beachtet werden, dass zwar jede der Ausführungen mit einem Magnetventil beschrieben wurde, das zur Steuerung des Strömens von druckbeaufschlagtem Druckgas zu dem Sauggasströmungssteuerungsventil für das Steuern des Sauggasströmens dient, es aber auch möglich ist, hierfür andere Arten von Ventilen zu verwenden, zum Beispiel Magnetventile allein oder eine beliebige andere geeignete Ventilanordnung. Es wird aber angenommen, dass die Verwendung eines Magnetventils für das Steuern des Strömens eines druckbeaufschlagten Fluids wie zum Beispiel Druckgas zu dem Saugsteuerventil bevorzugt ist, weil es das Anlegen größerer Betätigungskräfte an dem Sauggassteuerventil und somit einen schnelleren Betrieb desselben zulässt. Eine beispielhafte Ausführung einer solchen Ventilanordnung wird unter Bezug auf 9 gezeigt und beschrieben, wobei zu beachten ist, dass diese Ventilanordnung in jeder der oben beschriebenen Ausführungen verwendet werden kann.
Wie in 9 gezeigt wird, umfasst die Ventilanordnung 102 ein Magnetsteuerventil 106 und ein druckbetätigtes Ventil 104.
Die Magnetventilanordnung 106 umfasst ein Gehäuse 106, in dem eine Ventilkammer 110 mit einem darin beweglich angeordneten Ventilelement 112 vorgesehen ist. Eine Zufuhrleitung 114 für druckbeaufschlagtes Fluid mündet in die Kammer 110 neben einem Ende davon und ein Ablasskanal 116 mündet außerhalb der Kammer 110 neben dem gegenüberliegenden Ende davon. Ferner wird ein Auslasskanal 118 vorgesehen, der in die Kammer 110 in etwa mitten zwischen den gegenüberliegenden Enden derselben mündet. Das Ventilelement 112 ist an einem Ende eines Kolbens 120 befestigt, dessen anderes Ende sich entlang einer hermetisch abgedichteten Bohrung 121 axial beweglich erstreckt, um welche eine Solenoidspule 122 positioniert ist. Wie dargestellt wird der Kolben 120 in die gezeigte Stellung vorgespannt, in der das Ventilelement 112 über der Zufuhrleitung 114 für druckbeaufschlagtes Fluid liegt und diese absperrt und in der sich der Auslasskanal 118 in offener Verbindung mit dem Ablasskanal 116 befindet. Wenn die Solenoidspule 122 eingeschaltet wird, bewirkt die Welle 122 ein Bewegen des Ventilelements 112 in eine Stellung, in der es über dem Ablasskanal 116 liegt und diesen absperrt und eine offene Verbindung zwischen der Zufuhrleitung 114 für druckbeaufschlagtes Fluid und dem Auslass 118 ermöglicht. Das gegenüberliegende Ende der Zufuhrleitung für druckbeaufschlagtes Fluid wird mit einer geeigneten Quelle für druckbeaufschlagtes Fluid verbunden, beispielsweise mit Druckgas vom Verdichter.
Die druckbetätigte Ventilanordnung 104 umfasst ein Gehäuse 124 mit einem darin vorgesehenen Zylinder 126, in dem ein Kolben 128 beweglich angeordnet ist. Eine Welle 130 ist mit einem Ende mit dem Kolben 128 verbunden und erstreckt sich von dem Zylinder 126 durch die Bohrung 132 in eine in dem Gehäuse 124 vorgesehene Kammer 134. Ein Ventilelement 136 ist an dem Ende der Welle 130 befestigt, ist in der Kammer 134 positioniert und ist durch die Welle 130 in und aus dem dichtenden Eingriff mit einem Ventilsitz 138 bewegbar, der an einer Trennwand 140 vorgesehen ist, um so das Strömen von Sauggas von der Kammer 134 in die Kammer 142 und dann durch den Auslass 144 gezielt zu steuern. Für das Zuführen von Sauggas zur Kammer 134 wird ein Einlass 146 vorgesehen.
Eine Fluidauslassleitung 118 mündet in ein Ende des Zylinders 126 und dient zum Vorsehen von druckbeaufschlagtem Fluid an diesem, um den Kolben 128 in eine Richtung vorzuspannen, so dass sich das Ventil 136 in dichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz 138 bewegt, um dadurch das Strömen von Sauggas vom Einlass 146 zum Auslass 144 zu unterbrechen. Eine Rückstellfeder 148 ist ebenfalls im Zylinder 126 vorgesehen, die dazu dient, den Kolben 128 in eine Richtung vorzuspannen, so dass das Ventilelement 136 als Reaktion auf das Ablassen des druckbeaufschlagten Fluids aus dem Zylinder 126 aus dem dichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz 138 bewegt wird.
Wenn bei Betrieb das Steuermodul 50 ermittelt, dass die Leistungsmodulation in Ordnung ist, bewirkt es ein Einschalten des Magnetsteuerventils 106, wodurch das Ventil 112 wie gezeigt nach rechts bewegt wird und druckbeaufschlagtes Fluid durch die Kammer 110 zu dem Zylinder 126 strömen kann. Dieses druckbeaufschlagte Fluid bewirkt dann, dass sich der Kolben 128 in eine Richtung bewegt, um das Ventil 136 zu schließen, wodurch ein weiteres Strömen von Sauggas zum Verdichtungsmechanismus verhindert wird. Wenn das Magnetsteuerventil 106 durch das Steuermodul 50 abgeschaltet wird, bewegt sich das Ventil 112 in eine Position, um die Zufuhr von druckbeaufschlagtem Fluid zum Zylinder 126 zu unterbrechen und dieses über den Kanal 116 abzulassen, wodurch die Rückstellfeder 148 den Kolben 128 in eine Richtung zum Öffnen des Ventilelements 136 bewegen kann, so dass das Strömen von Sauggas zu dem Verdichter wieder aufgenommen wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Ventilanordnung 102 nur beispielhaft ist und dass eine andere geeignete Anordnung problemlos an ihre Stelle treten kann. Wie zuvor erwähnt ist es zur Erleichterung einer schnellen Reaktion auf Leistungsmodulationssignale erwünscht, dass das Saugstromabsperrventil so nah wie möglich an der Verdichtungskammer angeordnet wird. Analog sollten die Zufuhrleitung für druckbeaufschlagtes Fluid und die Ablasskanäle entsprechend dem Volumen des Betätigungszylinders, durch den es zugeführt wird, bemessen sein, um eine schnelle Druckbeaufschlagung und ein schnelles Ablassen desselben zu gewährleisten.
Für den Fachmann auf dem Gebiet versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen der in dieser Beschreibung erläuterten Ausführungen vorgenommen werden können, ohne von dem durch die beigefügten Ansprüche angegebenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verdichter mit modulierter Leistung, welcher umfasst: einen hermetischen Mantel (12; 56; 150); einen in dem Mantel angeordneten Verdichtungsmechanismus (10; 54; 144; 90), welcher einen zum Teil durch ein bewegliches Element (28, 30; 72; 154) ausgebildeten Verdichtungsraum (32, 34; 74; 166, 168) aufweist, wobei das bewegliche Element dazu dient, das Volumen desselben zu ändern; eine Antriebswelle (22; 66; 180), die in dem Mantel drehend gelagert ist und mit dem beweglichen Element antreibend gekuppelt ist; einen Saugeinlasskanal (40; 82; 186) für das Zuführen von Sauggas zum Verdichtungsraum von einer Quelle fern des Mantels; ein Ventil (48; 84; 190; 102) in dem Saugeinlasskanal, wobei das Ventil zwischen einer offenen Stellung, um Strömen von Sauggas durch den Einlasskanal zu ermöglichen, und einer geschlossenen Stellung, um im Wesentlichen Strömen von Sauggas durch den Einlasskanal zu verhindern, betätigbar ist; gekennzeichnet durch ein Steuergerät (50, 52; 86, 88; 92, 94; 192, 194) für das zyklische Betätigen des Ventils hin zu einer offenen Stellung über eine erste vorbestimmte Zeitspanne und hin zu einer geschlossenen Stellung über eine zweite vorbestimmte Zeitspanne, wobei das Verhältnis der ersten vorbestimmten Zeitspanne zur Summe der ersten und der zweiten vorbestimmten Zeitspanne unter einer vorgegebenen Lastzeitkonstante liegt und die prozentuale Modulation der Leistung des Verdichters bestimmt.
Verdichter mit modulierter Leistung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48; 84; 190; 102) ein Zweirichtungsventil ist und durch druckbeaufschlagtes Fluid zu der geschlossenen Stellung bewegt werden kann.
Verdichter mit modulierter Leistung nach Anspruch 2, welcher weiterhin ein Magnetventil (106) umfasst, das von dem Steuergerät betätigt werden kann, um Strömen des druckbeaufschlagten Fluids zu dem Ventil zu steuern.
Verdichter mit modulierter Leistung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das druckbeaufschlagte Fluid Druckgas des Verdichters ist.
Verdichter mit modulierter Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48; 84; 190; 102) in großer Nähe zum Verdichtungsraum positioniert ist.
Verdichter mit modulierter Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein Kälteverdichter, ein Luftkompressor, ein Rotationskompressor oder ein Scroll-Verdichter ist.
Verdichter mit modulierter Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der ersten und der zweiten Zeitspanne weniger als eine Hälfte der Lastzeitkonstante beträgt.
Verdichter mit modulierter Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welcher weiterhin einen Motor für das drehende Antreiben der Antriebswelle umfasst, wobei das Ventil zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung betätigbar ist, während der Motor weiter die Antriebswelle drehend antreibt.
Verdichter mit modulierter Leistung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät dazu dient, einen Betriebsparameter des Motors zwischen Zeiten, in denen das Ventil sich in der geschlossenen Stellung und in der offenen Stellung befindet, zu verändern, um dadurch die Betriebsleistung des Motors zu verbessern.
Verfahren zum Modulieren der Leistung eines Verdichters, welcher einen Teil einer Kühlanlage bildet, um sich ändernden Kühllastbedingungen gerecht zu werden, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen eines Betriebsparameters der Kühlanlage, wobei der Parameter die Systemlast anzeigt; Ermitteln einer Zyklusfrequenz einer maximalen Dauer, die die Änderung des Saugdrucks des dem Verdichter zugeführten Kältemittels minimiert; Ermitteln einer ersten Zeitspanne, während der dem hermetischen Verdichter Sauggas zugeführt wird, und Ermitteln einer zweiten Zeitspanne, während der Sauggas daran gehindert wird, zu dem hermetischen Verdichter zu strömen, wobei die erste und die zweite Zeitspanne gleich einer Zyklusfrequenz sind; wobei das Verhältnis der ersten vorbestimmten Zeitspanne zur Summe der ersten und der zweiten vorbestimmten Zeitspanne weniger als eine vorgegebene Lastzeitkonstante beträgt und die prozentuale Modulation der Leistung des Verdichters bestimmt, und Impulsbetrieb eines Ventils (48; 84; 190; 102), das in einem Saugkanal des hermetischen Verdichters angeordnet ist, zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung jeweils über die erste und die zweite Zeitspanne, um dadurch die Leistung des hermetischen Verdichters als Reaktion auf den Systembetriebsparameter zu modulieren.