EP0361089A1

EP0361089A1 - Aggregat mit einem Verdichter mit Antriebsmotor für einen Kälteerzeugungs- oder Wärmepumpenkreisprozess

Info

Publication number: EP0361089A1
Application number: EP19890115666
Authority: EP
Inventors: Clemens Adam
Original assignee: Colenco AG
Current assignee: Colenco AG
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1990-04-04
Also published as: JPH02146467A; CH676035A5

Abstract

Der Verdichter (2) und der Motor (3) sind in einem Gehäuse (6) dicht eingeschlossen in dem auch Strömungswege (17, 18) für das Kältemittel vorhanden sind. Um die vom Verdichter (2) mit jedem Maschinentakt geförderte Kühlmittelmenge zu steigern wird vorgeschlagen, den Motor (3) durch ein Schmiermittelbad wärmedämmend von den Strömungswegen (17, 18) zu trennen. Weiter sind dem Motor (3) mindestens einen Teil seiner Abwärme übernehmende Mittel zugeordnet, um die Abwärme an das zu erwärmende Medium weiter zu geben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aggregat gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Aggregaten mit einem Kolbenverdichter mit Antriebsmotor werden drei Grundbauarten unterschieden:
- Offene Aggregate, bei denen der Verdichter und der Antriebsmotor nicht in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und der Antriebsmotor meist direkt luftgekühlt ist.
- Halbhermetische Aggregate, bei denen eine gasdichte Flanschverbindung zwischen dem Kurbelgehäuse des Verdichters und dem Motorgehäuse besteht, so dass der Motor damit unter Saugdruck steht.
- Hermetische Aggregate, bei denen der Verdichter und der Antriebsmotor vollständig von einem unter Sauggasdruck stehenden gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.
Bei hermetischen Aggregaten der eingangs erwähnten Art ist das Innere des Gehäuses mit Kältemitteldampf gefüllt, der hinsichtlich Druck die gleichen Werte wie im Verdampfer aufweist. Bei diesen Aggregaten kühlt das zu verdichtende Kältemittel sowohl deren Antriebsmotor als auch das Kurbelgehäuse des Verdichters und wird somit vor dem Eintritt in die Verdichterzylinder erwärmt. Die damit verbundene Volumenvergrösserung des Kältemitteldampfes verkleinert entsprechend die pro Kolbenhub geförderte Kühlmittelmenge.
Um diesen Nachteil zu beseitigen sind zahlreiche Vorschläge bekannt geworden.
Nach einem Vorschlag (US-PS 2 978 881, FR-A 2 487 487) wird das Schmieröl des Motors gekühlt. Nach einem anderen ist bekannt, das gemeinsame Gehäuse als Ganzes zu kühlen (US-PS 4 248 056). Nach einem weiteren Vorschlag (US-PS 4 411 600) wird der Weg des Sauggases innerhalb des Gehäuses kurz vor dem Zylindereintritt gegen die Druckleitung durch einen Wärmeisolator abgeschirmt. Alle diese Massnahmen sind in ihrer Wirkung so bescheiden, dass der beachtliche konstruktive Aufwand nicht lohnt. Das gleiche gilt auch für einen Vorschlag mit Bezug auf ein halbhermetisches Aggregat (DE-A 3 002 776).
Von offenen Aggregaten dagegen ist es bekannt, den erwähnten Mangel durch eine grosse räumliche Trennung von Motor und Verdichter zu beseitigen (DE-PS 601 453). Der damit verbundene konstruktive Aufwand macht diese Lösung jedoch für Massenerzeugnisse, wie Kühlschrankaggregate usw. unmöglich.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Aggregat der eingangs erwähnten Art mit einfachsten Mitteln derart zu verbessern, dass die Verluste in gleicher Weise wie bei offenen Aggregaten reduziert werden können. Die Lösung muss sich insbesondere für die Massenproduktion eignen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung für die Ausführung eines Kälteerzeugungs- oder Wärmepumpenkreisprozesses mit einem Verdichter mit Antriebsmotor,
Fig. 2 einen Verdichter mit Antriebsmotor im Achsialschnitt und
Fig. 3 ein Kreisprozessdiagramm.

Fig. 1 zeigt die Einrichtung für einen Kälteerzeugungs- oder Wärmepumpenkreisprozess. Damit wird einem Medium A mittels Verdampfung von Kältemittel (auf einem Niveau tiefer Temperatur und tieferen Druckes) in einem Verdampfer 1 Wärme entzogen. Der kalte Dampf wird von einem Verdichter 2 angesaugt und auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau verdichtet. Die hierzu erforderliche mechanische Arbeit wird von einem (den Verdichter 2 antreibenden) Motor 3 geleistet.
In einem Kondensator-Wärmetauscher 4 wird der Dampf bei höherem Druck und höherer Temperatur kondensiert. Dieser überträgt die dem Medium A entzogene Wärmemenge, vermehrt um den Anteil der zugeführten mechanischen Arbeit, in Form von Kondensationsenergie an ein Medium B. Das vom Kondensator-Wärmetauscher 4 zum Verdampfer 1 zurückfliessende flüssige Kältemittel tritt durch ein im Rücklauf vorhandenes Entspannungsventil 5 und entspannt sich wieder auf das niedere Druckniveau im Verdampfer 1 und verdampft.
Bei solchen Einrichtungen - mit einer Antriebsleistung von weniger als 10 kWh - sind in der Regel der Verdichter 2 und der Motor 3 gemeinsam in ein gasdichtes Gehäuse 6 (Fig. 2) eingeschlossen, dessen Inneres unter dem gleichen Dampfdruck steht wie der Verdampfer 1. Der Verdichter 2 liegt mit Bezug auf die Lotrechte über dem Motor 3. In Lagern 7, 8 und 12 ist eine Welle 9 drehbar gelagert, auf deren unterem Teil der Läufer 10 des Motors 3 drehfest aufgesetzt ist. Der abtriebseitige, dem Antrieb des Verdichters 2 dienende Wellenteil ist mit einem Exzenterzapfen 13 versehen, auf dem die Pleuelstangen 16 der Verdichterkolben 14 gelagert sind.
Die Kolben 14 saugen das auf niedrigem Temperatur- und Druckniveau befindliche Kältemittelgas aus dem Verdampfer 1 durch eine Leitung 17 an und verdichten es auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau und stossen es in die Leitung 18 aus. Der auf niedrigem Temperatur- und Druckniveau befindliche Kältemitteldampf füllt den ganzen, zwischen dem Verdichter 2 und dem Gehäuse 6 vorhandenen Raum.
Bei der Verwendung als Wärmepumpe ist im Bereich des Motors 3 das Gehäuse 6 mit einer Doppelwand 19 versehen und in den Zwischenraum ist eine Wendel 20 derart eingelegt, dass sie vom Eintrittstutzen 21 zum Austrittstutzen 22 einen wendelförmigen Kanal 23 in der Doppelwand bildet. Zwischen dem Gehäuse 6 und dem Stator 11 ist ein für das Strömen eines Mediums zureichender Zwischenraum vorhanden.
Das Gehäuseinnere ist mit einem niederviscosen, kältemittelverträglichen Schmiermittel bis zu einer Niveaulinie 24 gefüllt, so dass der Motor vollständig in das Schmiermittelbad eingetaucht ist. Das Kurbelgehäuse mit den Gaskanälen kann auch so konstruiert sein, dass nicht nur der Motor 3 sondern auch das Kurbelgehäuse vor einer Berührung mit dem einströmenden (kalten Sauggas geschützt wird. Bei laufendem Motor 3 zirkuliert das Schmiermittel in Folge der Schwer- und Fliehkraft. Die Abwärme des Motors wird an das Schmiermittel übertragen, das sie zum überwiegenden Teil zur Gehäusewand 6 transportiert und an diese abgibt. Von der Gehäusewand 6 wird sie entweder direkt an die Umgebung, das heisst, das Medium B oder indirekt an das durch den Eintrittstutzen 21 zugeführte Medium B abgegeben und durch den Austrittstutzen 22 abgeführt. Ist das zu erwärmende Medium B ein flüssiges Medium ist die beschriebene Ausführungsform mit einem wendelförmigen Kanal 23 für das Abführen der Motorwärme geeignet. Wird die Einrichtung indessen zum Kühlen eines Kühlschrankes eingesetzt, wird die Wärme direkt an die Umgebung, das heisst, das Medium B abgegeben. In diesem Fall entfällt die Doppelwand 19 und die Gehäuseaussenseite dient als Kühlfläche. Die Wirkung vergrössert sich, wenn Kühlrippen aussenseitig am Gehäuse 6 befestigt sind, welche vom Medium B (das heisst, der Umgebungsluft des Kühlschranks) umströmt werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Enthalpie in kJ/kg und auf der Ordinate (in log. Massstab) der Druck aufgetragen. Am Eingang des Verdampfers 1 herrscht ein Kältemitteldruck P1. Die Enthalpie des Kältemittels beträgt E1. Durch den Wärmeentzug aus dem Medium A steigt bei gleich bleibendem Druck die Enthalpie des Kältemittels von E1 auf E2 bis dieses in Form von Sattdampf vorliegt. Die Enthalpie des Kältemittels wird bei bekannten Verdichtern durch die Motorabwärme weiter auf den Wert E3 erhöht. Durch die dem Kältemittel im Verdichter zugeführte mechanische Energie erhöht sich dessen Enthalpie (E4) und dessen Druck (P2). Im Kondensator-Wärmetauscher 4 wird dem dampfförmigen Kältemittel durch das Medium B bei gleich bleibendem Druck Wärme entzogen, so dass das Kältemittel kondensiert und seine Enthalpie beim Austritt aus dem Kondensator-Wärmetauscher 4 wieder den Wert E1 erreicht. Nach dem Durchgang des Kältemittels durch das Entspannungsventil 5 entspannt sich das Kältemittel bei gleich bleibender Enthalpie E1 und verdampft teilweise, wobei sein Druck wieder auf den Wert P1 abfällt.
Beim Kreisprozess mit der erfindungsgemässen Ausführung von Verdichter und Antriebsmotor entfällt eine Überhitzung des Kältemitteldampfes durch die Motorabwärme weitgehend. Zwischen dem Verdampfer 1 und dem Verdichter 2 wird dem Kältemittel beim Druck P1 keine Motorabwärme zugeführt. Eine Erhöhung der Enthalpie E2 auf den Wert E3 entfällt. Die Verdichtung des Kältemittels im Verdichter 2 erhöht den Kältemitteldruck auf den Wert P2 und die Enthalpie auf den Wert E5. Beim im Kondensator-Wärmetauscher 4 folgenden Wärmeentzug durch das Medium B wird die Enthalpie wieder auf den Wert E1 verringert, worauf im Entspannungsventil 5 seine Entspannung auf den Druck P1 erfolgt.
Vergleicht man in Fig. 3 die Dampfvolumenkurven 25, 26 erweist sich, dass bei einer Enthalpie des Kühlmittels von E2 dessen spezifisches Volumen 76 l/kg bei einer Enthalpie E3 100 l/kg einnimmt. Demzufolge steigt durch die Erfindung die vom Verdichter geförderte Kühlmittelmenge um mehr als 20 %. Als Folge erhöht sich die Leistung des Verdichters bei gleich bleibender Grösse oder der Verdichter kann für eine kleinere Fördermenge ausgelegt werden. Durch spezifische kleinere Verluste im Verdichter (Ventile, Totraum, Wärmeaustausch) steigt zusätzlich der Wirkungsgrad um mindestens 10 %.

Claims

1. Aggregat mit einem Verdichter mit Antriebsmotor für einen Kälteerzeugungs- oder Wärmepumpenkreisprozess, mit dem ein Medium A gekühlt und ein Medium B erwärmt wird, wobei das Aggregat ein Gehäuse (6) aufweist, in dem der Verdichter (2) und der Motor (3) dicht eingeschlossen und in dem Strömungswege (17, 18) für das Kältemittel vorhanden sind, wobei dem Motor (3) des Verdichters (2) Mittel zugeordnet sind, die einen Teil seiner Abwärme an das Medium B übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) im Bereich des Motors (3) ein Flüssigkeitsbad mit Schmiereigenschaften begrenzt, in das der Motor (3) vollständig eingetaucht ist, derart, dass die Flüssigkeit die Abwärme des Motors (3) zur Gehäusewand transportiert und vom Motor (3) die kalten Sauggase fernhält, und dass die Gehäusewand im Bereich des Flüssigkeitsbades dieses wärmeleitend mit dem Medium B verbindet.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel nebst dem Flüssigkeitsbad einen um die Gehäusewand (6) geführten Strömungskanal (23) mit einer Eintritt und einer Austrittöffnung (21, 22) für das Medium B aufweisen.

3. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel nebst dem Flüssigkeitsbad auf die Gehäusewand (6) aufgesetzte Kühlrippen aufweisen.

4. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) im Gehäuse (6) über dem Motor (3) angeordnet ist.