EP0593495B1 - Kühlvorrichtung - Google Patents

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EP0593495B1
EP0593495B1 EP92909704A EP92909704A EP0593495B1 EP 0593495 B1 EP0593495 B1 EP 0593495B1 EP 92909704 A EP92909704 A EP 92909704A EP 92909704 A EP92909704 A EP 92909704A EP 0593495 B1 EP0593495 B1 EP 0593495B1
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EP
European Patent Office
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compressor
oil
coolant
refrigerant
bearings
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EP92909704A
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Klaus Hossner
Adalbert Stenzel
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F04C29/042—Heating; Cooling; Heat insulation by injecting a fluid

Definitions

  • the invention relates to a cooling device according to the preamble of patent claim 1.
  • Refrigeration and air conditioning systems essentially comprise an evaporator in which heat is extracted from the environment by vaporizing the refrigerant, a compressor which increases the pressure of the evaporated refrigerant from a suction pressure to an outlet pressure, and a condenser in which that is under the outlet pressure evaporated refrigerant is liquefied with the release of heat.
  • the oil injected into the compressor is cooled depending on an end temperature resulting at the pressure outlet of the compressor. Cooling can be done by refrigerant injection, or by cooling with water or air in a heat exchanger, e.g. a plate heat exchanger. In the latter case, a large amount of oil injection requires large and expensive heat exchangers.
  • the temperature of the injected oil is essentially determined by the fact that its viscosity is high enough to ensure lubrication of the bearing points. If the oil temperature rises, the viscosity of the oil drops and the lubrication of the bearing points of the rotors is at risk. However, lower oil viscosities or higher oil temperatures would also be permissible for the above-mentioned seal of the column, which requires the largest amount of oil injection.
  • the object of the invention is to cool the oil used for bearing lubrication in a simple and economical manner, regardless of the total amount of oil injected into the compressor.
  • a cooling device essentially comprises a screw compressor 1, a condenser 2 and an evaporator 3, which are connected in a closed refrigerant circuit by lines 4. Furthermore, there is a check valve 5 in the refrigerant circuit, which is arranged directly at the pressure outlet of the compressor, an oil separator 6, which is arranged behind the check valve 5 and in front of the condenser 2, and an expansion element 7, which is located between the condenser 2 and the evaporator 3 in the refrigerant circuit.
  • a first temperature sensor 8 senses the temperature at the bearing points of the compressor 1 and is connected to a control unit 11 via an electrical line 9.
  • a second Temperature sensor 12 senses the temperature in the pressure outlet area of the compressor 1 and is also connected to the control unit 11 via an electrical line 13.
  • a main oil line 14 extends from the oil separator 6 and leads into the compression space of the compressor 1 via a solenoid valve 15.
  • a bearing oil line 16 is branched off from the main oil line 14 and leads into a heat exchanger 17 and from there to the bearing points of the compressor 1.
  • part of the refrigerant is branched off from the line 4 of the refrigerant circuit via a line 18, fed to a solenoid valve 20 which can be controlled by the control unit 11 via an electrical line 19, and passes from there via an injection nozzle 21 into the heat exchanger 17, from which it is fed to a point 22 of the compressor 1 at which the suction process of the compressor 1 caused by the rotors is completed.
  • the cooling device operates as follows: The refrigerant evaporated in the evaporator 3 is drawn in on the suction side of the compressor 1 and is compressed therein. Oil is injected into the compression chamber of the compressor via the main oil line 14 and the solenoid valve 15. The oil is entrained by the refrigerant to be compressed, and the resulting oil-refrigerant mixture is compressed in the compressed state Check valve 5 fed to the oil separator 6. In the oil separator 6, the oil is separated from the refrigerant and, since it is under increased pressure, is injected back into the compressor 1 via the main oil line 14 and the solenoid valve 15 at a point of the compressor which is at a lower pressure. The oil is separated from the refrigerant so as not to adversely affect the heat transfer of the refrigerant within the refrigerant circuit and also to implement a closed main oil circuit.
  • the control unit 11 opens the magnetic valve 20 via the electrical line 19 and coolant in a liquid state Form injected into the heat exchanger 17 via the line 18 and the injector 21.
  • the oil branched off from the main oil line 14 via the bearing oil line 16 is cooled for cooling the bearing points by the refrigerant branched off behind the condenser 2, heat being supplied to the coolant and heat being removed from the oil used for lubricating the bearing points.
  • the refrigerant evaporated in the heat exchanger 17 is fed to the suction side of the compressor, advantageously to a point 22 at which the suction process of the compressor 1 is completed.
  • the injection at this point 22 of the compressor 1 is necessary because otherwise the cooling capacity of the compressor, ie the amount of heat absorbed by the environment in the evaporator 3 for evaporating the refrigerant, decreases because the refrigerant branched off for cooling the oil used for bearing lubrication does not transfer heat contributes in the evaporator 3. Furthermore, when the refrigerant is injected at the point 22 of the compressor 1, there is the advantage that the refrigerant coming from the heat exchanger 17 meets the partially compressed, warmer refrigerant in the compressor 1 and thereby cools the latter, which leads to an advantageous lower compression end temperature.
  • the second temperature sensor 12 located in the pressure outlet area of the compressor 1 opens the solenoid valve 20 via the electrical line 13 through the control unit 11 and more refrigerant is injected into the heat exchanger 17 by means of the injection nozzle 21. than is necessary for cooling the oil used for bearing lubrication.
  • the temperature sensor 12 or a further temperature sensor (not shown) in the pressure outlet region of the compressor 1 via the control unit 11 switches off the compressor.
  • the main advantage of the controllable cooling of the oil used to lubricate the compressor bearing points according to the invention is that, despite the use of an oil with a low basic viscosity, a sufficient operating viscosity of the oil used for the bearing lubrication is achieved. Since the main oil flow in the main oil line, which is intended for injection into the compressor, remains uncooled, it is prevented that the compression end temperature does not drop to critical values and thus no refrigerant in the oil separator condenses into the oil. In addition, the cost of oil cooling is significantly reduced by the bearing oil cooling according to the invention and thus the economy is increased.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Kühlvorrichtungen (JP-A-2-287 058) können in Drehkolbenverdichtern für Kälte- und Klimaanlagen eingesetzt werden, beispielsweise in einem Schraubenverdichter mit Öleinspritzung. Kälte- und Klimaanlagen umfaßen im wesentlichen einen Verdampfer, in welchem durch Verdampfen des Kältemittels der Umgebung Wärme entzogen wird, einen Verdichter, welcher den Druck des verdampften Kältemittels von einem Ansaugdruck auf einen Auslaßdruck erhöht, und einen Verflüssiger, in welchem das unter dem Auslaßdruck stehende verdampfte Kältemittel unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt wird.
  • Bei Schraubenverdichtern sind zur Verdichtung des Kältemittels innerhalb des Verdichtergehäuses zwei ineinander greifende, schraubenartige Rotoren angeordnet, welche radial durch das Verdichtergehäuse dicht abgeschlossen sind. In den überwiegenden Fällen besitzen die in Kälteanlagen verwendeten Schraubenverdichter eine Einrichtung zur Öleinspritzung. Das Öl wird in die Verdichtungsräume der Schraubenverdichter und somit in das sich dort befindliche zu verdichtende Gas eingespritzt. Es dient im wesentlichen folgenden drei Zwecken:
    • 1. Zur Kühlung des Verdichtungsvorganges:
      Durch das eingespritzte Öl wird das zu verdichtende Kältemittel gekühlt und damit wird auch der Schraubenverdichter insgesamt gekühlt. Er wird damit geringeren Temperaturunterschieden ausgesetzt. Dies bedeutet, daß Passungen und Spiele enger ausgeführt werden können, wodurch die Spaltverluste im Verdichter verringert werden.
    • 2. Zur Schmierung der Rotoren und der Lagerstellen:
      Da bei bekannten öleingespritzten Schraubenverdichtern üblicherweise nur einer der Rotoren extern, zum Beispiel durch einen Elektromotor oder dgl. angetrieben wird, muß der andere Rotor indirekt von dem angetriebenen Rotor mitangetrieben werden. Das eingespritzte Öl verringert dabei den Verschleiß an den beiden Rotoren. Außerdem wird das Öl zur Schmierung der Lagerstellen der Rotoren verwendet.
    • 3. Zur Dichtung der Spalte innerhalb des Verdichtungsraumes:
      Das eingespritzte Öl dichtet die Spalte zwischen den beiden Rotoren und zwischen den einzelnen Rotoren und dem Verdichtergehäuse ab. Auf diese Weise werden eventuell vorhandene Leckagepfade innerhalb des Verdichters abgedichtet und somit die Voraussetzungen für einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters geschaffen. Das in die Verdichtungskammer eingespritzte Öl wird zerstäubt und von dem sich in der Verdichtungskammer befindlichen, zu verdichtenden, gasförmigen Kältemittel mitgerissen. Am Druckauslaß des Verdichters liegt somit ein Öl-Kältemittel-Gemisch vor. Das sich im Öl-Kältemittel-Gemisch befindliche Öl muß vom Kältemittel durch Ölabscheider abgeschieden werden um erneut in den Verdichter eingespritzt werden zu können und um Wärmeübergänge des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufes nicht nachteilig zu beeinflussen.
  • Bei Verdichtung auf hohe Drücke wird das in den Verdichter eingespritzte Öl in Abhängigkeit von einer sich am Druckauslaß des Verdichters ergebenden Endtemperatur gekühlt. Eine Kühlung kann dabei durch Kältemitteleinspritzung, oder durch Kühlung mit Wasser oder mit Luft in einem Wärmetauscher, z.B. einem Plattenwärmetauscher, erfolgen. Eine große Öleinspritzmenge erfordert im letzten Fall große und teure Wärmetauscher.
  • Die Temperatur des eingespritzten Öls wird im wesentlichen dadurch bestimmt, daß seine Viskosität groß genug ist, um eine Schmierung der Lagerstellen zu gewährleisten. Steigt die Öltemperatur, so sinkt die Viskosität des Öls und die Schmierung der Lagerstellen der Rotoren ist gefährdet. Für die oben erwähnte Dichtung der Spalte, die die größte Öleinspritzmenge erfordet, wären dagegen auch geringere Ölviskositäten bzw. höhere Öltemperaturen zulässig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das zur Lagerschmierung verwendete Öl auf eine einfache und wirtschaftliche Art und Weise, unabhängig von der gesamten, in den Verdichter eingespritzten Ölmenge regelbar zu kühlen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung, die schematisch eine Kühlvorrichtung zeigt, der weiteren Erläuterung.
  • Wie dargestellt umfaßt eine Kühlvorrichtung im wesentlichen einen Schraubenverdichter 1, einen Verflüssiger 2 und einen Verdampfer 3, die in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf durch Leitungen 4 verbunden sind. Ferner befinden sich im Kältemittelkreislauf ein Rückschlagventil 5, das direkt am Druckausgang des Verdichters angeordnet ist, ein Ölabscheider 6, der hinter dem Rückschlagventil 5 und vor dem Verflüssiger 2 angeordnet ist, sowie ein Expansionsorgan 7, das sich zwischen dem Verflüssiger 2 und dem Verdampfer 3 im Kältemittelkreislauf befindet.
  • Im Verdichter 1 sind zwei im einzelnen nicht sichtbare Temperaturfühler 8 und 12 angeordnet. Ein erster Temperaturfühler 8 fühlt die Temperatur an den Lagerstellen des Verdichters 1 ab und ist über eine elektrische Leitung 9 mit einer Steuerungseinheit 11 verbunden. Ein zweiter Temperaturfühler 12 fühlt die Temperatur im Druckauslaßbereich des Verdichters 1 ab und ist über eine elektrische Leitung 13 ebenfalls mit der Steuerungseinheit 11 verbunden.
  • Vom Ölabscheider 6 geht eine Hauptölleitung 14 aus, die über ein Magnetventil 15 in den Verdichtungsraum des Verdichters 1 führt. Von der Hauptölleitung 14 ist eine Lagerölleitung 16 abgezweigt, die in einen Wärmetauscher 17 und von diesem an die Lagerstellen des Verdichters 1 führt.
  • Hinter dem Verflüssiger 2 wird aus der Leitung 4 des Kältemittelkreislaufs ein Teil des Kältemittels über eine Leitung 18 abgezweigt, einem von der Steuerungseinheit 11 über eine elektrische Leitung 19 steuerbaren Magnetventil 20 zugeführt und gelangt von diesem über eine Einspritzdüse 21 in den Wärmetauscher 17, von dem es einer Stelle 22 des Verdichters 1 zugeleitet wird, an welcher der durch die Rotoren bewirkte Ansaugvorgang des Verdichters 1 abgeschlossen ist.
  • Die Betriebsweise der Kühlvorrichtung ist folgende:
    Das im Verdampfer 3 verdampfte Kältemittel wird an der Saugseite des Verdichters 1 angesaugt und in diesem verdichtet. In den Verdichtungsraum des Verdichters wird über die Hauptölleitung 14 und das Magnetventil 15 Öl eingespritzt. Das Öl wird vom zu verdichtenden Kältemittel mitgerissen, und das auf diese Weise entstehende Öl-Kältemittel-Gemisch wird in verdichtetem Zustand über das Rückschlagventil 5 dem Ölabscheider 6 zugeleitet. Im Ölabscheider 6 wird das Öl vom Kältemittel abgeschieden und, da es unter erhöhtem Druck steht, über die Hauptölleitung 14 und das Magnetventil 15 an einer sich unter niedrigerem Druck befindlichen Stelle des Verdichters 1 wieder in diesen eingespritzt. Das Öl wird vom Kältemittel abgeschieden, um die Wärmeübergänge des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufes nicht nachteilig zu beeinflussen, und um außerdem einen geschlossenen Hauptölkreislauf zu realisieren.
  • Steigt die Temperatur im Verdichter 1 an, was einen Temperaturanstieg an den Lagerstellen der Rotoren des Verdichters 1 bewirkt, so sinkt dadurch die Viskosität des Öls, insbesondere auch des Öls, das sich in den Lagerstellen befindet. Wird eine kritische Temperatur, bei der sich die Viskosität des Öls an den Lagerstellen stark verringert hat, überschritten, was vom Temperaturfühler 8 hinter den Lagerstellen festgestellt wird, so wird von der Steuerungseinheit 11 über die elektrische Leitung 19 das Magnetventil 20 geöffnet und Kältemittel in flüssiger Form über die Leitung 18 und die Einspritzdüse 21 in den Wärmetauscher 17 eingespritzt. Im Wärmetauscher 17 wird das von der Hauptöleitung 14 über die Lagerölleitung 16 abgezweigte Öl zur Kühlung der Lagerstellen durch das hinter dem Verflüssiger 2 abgezweigte Kältemittel gekühlt, wobei dem Kältemittel Wärme zugeführt und dem zur Lagerstellenschmierung verwendeten Öl Wärme entzogen wird. Das dabei im Wärmetauscher 17 verdampfte Kältemittel wird der Saugseite des Verdichters zugeführt, vorteilhafterweise an einer Stelle 22, an der der Ansaugvorgang des Verdichters 1 abgeschlossen ist. Die Einspritzung an dieser Stelle 22 des Verdichters 1 ist deshalb notwendig, weil sonst die Kälteleistung des Verdichters, d. h. die im Verdampfer 3 zum Verdampfen des Kältemittels von der Umgebung aufgenommene Wärmemenge sinkt, weil das zur Kühlung des der Lagerschmierung dienenden Öls abgezweigte Kältemittel nicht zum Wärmeübergang im Verdampfer 3 beiträgt. Des weiteren ergibt sich beim Einspritzen des Kältemittels an der Stelle 22 des Verdichters 1 der Vorteil, daß das vom Wärmetauscher 17 kommende Kältemittel mit dem teilweise verdichteten, wärmeren Kältemittel im Verdichter 1 zusammentrifft und dabei letzteres abkühlt, was zu einer vorteilhaften niedrigeren Verdichtungsendtemperatur führt.
  • Sollte die Verdichtungsendtemperatur dennoch einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen, so wird mit dem sich im Druckauslaßbereich des Verdichters 1 befindlichen, zweiten Temperaturfühler 12 über die elektrische Leitung 13 durch die Steuerungseinheit 11 das Magnetventil 20 geöffnet und vermittels der Einspritzdüse 21 mehr Kältemittel in den Wärmetauscher 17 eingespritzt, als es für die Kühlung des der Lagerschmierung dienenden Öls erforderlich ist.
  • Sollte auch bei ständig geöffnetem Magnetventil 20 die Verdichtungsendtemperatur weiter ansteigen, so wird durch den Temperaturfühler 12, bzw. durch einen weiteren, nicht dargestellten Temperaturfühler im Druckauslaßbereich des Verdichters 1 über die Steuerungseinheit 11 eine Abschaltung des Verdichters erreicht.
  • Die oben beschriebene Kühlung des zur Lagerschmierung verwendeten Öls bietet den Vorteil, Öl niedriger Grund-Viskosität zu verwenden. Bisher wurde die Forderung nach hoher Grund-Viskosität vor allem von der Schmierung der Lagerstellen des Verdichters bestimmt, da bei hohen Lagertemperaturen eine ausreichende Betriebs-Viskosität des Öls an den Lagerstellen erforderlich ist. Auf der "kalten Seite" des Kältemittelkreislaufs kann die Verwendung von Öl mit hoher Grund-Viskosität jedoch zu Problemen führen. Bei niedriger Verdampfungstemperaturen kann nämlich das über den Ölabscheider nicht abgeschiedene und sich damit im Kältemittelkreislauf befindliche Öl so dickflüssig werden, daß es vom Kältemittelgasstrom im Verdampfer nicht mehr mitgerissen wird. Es kommt auf diese Weise zu einer Ölverlagerung in den Verdampfer, was zu einem verminderten Wärmeübergang des Kältemittelgases, beispielsweise an Verdampferrohren des Verdampfers, oder sogar zum Verstopfen einzelner solcher Rohre führen kann.
  • Wird dagegen ein Öl niedrigerer Viskosität verwendet, so muß bei bekannten Kühlvorrichtungen das gesamte in den Verdichter eingespritzte Öl gekühlt werden, um an den Lagerstellen die geforderte Betriebs-Viskosität zu erhalten. Einer derartigen Kühlung des gesamten eingespritzten Öls sind jedoch Grenzen gesetzt, da eine dadurch bewirkte zu starke Erniedrigung der Verdichtungsendtemperatur dazu führen kann, daß diese in die Nähe der Verflüssigungstemperatur kommt und sich bereits Kältemittel im Ölabscheider verflüssigt. Das Öl-Kältemittel-Gemisch hat außerdem eine wesentlich geringere Viskosität als das reine Öl und ist für die Lagerschmierung nicht mehr ausreichend, da das Kältemittel an den warmen Lagerstellen schlagartig aus dem Öl verdampft und auf diese Weise den Schmierfilm an den Lagern unterbricht. Die größere Kältemittelmenge im Öl hat auch energetische Nachteile. Dieses Kältemittel muß mitverdichtet werden mit der Folge eines höheren Energiebedarfs des Verdichters.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlung des zur Schmierung der Verdichterlagerstellen verwendeten Öls ist, daß trotz Verwendung eines Öls niedriger Grund-Viskosität eine genügende Betriebs-Viskosität des der Lagerschmierung dienenden Öls erreicht wird. Da der sich in der Hauptölleitung befindliche Hauptölstrom, der zur Einspritzung in den Verdichter vorgesehen ist, dabei ungekühlt bleibt, wird verhindert, daß die Verdichtungsendtemperatur nicht auf kritische Werte absinkt und damit auch kein Kältemittel im Ölabscheider in das Öl kondensiert. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Lagerölkühlung der Aufwand für die Ölkühlung ganz wesentlich reduziert und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht.

Claims (4)

  1. Kühlvorrichtung für einen Drehkolbenverdichter (1), insbesondere einen Schraubenverdichter, der zusammen mit einem Verflüssiger (2) und einem Verdampfer (3) Teil eines Kältemittelkreislaufs ist, wobei in den Schraubenverdichter ein Teilstrom (18) des Kältemittels der Kälteanlage und ein der Schmierung von Lagerstellen sowie der Kühlung und Abdichtung des Schraubenverdichters dienendes Öl (14) einspritzbar sind, zu dessen Kühlung ein abgezweigter Kältemittelstrom verwendet wird, der seinerseits danach wieder dem Schraubenverdichter zugeleitet wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    nur der der Schmierung der Lagerstellen des Schraubenverdichters (1) dienende Teil des Öls in Abhängigkeit von der an den Lagerstellen abgefühlten Öltemperatur durch den abgezweigten Kältemittelstrom gekühlt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Kältemittelstrom zusätzlich in Abhängigkeit von einer sich nach der Verdichtung ergebenden Verdichtungsendtemperatur regelbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Kältemittelstrom der Saugseite des Schraubenverdichters (1) zugeleitet wird.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß des abgezweigte Kältemittelstrom dem Schraubenverdichter (1) an einer Stelle (22) zugeleitet wird, an der der Ansaugvorgang des Schraubenverdichters (1) abgeschlossen ist.
EP92909704A 1991-07-11 1992-05-13 Kühlvorrichtung Expired - Lifetime EP0593495B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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