WO2001038117A1 - Verfahren zum betreiben einer kälteanlage sowie kälteanlage - Google Patents

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Manfred Rautenberg
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    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/3223—Cooling devices using compression characterised by the arrangement or type of the compressor
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a refrigeration system, in particular a refrigeration system accommodated in a motor-driven means of transportation, with a refrigerant circuit in which at least one compressor is arranged.
  • the invention relates to a refrigeration system with a refrigerant circuit in which a compressor is arranged.
  • turbocompressors In stationary refrigeration systems that achieve several hundred kilowatts to a few megawatts of cooling capacity, turbocompressors are used that continuously compress the refrigerant mass flow as flow machines so that pulsations do not occur.
  • these turbo compressors have so far not been used for motor vehicle air conditioning systems, since in motor vehicle air conditioning systems only relatively small mass flows are required, although with high pressure differences, which is unusual for a turbo compressor.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a refrigeration system, in particular for motor vehicles, by means of which pulsations in the intake line and compressed gas line can be avoided even with low mass flows.
  • a refrigeration system is to be created which works with a compressor which is composed of a few parts and likewise does not generate any pulsations in the intake line and compressed gas line.
  • a compressor should also be aimed for, which principle is well suited for an oil-free design.
  • a pitot tube compressor is used in the refrigerant circuit as a compressor or in the refrigeration system according to the invention a pitot tube compressor is arranged in the refrigerant circuit.
  • a pitot tube compressor also called a centrifugal or pitot pump, uses the dynamic pressure in addition to the pressure increase by centrifugal force.
  • a refrigeration system with a pitot tube compressor has the advantages of using a turbocompressor even with a low mass flow and a high pressure difference. For this reason, the refrigeration system according to the invention can preferably be used as a motor vehicle air conditioning system. Further advantageous refinements form the subjects of the subclaims.
  • R134a or C0 2 is preferably used as the refrigerant for vehicle applications.
  • Other refrigerants preferably of high molecular weight, can also be used.
  • the pitot tube compressor has a rotor, which is characterized by a bearing that does not require the supply of lubricant.
  • the refrigerant circuit can remain free of lubricant, which improves the heat transfer in the evaporator and in the condenser.
  • gas or magnetic storage or the use of encapsulated, permanently lubricated bearings is preferably provided.
  • the invention preferably provides an electric motor to drive the pitot tube compressor.
  • the latter can be designed to rotate at high speed and can be connected directly to the rotor of the pitot tube compressor without a transmission gear.
  • the other possibility is to provide a transmission gear between the electric motor and the rotor so that the high speed of the rotor, which is necessary for sufficient power, is achieved.
  • a conventional mechanical drive via the transmission input parts may then also be considered.
  • FIG. 1 shows a refrigeration system according to the invention with a refrigerant circuit which is operated using the method according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the pitot tube compressor used in the refrigeration system in Figure 1.
  • a refrigeration system for. B. a motor vehicle air conditioning system by means of its refrigerant circuit.
  • the refrigeration system is not driven mechanically, but electrically by means of a high-speed electric motor 10.
  • the refrigeration system is thus independent of the speed of the engine and also works when the internal combustion engine of the motor vehicle is switched off.
  • the electric motor 10 e.g. B. a brushless DC motor equipped with permanent magnets drives a pitot tube compressor 12, which is shown in more detail in FIG.
  • a condenser 14 In addition to the pitot tube compressor, a condenser 14, an expansion device 16, an evaporator 18 and a blower 20 for the evaporator are provided in the refrigerant circuit.
  • an electric motor with a lower maximum speed can also be provided.
  • a step-up gear 22, preferably a planetary gear, is arranged between the pitot tube compressor 12 and the electric motor 10.
  • Either R134a or preferably C0 2 in the refrigerant circuit are used as refrigerants for automotive applications. Other refrigerants can also be used.
  • FIG. 2 shows the pitot tube compressor 12 in more detail.
  • the pitot tube compressor has a pitot tube 24 which has a section running along the axis of rotation A and a section 26 which is angled at right angles and has an inlet opening 28 Has.
  • the pitot tube 24 is stationary, so it does not rotate.
  • a rotor 30 is arranged, which has an inner chamber 32 in which the pitot tube 24 is accommodated.
  • On the outer housing 34 of the rotor 30, ribs 36 projecting into the chamber 32 are provided.
  • the rotor 30 has a bearing that is maintenance-free and does not require any lubricant to operate, so that no lubricant can get into the refrigerant circuit.
  • the bearing is, for example, a magnetic bearing 38, as shown on the lower half of the rotor 30, or a so-called gas bearing 40, as shown on the upper half of the rotor 30.
  • Other, more conventional bearings can also be used. Are advantageous in this
  • Encapsulated bearings. 42 denotes a gas supply line and 44 a shaft extension of the rotor 30.
  • the refrigerant passes from the evaporator 18 into the chamber 32 via a refrigerant supply line 46, where it is carried along by the ribs 36, transported to the outside due to the centrifugal force and via the inlet 28 into the pitot tube 24 and via a line and with a high level Pressure reaches the condenser 14.
  • the advantages of a turbocompressor can also be used with a low mass flow and a high pressure difference in an air conditioning system for a motor vehicle.
  • the installation space of a pitot tube compressor without a drive motor for an air conditioning system of a motor vehicle should be about 20 to 50% larger in diameter and about half as long in length as the axial piston compressors previously used.
  • the rotor should move at 10,000 to 50,000 revolutions / minute, typical speeds should be in the range of 20,000 to 35,000 / mi ⁇ . Other dimensions and speeds are possible.
  • blower 22 transmission gear

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, sieht vor, als Verdichter einen Staurohrverdichter (12) vorzusehen. Damit werden Pulsationen im Ansaugstrang und im Druckgasstrang vermieden. Der Staurohrverdichter (12) erzielt gute Leistungen auch bei einem geringen Massenstrom und bei einer hohen Druckdifferenz und wird vorzugsweise durch einen Elektromotor (30) angetrieben. Ferner wird eine entsprechend mit einem Staurohrverdichter (12) versehene Kälteanlage beschrieben.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage sowie Kälteanlage
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere eine in einem motorisch angetriebenen Fortbewegungsmittel untergebrachte Kälteanlage, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem wenigstens ein Verdichter angeordnet ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Verdichter angeordnet ist.
Bei Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen werden heutzutage ausschließlich Verdichter eingesetzt, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Gebräuchlich sind dabei vor allem mehrzylindrige Axialkolbenverdichter, Flügelzellenverdichter und sogenannte Scrollverdichter. Diese Verdichter führen priπzipbedingt zu Pulsatio- nen im Ansaugstraπg und Druckgasstrang, die sich als unerwünschtes Geräusch in den Fahrgastraum übertragen können. Um dies zu verhindern, ist zum Teil ein erheblicher baulicher und konstruktiver Aufwand erforderlich. Darüber hinaus ist die Anzahl der bewegten Teile der Verdichter relativ hoch, und die Verdichter erfordern eine exakte Schmierung an den bewegten Verdichterteilen. Öl zur Schmierung dieser bewegten Verdichterteile gelangt aber zwangsläufig in den Kältemittelkreislauf, wo es den Wärmeübergang sowohl im Verdampfer a ls auch im Verflüssiger verschlechtert, was wiederum die zum Antrieb der Kälteanlage erforderliche Leistung erhöht.
Bei stationären Kälteanlagen, die mehrere hundert Kilowatt bis einige Megawatt Kälteleistung erzielen, sind Turboverdichter im Einsatz, die als Strömungsmaschinen den Kältemittelmassenstrom kontinuierlich verdichten, so daß Pulsationen nicht auftreten. Allerdings werden diese Turboverdichter bislang nicht für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen verwendet, denn bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen sind nur relativ geringe Masseπströme bei allerdings hohen Druckdifferenzen erforderlich, was für einen Turboverdichter untypisch ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge zu schaffen, durch das selbst bei geringen Mas- seπströmen Pulsationen im Ansaugstrang und Druckgasstrang vermieden werden können. Zudem soll eine Kälteanlage geschaffen werden, die mit einem Verdichter arbeitet, welcher aus wenigen Teilen zusammengesetzt ist und ebenfalls keine Pulsationen im Ansaugstrang und Druckgasstrang erzeugt. Anzustreben ist ferner ein Verdichter, der durch sein Prinzip für eine ölfreie Ausführung gut geeignet ist.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Verdichter ein Staurohrverdichter im Kältemittelkreislauf verwendet wird bzw. bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage ein Staurohrverdichter im Kältemittelkreislauf angeordnet ist.
Ein Staurohrverdichter, auch Zentrifugal- oder Pitotpumpe genannt, nutzt neben der Druckerhöhung durch Zentrifugalkraft auch den Staudruck. Eine Kälteanlage mit einem Staurohrverdichter weist die Vorteile des Einsatzes eines Turboverdich- ters auch bei geringem Massenstrom und hoher Druckdifferenz auf. Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäße Kälteanlage vorzugsweise als Kraftfa rzeug- Klimaanlage eingesetzt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren für die Fahrzeugaπwen- dung als Kältemittel R134a oder C02 verwendet. Andere Kältemittel vorzugsweise mit hohem Molekulargewicht können ebenfalls eingesetzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der Staurohrverdichter einen Rotor aufweist, welcher sich durch eine Lagerung auszeichnet, die keine Zufuhr von Schmiermittel erfordert. Damit kann der Kältemittelkreislauf frei von Schmiermittel bleiben, was den Wärmeübergang im Verdampfer und im Verflüssiger verbessert. Hierzu ist vorzugsweise eine Gas- oder Magπetlagerung oder die Verwendung von gekapselten, dauergeschmierten Lagern vorgesehen.
Als Antrieb des Staurohrverdichters sieht die Erfindung vorzugsweise einen Elektromotor vor. Dieser kann hochdrehend ausgebildet und ohne Übersetzungsgetriebe, das heißt unmittelbar mit dem Rotor des Staurohrverdichters verbunden sein. Die andere Möglichkeit besteht darin, zwischen Elektromotor und Rotor ein Übersetzungsgetriebe vorzusehen, damit die hohe Drehzahl des Rotors, die für eine ausreichende Leistung notwendig ist, erreicht wird. Gegebenenfalls kommt dann auch ein konventionell mechanischer Antrieb über die Getriebeeingangsweilen infrage.
Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug ge- nommen wird. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der mit dem erfindungsgemäßeπ Verfahren betrieben wird, und
Figur 2 eine schematische Ansicht des bei der Kälteanlage in Figur 1 eingesetzten Staurohrverdichters.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist eine Kälteanlage, z. B. eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mittels ihres Kältemittelkreislaufs dargestellt. Die Kälteanlage wird nicht mechanisch, sondern elektrisch mittels eines hochdrehenden Elektromotors 10 angetrieben. Damit ist die Kälteanlage unabhängig von der Drehzahl des Motors und arbeitet auch dann, wenn der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs ausgeschaltet ist.
Der Elektromotor 10, z. B. ein bürstenloser, mit Permanentmagneten ausgestat- teter Gleichstrommotor, treibt einen Staurohrverdichter 12 an, welcher in Figur 2 näher gezeigt ist. Neben dem Staurohrverdichter sind im Kältemittelkreislauf ein Verflüssiger 14, eine Expansionsvorrichtung 16, ein Verdampfer 18 und ein Gebläse 20 für den Verdampfer vorgesehen.
Anstelle des hochdrehenden, unmittelbar mit dem Staurohrverdichter verbundenen Elektromotors 10 kann auch ein Elektromotor mit geringerer Maximaldrehzahl vorgesehen sein. In diesem Fall wird jedoch zwischen Staurohrverdichter 12 und Elektromotor 10 ein Übersetzungsgetriebe 22, vorzugsweise ein Planeten getriebe, angeordnet.
Als Kältemittel werden für die Kfz- Anwendung entweder R134a oder vorzugsweise C02 im Kältemittelkreislauf verwendet. Andere Kältemittel können ebenfalls eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt den Staurohrverdichter 12 detaillierter. Der Staurohrverdichter weist ein Staurohr 24 auf, welches einen längs der Drehachse A verlaufenden Abschnitt sowie einen rechtwinklig abgewinkelten Abschnitt 26 mit einer Einlaßöffnu ng 28 hat. Das Staurohr 24 ist stationär, dreht sich also nicht. Um das Staurohr, insbesondere den abgewinkelten Abschnitt 26 herum, ist ein Rotor 30 angeordnet, der eine innere Kammer 32 aufweist, in der das Staurohr 24 untergebracht ist. Am Außengehäuse 34 des Rotors 30 sind in die Kammer 32 vorstehende Rippen 36 vorgesehen. Der Rotor 30 weist ein Lager auf, das wartungsfrei ist und kein Schmiermittel zum Betrieb erfordert, so daß auch kein Schmiermittel in den Kältemittelkreislauf gelangen kann. Das Lager ist beispielsweise ein Magπetiager 38, wie an der unteren Hälfte des Rotors 30 dargestellt, oder ein sogenanntes Gaslager 40, wie an der oberen Hälfte des Rotors 30 dargestellt. Andere, konventionel- lere Lager können ebenfalls eingesetzt werden. Vorteilhaft sind in diesem
Zusammenhang gekapselte Lager. 42 bezeichnet eine Gaszuführleitung und 44 einen Wellenfortsatz des Rotors 30.
Im Betrieb gelangt über eine Kältemittelzuführleitung 46 das Kältemittel vom Ver- dampfer 18 in die Kammer 32, wo es durch die Rippen 36 mitgenommen, aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen transportiert wird und über den Einlaß 28 in das Staurohr 24 und über eine Leitung und mit hohem Druck zum Verflüssiger 14 gelangt.
Indem die Kälteanlage mit einem Staurohrverdichter betrieben wird, lassen sich die Vorteile eines Turboverdichters auch bei einem geringen Massenstrorn und einer hohen Druckdifferenz in einer Klimaπlage für ein Kraftfahrzeug nutzen. Der Bauraum eines Staurohrverdichters ohne Antriebsmotor für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs dürfte etwa im Durchmesser 20 bis 50 % größer als und in der Länge etwa halb so groß sein wie bislang verwendete Axialkolbenverdichter.
Der Rotor sollte sich im Betrieb mit 10000 bis 50000 Umdrehungen/Minute bewegen, wobei typische Drehzahlen im Bereich 20000 bis 35000/miπ liegen dürften. Andere Abmessungen und Drehzahlen sind möglich. Bezuσszeichenliste
10: Elektromotor 12: Staurohrverdichter
14: Verflüssiger
16: Expansioπsvorrichtung
18: Verdampfer
20: Gebläse 22: Übersetzungsgetriebe
24: Staurohr 6: Abschnitt 8: Einlaßöffnung 0: Rotor 2: Kammer 4: Außengehäuse 6: Rippen
38: Magnetlager 0: Gaslager 2: Gaszuführleitung 4: Wellenfortsatz 6: Kühlmittelzuführleitung

Claims

- 7 -Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere einer Kälteanlage in einem motorisch angetriebenen Fortbewegungsmittel, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem wenigstens ein Verdichter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdichter ein Staurohrverdichter (12) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteanlage der Klimatisierung des Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kälte¬ mittel R134a oder C02 verwendet wird.
4. Kälteanlage, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem wenigstens ein Verdichter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter ein Staurohrverdichter (12) ist.
5. Kälteanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteanlage eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs ist.
6. Kälteanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Staurohrverdichter (12) einen Rotor (30) mit einer kein Schmiermittel erfordernden Lagerung aufweist.
7. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (30) eine Lagerung mit gekapselten, dauergefetteten Lagern, eine Gaslagerung (40) oder Magnetlagerung (38) aufweist.
8. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (10) als Antrieb des Staurohrverdichters (12).
9. Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (10) hochdrehend und unmittelbar mit dem Rotor (30) des Staurohrverdichters
(12) verbunden ist.
10. Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektromotor (10) oder einem Direktantrieb und zwischen dem Rotor (30) des Staurohrverdichters (12) ein Übersetzungsgetriebe (22) geschaltet ist.
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