WO2003098128A1 - Kältemaschine - Google Patents

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WO2003098128A1
WO2003098128A1 PCT/EP2003/005295 EP0305295W WO03098128A1 WO 2003098128 A1 WO2003098128 A1 WO 2003098128A1 EP 0305295 W EP0305295 W EP 0305295W WO 03098128 A1 WO03098128 A1 WO 03098128A1
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compressor
turbine
chiller according
gear
electric motor
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PCT/EP2003/005295
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English (en)
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Inventor
Walter Dolzer
Original Assignee
M-Tec Mittermayr Gmbh
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Priority to EP03732428A priority patent/EP1506366A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
    • F25B11/02—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines as expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/18—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with similar tooth forms
    • 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
    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
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    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/04—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type
    • F25B1/047—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type of screw type
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
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    • F25B2400/074—Details of compressors or related parts with multiple cylinders
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    • F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit

Definitions

  • the invention relates to a refrigerator according to the preamble of claim 1.
  • a refrigerator is already known from US 5,515,694 A and US 2,494,120 A.
  • a feedback of the rotary movement of the expansion turbine to the drive of the compressor is provided, according to US 5,515,694 A an electric motor is provided to drive the compressor, which is driven by the expansion turbine.
  • Conventional expansion turbines are used according to US 5,515,694 A and US 2,494,120 A. In the usual expansion turbines, in which a paddle wheel is driven by a nozzle, however, only the flow energy emerging from the nozzle is converted into mechanical energy, so that such an expansion turbine has a low efficiency. In addition, it is voluminous and expensive.
  • the object of the invention is to increase the efficiency of a refrigerator.
  • the expansion turbine is formed by a gear turbine. According to the invention, about half of the energy released by the evaporator can thus be recovered.
  • a feedback of the rotary movement of the gear turbine to the drive of the compressor is preferably provided. In this way, a portion, namely approximately half of the drive energy applied for the compressor is returned to the mechanical drive of the compressor.
  • the energy balance of the The chiller thus increases from an average of 1: 3 to 1: 6. This means that in a compressor driven by an electric motor, 6 kW-hours of thermal energy are obtained from 1 kW-hour of electrical energy for the motor of the compressor.
  • the pressure reduction in the gear turbine thus takes place in the rotating gear gaps.
  • the pressurized liquid refrigerant or working fluid fills the individual revolving gear wheel gaps of the two sealing gears in the engagement area and turns them towards the evaporator, releasing an external torque, so that the liquid working fluid can suddenly relax after leaving the engagement area of the two gear wheels.
  • the work equipment is therefore relaxed without significant friction losses.
  • a gear turbine has a compact, inexpensive structure.
  • the gear turbine is preferably arranged in the housing of the throttle element through which the working medium flows, as a result of which the lubrication and sealing is unproblematic.
  • the housing only needs to be sealed to the outside at the connection to the pressure area and, if the rotational movement of the expansion turbine is fed back by a gear, to the output shaft of the expansion turbine or the gear.
  • a mechanical seal is preferably used to seal the output shaft.
  • the mechanical seal which is preferably loaded by a spring, can be provided on an inner part which is flange-mounted, for example, on the housing of the throttle element via a seal.
  • the housing of the throttle body is preferably made of plastic.
  • a coupling is preferably provided between the expansion turbine and the drive of the compressor. In order to prevent the expansion turbine from braking the compressor when the compressor rotates rapidly, the clutch can have a freewheel device. The mechanical drive power of the expansion turbine is delivered directly to the compressor via the clutch.
  • the compressor can be driven by an asynchronous electric motor. If the asynchronous motor is driven by the expansion turbine, the slip of the asynchronous motor is significantly reduced compared to the synchronous speed, which reduces the power consumption of the asynchronous motor accordingly.
  • the refrigeration machine according to the invention preferably has a control device in order to adapt the flow rate of the working medium through the expansion turbine to the desired pressure and / or the desired temperature of the working medium.
  • This regulation to the target pressure and / or target temperature can be achieved according to the invention in various ways.
  • the flow rate of the working fluid depends on the speed of the expansion turbine and this on the gear ratio of the output in mechanical connection to the compressor.
  • a control option with a large control range thus exists through a continuous change in the reduction ratio of the gear turbine for driving the compressor. All the usual stepless reduction options on a mechanical or hydrostatic basis come into question.
  • a magnetic, electromagnetic, hydraulic or pneumatic feedback of the rotary movement of the gear turbine on the Drive of the compressor may be provided.
  • a hydraulic or pneumatic pump can be driven by the gear turbine, which can be arranged in the throttle body. This means that only lines have to be routed to the outside, that is to say no output shafts or similar rotating components, so that there is no need for shaft sealing.
  • the hydraulic or pneumatic pump can then drive, for example, a hydraulic or pneumatic motor to drive the electric motor of the compressor.
  • the gearbox can also be designed so that the reduction between the high-speed gear turbine and the compressor drive can swing back and forth between two fixed reductions.
  • a clutch that can be switched under load is used to switch from low to high gear ratio and vice versa, depending on the need for readjustment.
  • a current generator can also be provided as a solution that is advantageous in terms of control technology. So that, as described above in connection with the hydraulic or pneumatic pump, the need for a shaft seal is eliminated, the current generator is preferably arranged in the throttle valve housing. Such small-sized generators with high efficiency, for example with electronic commutation, are commercially available.
  • the refrigerator according to the invention can also be used as a heat pump. Accordingly, the protection of the invention also extends to a heat pump according to claim 1 is formed, wherein the heat pump can be configured by the measures of the subclaims.
  • Modern heat pumps with an output of more than 1 kW are often already operated with a frequency converter for power adjustment in order to avoid the uneconomical frequent start-up during on / off operation.
  • Such frequency converters are normally described with a DC link.
  • the expansion turbine can drive at high speed and therefore a very compact three-phase generator with permanent magnetic excitation.
  • a single or multi-phase diode bridge circuit can be used as a rectifier.
  • the DC voltage stabilized with a capacitor can then preferably be modulated by the generator via a control circuit for adaptation to the set pressure and / or the set temperature pulse widths via an electronic switch, e.g. MOSFET transistor or tyristor, are connected to the existing DC link.
  • the electric motor for driving the compressor is driven by the gear turbine, the motor shaft of the electric motor driving a compressor turbine which supports the compressor in liquefying the working medium and is preferably also designed as a gear turbine.
  • the one gear wheel of the expansion turbine designed as a gear turbine can also be fastened and loaded on the shaft of the electric motor, which is preferably designed as a stepper motor. be annoyed.
  • a standard two-phase bipolar stepper motor can be used.
  • the gearwheel of the compressor turbine designed as a gearwheel turbine is at the same time fastened and mounted on the motor shaft of the stepping motor, preferably on the side of the stepping motor opposite the expansion turbine.
  • the compressor turbine can be provided on the suction side of the compressor, preferably in the case of larger heat pumps or refrigeration machines with multi-cylinder piston compressors or with screw compressors.
  • a bypass line is preferably provided which bridges the compressor turbine and is provided with a check valve which prevents the working medium from flowing back via the bypass line.
  • the compressor turbine can be arranged parallel to the compressor, that is to say it can be connected on the one hand to the suction side and on the other hand to the pressure side of the compressor.
  • Single-cylinder piston compressors generate a flow of working fluid that is strongly pulsating on the pressure side. These pressure gaps are filled by the compressor turbine arranged in parallel. This significantly increases the efficiency of the entire system.
  • a check valve is provided between the pressure side of the compressor and the compressor turbine.
  • the working fluid on the pressure side can be fed into a nozzle like a water jet pump enter an enlarged pipe to which the compressor turbine is connected on its pressure side.
  • a further significant increase in the guide number can be achieved by resonance tuning of the lines of the refrigerator.
  • the expansion turbine, the compressor turbine and the electric motor are preferably integrated in the housing of the compressor.
  • a stepper motor control for expansion adjustment is preferably provided, which forms an essential part of the expansion feedback.
  • the stepper motor is designed as a bipolar, two-phase wound stepper motor with a generator winding and a brake winding.
  • a rectifier for converting the generator voltage is also provided.
  • a capacitor is provided to stabilize the generator voltage or DC voltage.
  • the positive or negative pole of the rectifier is connected to the negative or positive pole of the rectifier via a control device and the brake winding, the control device being thermally conductively connected to the working medium downstream of the expansion turbine and / or upstream of the compressor turbine.
  • the control device can be formed by at least one NTC (negative temperature coefficient) resistor which is thermally conductively connected to the working medium downstream of the expansion turbine or upstream of the compressor turbine, and by at least one fixed resistor.
  • NTC negative temperature coefficient
  • the resistance decreases with increasing temperature. As a result, more current flows into the brake winding according to the principle of the DC brake.
  • a trimming potentiometer can be provided between the rectifier and the control device or the fixed resistor in order to intervene in the control loop.
  • a simple digital control device with the bipolar, two-phase wound stepper motor with generator winding and brake winding is also possible through pulse-width modulation with conventional simple trigger components, such as a trigger diode, in particular an SBS element or integrated circuit, and with a temperature sensor that is thermally conductive the working medium downstream of the gear turbine or upstream of the compressor turbine.
  • a particularly simple temperature control is achieved with the bipolar, two-phase weighted stepper motor using a temperature switch.
  • Fig. 1 shows schematically a refrigeration pump
  • the throttle element of the refrigerating machine according to FIG. 1 designed as a gear turbine, with a throttle element housing partially cut away, or one Longitudinal section along the line III-III in Fig. 2;
  • FIG. 5 is a partially sectioned view of an electric motor with an expansion turbine and a compressor turbine;
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through the expansion turbine along the line V-V in FIG. 4;
  • FIG. 7 shows a side view of the compressor turbine according to FIG. 5;
  • Fig. 9 shows the circuit of the stepper motor and the control device.
  • the working fluid is liquefied with a compressor 1, which is designed as a piston compressor 4 equipped with valves 2, 3 and driven by an electric motor 5, and is supplied via line 6 to the condenser 7 designed as a heat exchanger, in which the condenser is connected to a high temperature heated liquid working fluid releases its heat to the environment, for example via the pipe coil 8.
  • the condenser 7 is connected via a line 9 to a throttle element 10, via which the cooled liquid working fluid expands into the evaporator 11.
  • the heat of evaporation necessary for this is the ambient air which passes through the evaporator 11 designed as a heat exchanger according to the arrows 12 and 13. flows, withdrawn, whereupon the gaseous working medium is returned to the compressor 1 according to arrow 14 in the circuit.
  • the throttle element 10 is designed as a gear turbine 15.
  • two roller-shaped gear wheels 16, 17, which mesh in the area 18, are rotatably mounted in a turbine housing 19.
  • a pipe socket 21 is connected, which with the line 9 connected to the condenser 7 e.g. is connected via a screw connection 20.
  • the gear turbine 15 is arranged in the housing 22 of the throttle element 10.
  • the housing 22 is penetrated on one side by the pipe socket 21.
  • the other end of the housing 22 is connected to the evaporator 11.
  • a pinion 24 is attached, which meshes with the gear 25 for reduction.
  • the gear 25 52 with two intermeshing gears 53, 54 and 55, 56, which can also be made of plastic.
  • Channels 58, 59 are provided in the housing 51.
  • the channels 58, 59 in the housing 51 connect the lines 63, 64 to the engagement area of the gear wheels 55, 56 on one or the other side.
  • Line 63 is connected to line 9 and line 64 to line 38 (FIG. 4).
  • the lines 41 and 42 are connected via corresponding channels in the housing 52 to the engagement area of the gear wheels 55, 56 on one side and on the other side (FIGS. 4 and 7).
  • the channels in the housing plates 51, 52 are closed on the outside by the plates 65 and 66 and on the inside by the plate-shaped sections 67, 68 of the motor mount 69.
  • the gear 55 of the expansion turbine 48 is fastened and supported on the motor shaft 49 of the electric motor 5 designed as a stepper motor.
  • the gear 53 of the compressor turbine 40 is fastened and supported on the motor shaft 49 on the other side of the electric motor 5.
  • the compressor turbine 40, the expansion turbine 48 and the electric motor 5 can be integrated in the housing of the piston compressor 4.
  • the lines 41 and 42 of the compressor turbine 40 can run internally in this housing, while the lines 63, 64 are led outwards and are connected to the lines 9 and 38, respectively.
  • the electric motor 5 is designed as a bipolar, two-phase wound stepper motor with a generator winding 70 and a brake winding 71, a diode rectifier 72 being provided for converting the generator voltage.
  • the DC voltage is stabilized with a capacitor 73.
  • the positive pole of the rectifier 72 is connected via a switch 74 with a trimmer potentiometer 75 to a combination of a fixed resistor 76 and two NTC resistors 77 connected in series with the brake winding 71 to the negative pole of the rectifier 72 and the condensate 73.
  • the NTC resistors 77 are thermally conductively connected to the working medium in the line 41 of the compressor turbine 40 via the line 78 and thus bring about a DC braking by the brake winding 71 of the stepping motor 5 when the temperature of the working medium in the line 41 increases too much
  • Control line 78 may be connected to the working medium in line 38 (FIG. 4).
  • the trim potentiometer 75 can be used to exert an arbitrary influence on the control loop.
  • the entire control circuit can be interrupted with the switch 74. If this switch 74 is connected as a bimetallic thermal switch in a heat-conducting manner to the line to be checked, it already acts as a two-point controller and the components 75, 76, 77 and 78 can be omitted.

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Abstract

Eine Kältemaschine weist einen Verdichter (1) zum Verdichten eines Arbeitsmittels auf, das über eine Zahnradturbine (15) in einem Verdampfer (11) expandiert.

Description

Kältemaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Kältemaschine ist bereits aus US 5,515,694 A und US 2,494,120 A bekannt. Während nach US 2,494,120 A eine Rückkopplung der Drehbewegung der Expansionsturbine auf den Antrieb des Verdichters vorgesehen ist, wird nach US 5,515,694 A zum Antrieb des Verdichters ein Elektromotor vorgesehen, der von der Expansionsturbine angetrieben wird. Dabei werden nach US 5,515,694 A und US 2,494,120 A übliche Expansionsturbinen verwendet. Bei den üblichen Expansionsturbinen, bei denen ein Schaufelrad von einer Düse angetrieben wird, wird jedoch nur die aus der Düse austretende Strömungsernergie in mechanische Energie umge- wandlet, sodass eine solche Expansionsturbine einen geringen Wirkungsgrad besitzt. Darüber hinaus ist sie voluminös und kostspielig .
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Kältemaschine zu erhöhen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Expansionsturbine durch eine Zahnradturbine gebildet wird. Damit kann erfindungsgemäß etwa die Hälfte der vom Verdampfer ausgebrachten Energie zurückgewonnen werden.
Vorzugsweise ist eine Rückkopplung der Drehbewegung der Zahnradturbine auf den Antrieb des Verdichters vorgesehen. Damit wird ein Teil, und zwar etwa die Hälfte der aufgebrachten Antriebsenergie für den Verdichter wieder zum mechanischen Antrieb des Verdichters zurückgeführt. Die Energiebilanz der Kältemaschine steigt dadurch von durchschnittlich 1:3 auf 1:6. Das heißt, bei einem von einem Elektromotor angetriebenen Verdichter werden aus 1 kW-Stunde elektrischer Energie für den Motor des Verdichters 6 kW-Stunden Wärmeenergie gewonnen.
Der Druckabbau in der Zahnradturbine erfolgt damit in den sich drehenden Zahnradlücken. Das unter Druck stehende flüssige Kälte- oder Arbeitsmittel füllt die einzelnen umlaufenden Zahnradlücken der beiden im Eingriffsbereich abdichtenden Zahnräder und dreht dieselben unter Abgabe eines nach außen geführten Drehmoments in Richtung Verdampfer, sodass sich der flüssige Arbeitsmittel nach Verlassen des Eingriffsbereichs der beiden Zahnräder schlagartig entspannen kann. Das Entspannen des Arbeitsmittels erfolgt damit ohne wesentliche Reibungsverluste .
Zudem weist eine Zahnradturbine einen kompakten kostengünstigen Aufbau auf .
Die Zahnradturbine wird vorzugsweise in dem Gehäuse des von dem Arbeitsmittel durchströmten Drosselorgans angeordnet, wodurch die Schmierung und Abdichtung unproblematisch ist. So braucht das Gehäuse nach außen lediglich an dem Anschluss an den Druckbereich und, wenn die Rückkopplung der Drehbewegung der Expansionsturbine durch ein Getriebe erfolgt, an der Abtriebswelle der Expansionsturbine bzw. des Getriebes abgedichtet zu werden. Zur Abdichtung der Abtriebswelle wird vorzugsweise eine Gleitringdichtung verwendet. Die vorzugsweise durch eine Feder belastete Gleitringdichtung kann an einem Innenteil vorgesehen sein, das beispielsweise über eine Dichtung an dem Gehäuse des Drosselorgans angeflanscht ist . Das Gehäuse des Drosselorgans besteht vorzugsweise aus Kunststoff. Zwischen der Expansionsturbine und dem Antrieb des Verdichters ist vorzugsweise eine Kupplung vorgesehen. Um zu verhindern, dass bei schnellem Umlauf des Verdichters die Expansionsturbine den Verdichter bremst, kann die Kupplung eine Freilaufeinrichtung aufweisen. Über die Kupplung wird die mechanische Antriebsleistung der Expansionsturbine direkt an den Verdichter abgegeben.
Der Verdichter kann durch einen asynchronen Elektromotor angetrieben sein. Wenn der asynchrone Motor durch die Expansionsturbine angetrieben wird, wird der Schlupf des Asynchronmotors im Vergleich zur Synchrondrehzahl wesentlich reduziert, wodurch der Stromverbrauch des Asynchronmotors entsprechend herabgesetzt wird.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Kältemaschine eine Regeleinrichtung auf, um die Durchflussmenge des Arbeitsmittels durch die Expansionsturbine an den Solldruck und/oder die Solltemperatur des Arbeitsmittels anzupassen.
Diese Regelung auf Solldruck und/oder Solltemperatur lässt sich erfindungsgemäß auf verschiedene Art und Weise erreichen.
Die Durchflussmenge des Arbeitsmittels ist von der Drehzahl der Expansionsturbine abhängig, und diese von dem Übersetzungsverhältnis des Abtriebs in mechanischer Verbindung zum Verdichter.
Eine Regelmöglichkeit mit großem Regelbereich besteht damit durch eine stufenlose Veränderung der Untersetzung der Zahnradturbine zum Antrieb des Verdichters. Dabei kommen alle üblichen stufenlosen Untersetzungsmöglichkeiten auf mechanischer oder hydrostatischer Basis in Frage. Zudem kann eine magnetische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Rückkopplung der Drehbewegung der Zahnradturbine auf den Antrieb des Verdichters vorgesehen sein. So kann von der Zahnradturbine eine hydraulische oder pneumatische Pumpe angetrieben werden, die im Drosselorgangehäuse angeordnet sein kann. Damit brauchen nach außen nur Leitungen durchgeführt zu werden, also keine Abtriebswellen oder dergleichen sich drehenden Bauteile, sodass die Notwendigkeit einer Wellenabdichtung entfällt. Die hydraulische oder pneumatische Pumpe kann dann beispielsweise einen Hydraulik- oder Pneumatikmotor zum Antrieb des Elektromotors des Verdichters antreiben.
Das Getriebe kann auch so gestaltet werden, dass die Untersetzung zwischen der hochtourigen Zahnradturbine und dem Verdichterantrieb zwischen zwei festen Untersetzungen hin- und herpendeln kann. Über eine unter Last schaltbare Kupplung wird je nach Nachregelbedürfnis von der niederen auf die hohe Untersetzung umgeschaltet und umgekehrt.
Dadurch wird eine einfache Zweipunktregeleinrichtung gebildet, die für den Nachregelungsbedarf bei Kältemaschinen im unteren Leistungsbereich ausreichend ist.
Zur elektromagnetischen Rückkopplung der Drehbewegung der Zahnradturbine auf den Elektromotor des Verdichters kann auch ein Stromgenerator als regeltechnisch vorteilhafte Lösung vorgesehen sein. Damit, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Hydraulik bzw. Pneumatikpumpe beschrieben, die Notwendigkeit einer Wellenabdichtung entfällt, ist der Stromgenerator vorzugsweise in dem Drosselorgangeh use angeordnet. Derartige kleindimensionierte Generatoren mit hohem Wirkungsgrad beispielsweise mit elektronischer Kommutierung sind im Handel erhältlich.
Die erfindungsgemäße Kältemaschine kann auch als Wärmepumpe eingesetzt werden. Demgemäß erstreckt sich der Schutz der Erfindung auch auf eine Wärmepumpe, die nach dem Anspruch 1 ausgebildet ist, wobei die Wärmepumpe durch die Maßnahmen der Unteransprüche ausgestaltet sein kann.
Moderne Wärmepumpen über 1 kW Leistung werden heute bereits häufig mit einem Frequenzwandler zur Leistungsanpassung betrieben, um das unwirtschaftliche häufige Hochstarten beim Ein-/Aus-Betrieb zu vermeiden. Solche Frequenzwandler werden im Normalfall mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis beschrieben. Die Expansionsturbine kann hochtourig und dadurch einen sehr kompakt ausgeführten Drehstromgenerator mit permanentmagnetischer Erregung antreiben. Eine ein- oder mehrphasige Dioden-Brückenschaltung kann als Gleichrichter eingesetzt werden. Die mit einem Kondensator stabilisierte Gleichspannung kann vom Generator über eine Regelschaltung zur Anpassung an den Solldruck und/oder die Solltemperatur dann vorzugsweise Impulsbreiten moduliert über einen elektronischen Schalter, z.B. MOSFET-Transistor oder Tyristor, auf den bereits vorhandenen Gleichspannungs-Zwischenkreis geschaltet werden.
Zur Regelung der erfindungsgemäßen Kältemaschine, also um die Durchflussmenge des Arbeitsmittels durch die Expansionsturbine an den Solldruck und/oder die Solltemperatur des Arbeitsmittels anzupassen, hat sich eine weitere Ausführungsform mit integriertem elektrischen Regelkreis ohne eigenen Energiebedarf als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Dabei wird der Elektromotor zum Antrieb des Verdichters mit der Zahnradturbine angetrieben, wobei die Motorwelle des E- lektromotors eine Verdichterturbine antreibt, die den Verdichter beim Verflüssigen des Arbeitsmittels unterstützt und vorzugsweise ebenfalls als Zahnradturbine ausgebildet ist.
Das eine Zahnrad der als Zahnradturbine ausgebildeten Expansionsturbine kann auch auf der Welle des vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotors befestigt und gela- gert sein. Dabei kann ein handelsüblicher Schrittmotor in zweiphasig bipolarer Ausführung verwendet werden. Auf der Motorwelle des Schrittmotors ist zugleich das Zahnrad der als Zahnradturbine ausgebildeten Verdichterturbine befestigt und gelagert, vorzugsweise auf der der Expansionsturbine gegenüberliegenden Seite des Schrittmotors.
Die Verdichterturbine kann dabei auf der Saugseite des Verdichters vorgesehen sein, und zwar vorzugsweise bei größeren Wärmepumpen oder Kältemaschinen mit mehrzylindrigen Kolbenverdichtern oder mit Schraubenverdichtern.
Dabei ist vorzugsweise eine Bypass-Leitung vorgesehen, die die Verdichterturbine überbrückt und mit einem Rückschlagventil versehen ist, das verhindert, dass der Arbeitsmittel über die Bypass-Leitung zurückströmt.
Bei kleineren Kältemaschinen mit einzylindrigem Kolbenverdichter kann die Verdichterturbine parallel zum Verdichter angeordnet, also einerseits an die Saugseite und andererseits an die Druckseite des Verdichters angeschlossen sein.
Einzylindrige Kolbenverdichter erzeugen einen im Druck stark pulsierenden Arbeitsmittelstrom auf der Druckseite. Durch die parallel angeordnete Verdichterturbine werden diese Drucklücken gefüllt. Dadurch wird eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades der gesamten Anlage erreicht .
Um ein Zurückströmen des Arbeitsmittels durch die parallel angeordnete Verdichterturbine zu verhindern, ist zwischen der Druckseite des Verdichters und der Verdichterturbine ein Rückschlagventil vorgesehen.
Um der Druckseite des Verdichters zusätzlich Arbeitsmittel zuzuführen, kann der Arbeitsmittel auf der Druckseite ähnlich wie das Wasser einer Wasserstrahlpumpe aus einer Düse in ein erweitertes Rohr eintreten, an das die Verdichterturbine auf ihrer Druckseite angeschlossen ist.
Durch eine Resonanzabstimmung der Leitungen der Kältemaschine kann eine weitere deutliche Steigerung der Leitzahl erreicht werden.
Die Expansionsturbine, die Verdichterturbine und der Elektromotor sind vorzugsweise in das Gehäuse des Verdichters integriert .
Ferner ist vorzugsweise eine Schrittmotorregelung zur Expansionsanpassung vorgesehen, die einen wesentlichen Teil der Expansionsrückkopplung bildet.
Dazu ist der Schrittmotor als bipolar zweiphasig gewickelter Schrittmotor mit einer Generatorwicklung und einer Bremswicklung ausgebildet. Ferner ist ein Gleichrichter zur Umwandlung der Generatorspannung vorgesehen. Zur Stabilisierung der Generatorspannung bzw. Gleichspannung ist ein Kondensator vorgesehen. Der Plus- oder Minuspol des Gleichrichters ist über eine Regeleinrichtung und die Bremswicklung mit dem Minus- bzw. Plus-Pol des Gleichrichters verbunden, wobei die Regeleinrichtung thermisch leitend stromabwärts der Expansionsturbine und/oder stromaufwärts der Verdichterturbine mit dem Arbeitsmittel verbunden ist.
Die Regeleinrichtung kann durch wenigstens einen NTC (negativer Temperaturkoeffizient) -Widerstand gebildet sein, der mit dem Arbeitsmittel thermisch leitend stromabwärts der Expansionsturbine bzw. stromaufwärts der Verdichterturbine verbunden ist, sowie durch wenigstens einen Festwiderstand. Bei einem NTC-Widerstand nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Dadurch fließt mehr Strom in die Bremswicklung nach dem Prinzip der Gleichstrombremse. Zudem kann zwischen dem Gleichrichter und der Regeleinrichtung bzw. dem Festwiderstand ein Trimmpotenziometer vorgesehen sein, um in den Regelkreis einzugreifen.
Da die Expansion des Arbeitsmittels - statt wie bisher analog in einem Drosselventil - erfindungsgemäß digital in den Zahnlücken der Zahnradturbine stattfindet, werden Wärmeverluste, wie bei der bisher üblichen analogen Drosselung durch Moleku- lar-Reibung, erfindungsgemäß weitgehend vermieden und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert . Die Turbinendrehzahl mal der Zähnezahl der ineinander greifenden Zahnräder geteilt durch 60 ergibt die Expansionsfrequenz. Diese Frequenz kann sich im kHz-Bereich bis über die menschliche Hörschwelle hinaus bewegen.
Eine einfache digitale Regeleinrichtung mit dem bipolar- zweiphasig gewickelten Schrittmotor mit Generatorwicklung und Bremswicklung ist kann auch durch eine impulsbreiten Modulation mit üblichen einfachen Trigger-Bauteilen, wie Triggerdiode, insbesondere SBS-Element oder integrierter Schaltung, sowie mit einem Temperaturfühler möglich, der thermisch leitend mit dem Arbeitsmittel stromabwärts der Zahnradturbine bzw. stromaufwärts des der Verdichterturbine verbunden ist. Eine besonders einfache Temperaturregelung wird mit dem bipolar zweiphasig gewichteten Schrittmotor durch einen Temperaturschalter erzielt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Kältepumpe; und
Fig. 2 und 3 das als Zahnradturbine ausgebildete Drosselorgan der Kältemaschine nach Fig. 1 mit teilweise weggeschnittenem Drosselorgangehäuse bzw. einen Längsschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 schematisch eine Kältemaschine mit Verdichterturbine;
Fig. 5 eine zum Teil geschnittene Ansicht eines Elektromotors mit einer Expansionsturbine und einer Verdichterturbine;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Expansionsturbine entlang der Linie V-V in Fig. 4;
Fig. 7 eine Seitenansicht auf die Verdichterturbine nach Fig. 5;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch die auf der Druckseite des Verdichters vorgesehene Düse;
Fig. 9 die Schaltung des Schrittmotors und der Regeleinrichtung.
Gemäß Fig. 1 wird der Arbeitsmittel mit einem Verdichter 1, der als mit Ventilen 2, 3 bestückter, von einem Elektromotor 5 angetriebener Kolbenkompressor 4 ausgebildet ist, verflüssigt und über die Leitung 6 dem als Wärmetauscher ausgebildeten Verflüssiger 7 zugeführt, in dem der auf eine hohe Temperatur erwärmte flüssige Arbeitsmittel seine Wärme z.B. über die Rohrschlange 8 an die Umgebung abgibt. Der Verflüssiger 7 ist über eine Leitung 9 an ein Drosselorgan 10 angeschlossen, über das der abgekühlte flüssige Arbeitsmittel in den Verdampfer 11 expandiert. Die hierzu notwendige Verdampfungswärme wird die Umgebungsluft, die den als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 11 gemäß den Pfeilen 12 und 13 durch- strömt, entzogen, worauf der gasförmige Arbeitsmittel dem Verdichter 1 gemäß dem Pfeil 14 im Kreislauf wieder zugeführt wird.
Gemäß Fig. 2 und 3 ist das Drosselorgan 10 als Zahnradturbine 15 ausgebildet. Dazu sind zwei walzenförmige Zahnräder 16, 17, die im Bereich 18 ineinandergreifen, in einem Turbinengehäuse 19 drehbar gelagert. An den Einlass der Expansionsturbine 15 ist ein Rohrstutzen 21 angeschlossen, der mit der an den Verflüssiger 7 angeschlossenen Leitung 9 z.B. über eine Schraubverbindung 20 verbunden ist.
Die Zahnradturbine 15 ist in dem Gehäuse 22 des Drosselorgans 10 angeordnet. Das Gehäuse 22 wird dazu an einer Seite von dem Rohrstutzen 21 durchsetzt. Das andere Ende des Gehäuses 22 ist an den Verdampfer 11 angeschlossen.
An der Welle 23 des Zahnrades 16 ist ein Ritzel 24 befestigt, das zur Untersetzung mit dem Zahnrad 25 kämmt. Das Zahnrad 25 52 mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern 53, 54 und 55, 56, die ebenfalls aus Kunststoff bestehen können. In dem Gehäuse 51 sind Kanäle 58, 59 vorgesehen. Die Kanäle 58, 59 in dem Gehäuse 51 verbinden die Leitungen 63, 64 mit dem Eingriffsbereich der Zahnräder 55, 56 auf der einen bzw. anderen Seite. Die Leitung 63 ist dabei an die Leitung 9 und die Leitung 64 an die Leitung 38 angeschlossen (Fig. 4) .
Die Leitungen 41 und 42 sind über entsprechende Kanäle in dem Gehäuse 52 mit dem Eingriffsbereich der Zahnräder 55, 56 auf der einen bzw. auf der anderen Seite verbunden (Fig. 4 und 7) .
Durch die Platten 65 und 66 werden die Kanäle in den Gehäuseplatten 51, 52 an der Außenseite verschlossen und durch die plattenförmigen Abschnitte 67, 68 der Motorhaiterung 69 an der Innenseite. Das Zahnrad 55 der Expansionsturbine 48 ist an der Motorwelle 49 des als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotor 5 befestigt und gelagert. In gleicher Weise ist das Zahnrad 53 der Verdichterturbine 40 auf der Motorwelle 49 auf der anderen Seite des Elektromotors 5 befestigt und gelagert.
Die Verdichterturbine 40, die Expansionsturbine 48 und der Elektromotor 5 können dabei in das Gehäuse des Kolbenkompressors 4 integriert sein. Die Leitungen 41 und 42 der Verdichterturbine 40 können intern in diesem Gehäuse verlaufen, während die Leitungen 63, 64 nach aussen geführt und an die Leitung 9 bzw. 38 angeschlossen sind.
Gemäß Figur 9 ist der Elektromotor 5 als bipolarer, zweiphasig gewickelter Schrittmotor mit einer Generatorwicklung 70 und einer Bremswicklung 71 ausgebildet, wobei ein Diodengleichrichter 72 zur Umwandlung der Generatorspannung vorgesehen ist. Mit einem Kondensator 73 wird die Gleichspannung stabilisiert. Der Pluspol des Gleichrichters 72 ist über einen Schalter 74 mit einem Trimmerpotentiometer 75 an eine Kombination aus einem Festwiderstand 76 und zwei NTC- Widerständen 77 in Serienschaltung mit der Bremswicklung 71 zum Minuspol des Gleichrichters 72 und des Kondensat 73 geführt. Die NTC-Widerstände 77 sind über die Leitung 78 thermisch leitend mit dem Arbeitsmittel in der Leitung 41 der Verdichterturbine 40 verbunden und bewirken so eine Gleichstrombremsung durch die Bremswicklung 71 des Schrittmotors 5 bei einem zu starken Temperaturanstieg des Arbeitsmittels in der Leitung 41. Auch kann der Steuerleitung 78 mit dem Arbeitsmittel in der Leitung 38 (Fig. 4) verbunden sein.
Steigt die Verdampfer-Rücklauftemperatur in der Leitung 41 an, so reduziert sich der Widerstand der NTC-Widerstände 77, wodurch die Expansionsturbine 48 durch den auf derselben Welle 49 sitzenden Schrittmotor 5 mit der Bremswicklung 71 ent- sprechend abgebremst wird. Dadurch steigt die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 63 und 64 und die Verdampungstempera- tur wird soweit abgesenkt, bis wieder ein Gleichgewicht der Parameter hergestellt ist.
Durch das Trimmpontentiometer 75 kann ein willkürlicher Ein- fluss auf den Regelkreis ausgeübt werden. Mit dem Schalter 74 kann die ganze Regelschaltung unterbrochen werden. Wird dieser Schalter 74 als Bimetall-Thermoschalter wärmeleitend mit der zu kontrollierenden Leitung verbunden, so wirkt er bereits als Zweipunkt-Regler und die Bauteile 75, 76,77 und 78 können weggelassen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kältemaschine mit einem Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmittels, das über ein Drosselorgan in einem Verdampfer expandiert, wobei das Drosselorgan als eine durch das expandierende Arbeitsmittel angetriebene Expansionsturbine ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine durch eine Zahnradturbine (15) gebildet wird.
2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Zahnradturbine (15) auf den Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist .
3. Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 o- der 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Zahnradturbine (15) auf den Antrieb des Verdichters (1) ein Getriebe zwischen der Zahnradturbine (15) und dem Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist .
4. Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Regeleinrichtung zur Anpassung der Durchflussmenge des Arbeitsmittels durch die Zahnradturbine (15) an den Solldruck und/oder die Solltemperatur des Arbeitsmittels ausgebildet ist.
5. Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als stufenloses Getriebe ausgebildet ist .
6. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe ist.
7. Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe durch zwei feste unterschiedliche Untersetzungen eine Zweipunkt-Regeleinrichtung bildet.
8. Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung zwischen der Zahnradturbine (15) und dem Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist.
9. Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Zahnradturbine (15) auf den Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist .
10. Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb des Verdichters (1) ein Elektromotor (5) vorgesehen ist.
11. Kältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Zahnradturbine (15) auf den Elektromotor (5) des Verdichters (1) ein Stromgenerator vorgesehen ist.
12. Kältemaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) als Asynchronmotor ausgebildet ist .
13. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb des Elektromotors (5) ein Frequenz-Wandler vorgesehen ist.
14. Kältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) von der Zahnradturbine (15, 48) angetrieben wird.
15. Kältemaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichterturbine (40) zur Unterstützung des Verdichters (4) beim Verdichten des Arbeitsmittels vorgesehen ist, welche von der Motorwelle (49) des Elektromotors (5) angetrieben wird.
16. Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (40) in Serie vor dem Verdichter (4) als Vorverdichter angeordnet ist.
17. Kältemaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) ein mehrzylindriger Kolbenverdichter oder ein Schraubenverdichter ist.
18. Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (40) parallel zum Verdichter
(4) angeordnet ist.
19. Kältemaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein einzylindriger Kolbenverdichter
(4) ist.
20. Kältemaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel auf der Druckseite des Verdichters (4) aus einer Düse (46) in ein erweitertes Rohr (47) strömt, an das die Verdichterturbine (40) auf der Druckseite angeschlossen ist.
21. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (40) als Zahnradturbine ausgebildet ist.
22. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradturbine (48) und/oder die Verdichterturbine (40) und/oder der Elektromotor (5) in das Gehäuse des Verdichters (4) eingebaut ist.
23. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) ein Schrittmotor ist.
24. Kältemaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (5) ein bipolarer zweiphasig gewickelter Schrittmotor mit einer Generatorwicklung (70) , einer Bremswicklung (71) ist, wobei ein Gleichrichter
(72) zur Umwandlung der Generatorspannung vorgesehen ist und der Plus- oder Minuspol des Gleichrichters (72) über eine Regeleinrichtung und die Bremswicklung (71) mit dem Minus- bzw. Pluspol des Gleichrichters (72) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung thermisch leitend stromabwärts der Zahnradturbine (48) und/oder stromaufwärts der Verdichterturbine (40) mit dem Arbeitsmittel verbunden ist .
25. Kältemaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (73) zur Stabilisierung der Gleichspannung vorgesehen ist.
26. Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigstens einen NTC- Widerstand (77) aufweist.
27. Kältemaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigstens einen Festwiderstand
(76) aufweist.
28. Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung durch ein Triggerbauteil mit einem Temperaturfühler gebildet wird.
29. Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung durch einen Temperaturschalter gebildet wird.
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