DE2300377A1

DE2300377A1 - Kolbenkompressor fuer ein kuehlmittel

Info

Publication number: DE2300377A1
Application number: DE2300377A
Authority: DE
Inventors: Sidney Arch Parker
Original assignee: Lennox Industries Inc
Current assignee: Lennox Industries Inc
Priority date: 1972-01-06
Filing date: 1973-01-05
Publication date: 1973-07-12
Also published as: GB1406793A; CA990960A; FR2167786B1; FR2167786A1; US3766747A; NL7300202A; IT976751B

Description

DIPL.-CHEM. W. ROCKER DIPL.-ING. S. LEiNE PATENTANWÄLTE

LENNOX INDUSTRIES INC.

3 HANNOVER, BURCKHARDTSTR. 1 TELEFON (0511) 62 84 73

Unser Zeichen 2 3 3/180

Datum 2. Januar 1973

Kolbenkompressor für ein Kühlmittel

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenkompressor für ein Kühlmittel und insbesondere auf Einrichtungen und Verfahren zur Steuerung der Arbeitsweise eines solchen Kompressors, um seine Tätigkeit dann zu verhindern, wenn eine unerwünschte Menge eines inkompressiblen Mediums (Flüssigkeit) an dem Einlaß des Ventilmechanismus eines solchen Kompressors erscheint, um eine Beschädigung des Mechanismus zu verhindern.

Ein sehr ernstes Problem, das zur Zerstörung des Ventils und damit zur Beschädigung des Kolbenkompressors für ein Kühlmittel führt, besteht darin, daß beim Anlassen Flüssigkeit statt Gas in den Ventilmechanismus eintritt. Solche Flüssigkeit kann das Schmiermittel (öl) sein oder das Kühlmittel oder ein Gemisch aus diesen beiden Flüssigkeiten. Im Grunde genommen umfaßt eine

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Kühlanlage einen Kompressor, einen ersten Wärmetauscher öder Kondensator, Expänsionsmittel und einen zweiten Wärmetauscher oder einen Verdampfer." Das Kühlgas wird in dem Kompressor korn- ' primiert, und das unter hohem Druck stehende dampfförmige Kühlmittel strömt durch eine Auslaßleitung in den Kondensator_r wo ■-es'^; kondensiert. Der Strom des; Kühlmittels aus dem Kondensator ■ zu dem Verdampfer wird von'ifcxp'ansionseinrichtungen gesteuert, ' die entweder aus einem Kapiliarrohr bestehen oder einem thermischen Expansionsventil, Das Expansionsgas in dem Verdampfer absorbiert Wärme, und das Medium strömt darin über den Verdampfer (Luft oder Wasser), wo es gekühlt wird. Das Kühlgas strömt dann durch eine Saugleitung zum Kompressor zurück.

Ein Schmiermittelsumpf ist im allgemeinen innerhalb des Kolbenkompressors für das Kühlmittel angeordnet. Das Schmiermittel wird an die Lager und Oberflächen der Pleuelstangen und zu den Oberflächen und Lagern der Antriebswelle zur Schmierung gepumpt. Das Schmiermittel, im allgemeinen öl, besteht aus einer Type, die¹ mit dem Kühlmittel mischbar ist. Aufgrund der Affinität des Öls für ^ä44?uMmittei während der Stillstandsperioden wird Kühlmittel in den Kompressor eindringen, und im wesentlichen sind es drei Faktoren, die die Geschwindigkeit, mit welcher das Kühlmittel von dem öl absorbiert wird, bestimmen. Einmal ist es der Dämpfdrückunterschied bei der stabilisierten Temperatur, der als Triebkraft anziehen ist, die die Kühlmitteldampfe in dem System dazu zwingen, zu dem Öl-Kühimittelgemisch in den kompressorsumpf zu fließen.

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Der zweite Faktor ist die tatsächliche Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem öl. Diese Faktoren hängen eng mit dem Dampfdruck zusammen, weil dieser der Temperatur entspricht und der Dampfdruck im Grunde genommen die Triebkraft darstellt.

Je größer der Dampfdruckunterschied und je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und öl ist, um so schneller wird das öl das Kühlmittel absorbieren. t ■...-.-, ...

Der dritte Faktor ist die Größe der öloberfläche, die dem Kühlmitteldampf ausgesetzt ist. Die Hauptmenge des Öls in dem Kühlmittelsystem befindet sich im Kompressorsumpf und je größer die Oberfläche des SumpfÖles ist, um so schneller wird das öl die Kühlmitteldämpfe absorbieren.

Es sind Versuche unternommen worden, dieses Problem der Abwanderung von Kühlmittel und der Entstehung von inkompressiblen Medien beim Anlassen zu beseitigen, indem man Heizeinrichtungen in dem Kompressor anordnete, die das öl in dem Sumpf erwärmen. Die Heizeinrichtungen sind so ausgelegt, daß sie eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten, die höher liegt als in dem Kondensator, beispielsweise mit einer Temperaturdifferenz in der Größenordnung von etwa 5 bis 10 C. Das Erwärmen des Öls in dem Kompressor ist zwar nützlich, jedoch löst diese Erwärmung nicht das Problem der Beschädigung der Ventile durch die Flüssigkeit. Z. B. liegt der Kondensator manchmal so, daß er der Sonne ausgesetzt ist, und im Frühling erwärmt die Sonne den Kondensator schneller als den Kompressor mit dem Ergebnis, daß trotz Verwendung der Heizvorrichtung im Kompressor der Kompressor tatsächlich kühler

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ist als der Kondensator, oder die Temperaturdifferenz reicht einfach nicht aus, so daß das Kühlmittel zum Kompressor wandert. Beim Anlassen ist daher im Einlaß zum Ventilmechanismus des Kompressors Flüssigkeit vorhanden und während des Kompressionshubes und/oder Saughubes kann an dem Ventilmechanismus eine Beschädigung entstehen.

Manchmal kondensiert Kühlmittel innerhalb des Kühlsystems und kann sich im Eingang zum Ventilmechanismus des Kompressors ansammeln. Da Wasser inkompressibel ist, kann es zur Beschädigung des Ventilmechanismus führen, wenn der Kompressor sich in Gang setzt.

Merkmal der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Kühlmittelkompressors, der mit Einrichtungen versehen ist, die das Ingangsetzen des Kompressors verhindern, falls eine unerwünschte Menge einer Flüssigkeit im Eingang zum Ventilmechanismus vorhanden ist. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Er τ findung ist ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Kühlkompressors, bei dem der Betrieb des Motors des Kompressors dann verhindert wird, wenn eine bestimmte Menge einer Flüssig-· keit im Einlaß zum Ventilmechanismus festgestellt wird.

Schließlich sieht die Erfindung die Schaffung eines Kühlmittelkompressors vor, der eine verbesserte Steuerung besitzt einschließlich einer Fühlvorrichtung, die in der Nähe des Einlasses zum Ventilmechanismus vorgesehen ist und einen bestimmten Flüssigkeitszustand-an dieser Stelle feststellen· und die In-

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gangsetzung des Kompressors so lange verhindern kann, bis diese Flüssigkeit beseitigt ist.

Schließlich sieht die Erfindung einen Kühlmittelkolbenkompressor vor, der mit verbesserten Einrichtungen zur Steuerung der Arbeitsweise desselben versehen ist und die nachfolgend in der Beschreibung ausführlicher beschrieben sind.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kolbenkompressor für ein Kühlmittel mit den Einrichtungen der Erfindung, wobei das Kühlsystem, welches sich an den Kompressor anschließt, schematisch dargestellt ist und

Fig. 2 ein Schaltdiagramm des Steuerkreises des Kompressors nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist schematisch ein Kühlsystem dargestellt, das einen Kühlmittelkompressor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt. Das Kühlsystem enthält den Kompressor 10, einen Kondensator 12, der mit dem Kompressor 10 über eine Leitung 11 verbunden ist, Expansionseinrichtungen 14 und einen Verdampfer 16, der über die Saugleitung 17 mit dem Kompressor verbunden ist. Im Betrieb wird in den Kompressorteil des Kompressors 10 Kühlmittel komprimiert und über die Leitung 11 in den Kondensator gedrückt, wo das unter hohem Druck stehende dampfförmige Kühlmittel kondensiert wird. Die Expansionseinrichtungen 14, die entweder ein Kapillarrohr oder ein thermisches Expansionsventil sein können,

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steuern den Strom des Kühlmittels von dem Kondensator 12 in den Verdampfer 16. Das Kühlmittel fließt zum Kompressor über die Saugleitung 17 aus dem Verdampfer zurück. Normalerweise ist der Kondensator luftgekühlt, aber auch wassergekühlt, um die Kondensation des unter hohem Druck stehenden dampfförmigen Kühlmittelt zu bewirken. Die Luft oder das Wasser, die über den Verdampfer strömen, wird durch die Expansion des Kühlmittels in dem Verdampfer gekühlt und würde dann über geeignete Leitungen oder Kanäle in das zu kühlende Gebiet strömen.

Der Kühlmittelkolbenkompressor 10 umfaßt ein gasdichtes Gehäuse, das eine obere Schale 22 und eine untere Schale 24 umfaßt, die miteinander zu einer Einheit verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen. Eine Anzahl von Füßen 26 dient zur Befestigung des Kompressors 10 in einer aufrechten Position.

Elastisch innerhalb dieses Gehäuses ist vermittels Federn 30 der eigentliche Kompressor 32 aufgehängt. Der Kompressor umfaßt den Kolbenkompressorteil 34 mit Zylindern 36. Der Zylinderblock enthält einen oder mehrere Zylinder oder entsprechende Büchsen, die in entsprechenden öffnungen in dem Block enthalten sind. Innerhalb eines jeden Zylinders 36 bewegt sich ein Kolben 38, der von der Welle 40 angetrieben wird, die ihrerseits durch den Antriebsmotor 42 in Umlauf versetzt wird. Der Antriebsmotor 42 umfaßt einen Stator 41 und einen Rotor 43, der induktiv mit dem Stator in Verbindung steht und auf der Antriebswelle 4Obefestigt ist.

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Am Ende eines jeden Zylinders 36 ist eine Ventileinrichtung 46 angeordnet. Die Ventileinrichtung umfaßt ein Auslaßventil 48 und ein Saugventil 50. Das Saugventil öffnet sich beim Saughub des Kolbens, damit Kühlmittelgas in den Zylinder eintreten kann. Beim Kompressionshub ist das Saugventil geschlossen, und das Auslaßventil öffnet sich, um den Strom des komprimierten Kühlmittelgases in die Auslaßleitung des Kompressors zu ermöglichen und weiter in die Leitung, die zum Kondensator führt. Wenn Flüssigkeit in den Zylinder beim Saughub eintritt, besteht die große Wahrscheinlichkeit, daß beim Entleerungshub oder Kompressionshub das saugventil beschädigt oder zerstört wird.

Folglich wird erfindungsgemäß ein Fühler 60 in der Nähe des Einlasses des Ventilmechanismus 46 vorgesehen. Der Fühler liegt so dicht wie möglich am Einlaß zum Ventilmechanismus 46, so daß er eine bestimmte Flüssigkeitsmenge, wenn sie vorhanden ist, fühlen kann und die Arbeitsweise des Kompressormotors in einem solchen Falle unterbindet. Vorzugsweise ist der Fühler ein Flüssigkeitsfühler und hat die Gestalt eines Thermistors. Der die Flüssigkeit fühlende Thermistor kann von einer Art sein, wie sie von der Firma Controls Company of America hergestellt wird. Die spezifische Form des Fühlers kann variiert werden, z. B. ein Schwimmer sein oder ein Schallfühler oder eine optische Fühleinrichtung.

In Fig. 2 ist schematisch das Schaltdiagramm für den Kompressor 10 dargestellt. Der Motor 42 ist an die Leitung T,

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und die Leitung T₂ über die Kontakte 70a und 70b der Relaisspule 70 geschaltet. Wenn die Kontakte 70a und 70b geschlossen sind, wird dem Motor Strom zugeführt. Die Relaisspule 70 liegt in einem Serienschaltkreis, den man Pilotkreis nennt mit einer Anzahl von Betätigungs- und Sicherheitsschaltern, die in die Leitungen L. und L₂ eingereiht sind, die den Strom von einer geeigneten Quelle, beispielsweise von einem Niedervolttransformator, erhalten. Die Schalter in dem Pilotkreis können einen auf Wärme ansprechenden Schalter 72 enthalten, der sich dann schließt, wenn in dem zu kühlenden Bereich gekühlt werden soll. Der Schalter 74 ist ein Motorsicherheitsschalter, der sich dann öffnet, wenn die Temperatur des Motors einen bestimmten Wert überschreitet. Der Schalter 76 ist der Flüssigkeitsfühler selbst oder auch ein normaler Schalter, der in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsfühler betätigt wird.

Im normalen Betrieb ist der Schalter 74 geschlossen, ebenso der Schalter 76. Der Schalter 72 ist nur dann geschlossen, wenn gekühlt werden soll, wodurch der Kreis mit der Relaisspule 70 geschlossen und die Spule mit Strom versorgt ist. Sollte die Motortemperatur einen bestimmten Wert überschreiten, öffnet sich der Schalter 74 und macht die Spule stromlos, so daß der Stromkreis zum Motor 42 unterbrochen wird. In ähnlicher Weise wird die Spule 70 stromlos, wenn sich der Schalter 76 öffnet, was dann geschieht, wenn der Flüssigkeitsfühler 60 Flüssigkeit

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im Eingang zum Saugventil des Kompressors IO feststellt. Der Thermistorflüssigkeitsfühler.60 besitzt einen relativ hohen inneren Widerstand, wenn er in eine Flüssigkeit eintaucht und einen relativ niedrigen Widerstand, wenn er sich in gasförmigem Medium befindet. Der Thermistor 60 dient zur Steuerung des Schalters 76, der in Serie zur Relaisschaltung 70 in dem Pilotkreis liegt und zur Verhinderung des Betriebes des Motors 42 des Kompressors dient, falls eine unerwünschte Flüssigkeitsmenge im Bereiche des Einlasses des Ventilmechanismus des Kompressors festgestellt wird. Wie bereits oben erwähnt, können auch andere Fühler zur Feststellung von Flüssigkeit anstelle eines Thermistors verwendet werden. In diesem Falle würde dann der Schalter 76 durch andere Einrichtungen betätigt. Er könnte dann z. B. ein magnetisch betätigter Schwimmerschalter sein oder ein optisch betätigter Schalter oder ein durch Schall betätigter Schalter. Es sei darauf hingewiesen, daß oft eine Heizvorrichtung für das Kurbelgehäuse verwendet wird, um das Schmiermittel in dem Sumpf des Kompressors und oder des Kompressorblockes zu erwärmen. Wenn die Wärmeleistung innerhalb des Kompressors ausreicht, um das flüssige Kühlmittel wieder zu verdampfen, wird sich der Schalter 76 wieder schließen und den Pilotkreis zur Vervollständigung des Schaltkreises wieder schließen. Die Spule 70. wird dann wieder mit Strom versorgt und kann somit erneut die Kontakte 70a und 70b schließen, so daß der Motor 42 wieder anläuft.

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Das besondere Merkmal der Erfindung ist die Feststellung eines Flüssigkeitszustandes und nicht eines Druck- oder Temperaturzustandes eines Gases oder des Öls. In der amerikanischen Patentschrift 2811 019 ist eine Vorrichtung gezeigt, die Thermistoren verwendet, um die Temperatur des Ansauggases, welches zu dem Kompressor zurückkehrt, festzustellen. In dieser Patentschrift befindet sich jedoch kein Hinweis dafür, daß eine Flüssigkeit im Einlaß zum Ventilmechanismus festgestellt werden soll, um die Beschädigung des Kompressors beim Anlaufen zu beseitigen.

Auch die US-Patentschrift 3 232 519 schlägt die Verwendung mehrerer Temperaturfühler vor, um die Temperatur innerhalb eines Kompressors festzustellen. Auch in diesem Patent ist kein Hinweis dafür zu finden, daß man eine Flüssigkeit feststellen will bzw. daß das Problem gelöst werden soll, was in der vorliegenden Anmeldung gelöst wird. Die Verwendung der Lehre dieses Patents würde dazu führen, daß ein Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschaltet werden würde, selbst, wenn er liefe.

Die US-Patentschrift 3 426 962 beschreibt eine Fühlvorrichtung zur Feststellung der Anwesenheit von öl in dem Kühlmittelsumpf in einem Kompressor, um ausreichend Schmierung sicherzustellen. Der Vorschlag dieser Patentschrift entspricht nicht d^rr. der vorliegenden Anmeldung. Die vorliegende Erfindung ist vielmehr eigenartig in dem Sinne, daß sie das Vorhandensein einer Flüssigkeit in einem Bereiche feststellt, der in der Nähe des Einlasses des Saugventils des Kompressors liegt, um die ersts

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Zähflüssigkeit des Kühlmittels zu verhindern. Im Stand der Technik ist nirgendwo der Vorschlag enthalten, den Kompressor eines Kühlmittels abzuschalten, falls sich Flüssigkeit in der Nähe des Ventilmechanismus ansammelt, der sich auf derselben Temperatur befindet wie das Kühlmittelgas. Es sei hervorgehoben, daß aufgrund der Thermodynamik des arbeitenden Kühlmittels die Temperaturfeststellung nicht ausreicht und man deshalb einen Fühler zur Feststellung einer Sache verwenden muß.

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Claims

Patentansprüche

(li Kolbenkompressor für ein Kühlmittel/ insbesondere Einrichtungen zur Steuerung der Arbeitsweise eines solchen Kompressors, um seine Tätigkeit dann zu verhindern, wenn eine unerwünschte Menge eines inkompressiblen Mediums (Flüssigkeit) an dem-Einlaß des Ventilmechanismus eines solchen Kompressors erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fühler (60) in der Nähe" des Einlasses des Ventilmechanismus zur Feststellung einer Flüssigkeit an dieser Stelle vorgesehen ist.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilmechanismus ein Saugventil (50) umfaßt, und daß der Fühler (60) zur feststellung einer Flüssigkeit am Einlaß zum Saugventil (50) angeordnet ist.
3. Kolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (60) zur Feststellung der Flüssigkeit ein Thermistor ist, der im Kompressor angeordnet ist und elektrisch in den Schaltkreis des Antriebsmotors (42) des Kompressors eingeschaltet ist.

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