KOMPRESSIONSKÄLTEMASCHINE

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, wobei dem zirkulierenden Kältemittel ein Schmiermittel, insbesondere Öl, zugefügt ist um den Kompressor zu schmieren, und in der Niederdruckseite wenigstens ein Flüssigkeitsabscheider integriert ist, wobei auf der Niederdruckseite eine Leitungsverzweigung, vorzugsweise eine schaltbare Leitungsverzweigung, vorgesehen ist, um die Gasströmungsgeschwindigkeit der Niederdruckseite im Teillastbetrieb der Kältemaschine zu regulieren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, wobei dem zirkulierenden Kältemittel ein Schmiermittel für die Schmierung des Kompressors zugefügt und auf der Niederdruckseite wenigstens ein Flüssigkeitsabscheider integriert ist.

[0002] In Klimaanlagen kann zum Verdichterschutz ein Flüssigkeitsabscheider vorgesehen sein. Figur 1 zeigt die Verschaltung einer derartigen Kältemaschine. Das Kältemittel wird durch den Verdichter 1 komprimiert und dem Verflüssiger 2 zugeführt. Das flüssige Kältemittel wird über das Expansionsventil 3 zum Verdampfer 4 hin entlastet. Der Teil nach dem Verdampfer 4 bis zum Kompressor 1 wird als Niederdruckseite bezeichnet. Die gezeigte Variante sieht zwischen Verdampfer 4 und Kompressor 1 einen Flüssigkeitsabscheider 5 vor, aus dem das gasförmige Kältemittel durch den Kompressor 1 angesaugt wird. Zur Schmierung des Kompressors 1 ist dem Kältemittel ein Schmiermittel, insbesondere Öl zugesetzt.

[0003] Kältemaschinen, insbesondere solche für das Transportwesen, vorzugsweise Luftfahrt oder Schienenverkehr, sollen aus effizienzgründen in Abhängigkeit des Kältebedarfs regelbar sein, folglich einen Teillastbetrieb ermöglichen. Die effizienteste Methode zur Regelung der Teillast ist eine Reduktion des Kältemittelmassenstroms, so zum Beispiel durch Drehzahlsenkung am Verdichter 1 oder eine Zylinderpaarabschaltung bzw. ein Wegschalten ein oder mehrerer Verdichter bei Verbundanlagen.

[0004] Die resultierende Reduktion des Kältemittelmassenstroms führt jedoch auch zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des im Umlauf befindlichen Kältemittels. Kritisch für den ordnungsgemäßen Betrieb der Maschine kann dies auf Niederdruckseite sein, da hier das zirkulierende Verdichteröl im überwiegend gasförmigen Kältemittel nicht gelöst ist und folglich durch den Kältemittelstrom nur schlecht mittransportiert wird.

[0005] Um diese Problematik zu überwinden, kann die Gasgeschwindigkeit durch ausreichende Verringerung des Leitungsquerschnitts im Zufluss zum Kompressor künstlich erhöht werden, sodass. ausreichend Öl zum Kompressor mitgerissen wird. Nachteilig führt dies jedoch zu einem deutlich höheren Druckverlust und damit zu deutlichen Leistungseinbußen der Maschine. Wird der Leitungsquerschnitt hingegen zu groß gewählt, kann der Druckverlust in der Kältemittelleitung zum Verdichter zwar kleingehalten werden, allerdings ist bei sehr kleinem Kältemittelmassenstrom und damit sehr geringer Gasgeschwindigkeit der Ölrücktransport zum Verdichter nicht zuverlässig sichergestellt.

[0006] Ein weiterer Ansatz liegt darin, einen zusätzlichen Ölabscheider am Verdichteraustritt zu installieren. Vorgeschlagen wurde ebenso eine Manipulation der Steuerung, um durch einen zyklischen Betrieb der Klimaanlage mit hohem Kältemittelmassenstrom das innerhalb des Kältekreislaufs geförderte Öl in bestimmten zeitlichen Abständen zurück zum Verdichter zu spülen.

[0007] Die vorgenannten Lösungen sind jedoch stets mit gewissen Einschränkungen verbunden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neuartige Lösung für eine Kompressionskältemaschine aufzuzeigen, die die vorgenannten Nachteile zu überwinden weiß.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kompressionskältemaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Maschine sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüche.

[0009] Erfindungsgemäß wird eine Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf vorgeschlagen, dessem zirkulierenden Kältemittel ein Schmiermittel zur Schmierung des Kompressors zugefügt ist. Zudem ist auf der Niederdruckseite wenigstens ein Flüssigkeitsabscheider integriert. Um bei einer derartigen Kältemaschine den Ölrückfluss zum Kompressor auch im Teillastbetrieb mit geringem Kältemittelmassenstrom sicherzustellen, ist auf der Niederdruckseite wenigstens eine schaltbare Leitungsverzweigung vorgesehen.

[0010] Bei Bedarf kann der Kältemittelstrom vom Verdampfer zum Kompressor auf mehrere Leitungszweige aufgeteilt bzw. alternativ auf weniger bzw. einen einzigen Leistungsweg begrenzt werden. Die Aufteilung auf mehrere Leistungszweige führt zur Verringerung der Gasgeschwindigkeit während eine Begrenzung auf weniger Leitungszweige eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit bewirkt. Damit lässt sich durch die schaltbare Leitungsverzweigung die resultierende Gasgeschwindigkeit der Niederdruckseite soweit regulieren, dass auch im Teillastbetrieb ein ausreichender Rückfluss des zugesetzten Öls im Kältemittel zum Kompressor sichergestellt ist.

[0011] Im Prinzip kann durch die Leitungsverzweigung der zur Verfügung stehende Leitungsquerschnitt variiert werden. Durch Absperren wenigstens eines Leitungszweigs lässt sich die resultierende Gasgeschwindigkeit im Niederdruckbereich anheben, während bei vollständiger Freigabe aller Leitungszweige der geringste Druckverlust im System und damit ein maximaler Massenstrom erreicht werden kann.

[0012] Es besteht die Möglichkeit, dass zumindest zwei Leitungszweige mit je einem Flüssigkeitsabscheider ausgerüstet sind. Vorzugsweise ist innerhalb jedes Leitungszweiges ein separater Flüssigkeitsabscheider vorgesehen.

[0013] Bevorzugt umfasst wenigstens ein Leitungsweg ein Absperrmittel, um diesen je nach Bedarf bzw. Last des Kältemittelkreislaufs freizugeben bzw. abzusperren. Die Integration des Absperrmittels erfolgt vorzugsweise in Strömungsrichtung nach dem Flüssigkeitsabscheider. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dieses flussaufwärts vor dem Flüssigkeitsabscheider anzuordnen.

[0014] Im einfachsten Fall können wenigstens zwei der eingesetzten Flüssigkeitsabscheider auf der Niederdruckseite mit identischer Größe dimensioniert sein. Es besteht die Möglichkeit, alle Flüssigkeitsabscheider der Niederdruckseite identisch auszugestalten, d.h. mit identischer Größe und Wirkungsweise zu dimensionieren. Die technische Dimensionierung der verbauten Flüssigkeitsabscheider ist idealerweise an die möglichen Teillaststufen der Kältemaschine angepasst. Vorzugsweise erfolgt die Auslegung derart, dass sich unter Volllast ein annehmbarer Druckverlust auf der Niederdruckseite einstellt und unter Teillast ein ausreichender Rücktransport des Schmiermittels zum Kompressor sichergestellt ist.

[0015] Alternativ zur voranstehenden Ausführungsform mit jeweils einem Flüssigkeitsabscheider pro Leitungsweg besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Niederdruckseite mit wenigstens einem Flüssigkeitsabscheider auszuführen, der sich durch wenigstens zwei Saugleitungsanschlüsse auszeichnet. Demzufolge liegt die Leitungsverzweigung innerhalb des Flüssigkeitsabscheiders.

[0016] Ferner kann vorgesehen sein, dass die Saugleitungsanschlüsse bzw. die davon abgehenden Saugleitungen über wenigstens ein Absperrmittel zusammengeführt sind. Auch in diesem Fall besteht die Möglichkeit, je nach Lastbedingungen beide Saugleitungsanschlüsse freizugeben, um den Druckverlust im System möglichst gering zu halten bzw. alternativ wenigstens eine Saugleitung mittels des wenigstens einen Absperrmittels abzusperren, um gerade bei reduzierter Last die Gasgeschwindigkeit soweit zu erhöhen, um einen zuverlässigen Rücktransport des enthaltenen Schmiermittels zum Kompressor sicherzustellen.

[0017] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Querschnitte von zumindest zwei Saugleitungsanschlüssen identisch ausgestaltet. Vorzugsweise sind alle Saugleitungsanschlüsse des Flüssigkeitsabscheiders identisch. Auch hierbei wird darauf geachtet, dass deren Dimensionierung derart erfolgt, sodass sich unter Volllast ein annehmbarer Druckverlust auf der Niederdruckseite einstellt. Unter Teillast soll demgegenüber ein ausreichender Rücktransport des Schmiermittels zum Kompressor sichergestellt sein.

[0018] Ebenfalls besteht die Möglichkeit das System mit mehreren Flüssigkeitsabscheidern auszugestalten, die jeweils wenigstens zwei oder mehr Saugleitungsanschlüsse umfassen.

[0019] Für beide Ausführungsvarianten ist es vorteilhaft, wenn eine Steuerung vorgesehen ist, die den Kältemittelmassenstrom erfasst und darauf basierend die Leitungsverzweigung schaltet. Insbesondere öffnet die Steuerung im Normallastbetrieb das wenigstens eine Absperrmittel, um einen möglichst geringen Druckverlust innerhalb des Systems zu erreichen. Unter Teillastbedingungen mit sehr geringem Kältemittelmassestrom schließt die Steuerung stattdessen wenigstens ein Absperrmittel, um die resultierende Strömungsgeschwindigkeit des Gases innerhalb der Niederdruckleitung künstlich zu erhöhen.

[0020] Das verwendete Kältemittel innerhalb der Kompressionskältemaschine ist vorzugsweise Kohlendioxid. Wird Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt, dann ist der Verflüssiger 2 als Gaskühler wirksam.

[0021] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1:

der skizzierte Aufbau einer Kältemittelmaschine nach dem Stand der Technik;

Figur 2:

ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine und

Figur 3:

ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine undFigur 4: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine.

[0022] Der Aufbau der konventionellen Kältemaschine gemäß Figur 1 wurde bereits im einleitenden Teil dieser Beschreibung ausreichend erläutert. Das im einleitenden Teil dieser Beschreibung genannte Problem gilt auch für den in der Verdichteransaugleitung integrierten Flüssigkeitsabscheider 5. Im Teillastbetrieb muss eine minimale Gasgeschwindigkeit sichergestellt sein, um für den sicheren Ölrücktransport zum Kompressor 1 garantieren zu können.

[0023] Der Aufbau der erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine besteht aus dem Kompressor 1, der mit dem Verflüssiger 2 verbunden ist. Vom Verflüssiger 2 strömt das Kältemittel weiter zum Expansionsventil 3, wo das Kältemittel zum Verdampfer 4 hin entlastet wird. Erfindungsgemäß wird nun bei der funktionalen Einheit des Flüssigkeitsabscheiders einem möglicherweise zu geringen Kältemittelmassenstrom bei Teillast dadurch Rechnung getragen, dass hier, insbesondere beim Ausführungsbeispiel der Figur 2, mindestens zwei Flüssigkeitsabscheider 5a, 5b eingesetzt werden. Dazu wird die Leitung vom Verdampfer 4 zum Kompressor 1 auf zwei Leitungszweige aufgeteilt, die jeweils mit einem eigenen Abscheider 5a, 5b versehen sind. Beide Flüssigkeitsabscheider 5a, 5b sind somit parallel zueinander am Ausgang des Verdampfers 4 angeschlossen.

[0024] Die Größe der Flüssigkeitsabscheider 5a, 5b wird an die möglichen Teillaststufen der Kälteanlage angepasst. Im einfachsten Fall werden zwei identische Flüssigkeitsabscheider 5a, 5b verwendet.

[0025] Wenigstens ein Leitungszweig ist mit einem Absperrventil 6 ausgestattet, dieses als Magnetventil ausgestaltet sein kann. Folglich kann der Zugang zum Flüssigkeitsabscheider 5a bedarfsweise durch das Magnetventil 6 freigegeben bzw. gesperrt werden. Die Sauganschlüsse der Flüssigkeitsabscheider 5a, 5b werden zusammengeschaltet und dem Kompressor als einzige Zuleitung zugeführt.

[0026] Eine integrierte Steuerung der Kompressionskältemittelmaschine steuert das Absperrventil 6 in Abhängigkeit des Kältemittelmassenstroms. Dadurch wird sichergestellt, dass im Teillastbetrieb bei geringem Kältemittelmassenstrom dieser vollständig durch den nicht abgesperrten Flüssigkeitsabscheider 5b strömt und sich so eine für den Ölrücktransport ausreichend hohe Kältemittelgasgeschwindigkeit einstellt, auch dann, wenn das gesamte System nur unter Teillast arbeitet. Arbeitet das System hingegen unter normalen Lastbedingungen und reicht der Kältemittelmassenstrom aus, wird das Absperrventil 6 geöffnet, wodurch der gesamte Kältemittelmassenstrom verteilt auf die beiden Abscheider 5a, 5b zum Kompressor 1 strömt.

[0027] Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in der Figur 4 dargestellt. Diese Ausführungsvariante unterscheidet sich gegenüber den Variante gemäß Figur 2 und 3 lediglich in der Implementierung der Niederdruckseite. Anstatt zwei separater Flüssigkeitsabscheider wird lediglich ein einziger Flüssigkeitsabscheider 5 eingesetzt, der einen einzigen mit dem Verdampfer 4 verbundenen Eingang aufweist. Der Flüssigkeitsabscheider 5 umfasst mindestens zwei Saugleitungsanschlüsse, von denen wenigstens einer mit einer Absperreinrichtung 6, beispielsweise in Form eines Magnetventils, abgesperrt werden kann. Der Ausgang des Absperrventils 6 wird sodann auf die zweite Anschlussleitung gelegt, so dass der Kompressor 1 über einen gemeinsamen Anschluss mit beiden Anschlussleitungen des Flüssigkeitsabscheiders 5 verbunden ist.

[0028] Die Querschnitte der Saugleitungsanschlüsse im Flüssigkeitsabscheider 5 sind an die möglichen Teillaststufen der Kälteanlage angepasst. Im einfachsten Fall weisen diese identische Querschnitte auf. Es wird so sichergestellt, dass der gesamte Kältemittelmassenstrom durch die nicht abgesperrte Saugleitung strömt und sich so eine für den Ölrücktransport ausreichend hohe Kältemittelgasgeschwindigkeit einstellt. Im Regelbetrieb ist das Absperrventil 6 geöffnet.

Ansprüche

1. Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, wobei dem zirkulierenden Kältemittel ein Schmiermittel, insbesondere Öl, zugefügt ist um den Kompressor zu schmieren, und in der Niederdruckseite wenigstens ein Flüssigkeitsabscheider integriert ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Niederdruckseite eine Leitungsverzweigung, vorzugsweise eine schaltbare Leitungsverzweigung,vorgesehen ist, um die Gasströmungsgeschwindigkeit der Niederdruckseite im Teillastbetrieb der Kältemaschine zu regulieren.

2. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Leitungszweige vorgesehen sind und vorzugsweise jeder Leitungszweig einen Flüssigkeitsabscheider umfasst.

3. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leitungsweg der verzweigten Niederdruckseite ein Absperrmittel umfasst, vorzugsweise ein Magnetventil.

4. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrmittel in Strömungsrichtung vor dem Flüssigkeitsabscheider sitzt.

5. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrmittel in Strömungsrichtung nach dem Flüssigkeitsabscheider sitzt.

6. Kompressionskältemaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der verbauten Flüssigkeitsabscheider, vorzugsweise alle Flüssigkeitsabscheider identischer Größe sind, wobei die Größe der Abscheider vorzugsweise derart dimensioniert ist, dass sich unter Volllast ein annehmbarer Druckverlust auf der Niederdruckseite einstellt und unter Teillast, wenn das Absperrmittel geschlossen ist, ein ausreichender Rücktransport des Schmiermittels zum Kompressor sichergestellt ist.

7. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsabscheider mit wenigstens zwei Saugleitungsanschlüssen zur Ausbildung einer integralen Leitungsverzweigung vorgesehen ist.

8. Kompressionskältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugleitungen über wenigstens ein Absperrmittel, insbesondere ein Magnetventil zusammengeführt sind.

9. Kompressionskältemaschine nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte von zumindest zwei Saugleitungsanschlüssen, vorzugsweise aller Saugleitungsanschlüsse identisch sind, und vorzugsweise derart dimensioniert sind, dass sich unter Volllast ein annehmbarer Druckverlust auf der Niederdruckseite einstellt und unter Teillast ein ausreichender Rücktransport des Schmiermittels zum Kompressor sichergestellt ist.

10. Kompressionskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die den Kältemittelmassenstrom erfasst und darauf basierend die Leitungsverzweigung schaltet, insbesondere öffnet die Steuerung im Normallastbetrieb das wenigstens eine Absperrmittel und schließt dieses im Teillastbetrieb.

11. Kompressionskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel CO₂ ist bzw. beinhaltet.

Zeichnung