DE19782154C2 - Hermetisch gekapselte Verdichtereinheit zum Verdichten von Gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hermetisch gekapselte Ver­ dichtereinheit zum Verdichten von Gas, mit einem Ein­ laß, der in eine Niederdruck-Einlaßkammer mündet, einem Auslaß an einer Hochdruck-Auslaßkammer oder Druckkam­ mer, mit einem Verdichter und einem Elektromotor, der mit einer thermischen Abschaltvorrichtung versehen ist, die das Abschalten der Stromversorgung des Motors er­ möglicht, wenn eine vorbestimmte Temperatur an der Ab­ schaltvorrichtung überschritten wird, wobei der Motor und die Abschaltvorrichtung in der Einlaßkammer ange­ ordnet sind.

Eine hermetisch gekapselte Verdichtereinheit, insbeson­ dere eine Verdichtereinheit für Kühlmittel, enthält ei­ nen Verdichter, der den Druck des Gases zwischen einer Niederdruck-Einlaßkammer und einer Hochdruck-Auslaß­ kammer oder Druckkammer erhöht. Der Verdichter wird durch einen elektrischen Motor angetrieben, der eine thermische Abschaltvorrichtung aufweist, die den elektrischen Stromversorgungskreis des Motors unterbricht, wenn die Temperatur ansteigt.

Das Dokument EP 0 480 560 A2 betrifft eine hermetisch gekapselte Verdichtereinheit für ein Kühlmittel mit ei­ nem Spiral-Verdichter und einer thermischen Motor- Abschaltvorrichtung, die aus einem wärmeempfindlichen Ventil besteht, das öffnet, wenn eine vorbestimmte Tem­ peratur erreicht wird, so daß ein Verbindungsrohr zwi­ schen der Druckkammer und der Einlaßkammer des Verdich­ ters geöffnet wird, wenn das Kühlmittel im Verdichter strömt, wobei die thermische Motor-Abschaltvorrichtung die Stromversorgung des Motors abschaltet.

Die Stromversorgung des Motors wird jedoch nicht eher abgeschaltet, als bis die Temperatur in der gesamten Verdichtereinheit erheblich angestiegen ist. Dies be­ deutet, daß die Unterbrechung der Stromversorgung des Motors verzögert wird und eine schädliche örtliche Überhitzung in der Verdichtereinheit auftreten kann. Die Verdichtereinheit kann erst dann wieder angelassen werden, wenn sie sich abgekühlt hat, und diese Abküh­ lung kann nur durch Wärmeleitung über die hermetisch geschlossene Kammer bzw. Kapsel erreicht werden.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß das Verbinden der Einlaßkammer und der Druckkammer durch einen Durchfluß­ kanal insofern für die Verdichtereinheit ungünstig sein kann, als es nicht möglich ist sicherzustellen, daß dieser Durchflußkanal während der normalen Betriebsbe­ dingungen richtig abgedichtet ist, da es möglich ist, daß das Bauteil, das den kurzzeitigen Verschluß be­ wirkt, nach einiger Zeit weniger zuverlässig arbeitet und daher den Wirkungsgrad der Verdichtereinheit ver­ schlechtert. Schließlich hängt in Fällen dieser Art das Öffnen des Ventils nicht nur von der Temperatur, son­ dern auch von der Druckdifferenz zwischen der Druckkam­ mer und der Einlaßkammer ab, selbst wenn die Stromver­ sorgung des Motors nur dann abgeschaltet werden muß, wenn die Temperatur zu hoch ist.

Das Dokument US 5 186 613 beschreibt eine ähnliche thermische Abschaltvorrichtung, bei der ein in einem Bypass-Rohr angeordnetes Ventil öffnet, wenn die Tempe­ ratur einen vorbestimmten Wert überschreitet. Das Bypass-Rohr für die Verbindung kommt dicht neben dem Motor-Überwachungsschalter heraus, der auf die Tempera­ tur reagiert und direkt im Gasstrom liegt, wenn das Ventil geöffnet wird. Dies stellt sicher, daß der Motor rasch abgeschaltet wird, und vermeidet einen unnötigen Temperaturanstieg in bestimmten Bereichen der Verdich­ tereinheit, was bedeutet, daß die Verdichtereinheit verhältnismäßig rasch wieder angelassen werden kann.

Bei keiner der beiden erwähnten Abschaltvorrichtungen wird jedoch die Temperatur des Druckgases direkt gemes­ sen, und zwar deshalb, weil die druckempfindlichen Ven­ tile in thermischem Kontakt mit einem Bauteil ange­ bracht sind, das eine erhebliche Masse hat. Dies bedeu­ tet, daß die Ventile auf einen Wert ansprechen, der ei­ nerseits von der Temperatur des Gases und andererseits von der Temperatur des Bauteils oder der Bauteile ab­ hängt. Die temperaturempfindlichen Ventile können daher nicht auf einen raschen Anstieg der Temperatur des Ga­ ses in der Druckkammer reagieren. Es ist zweifelhaft, ob die Ventile in der Lage sind, im Notfall rasch zu öffnen, zum Beispiel wenn ein Expansionsventil im äuße­ ren Kühlkreis blockiert ist, so daß der Druck auf der Einlaßseite der Verdichtereinheit erheblich abgefallen ist, während der Druck und die Temperatur des Auslaßgases angestiegen sind. Dies bedeutet, daß die Druckdif­ ferenz an den Ventilen so hoch ist, daß eine erhebliche Kraft erforderlich ist, um sie zu öffnen. Dies ist ins­ besondere der Grund dafür, warum Bimetall-Ventile sich bei hohen Differenzdrücken nicht öffnen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine herme­ tisch gekapselte Verdichtereinheit der eingangs genann­ ten Art anzugeben, bei der die Stromversorgung des Mo­ tors rasch abgeschaltet wird, sobald die vorbestimmte Temperatur erreicht ist, ohne daß der Druck in der Druckkammer oder in der Einlaßkammer diese Maßnahme be­ einflußt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei einer Verdich­ tereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Verdichtereinheit Mittel zum Übertragen von Wärme aus der Druck- oder Auslaßkammer auf die thermi­ sche Abschaltvorrichtung ohne Bildung eines Durchgangs, der einen Durchfluß von Gas von der Druck- oder Auslaß­ kammer in die Einlaßkammer ermöglichen würde, aufweist. Der Auslaß kann auch an eine Hochdruckkammer ange­ schlossen sein, die Druckwellen herausfiltert oder als Schalldämpfer wirkt. Die thermische Abschaltvorrichtung ermöglicht das Abschalten der Stromversorgung des Mo­ tors in Abhängigkeit von der Temperatur des Gases und des durch den Versorgungsstrom erwärmten Elektromotors.

Die thermische Verdichtermotor-Abschaltvorrichtung wird benutzt, ohne daß heißes Gas in der Verdichtereinheit aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich transferiert werden muß. Die Abschaltvorrichtung rea­ giert daher sehr rasch durch Abschalten der Stromver­ sorgung des Motors, sobald die Temperatur ansteigt, und zwar ohne die schädliche Verzögerung, wie sie bei der­ zeit bekannten Vorrichtungen auftritt.

Bei einer ersten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß der Verdichter ein Rohr aufweist, das mit seinen beiden Enden in die Druckkammer ragt und das dicht an der thermischen Motor-Abschaltvorrichtung vorbeigeht. Diese Anordnung ermöglicht es, die Geschwindigkeit des Fluid­ stroms auszunutzen, um den Durchfluß des Gases durch das Rohr zu verbessern.

Um die Ansprechzeit der thermischen Abschaltvorrichtung zu verringern, kann die Verdichtereinheit ein Rohr auf­ weisen, dessen Enden in die Druckkammer ragen und das mit der thermischen Motor-Abschaltvorrichtung in Kon­ takt steht. Dies ermöglicht es, Wärme durch Wärmelei­ tung zu übertragen.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das stromunterhalb liegende Ende der beiden in die Druckkammer ragenden Enden des Rohres mit einem thermischen Ventil versehen ist, das den Durchfluß von Gas durch das Rohr nur dann freigibt, wenn die Gastemperatur höher als die Bezug­ stemperatur liegt, bei der sich das Ventil öffnet.

Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform der Verdich­ tereinheit vorgesehen, daß das stromunterhalb liegende Ende der in die Druckkammer ragenden Enden des Rohres dicht bei der Öffnung liegt, durch die das Gas aus dem Verdichter in die Druckkammer austritt.

Hierbei ist es günstig, wenn das stromunterhalb liegen­ de Ende des Rohres, dessen Enden in die Druckkammer ra­ gen, dicht bei dem Auslaß der Druckkammer angeordnet ist.

Eine Möglichkeit besteht darin, daß wenigstens das eine Ende des Rohres, dessen Enden in die Druckkammer ragen, durch ein Rückschlagventil geschlossen ist, wenn der Verdichter nicht läuft.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß das Rohr, dessen Enden in die Druckkammer ragen, bis auf den Bereich thermisch isoliert ist, der dicht bei der thermischen Abschaltvorrichtung liegt. Dadurch wird eine unnötige Erwärmung des Gases in der Umgebung des Motors vermie­ den, was von Vorteil ist, wenn die Einlaßkammer der Verdichtereinheit mit der den Motor enthaltenden Kammer verbunden ist.

Eine weitere Ausgestaltung dieser Verdichtereinheit be­ steht darin, daß sie einen Wärmekanal oder Wärmeleiter aufweist, dessen eines Ende in der Druckkammer liegt und dessen anderes Ende in thermischem Kontakt mit der thermischen Motor-Abschaltvorrichtung steht. Diese Art von Wärmekanal ist in der US 2 350 348 ausführlicher beschrieben.

Mit Vorteil enthält die erfindungsgemäße Verdichterein­ heit einen Wärmekanal, dessen Betrieb nicht linear ist. Dies ermöglicht eine sehr rasche und effiziente Art der Wärmeübertragung und eine neue Art der Anwendung der Erfindung.

Aus den zuvor erwähnten Gründen ist dafür gesorgt, daß der Wärmekanal gegenüber den anderen Verdichterbautei­ len, außer der Druckkammer und der thermischen Motor- Abschaltvorrichtung, thermisch isoliert ist.

Eine Möglichkeit besteht darin, daß der Wärmekanal ein thermisch leitendes, hermetisch geschlossenes äußeres Gehäuse aufweist, das teilweise mit einem Fluid gefüllt ist, bei dem es sich um eine Flüssigkeit und/oder ein Gas im Betriebsbereich des Wärmekanals handeln kann, wobei letzterer auch ein Material mit Kapillareigen­ schaften enthält, durch das das Fluid im Falle einer vertikalen Verdichtereinheit durch Kapillarwirkung ent­ gegengesetzt zur Schwerkraftrichtung bewegt werden kann.

Der Wärmekanal kann um die Druckkammer herumgebogen sein, um einen besseren Kontakt mit dem Druckgas zu er­ zielen, oder er kann gewendelt sein, um einen besseren Kontakt mit der Motor-Abschaltvorrichtung zu erzielen.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Verdichter ein Spiral-Verdichter ist, der zwei Spiralen aufweist, die sich relativ zueinander bewegen und von denen wenig­ stens eine durch den Elektromotor angetrieben wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele dieses Verdichters ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Prin­ zips der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer ersten hermetisch gekapselten Verdichtereinheit,

Fig. 3-5 drei alternative Ausführungsformen derselben Verdichtereinheit und

Fig. 6 eine Ansicht einer Verdichtereinheit dersel­ ben Art mit einem anderen thermischen Ab­ schaltsystem.

Fig. 1 ist eine sehr schematische Darstellung des Prin­ zips des Betriebs einer erfindungsgemäßen Verdich­ tereinheit. Diese Verdichtereinheit hat ein hermetisch geschlossenes Gehäuse 2, in dem sich eine Einlaßkammer 9, die mit einem Einlaß 10 für das Gas versehen ist, und eine Auslaßkammer oder Druckkammer 15, die mit ei­ nem Auslaß 17 für das Gas versehen ist, befinden. Die Einlaßkammer 9 und die Druckkammer 15 sind durch eine Trennwand 19 getrennt. In der Einlaßkammer 9 befindet sich ein Elektromotor 1, der einen Verdichter 11 antreibt und bewirkt, daß das Gas, während er es verdichtet, aus der Einlaßkammer 9 in die Druckkammer 15 befördert wird. Der Elektromotor 1 ist mit einer thermischen Abschaltvorrichtung 8 versehen, die die Stromversorgung des Elektromotors abschaltet bzw. un­ terbricht, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, das die Verdichtereinheit mit Mitteln M zum Übertragen von Wärme aus der Druckkammer 15 zur thermischen Ab­ schaltvorrichtung 8 versehen ist, ohne daß ein Durch­ gang gebildet wird, der einen Durchfluß des Gases aus der Druckkammer in die Einlaßkammer 9 ermöglicht.

Die Verdichtereinheit nach Fig. 2 hat ein hermetisch geschlossenes Gehäuse 2, das einen Elektromotor ent­ hält, dessen Ständer 3 und Läufer 4 in der Zeichnung dargestellt sind. Der Läufer 4 hat eine Welle 5, die in einem unteren Lager 6 und einem oberen Lager 7 drehbar gelagert ist. Auf der Oberseite des Elektromotors ist eine thermische Abschaltvorrichtung 8 angebracht, die die Stromversorgung des Elektromotors abschaltet, so­ bald eine höhere Temperatur als eine Bezugstemperatur erreicht wird. In dem Gehäuse 2 befindet sich eine er­ ste Kammer 9 oder Einlaßkammer, in die Gas über einen Einlaß 10 geleitet wird. Der Verdichter ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Spiral-Verdichter mit zwei Spi­ ralen, einer feststehenden Spirale 12 und einer beweg­ lichen Spirale 13, die durch die Motorwelle 5 angetrie­ ben werden und exzentrisch in bezug auf die Achse die­ ser Welle gelagert sind.

Das Gas gelangt aus der Einlaßkammer 9 in eine Kammer 14, wird durch den Verdichter verdichtet und gelangt über den Verdichterauslaß 16 und ein Rückschlagventil 22 mit dem Auslaßdruck in die Druckkammer 15, wonach das verdichtete Gas die Druckkammer 15 über einen Aus­ laß 17 verläßt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft ein Rohr 18, dessen eines Ende 18a stromober­ halb und dessen anderes Ende 18b stromunterhalb in der Druckkammer 15 liegen, abgedichtet durch eine Trennwand 19 zwischen der Einlaßkammer 9 und der Druckkammer 15. Das stromoberhalb liegende Ende 18a des Rohres 18 liegt vorzugsweise dicht bei dem Verdichterauslaß 16, während das stromunterhalb liegende Ende des Rohres 18 dicht beim Auslaß 17 der Druckkammer 15 liegt. Das Rohr 18 ragt in die den Elektromotor aufweisende Kammer und steht mit der thermischen Abschaltvorrichtung 8 in Kon­ takt. Ein Teil des Gasstroms wird durch das Rohr 18 ge­ leitet, so daß bei einem Anstieg der Temperatur in der Druckkammer 15 sofort auf die Motor-Abschaltvorrichtung 8 eingewirkt wird und sie die Stromversorgung des Elektromotors abschalten kann, wenn die hierfür vorge­ schriebenen Bedingungen erfüllt sind.

Fig. 3 stellt eine alternative Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Verdichtereinheit dar, wobei die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie zuvor bezeichnet sind. In diesem Fall ist das stromun­ terhalb liegende Ende 18b des Rohres 18 mit einem ther­ mischen Ventil 20 versehen, das den Durchfluß des Gases durch das Rohr 18 nur dann freigibt, wenn die Gastempe­ ratur höher als die Bezugstemperatur liegt, bei der sich dieses Ventil öffnet.

Fig. 4 stellt eine alternative Ausführungsform der Ver­ dichtereinheit nach Fig. 2 dar, in der die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie zuvor be­ zeichnet sind. In diesem Fall befindet sich das stromo­ berhalb liegende Ende 18a des Rohres 18 dicht bei der Verdichterauslaßöffnung 16, die mit dem das Rückströmen des Gases verhindernden Rückschlag-Auslaßventil 22 ver­ sehen ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, das eine alternative Ausführungsform der in Fig. 3 dar­ gestellten Verdichtereinheit bildet, wird das stromo­ berhalb liegende Ende 18a des Rohres 18 durch das Rück­ schlagventil 22 geschlossen, wenn der Verdichter nicht läuft.

Die anhand der Fig. 2 bis 5 beschriebenen verschiedenen Merkmale können auch auf andere Weise kombiniert wer­ den. So ist es beispielsweise möglich, daß das stromo­ berhalb liegende Ende 18a des Rohres in Fig. 4 mit ei­ nem thermischen Ventil versehen werden kann.

Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann das Rohr 18 so weit thermisch isoliert sein, daß eine unnötige Erwärmung der Umgebung bis auf den unmittelbar bei der thermischen Abschaltvorrichtung 8 liegenden Be­ reich vermieden wird.

Fig. 6 stellt eine alternative Ausführungsform der Er­ findung dar, bei der das Mittel zum Übertragen von Wär­ me aus der Druckkammer 15 auf die thermische Motor- Abschaltvorrichtung 8 aus einem Wärmekanal oder Wärme­ leiter 23 besteht, der abgedichtet durch die Trennwand 19 zwischen der Druckkammer 15 und der Einlaßkammer 9 hindurchgeht.

Wie sich aus vorstehendem ergibt, wird der Stand der Technik durch die Erfindung erheblich verbessert, indem eine Verdichtereinheit mit einer thermischen Abschalt­ vorrichtung und insbesondere einem Spiral-Verdichter mit einfachem Aufbau geschaffen wird, bei der die Stromversorgung des Elektromotors abschaltbar ist, in­ dem die Temperatur des Gases in der Druckkammer berück­ sichtigt wird, ohne daß die Druckkammer und die Einlaß­ kammer in Durchfluß-Verbindung gebracht werden, und oh­ ne daß die Temperatur aller Bauteile der Verdichterein­ heit angestiegen sein muß, bevor die Stromversorgung abgeschaltet wird.

Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispiele der Verdichtereinheit können beispielsweise darin bestehen, daß die Mittel zum Übertragen von Wärme aus der Druckkammer zur thermischen Abschaltvorrichtung nicht durch die Trennwand hindurch, sondern außen herum gehen. Ferner ist Erfindung bei Verdichtereinheiten an­ derer Art anwendbar: z. B. bei solchen mit einem Axialkolben-Verdichter, Drehkolben-Verdichter, Schnecken- oder Spiral-Verdichter.

Claims (12)

1. Hermetisch gekapselte Verdichtereinheit zum Ver­ dichten von Gas, mit einem Einlaß (10), der in eine Niederdruck-Einlaßkammer (9) mündet, einem Auslaß (17) an einer Druckkammer (15), mit einem Verdichter (11) und einem Elektromotor, der mit einer thermischen Abschalt­ vorrichtung (8) versehen ist, die das Abschalten der Stromversorgung des Motors ermöglicht, wenn ei­ ne vorbestimmte Temperatur an der Abschaltvorricht­ tung überschritten wird, wobei der Motor und die Abschaltvorrichtung (8) in der Einlaßkammer (9) an­ geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ dichtereinheit Mittel (M, 18, 23) zum Übertragen von Wärme aus der Druckkammer (15) auf die thermische Abschaltvorrichtung (8) ohne Bildung eines Durchgangs, der einen Durchfluß von Gas von der Druckkammer (15) in die Einlaßkammer (9) er­ möglichen würde, aufweist.

2. Verdichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie ein Rohr (18) aufweist, das mit seinen beiden Enden (18a, 18b) in die Druckkammer (15) ragt und das dicht an der thermischen Motor- Abschaltvorrichtung (8) vorbeigeht.

3. Verdichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie ein Rohr (18) aufweist, dessen Enden in die Druckkammer (15) ragen und das mit der thermischen Motor-Abschaltvorrichtung (8) in Kon­ takt steht.

4. Verdichtereinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromunterhalb liegende En­ de (18b) der beiden in die Druckkammer (15) ragen­ den Enden des Rohres (18) mit einem thermischen Ventil (20) versehen ist, das den Durchfluß von Gas durch das Rohr nur dann freigibt, wenn die Gastem­ peratur höher als die Bezugstemperatur liegt, bei der sich das Ventil öffnet.

5. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stromunterhalb lie­ gende Ende (18a) der in die Druckkammer (15) ragen­ den Enden des Rohres (18) dicht bei der Öffnung (16) liegt, durch die das Gas aus dem Verdichter (11) in die Druckkammer (15) austritt.

6. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stromunterhalb lie­ gende Ende (18b) des Rohres (18), dessen Enden in die Druckkammer (15) ragen, dicht bei dem Auslaß (17) der Druckkammer angeordnet ist.

7. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das eine En­ de (18a, 18b) des Rohres (18), dessen Enden in die Druckkammer (15) ragen, durch ein Rückschlagventil (22) geschlossen ist, wenn der Verdichter nicht läuft.

8. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (18), dessen Enden in die Druckkammer (15) ragen, bis auf den Bereich thermisch isoliert ist, der dicht bei der thermischen Abschaltvorrichtung (8) liegt.

9. Verdichtereinhiet nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er einen Wärmekanal (23) aufweist, dessen eines Ende in der Druckkammer (15) liegt und dessen anderes Ende in thermischen Kontakt mit der thermischen Motor-Abschaltvorrichtung (8) steht.

10. Verdichtereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmekanal (23) thermisch gegen­ über den anderen Verdichterbauteilen, außer der Druckkammer (15) und der thermischen Motor- Abschaltvorrichtung (8), thermisch isoliert ist.

11. Verdichtereinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekanal (23) ein ther­ misch leitendes, hermetisch geschlossenes äußeres Gehäuse aufweist, das teilweise mit einem Fluid ge­ füllt ist, bei dem es sich um eine Flüssigkeit und/oder ein Gas im Betriebsbereich des Wärmekanals handeln kann, wobei letzterer auch ein Material mit Kapillareigenschaften enthält, durch das das Fluid im Falle einer vertikalen Verdichtereinheit durch Kapillarwirkung entgegengesetzt zur Schwerkraft­ richtung bewegt werden kann.

12. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter ein Spiral-Verdichter ist, der zwei Spiralen (12, 13) aufweist, die sich relativ zueinander bewegen und von denen wenigstens eine durch den Elektromotor angetrieben wird.