DE19925616C1 - Hubkolbenhermetikkompressor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hermetischen Hubkolbenkältemittelverdichter, insbesondere zum Einsatz im Klima- und Wärmepumpenbereich. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hubkolbenkältemittelverdichter derart auszugestalten, daß Kohlendioxid (CO¶2¶) als Kältemittel verwendet werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Hubkolbenhermetikkompressor für Kälteanlagen mit einem Elektromotor zum Antrieb einer eine Rotation in eine translatorische Kolbenoszillation umwandelnden Kurbelwelle. Die hermetische Kapselung besteht aus einem Kurbelgehäuse mit wenigstens einem daran angeflanschten Zylinder, einer mit dem Kurbelgehäuse hermetisch verbundenen, den unteren Wickelkopf des Antriebsmotors eng umschließenden Ringschale, dem mit der Ringschale hermetisch verbundenen Ständerblechpaket des Antriebsmotors und einer hermetisch mit dem Ständerblechpaket des Antriebsmotors verbundenen, den oberen Wickelkopf des Antriebsmotors eng umschließenden Deckschale. Jeder Zylinder ist rechtwinklig zur Kurbelwellenachse angeordnet. Das Kurbelgehäuse umschließt den Kurbeltrieb eng. Am Hubzapfen des Kurbeltriebs sind entsprechend der Zylinderanzahl Pleuelstangen drehbar gelagert, jede Pleuelstange ist mit einem Hubkolben starr verbunden. In jedem Zylinder ist ein Saugventil angeordnet, über das der jeweilige Zylinderhubraum an eine Sauggasleitung eines Kältemittelkreises angeschlossen ist. Vorteilhafterweise ist ein extern angeordneter Saugdämpfer vorgeschaltet. Jeder ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenhermetikkompressor für Kälteanlagen, insbesonde­ re zum Einsatz im Klima- und Wärmepumpenbereich, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Verdichter sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Das US-Patent 51 60 247 beschreibt einen leistungsfähigen und leisen Hermetikkompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird und dessen Zylinder rechtwinklig zur Kurbelwel­ lenachse angeordnet ist. Ein besonderes Merkmal dieses bekannten Kompressors be­ steht darin, daß mittels eines Nadellagers die Reibung der Kurbelwelle reduziert und dadurch der Kompressor effizienter gestaltet wird. Dabei ermöglicht z. B. ein zweige­ teiltes Nadellager eine Rotation im Innern der Kurbelwelle. Der bekannte Hermetik­ kompressor ist dennoch nicht geeignet für Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel, obwohl für dessen Einsatz trotz seiner ungünstigen thermodynamischen Eigenschaften aufgrund seiner Umweltverträglichkeit seit geraumer Zeit Bedarf besteht. Neben der im Vergleich zu gängigen Kältemitteln deutlich geringeren energetischen Effizienz erfordern insbe­ sondere die den Einsatz von Kohlendioxid (CO₂) kennzeichnenden hohen Prozeßdrücke und Prozeßtemperaturen weitergehende Überlegungen.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, einen Hubkolbenhermetikkompressor für die Verwendung von Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel unter Berücksichtigung der für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlichen Prozeßdrücke und Prozeßtemperaturen zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Hubkolbenhermetikkompressor nach Anspruch 1.

Eine vorteilhafte Ausstattung der Erfindung besteht darin, das Druckventil jedes Zylin­ ders im Kolben anzuordnen, so daß der Druckgasstrom nach dem Gleichstromprinzip durch den Kurbelraum und den Motor zur Mündung der Druckleitung fließt. Eine den Prozeßbedingungen im besonderen angepaßte Ausgestaltung des Druckventils wird er­ reicht, wenn der Kolbendichtring das Druckventil bildet und derart auf den Einsatz einer Ventilfeder verzichtet wird. Durch das Gleichstromprinzip ist es auf einfache Weise gegeben, die Kurbelwelle motorseitig in einem Gaslager zu führen, indem das aus dem Kurbelraum in den Motorraum strömende Druckgas das Gaslager bildet. Alternativ zum Gleichstromprinzip kann der Gasaustausch des erfindungsgemäßen Verdichters auch im Gegenstromprinzip erfolgen, indem das Druckventil jedes Zylinders im Zylinderkopf angeordnet ist und der Druckgasstrom durch einen Verbindungskanal und den Motor zur Mündung der Druckleitung fließt, wobei das untere Kurbelwellenlager mit einer Axialdichtung versehen ist. Vorteilhafterweise verläuft der Verbindungskanal innerhalb der Zylinderwandung und mündet im unteren Bereich, d. h. vom Eingang der Drucklei­ tung entfernt in das Kapselinnere. Damit ist auch bei Anwendung des Gegenstromprin­ zips die Möglichkeit gegeben, das strömende Druckgas zur Gaslagerung der Kurbel­ welle zu verwenden. Im Kurbelgehäuse herrscht Mitteldruckatmosphäre. Zur Aufnahme der Triebwerkskräfte befinden sich die Kurbelwellenlager vorteilhafterweise nahe an den Zylinderachsen. Zur Verbesserung des Abtransportes der Verlustwärme an die Um­ gebungsluft in Verbindung mit der von dem Lüfter bewirkten externen Kühlung des Kompressors sind die Zylinder freiliegend angeordnet und vorteilhafterweise mit einer äußeren Verrippung versehen. Dem gleichen Zweck dient auch eine äußere Verrippung des Ständerblechpaketes. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Hubkolben­ hermetikkompressors wird trotz der Prozeßdrücke von bis zu 130 bar der Materialein­ satz in vernünftigen Relationen gehalten. Verantwortlich hierfür sind die der Erfindung zugrunde liegenden konstruktiven Merkmale in Form des eng den Kurbeltrieb um­ schließenden Kurbelgehäuses und der Ausgestaltung der Hermetikkapsel, indem das Ständerblechpaket Teil derselben ist und sowohl die Ring- als auch die Deckelschale die Wickelköpfe des Motors eng umschließen. Bei Anwendung des Kältemittels Kohlendi­ oxid (CO₂) treten wegen der hohen Energiedichte große Prozeßkräfte auf, die mittels der erfindungsgemäßen Triebwerksgestaltung, insbesondere durch den Einsatz von durch die starre Verbindung zwischen Pleuelstange und Kolbenboden gekennzeichneten Pendelkolben beherrscht werden, da hierdurch sowohl Kolbenbolzen entfallen und die oszillierenden Massen reduziert als auch Normalkräfte vermieden werden. Mit der Inte­ gration des Druckventils im Kolben insbesondere in Form des Dichtringes unter Aus­ nutzung seiner das Schließverhalten des Ventils unterstützenden Massenkraft und der damit gegebenen Trägheit kann auf den Einsatz einer Ventilfeder verzichtet werden, ohne daß Druckverluste auftreten. Darüber hinaus wird das Schadvolumen des Kom­ pressors wegen der plan ausführbaren Kolbenstirnflächen minimiert. Die Minimierung des Schadvolumens wird unterstützt durch die Ausgestaltung der in den Zylinderköpfen integrierten Saugventile als Plattenventile.

Das Kältemittel tritt aus dem extern angeordneten Saugdämpfer mit Umgebungstempe­ ratur durch das Saugventil in den Zylinder ein und gelangt bei Anwendung des Gleich­ stromprinzips durch das Kurbelgehäuse bzw. bei Anwendung des Gegenstromprinzips durch den Verbindungskanal die motorseitigen Kurbelwellenlager und den Motor durchströmend zum oberen Wickelkopf, wo es die zur Kurbelwellenachse fluchtend angeordnete Mündung der aus der Kapsel nach außen geführten Druckleitung erreicht. Zur Abscheidung von im Druckgasstrom mitgerissenen Öltröpfchen durchströmt das Kältemittel einen extern angeordneten Ölabscheider, von dem das abgeschiedene Öl über die Kapillare in das Kurbelgehäuse zurück geführt wird. Der Ölabscheider stellt auf diese Weise das Ölreservoir für die Kurbelschmierung bereit.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenhermetikkom­ pressors wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt den Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kompressor mit zwei Zylindern und Druckventil in den Pendelkolben.

Ein Gleichstrommotor 1 mit einem Ständerblechpaket 11, einem Rotor 12 und einer mit dem Rotor 12 verbundenen Kurbelwelle 13 sowie oberen Wickelköpfen 111 und unte­ ren Wickelköpfen 112 ist mit einem Kurbelgehäuse 2 verbunden, in das die Kurbelwelle 13 ragt und in dem die Kurbelwelle 13 als Hubzapfen eines Kurbeltriebs 24 ausgestaltet ist. Die Kurbelwelle 13 wird motorseitig in einem Gaslager 25 geführt. Das freie Ende der Kurbelwelle 13 lagert in einem Gleitlager 26. Am Kurbelgehäuse 2 sind senkrecht zur Kurbelwellenachse zwei Zylinder 21 angeflanscht, in denen Pendelkolben 22 trans­ latorisch oszillierend angeordnet sind. Die Pendelkolben 22 sind starr mit jeweils einer am Hubzapfen des Kurbeltriebs 24 drehbar gelagerten Pleuelstange 23 verbunden und sind mit einem Druckventil 22' versehen. Das Kurbelgehäuse 2 umschließt den Kurbel­ trieb 24 eng. In den Zylinderköpfen sind als Plattenventil ausgeführte Saugventile 27 angeordnet, über die die Zylinder 21 mit einer Sauggasleitung 3 eines Kältemittelkreises verbunden sind. Die Sauggasleitung 3 weist einen extern angeordneten Saugdämpfer auf. In der Achslinie der Kurbelwelle 13 ist auf der kompressorabgewandten Stirnseite des Motors 1 die Mündung einer Druckleitung 4 angeordnet. Das Kurbelgehäuse 2 und das Ständerblechpaket 11 sind mittels einer Ringscheibe 62 hermetisch verbunden, die die unteren Wickelköpfe 112 eng umschließt. Die kompressorabgewandte Stirnseite des Antriebsmotors 1 ist mit einer Deckelscheibe 61 verschlossen, die hermetisch mit dem Ständerblechpaket 11 verbunden ist und die oberen Wickelköpfe 111 eng umschließt. Aus der Deckelscheibe 61 ist hermetisch die Druckleitung 4 des Kältemittelkreises her­ ausgeführt. Die Zylinder 21 weisen eine Verrippung 8 auf. Auch das Ständerblechpaket 11 trägt außen eine Verrippung 7.

Die konstruktive Gestaltung des erfindungsgemäßen Hermetikkompressors ermöglicht den Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel beispielsweise in Klimaanlagen und Wärmepumpen, ohne daß den hohen Prozeßdrücken und Prozeßkräften mit einem un­ wirtschaftlichen Materialaufwand begegnet wird. Der zur Zwangslüftung vorgesehene Lüfter 5 wird mittels eines separaten Motors angetrieben.

Bezugszeichenliste

1

Antriebsmotor

11

Statorblechpaket

12

Rotor

13

Kurbelwelle

111

oberer Wickelkopf

112

unterer Wickelkopf

2

Kurbelgehäuse

21

Zylinder

22

Pendelkolben mit Druckventil

22

'

23

Pleuelstange

24

Kurbeltrieb

25

Kurbelwellengaslager

26

Kurbelwellenwiderlager

27

Saugventil

3

Saugleitung

4

Druckleitung

5

Lüfter

61

Deckelschale

62

Ringschale

7

Statorblechverrippung

8

Zylinderverrippung

Claims (8)

1. Hubkolbenhermetikkompressor für Kälteanlagen mit einem Elektromotor zum An­ trieb einer Kurbelwelle, die eine Rotation in eine translatorische Kolbenoszillation umwandelt, einem den Kurbeltrieb eng umschließenden Kurbelgehäuse, an das we­ nigstens ein Zylinder rechtwinklig zur Kurbelwellenachse angeflanscht ist, am Hub­ zapfen entsprechend der Zylinderanzahl drehbar gelagerten Pleuelstangen, je einem in jedem Zylinderkopf angeordneten Saugventil, über das jeder Zylinderhubraum an eine Sauggasleitung eines Kältemittelkreises angeschlossen ist, sowie einer herme­ tisch nach außen geführten Druckleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die hermeti­ sche Kapselung aus dem Kurbelgehäuse (2), einer mit dem Kurbelgehäuse (2) her­ metisch verbundenen, den unteren Wickelkopf (112) des Antriebsmotors (1) eng umschließenden Ringschale (62), dem mit der Ringschale (62) hermetisch verbun­ denen Ständerblechpaket (11) des Antriebsmotors (1) und einer hermetisch mit dem Ständerblechpaket (11) des Antriebsmotors (1) verbundenen, den oberen Wickel­ kopf (111) des Antriebsmotors (1) eng umschließenden Deckelschale (61) besteht, jede Pleuelstange (23) mit einem Hubkolben (22) starr verbunden ist, jeder Zylin­ derhubraum über ein Druckventil (22') mit dem Kapselinneren verbunden ist, das Kapselinnere über die Druckleitung (4) mit dem Kältemittelkreis verbunden ist, wo­ bei der Eingang der Druckleitung (4) auf der kompressorabgewandten Seite des Antriebsmotors (1) fluchtend mit der Kurbelwellenachse angeordnet ist, die Druck­ leitung (4) außerhalb der Kapsel in einen Ölabscheider mündet, der über eine Ka­ pillare mit dem Kurbelgehäuse (2) verbunden ist, und außerhalb der Kapsel ein Lüfter (5) angeordnet ist.

2. Hubkolbenhermetikkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckventil (22') jedes Zylinders (21) im Kolben (22) angeordnet ist und der Druckgasstrom durch den Kurbelraum und den Motor (1) zur Mündung der Druck­ leitung (4) fließt.

3. Hubkolbenhermetikkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (13) motorseitig gasgelagert (25) ist.

4. Hubkolbenhermetikkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckventil jedes Zylinders (21) im Zylinderkopf angeordnet ist und der Druck­ gasstrom durch einen Verbindungskanal und den Motor (1) zur Mündung der Druckleitung (4) fließt, wobei das untere Kurbelwellenlager (25) mit einer Axial­ dichtung versehen ist.

5. Hubkolbenhermetikkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal innerhalb der Zylinderwandung verläuft und von der Mündung der Druckleitung (4) entfernt in das Kapselinnere mündet.

6. Hubkolbenhermetikkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurbelwellenlager (25, 26) nahe der Zylinderachsen angeordnet sind.

7. Hubkolbenhermetikkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinder (21) außen verrippt (8) sind.

8. Hubkolbenhermetikkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ständerblechpaket (11) außen verrippt (7) ist.