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Dokumentenidentifikation DE69832882T2 29.06.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001003971
Titel DOPPELFÖRDERMENGENVERDICHTER, ZUGEHÖRIGES LUFTKONDITIONIERUNGSSYSTEM UND VERFAHREN
Anmelder Bristol Compressors Inc., Bristol, Va., US
Erfinder LOPRETE, F., Joseph, Bristol, US;
YOUNG, R., Michael, Bristol, US;
TOLBERT, W., John, Bristol, US;
MONK, T., David, Bristol, US;
WAGNER, C., Philip, Bristol, US;
HILL, T., Joe, Bristol, US;
PIPPIN, Larry, Bristol, US;
PETERS, B., Robert, Bristol, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69832882
Vertragsstaaten BE, DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.08.1998
EP-Aktenzeichen 989408687
WO-Anmeldetag 13.08.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/16770
WO-Veröffentlichungsnummer 0099009319
WO-Veröffentlichungsdatum 25.02.1999
EP-Offenlegungsdatum 31.05.2000
EP date of grant 21.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse F04B 49/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gaskompressor variabler Kapazität der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art gerichtet, sowie auf die Anwendung eines derartigen Kompressors auf Heiz- und Aircondition-Systeme und Verfahren.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Stabilisieren derartiger Kompressoren, wenn die Hublänge eines oder mehrerer hin- und hergehender Kolben umgeschaltet wird, um die Kapazität des Kompressors zu ändern.

Weitere Weiterentwicklungen sind die verbesserten Exzenterhubblöcke und Schmiersysteme für solche Kompressoren.

Eine weitere Weiterentwicklung bezieht sich auf eine einzigartige elektrische Schaltung zum Betätigen des Kurbelwellen-Antriebsmotors des Kompressors, wobei eine Umsteuerung des Motors zum Reduzieren oder Eliminieren des Exzenterhubs den Motor von der normalen Laufwicklung wegnimmt und ihn auf einer effizienteren Wicklung mit reduzierter Stromkapazität platziert, insbesondere die Startwicklung.

Eine weitere Weiterentwicklung ist die Anwendung eines Zwei-Stufen-Kompressors der vorliegenden Erfindung auf neue Airconditioning- und/oder Wärmepumpensysteme und -verfahren. Bevorzugt enthalten solche Systeme zusätzliche Zwei-Stufen-Komponenten.

Die vorliegende Erfindung ist auf Zwei-Stufen-Kolbenkompressoren gerichtet, einschließlich von Kreuzschleifen-Kompressoren, wie sie beispielsweise im US-Patent 4 838 769 gezeigt sind. In derartigen Maschinen wird die hin- und hergehende Bewegung der Kolben durch eine Umlaufbahn von Kurbelzapfen bewirkt, die an den Kolben über Verbindungstangen oder andere Verbindungsstrukturen befestigt sind, die Lager aufweisen, die drehbar an den Kurbelzapfen montiert sind.

Die Kompressoren der vorliegenden Erfindung schließen Gaskompressoren, insbesondere Mehrzylinder-Kältemittelverdichter, ein, bei denen das Verbindungsstangenlager mindestens eines Kolbens an einer exzentrischem Nocke montiert ist, die drehbar am Kurbelzapfen montiert ist. Dieser Nocken stellt sich ein nach dem Umsteuern des Kurbelwellen-Antriebsmotors und der Kurbelwelle, um zu entweder einem verlängerten oder einem verkürzten Kurbelzapfen-Exzenterhub und Kolbenhub überzugehen. Ein solches Umschalten des Hubes oder des Exzenerhubs kann konstruktiv so ausgebildet werden, um die gewünschten Hochdruck-Kälteverdichte-Ausgabekapazitäten zu erreichen, so dass die Effektivität des Kompressors leichter unter den verschiedenen Belastungsanforderungen aufrechterhalten werden kann.

Kompressoren mit Umschaltmöglichkeit für den Exzenterhub, auf die die vorliegende Erfindung besondere Anwendung findet, sind in den US-Patenten 4 479 419, 4 236 874 (berücksichtigt im Oberbegriff des Anspruches 1), 4 494 447, 4 245 966 und 4 248 053 gezeigt und beschrieben, deren Offenbarungsgehalte hierdurch über eine Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind. Was diese Patente betrifft, ist das Kurbelzapfenlager komplex und besteht aus einem inneren und einem oder mehreren äußeren, exzentrisch ausgebildeten Lager, wobei das innere Lager die äußere Fläche der Kurbelzapfenwelle ist, und das äußere oder die äußeren Lager als "exzentrische Nocken oder Ringe" in diesen Patenten bezeichnet wurden und auf dem inneren Lager drehbar montiert oder geschichtet wurden. Das Lager der Verbindungsstange ist drehbar an der äußeren Fläche des äußersten Lagers montiert.

In diesen Patente, wie auch in der vorliegenden Erfindung, sind alle Lagerflächen des Kraftübertragungszugs des Kolbens mit schaltbarem Exzenterhub von der Kurbelwelle zur Verbindungsstange in herkömmlicher Weise kreisförmig und gestatten konstruktiv eine ungehinderte Drehbewegung, innerhalb Konstruktionsgrenzen, des oder der äußeren Lager auf dem inneren Lager und des Verbindungsstangenlagers auf dem äußersten Lager. Diese Drehbewegung in jeder Richtung wird, durch die Exzentrizität der äußeren Gleitlagerfläche des äußersten Gleitlagers relativ zu seiner inneren Lagerfläche den radialen Abstand der Umlaufachse des Kurbelzapfens von der Drehachse der Kurbelwelle verschieben und demzufolge den Exzenterhub des Kurbelzapfens und den Hub des Kolbens verändern.

Wie beispielweise im Patent 4 479 414 unter Bezugnahme auf die dort verwendete Nummerierung beschrieben wurde, wird die winkelmäßige Positionierung des Nockens 38 auf dem Kurbelzapfen 34 durch ein Paar von Antriebsanschlägen (im oben erwähnten Patent 4 479 414 nicht nummeriert, jedoch im Patent 4 494 447 mit 58, 60 als "Endpunkte" nummeriert), die winkelmäßig beabstandet an einem Bereich der Kurbelwelle, wie beispielsweise den Kurbelzapfen 34 vorgesehen sind, und durch einen angetriebenen Anschlag 48, der am Nocken 38 vorgesehen ist. Diese Stopps und der angetriebene Anschlag sind relativ zueinander im Winkel positioniert, so dass bei einer Drehung der Kurbelwelle in einer Richtung einer der Stopps als erstes mit einer Seite des Anschlags in Eingriff kommt und den Nocken 38 in eine erste, vorbestimmte Winkelposition auf der Kurbelwelle verdreht, um eine Kolbenhublänge zu erzeugen. Umgekehrt beendet das Umschalten der Drehung der Kurbelwelle diesen ersten Eingriff und bewirkt, dass der andere der Stopps sich dreht und mit einer gegenüberliegenden Seite des Anschlags in Eingriff kommt und den Nocken in eine zweite, vorbestimmte Winkelposition auf dem Kurbelzapfen verdreht, um eine weitere Kolbenhublänge zu erzeugen. Diese Winkelpositionen sind alternativ nachfolgend als "Endpunkt(e) oder "Anschlagstopp"-Verbindung(en)" oder "Kontaktverbindung(en)" charakterisiert, wobei diese nachfolgend als "Verbindung(en)" bezeichnet werden.

Es soll darauf hingewiesen werden, dass mindestens ein Teil der Drehung des Nockens relativ zum Kurbelzapfen zu einem seiner Endpunkte auch durch die Trägheit des Nockens oder den Drehwiderstand des Lagers des Laschenendes der Verbindungsstange, bewirkt werden kann, die auf die äußeren Gleitfläche des Nockens wirken.

Es ist klar, dass für einen vorgegebenen, festen Kurbelzapfenexzenterhub der maximal mögliche Wert der Kolbenhubverschiebung abhängig ist vom Grad der Exzentrizität zwischen der inneren Lageroberfläche und der äußeren Gleitlageroberfläche des Nockens. Eine größere Exzentrizität erlaubt einen vergrößerten oder verringerten Exzenterhub, abhängig von der Winkelposition des Nockens auf dem Kurbelzapfen. Demzufolge wird eine korrekt ausgebildete Exzentrizität dazu beitragen, die Kreisbahnachse des Kurbelzapfens mit der Achse der Kurbelwelle zusammenfallen zu lassen, was den Kurbelzapfen-Exzenterhub und den Kolbenhub auf Null bringt, und demzufolge den Exzenterhub, Kolben und Zylinder beruhigt. Es soll darauf hingewiesen werden, dass bei dieser Nullhub- oder passiven Betriebsweise der vollständig beruhigte Kolben, theoretisch, auf halbem Weg zwischen seiner normalen oberen Totpunktposition und seiner normalen unteren Totpunktposition während der weiteren Arbeitsweise des Kompressors in der Betriebsweise mit reduzierter Kapazität verbleibt.

Es soll besonders darauf hingewiesen werden, dass, wie oben erwähnt, alle Gleitlager und Lager, die in diesem Kraftübertragungszug beteiligt sind, im Wesentlichen perfekt kreisförmig sind, selbstverständlich innerhalb der Leistungsfähigkeit moderner Maschinen, und ihre Drehkontakte miteinander praktisch reibungsfrei sind. Demzufolge ergibt sich das Rätsel, was wenn nur eine Seite des Anschlags in Eingriff mit einem Stopp an irgendeiner vorgegebenen Zeit ist, getan werden muss, um ein Lösen der Verbindung und die darauffolgende Drehung des Nockens auf dem Kurbelzapfen während Zeiträumen zu verhindern, wenn der Nocken durch den Stopp mit nur minimaler Kraft angetrieben wird. Solch ein Lösen könnte ein Unmenge von ungeplanten Kolbenbewegungen oder -takten erzeugen, was merklich die Bemühungen durchkreuzen könnte, eine maximale Kompressorleistung unter unterschiedlichen Belastungserfordernissen aufrechtzuerhalten. Basierend auf einer Zusammenschau der oben erwähnten Patente, glaubt man offensichtlich, dass die Verbindung einfach durch die Trägheit des Nockens im Verlauf dieser Zeiträume aufrechterhalten werden kann.

Das Patent 4 494 447 weist auf ein Destabilisierungsphänomen hin, und dann nur mit einer kurzen Erwähnung in Spalte 1, dass der Gasdruck, die Trägheit der Kolbenstange und Zentrifugalkräfte sowie Gasdrehmomentumkehrkräfte zur Instabilität des Nockens beitragen. In welchem Zusammenhang und in welchem Verhältnis beispielsweise jedoch dies zu einer Nullhub-Kolbenbetriebsweise steht, ist nicht aus diesem Patent zu entnehmen. Auch wird in Spalte 1 dieses Patentes gesagt, dass "... Kräfte, die im allgemeinen dazu tendieren, die Möglichkeit einer Oszillation zu verhindern, Reibungskräfte, verschiedene Widerstandsbelastungen und Trägheitskräfte des Nockens sind." Diese Bemerkung scheint eine Aufzählung jener Kräfte zu sein, die inhärent, in verschiedenen Graden, in allen Kühlkompressoren vorhanden sind, und werfen kein Licht auf eine Lösung des Problems der Instabilität, insbesondere bezüglich einer Nullhub-Kolbenbetriebsweise.

Das Patent offenbart dann weiterhin eine gegenwärtige Stabilisierungskonstruktion, die seine Erfindung bildet, wobei die Konstruktion charakterisiert wird als Struktur, die den Nocken in der gewünschten Position halten hilft. Diese Konstruktion umfasst Endstopps 58, 60, die bevorzugt um 270° voneinander beabstandet sind, so dass gemäß diesem Patent ein wesentliches Zentrifugalkraft-Drehmoment "CFT" sich entwickeln wird, das dazu tendiert, die Stopps und den Anschlag an den Endpunkten der Nockendrehung zu halten, wie in den 4 und 5 dieses Patentes gezeigt. Es ist weiterhin in diesem Patent offenbart, dass diese CFT erzeugt werden kann durch eine Umpositionierung des Massezentrums 62 des Nockens von der Exzenterhubachse, die durch die Kurbelwellenachse 30a und die Kurbelzapfenachse 32a hindurchtritt, wie in den 6 und 7 dieses Patentes gezeigt.

Die Anmelder haben jedoch gefunden, dass mit solchen komplexen Kurbelzapfen-Gleitlagern unter typischen Betriebsbedingungen des Kompressors, die Trägheit des Nockens allein unwirksam ist, um ein Lösen zu verhindern, d.h. es besteht eine Instabilität der Verbindung und der Exzenterhubverschiebung unter den vorhandenen dynamischen Kräften, selbst bei einem theoretisch vollständig beruhigten Zylinder. Diese Kompressoren wurden ebenfalls nicht perfektioniert in einer Weise, dass sie erfolgreich auf dem Markt verwendet werden.

Kurz gesagt, während das allgemeine Konzept von Zwei-Stufen-Kompressoren im Stand der Technik offenbart ist, bestehen merkliche Bedürfnisse für eine Verbesserung dieser Verdichter, im Hinblick auf ihre Konstruktion, ihre Merkmale und ihre Anwendung in HVAC-Systemen und -verfahren.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kurbelzapfen-Exzenterhubverschiebestruktur für mindestens einen Kurbelzapfen eines Mehrzylinder-Kompressors zu schaffen. Die Konstruktion überwindet die negativen Wirkungen der destabilisierenden Kräfte, die entweder im passiven oder im aktiven Betriebszustand des Kolbenbetriebs entwickelt werden, und minimiert oder eliminiert Geräusche, die anderenfalls erzeugt würden durch wiederholte Neueingriffe zwischen dem Stopp und dem Anschlag während des Betriebs in irgendeiner dieser Betriebsweisen. Ein weiteres Ziel ist es, eine stabilisierende Konstruktion zu schaffen, wobei in der passiven Betriebsweise der Kolben im Wesentlichen einen Null-Kolbenhub hat. Noch ein weiteres Ziel ist es, eine solche stabilisierende Konstruktion zu schaffen, die mit geringen Abwandlungen anderer Komponenten von umsteuerbaren, Zwei-Stufen-Kompressoren angewendet werden kann.

Ein zusätzliches Ziel ist es, verbesserte Schmiersysteme für den Kurbelzapfen und die exzentrische Nockeneinheit von Zwei-Stufen-Kompressoren zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist es, eine verbesserte Einheit exzentrischer Nocken und Kurbelzapfen für umsteuerbare Zwei-Stufen-Kompressoren und Verfahren zum Zusammenbau solcher Kompressoren zu schaffen.

Ein weiteres Ziel ist es, ein effektives Umschaltsystem für den Antriebsmotor für den Kompressor zu schaffen, der zwischen einer vollen Leistung und einer reduzierten Leistung wechseln kann. Ein weiteres Ziel ist es, ein Schutzsystem für die Motorsteuerung zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist es, eine Motorsteuerung zu schaffen, die ökonomisch und effektiv eine Anzahl unterschiedlicher, zweistufiger HVAC-Komponenten, wie beispielsweise Kompressoren, Verdampfer, Bläser, Kühlerventilatoren oder dgl., zu betätigen.

Weitere Ziele der Erfindung sind es, den zweistufigen Kompressor der vorliegenden Erfindung auf verbesserte Airconditioning- und/oder Wärmepumpensysteme und -methoden anzuwenden. Zugeordnete Ziele liegen darin effektive und ökonomische HVAC-Systeme mit Zweistufencharakteristik für eine große Vielzahl von Kühlgeräten, einschließlich Systemen, die die effektive Verwendung von R-410 erhöhen, zu schaffen.

Zusätzliche Ziele und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt, und ergeben sich zum anderen aus der Beschreibung oder können durch Ausführung der Erfindung festgestellt werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden realisiert und erreicht durch die Elemente und Kombinationen, die insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen ausgeführt sind.

Gemäß dem Zweck der Erfindung, wie dargelegt und ausführlich hier beschrieben, umfasst die Erfindung einen Gaskompressor variabler Kapazität gemäß Anspruch 1.

Der Kompressor umfasst einen Block, der mindestens einen Zylinder und eine zugeordnete Kompressionskammer und einen Kolben, eine Kurbelwelle mit einem exzentrischen Kurbelzapfen, einen umschaltbaren Motor zum Drehen der Kurbelwelle in einer Vorwärts- und einer Rückwärtsrichtung, und einen exzentrischen, Zwei-Positionsnocken umfasst, der über dem Kurbelzapfen drehbar montiert ist. Der Nocken dreht sich in eine erste Position und arbeitet an einer ersten Position relativ zum Kurbelzapfen, wenn sich der Motor in Vorwärtsrichtung dreht, und dreht sich in eine zweite Position und arbeitet an der zweiten Position relativ zum Kurbelzapfen, wenn der Motor in Rückwärtsrichtung läuft. Die Exzentrizitäten des Kurbelzapfens und des Nockens werden kombiniert um den Kolben zu veranlassen, mit einem ersten Hub zu arbeiten, wenn der Motor in Vorwärtsrichtung läuft, und mit einen zweiten Hub zu arbeiten, wenn der Motor in Rückwärtsrichtung läuft. Der zweite Hub ist geringer als der erste Hub, und in einigen Ausführungsbeispielen ist er Null. Der Kompressor enthält weiterhin eine Steuerung zum ausgewählten Betätigen des Motors entweder in Vorwärtsrichtung bei einer ersten, vorbestimmten, festen Leistungsbelastung oder in Rückwärtsrichtung bei einer zweiten, vorbestimmten, festen Leistungsbelastung. Die zweite Leistungsbelastung ist geringer als die entsprechende erste Leistungsbelastung.

Bevorzugt ist der den Kompressor antreibende Motor ein Induktionsmotor mit Start- und Laufwicklungen. Der Motor läuft in der Vorwärtsrichtung auf der Laufwicklung und in Rückwärtsrichtung auf der Startwicklung. Diese Lauf- und Startwicklungen sind bevorzugt so ausgewählt, dass sie den Motor auf einem Optimum einer möglichen Leistung halten, wenn er in beiden Stufen arbeitet. Die Motorsteuerung enthält eine Schaltsteuerung, um den Betrieb des Motors von der Lauf- zur Startwicklung umzuschalten, auf der Basis von bekannten oder festgestellten Bedingungen. Diese Steuerungsschaltungsanordnung bildet einen einzigen und effektiven Weg, einen Zwei-Stufen-Betrieb sowohl eines Kompressors als auch anderer HVAC-Komponenten zu bewirken, wie beispielsweise Bläser oder Ventilatoren.

Der Motor und seine Zwei-Stufensteuerung werden bevorzugt auf einen umschaltbaren Zwei-Stufen-Kompressor mit einem exzentrischen Zwei-Positions-Nocken angewandt, der dazu dient, den Hub mindestens eines Kolbens im Kompressor einzustellen. Der Kompressor enthält bevorzugt eine Stabilisierungseinrichtung, die einen ersten Stoppmechanismus zum Begrenzen der Relativdrehung des Nockens um den Kurbelzapfen, wenn sich der Motor in Vorwärtsrichtung dreht, und einen zweiten Stoppmechanismus zum Begrenzen der Relativdrehung des Nockens um den Kurbelzapfen, wenn der Motor in Rückwärtsrichtung läuft, enthält. In einem Ausführungsbeispiel liegt der erste Stoppmechanismus in Form einer exzentrischen Masse vor, die am exzentrischen Nocken ausgebildet ist, und der zweite Stoppmechanismus liegt in Form eines Druckentlastungssystems vor, um irgendwelche signifikanten Druckunterschiede zwischen der niedrigen Seite des Kompressors und der Kompressionskammer des beruhigten Kolbens zu entlasten. Zusätzlich wird ein Schutz für den Motor vorgesehen. Der geschützte Motor umfasst einen umschaltbaren Einzelphasen-Induktionsmotor mit Start- und Laufwicklungen, der so ausgebildet ist, dass er auf den Laufwicklungen arbeitet, wenn er sich in einer Richtung dreht, und auf den Startwicklungen arbeitet, wenn er sich in der zweiten Richtung dreht. Die Motorschaltung enthält einen Protektor, der ein Gehäuse umfasst, das einen wärmeempfindlichen Schalter und ein Paar von Heizeinrichtungen hält. Die Heizeinrichtungen, bevorzugt in Form von Widerständen, sind an einem Ende mit dem wärmeempfindlichen Schalter und am anderen Ende mit jeweils den Start- und Laufwicklungen des Motors verbunden. Wenn die Innentemperatur des Protektors eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird der wärmeempfindliche Schalter betätigt, um den Schaltkreis zu öffnen und die Wicklungen von der Stromversorgung über eine vorbestimmte Zeitdauer zu trennen. Bevorzugt ist der Motor zum Antrieb eines umschaltbaren Zwei-Stufen-Motors ausgebildet und der Protektor und der Motor sind im Kompressorgehäuse untergebracht.

Eine Weiterentwicklung ist eine Kurbelwelle und eine Nockeneinheit für einen Kompressor variabler Leistung mit mindestens einem Zylinder und einem zugeordneten Kolben, der durch die Kombination eines Kurbelzapfens und eines exzentrischen Nockens am Kurbelzapfen angetrieben ist. Die Kurbelwelle umfasst eine Welle mit einem nahen und einem entfernten Ende, mit mindestens einem exzentrischen Kurbelzapfen, der zwischen dem nahen und entfernten Ende ausgebildet ist. Am oder in der Nähe vom Kurbelzapfen sind Stopps an einem Paar winkelmäßig getrennter Stellen angeordnet. Der exzentrische Nocken gleitet auf dem Kurbelzapfen und weist einen Durchmesser auf, der gleich oder größer als der Durchmesser der Kurbelwelle an ihrem entfernten Ende ist. Der Nocken enthält ein Paar von Anschlägen für einen ausgewählten Eingriff mit den Stopps auf dem Kurbelzapfen. Das System enthält ein mechanisches System zum Festhalten des Nockens an seiner axialen Position auf dem Kurbelzapfen, wenn beide zusammengesetzt sind.

In einem Ausführungsbeispiel enthält das mechanische System eine Endkappe, die an der Welle befestigt ist. In anderen Ausführungsbeispielen enthält das mechanische System ein radiales Loch, das im Kurbelzapfen ausgebildet ist, und einen Stift, der sich in das radiale Loch des Kurbelzapfens hinein erstreckt und innerhalb des inneren Schlitzes gleitet. Zusätzliche Ausführungsbeispiele sind unten beschrieben.

Eine weitere Entwicklung liegt in einem Schmiersystem zum Aufbringen eines Schmiermittels auf die in Eingriff stehenden Oberflächen der Kurbelwelle und des Nockens und zwischen dem Nocken und der Lageroberfläche der Verbindungsstange des Zwei-Stufen-Komporessors der vorliegenden Erfindung. In einem Ausführungsbeispiel enthält das Schmiersystem eine langgestreckte, axiale Zufuhr, die in der Kurbelwelle ausgebildet ist, eine Querbohrung, die in der Kurbelwelle ausgeformt ist und in Strömungsverbindung mit der axialen Zufuhr und einer äußeren Oberfläche des Kurbelzapfens steht, und ein Ölverbindungsloch, das im Nocken ausgebildet ist. Das Ölverbindungsloch ist mit der radialen Querbohrung in der Kurbelwelle ausgerichtet, wenn sich der Nocken sowohl in seiner ersten als auch seiner zweiten Position befindet, und steht in Strömungsverbindung mit der Lageroberfläche der Verbindungsstange in beiden Positionen. Andere Ausführungsbeispiele des Schmiersystems sind eingeschlossen und unten beschrieben.

Die Erfindung umfasst ferner die Anwendung eines Zwei-Stufen-Kompressors der vorliegenden Erfindung auf Airconditioning-Systeme und -verfahren. Die Erfindung enthält demzufolge ein System zum Kühlen eines Raums mit einem Zwei-Stufen-Kompressor, der entweder mit einer ersten, festen maximalen Leistung oder mit einer reduzierten, zweiten Leistung arbeitet, eine Expansionseinrichtung, einen Verdampfer und einen Kühler in einer Kühlschlaufe mit dem Kompressor. Das System enthält weiterhin einen Zwei-Stufen-Verdampferbläser, der entweder bei einer ersten, festen Maximalbelastung oder einer zweiten, reduzierten, festen Leistungsbelastung arbeitet. Das Airconditioning-System enthält weiterhin ein Steuersystem, das mit dem Kompressor und dem Bläser verbunden ist und so ausgebildet ist, dass es den Kompressor und Bläser an den entsprechenden ersten Stufen, wenn das Kühlungserfordernis einen vorbestimmten Wert übersteigt, und an den entsprechenden zweiten Stufen betätigt, wenn die Kühlungserfordernisse unter diesen vorbestimmten Wert fallen.

Bevorzugt sind die ersten und zweiten Stufen des Kompressors und des Bläsers miteinander abgestimmt, um eine optimale Leistungsfähigkeit für die Kühlungserfordernisse des Systems zu schaffen. Der Kompressor des Systems ist bevorzugt ein umschaltbarer, hin- und hergehender Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung. Die Steuerung wird bevorzugt durch einen Zwei-Stufen-Thermostat bewirkt, und das Expansionsventil ist bevorzugt eine Zwei-Stufen-Einrichtung. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung kann mit einer großen Vielzahl von Kühleinrichtungen verwendet werden, und ist effektiver auf eine R-410-Kühleinrichtung anwendbar als konventionelle Systeme.

Zusätzlich enthält die Erfindung die Anwendung der Zwei-Stufen-Kompressoren auf Wärmepumpesysteme und -verfahren. Die Erfindung enthält demzufolge ein Wärmepumpensystem, das einen Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung, einen Kühler, eine Expansionsvorrichtung, einen Verdampfer und Einrichtungen zum Betätigen des Kompressors, des Kühlers, der Expansionseinrichtung und des Verdampfers als Wärmepumpe enthält, die in ausgewählter Weise eine Airconditioning und eine Heizung auf Anforderung bieten kann. Das System enthält ein Steuersystem zum Betätigen des Systems im Heizbetrieb, wobei der Kompressor in der ersten Stufe oder zweiten Stufe läuft, basierend auf den Heizanforderungen, und zum Betätigen des Systems in einem Airconditioning-Betrieb, wobei der Kompressor nur in der ersten Stufe läuft. Das Wärmepumpensystem hat bevorzugt ein Einzelöffnungs-Expansionsventil, und der Kompressor läuft bevorzugt bei 60 bis 70% Kapazität im Airconditioningbetrieb.

Es ist klar, dass sowohl die obige, allgemeine Beschreibung als auch die folgende, detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und sich nicht beschränkend auf die Erfindung, wie sie beansprucht wurde, auswirken.

Die beiliegenden Zeichnungen, die eingeschlossen werden und einen Teil dieser Erläuterung bilden, stellen ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 ist eine vertikale Querschnittsdarstellung in Längsrichtung eines Kühleinrichtungs-Kompressors, wobei Teile zum Verbessern der Klarheit weggelassen wurden, und wobei sein Boden-Kurbelzapfenexzenterhub mit einem exzentrischen Nocken gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde, wobei der Nocken in seiner aktiven Betriebsausrichtung gezeigt ist, d.h. bei Vollhub des Kurbelzapfens, und wobei der zugeordnete Kolben eine durch Druck verformbare Ansaugventilstruktur im Kolbenkopf hat, wobei diese Struktur für eine Druckentlastung aus der Kompressionskammer sorgt;

2 ist eine Querschnittsdarstellung des Exzenterhubbereichs des Bodenkolbens und der Kurbelwelle gemäß 1, und zeigt den Nocken in seiner passiven Betriebsausrichtung, wobei der Scheitelpunkt des Nockens seinem zugeordneten Kolben angenähert ist, d.h. einen Kurbelzapfenexzenterhub von Null erzeugt;

3 ist eine geometrische Darstellung des passiven Exzenterhubzyklus unter Bezugnahme auf die Struktur gemäß 1, dargestellt bei einer Kurbelwelle im Gegenuhrzeigersinn entlang Linie 8, mit den Quadranten des Zyklus nacheinander von 1 bis 4 nummeriert, und mit dem Kolben in seiner passiven Position wie in 2;

4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie 4-4 der 1, die einen auf der Basis der Zentrifugalkraft betätigbaren Verriegelungsmechanismus zeigt;

4A ist eine Darstellung des Mechanismus der 4, betrachtet von der Oberseite in Richtung der Linie 4A;

4B ist eine Darstellung entlang der Linie 4B-4B der 4A;

4C ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Konstruktion und Ausgestaltung des Typs der Stabilisierungseinrichtung der 4 in ihrem verriegelnden oder Lauf-Betriebszustand;

4D ist eine Draufsicht der Stabilisierungseinrichtung der 4C;

4E ist eine Seitenansicht der Stabilisierungseinrichtung der 4C in ihrer unverriegelten oder gestoppten Betriebsweise;

5 ist eine Querschnittsanstellung einer Stabilisierungskonstruktion, die mit einer Druckdifferenz arbeitet;

6 ist eine Darstellung, die eine Konstruktionsabwandlung der 5 zeigt;

7 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 4-4 der 2 und zeigt die Gleitoberfläche des Kurbelzapfens, die mit einer Nut und einem O-Ring versehen ist, in Gleitkontakt mit der Nockenlagerfläche;

8 ist eine Querschnittsdarstellung der Gleitlagerfläche entlang Linie 4-4 der 2 in Richtung der Pfeile, und zeigt eine mechanische Einrichtung, d.h. eine Druckrolle für die Entwicklung eines Reibwiderstandes um die Verbindung(en) aufrechtzuerhalten;

9 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 9-9 der 8, die die Montagweise für die Rolle der 13 zeigt;

10 ist eine Darstellung wie 5, die eine Stabilisierungskonstruktion für einen Reibwiderstand zeigt;

11 ist eine Variation der Reibwiderstandsmittel;

12 ist eine Querschnittsdarstellung eines Bereichs der Ventilplatte der 1, die ein Saugventil vom Federblatttyp und ein spezielles Ausgabeventil zeigt;

13 ist eine Darstellung ähnlich 12, die die Verwendung von Beaufschlagungsmitteln für positiven Druck zeigt, um ein normalerweise geschlossenes Blattventil in eine leicht offene Position federnd zu drücken und die Druckentlastungsöffnungen durch das Saugen der Ventilplatte zeigt;

14 ist eine Darstellung ähnlich 1 eines Bereichs des Kompressors, die eine Druckentlastungsöffnung zeigt, die durch die Zylinderwand ausgebildet ist und über Leitungseinrichtungen, die im Zylinderblock vorgesehen sind, mit der Niedrigdruckseite des Kompressors an einer Stelle verbunden sind, die von der dichten Gas-Öl-Fläche des Kurbelgehäuses entfernt ist;

15 ist eine Querschnittsdarstellung eines umschaltbaren Kolbens, der eine oder mehrere Druckentlastungslöcher mit kleinem Durchmesser durch seinen oberen Bereich aufweist;

16 ist eine Querschnittsdarstellung eines Bereichs eines Kurbelgehäuses mit einem modifizierten Kolben, dargestellt bei der Entlastung;

17 ist eine Darstellung wie 6, wobei Bereiche weggebrochen wurden, und zeigt einen Kolben mit einem schwimmenden Saugventil;

18 ist eine Seitendarstellung eines Bereichs eines Kolbens, der eine spezielle Konstruktion eines Sprungkompressionsrings und einer Nutkonstruktion zeigt, in einer durchsickernden Saugbetriebsweise;

19 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 19-19 der 18;

20 ist eine Darstellung wir in 18, die den Ring in einer abdichtenden Druckbetriebsweise zeigt;

21 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 21-21 der 20;

22 ist eine Ansicht der Unterseite eines bevorzugten gewichteten Nockens mit einem Doppelstopp zum Entwickeln von CFT zum Stabilisieren der Verbindung(en);

23 ist eine Seitenansicht des Nockens aus 22, gedreht um 90° durch die Zeichnungsebene;

24 ist eine Draufsicht auf den Nocken der 22;

25 ist eine Seitenansicht eines Einzelanschlaglagers zur Verwendung mit dem Nocken der 22;

26 ist eine Draufsicht auf das Lager der 25;

27 ist eine Teilquerschnittsdarstellung entlang der Linie 27-27 der 26, einer Nockenanordnung der 22 und dem Lager der 25 zum unteren Ende der Kurbelwelle;

28 ist eine weitere erläuternde Darstellung eines beruhigten Kolbens; und

29 ist eine weitere beispielhafte Darstellung des Kolbens der 28 in einer vollständig aktiven Betriebsweise, d.h. einer Betriebsweise mit vollem Hub;

30 ist ein schematisches elektrisches Schaltbild eines bevorzugten Motorkreises für volle Betriebsweisen mit zwei Kolben;

31 ist ein schematisches elektrisches Schaltbild des Schaltkreises der 30 für eine volle Betriebsweise mit einem Kolben;

32 ist eine Querschnittsdarstellung eines Zylinders, eines Kolbens und einer Wulststruktur, die die Ausbildung der Saugventilscheibe zur Druckentlastung in den 1 und 2 beim Kompressionshub zeigt;

33 ist eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereichs des Saugventils der 32, die die Ausbildung der Ventilscheibe während des beruhigten Zylinderbetriebs zeigt;

34 ist eine Darstellung ähnlich 33, die die Position der Ventilscheibe beim Saughub zeigt;

35 ist eine Darstellung ähnlich 3, zeigt jedoch die Taktdaten für konventionelle Zylinder;

36 ist eine Darstellung ähnlich 35, zeigt jedoch die Taktdaten für einen bevorzugten Zylinder mit einstellbarem Hub;

37 ist eine Darstellung ähnlich 22 und zeigt, wie das gewünschte CFT für einen voll aktiven Kolben kalkuliert wird;

38 ist eine Darstellung ähnlich 37 zeigt jedoch den Nocken in seiner beruhigten Ausrichtung, und die Berechnung für die gewünschte CFT;

39 ist eine teilweise geschnittene Darstellung eines Zweizylinderkompressors, betrachtet in Richtung auf die Oberseite des Zylinders, d.h. in Richtung auf die Seite oder den Kopf eines typischen Kompressors;

40 ist eine Querschnittsdarstellung, wobei Teile zur besseren Darstellung weggebrochen wurden, im Wesentlichen entlang der Linie 40-40 der 39 in Richtung der Pfeile;

41 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer Einheit aus Kurbelwelle und Nocken, die einen exzentrischen Nocken und einen Kurbelzapfen zeigt;

42 ist eine perspektivische Darstellung der Kurbelwellen- und Nockeneinrichtung der 41;

43 ist eine perspektivische Darstellung der Kurbelwellen- und Nockeneinrichtung der 41, die die Zwei-Zylinder-Betriebsweise darstellt;

44 ist eine perspektivische Darstellung der Kurbelwellen- und Nockeneinrichtung der 41, die eine Einzel-Zylinder-Betriebsweise darstellt;

45A + 45B sind Querschnittsdarstellungen der Kurbelzapfen-Welle und zweier Winkelpositionen der Nocken darauf, mit einem Ausführungsbeispiel eines Schmiersystems;

46a + 46b zeigen eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Schmiersystems;

47a + 47b zeigen eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Schmiersystems;

48 ist eine schematische Darstellung eines Motorschutzes mit drei Anschlüssen;

49 ist eine Querschnittsdarstellung eines Motorschutzes mit drei Anschlüssen;

50 ist eine schematische Darstellung eines Airconditioningsystems mit einem Zwei-Stufen-Kompressor;

51 ist eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems mit einem Zwei-Stufen-Kompressor.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nunmehr im einzelnen auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung verwiesen, wobei Beispiele davon in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Wenn immer möglich, wurden die gleichen Bezugszeichen in allen Zeichnungen verwendet, um auf die gleichen oder ähnliche Teile hinzuweisen.

Die vorliegende Erfindung ist auf verbesserte zweistufige, reversibel umschaltbare Kompressoren und die Anwendung derartiger Kompressoren auf Heizungs- und Airconditioning("HVAC")-Systeme gerichtet. Die Kompressoren enthalten mindestens einen exzentrischen Nocken, der den Hub mindestens eines Kolbens verändert, wenn die Motordrehung umgeschaltet wird. Solche Kompressoren können eine einzige Kompressionskammer und einen einzigen Kolben, oder eine Mehrzahl von Kompressionskammern und Kolben enthalten. Wenn der Kompressor ein Einzelkolbenkompressor ist, arbeitet der Kolben in einer Richtung mit vollem Hub und in der umgekehrten Richtung mit reduziertem Hub (beispielsweise mit halbem Hub).

Die maximalen Hube unterschiedlicher Kolben in einem Mehrkolbenzylinder können die gleichen sein oder können variiert werden, um optimale Ergebnisse für einen vorbestimmten Anwendungszweck zu bringen. Der minimale Hub des Kolbens, der durch exzentrische, Zwei-Positionsnocken angetrieben wird, kann von Null bis auf eine Hublänge variieren, die nur geringfügig geringer als das Maximum ist. Die gewünschten Hublängen werden durch die Exzentrizitäten der Kurbelwelle oder der Kombination der Kurbelwelle und des Nockens erreicht, die die entsprechenden Kolben antreiben, und diese Längen werden relativiert, um die optimalen Ausgangswerte für eine vorgegebene Anwendung zu schaffen. Nur beispielsweise kann ein Kompressor zwei Kompressionskammern und Kolben aufweisen, wobei nur ein Kolben einen variablen Hub hat, der durch die Verwendung eines exzentrischen Kolbens erreicht wird. In einem solchen Kompressor, kann der Kolben, der durch den Nocken angetrieben wird, so ausgebildet sein, dass er Null Hub hat, wenn sich der Nocken in der zweiten Position befindet, oder er kann einen verkürzten Hub bei einem Kompressor mit zwei Kolben haben, wobei dieser Kompressor so konstruiert sein kann, dass die Kolben gleiche Hube und eine volle Kapazität aufweisen, wobei ein Kolben keinen Hub bei einer Teilkapazität hat, die durch Umschaltung des Motors erreicht wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man den exzentrischen Nocken so konstruiert, dass er um 180° dreht, so dass seine Mittellinie ausgerichtet ist mit der der Kurbelwelle, wodurch einer der Kolben neutralisiert wird. Ein solcher Kompressor würde Ausgabewerte von 100% und 50% haben. Ein ähnlicher Zweikolben-Kompressor könnte konstruiert werden, dass er 100% und 40% Ausgabewert hat, indem man einen Kolben so konstruiert, dass er 40% der Ausgabewerte hat, und den Hub des anderen 60%-Kolbens auf Null reduziert, wenn der Motor zurückgefahren wird. Eine große Bandbreite ähnlicher Optionen sind verfügbar, um einen Kompressor zu schaffen, der die Belastungsmerkmale aufweist, die zum speziellen Anwendungszweck passen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Kompressor drei oder vier Kompressionskammern und Kolben aufweisen, wobei nur eine oder zwei davon durch einen exzentrischen Nocken angetrieben werden. Im Ergebnis können Kompressoren mit einer großen Vielfalt von Belastungsmerkmalen konstruiert werden, um speziellen Anwendungszwecken zu genügen.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Dieser bestimmte Gaskompressor variabler Leistungsfähigkeit hat ausgerichtete Doppelkolben 26, 28. Der Kompressor enthält einen Zylinderblock 29, der mit Zylindern 32, 34 versehen ist, in denen jeweils die Kolben 26, 28 hin- und hergehend montiert sind. Der Kompressor enthält eine Ventilplatte 36, in der ein Saugventil 38 und ein Ausgangsventil 40 gewöhnlich vorgesehen sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dort, wo das Saugventil im Kolbenkopf montiert ist, wie in den US-Patenten 5 080 130, 5 106 278 und 5 203 857, deren Offenbarungsgehalt hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, kein Saugventil in der Ventilplatten nötig ist.

Eine Kurbelwelle 42 ist auf dem Block drehend montiert und ist mit Kurbelzapfen-Wellen oder Exzentrizitäten 44, 46 versehen. Verbindungsstangen 48, 50 sind jeweils mit einem Lager 56 an einem Endbereich 58 und mit einem Kolbenbolzen 60 an ihrem anderen Endbereich 62 versehen. An mindestens einem der Kurbelzapfen ist ein exzentrischer Nocken 64 drehbar montiert, und eines der Lager 56 ist drehbar am Nocken montiert. In einem Ausführungsbeispiel, wie in 4 gezeigt, sind Antriebsstopps 66 und 67 an der Kurbelwelle unter vorbestimmten Winkelpositionen dazu vorgesehen, und ein angetriebener Anschlag 68 ist am Nocken an einer vorbestimmten Winkelposition dazu vorgesehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass entweder zwei Stopps mit einem dazwischen angeordneten Anschlag oder zwei Anschläge mit einem dazwischen angeordneten Stopp vorgesehen sein können. Auf jeden Fall definieren der Stopp oder die Stopps und der Anschlag oder die Anschläge die Winkelgrenzen oder Endpunkte der Drehbarkeit des Nockens auf dem Kurbelzapfen.

Ein umschaltbarer Motor 70 innerhalb des Kompressorengehäuses 72 treibt die Kurbelwelle selektiv in jeder Drehrichtung an, in Abhängigkeit von elektrischen Betriebssignalen, die auf ihn übertragen werden, und der Nocken ist in Abhängigkeit davon zu einem der Endpunkte durch die Drehung der Kurbelwelle in einer Richtung und zum anderen Endpunkt durch die Drehung der Kurbelwelle in der Gegenrichtung drehbar, wobei an den Endpunkten der Stopp oder die Stopps und der Anschlag oder die Anschläge die Verbindung(en) bilden.

Stabilisierungsmechanismen und -systeme

Bei umschaltbaren Zwei-Stufenkompressoren der oben beschriebenen Art, bewirkt ein komplex wirkender Nocken, dass die Verbindungen zwischen den Stopps und den Anschlägen sich während Betriebsbedingungen lösen. Ein solches Lösen beeinflusst nachteilig die Betriebssicherheit und Brauchbarkeit der Kompressoren.

So haben die Anmelder beispielsweise festgestellt, dass in einem speziellen Falle, wo sich der Nocken auf dem Kurbelzapfen gedreht hat, um einen Kolbenhub Null zu erzeugen, irgendein merklicher, "zufälliger" Druck über dem Umgebungsdruck (d.h. über der Niederdruckseite des Kompressors, der sich in der beruhigten Kompressionskammer entwickelte, auf den Kolben und die Verbindungsstange einwirkt und den Nocken veranlasst, sich mindestens innerhalb des ersten Quadranten (3) auf dem Kurbelzapfen zu drehen und die Verbindung zu lösen. Ein solcher Druck kann in den inaktiven Zylinder durch die Hochdruckentlastung über das Ausgabeventil oder beim Anfahren des Kompressors in der beruhigten Betriebsweise eingeleitet werden. Der Druck kann sich auch beim Bewegen des Kolbens von seinem unteren Totpunktzentrum zum mittleren Hub aufbauen, wodurch das Volumen im inaktiven Zylinder auf die Hälfte reduziert wird und genügend Druck erzeugt wird, um ein Lösen zu bewirken.

Ein solches Lösen kann in einem Bereich auftreten, der von einem gerade feststellbaren Zustand bis zu einigen Graden reicht, und kann zu einer Erzeugung unerwünschter Kolbenhube unterschiedlicher Längen führen. Die Anmelder haben ebenfalls festgestellt, dass ein weiteres Problem, das aus diesem Lösen resultiert, in der Erzeugung eines merklichen metallischen Klickens oder eines Klickgeräusches liegt, das durch die schnelle und kraftvolle Wiederherstellung des Eingriffs zwischen dem Stopp und dem Anschlag erzeugt wird, insbesondere im zweiten Quadranten, wenn der Lösewinkel gegen Null geht mit einem Abfall des zufälligen Drucks gegen oder selbst unter Umgebungsdruck.

Nimmt man ferner den Fall an, wo ein vorher vollständig beruhigter Kolben einen vollen Hub auszuführen hat, durch eine Umkehr der Kurbelwellendrehung, haben die Anmelder festgestellt, dass ein zufälliger Druck, der auf den Kolben am Beginn seines Saughubs durch komprimiertes Gas ausgeübt wird, das nicht im Kompressionshub ausgestoßen wurde, d.h. reexpandiertes Gas, dazu tendiert, ein im Wesentlichen sofortiges Lösen der Verbindung im ersten Quadranten zu verursachen. Dieses Lösen kann dann weitergeführt werden und manchmal verstärkt werden im zweiten Quadranten, wenn die lineare Geschwindigkeit des Kurbelzapfens beim Durchlaufen des unteren Totpunktzentrums abfällt, während die lineare Trägheit der kombinierten Massen des Kolbens und der Verbindungsstange eine Drehkraft auf den Nocken aufrechterhält und dazu tendiert, ihn und den Anschlag weiter über den Stopp zu bringen. Unter diesen Bedingungen erfolgt der eventuelle Neueingriff des Stopps mit dem Anschlag in einem späteren Bereich des zweiten Quadranten mit einem merklichen Moment und Schlagkraft.

Ein weiterer Hauptbeitrag zur Instabilität der Verbindung, der von den Anmeldern festgestellt wurde, liegt darin, dass unmittelbar nach Vollendung des Umlaufs um das unteren Totpunktzentrum der Kurbelwelle, der verringerte Druck, der in der Kompressionskammer herrscht, es dem Umgebungsdruck gestattet, den Kolben schnell in den Zylinder hineinzudrücken und dadurch den Nocken vor dem Stopp zu drehen und dadurch einen merklichen Lösegrad zu verursachen. Dann, wenn der Druck in der Kompressionskammer beim Kompressionshub schnell ansteigt, verringert sich die lineare Geschwindigkeit des Kolbens relativ zur Umlaufgeschwindigkeit des Kurbelzapfens schnell und der Stopp holt gegenüber dem Anschlag auf und schlägt an diesem an, was mit merklicher Kraft und mit einem Geräusch geschieht.

Die vorliegende Erfindung enthält eine Stabilisierungskonstruktion für exzentrische Nocken zum Einstellen eines Hubs, wobei der Mechanismus zum Positionieren des Nockens an gegenüberliegenden Endpunkten zusammenwirkende, antreibende Stoppeinrichtungen auf de Kurbelwelle und angetriebene Anschlageinrichtungen am Nocken enthält. Die Stabilisierungskonstruktion umfasst mindestens eines der nachfolgenden Merkmale:

  • (A) Positive Verriegelungseinrichtungen, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus
  • (a) Arretierungseinrichtungen mit zusammenwirkenden Elementen auf der Kurbelwelle und dem Nocken, wobei die Elemente an mindestens einem der Endpunkte miteinander in Eingriff bringbar und voneinander lösbar sind durch jeweils das Aufbringen oder das Wegnehmen von einer Zentrifugalkraft, die auf ein Element der Arretierungseinrichtung einwirkt, oder
  • (b) eine Einrichtung, die durch eine Druckdifferenz betätigbar ist, die zusammenwirkende Elemente auf der Kurbelwelle und dem Nocken enthält, wobei die Elemente miteinander in Eingriff bringbar und voneinander zu lösen sind durch jeweils eine plötzliche und entgegengesetzte Winkelbewegung zwischen der Kurbelzapfenwelle und dem Nocken, mindestens an einem der Endpunkte; oder
  • (B) Einrichtungen zur Reibungsmitnahme mit wirksamen Elementen auf dem Nocken und der Kurbelwelle, die miteinander in Eingriff bringbar sind, um destabilisierenden Kräften zu widerstehen, die dazu tendieren, den Nocken auf der Kurbelzapfenwelle zu verdrehen und demzufolge die Verbindung an mindestens einem der Endpunkte zu trennen.

Eine weitere Stabilisierungskonstruktion umfasst:

  • (C) Eine Einrichtung zur Druckregulierung, die durch Minimieren von jedem Druckunterschied zwischen der niedrigen Seite des Kompressors und der Kompressionskammer eines beruhigten Zylinders wirkt.

Es soll darauf hingewiesen werden, dass für bestimmte Betriebsbedingungen des Kompressors es nicht für notwendig erachtet werden könnte, eine Stabilisierungskonstruktion für jede der Verbindungen vorzusehen, d.h. an beiden Endpunkten, obwohl mindestens eine der Konstruktionen für jeden Endpunkt stark bevorzugt ist.

Die vorliegende Stabilisierungseinrichtung, die mindestens einem der Punkte (A), (B) oder (C), wie oben erläutert, zugeordnet ist, wird eingehender und spezifischer unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei die 4 bis 6 beispielhafte Ausführungsformen von (A), die 7 bis 11 beispielhafte Ausführungsformen von (B) und die 12 bis 21 beispielhafte Ausführungsformen von (C) zeigen.

In 3 ist der Nocken 64 in seiner beruhigten Ausrichtung gezeigt, wobei die Mittelachse 74 der Kurbelzapfenwelle 44 zur Drehachse 76 der Kurbelwelle und das Zentrum oder die Drehachse 59 des Nockens verschoben wurde, wobei die Umlaufachse des Kurbelzapfens mit der Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet wurde. Diese Verschiebung hat dadurch den Kurbelzapfen rekonfiguriert, damit er konzentrisch mit der Kurbelwelle ist, und der neu geformte Kurbelzapfen bildet nun die Gesamtmasse und die Form der originalen Kurbelzapfenwelle plus denjenigen des Nockens. Wie 3 zeigt, ist jede Umdrehung oder jeder Umlauf des Kurbelzapfens in vier Quadrandten 1 bis 4 unterteilt, zum Zwecke einer klaren Beschreibung bezüglich der oben beschriebenen Destabilisierungskräfte und der im einzelnen unten beschriebenen Stabilisierungskonstruktionen.

In den 4, 4A und 4B ist eine bevorzugte Konstruktion für die Arretierungseinrichtung gezeigt, generell mit 78 bezeichnet, die eine Masse 80, beispielsweise 14,1 × 10–2 bis 28,35 × 10–2 kg (5 bis 10 Unzen) oder so ähnlich, am fernen Ende 81 eines Hebels 82 umfasst, der schwenkbar über einen Schwenkzapfen 84 mit einem Bereich der Kurbelwelle, wie beispielsweise einen Schürzenbereich 86 eines Lagers 88, verbunden ist, wobei dieser Bereich den Anschlag oder die Anschläge trägt. Ein Hakenteil 90 ist am nahen Ende des Hebels ausgebildet und kommt mit dem Anschlag 68 in Eingriff, wenn ein Anschlag mit dem Stopp 66 in Eingriff kommt, als Antwort auf eine aufwärts gerichtete Zentrifugalkraft "F", wie in 4 zu sehen, auf die Masse 80, die durch die sich drehende Kurbelwelle erzeugt wurde.

Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn sich die Kurbelwelle langsamer dreht, um ihre Drehung umzukehren, das Gewicht der Masse 80 die Zentrifugalarretierungskraft "F" überwindet und das Teil 90 außer Eingriff mit dem Anschlag 68 verschwenkt, um eine Drehung des Nockens zu seinem anderen Endpunkt am Stopp 67 zu gestatten. Dieses Endarretieren tritt am einfachsten auf, wenn sich die Kurbelwelle, der Nocken und die Hebelstrukturen, wie in 4 gezeigt, in ihrer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung befinden, wie in 4 gezeigt.

Eine identische Einrichtung 78 kann an der Lagerschürze 86 benachbart des Stopps 67 montiert sein, um die Verbindung zwischen dem Anschlag 68 und dem Stopp 67 in gleicher Weise aufrechtzuerhalten, wie dies oben beschrieben ist. Das Lager 68 ist mit der Kurbelwelle durch zusammenwirkende Abflachungen 92 und 94, jeweils an der Kurbelwelle und dem Lager 88, verkeilt. Keile und Keilnuten können selbstverständlich alternativ für diesen Zweck eingesetzt werden.

In den 4C, 4D und 4E ist die Modifikation des Lagers 88, wie als 130 in den 4C bis 4E gezeigt, um 180° auf seiner Bohrungsachse 127 von 88 der 25 bis 27 gedreht und ist an seinem oberen Ende mit einer Stabilisierungseinrichtung 138 versehen, die eine Nabe, insgesamt gekennzeichnet mit 128, umfasst, die eine Kanalöffnung 131 aufweist, in der ein Arretierungsarm 132 schwenkbar auf einer Schwenkachse in 133 montiert ist, befestigt durch die Seiten 134, 135 der Nabe. Der Arm 132 erstreckt sich im Wesentlichen seitwärts des Lagers und ist mit einer Masse 136 ausgebildet. Eine Schulter 137 ist am Arm vorgesehen, um mit einem Anschlag, wie beispielsweise bei 68 in 4, in Eingriff zu treten, wenn sich die Kurbelwelle dreht und die Zentrifugalkraft, die dadurch erzeugt wird, den Arm 132 nach oben aus seiner nicht arretierenden Position der 4E bewegt. In diesem Ausführungsbeispiel kann eine weitere Stabilisierungseinrichtung 138 an dem gegenüberliegenden oberen Bereich des Lagers vorgesehen sein, um auch die Verbindung(en) am Endpunkt zu stabilisieren.

Wie 5 zeigt, umfasst die Stabilisierungskonstruktion einen Hohlraum 96 und einen Stößel 98, die eng zusammenpassen. Während des Kompressorbetriebs wird der Hohlraum 96 gewöhnlich mit Kompressoröl geflutet, und wenn die Verbindung zwischen dem Anschlag und dem Stopp ausgebildet ist, befindet sich eine Öldichtung um den Stößel 98 herum. Wenn demnach eine Stabilisierungskraft auf dem Nocken wirkt, die dazu tendiert, den Stößel aus dem Hohlraum zu ziehen, wird ein Druckunterschied über den Stößel entwickelt, der dazu tendiert, ihn zurück in den Hohlraum zu drücken. Wenn jedoch ein Umschalten des Motors stattfindet, reicht die anfängliche Trägheit des Nockens und die Beschleunigung der Kurbelwelle aus, den Stößel aus dem Hohlraum zu ziehen und die Verbindung zu unterbrechen.

Wie 6 zeigt, kann die Stabilisierungskonstruktion der 5 modifiziert werden, indem man das innere Ende des Hohlraums 96 für Umgebungs-Kurbelgehäuse-Zustände durch einen Ausschnitt 100 öffnet, und indem man ein Absperrventil, wie beispielsweise das dünne, hoch flexible Klappenventil 102 an der Schürze durch den Stift 104 oder dgl. befestigt. Dieses Ventil, das flexibel in Richtung auf seine geschlossene Position belastet ist, gestattet es, dass der Stößel 98 sich leicht in den Hohlraum 96 während des Aufbaus der Verbindung einsetzt, indem es in seine Offenstellung springt unter Einwirkung einer kleinen hydraulischen Kraft, den Druckunterschied jedoch aufrecht erhält und ein unerwünschtes Abziehen des Stößels verhindert, wenn es geschlossen ist.

In 7 umfasst die Stabilisierungskonstruktion einen O-Ring 106, der in einer ringförmigen Nut 108 in der Lageroberfläche der Kurbelzapfenwelle befestigt ist und in Reibeingriff mit der Lagerfläche 110 des Nockens steht. Dieser O-Ring kann so bemessen sein bezüglich des Gleitlagers und des Nockens, um eine Mitnahme zu bewirken, die durch die meisten der destabilisierenden Kräfte nicht einfach zu überwinden ist.

Wie die 8 und 9 zeigen, wird die Reibungsmitnahme durch eine Rolle 61, bevorzugt aus einem halbharten Kunststoff, wie beispielsweise Nylon, Teflon oder dgl., vorgesehen, die drehbar in einer Ausnehmung 63 durch eine Welle 65 montiert ist, wobei die Ausnehmung im Körper des Nockens vorgesehen ist. Diese Rolle kann weiterhin so dimensioniert werden, dass sie praktisch jede gewünschte Stabilisierungskraft aufbringen kann.

In 10 ist eine Abwandlung der Druckdifferenz der Stabilisierungskonstruktion der 5 gezeigt, und schafft eine gewünschte Reibungsmitnahme durch einen O-Ring 69, der reibungsmäßig einen Kolben 71 umgibt, der in einer in der Schürze 86 vorgesehenen Durchgangsbohrung 73 vorgesehen ist.

In 11 wird die Reibungsmitnahme durch eine Kugel 75 und eine Druckfeder 77 bewirkt, die am Anschlag 78 montiert ist, wobei eine Rampe 79 an der Kurbelwelle benachbart dem Stopp vorgesehen ist. Wenn die Verbindung erzeugt wurde, wird die Kugel die Rampe 79 hinunter in Richtung auf den Stopp durch die Wirkung der Rampe und der Feder geschoben oder gedrückt. Diese Kraft hält die Verbindung gegen wenigstens einige der Destabilisierungskräfte aufrecht.

Es soll besonders darauf hingewiesen werden, dass alle Ausführungsbeispiele der Stabilisierungskonstruktion der 4 bis 11 auch verwendet werden können, um die Verbindung am Stopp 67 zu stabilisieren. Wenn es für einen bestimmten Kompressor wünschenswert sein sollte, können die Stopps 66, 67 winkelmäßig verlagert werden, um mehr oder weniger als die gezeigten etwa 180°, da diese Stabilisierungskonstruktionen bei jeder winkelmäßigen Verlagerung arbeiten.

Bezüglich der 12 bis 22, der 32 bis 34 und der 39 bis 40 sind Stabilisierungskonstruktionen gezeigt, die dazu beitragen, die Drücke in den Kompressionskammern sowohl von aktiven Zylindern als auch in vollständig beruhigten oder teilweise beruhigten Zylindern zu regulieren.

In 12 ist eine Ventilplatte gezeigt, die einen Saugabschnitt 81 und einen Ausgabeabschnitt 83 aufweist. Im Saugabschnitt, der eine Saugöffnung 85 aufweist, ist ein Saugventil 87 vom Blatttyp gezeigt, das mit einem Ende 89 in bekannter Weise an der Platte befestigt ist. Dieses Ventil kann leichtgängig in eine offene Position springen, wie gezeigt, während, wenn sich der Kolben in einem vollständig beruhigten Zustand befindet, jedes Austreten von Kühlmittel unter hohem Druck hinter das Ausgabeventil in die Kompressionskammer, was eine destabilisierende Kraft zeigen könnte, nach unten in den Niedrigdruckabschnitt des Kompressors durch das Saugventil geleitet wird. Dieses Saugventil erfordert nur eine leichte Kraft für die Öffnung, beispielsweise 14,1 × 10–2 bis 28,35 × 10–2 kg (5 bis 10 Unzen), so dass es ohne Schwierigkeiten nach einer Reaktivierung des Zylinders schließen wird.

In 12 ist ein Ausgangsventil 91 an einem Ende 93 der Platte befestigt und wirkt zum Abdichten und Öffnen der Ausgabeöffnung 95. Dieses bestimmte Ausgabeventil ist so konstruiert, dass es im Wesentlichen nicht leitend ist durch einen O-Ring 97, der in einer ringförmigen Nut montiert ist, die in der Ventilplatte ausgebildet ist und die Ausgabeöffnung umgibt. Ein derartiges Ventil hilft sehr stark die Entwicklung von zufälligem Druck in der Kompressionskammer eines vollständig beruhigten Zylinders zu verringern.

In 13 ist gezeigt, wie das Ventil 87 in eine offene Position durch eine sehr leichte Druckfeder 99 betastet ist, die in der Platte montiert ist. In dieser Figur sind ebenfalls alternative oder zusätzliche Stabilisierungseinrichtungen gezeigt, insbesondere für einen beruhigten Zylinder, in Form von einer oder mehreren kleinen Sickeröffnungen 110, beispielsweise 10 bis 20 &mgr;m im Durchmesser, die in dem Saugabschnitt der Ventilplatte ausgebildet sind und mit der niedrigen Seite des Kompressors in Verbindung stehen.

In 14 ist eine Druckabfallleitung oder -passage 103 entweder extern bezüglich des Blo- ckes oder innen durch ihn hindurch, wie dargestellt, vorgesehen, die mit der Kompressionskammer 105 in Verbindung steht und sich nach oben zu einem Auslass erstreckt, der mit der niedrigen Seite an einer Position in Verbindung steht, die entfernt ist von der Schweröl-Kühlmittel-Mischung. Eine solche Entlüftungsöffnung oder solche Entlüftungsöffnungen, die in der Zylinderwand ausgebildet sind, definieren Gasströmungsmerkmale und schaffen eine Druckentlastung, wie nachfolgend im einzelnen näher erläutert ist.

Die 39 und 40 stellen eine bevorzugte Anwendungsform der Entlüftungsöffnungen dar, die im Block ausgebildet sind, um eine Druckentlastung zu schaffen. Wie in 39 zu sehen, ist der Kompressor ein Zwei-Zylinder-Kompressor mit einem symmetrischen Kühlmittelsaugsystem. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kompressor so konstruiert, dass ein Kolben einen vollen Hub hat, unabhängig von der Richtung der Motordrehung, während der zweite Zylinder einen vollen Hub hat, wenn sich der Motor in Vorwärtsrichtung dreht, und einen Hub Null hat, wenn er sich in Gegenrichtung dreht. Eine Entlüftungsöffnung 154 ist der Wandung des Zylinders des beruhigten Kolbens an einer Stelle unterhalb der beruhigten Position des Zylinders positioniert. Die Entlüftungsöffnung steht in Strömungsverbindung mit der Saugseite des Kompressors, so dass jeder Druckunterschied entlastet wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel steht die Entlüftungsöffnung 154 in Strömungsverbindung mit dem Saugeinlass, der dem Zylinder des beruhigten Kolbens zugeordnet ist, und ist geringfügig oberhalb der oberen Oberfläche des Kolbens positioniert, wenn dieser sich in seiner beruhigten Position befindet. Dies wird durch die Anordnung eines Sickerkanals im Block des Kompressors erreicht.

Die 39 bis 40 zeigen eine Art und Weise des Ausbildens von Entlüftungsöffnungen und zugeordneten Entlastungspassagen in einem Kompressor der vorliegenden Erfindung. Ein Loch 152 ist im Block vom Deck 158 des Kurbelgehäuses in die Saugeinlassöffnung 156 gebohrt. Das Deckende dieses Lochs wird später abgedeckt und durch eine Ventilplatte blockiert, wenn der Kompressor zusammengebaut wird, so dass die durch das Loch ausgebildete Passage sich nur in Strömungsverbindung mit dem Saugeinlass befindet.

Eine Entlüftungsöffnung vom Zylinder zum Loch 152 wird dann im Block ausgebildet. Dies wird erreicht, indem man ein Loch 150 mit dem ersten Loch und der Zylinderbohrung bohrt. Bevorzugt ist das Loch 150 stufenartig gebohrt, und weist einen kleineren Durchmesser am Eingangspunkt des Lochs in den Zylinder auf. Das Loch 150 schneidet sich mit dem Loch 152, was eine Strömungspassage vom Zylinder zum Saugeinlass schafft. Das offene Ende des Lochs 150, das vom Zylinder beabstandet ist, wird bei der Montage verstopft, beispielsweise durch einen kleinen Kupferstopfen.

Die oben beschriebene Entlüftungsöffnung und -passage bildet eine ausreichende Strömungspassage, damit jeder Druckaufbau im Zylinder entlastet werden kann, wenn sich der Kolben in dem beruhigten Betriebszustand befindet. Das Loch ist jedoch so bemessen und positioniert, dass dann, wenn sich der Kolben in seiner Arbeitsweise befindet, die Bewegung des Kolbens die Entlüftungsöffnung periodisch verschließt, und nur geringfügig, wenn überhaupt, etwas austritt.

Es wurde festgestellt, dass bei einem Kompressor mit mehreren Zylindern die Kombination eines geeigneten Gegengewichts, das am Nocken und der Entlüftungsöffnung 154 positioniert ist, dem Nocken eine merkliche Stabilität verleiht und Verbindungsgeräusche verringert wenn nicht gar eliminiert, sowohl beim Betrieb bei voller als auch bei reduzierter Leistung.

Die Größe und Form der Durchmesser des Entlüftungslochs werden bestimmt, basierend auf einer spezifizierten Kompressorkonstruktion und auf Betriebsmerkmalen. Insbesondere sollte die Entlüftungsöffnung so bemessen sein, dass sie für einen ausreichenden Druckabbau sorgt, während sie nicht merklich die Effektivität des Kompressors beeinflusst.

In 15 sind eine oder mehrere kleine Sickeröffnungen 107, ähnlich den Öffnungen 101 in 12, durch die Oberseite oder den Kopf 109 des Kolbens hindurch ausgebildet und stehen mit der niedrigen Seite in Verbindung.

In 16 ist der Kolben 26 mit einer ringförmigen Ölnut 111 versehen, die durch eine Ölzufuhröffnung 112 in Verbindung steht, die sie mit den Ölkanälen oder -passagen der Kurbelwelle und der Verbindungsstange verbindet, die die Lager und Kolbenbolzen durch eine konventionelle Pumpwirkung beliefern. Während des aktiven Kolbenbetriebs beliefert die Pumpwirkung die Nut 111 unter Druck, und das Öl bildet eine Dichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand, die im Wesentlichen die Strömung von Hochdruck-Kühlmittel zur niedrigen Seite verhindert. Wenn der Kolben jedoch passiv ist, ist der Spalt 113 zwischen den Kolben und der Zylinderwand nicht abgedichtet, wodurch irgendein zufälliger Druck in der Kompressionskammer zur niedrigen Seite geleitet werden kann.

In 17 wird das Nachuntenleiten von Druck erreicht durch Einsatz eines Saugventils, das eine im Wesentlichen frei schwimmende Scheibe 114 aufweist, die lose im Kolbenkopf durch ein Rückhaltelement, wie beispielsweise bei 115, gehalten ist. Diese Scheibe wird in ihrer weit offenen Position gezeigt, wie es bei einem normalen Saughub passieren würde, wodurch die Saugöffnung 116, die in Verbindung mit dem Niedrigseite-Sauggas steht, weit offen ist. In einem passiven Zustand des Zylinders, wenn die Saugscheibe einfach auf der Oberseite 109 des Kolbens aufliegt, ohne dass sie irgendeinem signifikanten Abdichtgasdruck unterworfen ist, formen die Scheibe und die Ventilöffnung im Kolbenkopf nicht unbedingt eine gute Gasdichtung, und irgendein sich in der Kompressionskammer ausbildender, zufälliger Druck kann leicht nach unten geleitet werden, um diese Scheibe herum und in die niedrige Seite. Ein Arbeitsbeispiel dieses Ausführungsbeispiels ist nachfolgend eingehender beschrieben und in den 32 bis 34 gezeigt.

Wein den 18 bis 21 gezeigt, erfolgt das Nachuntenleiten des zufälligen Drucks durch den Spalt 118, der zwischen den Enden eines verdrehten oder gespannten Kolbenrings 119 ausgebildet ist. In seinem ungedrückten und durchlassenden Zustand ist der Ring in den 18 und 19 gezergt, und in seinem gedrückten und dichtenden Zustand, beispielsweise bei einem normalen Kompressionshub, ist er in den 20 und 21 gezeigt.

Wie insbesondere die 32 bis 34 zeigen und unter Bezugnahme auf die Ansprüche 19 bis 24, umfasst eine besonders bevorzugte Druckregulierungseinrichtung eine Saugventilkonstruktion, die im allgemeinen mit 139 bezeichnet ist, die eine frei schwimmende Ventilscheibe 140 und einen Saugöffnungssitz 141 aufweist, wobei die Scheibe aus einem nachgiebigen, unter Druck verformbaren Material besteht und im Kolbenkopf 142 so montiert ist, dass eine Dichtfläche 143 der Scheibe normalerweise leicht von einer kooperierenden Dichtfläche 144 des Sitzes entfernt ist, um eine Druckableitpassage 145 zu schaffen, wobei die Scheibe durch den Druck in der Kompressionskammer 105 beim Kompressionshub verformbar ist, wodurch die Flächen, die bevorzugt ringförmig sind, einander kontaktieren und eine Kompressionsdichtung bilden.

Die Scheibe 140 ist durch Druck verformbar, halbfest, stark nachgiebig und besteht aus einem Material, das aus einem der nachfolgenden Materialien oder einer Mischung aus den nachfolgenden Materialien, wie Polyamid, Polyimid, Polyamidimid, Polycarbonat, Polystyrol, Polytetrafluoräthylen, Zelluloseester, Polyester, Vinylpolymere, Polyolefin oder Copolymere daraus bestehen. Der Sickerpfad 145 kann in seiner Breite, d.h. dem Abstand zwischen den beiden Flächen 143, 144 von beispielsweise etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) oder mehr betragen, abhängig vom Leckagekoeffizient ("COL"), der gewünscht ist, und den Materialien der Konstruktion der Scheibe.

Ein Ausführungsbeispiel der Konstruktion des Nockenanschlags und des Kurbelwellenstopps der vorliegenden Erfindung sind in den 22 bis 27 gezeigt, wobei in 24 sich die Kurbelwelle im Gegenuhrzeigersinn dreht und der Nocken sich in seiner beruhigten Position befindet. In diesem Ausführungsbeispiel trägt das Lager 88 einen einzigen Stopp 119 und der Nocken 64 trägt ein Paar von Anschlägen 120 und 121, wobei der Anschlag und die Stopps so angeordnet sind, dass der Scheitel 122 des Nockens sich im Wesentlichen in der Umlaufebene 123 des Kurbelzapfens an jedem Anschlag oder Endpunkt 120 und 122 der Nockendrehung liegt. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Umlaufebene 123 durch die Mittelachse 74 der Kurbelzapfenwelle und die Drehachse 76 der Kurbelwelle definiert ist. Diese Konstruktion führt zum ausgewählten vollen Kolbenhub oder zum Kolbenhub Null.

Die relativen winkelmäßigen Ausrichtungen des Kurbelzapfens, des Nockens und der Kurbelwelle an den beiden Endpunkten sind in den 28 und 29 vorgegeben, wobei der Nocken so dimensioniert ist, dass in seiner nahen oder beruhigenden Ausrichtung der 28 die Umlaufbahn 124 des Kurbelzapfens (d.h. der Kurbelzapfenwelle 129 plus dem Nocken 64) konzentrisch mit der Kurbelwellenachse 76 ist. Umgekehrt ist in der vollständigen wirksamen Ausrichtung des Nockens, wie 29 zeigt, die Umlaufbahn 124 des Kurbelzapfens an ihrem maximalen Radius "r".

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Stabilisierungskonstruktion eine Gegengewichtsmasse 125, die dem Nockenkörper 126 hinzugefügt ist. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel sind die Anschläge 120 und 121 oder die Endpunkte an der Masse vorgesehen. Die Stoppflächen (Anschläge) am Nocken können jedoch an einer Vielzahl von Oberflächen oder Positionen des Nockens angeordnet sein. In gleicher Weise können die korrespondierenden Oberflächen, mit denen die Stopps des Nockens in Eingriff stehen, an einer Vielzahl von Oberflächen ausgebildet sein, an der Kurbelwelle oder mit der Kurbelwelle fest verbunden.

Die hinzugefügte Masse 125 verlagert das Gravitationszentrum (CG) des Nockens, wie dargestellt, beispielsweise in 3 von seiner angenäherten Position, wie sie dort gezeigt ist, zur angenäherten neuen Position, die in 22 gezeigt ist. Diese neue CG-Position, die versetzt ist, d.h. vorlaufend ist, gegenüber der oben beschriebenen Umlaufebene 123, die sich durch die Kurbelwellenachse und die Kurbelzapfenachse erstreckt, erzeugt ein CFT, das dazu tendiert, die Verbindung(en) gegen die oben beschriebenen destabilisierenden Kräfte aufrechtzuerhalten. Diese modifizierte Nockenkonstruktion kann, durch eine geeignete Konstruktion ihrer Ausgestaltung und Gewichtsverteilung, verändert werden, um eine Vielzahl von geeigneten CFT zu erzeugen, beispielsweise von etwa 11,5 × 10–2 bis etwa 57,5 × 10–2 mkg (etwa 10 bis etwa 50 in lbs) bei einer herkömmlichen Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle von 3600 UPM. Ein solches CFT wird im Wesentlichen, wenn nicht gar vollständig, die destabilisierenden Kräfte verlagern, die während einer aktiven Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt werden.

In jedem Ausführungsbeispiel des Zwei-Stufen-Kompressors der vorliegenden Erfindung muss eine Einrichtung vorgesehen sein, um den exzentrischen Nocken mit der Kurbelwelle zu vereinigen und den Nocken in Position zu halten. In bestimmten Fällen enthält die Einrichtung eine Kappe, die über das Ende der Kurbelwelle angebracht wird und den exzentrischen Nocken in Position hält. In anderen Ausführungsbeispielen enthält die Einrichtung eine Anordnung mit einem Loch und einem Stift, wie weiter unten näher erläutert.

Wie in den 22 bis 27 gezeigt und vorstehend beschrieben, ist in einem Ausführungsbeispiel der Konstruktion des Nockenanschlags und des Kurbelwellenstopps ein Lager 88 endgültig an der Kurbelwelle befestigt und bildet einen einzigen Stopp 119, der ein Paar von Stopps 120 und 121 kontaktiert, die am Nocken ausgebildet sind. In diesem und in anderen Ausführungsbeispielen werden einer oder mehrere Stopps an oder benachbart dem Kurbelzapfen an winkelmäßig getrennten Punkten ausgebildet, und der exzentrische Nocken enthält ein Paar von Anschläge für einen selektiven Eingriff mit den Stopps. Das System enthält ferner ein mechanisches System zum Festhalten des Nockens in seiner axialen Position auf dem Kurbelzapfen, wenn der exzentrische Nocken und die Kurbelwelle vollständig zusammengebaut sind.

In einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Lager mit einem Stopp mit der Kurbelwelle verbunden ist, enthält das mechanische System eine Endkappe, die auf die Welle wärmegeschrumpft ist. Alternativ kann die Endkappe auf die Welle aufgeschraubt sein. Andere bekannte mechanische Mittel zum Befestigen des Lagers oder der Endkappe an der Welle liegen innerhalb der Prinzipien der Erfindung, und die Endkappe kann entweder Stopps für eine Zusammenwirkung mit dem Nocken enthalten oder kann diese nicht enthalten. Wenn die Endkappe solche Stopps nicht enthält, würden die Stopps an der Kurbelwelle selbst ausgebildet sein, und die Endkappe würde lediglich der Nocken in der axialen Position auf der Kurbelwelle halten, wenn die Kurbelwelle, der Nocken und die Komponenten der Endkappe vollständig zusammengebaut sind.

Ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anordnung der Kurbelwelle und des Nockens ist in den 41 bis 44 dargestellt. Die 41 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des exzentrischen Nockens 160 und des Kurbelzapfens 162, während die 42 bis 44 Darstellungen im montierten Zustand sind. In 43 ist der Nocken in die Zwei-Zylinder-Betriebsweise gedreht, während in 44 der Nocken in eine Einzel-Zylinder-Betriebsweise gedreht ist, in der der Nocken und die Kurbelwelle so konstruiert sind, dass sie den Hub des zugeordneten Kolbens auf Null reduzieren. In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Kurbelzapfen zwei am Kurbelzapfen ausgebildete Anschlussflächen 164, 166, und der Nocken enthält einen Vorsprung 168, der zwei gegenüberliegende Seiten hat, die als Anschläge oder Stoppoberflächen dienen, um mit einer der Anschlussflächen in Eingriff zu kommen, wenn der Kompressor seine Richtung umkehrt. Wie dargestellt, passt der exzentrische Nocken 160 so über die Kurbelwelle, dass die Anschlussflächen und die Stopps ausgerichtet sind und miteinander in Eingriff treten, während des Betriebs des Kompressors. Bei der Montage wird der exzentrische Nocken 160 über das Ende oder das Sumpfgleitlager 170 der Kurbelwelle und ebenfalls über ein Freilaufsegment 172 zwischen dem Sumpfgleitlager und dem Bereich der Kurbelwelle, auf dem die Exzentrizität letztendlich sitzt, geschoben.

Wie gezeigt, ist im Kurbelzapfen ein radiales Loch 174 ausgebildet. Wie gezeigt, weist der Nocken einen Durchmesser auf, der gleich oder größer als der Durchmesser des Sumpfgleitlagers und des Freilaufsegmentes ist, und hat eine axiale Länge, die kurz gegenüber der axialen Länge des Segmentes ist. Wenn der Nocken über das Sumpfgleitlager und das Freilaufsegment der Kurbelwelle geschoben wurde, erstreckt sich der Stift in das radiale Loch des Kurbelzapfens und sitzt gegen die Seitenoberfläche des Nockens, und hält ihn gegen eine Axialbewegung.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Nocken ein exzentrisches Gegengewicht 178 an einer Seite des Nockens. Besonders bevorzugt ist es, dass dieses exzentrische Gegengewicht im allgemeinen in der Form eines "C" ausgebildet ist. Das Äußere 180 des Nockens liegt an der gegenüberliegenden Seite des exzentrischen Gegengewichts. Das exzentrische Gegengewicht 178 und der Nocken in seiner Gesamtheit ist so konstruiert, dass der Nocken eine Zentrifugalkraft entwickelt, die dazu tendiert, die Anschlussflächen und Stopps während der Vorwärts- und Rückwärtsdrehung der Kurbelwelle in Eingriff zu halten.

Das Verfahren zum Montieren der Kurbelwelle mit einem exzentrischen Nocken enthält demzufolge die Verfahrensschritte des Schaffens einer Kurbelwelle mit nahen und fernen Enden, eines Sumpfgleitlagers am fernen Ende der Kurbelwelle und axial ausgerichtet mit der Kurbelwelle, eines Freilaufsegments benachbart dem Sumpfgleitlager und außer Ausrichtung mit der Achse der Kurbelwelle, und eines Kurbelzapfens zwischen dem Freilaufsegment und dem nahen Ende der Kurbelwelle. Der Kurbelzapfen enthält ein radiales Loch, das eingeformt ist und sich bis zu seiner äußeren Oberfläche erstreckt. Das Verfahren enthält ferner den Verfahrensschritt des Schaffens eines exzentrischen Nockens mit einer inneren Bohrung, die gleich oder größer als der Durchmesser des Sumpfgleitlagers und des Freilaufsegmentes ist und eine axiale Länge aufweist, die geringer als die axiale Länge des Freilaufsegments ist. Der Nocken wird über das Sumpfgleitlager und das Freilaufsegment auf den Kurbelzapfen geschoben. Er wird dann befestigt durch Einsetzen eines Stiftes durch das radiale Loch des Kurbelzapfens bis der Stift am Kurbelzapfen befestigt und an den Seitenoberflächen anliegt.

Die oben wie gewünscht gewichteten Nocken können effektiv einen wesentlichen Anteil der destabilisierenden Kräfte für viele Kompressorenkonstruktionen und Betriebsparameter verringern. Es wurde jedoch festgestellt, dass mindestens in Situationen, wo eine Kolbenhub-Betriebsweise von Null versucht wird, zusätzliche Stabilisierungsseinrichtungen nötig sind, insbesondere im Hinblick auf die Beschränkungen des Raums, die der Konstruktion und den möglichen Dimensionen des Kurbelzapfens und des Verbindungsstangenlagers eigen sind, und im Hinblick auf die gestatteten Abmessungen der Oszillationen der Verbindungsstange durch die konstruktiven Grenzen des Kurbelgehäuses des Kompressors.

Demgemäß kann eine oder eine Kombination der Stabilisierungskonstruktionen der vorliegenden Erfindung, wie oben definiert, und der Stabilisierungskonstruktionen, die weiterhin weiter unten definiert sind, sehr effektiv verwendet werden, insbesondere in Kombination mit dem oben beschriebenen, gewichteten Nocken, um eine im Wesentlichen übersichtliche stabilisierende Konstruktion zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung enthält demzufolge das Verfahren zum Stabilisieren eines Einstellnockens für einen Kompressor-Exzenterhub eines Kompressors, der ein komplexes Kurbelzapfenlager aufweist, gegen destabilisierende Kräfte, wobei der Nocken einen Teil des Lagers bildet und winkelmäßig um die Welle des Kurbelzapfens einstellbar ist, zwischen winkelmäßig beabstandeten Endpunkten, die beschrieben und vorgesehen sind als Verbindung(en) durch konstruktive Stopf- und Anschlagsmittel jeweils auf der Kurbelwelle und dem Nocken, und wobei diese destabilisierenden Kräfte Kühlmittelunterschiede und mechanische Trägheitskräfte umfassen, die auf den Kolben einwirken, im Zusammenhang mit dem Kurbelzapfen-Exzenterhub.

Ein bevorzugtes Verfahren umfasst eine Gegenaktion gegen die destabilisierenden Kräfte durch eine Kombination aus zentrifugalen Drehmomentkräften, erzeugt durch einen Nocken mit einem integralen Gegengewicht, die dazu tendieren, mindestens eine der Verbindung(en) aufrechtzuerhalten, und durch Druckablassmittel, die dazu tendieren, irgendwelche Druckdifferenzen zwischen dem Zylinder des beruhigten Kolbens und der niedrigen Seite des Kompressors zu reduzieren. Eine bevorzugte Kombination besteht im Nocken der 41 bis 44 und dem Druckablass, der entweder durch die Entlüftungsöffnungssysteme der 39 bis 40 oder das Saugventil der 32 bis 34 geschaffen wird.

Ein Beispiel eines Kompressors wird weiterhin erläutert.

Beispiel I

Ein Stabilisierungsmittel oder eine -konstruktion und konstruktive, dimensionsmäßige und Betriebsparameter dafür werden nachfolgend als Beispiel im Zusammenhang eines Doppelkolben-Kühlkompressors mit etwa 40.000 Btu/hr Leistung vorgestellt. Der Kompressor hat einen volumetrischen Leistungszylinder Nr. 2, wobei der Kurbelzapfenexzenterhub des Zylinders 1 von einer Position mit einem Kolbenhub von Null in eine Position mit vollem Kolbenhub und zurück verschiebbar ist. In diesem Beispiel umfasst die Stabilisierungskonstruktion eine frei schwimmende Saugventilscheibe des allgemeinen Typs, wie beispielsweise in den 17 und 32 bis 34 sowie in den oben erwähnten US-Patenten 5 080 130, 5 106 278 und 5 203 857 gezeigt, in Kombination mit einer CFT, erzeugt durch den gewichteten Nocken, wie in 22 und den 41 bis 44 gezeigt. Das Gewicht der Ventilscheibe in diesem Ausführungsbeispiel ist vernachlässigbar und bildet keinen Faktor der Kalkulation des Leckagekoeffizienten (COL). Weiterhin ist dieser COL unabhängig von den Flächen und Ausbildungen des aktuellen Kontakts oder der Dichtoberflächen zwischen der Scheibe und der Saugöffnung, ebenso wie die Konstruktionsmaterialien dieser Oberflächen, und bildet ein extrem stimmiges Konstruktionswerkzeug.

  • (1) Maximale volumetrische Kapazität des verschiebbaren Zylinders Nr. 1 – 57,36 cm3 oder 3,5 in3;
  • (2) nicht-variable volumetrisch Kapazität des Zylinders Nr. 2 – 57,36 cm3 oder 3,5 in3,
  • (3) normaler Betriebsdruckbereich im verschiebbaren Zylinder Nr. 1 in seiner vollständig aktiven Betriebsweise – 5,3 × 105 bis 20,5 × 105 Pa oder 77 bis 297 psig;
  • (4) normaler Betriebsdruckbereich in Zylinder Nr. 2 in seiner vollständig aktiven Betriebsweise – 5,3 × 105 bis 20,5 × 105 oder 77 bis 297 psig,
  • (5) festgestellter Druckbereich im verschiebbaren Zylinder Nr. 1 während des normalen Verdichterbetriebs des Kolbens Nr. 2, wobei Kolben Nr. 1 sich in seinem im wesentlichen vollständig passiven Betriebszustand befindet, d.h. wobei der Kolben Nr. 1 sich weniger als etwa 10% in jeder Richtung über den Mittelpunkt seines vollständig aktiven Hubs bewegt – 0 bis 2,76 × 105 Pa oder 0 bis 40 psig;
  • (6) COL*) (0,2, bevorzugt im Bereich zwischen etwa 0,03 bis etwa 0,5 und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 0,5 bis etwa 0,35);
  • (7) CFT erzeugt durch den Nocken bei einer Kurbelwellengeschwindigkeit von 3600 Upm – 0,11 bis etwa 0,22 kgm oder 10,0 in lb bis etwa 20,0 in lb;
  • (8) maximaler Exzenterhubradius des Kurbelzapfens für den Kolben Nr. 1 – 13,97 mm (0,550 in);
  • (9) maximaler Exzenterhubradius für den Kurbelzapfen für den Kolben Nr. 2 – 13,97 mm (0,550 in);
  • (10) obere Oberfläche der Saugventilscheibe – etwa 12,9 bis 16,1 cm2 (2,0 bis 2,5 in2).

    *) Dieser Koeffizient ist das Verhältnis des Dichtdrucks der Scheibenkonstruktion des Saugventils gegen die Durchsickerströmungsrate des Kühlmittels durch das Saugventil, wobei der Dichtdruck gleich dem Gesamtdruck an der Verdichtungsseite, d.h. die gesamte obere Oberfläche der Ventilscheibe, in lb ist, und wobei die Sickerströmungsrate ausgedrückt ist in in3 pro Minute des Aussickerns des Kühlmittels durch das im Wesentlichen geschlossene oder halbgeschlossene Saugventil bei einem konstanten Druckunterschied über das Saugventil, d.h. zwischen der Freilaufkompressionskammer und der niedrigen Seite, von 1,38 × 105 Pa 20 psig) bei einer Temperatur von 20C. Dieser Koeffizient ist, in Maßeinheiten ausgedrückt:
    wobei lb = 0,454 kg, und in3 = 16,39 cm3.
  • – Berechnung des Zentrifugalkraftdrehmoments (CFT) – s. 37 und 38

    m = die Masse des Nockens = 3,46 × 10–3 kgm (0,3 lb·in)

    W = die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle = 3600 Upm = 377 rad/Sekunde (es gibt zwei pi rad pro Umdrehung der Kurbelwelle),

    R = der Abstand zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und des Gravitationszentrums des Nockens = 12,7 mm (0,500 in),
    wobei lbm = die Masse in Pfund und lbf

    = die Kraft in Pfund = 0.454 kg

    Kraft (Fcg), die auf cg (Gravitationszentrum) des Nockens durch die Drehung einwirkt =
    Fcg D = die resultierende Zentrifugalkraft zu (CFT) um das Drehmomentzentrum der Kurbelzapfenwelle,

    D = der rechtwinklige Abstand zwischen der Mittelachse 74 der Kurbelzapfenwelle und der Fcg-Wirklinie, d.h. der Linie, die durch die Drehachse der Kurbelwelle und durch das cg des Nockens verläuft,

    CFT = 55,18 lbf (0,120 in) = 6,90 in·lbf,
    L = der Abstand zwischen der Mittelachse 74 der Kurbelzapfenwelle und dem Zentrum des Kontakts zwischen dem Anschlag und dem Stopp = 0,500 in
    wobei lb = 0,454 kg, in = 25,4 mm, in·lbf = 0,011 kgm.

Schmiermechanismus und -system

Die vorliegende Konstruktion des Nockens und der Kurbelwelle kann Veranlassung für Schmierprobleme geben, insbesondere an den Lagern der Verbindungsstange und des Kolbenbolzens, da der Nocken zwischen den Hauptölbohrungen oder -passagen und der Pleuellagerschale und dem Lager des Kolbenbolzens eingefügt ist. Diese Bohrungen erstrecken sich im Wesentlichen vertikal, d.h. normalerweise in Längsrichtung durch die Kurbelwelle und verzweigen sich zu jeder Pleuellagerschale und demzufolge durch die Ölpassage der Pleuelstange zum Lager des Kolbenbolzens.

Drei einzelne Schmiersysteme zum Zuführen von Öl zur Pleuellagerschale sind in den 45a und 45b, 46a und 46b sowie 47a und 47b gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Systeme eine allgemeine Anwendung bei Kompressoren finden, die einen den Exzenterhub einstellenden Nocken irgendwelcher Konstruktion verwenden, der zwischen der Kurbelzapfenwelle und dem Pleuelstangenlager montiert ist.

Jede der 45a bis 47b zeigen Querschnittsdarstellungen der Kombination aus Kurbelwelle und exzentrischem Nocken, wobei die Figuren "a" jene Elemente in der maximalen Exzenterhubposition darstellen, und die Figuren "b" diese in der minimalen Position darstellen. In diesen besonderen Ausführungsformen dreht sich der Exzenter um die Kurbelwelle um etwa 180° aus der ersten in die zweite Position. Andere Drehwinkel sind jedoch ebenfalls innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Wie unten erläutert, trägt jedes dargestellte Schmiersystem Öl auf die miteinander in Eingriff befindlichen Oberflächen der Kurbelwelle und des Nockens zwischen dem Nocken und der Lagerfläche der Verbindungsstange auf. In jedem System ist mindestens eine langgestreckte Axialzufuhr in der Kurbelwelle ausgebildet und schafft eine Schmierbohrung, wie im Stand der Technik bekannt.

In den in 45a und 45b gezeigten Ausführungsformen ist eine langgestreckte Axialzufuhr 190 in der Kurbelwelle ausgebildet, um Schmiermittel vom Boden des Kompressors nach oben zu schaffen. Eine Querbohrung 192 ist in der Kurbelwelle ausgebildet und steht in Strömungsmittelverbindung mit der Axialzufuhr und einer äußeren Oberfläche des Kurbelzapfens, wie dies gezeigt ist. Ein Ölverbindungsloch 194 ist dann im Nocken ausgebildet und ist so angeordnet, dass es mit der radialen Querbohrung in der Kurbelwelle ausgerichtet ist, wenn sich der Nocken sowohl in der ersten als auch in der zweiten Position befindet, wie dies dargestellt ist. Das Ölverbindungsloch 194, das im Nocken ausgebildet ist, steht ebenfalls in Strömungsmittelverbindung mit der Lageroberfläche (nicht gezeigt) der Verbindungsstange. Im Ergebnis wird während des Betriebs des Kompressors Öl nach oben durch die langgestreckte Axialzufuhr 190 gepumpt, und ein Teil dieses Öl fließt durch die Querbohrung 192 zur Grenzfläche zwischen dem Nocken und der Kurbelwelle und durch das Ölverbindungsloch 194 zur Lagerfläche der Verbindungsstange.

Das in den 46a bis 46d gezeigte Ausführungsbeispiel enthält ein Paar langgestreckter Axialzufuhren 196, 197, die in der Kurbelwelle ausgebildet sind. Ein Paar von Querbohrungen 198, 200 werden dann in der Kurbelwelle ausgebildet, eine in Strömungsmittelverbindung mit jedem Paar der axialen Zufuhren und der äußeren Oberfläche des Kurbelzapfens. Ein Ölverbindungsloch 194 ist im Nocken ausgebildet und ist ausgerichtet mit einer der Querbohrungen, wenn sich der Nocken in seiner ersten Position befindet, und mit der anderen der Querbohrungen, wenn sich der Nocken in der zweiten Position befindet. Dieses Ölverbindungsloch steht in Strömungsmittelverbindung mit der Lagerfläche (nicht gezeigt) der Verbindungsstange. Wenn der Kompressor arbeitet, fließt Öl nach oben durch die Ölbohrungen und dann nach außen durch die Querbohrungen zur Grenzfläche der Verbindungsstangen und der Exzenter. Sowohl in der ersten oder der zweiten Position des Nockens ist das Ölverbindungsloch mit einer der Querbohrungen ausgerichtet und schafft demzufolge Schmiermittel zur Lagerfläche der Verbindungsstange.

In dem in den 47a und 47b dargestellten Ausführungsbeispiel, sind eine oder mehrere, langgestreckte Axialzufuhren in der Kurbelwelle ausgebildet. Eine Umfangsölnut 202 wird zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Kurbelwelle und des Nockens ausgebildet, und eine Querbohrung 204 wird in der Kurbelwelle ausgebildet und in Strömungsmittelverbindung mit der Axialzufuhr und der Ölnut angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel enthält ferner ein Ölverbindungsloch 194, das im Nocken ausgebildet ist und in Strömungsmittelverbindung mit der Ölnut 202 und mit der Lagerfläche (nicht gezeigt) der Verbindungsstange steht. Während des Betriebs des Kompressors, kann Öl wiederum nach oben durch die langgestreckte Axialzufuhr, nach außen durch die Querbohrung zur Umfangsnut und dann nach außen durch das Ölverbindungsloch zu den Lageroberflächen fließen.

Andere Ausführungsformen des Schmiermittelsystems, die die Prinzipien der Erfindung anwenden, erschließen sich dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet in einfacher Weise, unter Berücksichtigung der obigen Lehren und Offenbarungen.

Motorsteuerung

Eine einzigartige elektrische Steuerschaltung wurde zum Steuern des umschaltbaren Motors des Kompressors der vorliegenden Erfindung entwickelt. Die Motorsteuerschaltung kann auch für andere Motoranwendungen verwendet werden, die einen zweistufigen Betrieb erfordern. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist schematisch in den 30 und 31 gezeigt.

Das Steuerschema der 30 und 31 zeigen im allgemeinen ein Motorsteuersystem, das in der Industrie herkömmliche PSC-Verdrahtungsschemen (Permanent-Doppelkondensator) verwenden, die einen Motor unter Verwendung einer vorbestimmten Energiezufuhr betreiben. Unter dieser Steuerung läuft der Motor auf den Laufwicklungen, wenn er sich in einer Richtung dreht, und läuft auf den Startwicklungen, wenn er sich in die Gegenrichtung dreht. Die Wicklungen sind so ausgewählt, dass der Motor mit einer ersten Belastung arbeitet, die mit der maximalen Belastung des Kompressors zusammenhängt, wenn er in Vorwärtsrichtung betrieben wird und auf einer zweiten, reduzierten Belastung, die wiederum mit der reduzierten Belastung des Kompressors zusammenpasst, wenn er umgeschaltet wird.

Die Leitung l läuft durch den gemeinsamen Anschluss (C), der in einen Motorschutz leitet, der im einzelnen unten erläutert wird. Nach dem Verlassen des Motorschutzes, wird der Stromfluss aufgesplittet, indem er sowohl durch die Start(S)- als auch die Haupt-, d.h. Lauf(R)-Wicklungen geht, wenn der M(Motor)-Hauptversorger oder -schalter geschlossen ist. In diesem Zustand verwendet der Motor die Laufwicklungen als Hauptwicklungen und platziert den Laufkondensator in Reihe mit den Startwicklungen, wodurch eine Standardmotordrehung mit zwei voll aktiven Kolben erreicht wird. Dies Kontakte im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind einpolige Schalter, die preiswert und leicht erhältlich sind.

Wenn der Motor den Kompressor rückwärts laufen lassen soll, wird der Kontakt oder der Schalter M-niedrig unter Strom gesetzt und der Kontakt M-hoch geöffnet. Der Motor wird dann die Startwicklungen als Hauptwicklungen verwenden und den Laufkondensator in Reihe mit den ursprünglichen Hauptwicklungen anordnen. Die Anordnung des Laufkondensators in dieser Weise erleichtert sowohl die Motor- als auch die mechanischen Drehänderungen und reduziert gleichzeitig die Motorleistung, um sie an den sich daraus ergebenden reduzierten oder eliminierten Kolbenhub anzupassen, was die Motoreffizienz für die reduzierte Belastung maximiert.

Wenn man die Motorrichtung umdreht, kann eine Verzögerung im Relais in das System eingefügt werden, um eine Systemangleichung zu gestatten, oder eine harte Startausrüstung kann verwendet werden, um zu gestatten, dass der Motor gegen Belastung umgeschaltet wird. Beispielsweise kann der Motor, bevor er umgekehrt wird, für etwa eine Minute oder zwei abgeschaltet werden, bevor er umgekehrt wird.

Die Wicklungen des Motors sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie den Energie-Geschwindigkeitsanforderungen des Anwendungszweckes des Motors entsprechen, um dadurch die beste Anpassung der Energie und der Effektivität an den Kompressor (oder an andere Geräte) zu erreichen, wenn unter voller und niedriger Last gearbeitet wird. Bevorzugt ist ein Motor für einen vorgegebenen Kompressor so ausgebildet, dass er die Volllastkapazität des Kompressors bedient, wenn er in Vorwärtsrichtung gedreht wird, und die Teillastkapazität bedient, wenn er in Gegenrichtung läuft. Bevorzugt arbeitet der Motor mit gleicher Geschwindigkeit sowohl in Vorwärts als auch in Rückwärtsrichtung.

Das Anpassen des Motors an die Erfordernisse eines Kompressors für ein vorgegebenes HVAC-System gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Sicherstellen, dass der Motor in den meisten ungünstigen Bedingungen, die mit der Systemlast und der zur Verfügung stehenden Leitungsenergie zusammenhängen, funktioniert. So sollte beispielsweise der Motor den maximalen Lasterfordernissen eines Systems angepasst sein, wenn der Verdampfer bei 12,8°C (55°F) arbeitet, der Kondensator bei 68°C (155°F) arbeitet, und sich die Leitungsenergie von standardisierten 220 V/60 Hz auf 190 V/60 Hz reduziert. Der Motor sollte so ausgelegt sein, dass er eine Temperatur von 177°C (350°F) nicht übersteigt und dass er nicht abgewürgt wird. Für die zweite Stufe des Betriebs eines Kompressors, der eine 100%/50%-Aufteilung bewirkt, mit zwei Zylindern, wobei jeweils ein Zylinder im Betrieb ist, sollte der Motor im unteren Zustand so ausgelegt sein, dass er der gewünschten Betriebsweise des zweiten Zustandes genügt, bei einer Verdampfungstemperatur von 55°, einer Kondensationstemperatur von 130° und 190 V/60 Hz Leitungsstrom.

Ein Beispiel der vorliegenden, einzigartigen Schaltung zur Verwendung mit dem Kompressor des Beispieles 1, verwendet die folgenden Konstruktionen und Betriebsparameter.

Motor (reversibel) 3 bis 4 hp, Einzelphase

Schutzeinrichtung – schützt gegen Überlast in beiden Last-Betriebsweisen. Stellt sowohl T° als auch den Strom fest.

Energiezufuhr – einfach bezüglich jeder Frequenz oder Spannung, d.h. 230 V – 60 Hz, Einzelphase.

Schaltmechanismus – zwei einpolige Schalter, besteuert durch eine HVAC-Steuerung, wie beispielsweise ein zweistufiger Thermostat. Die Steuerschaltung reagiert auf die Lastanforderungen, um den Laufkondensator in Reihe mit entweder der Startwicklung oder der Hauptwicklung zu bringen, in Abhängigkeit von den Lasterfordernissen.

Motorschutz

Ein einzigartiger Motorschutz mit drei Anschlüssen, im Wesentlichen dargestellt in den 30 und 31, und insbesondere in den 48 und 49, ist beim Motor des Kompressors der vorliegenden Erfindung vorgesehen, um beide Motorwicklungen in jeder Betriebsweise zu schützen. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines wärmeempfindlichen Schalters und zwei Heizeinrichtungen im Schutzelement, wobei jede Einrichtung präzise für jede Betriebsweise ausgelegt ist. Der wärmeempfindliche Schalter ist beispielsweise eine temperaturempfindliche Bimetallscheibe, die innen in der Schutzeinrichtung angeordnet ist. Die Schutzeinrichtung selbst ist bevorzugt in einem Gehäuse des Kompressors eingeschlossen, um durch den geschützten Motor betrieben zu werden.

Wie in 48 gezeigt, enthält die Schutzeinrichtung 208 eine Heizeinrichtung A 210 und eine Heizeinrichtung B 212, die elektrisch jeweils mit der Startwicklung 214 des Motors und der Hauptwicklung 216 verbunden sind, um für eine variable Wärmeerzeugung im Inneren der hermetischen Schutzeinrichtung zu sorgen. Der Anteil der Wärmeerzeugung durch die Heizeinrichtung A und B steht in direkter Beziehung zum Strom, der durch jede Heizeinrichtung hindurchtritt, die unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Die Widerstandswerte der Heizeinrichtungen A und B sind entsprechend dem Stromwert in den Motorwicklungen ausgewählt.

Die Schutzeinrichtung 208 enthält weiterhin eine Bimetallscheibe 208, die ebenfalls einen unterschiedlichen Widerstandswert aufweist und ein weiteres Element der Wärmeerzeugung im Inneren der Schutzeinrichtung bildet. Die Kombination des Wärmeverlusts von der Heizeinrichtung A 210, der Heizeinrichtung B 212, der Bimetallscheibe 218 und dem Inneren des Kompressors gestattet es der Schutzeinrichtung, fehlerhafte Zustände im Bereich des Kompressors festzustellen.

Nach dem Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (die für einen fehlerhaften Zustand repräsentativ ist) schnappt die Bimetallscheibe 218 in ihren offenen Zustand, was den allgemeinen Energiezweig zum Kompressormotor unterbricht. Diese vorbestimmte "Öffnungs"-Temperatur wird abgeleitet von Testversuchen des Kompressors unter verschiedenen fehlerhaften Zuständen, die repräsentiert werden durch einen Fehler beim Start oder einem Lauf unter Überlastbedingungen. Dieses "Öffnen" nimmt die Energie vom Kompressormotor weg, was Zeit schafft, dass fehlerhafte Bedingungen des Kompressors/Systems bereinigt werden können. Wenn der Kompressor durch das Wegnehmen der Energie abkühlen kann, wird die Bimetallscheibe dann in ihren geschlossenen Zustand bei einer vorbestimmten "Schließ-"Temperatur schnappen, wodurch der Kompressor wieder mit Energie versorgt wird. An diesem Punkt wird der Kompressor/das System den Fehler behoben haben und wie vorgesehen arbeiten, oder er wird die Fehlerfeststellung wiederholen und die Schutzeinrichtung öffnen.

In der Zwei-Zylinder-Betriebsweise, wenn der Motor bei seiner maximalen Kapazität läuft, ist die Hauptwicklung 216 des Motors über die Leitung angeordnet und elektrisch mit dem Schutzheizer B 212 verbunden. Diese Heizeinrichtung ist ausgewählt, um die Hauptwicklung 216 während hoher Überstromzustände zu schützen. Die Startwicklung 214 des Motors wird über die Leitung mit einem Kondensator in Reihe mit der Hauptwicklung angeordnet, um eine Strombegrenzung und eine Verlagerung des Phasenwinkels zu bewirken. Die Startwicklung wird elektrisch mit der Schutz-Heizeinrichtung A 210 verbunden. Die Auswahl dieser Heizeinrichtung für den Zwei-Zylinder-Betrieb basiert hauptsächlich auf dem Strom der Startwicklung während Betriebszuständen, wie beispielsweise eine Fehlverdrahtung oder einen verschweißten Kontakt an einem Startkondensatorrelais.

Im Ein-Zylinder-Betrieb, schützt die Heizeinrichtung A hauptsächlich die Startwicklung gegen hohe Überstrombedingungen. Die Auswahl dieser Heizeinrichtungen B für den Ein-Zylinder-Betrieb basiert primär auf den Strombedingungen der Startwicklung, wie beispielsweise Fehlverdrahtung oder einem verschweißten Kontakt an einem Startkondensatorrelais.

Anwendungen für Airconditioning

Der Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung kann in effektiver Weise bei Airconditioningsystemen eingesetzt werden, insbesondere bei Zwei-Stufen-Airconditioningsystemen, die weitere Zwei-Stufen-Komponenten enthaften, wie beispielweise einen Zwei-Stufen-Bläsermotor. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist in 50 gezeigt. Wie bei konventionellen Airconditioningsystemen, würde der Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung in eine Kühlschleife eingefügt, die eine Expansionseinrichtung, einen Verdampfer, einen Kondensator und den Kompressor enthält. Der Ausgang des Kompressors in der ersten und zweiten Stufe würde ausgewählt werden, um eine Belastung zu schaffen, die zur maximalen Auslegung des Systems unter der ersten Last und einer reduzierten Belastung bei der zweiten passt. Es wird angenommen, dass die bevorzugte reduzierte Belastung sich innerhalb des Bereichs von 40 bis 60% bewegen wird, insbesondere innerhalb des Bereichs von 40 bis 50%. Der den Kompressor antreibende Motor wird bevorzugt so ausgebildet, dass er zu den beiden ausgewählten Belastungsmerkmalen des Kompressors passt, wodurch der Energieverbrauch signifikant verringert werden Kann, wenn der Kompressor unter Niedrigbelastungsbedingungen betrieben wird.

Das System enthält bevorzugt einen Zwei-Stufen-Verdampferbläser 220, der entweder mit einer ersten, festen, maximalen Kraftbelastung oder mit einer zweiten, reduzierten, festen Kraftbelastung arbeitet. Wiederum sind die stufenförmigen Belastungen des Bläsermotors so ausgewählt, dass sie zu den Belastungserfordernissen des Systems, das mit den zweistufigen Belastungen des Kompressors in Verbindung steht, passt. Bevorzugt ist der Bläsermotor ein zweistufiger Motor, gesteuert durch eine Steuerung, die nachfolgend erläutert wird. Der Bläsermotor kann ebenfalls bei höheren Systemkosten ein Motor mit variabler Geschwindigkeit sein.

Das System enthält bevorzugt weiterhin einen Außenkondensator-Ventilator, der mit dem Kondensator zusammenwirkt, und ein zweistufiges Expansionsgerät in der Schleife.

Das System ist bevorzugt durch einen relativ einfachen, zweistufigen Thermostat und einer Steuerverbindung mit Steuermodulen 222 und 224 gesteuert, die mit jeweils dem Kompressor und dem Innen-Bläsermotor zusammenwirken. Wie in 50 dargestellt, steht im bevorzugten Ausführungsbeispiel das Kontrollmodul ebenfalls in elektronischer Verbindung mit dem Außen-Kondensator-Ventilator 226. Diese Steuerschaltungen, werden durch eine Niedrigspannungsquelle mit Strom versorgt, die durch einen Innen-Steuertransformator erzeugt wird, und alle Arbeitskomponenten (Kompressor, Bläsermotor und Kondensator-Ventilator) sind untereinander mit Stromleitungen verbunden, wobei die Arbeitskomponenten letztendlich direkt oder indirekt durch die Steuermodule beaufschlagt sind.

Der Zwei-Stufen-Kompressor ist bevorzugt ein umschaltbarer Zwei-Stufen-Kompressor des oben beschriebenen Typs, der zwei Zylinder aufweist, wobei einer einen Hub Null hat, wenn der Motor rückwärts betrieben wird. Der Motor läuft bevorzugt auf den Lauf- und Startwicklungen, in Abhängigkeit von der Drehrichtung, wie oben beschrieben.

Die Bläsersteuerung enthält in gleicher Weise das Kontrollmodul 222 zum Betreiben des Bläsermotors in zwei unterschiedlichen Stufen, wobei jede Stufe bevorzugt mit den Stufen des Kompressors abgestimmt ist. Das Kontrollmodul enthält bevorzugt eine Schalteinrichtung und einen Generator zum Erzeugen einer Niedrigfrequenzenergie aus Leitungsstrom. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel läuft der Bläsermotor mit Leitungsstrom, d.h. 60 Hz, wenn er bei der maximalen Belastung betrieben wird, und wird umgeschaltet, um mit einer Niedrigfrequenzenergie, beispielsweise 30 Hz, zu arbeiten, wenn er mit seiner Niedriglast (zweite Stufe) betrieben wird. Der Bläsermotor ist bevorzugt ein Einphasen-Induktionsmotor, und die Steuerung für den Bläsermotor enthält bevorzugt einen Umsetzer oder einen Wellenformgenerator, um aus dem Leitungsstrom eine zweite Einphasenenergie mit reduzierter Frequenz zu erzeugen, und einen Schalter zum Verbindung entweder des Leitungsstromes oder der zweiten Energiequelle mit dem Motor, basierend auf den festgestellten Bedingungen eines zweistufigen Thermostats. Bevorzugte Ausführungsformen der Bläsermotorsteuerung sind eingehender in einer anhängigen Anmeldung mit der Anmeldenummer 09/014 752, eingereicht am 28.01.1998, für einen Zwei-Stufen-Energieausgabemotor und einer Anmeldung für einen Zwei-Stufen-Ausgabemotor und zugeordneten HVAC-Systemen und -verfahren beschrieben, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurden.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Außenkondensatorventilator 226 in gleicher Weise in zwei oder mehreren Stufen betreibbar, in Abhängigkeit von den optimalsten Merkmalen des Systems. Der Ventilatormotor kann mit einer einzigen Geschwindigkeit in zwei Stufen oder mit variablen Stufen angetrieben werden.

Das System enthält bevorzugt ein Zwei-Stufen-Expansionsgerät, das entweder mechanisch gesteuert oder durch das elektronische Steuersystem gesteuert ist. In einem Ausführungsbeispiel enthält das Zwei-Stufen-Expansionsventil zwei Öffnungen mit einen Solenoidschalter, um die Anwendung der Öffnungen auszuwählen, wobei das Soleniod mit dem Steuersystem verbunden ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel hat das Expansionsventil zwei federbelastete Öffnungen in Reihe mit einer mechanischen Wechseleinrichtung, entsprechend der Belastung des Kompressors. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist das Expansionsventil ein Thermostat-Expansionsventil, das eine variable Öffnung aufweist. Die Größe der variablen Öffnung wird basierend auf der Temperatur und dem Druck des Gases, das den Verdampfer verlässt, verändert.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten Stufen des Kompressors und des Bläsers aufeinander abgestimmt, um eine optimale Effektivität für eine maximale Kühlungskapazität des Systems zu schaffen, und die zweite Stufe repräsentiert eine Verringerung der Kühlungskapazität von mindestens 40%. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zwei-Stufen-Kompressor bei 100% in der ersten Stufe und bei etwa 40% in der zweiten Stufe betrieben. Das Zwei-Stufen-Expansionsventil arbeitet in einer ersten Stufe, wenn der Kompressor in seiner ersten Stufe arbeitet, und arbeitet in einer zweiten Stufe, wenn der Kompressor in seiner zweiten Stufe arbeitet.

Bevorzugt betreibt das Steuersystem das Expansionsventil, den Bläsermotor und den Kompressor in ihren ersten Stufen, wenn die Kühlanforderungen einen vorbestimmten Wert übersteigen, und in den niedrigeren Stufen, wenn die Kühlanforderung unterhalb des vorbestimmten Werts fallen. Wie gezeigt, enthält das Steuersystem einen Thermostaten 228 und ist elektrisch mit den Motoren zum Kompressor, dem Bläser und dem Ventilator verbunden, sowie mit dem Expansionsgerät, wenn ein elektrisch gesteuertes Gerät verwendet wird. Eine solche Steuerung kann einen Zwei-Stufen-Thermostaten enthalten. Der Thermostat kann beispielsweise einer sein, der erhältlich ist von WHITE-ROGERS DIVISION von Emerson Electric Co. und im einzelnen beschrieben wird im vierseitigen Anleitungs-Prospekt, Teil Nr. 37-3421, wobei diese Veröffentlichung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.

Das Kühlsystem könnte auch angepasst sein an eine Vielzahl von Verdampfern oder ein Mini-Split-System, um eine weitere Systemsteuerung des zu konditionierenden Raums zu steuern. Das System kann eine Vielzahl von Verdampfern mit nur einem einzigen Kondensator enthalten, wodurch die Effektivität und die Kosten gesteuert werden können. Ein solches System verursacht niedrigere Installationskosten, niedrigere Energiekosten und eine vereinfachte Steuerung. Es reduziert weiterhin die Geräuschentwicklung, verursacht weniger Wartung, ist leichter zu bedienen und weist eine hohe Betriebssicherheit auf.

Im Betrieb wird der Zustand des zu kühlenden Raums durch den Thermostaten festgestellt und der Kompressor und der Bläsermotor werden in ihrer ersten entsprechenden Stufe betrieben, wenn die Kühllast ein vorbestimmtes Niveau übersteigt. Sie werden an ihren entsprechenden zweiten Stufen betrieben, wenn die Kühllast unterhalb dieses vorbestimmten Niveaus fällt. Wenn ein Zwei-Stufen-Kondensator-Ventilator im System eingeschlossen ist, wird er ebenfalls auf einer zweiten Stufe betrieben, wenn die Kühllast unterhalb des vorbestimmten Niveaus fällt. Bevorzugt sind die Verdampfer so bemessen, dass sie gleich oder größer als die Kapazität des Kondensators im System sind.

Wärmepumpenanwendung

Der umschaltbare Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls bei Wärmepumpensystemen und -verfahren angewandt werden, insbesondere bei Wärmepumpen für kaltes Klima. Wie bekannt, enthalten Wärmepumpen einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsgerät, einen Verdampfer und ein umschaltbares Ventil in einer Kühlschleife. Wenn die Wärmepumpe sich in der Kühlbetriebsweise befindet, fließt das Kühlmittel durch die Schleife in einer Richtung. Wenn sich die Wärmepumpe in ihrer Heizbetriebsweise befindet, fließt das Kühlmittel in Gegenrichtung. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, wird dies erreicht durch die Wirkung des umschaltbaren Ventils und einer zugeordneten Steuerung und Ausrüstung.

Das zweistufige Airconditioningsystem das vorstehend offenbart wurde, kann modifiziert werden, um ein umschaltbares Ventil und Steuerungen einzuschließen, so dass es als zweistufiges Wärmepumpensystem arbeiten kann, das zwei Stufen einer Airconditioning und zwei Stufen eines Wärmepumpenbetriebs bietet. Ein solches System würde demzufolge einen Zwei-Stufen-Kompressor, einen Zwei-Stufen-Bläsermotor, ein zweistufig oder mehr variables Expansionsventil und einen zweistufigen Thermostaten enthalten. In Bereichen mit kaltem Klima, wo eine begrenzte Kühlung erforderlich ist, hat der Zwei-Stufen-Kompressor der vorliegenden Erfindung eine besonders vorteilhafte Anwendung mit einem Wärmepumpensystem, da er weniger Komponenten erfordert und kosteneffektiver ist. Wie nachfolgend im einzelnen erläutert, sind in einem solchen System nur die niedrige Stufe des Kompressors und der anderen Ausrüstung zum Kühlen zu verwenden, während entweder die volle oder die niedrige Belastungsfähigkeit des Zwei-Stufen-Kompressors zum Heizen verwendet wird, in Abhängigkeit von den Belastungszuständen.

Die elektrischen Komponenten und die Zusammenschaltung eines Ausführungsbeispieles einer Wärmpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 51 gezeigt. Wie gezeigt, enthält das System einen Zwei-Stufenkompressor 230, einen Außenkondensatorventilator 226, einen Innenbläsermotor 232 und eine Außenthermostaten 228 zum Steuern der Geräte. Wie gezeigt, enthält das System einen Transformator, der eine Steuerschaltung mit niedriger Spannung schafft, und die Komponenten sind mit dem Leitungsstrom durch Steuermodule 234, 236 sowohl für den Kompressor, den Ventilator und den Bläsermotor verbunden. Im Betrieb wird die Wärmepumpe für kaltes Klima den Raum kühlen, indem sie nur die niedrige Stufe des Kompressors verwendet. Beim Heizen wird der Kompressor auf der ersten, niedrigen Stufe arbeiten, bis die Außentemperatur, festgestellt durch einen Außenthermostaten, unter einen vorbestimmten Wert, beispielsweise –1,1 + 4,4°C (30 bis 40°F) fällt. Wenn die festgestellte Außentemperatur oberhalb des vorbestimmten Wertes liegt, wird der Kompressor in der unteren Stufe arbeiten.

Bevorzugt ist der Kompressor so ausgebildet, dass er auf der Startwicklung in einer Richtung und der Laufwicklung in der anderen Richtung arbeitet, in einer Weise, wie oben offenbart. Der Außenkondensator-Ventilator 226 oder der Innenbläser-Ventilator können entweder ein- oder zweistufig sein, sind jedoch bevorzugt einstufig. Wenn zweistufige Motoren verwendet werden, können sie unter eine Vielzahl von Systemen betrieben werden, einschließlich des 60/30 Hz-Systems.

Die Wärmepumpe ist bevorzugt für einen Betrieb in kaltem Klima ausgelegt, für Airconditioning-Belastungen, wobei die Airconditioning-Belastungen nicht so groß sind wie die Heizbelastungen. Diese Wärmepumpe könnte für eine Heizung mit hoher Leistung sorgen, indem sie einen zweistufigen Kompressor mit einem hohen Leistungsniveau und befriedigenden Kühlungsanforderungen betätigt durch Betätigung an einem niedrigen Leistungsniveau.

Dieser Ansatz würde nur einfache Steuerungen erfordern und würde sehr kosteneffektiv sein. Das System würde weiterhin wärmere Luft aus der Inneneinheit liefern, was zu einem höheren Kundenkomfort führen würde.

Als Beispiel würde ein System einen Verdampfer und einen Kondensator enthalten, die für eine Ein-Zylinder-Kühlung ausgelegt sind und fähig sind, mit zwei Zylindern in einer niedrigen Außenumgebungs-Heizbetriebsweise zu arbeiten. Beispielsweise würde ein Zweitonnen-Airconditioningsystem einen Viertonnen-Kompressor verwendet und würde in einer Ein-Zylinder-(zwei Tonnen)Betriebsweise für ein Airconditioning arbeiten und würde entweder einen oder zwei Zylinder (vier Tonnen) zum Heizen bei kalten Außenbedingungen verwenden.

In der Wärmepumpenanwendung bewirkt das System eine hohe Heizfähigkeit in kaltem Klima und eliminiert oder reduziert stark die Notwendigkeit einer Hilfsheizung. Es ist ebenfalls fähig, Gas- oder Ölheizungen zu ersetzen, und dies bei niedrigen Energiekosten. Es schafft in gleicher Weise eine Belastungsanpassfähigkeit zum Heizen und Kühlen und weniger und kürzerer Enteisungszyklen. Zusätzlich wird wärmere Luft aus den Registern in den zu konditionierenden Raum abgegeben, bei reduziertem Geräuschpegel.

Übersicht

Die Anwendung des Zwei-Stufen-Kompressors der vorliegenden Erfindung zum Konditionieren von Luft und Wärmepumpenanwendungen führt zu einer höheren SEER-Auslegung (saisonale Energieeffektivitätsverhältnisse), geringere aufzuwendende Kosten für die gleiche SEER-Auslegung, ein möglicher Mehrfachbetrieb des Verdampfers, Standardisation und erhöhtem Komfort. Eine Verbesserung gegenüber existierender Airconditioningsysteme kann erzielt werden, ohne dass Wärmetauscher Blechmetall und Luftströmungssysteme umgebaut werden müssen. Kodensationseinheiten für 10, 12 und 14 SEER-Produkte können standardisiert werden. Zusätzlich ist der Airconditioningbetrieb kontinuierlicher, was zu einer konstanteren Innentemperatur zusammen mit einer besseren Feuchtigkeitskontrolle führt. Ein weiterer überragender Vorteil ist die Kosteneffektivität des Systems, verglichen mit anderen Technologien mit variabler Leistungsfähigkeit. Erstens sind die Kosten des Systems selbst moderat, da wenige und relativ kostengünstige Komponenten verwendet werden, um konventionelle Systeme aufzurüsten. Zweitens erfordert der Betrieb in den unteren Stufen wenig Energie, so dass der Kunde von niedrigeren Energiebetriebskosten profitiert.

Die Leistungsfähigkeit der Kompressoren kann aufgeteilt werden 50/100, 40/100, 60/100 oder in anderen Bereichen, die am besten mit dem System und den Belastungsmerkmalen zusammenpassen. Dies gestattet einen regionalen Zuschnitt der Produkte, insbesondere der Wärmepumpen, um das Problem zu überwinden, dass ein Kompromiss bei der Wärmepumpenleistung gemacht werden muss, um zu verhindern, dass man zu wenig Kühlkapazität hat, mit einem Kompressor, der eine einzige Stufe aufweist. Das System bewirkt weiterhin eine verbesserte Feuchtigkeitssteuerung und Geräuschpegel für eine TS-Modulationsleistung.

Die Anmelder glauben, dass die Anwendung der oben beschriebenen Technologie die niedrigsten aufzuwendenden Kosten für ein einheitliches System für eine Auslegung von 11,0 SEER und darüber bieten. Wo ein Standardkompressor 10 SEER erreicht, erreicht ein Zwei-Stufen-Kompressor im gleichen Gehäuse 12 SEER. Reduziert man die Geschwindigkeit des Innenbläsers um die Hälfte oder fügt man einen Innenbläser mit variabler Geschwindigkeit dem Zwei-Stufen-Kompressorsystem hinzu, so erhöht man es jeweils auf 13 bis 14 SEER.

Wie beschrieben, ist das System insbesondere anwendbar auf Wärmepumpenanwendungen, besonders in kälterem Klima. Diese Anwendung tendiert dazu, die Verwendung von zusätzlicher elektrischer Bandheizung für weitere –9,4°C (15°F) niedrigere Umgebung zurückzustellen.

Das System ist sowohl an ein Kältemittel R-407C und R-407A als auch an R-22 anpassbar. Es kann verwendet werden in einheitlichen, mini-gesplitteten und Mehrverdampfer-mini-gesplitteten Einrichtungen. Andere verbesserte Merkmale, die durch die Airconditioningsysteme der vorliegenden Erfindung geschaffen werden, umfassen eine reduzierte Anzahl von Stopps und Starts und reduzierte Belastungen an den Lagern, den Ventilen und anderen Komponenten für einen Hauptteil der Zeit, im Ergebnis einer Ein-Zylinder-Betriebsweise. Die Erfindung bewirkt ferner einen reduzierten Strom zum Motor für einen Hauptteil des Betriebs als Ergebnis der Ein-Zylinder-Betriebsweise.

In der Airconditioning-Betriebsweise bewirkt die Erfindung die niedrigsten Systemskosten für 11,0 SEER und darüber. Es ist fähig, höhere SEER zu erreichen, während niedrigere Energiekosten auftreten. Es bietet weiterhin einen Möglichkeit zur Lastanpassung und die Fähigkeit, eine konstantere Innentemperatur zu erreichen, im Zusammenhang mit einer bessere Feuchtigkeitssteuerung. Das System und der Betrieb ist ebenfalls ruhiger als im Mittel, da es über den Hauptteil der Zeit sich in seiner Ein-Zylinder-Betriebsweise befindet. In gleicher Weise hat das System eine ruhigere Betriebsweise des Innenbläsers und eine höhere Zuverlässigkeit wegen weniger Zyklenwechsel, und bietet eine Standardisation des Produkts.

Die Anwendung des Zwei-Stufen-Kompressors auf HVAC-Systeme scheint weiterhin eine erhöhte Effektivität mit dem Kühlmittel R22 zu bieten, zumindest in einigen Anwendungsfällen. Eine theoretische Effektivität des Kompressors (EER) ist die maximale Effektivität, die er erreichen kann, wenn er in einem System mit spezifizierten Verdampfer- und Kondensatortemperaturen und Werten der Überhitzung und Unterkühlung arbeitet. Theoretisch wird die Effektivität allein von thermodynamischen Eigenschaften festgestellt. Die theoretische Effektivität wird festgestellt indem man die Enthalpy-Änderung im Verdampfer (h1–h4, Einheiten der Btu/hr) durch die Enthalpy-Änderung durch durch den Kompressor (h2–h1, in Einheiten von Watt) teilt. Die Enthalpy-Änderung im Verdampfer ist eine Funktion der Breite des P-h-Diagramms bei den Verdampfer- und den Kondensatortemperaturen. Die Enthalpy-Änderung über den Kompressor wird festgesetzt durch den Anstieg der Konstant-Entropie-Linien nach rechts von der gesättigten Dampfkurve. Die Breite des P-h-Diagramms und der Anstieg der Kontant-Entropie-Linien sind allein Funktionen der thermodynamischen Natur jedes Kühlmittels.

Für die typische Betriebsumgebung bei Hochtemperaturkompressoren (–28°C bis 12,8°C oder –20°F bis 25°F am Verdampfer, 26,7°C bis 65,5°C oder 80°F bis 150°F am Kondensator) hat R22 eine höhere theoretische Leistungsfähigkeit als R410A. Für niedrigere Kondensatortemperaturen ist jedoch die Differenz zwischen den beiden Kühlmitteln geringer. R410A hat einen relativ niedrigen kritischen Punkt, was zu einem engen P-h-Diagramm bei höheren Kondensatortemperaturen führt. Demzufolge ist R140A ein schlecht wirkendes Kühlmittel bei hohen Kondensatortemperaturen. Bei niedrigeren Temperaturen verbreitert sich das P-h-Diagramm von R410A, näher an das von R22. Dies führt dazu, dass R410A eine um 7,8% niedrigere theoretische Effektivität bei 45/130 aufweist, jedoch nur 2,8% niedriger liegt bei 45/90.

TS-Kompressoren, die in der Ein-Zylinder-Betriebsweise laufen, arbeiten von sich aus bei niedrigeren Kondensatortemperaturen als in der Zwei-Zylinder-Betriebsweise. Die Kondensator-Spule ist viel größer als erforderlich, wenn der Kompressor sich in seiner Ein-Zylinder-Betriebsweise befindet, so dass das System mit einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen der Spule und dem Luftstrom arbeiten kann. Dies wiederum gestattet es, dass der Kondensator bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet. Demzufolge ist R410A theoretisch viel näher an der Leistungsfähigkeit von R22 im Ein-Zylinderbetrieb als im Zwei-Zylinderbetrieb. Tatsächlich scheinen Daten von TS-Kompressoren, die mit R22 und R410A arbeiten, anzuzeigen, dass bei einer niedrigen Kondensatortemperatur wie beispielsweise 37,8°C (100°F) R410A eine höhere tatsächliche Effektivität aufweist, obwohl es eine niedrigere theoretische Effektivität hat. R410A hat eine 40% höhere Saugdichte als R22, das es gestattet, die gleiche Leistungsfähigkeit mit 40% niedrigerer Fließgeschwindigkeit zu erreichen. Dies wiederum führt zu niedrigeren Strömungsverlusten, was wiederum gestattet, das R410A viel näher an seine theoretische Effektivität herankommt. Bei niedrigeren Kondensatortemperaturen, wo die beiden Kühlmittel sich eng benachbart der gleichen theoretischen Effektivität befinden, kann R410A in der tatsächlichen Effektivität dann R22 übersteigen.

Es ist klar, dass Abwandlungen und Modifikationen bei der Anwendung der offenbarten Erfindungen und ihre Prinzipien bewirkt werden können. Demgemäß ist der Schutzbereich der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche definiert.


Anspruch[de]
  1. Gaskompressor variabler Kapazität mit:

    einem Block (29), der mindestens einen Zylinder (32, 34) und eine zugeordnete Kompressionskammer und einen Kolben (26, 28) aufweist;

    eine Kurbelwelle (42), die einen exzentrischen Kurbelzapfen (44, 46) aufweist;

    einen umschaltbaren Motor (70) zum Drehen der Kurbelwelle (42) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung; und

    einen exzentrischen, Zwei-Positions-Nocken (64), der über dem Kurbelzapfen (44, 46) drehbar montiert ist, wobei der Nocken (64) sich in eine erste Position relativ zum Kurbelzapfen (44, 46) dreht und in dieser Position arbeitet, wenn der Motor (70) sich in Vorwärtsrichtung dreht, und sich in eine zweite Position relativ zum Kurbelzapfen (44, 46) dreht und in dieser arbeitet, wenn der Motor (70) in Rückwärtsrichtung läuft;

    wobei die ersten und zweiten Positionen durch einen Eingriff von zusammenwirkenden Antriebsstoppeinrichtungen (66, 67, 119) an der Kurbelwelle (42) mit angetriebenen Anschlageinrichtungen (68, 120, 121) am Nocken (64) definiert sind,

    wobei sich die Exzentrizitäten des Kurbelzapfens und des Nockens kombinieren, um den Kolben zu veranlassen, einen ersten Hub aufzuweisen, wenn der Motor in Vorwärtsrichtung arbeitet, und einen zweiten Hub aufzuweisen, wenn der Motor in Rückwärtsrichtung arbeitet, wobei der zweite Hub geringer ist als der erste Hub;

    wobei der Kompressor weiterhin ein Stabilisierungssystem (78, 138, 96, 98, 102, 106, 61, 69) aufweist, um eine Bewegung des Nockens (64) von der ersten und/oder zweiten Position weg zu hindern,

    dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungssystem zusammenwirkende Elemente an der Kurbelwelle (42) und dem Nocken (64) aufweist, wobei die Elemente miteinander in Eingriff treten können und voneinander lösbar sind und wobei die Elemente miteinander in Eingriff treten, um eine positive Verriegelung oder eine Reibungsmitnahme zu bewirken, die ausreichend ist, eine solche Bewegung zu hindern.
  2. Kompressor nach Anspruch 1 mit einem Block (29), der mit einer Vielzahl von Zylindern (32, 34) ausgebildet ist, die Ausgangsenden aufweisen, wobei jeder Zylinder einen Kolben (26, 28), der hin- und hergehend darin montiert ist, eine Ventilplatte (36), die am Block (29) über den Ausgangsenden montiert ist, um eine Kompressionskammer zu bilden, Saugventileinrichtungen (38) und Ausgangsventileinrichtungen (40) aufweist, die am Kompressor vorgesehen sind und so ausgebildet sind, dass sie jede Kompressionskammer in Verbindung mit jeweils der niedrigen Seite und der hohen Seite des Kompressors bringen, wobei die Kurbelwelle (42) drehbar am Block (29) montiert ist und eine Drehachse und eine Vielzahl von daran ausgebildeten Kurbelzapfen (44, 46) aufweist, wobei jeweils eine Verbindungsstangeneinrichtung (48, 50) für jeden Kolben (26, 28) an einem Kurbelzapfen montiert ist, wobei mindestens einer der Kurbelzapfen komplex ist und einen exzentrischen Nocken (64) aufweist, der eine radial innenliegende Lagerfläche enthält, die drehbar an einer inneren Welle des Kurbelzapfens (44, 46) montiert ist und eine radial außenliegende Gleitlageroberfläche hat, die als Gleitlager für mindestens eine der Verbindungsstangen (48, 50) dient, wobei mindestens ein Stoppelement (66, 67, 119) an einer oder mehreren vorbestimmten Winkelpositionen um die Drehachse der Kurbelwelle (42) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Anschlagelement (68, 120, 121) an dem Nocken (64) an einem oder mehreren vorbestimmten Winkelpositionen um die Drehachse des Nockens (64) vorgesehen ist, wobei die Stopp- und Anschlagselemente Endpunkte der Drehbarkeit des Nockens (64) an der Kurbelzapfenwelle (44, 46) definieren, mit einem umschaltbaren Motor (70) am Kompressor, der zum Antreiben der Kurbelwelle (42) selektiv in jeder Drehrichtung um ihre Drehachse in Abhängigkeit von übertragenen Betriebssignalen vorgesehen ist, wobei der Nocken (64) zu einem der Endpunkte durch die Drehung der Kurbelwelle (42) in einer Richtung und zum anderen Endpunkt durch die Drehung der Kurbelwelle (42) in der umgekehrten Richtung drehbar ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungssystem umfasst:

    (A) eine positive Verregelungsstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus:

    (a) einer Arretierungsvorrichtung (78, 138), die zusammenwirkende Elemente an der Kurbelwelle (42) und dem Nocken (64) aufweist, wobei die Elemente in Eingriff bringbar sind und außer Eingriff bringbar sind an mindestens einem der Endpunkte durch jeweils das Aufbringen oder das Wegnehmen einer Zentrifugalkraft, die auf ein Element der Arretierungseinrichtung aufgebracht wird,

    oder

    (b) eine durch eine Druckdifferenz betätigbare Einrichtung (96, 98, 102), die zusammenwirkende Elemente an der Kurbelwelle (42) und dem Nocken (64) aufweist, wobei die Elemente in Eingriff bringbar und außer Eingriff bringbar sind durch eine schnelle und entgegengesetzte Winkelbewegung jeweils zwischen der Kurbelzapfenwelle und dem Nocken an mindestens einem der Endpunkte; oder

    (B) eine Reibungsmitnahme-Einrichtung (106, 61, 69, 75), die zusammenwirkende Elemente am Nocken (64) und der Kurbelzapfenwelle aufweist und in Eingriff bringbar ist, um destabilisierenden Kräften zu widerstehen, die dazu tendieren, den Nocken auf der Kurbelzapfenwelle zu drehen und den Eingriff des Anschlags und des Stopps an mindestens einem der Endpunkte zu trennen.
  3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stabilisierungssystem die Kombination einer Nockenkonstruktion (64), ausgebildet um ein CFT bei 3600 Upm von etwa 11,5 × 10–2 bis etwa 57,7 × 10–2 mkg (etwa 10 bis 50 in lb) zu erreichen, und eine Saugventilkonstruktion mit einem Leckagekoeffizienten von etwa 0,05 bis etwa 0,35 enthält.
  4. Kompressor nach Anspruch 3, wobei die Kurbelwelle (42) eine Drehachse aufweist, wobei die Welle jedes der komplexen Kurbelzapfen (44, 46) eine Mittelachse aufweist, und wobei ihr zugeordneter Kolben (26, 28) eine Umkehrachse hat, und wobei die Nockenstruktur (64) ein Gravitationszentrum und einen Nockenscheitel aufweist, wobei die Drehachse und die Mittelachse in einer Umlaufebene liegen, wobei das Gravitationszentrum winkelmäßig verlagert ist aus der Umlaufebene, wobei ein CFT durch die Drehung der Kurbelwelle (42) erzeugt wird, die einen Eingriff des Anschlags und Stopps schließen, und wobei die Stopp- und Anschlagselemente relativ zueinander so angeordnet sind, wodurch an einem der Endpunkte der Scheitel und die Umkehrachse beide im Wesentlichen in der Umlaufebene liegen, und der Scheitel am nächsten ist zum zugeordneten Kolben, wodurch der Kolben beruhigt wird.
  5. Kompressor nach Anspruch 1, wobei das Stabilisierungssystem eine Arretierungsvorrichtung (78, 138) mit einem Arm (82, 132) enthält, der schwenkbar an einem Bereich der Kurbelwelle (42) für eine Schwingbewegung in Richtung auf das Anschlagelement (66) und davon weg in Abhängigkeit von einer Beschleunigung oder Verlangsamung der Drehbewegung der Kurbelwelle (42) montiert ist, wobei der Arm mit einer Schulterkonstruktion (90, 136) versehen ist zum Eingriff mit einer Oberfläche des Anschlagelementes (66) und das Anschlagelement in der Verbindung während der Drehung der Kurbelwelle in einer Richtung hält.
  6. Kompressor nach Anspruch 5, wobei die Schwenkmontage des Arms (132) eine Schwenkachse (133) schafft, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse der Kurbelwelle (42) verläuft.
  7. Kompressor nach Anspruch 6, wobei der Bereich der Kurbelwelle (42) ein Lager aufweist, das mit der Kurbelwelle benachbart dem Nocken (64) mitnehmend verbunden ist.
  8. Kompressor nach Anspruch 1, wobei der Motor (70) mit getrennten Lauf- und Startwicklungen versehen ist, und wobei ein elektrischer Schaltmechanismus vorgesehen ist, um den Motor von der Laufwicklung abzunehmen und ihn an der Startwicklung zu platzieren nach dem Umschalten der Motordrehung, um einen oder mehrere der Kolben (26, 28) ruhig zu stellen.
  9. Kompressor nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Steuerung für eine selektive Betätigung des umschaltbaren Motors (70) entweder in Vorwärtsrichtung unter einer ersten, vorbestimmten, festen Kraftbelastung oder in Rückwärtsrichtung unter einer zweiten, vorbestimmten, festen Kraftbelastung, wobei die zweite Kraftbelastung geringer ist als die erste Kraftbelastung.
  10. Kompressor nach Anspruch 9, wobei der Motor (70) ein Induktionsmotor mit Start- und Laufwicklung ist, und wobei der Motor in Vorwärtsrichtung auf der Laufwicklung und in Rückwärtsrichtung auf der Startwicklung arbeitet.
  11. Kompressor nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein Druckentlastungssystem zum Entlasten jeder signifikanten Druckdifferenz zwischen der niedrigen Seite des Kompressors und der Kompressionskammer eines beruhigten Kolbens (26, 28), wenn sich der Motor (70) in Rückwärtsrichtung dreht.
  12. Kompressor nach Anspruch 11, wobei das Druckentlastungssystem eine Entlüftung (103, 107, 118, 145, 154) in Strömungsverbindung mit der Kompressionskammer enthält, die dem beruhigten Kolben (26, 28) zugeordnet ist, und in Strömungsverbindung mit der niedrigen Seite des Kompressors steht.
  13. Kompressor nach Anspruch 11, wobei das Druckentlastungssystem ein Saugventil (81, 114) für die Kompressionskammer aufweist, die dem beruhigten Kolben zugeordnet ist, wobei das Ventil in eine offener Position belastet ist und in Strömungsverbindung mit der niedrigen Seite des Kompressors steht.
  14. Kompressor nach Anspruch 11, wobei das Druckentlastungssystem mindestens eine Öffnung aufweist, die in der Ventilplatte (36) für die Kompressionskammer ausgebildet ist, die dem beruhigten Kolben (26, 28) zugeordnet ist, wobei die Öffnung in Strömungsverbindung mit der niedrigen Seite des Kompressors steht.
  15. Kompressor nach Anspruch 11, wobei das Druckentlastungssystem eine Passage (154) aufweist, die im Block des Kompressors ausgebildet ist und in Strömungsverbindung sowohl mit der Kompressionskammer, die dem Kolben zugeordnet ist, als auch der niedrigen Seite des Kompressors steht.
  16. Kompressor nach Anspruch 15, wobei die Passage ein Ende aufweist, das etwa am Mittelpunkt des vollen Hubs des Kolbens positioniert ist.
  17. Kompressor nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein Schmiersystem zum Aufbringen von Schmiermittel auf die in Eingriff stehenden Oberflächen der Kurbelwelle (42) und des Nockens (64) und zwischen dem Nocken und der Lageroberfläche der Verbindungsstange.
  18. Kompressor nach Anspruch 17, wobei das Schmiersystem enthält:

    eine langgestreckte Axialzufuhr (192, 198, 200), die in der Kurbelwelle (42) ausgebildet ist;

    eine Querbohrung (190, 196, 197, 204), die in der Kurbelwelle (42) ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Axialzufuhr und einer äußeren Oberfläche des Kurbelzapfens (44, 46) steht; und

    ein Ölverbindungsloch (194), das im Nocken (64) ausgebildet ist und mit der radialen Querbohrung in der Kurbelwelle ausgerichtet ist, wenn der Nocken sowohl in seiner ersten als auch in seiner zweiten Position ist, wobei das Ölverbindungsloch in Strömungsverbindung mit der Lagerfläche der Verbindungsstange steht.
  19. Kompressor nach Anspruch 17, wobei das Schmiersystem enthält:

    ein Paar langgestreckter Axialzufuhren (198, 200), die in der Kurbelwelle ausgebildet sind,

    ein Paar von Querbohrungen (196, 197), die in der Kurbelwelle ausgebildet sind, wobei eine in Strömungsverbindung mit jeder des Paares der Axialzufuhren und einer äußeren Oberfläche des Kurbelzapfens steht; und

    einem Ölverbindungsloch (194), das in dem Nocken ausgebildet ist und ausgerichtet ist mit einer der Querbohrungen, wenn sich der Nocken in der ersten Position befindet, und mit der anderen der Querbohrungen, wenn sich der Nocken in der zweiten Position befindet, wobei das Ölverbindungsloch in Strömungsverbindung mit der Lagerfläche der Verbindungsstange steht.
  20. Kompressor nach Anspruch 17, wobei das Schmiersystem enthält:

    eine langgestreckte Axialzufuhr (192), die in der Kurbelwelle ausgebildet ist;

    eine Umfangsölnut (202), die zwischen den gegegenüberliegenden Flächen der Kurbelwelle (42) und des Nockens (64) ausgebildet ist;

    eine Querbohrung (204), die in der Kurbelwelle ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Axialzufuhr und der Ölnut steht; und

    ein Ölverbindungsloch (194), das im Nocken (64) ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Ölnut und der Lagerfläche der Verbindungsstange steht.
  21. System zum Kühlen eines Raums, mit einem Kompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, und ferner enthaltend:

    einen Verdampfer, einen Kondensator und ein Expansionsgerät in einer Kühlschlaufe mit dem Kompressor;

    einen Zwei-Stufen-Verdampferbläser (220), der entweder mit einer ersten, festen Maximallast oder einer zweiten, reduzierten, festen Last arbeitet; und

    ein Steuersystem, das mit dem Kompressor und dem Bläser verbunden ist und so ausgebildet ist, dass es den Kompressor und den Bläser an den entsprechenden ersten Stufen betreibt, wenn das Kühlerfordernis einen vorbestimmten Wert übersteigt, und sie in den entsprechenden zweiten Stufen betreibt, wenn die Kühlerfordernisse unter den vorbestimmten Wert fallen.
  22. System nach Anspruch 21, wobei die ersten Stufen des Kompressors und des Bläsers (220) aufeinander abgestimmt sind, um eine optimale Effektivität für eine maximale Kühlleistung des Systems zu schaffen.
  23. System nach Anspruch 22, wobei die zweiten Stufen einen Abfall der Kühlkapazität von mindestens 40% repräsentieren.
  24. System nach Anspruch 21, wobei das Steuersystem einen zweistufigen Thermostaten (228) enthält.
  25. System nach Anspruch 21, ferner umfassend einen Ventilatormotor (226) für den Kondensator, wobei der Ventilatormotor mit dem Steuersystem verbunden ist.
  26. System nach Anspruch 25, wobei der Ventilatormotor (226) ein Zweigeschwindigkeitsmotor ist, und wobei das Steuersystem den Ventilatormotor mit der ersten Geschwindigkeit betreibt, wenn die Kühlerfordernisse den vorbestimmten Wert übersteigen, und mit der zweiten, reduzierten Geschwindigkeit betreibt, wenn die Kühlerftordernisse unter den vorbestimmten Wert fallen.
  27. System nach Anspruch 21, ferner umfassend ein zweistufiges Expansionsventil, das in einer ersten Stufe arbeitet, wenn der Kompressor in seiner ersten Stufe arbeitet, und in einer zweiten Stufe arbeitet, wenn der Kompressor in seiner zweiten Stufe arbeitet.
  28. Wärmepumpensystem enthaltend einen Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, und ferner enthaltend:

    einen Kondensator (226),

    ein Expansionsgerät;

    einen Verdampfer;

    eine Einrichtung zum Betreiben des Kompressors, des Kondensators, des Expansionsgerätes und des Verdampfers als Wärmepumpe, die auf Anforderung und in ausgewählter Weise für eine Air-Conditioning und eine Heizung sorgen kann, und

    ein Steuersystem zum Betreiben des Systems in einer Heizbetriebsweise, wobei der Kompressor in der ersten oder der zweiten Stufe läuft, in Abhängigkeit von den Heizerfordernissen, und zum Betreiben des Systems in einer Air-Conditioning-Betriebsweise, wobei der Kompressor nur in der ersten Stufe läuft.
  29. System nach Anspruch 28, wobei das Expansionsgerät ein Expansionsventil mit einer einzigen Öffnung ist.
  30. System nach Anspruch 28, wobei die Kapazität des Verdampfers und des Kondensators so bemessen sind, dass sie auf die Kühlleistung abgestimmt ist, die mit der Kapazität des Kompressors, wenn er in der ersten Stufe arbeitet, zusammenhängt.
  31. System nach Anspruch 30, wobei das Steuersystem die Außentemperatur feststellt und in der Heizbetriebsweise das System in der ersten oder zweiten Stufe betreibt, basierend auf dem Wert der festgestellten Außentemperatur.
  32. Verfahren für eine Air-Conditioning in einem Raum, wobei:

    ein Air-Conditioningsystem bereitgestellt wird, das einen Zwei-Stufen-Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20 enthält, der eine erste, feste Belastung und eine zweite, feste Belastung aufweist, einen Verdampfer, einen zweistufigen Verdampferbläser (220), ein Expansionsgerät und einen Kondensator;

    der Zustand des zu kühlenden Raums festgestellt wird; und

    der Kompressor und der Bläsermotor so gesteuert werden, dass sie in ihren entsprechenden ersten Stufen arbeiten, wenn die Kühlbelastung ein vorbestimmtes Niveau übersteigt, und in ihren entsprechenden zweiten Stufen arbeiten, wenn die Kühlbelastung unterhalb des vorbestimmten Niveaus fällt.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Verfahrensschritt des Bereitstellens den Verfahrensschritt des Bereitstellens eines mehrstufigen Expansionsventils enthält, das in einer ersten Stufe arbeitet, wenn der Kompressor in seiner ersten Stufe arbeitet, und in einer zweiten Stufe arbeitet, wenn der Kompressor in seiner zweiten Stufe arbeitet.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Verfahrensschritt des Steuerns enthält das Steuern des Expansionsventils zum Arbeiten in der ersten Stufe, wenn die Kühllast das vorbestimmte Niveau übersteigt, und in der zweiten Stufe, wenn die Kühllast unter das vorbestimmte Niveau fällt.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei nur ein einziger Kondensator im System eingeschlossen ist, jedoch das System mehrere Verdampfer enthält.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Kondensator einen zweistufigen Ventilatormotor enthält, und wobei der Verfahrensschritt des Steuerns den Verfahrensschritt des Steuerns des Ventilatormotors des Kondensators enthält, um ihn in der ersten Stufe zu betreiben, wenn die Kühllast ein vorbestimmtes Niveau übersteigt, und ihn in einer zweiten Stufe zu betreiben, wenn die Kühllast unter das vorbestimmte Niveau fällt.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Kondensator so bemessen ist, dass er mit der maximalen Betriebsleistungsfähigkeit des Kompressors zusammenfällt oder diese übersteigt.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Verdampfer so bemessen sind, dass sie gleich oder größer sind als die Kapazität des Kondensators.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei der Verfahrensschritt des Steuerns im Prinzip durch die Verwendung eines zweistufigen Thermostaten erreicht wird.
Es folgen 29 Blatt Zeichnungen






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