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(11) | EP 1 317 627 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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PUMPE MIT WASSEREINSPEISUNG PUMP COMPRISING A WATER SUPPLY POMPE A ALIMENTATION EN EAU |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Erzeugung von Druck und/oder Unterdruck, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Solche Pumpen gibt es in verschiedenen Bauarten. Man unterscheidet beispielsweise sogenannte Schraubenverdichter und sogenannte Klauenverdichter.
[0003] Bei den Schraubenverdichtem ist es bekannt, ein Kühlmedium direkt in die Pumpenkammer einzuspeisen. Insbesondere offenbart die US-A-3 795 117 einen Schraubenverdichter, der zur Verdichtung von Kühlmittel dient. Auf der Seite des Niederdruck-Anschlusses wird diesem Schraubenverdichter gasförmiges bzw. dampfförmiges Kühlmittel zugeführt. Das aus dem Schraubenverdichter auf der Seite des Hochdruck-Anschlusses austretende Kühlmittel wird über einen Kondensor und einen daran anschließenden Verdampfer zur Seite des Niederdruck-Anschlusses des Schraubenverdichters zurückgeführt. Zur Kühlung des Schraubenverdichters ist vorgesehen, daß geringe Mengen des von dem Kondensor abströmenden flüssigen Kühlmittels direkt in die Arbeitskammer des Schraubenverdichters eingespeist werden. Die einzuspeisende Menge wird mittels eines Expansionsventils in Abhängigkeit der Temperatur auf der Seite des Hochdruck-Anschlusses gesteuert.
[0004] Bei den bekannten Klauenverdichtem wird dagegen die anfallende Verdichtungswärme durch einen Kühlluftstrom an der mit Kühlrippen versehenen Außenfläche des Gehäuses oder durch einen im Gehäuse integrierten Kühlwasserkreislauf abgeführt.
[0005] Durch die Erfindung wird eine Pumpe der oben angegebenen Art geschaffen, die außerdem die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist. Durch die temperaturabhängige Regelung des eingespeisten Kühlmedium-Volumenstroms wird eine Überhitzung der Pumpe unter harten Einsatzbedingungen zuverlässig vermieden. Daher ist die erfindungsgemäße Pumpe insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit Brennstoffzellen bei Kraftfahrzeugen geeignet. Weitere wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Klauenverdichtern sind:
- kompakte Bauweise duch verminderten Bedarf an externer Kühlung;
- geringe Temperaturdifferenzen im Betrieb, da die Verdichtungswärme direkt am Ort ihrer Entstehung abgebaut wird;
- kleinere Spalte zwischen Rotoren und Gehäuse, dadurch verbesserter Wirkungsgrad;
- Befeuchtung der verdichteten Luft, wie bei bestimmten Prozessen vorteilhaft.
[0007] Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Zweistoff-Zerstäuberdüse, vorgesehen der außer dem flüssigen Kühlmedium ein gasförmiger Volumenstrom zugeführt wird, der vom Hochdruck-Anschluß abgezweigt ist. Die Zweistoff-Zerstäuberdüse ist mit einem Durchfluss-Regulierelement versehen, an dem ein Stellantrieb angreift.
[0008] Einzelheiten der Erfindung sind den beigefügten Zeichnungen entnehmbar. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Pumpe mit temperaturgeregelter Wassereinspeisung direkt in den Verdichterraum unter Verwendung einer regulierbaren Zweistoff-Zerstäuberdüse;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Klauenverdichters mit temperaturgeregelter Wassereinspeisung nach dem Prinzipschema von Fig. 1;
Fig. 3 eine Variante des Klauenverdichters nach Fig. 2, bei dem der auslaßseitige Systemdruck zur Verdüsung des eingespeisten Kühlwassers ausgenutzt wird; und
[0009] In dem in Figur 1 dargestellten Prinzipschema ist eine durch einen Elektromotor M betriebene Pumpe 12 gezeigt, die eingangsseitig mit einer Saugleitung 14 und ausgangsseitig mit einer Druckleitung 16 verbunden ist. Über die Saugleitung 14 kann ein gasförmiges Medium mit Druck P0 und Temperatur T0 der Pumpe 12 zugeführt und über die Druckleitung 16 ein gasförmiges Medium mit Druck P2 und Temperatur T2 von der Pumpe abgeführt werden. In die Saugleitung 14 mündet eine Zweistoff-Zerstäuberdüse 18, der über einen Kühlmittelzulauf 20 Kühlwasser 21 und über einen Druckluftanschluß 22 Druckluft zugeführt werden kann. Die Zweistoff-Zerstäuberdüse 18 ist mit einem Durchfluß-Regulierelement versehen, das über einen angreifenden Stellantrieb 24 betätigt werden kann. Die einzuspeisende Kühlwassermenge wird über einen Regelkreis bestimmt. Zur Regelung ist in der Druckleitung 16 ein Temperatursensor vorgesehen, der die Temperatur T2 des aus der Pumpe 12 austretenden gasförmigen Mediums mißt. Die gemessene Temperatur T2 wird mit einen Sollwert Ts verglichen, und die Temperaturdifferenz T2-Ts wird über Durchfluß des flüssigen Kühlmittels durch Ansteuerung des Stellantriebs 24 ausgeregelt.
[0010] In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Pumpe von Figur 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Die Pumpe 12 weist ein Gehäuse 30 auf, in der eine Pumpenkammer 32 gebildet ist. In der Pumpenkammer 32 sind zwei zweiflügelige Rotoren 34, 36 jeweils auf einer Welle 38, 40 gelagert. Die Wellen 38, 40 sind parallel und gegeneinander versetzt angeordnet. Die Rotoren 34, 36 wälzen bei einer Drehung berührungslos aufeinander ab und bilden dabei Zellen 42 variabler Größe, wobei eine innere Verdichtung stattfindet. Die im Betrieb dieses sogenannten Klauen-Verdichters 12 anfallende Wärme wird im wesentlichen durch die in Figur 1 beschriebene temeraturgeregelte Wassereinspeisung abgeführt. Die zur Kühlung benötigte Wassermenge wird über die Zweistoff-Zerstäuberdüse 18 direkt in die Pumpenkammer 32 verdüst.
[0011] Der in Figur 3 abgebildete Klauen-Verdichter 112 entspricht dem in Figur 2 abgebildeten Klauen-Verdichter 12. Im Unterschied zu dem in Figur 2 abgebildeten Kühlregelkreis wird hier der der Zweistoff-Zerstäuberdüse 118 zugeführte gasförmige Volumenstrom von der Druckleitung 116 abgezweigt und über eine Leitung 144 zur Zweistoff-Zerstäuberdüse 118 zurückgeführt. Der auslaßseitige Systemdruck wird so zur Verdüsung des eingespeisten Kühlwassers 121 ausgenutzt.
[0012] Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das flüssige Kühlmedium von der steuerbaren Einspritzpumpe nicht direkt in die Pumpenkammer eingespeist wird, sondern über eine zwischen Pumpenkammer und Einspritzpumpe geschaltete Einspritzdüse eingespeist wird.
[0013] Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Einspritzdüse im Bereich der Druckleitung in die Pumpenkammer mündet bzw. daß eine zu der Einspritzdüse im Bereich der Saugleitung zusätzliche Einspritzdüse im Bereich der Druckleitung in die Pumpenkammer mündet.
[0014] Durch die temperaturgeregelte Einspeisung des Kühlwassers direkt in die Pumpenkammer wird eine Überhitzung der Pumpe auch unter harten Einsatzbedingungen zuverlässig vermieden. Die erfindungsgemäße Pumpe hat im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Pumpen mit externer Kühlung den Vorteil, daß sie durch ihre kompakte Bauweise einen verminderten Platzbedarf aufweist. Da die Verdichtungswärme direkt am Ort ihrer Entstehung, nämlich in der Pumpenkammer abgebaut wird, treten im Vergleich zur Pumpe mit externer Kühlung nur kleine Temperaturdifferenzen zwischen Gehäuse und Rotoren auf. Dadurch ist die im Betrieb auftretende Temperaturdehnung der Rotoren minimal, so daß die Pumpe mit sehr kleinen Spalten zwischen Rotor und Gehäuse ausgelegt werden kann. Durch die Spaltreduzierung werden Rückströmungen minimiert und der Wirkungsgrad optimiert.
1. Pumpe (12; 112) zur Erzeugung von Druck und/oder Unterdruck, mit einer Pumpenkammer
(32; 132), die einen Hochdruck-Anschluß (16; 116) und einen Niederdruck-Anschluß (14;
114) aufweist, wobei eine der Temperatur auf der Seite des Hochdruck-Anschlusses (16;
116) nachgeregelte Einspeisung eines Kühlmediums (21; 121) in die Pumpenkammer (32;
132) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Pumpenkammer (32; 132) mündend wenigstens eine Einspritzdüse (18; 118) für
das Kühlmedium in Form einer Zweistoff-Zerstäuberdüse angeordnet ist und die Pumpe
außerdem zwei wenigstens zweiflügelige Rotoren (34, 36; 134, 136) aufweist, die auf
zwei parallelen, gegeneinander versetzten Wellen (38, 40; 138, 140) in der Pumpenkammer
(32; 132) angebracht sind, sich bei ihrer Drehung berührungslos aufeinander abwälzen
und dabei Zellen (42; 142) mit interner Verdichtung bilden.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium (21; 121) Wasser ist.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einspritzdüse (18; 118) im Bereich des Niederdruck-Anschlusses (14;
114) in die Pumpenkammer (32; 132) mündet.
4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einspritzdüse (18; 118) im Bereich des Hochdruck-Anschlusses (16;
116) in die Pumpenkammer (32; 132) mündet.
5. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweistoff-Zerstäuberdüse (118) außer dem flüssigen Kühlmedium (121) ein gasförmiger
Volumenstrom zugeführt wird, der vom Hochdruck-Anschluß (116) abgezweigt ist.
6. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweistoff-Zerstäuberdüse (18) mit einem Durchfluß-Regulierelement versehen ist,
an dem ein Stellantrieb (24) angreift.
1. A pump (12; 112) for generating pressure and/or negative pressure, comprising a pump
chamber (32; 132) having a high-pressure port (16; 116) and a low-pressure port (14;
114), with a supply of a cooling agent (21; 121) into the pump chamber (32; 132) being
provided, the supply being closed-loop controlled by the temperature on the side of
the high-pressure port (16; 116), characterized in that at least one injection nozzle (18; 118) for the cooling agent in the form of a two-component
atomizer nozzle is arranged to open into the pump chamber (32; 132) and the pump further
comprises two at least two-blade rotors (34, 36; 134, 136) which are mounted in the
pump chamber (32; 132) on two parallel shafts (38, 40; 138, 140) offset in relation
to each other, the rotors rolling off onto each other free of contact during rotation
while forming cells (42; 142) with an internal compression.
2. The pump as claimed in claim 1, characterized in that the cooling agent (21; 121) is water.
3. The pump as claimed in claim 1 or 2, characterized in that at least one injection nozzle (18; 118) opens into the pump chamber (32; 132) in
the area of the low-pressure port (14; 114).
4. The pump as claimed in any of claims 1 to 3, characterized in that at least one injection nozzle (18; 118) opens into the pump chamber (32; 132) in
the area of the high-pressure port (16; 116).
5. The pump as claimed in any of the preceding claims, characterized in that in addition to the liquid cooling agent (121) a gaseous volume flow which is branched
off from the high-pressure port (116) is supplied to the two-component atomizer nozzle
(118).
6. The pump as claimed in any of the preceding claims, characterized in that the two-component atomizer nozzle (18) is provided with a flow regulating member
which is engaged by an actuating drive (24).
1. Pompe (12 ; 112) pour produire de la pression et/ou de la dépression, comportant une
chambre de pompe (32 ; 132) qui présente un raccordement de haute pression (16 ; 116)
et un raccordement de basse pression (14 ; 114), dans laquelle est prévue une alimentation
asservie à la température sur le côté du raccordement de haute pression (16 ; 116),
d'un agent de refroidissement (21 ; 121) dans la chambre de pompe (32 ; 132), caractérisée en ce qu'au moins une buse d'injection (18 ; 118) pour l'agent de refroidissement (21 ; 121),
sous forme d'une buse de pulvérisation de deux matières, est agencée pour déboucher
dans la chambre de pompe (32 ; 132), et en ce que la pompe présente en outre deux rotors (34 ; 36 ; 134 ; 136) à au moins deux pales
qui sont montés dans la chambre de pompe (32 ; 132) sur deux arbres (38, 40 ; 138,
140) parallèles décalés l'un par rapport à l'autre, et qui se développent l'un sur
l'autre sans se toucher, lors de leur rotation, et qui forment ainsi des cellules
(42 ; 142) avec compression interne.
2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'agent de refroidissement (21 ; 121) est de l'eau.
3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins une buse d'injection (18 ; 118) débouche dans la chambre de pompe (32 ; 132)
dans la région du raccord de basse pression (14 ; 114).
4. Pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins une buse d'injection (18 ; 118) débouche dans la chambre de pompe (32 ; 132)
dans la région du raccord de haute pression (16 ; 116).
5. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu' en plus de l'agent de refroidissement (121), un flux volumétrique gazeux qui est
bifurqué du raccordement de haute pression (116) est amené à la buse de pulvérisation
de deux matières (118).
6. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse de pulvérisation de deux matières (18) est pourvue d'un élément de réglage
de débit sur lequel s'engage un actionneur (24).