Rotationskompressor oder -verdränger

Abstract

 Es wird ein bezüglich der Druckverhältnisse verbesserter Rotationskompressor oder -verdränger beschrieben, dessen Rotor zusätzliche Überströmkanäle aufweist und der besonders zum Einsatz in Gaskältemaschinen geeignet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rotationskompressor oder -verdränger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie dessen Verwendung als Gaskältemaschine nach dem Stirling- oder Vuilleumierprinzip.

[0002] Kompressoren oder Verdränger der vorgenannten Art arbeiten überwiegend nach dem Drehschieber oder Flügelzellenprinzip. Die Ein- bzw. Auslässe sind dabei am Stator ortsfest in der Weise angeordnet, daß an ihnen ein weitgehend konstanter Druck bzw. Unterdruck ansteht. Die Verwendung für Gaskältemaschinen ist daher nur bedingt möglich.

[0003] So werden für regenerative Gaskältemaschinen, die nach dem Stirling- oder Giffort-McMahon-Prinzip arbeiten, überwiegend Kolbenpumpen eingesetzt.

[0004] Der Einsatz solcher regenerativer Gaskältemaschinen ist bis heute auf den kryogenen Temperaturbereich (<-100°C) beschränkt, weil im Bereich der höheren Temperaturen (100°C - O°C) die Konkurrenzfähigkeit gegenüber dem in diesem Temperaturbereich verbreitet angewandten Kaltdampfprinzip in Frage gestellt wird. Als Begründung wird der vergleichsweise hohe maschinentechnische Aufwand regenerativer Gaskältemaschinen angeführt.

[0005] Das Maschinenschema einer Gaskältemaschine, die nach dem Stirling Prinzip arbeitet, ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.

[0006] Es besteht aus dem Kompressor 1, einem Verdrängerkolben 2, einem wärmeabgebenden Wärmetauschers 3, einem Regenerator 4 und einem wärmeaufnehmenden Wärmetauschers 5. Der Verdrängerkolben 2 trennt den Zylinder 6 in den Kaltraum 7 und den Warmraum 8. Entsprechend FIG. 1 stehen die Komponenten über einen Gaskanal miteinander in Verbindung, der, wie auch die Arbeitsräume, mit einem gasförmigen Medium, dem sogenannten Arbeitsgas gefüllt ist. Zur Realisierung des kälteerzeugenden Kreisprozesses müssen Kompressorkolben 1 und Verdrängerkolben 2 in einen koordinierte Bewegung versetzt werden, wobei aufgrund technischer Randbedingungen in der Regel harmonische Bewegungen gewählt werden und der Phasenversatz in den Bewegungsabläufen der beiden Kolben ein Viertel eines Zyklus beträgt, wie FIG. 2 zeigt. Hier ist der zeitliche Verlauf des Kompressionsraums (Kurve 9), des Kaltraums (Kurve 11) und des Warmraums (Kurve (10) dargestellt.

[0007] Der mechanische Antrieb der Kolben erfolgt bei den herkömmlichen Bauarten über einen relativ aufwendigen Kurbelmechanismus und eine gemeinsame Antriebswelle.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen neuartigen Rotationskompressor oder -verdränger der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfacher Bauart verbesserte Druckverhältnisse zu erzielen gestattet und der insbesondere eine Verwendung als regenerative Gaskältemaschine ermöglicht.

[0009] Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0010] Gegenüber den bekannten Bauarten von regenerativen Gaskältemaschinen bietet der Einsatz der erfindungsgemäßen Rotationskolbenverdränger bzw. -verdichter den Vorteil einer kompakten vibrationsarmen Bauweise.

[0011] Ein weiterer und entscheidender Vorteil liegt im großen Oberflächen/Volumenverhältnis der Verdichter- bzw. Verdrängerräume. Es begünstigt, zusammen mit den intensiven Gasbewegungen in diesen Räumen, einen guten Wärmeaustausch mit der Statorwandung, so daß diese zusätzlich als Wärmetauscher dienen kann. Die für den Stirling-Prozeß idealen isothermen Zustandsänderungen können so eher angenähert werden.

[0012] Anhand der in den Figuren 3 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

[0013] Die Maschine besteht aus einem Kompressor 12, einem warmen Verdränger 13 und einem kalten Verdränger 14, wobei alle drei Komponenten als Flügelzellen- oder Drehschieberpumpen ausgeführt und sinnvollerweise auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind.

[0014] Die Darstellung in FIG. 3 und die folgende Beschreibung legen exemplarisch eine zweizellige Bauweise zugrunde, obwohl auch eine mehrzellige Bauweise möglich ist und auch sinnvoll sein kann.

[0015] Der Kompressionsraum 15 ist über den Strömungskanal 16 mit der Leitung 18 verbunden. Die Leitung 18 führt über den Wärmetauscher 19 und den Strömungskanal 20 zum Warmraum 22. Eine weitere Verbindung führt über den Wärmetauscher 23, den Regenerator 24, den Wärmetauscher 25 und den Strömungskanal 26 zum Kaltraum 27.

[0016] Die in den jeweiligen Rotoren 17, 21, 28 angeordneten Strömungskanäle 16, 20, 26 werden jeweils so im Nabenbereich nach außen geführt, daß ein vom Drehwinkel unabhängiger Strömungsquerschnitt sichergestellt ist. Eine mögliche Kanalführung ist in FIG. 4 exemplarisch für den Kompressor 12 dargestellt.

[0017] Bei einer synchronen Umdrehung der Rotoren 17, 21 und 28 wird dem Kompressionsraum 15, dem Warmraum 22 und dem kaltraum 27 jeweils eine Änderung aufgezwungen, deren zeitliche Verläufe den Kurven 9, 10 und 11 in FIG. 2 entsprechen. Die richtige Phasenlage von Kurve 10 bzw. 11 zu Kurve 9 ergibt sich aus der um 90° bzw. 270° versetzten Drehwinkellage der beiden Verdrängerrotoren 21 bzw. 28.

[0018] Es bietet sich vorteilhaft an, die jeweils zweiten Zellen des Kompressors 12 und der beiden Verdränger 13 und 14 für einen zweiten Gaskältemaschinenprozeß, der analog aber um 180° phasenversetzt abläuft, zu nutzen. Die dafür notwendige Erweiterung der Anlage ist in FIG. 3 gestrichelt dargestellt, wobei die Komponenten mit "a" gekennzeichnet sind.

[0019] Mit dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenprinzip können auch Gaskältemaschinen, die nach dem Vuilleumierprinzip (einem erweiteren Stirlingprinzip) arbeiten, realisiert werden. Das Maschinenschema ist in FIG. 5 dargestellt.

[0020] Anstelle des Kompressors 12 in FIG. 3 werden 2 Verdränger 29 und 30 in der erfindungsgemäßen Bauart eingesetzt, die zusammen mit den Wärmetauschern 31 und 31a, den Regeneratoren 32 und 32a und den Wärmetauschern 33 und 33a eine thermische Kompressoreinheit zur Erzeugung eines sinoidalen Druckverlaufs bilden und in der dargestellten Weise mit der bereits aus FIG. 3 bekannten Regenerator/Verdrängereinheit in Verbindung steht.

[0021] Die vier Verdränger 29, 30, 13 und 14 werden auch in diesem Fall sinnvollerweise auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet.

[0022] Wegen des bereits genannten großen Oberflächen/Volumenverhältnisses der Verdichter- bzw.-Verdrängerräume kann auf die separaten Wärmetauscher 19, 19a, 23, 23a und 25, 25a bei der Maschine gemäß FIG. 3 sowie die Wärmetauscher 31, 31 a und 33, 33a bei der Maschine gemäß FIG. 5 teilweise oder ganz verzichtet werden, was den maschinentechnischen Aufwand noch weiter reduziert.

[0023] Durch die Anordnung der Warmräume 22, 22a und der Kalträume 27, 27a in jeweils eigenen, dem Temperaturniveau zugeordneten Verdrängern 13 und 14 werden Temperaturwechselverluste minimiert.

Ansprüche

1. Rotationskompressor oder -verdränger mit einem Stator, der Arbeitsräume einschließt und Lager für eine Antriebswelle aufweist, auf der ein Rotor nach dem Drehschieber- oder Flügelprinzip befestigt ist, wobei der Rotor so ausgebildet ist, daß der Arbeitsraum in wenigstens zwei Zellen aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen über jeweils einen im Rotor ortsfest angeordneten Strömungskanal, der im Lagerbereich nach außen geführt ist, mit einem am Stator ortsfest angeordneten Ein- bzw. Auslaß verbunden ist.

2. Rotationskompressor oder -verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen in dessen Wandung integrierten Warmetauscher aufweist und die den Arbeitsraum bildende Innenwandung des Stators gleichzeitig die innere Austauschfläche des Wärmetauschers darstellt.

3. Verwendung eines Rotationskompressors oder -verdrängers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als Gaskältemaschine nach dem Stirlingprinzip zur Erzeugung einer sinoidalen Veränderung von Kompressionsraum, Warmraum und Kaltraum.

4. Gaskältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Rotationskompressor und ein Rotationsverdänger auf einer gemeinsamen Anstriebswelle angeordnet sind.

5. Verwendung eines Rotationsverdrängers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als Gaskältemaschine nach dem Vuilleumierprinzips zur Erzeugung einer sinoidalen Änderung des Systemdrucks, des Warmraums und des Kaltraums.

6. Gaskältemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Rotationsverdränger auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind.

Zeichnung