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Kältekompressor, insbesondere für lileinkältemaschinen.
Es gibt bereits Kompressoren für Kleinkältemaschinen, welche eine in ihrer Ruhelage ebene, schwingungsfähige Membran verwenden, die in einem Gehäuse eingespannt ist und dieses in zwei Räume teilt, deren einer mittels einer Pumpe periodisch mit einer Treibflüssigkeit gefüllt und wieder von ihr entleert wird, wodurch die dabei in Schwingung versetzte Membran auf das in dem andern Raum des Gehäuses anwesende gasförmige Kältemittel eine das Kältemittel komprimierende Pumpwirkung ausübt, wobei die Wände der beiden Gehäuseräume so gestaltet sind, dass die voll ausschwingende Membran abwechselnd das Volumen eines der beiden Räume praktisch auf Null verringert. Derartige Kompressoren sind dort vorteilhaft, wo eine Mischung der Treibflüssigkeit mit dem zu komprimierenden Kältemittel unerwünscht ist.
Da die Grösse der Fläche der Membran aus konstruktiven Gründen be- schränkt ist und die Schwingungsweite der Membran nur sehr klein sein kann, ist das Hubvolumen eines solchen Kompressors verhältnismässig klein, und man muss daher, um die zur Kälteerzeugung erforderliche Kompressionsleistung zu erzielen, eine hohe Schwingungszahl der Membran wählen. Um die Leistung des Kompressors zu vergrössern, wird man also bestrebt sein, die Schwingungszahl der Membran, soweit es geht, zu steigern. Jede Steigerung der Schwingungszahl verkürzt aber die Lebensdauer des Kompressors, so dass also ein solcher Kompressor nur verhältnismässig eng begrenzte Möglichkeiten bietet.
Ein weiterer Nachteil der bisher gebräuchlichen Kompressoren dieser Art, die 200 und mehr Hübe pro Minute machen, besteht darin, dass infolge der hohen Schwingungszahl eine adiabatische Kompression des Kältemittels stattfindet, welche eine beträchtliche Temperaturerhöhung bewirkt, die im allgemeinen eine energische Kühlung während des Kompressionsvorganges nötig macht. Ausserdem tritt als Folge des adiabatische Charakters des Kompressionsvorganges ein unnötig hoher Energieverbrauch auf.
Diese Nachteile werden gemäss der Erfindung dadurch behoben, dass mehrere, je eine in ihrer Ruhelage ebene Membran enthaltende, in der eingangs angegebenen Weise ausgebildete Gehäuse, die vorzugsweise kolonnenartig mit ihren Flachseite aneinandergereiht sind, mit ihren Treibmittelräumen einerseits und mit ihren Kältemittelräumen anderseits miteinander verbunden und in solcher Zahl vorgesehen sind, dass die zur Kälteerzeugung erforderliche Kompressionsleistung schon mit niedrigen, eine praktisch isothermische Kompression ergebenden Hubzahlen der Membranen und dabei mit so kleinen Schwingungsweiten erreicht wird, dass die durch die niedrige Hubzahl erzielte lange Lebensdauer der Membranen keine Einbusse erleidet.
Dabei können die gleichartigen Räume der Membrangehäuse in beliebiger Variation miteinander verbunden, also beispielsweise parallel oder hintereinander oder zum Teil parallel, zum Teil hintereinander geschaltet sein. Die Zahl der miteinander vereinigten Membrangehäuse kann beliebig gross gewählt werden, und man kann daher durch Vergrösserung der Zahl der Membranen jedes gewünschte Hubvolumen erreichen, um die Lebensdauer und Leistung des Kompressors nach Wunsch zu erhöhen.
Besonders vorteilhaft ist eine solche Verbindung der Treibmittelräume der Gehäuse miteinander und mit der das Treibmittel zuführenden Vorrichtung, dass die Füllung dieser Räume mit der Treibflüssigkeit bzw. ihre Entleerung stets gleichzeitig, also gewissermassen phasengleich erfolgt.
Man kann die Membrangehäuse in einem gänzlich mit Treibmittel erfüllten Druckbehälter anordnen, an den eine den Druck des Treibmittels periodisch ändernde Druckpumpe angeschlossen ist, und die Wandungen der Membrangehäuse mit Durchbrechungen versehen, durch die das Treib- mittel in die Treibmittelräume der Gehäuse eindringen kann. Dabei besteht nicht die Gefahr einer übermässigen Deformation der Membranen, da die Membrangehäuse die Schwingungsweite auf eine
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zulässige Grösse beschränken.
Diese Gefahr ist dagegen bei einer bekannten Anordnung vorhanden, bei der sich ein einzelner linsenförmiger, aus zwei dünnen gewellten Blechen zusammengesetzter Hohlkörper in einer mit Treibmittel gefüllten, mit einer periodisch wirkenden Pumpe verbundenen Druckkammer befindet, ohne in einem der Schwingungsweite angepassten Gehäuse eingeschlossen zu sein.
Da der Kompressor nach der Erfindung eine isothermisehe Kompression ergibt, empfiehlt es sich, bei einer Kälteerzeugungsvorrichtung, die einen solchen Kompressor verwendet, durch verschiedene Massnahmen, die später beschrieben werden sollen, der Gefahr einer vorzeitigen Kondensation des Kältemitteldampfes und der Gefahr des Zurückbleibens von Kältemittelkondensat im Kompressor vorzubeugen.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Kompressors mit parallel geschalteten Treibmittel-und Kältemittelräumen.
Der Kompressor besteht in diesem Beispiel aus vier kolonnenartig übereinander angeordneten, linsenförmigen Gehäusen 1, deren jedes eine Membran 2 enthält, deren Rand in an sich bekannter Weise ringsherum zwischen den beiden, jedes Gehäuse bildenden Schalen 3, 4 eingespannt ist. Die obere Schale 4 jedes Gehäuses ist mit einer grösseren Zahl von Löchern versehen. Jede untere Schale 3 besitzt an ihrer tiefsten Stelle eine Öffnung, an die ein Rohr 5 angeschlossen ist, und alle diese Rohre 5 führen zu einem Sammelrohr 6, das nach abwärts zu einer Kammer 7 führt, die ein Druckventil 8 und ein Saugventil 9 enthält.
Die Kolonne der Membrangehäuse ist in einem druckfesten Behälter 10 angeordnet, der an einer Stelle eine Öffnung 11 enthält, an die der Zylinder 12 angeschlossen ist. Der mittels eines Kurbelgetriebes 13 angetriebene Kolben 14 wirkt auf die den ganzen Innenraum des Behälters 10 erfüllende Treibflüssigkeit, die auch durch die Löcher der Schalen 4 der Membrangehäuse in den Raum oberhalb der Membranen eindringen kann, nach Art einer Pumpe, und dabei sind die Verhältnisse so gewählt, dass beim abwärts gerichteten Druckhub des Kolbens 14 die Membranen 2 in allen Gehäusen 1 bis zum Anliegen an die unteren Schalen 3 ausschlagen. Es wird also beim Druckhub des Kolbens 14 das unterhalb der Membranen befindliche Volumen in jedem Membrangehäuse auf Null gebracht.
Dabei wird der unterhalb der Membranen befindliche Dampf des Kältemittels durch die Rohre 5 in das Sammelrohr 6 gedrängt und von hier durch das Druckventil S in die Rohrschlange-M, die einem Kondensator angehört, in dem das Kältemittel abgekühlt und kondensiert wird. Vom Kondensator strömt das
Kältemittel durch das Rohr 16 über ein Schwimmerventil 17 dem im zu kühlenden Raum 19 angeordneten Verdampfer 18 zu. In ihm verdampft das Kältemittel unter Wärmebindung, und der kalte Dampf strömt durch das Rohr 20 in einen Mantel 21 und von hier zu dem Saugventil 9. Beim Aufwärtsgang des Kolbens 14 geht der Druck der Treibflüssigkeit innerhalb des Behälters 10 zurück, und die Membranen 2 werden aufwärts gezogen, bis sie dicht an den Schalen 4 anliegen.
Hiedurch wird der Raum unterhalb der Membranen vergrössert, wodurch eine Saugwirkung auf das Sammelrohr 6 ausgeübt wird, was zur Folge hat, dass der Kältemitteldampf aus dem Mantel 21 über das Saugventil9 in das
Rohr 6 und durch die Rohre 5 in den Raum unterhalb der Membranen 2 eingezogen wird. Damit ist der Kreislauf des Kältemittels geschlossen. Beim nächsten Abwärtsgang des Kolbens 14 wird der unterhalb der Membranen befindliche Kältemitteldampf wieder komprimiert und durch das Rohr 6 in die Kondensatorschlange 15 getrieben usf.
Wenn auch der Hub des Kolbens 14 so bemessen ist, dass er dem gesamten Hubvolumen der
Membranen in ihren Gehäusen entspricht, so muss doch damit gerechnet werden, dass durch Undichtheit des Kolbens oder auf anderem Wege gewisse Verluste an Treibmittelmenge auftreten, die ersetzt werden müssen. Zu diesem Zwecke ist an eine Öffnung des Bodens des Kolbens 14 ein kleiner Hilfs- zylinder 22 angesetzt, in welchem ein Kolben 23 durch ein Gestänge 24 bewegt wird, dessen Antrieb von der Pleuelstange 13 des Hauptkolbens 14 abgeleitet ist. Dieser Hilfszylinder 22 steht durch ein
Druckventil25 mit dem Innenraum des Behälters 10 in Verbindung, und der Hilfskolben 23 selbst enthält ein Saugventil 26.
Beim Aufwärtsgang des Hilfskolbens 23 kann Treibflüssigkeit aus dem oben offenen
Hohlraum des Hauptkolbens 14 in den Hilfszylinder 22 unterhalb des Kolbens 23 gelangen, und beim
Abwärtshub des Hilfskolbens 23 wird diese Treibflüssigkeitsmenge durch das Druckventil 25 in den
Raum 11 gepresst.
Da der Hilfskolben 23 während einer Kurbelumdrehung gehoben und gesenkt wird, so fördert der Hilfskolben 23 bei jedem Hin-und Hergang des Hauptkolben 14 immer eine gewisse Zusatzmenge Treibflüssigkeit in den Behälter 10, wodurch zunächst die Verluste an Treibflüssigkeit im Behälter 10 ergänzt werden, während der Überschuss durch ein Ventil 27 in ein Rohr 28 getrieben wird, das oberhalb des oben offenen Endes des Zylinders 12 frei ausmündet und die überschüssige
Treibflüssigkeit in den Zylinder 12 und in den Hohlraum des Kolbens 14 zurückführt. Durch diese
Einrichtung wird also erreicht, dass die Membranen 2 bei jedem Druckhub des Kolbens 14 dicht an die untere Schale der Gehäuse 1 angelegt werden.
Die bevorzugte Hubzahl dieser Kompressoren liegt bei etwa 20 bis 30 Hüben pro Minute. Bei dieser geringen Hubzahl treten Erscheinungen auf, die bei normalen Kältekompressoren, die 200 und mehr Hübe pro Minute machen, überhaupt nicht beobachtet werden.
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möglichen Kraftaufwand erfolgt. Es kommt nun infolge dieser isothermischen Kompression zu keiner nennenswerten Temperaturerhöhung des Kältemitteldampfes beim Druckhub. Da auch die Erwärmung des Treibmittels (Öl) infolge der kleinen Geschwindigkeiten gering, die abkühlende Oberfläche aber verhältnismässig sehr gross ist, so kommt es kaum zu einer nennenswerten Erhöhung der Temperatur des Kompressors gegenüber der Aussentemperatur.
Beim Druckhub des Kompressors muss der angesaugte Kältemitteldampf infolge der unvermeidlichen, wenn auch geringen Widerstände des Druckventils und der Gasleitungen auf einen etwas höheren Druck gebracht werden als jener, der der Temperatur der Kompressorwandungen entspricht. Ein Teil des Kältemitteldampfes wird daher an den kühlen Wandungen des Kompressors kondensieren (was durch die geringe Hubgeschwindigkeit noch begünstigt wird), um beim darauffolgenden Saughub unter Wärme bindung wieder zu verdampfen.
Es findet also im Kompressor selbst eine sehr schädliche Kondensation statt, die die Leistung der Anlage vermindert, ja sogar gänzlich in Frage stellen kann.
Diese Erscheinung tritt bei normalen Kältekompressoren überhaupt nicht auf, da bei denselben die Kompression bekanntlich adiabatisch bzw. polytropiseh, also unter Erhitzung des Dampfes erfolgt, welche Erhitzung auch eine weit höhere Kraftleistung zur Folge hat. Diese Erhitzung ist oft derart hoch, dass eine zusätzliche Kühlung des Kompressors durch Luft (Kühlrippen, Gebläse) oder Flüssigkeit nötig ist. Es kann daher auch keine Kondensation des Kältemitteldampfes im Kompressor auftreten ; der Kältemitteldampf wird im Gegenteil bei der Kompression gewöhnlich vollständig getrocknet oder sogar überhitzt.
Um bei den langsam laufenden Kompressoren gemäss der vorliegenden Erfindung einen gesicherten Betrieb bei gutem Wirkungsgrad zu ermöglichen, sind daher besondere Massnahmen notwendig, die im nachstehenden beschrieben werden. Durch eine Isolierung 29 des Behälters 10 und des Zylinders 12 kann aber eine Wärmestauung im Behälter erhalten werden, wodurch die Gefahr einer Kondensation des Kältemittels in den Membrangehäusen vermindert wird. Man kann aber auch verhindern, dass die angesaugten Dämpfe des Kältemittels mit einer allzu niedrigen Temperatur in die Kompressionsräume eintreten, wo sie infolge der Abkühlung der Wandungen die Kondensation begünstigen würden.
Zu diesem Zwecke wird das aus dem Verdampfer 18 abgesaugte Kältemittel in den Mantel 21 geführt, der von dem Rohr 15 durchsetzt wird, durch welches die komprimierten Gase strömen. Es findet hier also ein Wärmeaustausch zwischen den kalten und den infolge der Kompression erwärmten Dämpfen statt, wobei einerseits die dem Kompressor zuströmenden Dämpfe vorgewärmt und anderseits die dem Kondensator zuströmenden komprimierten Dämpfe abgekühlt werden. Durch die Vorwärmung der vom Kompressor angesaugten Dämpfe wird eine Abkühlung der Wandungen der Membrangehäuse und infolgedessen eine Kondensation in diesen Gehäusen verhindert ; durch die Vorkühlung der komprimierten Dämpfe ist es ermöglicht, die Kühlfläche des Kondensators zu verkleinern.
Wird diese Wärmeaustauschvorrichtung gleichzeitig mit einer Isolierung des Behälters 10 angewendet, so kann man jede Kondensation des Kältemittels im Kompressor mit vollkommener Sicherheit verhindern.
Allerdings kann nach einer längeren Betriebspause der Kompressor so ausgekühlt sein, dass bei einer neuerlichen Inbetriebsetzung eine Kondensation im Kompressor eintreten kann. Um diese Kondensation unschädlich zu machen, empfiehlt es sich, die Anlage so auszubilden, dass das Kondensat, das sich in den Membrangehäusen bildet, durch die Rohre 5 und 6 selbsttätig abfliesst, wozu es nur nötig ist, zwischen dem Kompressor und dem Kondensator ein Gefälle zu schaffen ; es soll also der Kompressor höher angeordnet sein als der Kondensator. Kurze Zeit nach Inbetriebsetzung der Anlage hört dann infolge der Erwärmung der Wandungen der Membrangehäuse die Kondensation im Kompressor jedenfalls wieder auf.
Die Membrangehäuse, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, bestehen z. B. aus gewölbten, verhältnismässig dünnen Stahlblechen. Auch die Membranen können aus sehr dünnem Stahlblech bestehen und ihr Rand kann mit den ebenen Rändern der Schalen'3, 4 verschweisst werden. Dadurch, dass die Membrangehäuse innerhalb des Behälters 10 angeordnet sind, der gänzlich von der Treibfliissigkeit erfüllt ist, sind die Wandungen der Membrangehäuse während des Betriebes vollkommen entlastet. Beim Druckhub kann sich innerhalb der Treibflüssigkeit nur jener Druck einstellen, der dem Gegendruck des Dampfes des Kältemittels entspricht.
Sobald sich die Membranen dicht an die Schalen 3 anlegen, tritt infolge der zusätzlichen Treibflüssigkeitsmenge eine plötzliche Drucksteigerung auf, die aber durch entsprechende Einstellung der Belastung des Ventils 27 begrenzt wird. Diese Drucksteigerung kann aber auf die Membrangehäuse nicht schädlich wirken, weil sie allseitig auf die Wandungen ausgeübt wird. In den Betriebspausen kann sich der Kondensationsdruck, wenn das Druckventil 8 etwa undicht ist, bis in die Membrangehäuse fortpflanzen. Die Membrangehäuse müssen daher so bemessen sein, dass sie den höchsten Kondensationsdrücken des Kältemittels widerstehen können, ohne dass unzulässige Deformationen auftreten.
Die in Fig. 1 dargestellte Bauart der Membrangehäuse wird also vor allem für jene Kältemittel in Betracht kommen, die bei verhältnismässig niedrigen Drücken kondensieren.
Muss man mit höheren einseitigen Drücken rechnen, so empfiehlt es sich, für die Membrangehäuse Bauarten zu wählen, die eine grössere Widerstandsfähigkeit gewährleisten. Dies ist z. B. bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Fall. Bei dieser Ausführungsform besteht die Kolonne der Membrangehäuse aus einer Anzahl von übereinander gelegten Platten von entsprechender Stärke, deren
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Mittelteil eine hohlkegelige oder kalottenartige Konkavität enthält. Die Konkavitäten je zweier aneinanderstossender Platten bilden dann die Hohlräume, in denen die Membranen 30 eingespannt sind. Die Endplatten 31 und 32 besitzen nur an ihrer Innenseite eine solche Konkavität, während die Zwischen- platten 33 an beiden Seiten solche Konkavitäten aufweisen.
Die Endplatten 31 und 32 sind durch Rippen 34 bzw. 35 versteift. Die Platten 31, 32 und 33 können durch Spannschrauben oder in anderer Weise dicht aneinandergepresst werden, wodurch die Ränder der Membranen 30 zwischen den Platten dicht eingespannt werden. Der Druckzylinder 36 kann mit der einen Endplatte 31 aus einem Stück bestehen. Die Platten 31, 32 und 33 enthalten auch die Kanäle, durch welche die Parallelschaltung einerseits der Räume für das Treibmittel und anderseits der Räume für den Kältemitteldampf bewirkt wird.
Bei der dargestellten Ausführungsform zweigt von dem Raum unterhalb des Druckkolbens 37 ein Kanal 38 ab, der sich in den Platten 31, 33 und 32 fortsetzt und welcher in der (von oben gerechnet) zweiten Zwischenplatte 33 eine Abzweigung 39 enthält, die zu den beiden benachbarten Membrangehäusen führt, u. zw. zwischen der ersten und zweiten Zwischenplatte unterhalb der Membran und zwischen der zweiten und dritten Zwischenplatte oberhalb der Membran. Eine Abzweigung 40 des Kanals 38 führt zu dem untersten Membrangehäuse, u. zw. in den Raum unterhalb der Membran.
Zu dem Raum oberhalb der Membran des obersten Membrangehäuses führen Kanäle 41, die von dem Raum unterhalb des Druckkolbens 27 abzweigen, so dass also die Treibflüssigkeit in dem obersten Membrangehäuse und in dem dritten Membrangehäuse in den Raum oberhalb der Membran und im zweiten und vierten in den Raum unterhalb der Membran gedrückt wird.
An einer andern Stelle besitzen die Platten Durchbrechungen, die sich zu dem Sammelkanal 42 für den Kältemitteldampf zusammensetzen. Von diesem Kanal 42 zweigen Kanäle 43 und 44 ab, die jene Räume der Membrangehäuse, in denen die Kompression des Kältemitteldampfes stattfinden soll, mit dem Sammelkanal 42 verbinden. An den beiden Enden des Sammelkanals sind die Ventile 45 und 46 angeordnet, von denen das eine als Saugventil und das andere als Druckventil wirkt.
Eine Kolonne von Membrangehäusen dieser Art wird nicht in einem Druckbehälter, wie dies bei der Ausführungsform nach Fig. 1 der Fall ist, angeordnet, weil die für das Treibmittel bestimmten Räume durch Kanäle innerhalb der Plattenkolonne mit dem Druekzylinder 36 in Verbindung stehen.
Es kann aber auch eine solche Kolonne mit einem Isoliermaterial belegt werden.
Zur Verkleinerung der schädlichen Räume des Kompressors kann jedes einzelne Membrangehäuse mit den erforderlichen, an die Gehäusewandung angesetzten Saug-und Druckventilen versehen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kältekompressor, insbesondere für Kleinkältemaschinen, bei welchem die Pumpwirkung einer periodisch bewegten Treibflüssigkeit auf das gasförmige Kältemittel durch eine in ihrer Ruhelage ebene, schwingende Membran übertragen wird, die in einem nach Gestalt und Grösse der Membranschwingung angepassten Gehäuse eingespannt ist, welches durch die Membran in einen die Treib- flüssigkeit und in einen das Kältemittel aufnehmenden Raum geteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere derartige, je eine Membran enthaltende Gehäuse, die vorzugsweise kolonnenartig mit ihren Flachseite aneinandergereiht sind, mit ihren Treibmittelräumen einerseits und mit ihren Kältemittelräumen anderseits in beliebiger Variation parallel oder hintereinander oder zum Teil parallel,
zum Teil hintereinander geschaltet und in solcher Zahl vorgesehen sind, dass die zur Kälteerzeugung erforderliche Kompressionsleistung schon mit niedrigen, eine praktisch isothermische Kompression ergebenden Hubzahlen der Membranen und dabei mit so kleinen Schwingungsweiten erreicht wird, dass die durch die niedrige Hubzahl erzielte lange Lebensdauer der Membranen keine Einbusse erleidet.