Druckaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaus- tauscher mit einem Ring von Zellen für die Ver dichtung und die Expansion von Gas, worunter auch Luft verstanden werden soll, Kanälen für die Zu- und Ableitung von Gas zu bzw. von den Zellen und Mitteln zur Herbeiführung einer Relativdrehung zwi schen dem Zellenring und den Kanälen.
Solche Druck- austauscher werden beispielsweise verwendet, um eine Verbrauchsmaschine mit Gas bei hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit zu beliefern; ein typisches Beispiel ist die Aufladung eines Verbrennungsmotors.
In den Zellen eines Druckaustauschers werden Verdichtung und Expansion des Gases normalerweise durch Druck- bzw. Expansionswellen hervorgerufen, die in den Zellen infolge der plötzlichen Öffnung bzw. Schliessung der Zellenenden zur Wirkung gelangen, wobei vielfach noch Überleitungskanäle Anwendung finden, welche je zwei unter verschiedenen Drücken stehende Zellen miteinander verbinden. Man kann sich auch allein auf den in solchen Kanälen erfol genden Druckaustausch stützen, aber auch dann würden bei genügend hohen Gasgeschwindigkeiten Druck- und Expansionswellen entstehen.
Eine Druck welle entsteht, wenn eine Zelle plötzlich auf eine Leitung geöffnet wird, in der ein höherer Druck herrscht als in der Zelle; eine Expansionswelle entsteht in der Zelle, wenn diese plötzlich auf eine Leitung geöffnet wird, in der ein niedrigerer Druck herrscht. Im Idealfall sind Öffnung und Schliessung der Zellen enden so aufeinander abgestimmt, dass, wenn an einer Kante eines Zellenendes eine Welle erzeugt wird, diese Welle zum anderen, dann geschlossenen Zellenende wandert, dort reflektiert wird und das erstgenannte Ende dann erreicht, wenn es geschlossen wird.
Es ist einleuchtend, dass die Erzielung solcher Verhältnisse von manchen Faktoren abhängt, unter anderem von der in Umfangsrichtung gemessenen Weite der Zellen- öffnungen, der zeitlichen Versetzung des Öffnens und Schliessens der beiden Zellenenden, der Drehgeschwin digkeit des Zellenkranzes in bezug auf die Leitungen, und auch von der örtlichen Schallgeschwindigkeit.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Druckaustauschers, dessen Arbeitsweise verändert werden kann in Anpassung an Veränderungen dieser und evtl. anderer Faktoren. Dies soll dadurch erreicht werden, dass mindestens am einen Ende der Zellen des Zellenringes zwischen letzterem und den auf dieses Ende ausmündenden Kanälen ein mit Durchtrittsöff- nungen versehener Schieber angeordnet ist, der ge genüber den auf das andere Ende der Zellen ausmün denden Kanälen verdrehbar ist.
Beiliegende Zeichnung betrifft einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 1 ist teilweise ein Längsschnitt, teilweise ein Aufriss einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach II-II von Fig. 1; Fig. 3 ist ein ähnlicher Querschnitt, wobei der be treffende Drehschieber in einer anderen Betriebslage gezeigt ist; Fig. 4 zeigt in einem Längsschnitt eine manuell be- tätigbare Vorrichtung zur Verdrehung des Schiebers; Fig. 5 zeigt in einem Längsschnitt eine auf die Drehzahl ansprechende Vorrichtung zur Verdrehung des Schiebers einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 6 ist ein Querschnitt nach VI-VI von Fig. 5, und Fig.7 ist ein der Fig.4 ähnlicher Längsschnitt einer Vorrichtung mit Servomotor zur Betätigung des Drehschiebers.
Der in Fig. 1 dargestellte Druckaustauscher hat einen drehbaren Ring 1 von Zellen, die zwischen Wänden 2 und 3 und radialen Wänden gebildet sind. Dieser Ring bildet zusammen mit den in Lagern 6 drehenden Wellenstummeln 4 und 5 den mittels der Riemenscheibe 7 in Drehung versetzbaren Rotor.
Gegenüber den Zellenenden befinden sich die Stator- oder Gehäuseteile 8 und 9 mit Einlass- sowie Auslass- kanälen für das Gas (Luft) und mit zugehörigen, zur Ermöglichung der thermischen Ausdehnung des Ro tors ineinander verschiebbaren Teilen 11, 12, die ge geneinander und gegänüber dem Rotorteil 3 abgedich tet sind.
Dieser Druckaustauscher dient zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, und die Kanäle in den Statorteilen 8, 9 sind demgemäss wie folgt angeordnet: Der Statorteil 8 hat Frischlufteinlasskanäle 13 und einen zum Verbrennungsmotor führenden spiralför migen Druckluftauslasskanal 14. Der Statorteil 9 ent hält an den Auslass des Verbrennungsmotors ange schlossene Kanäle 15 und Kanäle 16, welche die Ab gase bei niedrigem Druck in die Atmosphäre aus fliessen lässt.
Die Pfeile 18 zeigen die Strömungsrich tung der Abgase durch den Druckaustauscher an; man sieht, dass die Gase (Luft) in den beiden Spülzonen, nämlich der einen, zu der die Kanäle 14, 15 gehören, und der anderen, zu der die Kanäle 13, 16 gehören, in entgegengesetzten Sinnen strömen. Es ist ersicht lich, dass der Statorteil 9 am meisten der Kühlung bedarf; diese erfolgt z. B. mittels Wasser, das durch Kanäle fliesst, die in 19 angedeutet sind.
Zur Steue rung des Beginns und des Aufhörens der Verbindung zwischen den Kanälen 13, 14 des Statorteils 8 einer seits und den benachbarten Enden einer bestimmten Zelle anderseits ist in dieser Verbindung ein scheiben förmiger Drehschieber 10 eingeschaltet, der öffnun- gen 13', 14' hat, die den Kanälen 13 bzw. 14 ent sprechen. Die Verdrehung des Schiebers um einen gewissen Winkel erfolgt mit Hilfe eines Zahnsegmen tes 20, dessen Zähne mit solchen in Eingriff stehen, die am Umfang des Drehschiebers herausgearbeitet sind.
Die beiden Endlagen des Drehschiebers sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Öffnungen 13', 14' sind im ganzen Verstellbereich auf die Kanäle 13 bzw. 14 offen; somit wird durch die Verstellung nicht die effektive Weite, sondern die Lage der Durch trittsöffnungen verändert, also der Zeitpunkt des Öffnens jeder Zelle auf die Kanäle 13 und 14 gegen über dem Zeitpunkt des öffnens dieser Zelle auf die Kanäle 15 und 16 verschoben.
Die Vorrichtung zur Verdrehung des Schiebers 10 mit Hilfe des Zahn segmentes 20 weist gemäss Fig. 4 eine Welle 21 auf, die einen Handhebel 22 aufweist, der nach seiner Betätigung blockiert werden kann mittels einer hierzu vorgesehenen Klemmvorrichtung 23.
Anstatt von Hand könnte die Schieberverdrehung automatisch bewerkstelligt werden. Für einen Druck austauscher, bei welchem die Kanäle zu zwei Spülzonen gehören, in denen die Gase in entgegengesetztem Sinne strömen, kommt nur die Drehverstellung des Schiebers in Abhängigkeit von der Drehzahl des Druckaustau- schers in Frage.
Für einen Druckaustauscher, bei wel chem die Kanäle zu zwei Spülzonen gehören, in denen die Gase im gleichen Sinne strömen, kommt nur eine Drehverstellung des Schiebers in Abhängigkeit von einem Gasdruck in Frage, beispielsweise vom Gas- druck, der an einer bestimmten Stelle des Druckaus- tauschers herrscht.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 wird der Drehschieber 10 automatisch in Abhängig keit von der Drehzahl des Zellenringes verstellt. So weit nicht ausdrücklich erwähnt, sind sonst keine Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbei spiel vorhanden.
Der Wellenstummel 4 trägt einen federbelasteten Fliehkraftregler 24, der bei einer Drehzahländerung die Schenkel eines U-förmigen Gliedes 25 in Achs richtung bewegt. Dieses Glied ist schwenkbar in Augen 26 eines Statorteils 31 gelagert und hat einen Arm 27. Dieser greift in eine Gabelöffnung eines Armes 28, der auf der Welle 21 festsitzt, ebenso wie ein gegabelter Arm 29, der mit einem seitlich aus dem Drehschieber 10 vorstehenden Bolzen 30 in Eingriff steht. Die Drehverstellung des Schiebers 10 erfolgt im gleichen Bereich wie im ersten Ausfüh rungsbeispiel.
Ein von Hand oder automatisch betätigter Dreh schieber könnte auch im heissen Statorteil 9 vorge sehen sein, was aber wegen den höheren Tempera turen mit grösseren Schwierigkeiten konstruktiver Art verbunden wäre.
Es sei nun eine kurze Beschreibung der Arbeits weise eines Druckaustauschers nach den Fig. 1 bis 4 oder 5 und 6 gegeben.
Bei rotierendem Zellenring tritt Frischluft durch die Kanäle 13 in die Zellen ein, wo sie verdichtet wird, um danach durch den Kanal 14 in den aufzu ladenden Verbrennungsmotor zu gelangen. Während dem treten in das entgegengesetzte Ende der Zellen durch die Kanäle 15 die heissen Abgase des Ver brennungsmotors ein, die nach ihrer Entspannung in den Zellen durch die Kanäle 16 in die Atmosphäre austreten. In den Zellen wird die Frischluftverdichtung und die Abgasentspannung durch Druck- bzw.
Ex pansionswellen hervorgerufen, dank einer geeigneten Abstimmung des öffnens und Schliessens der Enden der Zellen an den beiden Statorteilen. Es ist leicht ein zusehen, dass der gegenseitigen richtigen Drehverset zung der Öffnungen in den beiden Statorendteilen in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der örtlichen Schallgeschwindigkeit ausschlaggebende Bedeutung zu kommt. Damit ist auch die Daseinsberechtigung des Drehschiebers 10 begründet.
Die Drehung dieses letz teren von Hand (Fig. 1 bis 4) oder automatisch in Abhängigkeit von der Zellenringdrehzahl (Fig. 5 und 6) bewirkt die gewünschte richtige Einstellung der Schieberöffnungen.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Strömungsrichtung der Gase (Luft) in den beiden Spülzonen die gleiche ist und bei der die Drehver stellung des Schiebers in Abhängigkeit vom Druck erfolgt, der in den Eintrittskanälen 15 der Abgase des Verbrennungsmotors herrscht. Man findet hier wieder das in den Fig.2 und 3 gezeigte, mit dem Dreh schieber in Eingriff stehende Zahnsegment 20 und die zugehörige Welle 21. Auf dem äusseren Ende dieser letzteren sitzt aber anstelle der Handkurbel 22 ein Zahnritzel 32 fest, das mit einer Zahnstange 33 kämmt. Diese ist durch eine Stange 34 mit einem Kolben 35 verbunden, der in einem Zylinder 36 ar beitet.
Das von der Zahnstange abgewendete Zylinder ende ist durch ein Druckübertragungsrohr 34 mit einem der Eintrittskanäle 15 verbunden, während das der Zahnstange zugewendete Zylinderende durch ein Rohr 38 frei mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zwischen diesem Zylinderende und dem Kolben ist eine Feder 39 eingesetzt. Sobald der Druck über dem Kolben 35 so weit angestiegen ist, dass die daraus sich ergebende Kraft den Widerstand der Feder 39 zu überwinden vermag, wird die Zahnstange 33 nach unten bewegt und der Schieber 10 mittels 32, 21, 20 im entsprechenden Sinne verdreht. Bei Abnahme des Druckes in den Eintrittskanälen 15 wird der Schieber 10 im entgegengesetzten Sinne verdreht.
Falls die Drehverstellung in Abhängigkeit von einem anderen Gasdruck erfolgen soll, ist das Rohr 37 an einen Raum anzuschliessen, in dem dieser andere Druck herrscht; dieser Raum muss nicht im Druckaus tauscher sein, sondern könnte auch in der mit ihm zusammenwirkenden Maschine sein.
Die Öffnungen 13', 14' des Drehschiebers könnten je einen so grossen Zentriwinkel haben, dass sie nur über einem Teil des Verstellbereiches ganz freiliegen würden, im übrigen Teil aber teilweise bis ganz ver deckt wären; in diesem Fall würde zusätzlich auch eine Veränderung des Gasdurchflusses durch die Schieberöffnungen erzielt; im Extremfalle, in welchem diese Öffnungen ganz verschlossen wären, würde der Druckaustauscher ganz ausser Wirkung gesetzt.
In einer anderen Variante könnte der Drehschie ber in einzelne Sektoren aufgeteilt sein, von denen jeder in Abhängigkeit von je einer von mehreren Be triebsgrössen verstellt würde, z. B. der eine in Ab- hängigkeit von der Drehzahl, ein anderer in Abhän gigkeit von einem Druck an einer bestimmten Zelle des Druckaustauschers. Auch in diesem Fall könnten sowohl Drehlage wie effektive Weite der Durchtritts- öffnungen (also die Durchflussmenge) verändert wer den.
Anstatt dass der Zellenring drehen würde, könnte dieser stillstehen und dafür die Endteile 8, 9 drehen, und zwar der eine von ihnen samt dem Schieber. Die Längsrichtung der Zellen könnte anstatt parallel zur Achse des Zellenrings radial verlaufen, und auch in diesem Falle könnte der Zellenring stationär sein und der Teil mit den Zu- und Ableitungskanälen sich drehen.