DE10062352A1 - Verfahren zum Verdichten von Gas und Seitenkanal-Gasverdichter - Google Patents

Abstract

Um bei einem Seitenkanal-Gasverdichter (2) einen möglichst hohen Volumenstrom an Gas zu ermöglichen, wird das zu verdichtende Gas in einem ringartigen Seitenkanal (18A, 18B) einer Pumpenkammer (8) mittels eines rotierenden und von einem Antriebsaggregat (12) angetriebenen Laufrads (4) in eine schraubenlinienförmige Bewegung versetzt, wobei das Gas in mehreren Pumpenkammer-Teilbereichen (8A, 8B) mit jeweils einem Ansaugstutzen (24A, 24B) und einem Druckstutzen (26A, 26B) gleichzeitig verdichtet wird. Dieses Verfahren ermöglicht einen hohen Volumenstrom bei geringem Bauvolumen des Gasverdichters (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von Gas sowie einen Seitenkanal-Gasverdichter.

Bei einem Seitenkanal-Gasverdichter oder auch Gasringverdich­ ter wird das zu verdichtende Gas in einem ringartigen Seiten­ kanal einer Pumpenkammer mittels eines rotierenden und von einem Antriebsaggregat angetriebenen Laufrads in eine schrau­ benlinienförmige Bewegung versetzt und dabei von einem An­ saugstutzen zu einem Druckstutzen hin verdichtet. Das am An­ saugstutzen angesaugte Gas wird aufgrund des im Seitenkanal rotierenden Laufrads mitgerissen, dabei in die schraubenlini­ enförmige Bewegung in Umfangsrichtung versetzt und nach annä­ hernd 360° wieder über den Druckstutzen ausgestoßen. Ein der­ artiges Verfahren zum Verdichten von Gas kann sowohl bei ei­ nem als Kompressor als auch als Vakuumpumpe ausgestalteten Verdichter eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich ty­ pischerweise zum Erzeugen von einem Überdruck bis etwa 1 bar und zum Erzeugen eines Unterdrucks von etwa 600 mbar. Die nach einem solchen Verfahren arbeitenden Verdichter werden daher insbesondere dort eingesetzt, wo es auf hohe Volumen­ ströme des Gases ankommt.

Für eine Erhöhung des Volumenstroms müssen die einzelnen Kom­ ponenten eines nach dem herkömmlichen Verfahren arbeitenden Verdichters größer dimensioniert werden. Dies betrifft insbe­ sondere die Pumpenkammer mit dem Seitenkanal, das Laufrad mit seinen Laufradschaufeln sowie die Vergrößerung des Ansaug- und Druckstutzens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verdichtung ei­ nes möglichst großen Gas-Volumenstroms zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Verdichten von Gas, bei dem das zu verdichtende Gas in einem ringartigen Seitenkanal einer Pumpenkammer mittels ei­ nes rotierenden und von einem Antriebsaggregat angetriebenen Laufrads in eine rotierende und insbesondere in eine schrau­ benlinienförmige Bewegung versetzt wird, wobei in mehreren Pumpenkammer-Teilbereichen mit jeweils einem Ansaugstutzen und einem Druckstutzen gleichzeitig das Gas verdichtet wird. Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass für die Erzeugung des notwendigen Drucks keine vollständige Lauf­ radumdrehung notwendig ist, und dass daher die Unterteilung der ringartigen Pumpenkammer in mehrere über den Umfang ver­ teilte Teilbereiche ohne wesentliche Einbußen im Hinblick auf die erzielbaren Druckverhältnisse möglich ist. Gleichzeitig wird dabei der mit dem Verfahren förderbare Volumenstrom des Gases deutlich erhöht und nahezu verdoppelt, ohne dass die einzelnen Komponenten des Verdichters maßgeblich vergrößert werden müssten. Zur Erhöhung des Volumenstroms gegenüber her­ kömmlichen Verfahren ist es ausreichend, den einzelnen Pum­ penkammer-Teilbereichen jeweils einen Ansaug- und Druck­ stutzen zuzuweisen.

Der wesentliche Vorteil eines nach diesem Verfahren arbeiten­ den Verdichters ist darin zu sehen, dass nahezu eine Verdop­ pelung des Volumenstroms bei im Wesentlichen gleichem Bauvo­ lumen erzielbar ist. Zweckdienlicherweise sind die Teilberei­ che im Hinblick auf ihre Pumpleistung vergleichbar ausgebil­ det, so dass die beiden Pumpenkammer-Teilbereiche parallel zueinander betrieben werden können. Hierzu wird vorzugsweise der zu verdichtende Gas-Volumenstrom in den einzelnen Teil­ bereichen zugeordnete Teilströme aufgeteilt und anschließend werden die verdichteten Teilströme wieder zusammengeführt.

Aufgrund des höheren Volumenstroms an Gas, welches verdichtet wird, erhöht sich die Verdichtungswärme. Für einen hohen Wir­ kungsgrad ist es vorteilhaft die Verdichtungswärme abzufüh­ ren. Typischerweise beträgt die Temperatur am Druckstutzen etwa 150°C. Um aufgrund der Anordnung von mehreren Druckstut­ zen am Umfang des Verdichters dessen Temperaturbelastung zu begrenzen, ist in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, das verdichtete Gas auf einer zum Antriebsaggregat orien­ tierten Antriebsseite auszugeben. Die Druckstutzen sind also zu dem beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten An­ triebsaggregat orientiert. Da der Motor typischerweise ge­ kühlt wird, insbesondere mit Hilfe eines Lüfters luftgekühlt, wird dadurch in vorteilhafter Weise die für die Motorkühlung bereitgestellte Kühlleistung herangezogen, um das ausgesto­ ßene und verdichtete Gas abzukühlen und damit einer Überhit­ zung vorzubeugen.

Für eine Verbesserung der Motorkühlung wird vorteilhafter­ weise das angesaugte Gas, welches in der Regel Umgebungstem­ peratur besitzt, am Motor unmittelbar vorbeigeführt.

Im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise wird das Laufrad vorzugsweise unmittelbar neben dem Motor betrieben.

Insbesondere bei dieser Ausführungsvariante der unmittelbaren Anordnung des Laufrads am Motor entsteht aufgrund der Motor­ wärme einerseits und der Verdichtungswärme andererseits eine hohe Wärme im Bereich der Antriebswelle für das Laufrad. Die­ se wird daher vorzugsweise auf einer vom Motor abgewandten Außenseite von einem Außenlager gelagert. Das Außenlager ist dabei insbesondere in Kontakt mit der Umgebungsluft, wird al­ so von dieser gekühlt. Eine separate Kühlung des Lagers, die bei einer Innenlagerung aufgrund der auftretenden Temperatu­ ren von etwa 150°C notwendig wäre, ist nicht erforderlich.

Bevorzugt wird das Laufrad mit einer Umfangsgeschwindigkeit von größer als 50 m/s und bis zu einer Umlaufgeschwindigkeit von maximal 200 m/s betrieben. Die bevorzugte maximale Um­ fangsgeschwindigkeit des Laufrads liegt dabei bei etwa 140 m/s. Diese vergleichsweise hohe Umlaufgeschwindigkeit lässt sich insbesondere durch die beschriebenen Kühlmaßnahmen erreichen. Der Vorteil der hohen Umfangsgeschwindigkeiten liegt in einer weiteren Erhöhung des Gas-Volumenstroms. Im Hinblick auf diese hohen Umfangsgeschwindigkeiten werden für das Laufrad Materialien mit einem vergleichsweise geringen spezifischen Gewicht bei ausreichender Steifigkeit herangezo­ gen. Vorzugsweise ist das Laufrad aus Leichtmetall, insbe­ sondere Aluminium, oder auch aus Kunststoff, beispielsweise aus verstärktem Kunststoff, ausgeführt.

Bei der Verdichtung von Gas besteht prinzipiell das Problem, dass aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Gasteilchen eine oftmals störende Geräuschentwicklung auftritt. Die Anordnung von mehreren Pumpenkammer-Teilbereichen und mehreren Ansaug- sowie Druckstutzen bietet in vorteilhafter Weise die Möglich­ keit, durch geeignete Positionierung der Ansaug- und Druck­ stutzen eine Geräuschverstimmung gezielt herbeizuführen. Un­ ter Geräuschverstimmung wird hierbei verstanden, dass sich die von den beiden Teilbereichen und der notwendigen Gaszu­ fuhr und Gasabfuhr erzeugten Geräusche, insbesondere die Schaltfrequenzen, derart gegenseitig beeinflussen, dass zu­ mindest eine gegenseitige Verstärkung der Geräusche verhin­ dert ist. Vorzugsweise wird das Gas hierzu durch über den Um­ fang der Pumpenkammer asymmetrisch verteilt angeordnete An­ saugstutzen und/oder Druckstutzen geführt.

Die Aufgabe wird weiterhin gemäß der Erfindung gelöst durch einen Seitenkanal-Gasverdichter, der ein Laufrad aufweist, welches in einer einen Seitenkanal aufweisenden Pumpenkammer zur Verdichtung des Gases rotierbar ist, wobei die Pumpenkam­ mer mehrere über ihren Umfang verteilte Teilbereiche auf­ weist, denen jeweils ein Ansaugstutzen und ein Druckstutzen zugeordnet sind.

Die im Hinblick auf das Verfahren aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Gas­ verdichter zu übertragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:

Fig. 1 einen Seitenkanal-Gasverdichter gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 eine stark vereinfachte Schnittansicht durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Seitenkanal-Gasverdichter im Bereich der Pumpenkam­ mer, und

Fig. 3 eine ebenfalls stark vereinfachte Seitenansicht ei­ nes nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens arbeiten­ den Seitenkanal-Gasverdichters.

In den einzelnen Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein herkömmlicher Seitenkanal-Gasverdichter 2 weist gemäß Fig. 1 ein Laufrad 4 auf, an dem radial Laufschaufeln 6 ange­ ordnet sind. Die Laufschaufeln 6 rotieren beim Betrieb in ei­ ner nach Art einer Ringkammer ausgebildeten Pumpenkammer 8. Das Laufrad 4 ist mit einer Antriebswelle 10 verbunden, die von einem Elektromotor 12 angetrieben wird. Die Antriebswel­ le 10 ist einerseits im Elektromotor 12 und andererseits auf einer dem Elektromotor 12 gegenüberliegenden Außenseite 14 in einem Außenlager 16 gelagert.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weist die Pumpenkammer 8 zwei wirksame Seitenkanäle 18A, 18B auf. Diese beiden Seiten­ kanäle 18A, 18B sind miteinander verbunden, also nicht durch eine Trennwand abgetrennt. Lediglich im Bereich des Schaufel­ fußes der Laufschaufeln 6 weist das Laufrad 4 eine in die Pumpenkammer 8 hineingerichtete Spitze 20 mit seitlichen ab­ gerundeten Flanken auf.

Am Elektromotor 12 ist seitlich ein Ansaugkanal 22 vorgese­ hen, so dass das angesaugte Gas an den Kühlrippen des Elek­ tromotors 12 zumindest mittelbar vorbeiströmt. Der Ansaugka­ nal 22 mündet über einen Ansaugstutzen 24 in die Pumpenkam­ mer 8. In der Fig. 1 ist der Ansaugstutzen 24 durch die Lauf­ schaufeln 6 verdeckt. Lediglich seine Position ist durch das Bezugszeichen 24 angedeutet. Auf der zum Ansaugkanal 22 ge­ genüberliegenden Seite des Gasverdichters 2, die aufgrund der perspektivischen Darstellung nicht zu sehen ist, ist ein Aus­ lasskanal vorgesehen, der vergleichbar zum Ansaugkanal ausge­ bildet ist. Der Auslasskanal mündet über einen Druckstutzen 26 in die Pumpenkammer. Der Druckstutzen 26 selbst ist in Fig. 1 ebenfalls nicht explizit zu erkennen. Die Bezugsziffer 26 gibt wiederum die Position des Druckstutzens 26 im Bereich der Pumpenkammer 8 an. Sowohl im Ansaugkanal 22 als auch im Auslasskanal ist ein Schalldämpfer 28 vorgesehen.

Beim Betrieb des Gasverdichters 2 rotiert das Laufrad 4 in Drehrichtung 30. Dadurch wird von den Laufschaufeln 6 Gas ü­ ber den Ansaugstutzen 24 in die Pumpenkammer 8 eingesaugt. Aufgrund der Spitze 20 und der Drehung des Laufrads 4 bilden sich in der Pumpenkammer 8 zwei voneinander getrennte und sich über den Umfang der Pumpenkammer 8 ausbreitende schrau­ benlinienförmige Gasströme aus. Es bildet sich also in den beiden Seitenkanälen 18A, 18B jeweils ein Gasstrom aus. Die Pumpenkammer 8 wird daher auch als doppelflutig bezeichnet. Das angesaugte Gas wird in Richtung zum Druckstutzen 26 be­ fördert und dabei aufgrund der Laufraddrehung zusehends ver­ dichtet. Über den Druckstutzen 26 wird dann das verdichtete Gas ausgestoßen. Der Verlauf der Gasströmung ist in der Fig. 1 durch die schraubenlinienförmigen Linien angedeutet.

Aus der Position des Druckstutzen 26 ist zu erkennen, dass dieser nahezu unmittelbar neben dem Ansaugstutzen 24 angeord­ net ist. Das zu verdichtende Gas durchströmt die Pumpenkam­ mer 8 vom Ansaugstutzen 24 zum Druckstutzen 26 nahezu voll­ ständig, also um nahezu 360°. Um den Volumenstrom des Gases bei einem derartigen Gasverdichter 2 erhöhen zu können, ist eine Vergrößerung des Bauvolumens notwendig. Insbesondere ist hierzu eine Vergrößerung der Pumpenkammer 8 mit dem zugeord­ neten Laufrad 4 notwendig.

Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, um den Umfang der Pum­ penkammer 8 verteilt mehrere Ansaugstutzen 24 und Druckstut­ zen 26 anzuordnen. Nach Fig. 2 ist die Pumpenkammer 8 in zwei Teilbereiche 8A, 8B unterteilt. Jedem Teilbereich 8A, 8B ist jeweils ein Paar von Ansaugstutzen 24A bzw. 24B und Druck­ stutzen 26A bzw. 26B zugeordnet. Um den Umfang der Pumpen­ kammer 8 verteilt sind also jeweils zumindest zwei Ansaug­ stutzen 24A, B und zwei Druckstutzen 26A, 26B. Aufgrund dieser Maßnahme ist der erzielbare Volumenstrom gegenüber der Anord­ nung von nur einem Paar von Ansaug- und Druckstutzen deutlich erhöht, und zwar nahezu verdoppelt.

Wie weiterhin der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die beiden Teilbereiche 8A, 8B asymmetrisch zueinander ausgebildet. Ins­ besondere sind die Ansaug- und Druckstutzen 24, 26 ebenfalls asymmetrisch am Umfang der Pumpenkammer 8 angeordnet. Durch die asymmetrische Verteilung wird die durch das strömende Gas hervorgerufene Geräuschentwicklung günstig beeinflusst und insbesondere begrenzt. Durch die asymmetrische Anordnung be­ steht nämlich insbesondere die Möglichkeit, die Geräuschent­ wicklung im Bereich der beiden Teilbereiche 8A, 8B und der zu­ geordneten Stutzen 24, 26 gezielt gegeneinander zu verstimmen, beispielsweise im Hinblick auf die Schallfrequenz. Dadurch ist die Geräuschentwicklung eingedämmt und insbesondere ist eine resonante Verstärkung verhindert. Zusätzlich sind in den den einzelnen Stutzen 24, 26 zugeordneten Ansaug- bzw. Aus­ lasskanälen Schalldämpfer 28 vorgesehen.

Durch die Anordnung mehrerer Ansaug- und Druckstutzen 24, 26 über den Umfang der Pumpenkammer 8 wird zudem eine gleichmä­ ßige Belastung der Antriebswelle 10 begünstigt. Hierfür ist - abweichend von Fig. 3 - eine symmetrische Anordnung der ein­ zelnen Stutzen 24, 26 von besonderem Vorteil.

Die beiden Teilbereiche 8A, 8B des Gasverdichters 2 werden vorzugsweise parallel miteinander betrieben, so dass eine Er­ höhung des Volumenstroms erzielt ist. Es besteht alternativ auch die Möglichkeit, die beiden Teilbereiche 8A, 8B seriell zu betreiben, also beispielsweise das im Teilbereich 8A ver­ dichtete Gas anschließend dem Teilbereich 8B zuzuführen. Hierzu müssen lediglich die Druckstutzen 26A und der Ansaug­ stutzen 24B miteinander verbunden werden. Die serielle Anord­ nung der Teilbereiche 8A und 8B erfordert daher einen ver­ gleichsweise geringen Aufwand. Bei herkömmlichen Gasverdich­ tern 2 erfordert ein serieller Betrieb die Anordnung einer zweiten Pumpenkammer, so dass das Bauvolumen des Gasverdich­ ters 2 deutlich erhöht wird.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, werden sämtliche Gasströme für die einzelnen Teilbereiche 8A, 8B unmittelbar seitlich am Mo­ tor 12 vorbeigeführt. Der Gasstrom des Teilbereichs 8A ist hierbei durch durchgezogene Pfeile angedeutet und der Gas­ strom des Teilbereichs 8B durch gestrichelte Pfeile. Der für den Teilbereich 8A vorgesehene Gasstrom wird über einen An­ saugkanal 22A der Pumpenkammer 8 zugeführt und über einen et­ wa 180° drehversetzt angeordneten Auslasskanal 32A ausge­ stoßen. Benachbart zum Einlasskanal 22A ist der Auslasska­ nal 32B für das im Teilbereich 8B verdichtete Gas. Entspre­ chend hierzu ist der Einlasskanal 22B für die im Teilbereich 8B zu verdichtende Luft benachbart zum Auslasskanal 32A ange­ ordnet. Diese Anordnung ergibt sich im Wesentlichen, wenn die einzelnen Kanäle 22, 32 sich an den ihnen zugeordneten Stutzen 24, 26, wie sie der Fig. 2 zu entnehmen sind, achsparallel zu der Antriebswelle 10 an die Stutzen 24, 26 anschließen. Auf­ grund der seitlichen Darstellung in Fig. 3 sind die dem Teil­ bereich 8B zugeordneten Kanäle 22B, 32B nicht unmittelbar zu erkennen. Sie sind daher lediglich gestrichelt angedeutet.

Sämtliche Kanäle 22A, B, 32A, B erstrecken sich also seitlich von der Pumpenkammer 8 in Richtung zu einer Antriebsseite 34, auf der der Elektromotor 12 angeordnet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Abführung der beim Betrieb des Gasverdichters entstehenden Wärme.

Auf der dem Laufrad 4 gegenüberliegenden Seite des Motors 12 ist ein schematisch dargestelltes Lüfterrad 36 angeordnet. Dieses sorgt dafür, dass der Motor 12 gekühlt wird. Aufgrund der Anordnung der Auslasskanäle 32A, 32B auf der Antriebssei­ te 34 wird die durch das Lüfterrad 36 bereitgestellte Kühl­ luft in vorteilhafter Weise zur Kühlung des verdichteten Ga­ ses herangezogen. Dadurch wird die Verdichtungswärme effi­ zient abgeführt. Aufgrund der erhöhten Volumenleistung ent­ steht eine erhöhte Menge an Verdichtungswärme gegenüber einem herkömmlichen Gasverdichter. Daher ist die anhand Fig. 3 be­ schriebene Ausführung für den Wirkungsgrad des Gasverdichters von Vorteil. Das über die Ansaugkanäle 22A, 22B angesaugte, kalte Gas kühlt den Motor 12 zusätzlich zu der über das Lüf­ terrad 36 bereitgestellten Kühlung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verdichten von Gas, bei dem das zu verdich­ tende Gas in einem ringartigen Seitenkanal (18A, B) einer Pum­ penkammer (8) mittels eines rotierenden und von einem An­ triebsaggregat (12) angetriebenen Laufrads (4) in eine rotie­ rende Bewegung versetzt wird, wobei in mehreren Pumpenkammer- Teilbereichen (8A, 8B) mit jeweils einem Ansaugstutzen (24A, B) und einem Druckstutzen (26A, B) gleichzeitig das Gas verdich­ tet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das verdichtete Gas auf einer zum Antriebsaggregat (12) orientierten Antriebsseite (34) ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das angesaugte Gas am Antriebsaggregat (12) vorbeigeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laufrad (4) unmittelbar neben dem Antriebsaggregat (12) betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laufrad (4) von einem Außenlager (16), welches auf einer vom Antriebsaggregat (12) abgewandten Außenseite (14) ange­ ordnet ist, gelagert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laufrad (4) mit einer Umfangsgeschwindigkeit größer 50 m/s und maximal bis 200 m/s betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gas durch über den Umfang der Pumpenkammer (8) asymme­ trisch verteilt angeordnete Ansaugstutzen (24A, B) und/oder Druckstutzen (26A, B) geführt wird.

8. Seitenkanal-Gasverdichter (2) mit einem Laufrad (4), das in einer einen Seitenkanal (18A, 18B) aufweisenden Pumpenkam­ mer (8) zur Verdichtung des Gases rotierbar ist, wobei die Pumpenkammer (8) mehrere über ihren Umfang verteilte Teilbe­ reiche (8A, 8B) aufweist, denen jeweils ein Ansaugstutzen (24A, B) und ein Druckstutzen (26A, B) zugeordnet sind.