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Die Erfindung betrifft einen Seitenkanal-Gasverdichter
sowie ein Verfahren zum Verdichten von Gas.
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Bei einem Seitenkanal-Gasverdichter
oder auch Gasringverdichter wird das zu verdichtende Gas in einem
ringartigen Seitenkanal einer Pumpenkammer mittels eines rotierenden
und von einem Antriebsaggregat angetriebenen Laufrads in eine schraubenlinienförmige Bewegung
versetzt und dabei von einem Ansaugstutzen zu einem Druckstutzen hin
verdichtet. Das am Ansaugstutzen angesaugte Gas wird aufgrund des
im Seitenkanal rotierenden Laufrads mitgerissen, dabei in die schraubenlinienförmige Bewegung
in Umfangsrichtung versetzt und nach annähernd 360° wieder über den Druckstutzen ausgestoßen. Ein
derartiges Verfahren zum Verdichten von Gas kann sowohl bei einem
als Kompressor als auch als Vakuumpumpe ausgestalteten Verdichter
eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich typischerweise 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 Volumenströme des Gases
ankommt.
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Für
eine Erhöhung
des Volumenstroms müssen
die einzelnen Komponenten eines nach dem herkömmlichen Verfahren arbeitenden
Verdichters größer dimensioniert
werden. Dies betrifft insbesondere die Pumpenkammer mit dem Seitenkanal,
das Laufrad mit seinen Laufradschaufeln sowie die Vergrößerung des
Ansaug- und Druckstutzens.
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Aus der älteren Anmeldung
DE 199 26 777 A1 ist zu
entnehmen, dass bezüglich
des Laufrads über
den Umfang verteilt zwei Ein- und Auslässe angeordnet sind. Diese
sind jedoch in nachteiliger Weise radial zum Laufrad orientiert,
so dass den Ein- und Auslässen
zugeordnete Gaskanäle
in radialer Richtung senkrecht zur Rotationsachse des Laufrads abgeführt werden
müssen.
Dadurch ist der Platzbedarf für
die im Betrieb befindliche Pumpe hoch. Zudem ist ein jeweiliges
Zusammenführen
der jeweils einander gegenüberliegenden
Einlass- bzw. Auslasskanäle aufwändig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Verdichtung eines möglichst
großen
Gas-Volumenstroms zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch einen Seitenkanal-Gasverdichter mit einem Laufrad, das mit
einer Antriebswelle verbunden ist und das in einer einen Seitenkanal
aufweisenden Pumpenkammer zur Verdichtung des Gases rotierbar ist.
Die Pumpenkammer weist dabei mehrere über ihren Umfang verteilte
Teilbereiche auf, denen jeweils ein Ansaugstutzen und ein Druckstutzen
zugeordnet sind, die an achsparallel zu der Antriebswelle orientierten
Ansaugkanälen
bzw. Auslasskanälen
angeschlossen sind.
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Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung
aus, dass für
die Erzeugung des notwendigen Drucks keine vollständige Laufradumdrehung
notwendig ist, und dass daher die Unterteilung der ringartigen Pumpenkammer
in mehrere über
den Umfang verteilte 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
herkömmlichen
Verfahren ist es ausreichend, den einzelnen Pumpenkammer-Teilbereichen
jeweils einen Ansaug- und Druckstutzen zuzuweisen.
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Der wesentliche Vorteil eines nach
diesem Verfahren arbeitenden Verdichters ist darin zu sehen, dass
nahezu eine Verdoppelung des Volumenstroms bei im Wesentlichen gleichem
Bauvolumen erzielbar ist. Zweckdienlicherweise sind die Teilbereiche
im Hinblick auf ihre Pumpleistung vergleichbar ausgebildet, so dass
die beiden Pumpenkammer-Teilbereiche parallel zueinander betrieben
werden können.
Hierzu wird vorzugsweise der zu verdichtende Gas-Volumenstrom in
den einzelnen Teilbereichen zugeordnete Teilströme aufgeteilt und anschließend werden
die verdichteten Teilströme
wieder zusammengeführt.
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Aufgrund des höheren Volumenstroms an Gas,
welches verdichtet wird, erhöht
sich die Verdichtungswärme.
Für einen
hohen Wirkungsgrad ist es vorteilhaft die Verdichtungswärme abzuführen. Typischerweise
beträgt
die Temperatur am Druckstutzen etwa 150°C. Um aufgrund der Anordnung
von mehreren Druckstutzen am Umfang des Verdichters dessen Temperaturbelastung
zu begrenzen, ist in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, das verdichtete
Gas auf einer zum Antriebsaggregat orientierten Antriebsseite auszugeben.
Die Druckstutzen sind also zu dem beispielsweise als Elektromotor
ausgebildeten Antriebsaggregat orientiert. Da der Motor typischerweise
gekühlt
wird, insbesondere mit Hilfe eines Lüfters luftgekühlt, wird
dadurch in vorteilhafter Weise die für die Motorkühlung bereitgestellte
Kühlleistung
herangezogen, um das ausgestoßene
und verdichtete Gas abzukühlen
und damit einer Überhitzung
vorzubeugen.
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Für
eine Verbesserung der Motorkühlung wird
vorteilhafterweise das angesaugte Gas, welches in der Regel Umgebungstemperatur
besitzt, am Motor unmittelbar vorbeigeführt.
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Im Hinblick auf eine möglichst
kompakte Bauweise wird das Laufrad vorzugsweise unmittelbar neben
dem Motor betrieben.
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Insbesondere bei dieser Ausführungsvariante
der unmittelbaren Anordnung des Laufrads am Motor entsteht aufgrund
der Motorwärme
einerseits und der Verdichtungswärme
andererseits eine hohe Wärme
im Bereich der Antriebswelle für
das Laufrad. Diese wird daher vorzugsweise auf einer vom Motor abgewandten
Außenseite
von einem Außenlager
gelagert. Das Außenlager
ist dabei insbesondere in Kontakt mit der Umgebungsluft, wird also
von dieser gekühlt.
Eine separate Kühlung
des Lagers, die bei einer Innenlagerung aufgrund der auftretenden
Temperaturen von etwa 150°C
notwendig wäre,
ist nicht erforderlich.
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Bevorzugt wird das Laufrad mit einer
Umfangsgeschwindigkeit von größer als
50m/s und bis zu einer Umlaufgeschwindigkeit von maximal 200m/s betrieben.
Die bevorzugte maximale Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads liegt
dabei bei etwa 140m/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 herangezogen. Vorzugsweise ist
das Laufrad aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder auch
aus Kunststoff, beispielsweise aus verstärktem Kunststoff, ausgeführt.
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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 Möglichkeit, durch geeignete
Positionierung der Ansaug- und Druckstutzen eine Geräuschverstimmung
gezielt herbeizuführen.
Unter Geräuschverstimmung
wird hierbei verstanden, dass sich die von den beiden Teilbereichen
und der notwendigen Gaszufuhr und Gasabfuhr erzeugten Geräusche, insbesondere
die Schaltfrequenzen, derart gegenseitig beeinflussen, dass zumindest
eine gegenseitige Verstärkung
der Geräusche
verhindert ist. Vorzugsweise wird das Gas hierzu durch über den Umfang
der Pumpenkammer asymmetrisch verteilt angeordnete Ansaugstutzen
und/oder Druckstutzen geführt.
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Die Aufgabe wird weiterhin gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Bevorzugte
Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die im Hinblick auf die Vorrichtung aufgeführten Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in
schematischen Darstellungen:
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1 einen
Seitenkanal-Gasverdichter gemäß dem Stand
der Technik in einer perspektivischen Darstellung,
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2 eine
stark vereinfachte Schnittansicht durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitenden Seitenkanal-Gasverdichter im Bereich der Pumpenkammer,
und
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3 eine
ebenfalls stark vereinfachte Seitenansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens
arbeitenden Seitenkanal-Gasverdichters.
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In den einzelnen Figuren sind gleichwirkende
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein herkömmlicher Seitenkanal-Gasverdichter 2 weist
gemäß 1 ein Laufrad 4 auf,
an dem radial Laufschaufeln 6 angeordnet sind. Die Laufschaufeln 6 rotieren
beim Betrieb in einer nach Art einer Ringkammer ausgebildeten Pumpenkammer 8.
Das Laufrad 4 ist mit einer Antriebswelle 10 verbunden, die
von einem Elektromotor 12 angetrieben wird. Die Antriebswelle 10 ist
einerseits im Elektromotor 12 und andererseits auf einer
dem Elektromotor 12 gegenüberliegenden Außenseite 14 in
einem Außenlager 16 gelagert.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Pumpenkammer 8 zwei
wirksame Seitenkanäle 18A, 18B auf.
Diese beiden Seitenkanäle 18A, 18B sind
miteinander verbunden, also nicht durch eine Trennwand abgetrennt.
Lediglich im Bereich des Schaufelfußes der Laufschaufeln 6 weist
das Laufrad 4 eine in die Pumpenkammer 8 hineingerichtete
Spitze 20 mit seitlichen abgerundeten Flanken auf.
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Am Elektromotor 12 ist seitlich
ein Ansaugkanal 22 vorgesehen, so dass das angesaugte Gas an
den Kühlrippen
des Elek tromotors 12 zumindest mittelbar vorbeiströmt. Der
Ansaugkanal 22 mündet über einen
Ansaugstutzen 24 in die Pumpenkammer 8. In der 1 ist der Ansaugstutzen 24 durch
die Laufschaufeln 6 verdeckt. Lediglich seine Position
ist durch das Bezugszeichen 24 angedeutet. Auf der zum
Ansaugkanal 22 gegenüberliegenden
Seite des Gasverdichters 2, die aufgrund der perspektivischen Darstellung
nicht zu sehen ist, ist ein Auslasskanal vorgesehen, der vergleichbar
zum Ansaugkanal ausgebildet ist. Der Auslasskanal mündet über einen Druckstutzen 26 in
die Pumpenkammer. Der Druckstutzen 26 selbst ist in 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.
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Beim Betrieb des Gasverdichters 2 rotiert das
Laufrad 4 in Drehrichtung 30. Dadurch wird von den
Laufschaufeln 6 Gas über
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 schraubenlinienförmige 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 befördert und
dabei aufgrund der Laufraddrehung zusehends verdichtet. Über den Druckstutzen 26 wird
dann das verdichtete Gas ausgestoßen. Der Verlauf der Gasströmung ist
in der 1 durch die schraubenlinienförmigen Linien
angedeutet.
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Aus der Position des Druckstutzen 26 ist
zu erkennen, dass dieser nahezu unmittelbar neben dem Ansaugstutzen 24 angeordnet
ist. Das zu verdichtende Gas durchströmt die Pumpenkammer 8 vom
Ansaugstutzen 24 zum Druckstutzen 26 nahezu vollständig, 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 zugeordneten Laufrad 4 notwendig.
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Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen,
um den Umfang der Pumpenkammer 8 verteilt mehrere Ansaugstutzen 24 und
Druckstutzen 26 anzuordnen. Nach 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 Druckstutzen 26A bzw. 26B zugeordnet.
Um den Umfang der Pumpenkammer 8 verteilt sind also jeweils
zumindest zwei Ansaugstutzen 24A, B und zwei Druckstutzen 26A, 26B.
Aufgrund dieser Maßnahme
ist der erzielbare Volumenstrom gegenüber der Anordnung von nur einem
Paar von Ansaug- und Druckstutzen deutlich erhöht, und zwar nahezu verdoppelt.
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Wie weiterhin der 2 zu entnehmen ist, sind die beiden Teilbereiche 8A, 8B asymmetrisch zueinander
ausgebildet. Insbesondere 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
besteht nämlich
insbesondere die Möglichkeit,
die Geräuschentwicklung
im Bereich der beiden Teilbereiche 8A, 8B und
der zugeordneten 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. Auslasskanälen
Schalldämpfer 28 vorgesehen.
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Durch die Anordnung mehrerer Ansaug-
und Druckstutzen 24, 26 über den Umfang der Pumpenkammer 8 wird
zudem eine gleichmäßige Belastung der
Antriebswelle 10 begünstigt.
Hierfür
ist – abweichend
von 3 – eine symmetrische
Anordnung der einzelnen Stutzen 24, 26 von besonderem
Vorteil.
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Die beiden Teilbereiche 8A, 8B des
Gasverdichters 2 werden vorzugsweise parallel miteinander betrieben,
so dass eine Erhöhung
des Volumenstroms erzielt ist. Es besteht alternativ auch die Möglichkeit,
die beiden Teilbereiche 8A, 8B seriell zu betreiben,
also beispielsweise das im Teilbereich 8A verdichtete Gas
anschließend
dem Teilbereich 8B zuzuführen. Hierzu müssen lediglich
die Druckstutzen 26A und der Ansaugstutzen 24B miteinander verbunden
werden. Die serielle Anordnung der Teilbereiche 8A und 8B erfordert
daher einen vergleichsweise geringen Aufwand. Bei herkömmlichen
Gasverdichtern 2 erfordert ein serieller Betrieb die Anordnung
einer zweiten Pumpenkammer, so dass das Bauvolumen des Gasverdichters 2 deutlich
erhöht wird.
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Wie 3 zu
entnehmen ist, werden sämtliche
Gasströme
für die
einzelnen Teilbereiche 8A, 8B unmittelbar seitlich
am Motor 12 vorbeigeführt.
Der Gasstrom des Teilbereichs 8A ist hierbei durch durchgezogene
Pfeile angedeutet und der Gasstrom des Teilbereichs 8B durch
gestrichelte Pfeile. Der für den
Teilbereich 8A vorgesehene Gasstrom wird über einen
Ansaugkanal 22A der Pumpenkammer 8 zugeführt und über einen
etwa 180° drehversetzt
angeordneten Auslasskanal 32A ausgestoßen. Benachbart zum Einlasskanal 22A ist
der Auslasskanal 32B für
das im Teilbereich 8B verdichtete Gas. Entsprechend hierzu
ist der Einlasskanal 22B für die im Teilbereich 8B zu
verdichtende Luft benachbart zum Auslasskanal 32A angeordnet.
Diese Anordnung ergibt sich im Wesentlichen, wenn die einzelnen
Kanäle 22, 32 sich
an den ihnen zugeordneten Stutzen 24, 26, wie
sie der 2 zu entnehmen
sind, achsparallel zu der Antriebswelle 10 an die Stutzen 24, 26 anschließen. Aufgrund
der seitlichen Darstellung in 3 sind
die dem Teilbereich 8B zugeordneten Kanäle 22B, 32B nicht
unmittelbar zu erkennen. Sie sind daher lediglich gestrichelt angedeutet.
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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.
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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 Antriebsseite 34 wird die durch das Lüfterrad 36 bereitgestellte
Kühlluft
in vorteilhafter Weise zur Kühlung
des verdichteten Gases herangezogen. Dadurch wird die Verdichtungswärme effizient
abgeführt.
Aufgrund der erhöhten
Volumenleistung entsteht eine erhöhte Menge an Verdichtungswärme gegenüber einem
herkömmlichen
Gasverdichter. Daher ist die anhand 3 beschriebene
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 Lüfterrad 36 bereitgestellten
Kühlung.