-
Die
Erfindung betrifft einen Drehzahnverdichter mit einem über eine
Eintrittsöffnung
in einen Arbeitsbereich mündenden
Saugkanal, einem Druckkanal und einer im Arbeitsbereich angeordneten
Rotorenanordnung, wobei die Geometrie der Rotoren für eine innere
Verdichtung des zu fördernden
Mediums ausgelegt ist.
-
Die
grundlegende Funktionsweise eines solchen Drehzahnverdichters, bei
dem das zu fördernde Medium über eine
Eintrittsöffnung
in einen Arbeitsbereich geführt
wird, wo es mit Hilfe speziell geformter Rotoren verdichtet wird,
bevor es durch eine Austrittsöffnung
ausgeschoben wird, ist in der EP-A-1 075 601 beschrieben. Es besteht
der Wunsch, den Arbeitsbereich eines Drehzahnverdichters unter Beibehaltung
seines hohen Wirkungsgrades auszudehnen, insbesondere in den klassischen
Arbeitsbereich eines Rootsverdichters.
-
Der
thermodynamische Kreisprozeß eines Drehzahnverdichters
nach dem Stand der Technik ist in 5 dargestellt
(V = Volumen, p = Druck) und kann in folgende Teilprozesse gegliedert
werden:
Schritt 1 → 2:
Ansaugen (isobar)
Schritt 2 → 3: Fördern (isochor)
Schritt
3 → 4:
Verdichten (polytrop)
Schritt 4 → 5: Übergabe Totraumvolumen (isobar)
Schritt
5 → 6:
Verdichten (polytrop)
Schritt 6 → 7: Auslaß öffnen (isochor)
Schritt
7 → 8:
Ausschieben (isobar)
-
Der
Kreisprozeß eines
Drehzahnverdichters unterscheidet sich von dem eines Rootsverdichters insbesondere
durch den zusätzlichen
Schritt der Übergabe
des Totraumvolumens von der Druckseite zur Ansaugseite aufgrund
der besonderen Geometrie der Rotoren und eines internen inneren
Verdichtungsverhältnisses
durch die Gestaltung der Rotoren, der Auslaßbereiche und des Verdichtungsraums.
-
Wie
in 5 angedeutet, kann
der Prozeßschritt „Auslaß öffnen" (Schritt 6 → 7) thermodynamisch
unterschiedlich ablaufen. Aufgrund des geometrisch bedingten festgelegten
inneren Verdichtungsverhältnisses
kann es in Abhängigkeit
zum äußeren Verdichtungsverhältnis (Verhältnis von
Ansaugdruck im Saugkanal zu äußerem Auslaßdruck im
Druckkanal) entweder zu einer inneren „Überverdichtung" des Mediums oder
zu einem unerwünschten
Ansaugen über
den Druckkanal kommen. Der erste Fall führt zu einem Entspannen der
zu verdichtenden Gasmenge im Auslaßbereich, der zweite Fall zu
einem Verdichten des inneren Gasvolumens mit anschließendem Ausschieben
der gesamten Gasmenge. Beide Fälle
haben gegenüber
einem Betrieb mit abgestimmtem inneren und äußeren Verdichtungsverhältnis einen
verringerten Wirkungsgrad zur Folge. Eine mögliche Abstimmung dieser Verhältnisse
auf einen bestimmten Arbeitspunkt stünde jedoch der Forderung nach
einem breiten Einsatzbereich (Druckbereich) entgegen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Drehzahnverdichter
mit einem variabel einstellbaren inneren Verdichtungsverhältnis zu
schaffen.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Drehzahnverdichter der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, der ferner eine zwischen dem Arbeitsbereich und dem
Druckkanal angeordnete Auslaßkammer,
in die das Medium mit einem inneren Auslaßdruck pdi ausgeschoben
wird, eine den Arbeitsbereich mit der Auslaßkammer verbindende Austrittsöffnung,
zusätzlich
wenigstens eine den Arbeitsbereich mit der Auslaßkammer verbindende Auslaßöffnung und
eine stationäre
Steuereinrichtung umfaßt,
die in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz zwischen dem inneren Auslaßdruck einerseits
und einem im Druckkanal herrschenden äußeren Auslaßdruck pda bzw. einem
im Saugkanal herrschenden Ansaugdruck ps andererseits
den effektiven Auslaßquerschnitt
der Auslaßöffnung einstellt.
Die Einstellung des effektiven Auslaßquerschnitts der Auslaßöffnung bewirkt eine
Anpassung der inneren Verdichtung. Der erfindungsgemäße Drehzahnverdichter
ist somit nicht mehr auf einen bestimmten Arbeitsbereich festgelegt,
der bisher durch das geometrisch bedingte innere Verdichtungsverhältnis definiert
war, sondern weist einen verbesserten Wirkungsgrad bei unterschiedlichen
Arbeitspunkten auf. So kann bei einem erfindungsgemäßen Drehzahnverdichter
durch entsprechende Anordnung der Auslaßöffnung im Falle eines hohen
inneren Auslaßdruckniveaus
im Arbeitsbereich bereits vor dem eigentlichen Ausschieben des Mediums
eine Verbindung zum Auslaßbereich geschaffen
werden, um ein übermäßiges Ansteigen des
inneren Verdichtungsverhältnisses
zu vermeiden. Dank der selbstregulierenden inneren Verdichtung und
dem niedrigen polytropen Faktor bei der inneren Verdichtung kann
mit dem erfindungsgemäßen Drehzahnverdichter
die Antriebsleistung über
einen großen
Arbeitsbereich minimiert werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drehzahnverdichters ist
die Möglichkeit,
daß trotz
der Erweiterung des Arbeitsbereichs bestehende Rotorengeometrien
von Drehzahnverdichtern verwendet werden können. Tests haben ergeben,
daß bereits
bei einer einstufigen Verdichtung im Vakuumbetrieb ein Druck von
50 hPa und im Überdruckbetrieb
ein Druck von 4000 hPa erreicht werden können.
-
Gemäß einer
ersten Alternative umfaßt
die Steuereinrichtung eine der Auslaßöffnung zugeordnete Ventilanordnung,
wobei eine Ventilanordnung aus einer oder mehreren Ventilvorrichtungen
bestehen kann.
-
Es
erweist sich als vorteilhaft, daß die Steuerung der Ventilanordnung
unabhängig
von einem Pumpenzyklus erfolgt, d.h. die Ventilanordnung öffnet oder
schließt
nicht synchron mit jedem Pumpenzyklus. Die Ventilanordnung wird
vielmehr statisch druckreguliert betrieben. Somit werden Klappergeräusche vermieden,
es müssen
keine besonderen Dämpfungsmaßnahmen
getroffen werden, und die Lebensdauer der Ventilanordnung, insbesondere
unter Berücksichtigung
der Medientemperaturen bei hochdynamischen Prozessen, erhöht sich
erheblich.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wirkt
die Ventilanordnung mit einer Druckkammer zusammen, in der der äußere Auslaßdruck pda bzw. der Ansaugdruck ps herrscht,
je nachdem ob der erfindungsgemäße Drehzahnverdichter
im Überdruck- oder
Vakuumbetrieb betrieben wird. Der entsprechende Druck in der Druckkammer
kann mittels eines Druckübertragers
erreicht werden, der in Verbindung mit der Druckkammer und dem Druckkanal
bzw. dem Saugkanal steht.
-
Vorzugsweise
ist zwischen der Auslaßkammer
und der Druckkammer eine elastisch auslenkbare Membran als Zwischenwand
vorgesehen. In diesem Fall kann die druckabhängige Bewegung der Membran
effektiv genutzt werden, indem die der Auslaßkammer zugewandte Seite der
Membran an einem Betätigungselement
der Ventilanordnung angreift. Das Betätigungselement ist dabei vorzugsweise
zum Membran hin vorgespannt.
-
Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante
ist das Betätigungselement
ein mit einem Ventilteller verbundener, translatorisch verschiebbarer
Stößel, wobei
der Ventilteller in einer Schließstellung der Ventilanordnung
die Auslaßöffnung verschließt.
-
Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante ist
das Betätigungselement
ein schwenkbar gelagerter Ventilhebel, dessen eines Ende an der
Membran anliegt. Das andere Ende des Ventilhebels stützt sich vorzugsweise
an einer vorgebogenen Blattfeder ab, die in einer Schließstellung
der Ventilanordnung die Auslaßöffnung verschließt.
-
Zur
feineren Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnisses
können
mehrere Auslaßöffnungen
vorgesehen sein, wobei jeder Auslaßöffnung eine separat angesteuerte
Ventilanordnung zugeordnet ist. So können z.B. bei einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehzahnverdichters mit
einer Membran und mehreren Betätigungselementen
für die
Steuerung der einzelnen Ventilanordnungen die Membran und die Betätigungselemente so
gestaltet werden, daß bei
verschiedenen Druckdifferenzen zwischen der Auslaßkammer
und der im Arbeitsbereich gebildeten Druckkammer nur bestimmte Auslaßöffnungen
freigegeben werden, um verschiedene innere Verdichtungsverhältnisse
zu realisieren. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß bei keiner
oder nur minimaler Druckdifferenz alle Auslaßöffnungen freigegeben sind.
Mit zunehmender Druckdifferenz und damit zunehmender Auslenkung
der Membran werden dann zunächst
die – bezogen
auf die Drehrichtung des entsprechenden Rotors – näher an der Eintrittsöffnung angeordneten
Auslaßöffnungen,
bei Überschreiten
einer maximalen Druckdifferenz alle vorgesehenen Auslaßöffnungen
geschlossen.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den beigefügten
Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drehzahnverdichter ohne
Gehäusedeckel;
-
2 eine
Schnittansicht des Drehzahnverdichters mit Gehäusedeckel entlang der Linie
A-A aus 1;
-
3 eine
geschnittene Detailansicht des Auslaßbereichs des Drehzahnverdichters
mit einer alternativen Ventilanordnung;
-
4a und 4b ein
logisches Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Drehzahnverdichters nach
einer alternativen Ausführungsform
im Vakuum- bzw. Überdruckbetrieb;
und
-
5 einen
thermodynamischen Kreisprozeß eines
Drehzahnverdichters gemäß dem Stand der
Technik.
-
Der
in 1 dargestellte Drehzahnverdichter umfaßt ein Gehäuse 10,
das einen Arbeitsbereich 12 mit zwei klauenartigen Rotoren 14, 16 umschließt. In den
Arbeitsbereich 12 mündet
ein Saugkanal 18 über
eine Eintrittsöffnung 20. Über eine
Austrittsöffnung 22 steht
der Arbeitsbereich 12 in Strömungsverbindung mit einem Druckkanal 24.
Zwischen dem Arbeitsbereich 12 und dem Druckkanal 24 ist
eine Auslaßkammer 26 vorgesehen
(siehe 2). Die Geometrie der Rotoren 14, 16 ist
so ausgelegt und so auf die Eintrittsöffnung 20 und die
Austrittsöffnung 22 abgestimmt,
daß das
geförderte
Medium verdichtet wird, bevor es durch die Austrittsöffnung 22 ausgeschoben
wird. Der Drehzahnverdichter kann sowohl zur Erzeugung eines Überdrucks
(Überdruckbetrieb) als
auch zur Erzeugung eines Vakuums (Vakuumbetrieb) eingesetzt werden,
wobei im einen Falle das dem Arbeitsbereich 12 abgewandte
Ende des Saugkanals 18 und im anderen Falle das dem Arbeitsbereich 12 abgewandte
Ende des Druckkanals 24 einen Arbeitsanschluß darstellt.
-
Im
Gehäusedeckel 28 sind
neben der Austrittsöffnung 22 zwei
weitere Auslaßöffnungen 30 zur Auslaßkammer 26 vorgesehen,
denen jeweils eine Ventilanordnung 32 zugeordnet ist. Die
Ventilanordnung 32 umfaßt ein Betätigungselement in Form eines
durch die Auslaßöffnung 30 hindurchragenden, translatorisch
verschiebbaren Stößels 34,
an dessen einem Ende ein Ventilteller 36 vorgesehen ist.
Das andere Ende des Stößels 34 ist
pilzförmig
ausgebildet. Die über
den Auslaßöffnungen 30 angeordnete Auslaßkammer 26 steht
mit dem Druckkanal 24 in Strömungsverbindung und ist nach
oben durch eine elastisch auslenkbare Membran 38 begrenzt.
Die Membran 38 bildet eine Zwischenwand zwischen der Auslaßkammer 26 und
einer darüberliegenden Druckkammer 40.
Eine Spiralfeder 42, deren eines Ende sich am Gehäusedeckel 28 und
deren anderes Ende sich am pilzförmigen
Ende des Stößels 34 abstützt, sorgt
für eine
Vorspannung des Stößels 34,
so daß dessen
pilzförmiges
Ende an der Membran 38 anliegt. Die Druckkammer 40 steht über einen
(nicht gezeigten) Druckübertrager
mit dem Druckkanal 24 (Überdruckbetrieb)
bzw. mit dem Saugkanal 18 (Vakuumbetrieb) in Verbindung.
-
Die
Ventilanordnungen 32 bilden durch ihr Zusammenwirken mit
der Auslaßkammer 26 und
der Druckkammer 40 eine Steuereinrichtung, mit der das innere
Verdichtungsverhältnis
des Drehzahnverdichters eingestellt werden kann. Genauer gesagt
wird das innere Verdichtungsverhältnis
im Falle des Überdruckbetriebs
auf den äußeren Auslaßdruck pda bzw. im Falle des Vakuumbetriebs auf den
Ansaugdruck ps abgestimmt, wie nachfolgend
erläutert
wird.
-
Im Überdruckbetrieb
des Drehzahnverdichters herrscht in der Druckkammer 40 ein
Druck pc, der im wesentlichen dem äußeren Auslaßdruck pda in einem äußeren, pulsationsfreien Bereich
des Druckkanals 24 entspricht. Übersteigt der innere Auslaßdruck pdi, der nach der Verdichtung des Mediums
durch die Rotoren 14, 16 in der Auslaßkammer 26 herrscht, den äußeren Auslaßdruck pda, so gibt die Membran 38 diesem
erhöhten
Druck nach, wodurch sich der vorgespannte Stößel 34 der Ventilanordnung 32 mit nach
oben bewegt und der Ventilteller 36 die Auslaßöffnung 30 schließt. Bei
annähernd
gleichem inneren und äußeren Auslaßdruck oder
bei Unterschreitung des äußeren Auslaßdrucks
pda durch den inneren Auslaßdruck pdi wird in umgekehrter Weise die Auslaßöffnung 30 freigegeben.
Somit erfolgt eine Einstellung des effektiven Auslaßquerschnitts
der Auslaßöffnungen 30 in
Abhängigkeit
der Druckdifferenz zwischen dem inneren Auslaßdruck pdi und
dem äußeren Auslaßdruck pda. Die Steuereinrichtung sorgt dabei für eine statische,
vom Pumpenzyklus unabhängige
Einstellung des effektiven Auslaßquerschnitts.
-
Die
Arbeitsweise im Vakuumbetrieb entspricht der oben Beschriebenen
mit dem Unterschied, daß in
der Druckkammer 40 nicht der äußere Auslaßdruck pda,
sondern der Ansaugdruck ps herrscht und
demzufolge eine Anpassung des inneren Verdichtungsverhältnisses
an diesen Druck erfolgt.
-
Gemäß einer
Weiterbildung dieser Ausführungsform
ist die Membran 38 so beschaffen, daß sie bei gleichem Druck in
bestimmten Teilbereichen unterschiedlich stark ausgelenkt wird.
Dies erlaubt eine separate Ansteuerung mehrerer Ventilanordnungen 32 und
ermöglicht
ein positionsabhängiges Öffnen und
Schließen
der Auslaßöffnungen 30.
-
3 zeigt
eine alternative Ventilanordnung 32. Anstelle des Stößels 34 ist
hier ein um eine Achse X schwenkbar gelagerter Ventilhebel 44 vorgesehen. Das
obere Ende des Ventilhebels 44 liegt an der Membran 38 an,
während
sich das untere Ende auf einer einseitig eingespannten Blattfeder 46 abstützt. Die
Blattfeder 46 ist so vorgebogen, daß sie den Ventilhebel 44 zur
Membran 38 hin vorspannt. Durch entsprechende Auslenkung
der Membran 38 kann die Auslaßöffnung 30 freigegeben
oder verschlossen werden.
-
In
den 4a und 4b ist
schematisch eine andere Steuereinrichtung im Vakuumbetrieb (4a)
bzw. im Überdruckbetrieb
(4b) gezeigt. Die Steuerung des effektiven Auslaßquerschnitts
der Auslaßöffnungen 30 erfolgt
hier durch elektromagnetisch oder piezoelektrisch angesteuerte Ventilklappen 48.
Im Vakuumbetrieb erfolgt die Ansteuerung in Abhängigkeit des Ansaugdrucks ps, im Überdruckbetrieb
in Abhängigkeit
vom äußeren Auslaßdruck pda. Anstelle der Ventilklappen 48 können auch
den Auslaßquerschnitt
der Auslaßöffnungen 30 verändernde Aktuatoren
vorgesehen sein, z.B. in Form von Schiebern oder Drehklappen.
-
Die
Anzahl und Anordnung der Auslaßöffnungen 30 und
der Ventilanordnungen 32 bzw. der Aktuatoren ist auf den
Einsatzbereich des Drehzahnverdichters abgestimmt. Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung können
zur kontinuierlichen Anpassung des effektiven Auslaßquerschnitts
der Auslaßöffnungen 30 auch
Ventilanordnungen oder Aktuatoren vorgesehen sein, die in kontrollierter
Weise ein teilweises Öffnen
und Schließen
der Auslaßöffnungen 30 erlauben.
Gemäß einer
anderen Weiterbildung sind zu diesem Zweck mehrere hintereinander geschaltete
Ventilanordnungen vorgesehen.