DE102006040933A1

DE102006040933A1 - Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter mit selbststeuernden Radialflügeln, als Wärme-Kältemaschine oder Heißgasmotor

Info

Publication number: DE102006040933A1
Application number: DE200610040933
Authority: DE
Inventors: Josef Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Ein zweistufiger Rotationskolbenverdichter, für Fluid als Wärmekältemaschine und Heißgasmotor verwendbar, besteht gemäß Figur (16) aus zwei Rotoren (20 u. 20.1) in einem Gehäuse (10), einer integrierten Flügelpumpe (38), welche durch die Ringnut (23) an der Stirnseite eines Rotors (20) entsteht, in der die inneren Stirnseiten der Flügel (30', 30') eingreifen und eine Pumpwirkung erzielen. Beide Rotoren (20 u. 20.1) haben je vier bewegliche Flügel (30', 30') in Rotorschlitzen (21', 21') eingearbeitet, mit dünnen Verbindungsbolzen (34', 34') verbunden, welche durch parabelförmige Gleitbahnen (18', 18') gesteuert, durch deren Durchlassschlitze (17) der Niederdruckeingang (12) führt, der Mitteldruckausgang (13) mit Überströmkanälen (36), Mitteldruckzuleitung (41), mit dem Wärmetauscher (40), Mitteldruckrückleitung (42), Mitteldruckeingang (14) der integrierten Flügelpumpe (38) verbunden ist und am Hochdruckausgang (15) über Unterdruckzuleitung (51) mit Wärmetauscher (50), Unterdruckrückleitung (52) mit dem Unterdruckeingang (43) zum zweiten Rotationskolben (20.1) verbunden ist und am Niederdruckausgang (44) mit der Druckausgleichsleitung (45), dem Druckausgleichszylinder (48) mit deren Druckausgleichskolben (46), Druckausgleichsstutzen (47) an dem Niederdruckeingang (12) angeschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenverdichter für Fluide, in dem ein zweiter kleinerer Verdichter integriert ist, welcher keinen äußeren Bauraum benötigt, außer den Leitungen des Zu- und Abflusses.
Mit einer Verbindungsleitung wird durch Antrieb Hochdruck erzeugt. Wird eine zweite Verbindungsleitung so angebracht, dass ein Kreislauf entsteht, erhält man eine Wärme-Kältemaschine.
Durch Antrieb wird eine Verbindungsleitung heiss und die Andere wird kalt. Bei Umkehr der Drehrichtung wechselt auch deren Temperatur.
Wenn die Maschine nicht angetrieben wird, aber eine dazu geeignete Verbindungsleitung durch äußere Wärmezuführung erhitzt wird und die andere Leitung angemessen gekühlt wird, so läuft diese Maschine ohne Totpunkt als Heißgasmotor.
Diese Erfindung findet Einsatz als Hochleistungs-Kältemaschine und auch als Wärmepumpe, ohne ein flüssiges Kältemittel. Bei Verwendung mit nur einem Rotor ist eine kostengünstigere und umweltfreundliche, mit Umgebungsluft als Arbeitsmittel arbeitende Kühlmaschine entstanden, welche sich für Kleingeräte besonders eignet. Diese einfache Maschine ist auch als energiesparende, Zweistufige-Vakuumpumpe oder Hochdruckpumpe verwendbar, je nach Anschluss des Eingangs oder des Ausgangs. Bei Verwendung mit zwei Rotoren und zwei Wärmetauscher ist diese Maschine als Heißgasmaschine verwendbar, wobei Temperaturdifferenzen in mechanische Energie ohne Totpunkt umgewandelt und genutzt werden.
Mit der DR 625607 wird die Lösung eines zweistufigen Flügelzellenverdichters gezeigt, welcher aus zwei separaten Verdichtern mit unterschiedlicher Größe, mit kreisrundem Innengehäuse, jeweils einen exzentrisch gelagerten Rotor mit 12 darin eingearbeiteten Flügeln, werden in einem gemeinsamen Außengehäuse untergebracht. Der Antrieb der beiden Verdichter erfolgt mit Zahnräder oder Zahnkette. Die Förderrichtung ist in Reihe geschaltet und die Verbindungsleitung ist für eine Zwischenkühlung vorgesehen.
Dieser Verdichter hat einen schlechten Wirkungsgrad. Die Flügel haben nur eine Kantenabdichtung mit Fliehkraft und/oder mit Federkraft. Die seitlichen Kanten der Flügel werden nicht angedrückt, sie müssen genau passen. Durch unterschiedliche Materialien von Gehäuse und Flügel, gibt es unterschiedliche Ausdehnungen. Bei Betrieb können sie verklemmen oder sie werden undicht. Sind sie dicht, so liegt eine seitliche Druckbelastung auf den Flügeln, mit dieser Last müssen die Flügel sich bewegen, welches einen grollen Reibungswiderstand hervorruft. Hohe Enddrücke können nicht erreicht werden.
Mit der G 93 01 758.8 U1 wird eine mehrstufige Vakuumpumpe dargestellt, welche mindestens zwei schmale gleichgroße Rotoren mit Flügeln in einem Gehäuse aufweist, deren Arbeitsrichtung in Reihe geschaltet ist.
Sehr viele Flügelzellenmaschinen sind zweiflutig gestaltet. Da das Innengehäuse oval ist ergeben sich pro Rotor zwei gleichgroße Arbeitsräume, welche Parallel oder in Reihe arbeiten können, als Beispiel die DE 22 23 087 C2 .
Diese Art Flügelzellenmaschine wird oft als Kältemaschine in der Klimaanlage von Kraftfahrzeugen mit einem Kältemittel verwendet.
Eine andere Art von Kältemaschine, jedoch ohne flüssiges Kältemittel, stellt die Stirling-Maschine dar, mit der DT 20 63 556 B2 .
Diese Maschine arbeitet mit Kolben und Verdrängerkolben in einem gemeinsamen Zylinder, nicht als Rotationskolbenmaschine.
Diese Stirling-Maschine kann auch als Wärmepumpe arbeiten und bei äußerer Erwärmung des Hitzekopfes und bei gleichzeitiger Kühlung der entsprechenden Gegenseite, läuft diese Maschine als Motor, jedoch nur diskontinuierlich und benötigt deswegen eine Schwungscheibe um die Totpunkte zu überwinden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einem Rotationskolbenverdichter, hohe Drücke zweistufig in einem Gehäuse zu realisieren, die Verdichtungswärme als Wärmepumpenwärme zu nutzen, oder die hohe Entspannungsdifferenz als kontinuierliche Kältemaschine, für besonders tiefe Temperaturen zu nutzen. Bei Anwendung von Fremdwärme von außen an einem Wärmetauscher und der entsprechenden Kühlung des anderen Wärmetauschers, läuft diese Wärmemaschine als Heißgasmotor ohne Schwungscheibe. Der erfindungsgemäße Verdichter weist eine geringere Gleitreibung bei höherer Leistung auf.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anwendung des Zweistufigen-Rotationskolbenverdichters mit den im kennzeichnenden Teil, des in Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass im gesamten Arbeitsraum, wo eine einseitige Druckbelastung der Flügel erfolgt, die Flügel sich in radialer Ruhestellung befinden, wodurch nur eine geringe Gleitreibung anfällt, welche bei Druckerhöhung sich nicht, oder nur unwesentlich erhöht.
Im Bereich der radialen Bewegung werden die Flügel von beiden Seiten mit dem gleichen Druck umspült, werden damit vom einseitigen Druck befreit und damit lassen sich die Flügel leicht verschieben.
Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 zeigt die Stirnseite in Röntgensicht und vom Umfang vier virtuelle Sektoren, in deren Mitte sich die Flügel befinden.
2 zeigt die Seitenansicht eines senkrechten Längsschnitts, einer einzelnen Maschine.
3 zeigt den Rotor mit den abgerundeten Rotorkanten, die Ringnut und die Flügel mit den abgerundeten Flügelecken in einer Perspektivansicht.
4 zeigt eine Perspektivansicht ins Gehäuse mit entferntem Rotor.
5 zeigt ein einzelnes Flügelpaar mit den dünnen Verbindungsbolzen und den hervorstehenden Dichtungslaschen in Perspektivansicht.
6 zeigt die Seitenansicht eines Flügelpaares mit einseitig hervorstehenden Dichtungslaschen. Dieses Flügelpaar ist für den Rechtslauf geeignet.
7 zeigt die Seitenansicht eines Flügels mit beidseitigen Dichtungslaschen für den Rechts- und Linkslauf.
8 zeigt einen zweistufigen Fluidverdichter von der Stirnseite in Röntgensicht, einen Wärmetauscher und ein Rückschlagventil.
9 zeigt das Prinzipschaltbildes des Verdichterkreislaufes mit externem Hochdruckverdichter, als Wärme-Kältemaschine.
10 zeigt das Prinzipschaltbildes des Verdichterkreislaufes mit internem Hochdruckverdichter, wie es erfindungsgemäß zur Anwendung kommt.
11 zeigt die Stirnseite der Wärme-Kältemaschine in Röntgenansicht als geschlossenen Kreislauf mit zwei Wärmetauschern.
12 zeigt das Prinzipschaltbild der Wärme-Kältemaschine in auseinander gezogener Darstellung mit Bezugszeichen, vom offenen Kreislauf zum geschlossenen Kreislauf.
13 zeigt das gemäß 12 Funktionsprinzip mit Modellen als offenen Kreislauf.
14 zeigt das Prinzipschaltbild in Symbolen der Wärme-Kältemaschine in kompakter Form, mit zwei Rotationskolbenverdichtern, eine kleine Integrierte und ein symbolisierten Druckausgleichszylinder mit Kolben und Druckausgleichstutzen, wie sie erfindungsgemäß zur Anwendung kommen.
15 zeigt die Seitenansicht eines senkrechten Längsschnitts durch zwei spiegelverkehrte Rotationskolbenmaschinen in einem Gehäuse und der Druckausgleichsvorrichtung.
16 zeigt den waagerechten Längsschnitt auf zwei Rotationskolbenverdichter in einem Gehäuse und die Anordnung mit zwei Wärmetauschern mit deren Bezugszeichen.
Der Rotationskolbenverdichter besteht aus einem Gehäuse 10 mit minesstens einem Gehäusedeckel 11, mit je einem Rollenlager 26 für die Welle 24 und den Wellenstumpf 25. Innen befindet sich ein walzenförmiger Rotor 20 mit vier gegenüberliegend eingearbeiteten Rotorschlitzen 21'21', in denen sich radial bewegliche Flügel 30'30' befinden.
Der Rotor 20 hat auf beiden Seiten eine Rotorkantenrundung 27'27', deren Radius dem Hub der Flügel 30'30' entspricht, gemäß 3.
Die Flügel 30'30' sind mit zwei dünnen Verbindungsbolzen 34'34', mit dem gegenüberliegenden Flügel 30'30' fest miteinander verbunden und haben eine Flügeleckenrundung 35'35' mit einer hervorstehenden Dichtungslasche 32'32' gemäß 5 u. 6. Vier Flügel ergeben zwei Flügelpaare.
Die dünnen Verbindungsbolzen 34'34' müssen mit passenden Durchgangsbohrungen 22 durch den walzenförmigen Rotor 20 von einem Rotorschlitz 21'21' zum gegenüberliegenden Rotorschlitz 21'21' dichtend hindurchgeführt werden.
Die Anordnung der dünnen Verbindungsbolzen 34'34', gegenüber dem anderen Flügelpaar 30'30', muss etwas versetzt angebracht werden, da sie sich sonst in der Mitte des Rotors 20 behindern. Die dünnen Verbindungsbolzen 34'34' sollten so dünn wie möglich, aber so dick wie nötig sein, denn sie müssen Fliehkräfte, Verschiebekräfte und gewisse Stauchkräfte aufnehmen.
Durch die Verbindung der Flügel 30'30' mit den dünnen Verbindungsbolzen 34'34', steuern sich die Flügel 30'30' gegenseitig, welches von der parabelförmigen Gleitbahn 18'18' der Innenfläche des Gehäuses 10 eingeleitet wird und von der gegenüberliegenden parabelförmigen Gleitbahn 18'18' abgefangen wird, Andruckfedern sind überflüssig.
Grundsätzlich können auch mehr als zwei Flügelpaare eingearbeitet werden. Es gibt aber keinen Vorteil wenn mehr als zwei Schieberpaare eingebaut werden, weil sich die Reibung erhöht, der Arbeitsraum kleiner wird, der Rotor labiler wird und die Kosten höher sind.
Den Querschnitt des Gehäuses 10 wird in vier gleichgroße Sektoren dargestellt. Dieses ist der 1 entnehmbar. In einem Bereich von 90° liegt im Sektor IV das Gehäuse 10 wie eine viertel Lagerschale genau am Rotor 20 an. Dieser Sektor IV trennt und dichtet den Druckunterschied zwischen dem Niederdruckeingang 12 und dem Mitteldruckausgang 13 der Rotationskolbenmaschine.
Die dünnen Verbindungsbolzen 34'34' sind in der Art befestigt, das sie den gegenüberliegenden Flügel 30'30' die halbe Flügellänge aus dem Rotor 20 herausschieben, welcher im Sektor II, 90° sich dichtend an der kreisbogenförmigen Gehäuseinnenwand 19 anpasst. Dass ist der Arbeitsbereich dieser Rotationskolbenmaschine, welcher mit der Gehäusestirnwandrundung 28 eine geschlossene Zelle bildet.
Die Flügelstirnflächen 31'31' besitzen die gleiche Krümmung wie die kreisbogenförmige Gehäuseinnenwand 19 in diesem Bereich. Zur optimalen Dichtung ist der Flügel 30'30' mit einer hervorstehenden Dichtungslasche 32 ausgestattet, welche sich erst bei Gegendruck starker an die Dichtflächen anpresst, gemäß 5 bis 7. Dadurch ist der gesamte Dichtungsbereich der Flügel 30'30', von einer Stirnseite des Rotors 20 bis zur gegenüberliegenden Stirnseite die Dichtigkeit durchgängig garantiert und damit lassen sich hohe Drücke realisieren und geringe Bautoleranzen ausgleichen. Das hervorstehende Teil der Dichtungslasche 32 muss am Rotor 20 durch Ausnehmungen angepasst werden.
Zwischen den Sektoren, in denen die Flügel 30'30' einmal eingezogen und gegenüber ausgefahren sind, befinden sich die Übergangssektoren I und III.
Die Innenseiten des Gehäuses haben hier die Form parabelförmiger Kurven und schließen sich, als steuernde parabelförmige Gleitbahn 18'18', genau tangential an die anschließenden Kreisbögen an.
Bevor der ausgefahrene Flügel 30'30' mit der radialen Ruhestellung den Arbeitsbereich des Sektors II verlässt, so verschließt zunächst der nachfolgende Flügel 30'30' den Arbeitsbereich. Befinden sich alle vier Flügel 30'30' genau im Übergangsbereich, so entsteht im Sektor II kurzzeitig eine dichtabgeschlossene Zelle.
Wenn durch Weiterdrehen des Rotors 20 der Bereich der radialen Ruhestellung verlassen wird, so gibt der Flügel 30'30' zunächst die Überströmkanäle 36 frei, es findet Druckausgleich statt und dass Flügelpaar 30'30' kann jetzt belastungsarm bewegt werden.
So bewegen sich die Flügel 30'30' zunächst langsam und zunehmend schneller in radialer Richtung. In der Mitte der Verschiebesektoren I und III ist die radiale Verschiebegeschwindigkeit am höchsten und nimmt danach wieder ab.
Die Fliehkräfte heben sich durch die dünnen Verbindungsbolzen 34'34' weitgehend auf und bei halbausgefahrenen Flügeln 30'30' sind sie völlig weg.
Die parabelförmigen Gleitbahnen 18 steuern die Bewegung der Flügel 30'30' und mit den dünnen Verbindungsbolzen 34'34' wird damit der gegenüberliegende Flügel 30'30' gesteuert und die nachfolgende parabelförmige Gleitbahn 18'18' stützt den Flügel 30'30' ab.
Da die Flügel 30'30' eine gesteuerte Bewegung haben, kann an einer oder beiden Stirnflächen des Rotors 20 ein weiteres, aber kleineres Verdichtersystem im gleichen Gehäuse integriert werden.
Hierzu muss in die Stirnseite des Rotors 20 eine Ringnut 23 eingefräst werden, welche so breit wie die Amplitudenbewegung der Flügel 30'30' ist gemäß 3. Die eine Seite der Ringnut 23 tangiert mit der Unterkante des eingefrästen Rotorschlitzes 21'21' im Rotor 20. Die andere Seite der Ringnut 23 tangiert mit der Innenseite des ausgefahrenen Flügels 30'30'.
Die Tiefe der Einfräsung der Ringnut 23 legt die Schluckfähigkeit fest, kann aber nur begrenzt bis in die Nähe der dünnen Verbindungsbolzen 34'34' erfolgen. Dadurch entsteht eine integrierte Flügelpumpe 38, an dem Sektor, wo die Flügel 30'30' im Rotor 20 eingezogen sind und auf der Rückseite in die Ringnut 23 einfahren und sie ringsherum abdichten.
An dem gegenüberliegenden Sektor, wo die Flügel 30'30' ausgefahren sind, geben sie die Ringnut 23 völlig frei. In diesem Sektor muss ein abdichtendes Sperrsegment 16 in die Ringnut 23 hineinragen, welches innen am Gehäusedeckel 11 befestigt wird.
Damit die integrierte Pumpe 38 arbeiten kann, müssen an den Übergangsektoren I u. III der Mitteldruckeingang 14 und der Hochdruckausgang 15 an der Außenseite des Gehäusedeckels 11 angebracht werden.
Durch diese Maßnahme ist jetzt ein zweites Verdichtersysdem innerhalb eines Gehäuses entstanden, welches für andere Zwecke genutzt werden kann, zum Beispiel als zweite Verdichterstufe für Hochdruckverdichtung. Das Schluckvermögen von der ersten zur zweiten Stufe, legt das Verdichtungsverhältnis der ersten Stufe fest. Wenn die integrierte Flügelpumpe 38 nur eine Schluckfähigkeit von einem Zehntel hat, so ist auch die Verdichtung Zehn zu Eins.
Werden unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse gewünscht, so kann an der anderen Stirnseite des Rotors 20 eine weitere Ringnut mit einer anderen Tiefe eingefräst werden. Durch Umschalten oder Zusammenschalten der Verdichtungsleitung, können bis zu drei verschiedene Verdichtungsverhältnisse geschaltet werden.
8 zeigt den Querschnitt eines zweistufigen Verdichters in Röntgensicht. Der Niederdruckeingang 12 und die Durchlassschlitze 17 haben den gleichen Querschnitt wie der Arbeitsraum der ersten Verdichterstufe. Am Mitteldruckausgang 13 sollte ein Rückschlagventil 37 eingebaut sein.
Durch das Rückschlagventil 37 wird etwas Antriebsenergie eingespart und bei Stopp des Antriebsmotors wird ein zurückdrehen des Verdichters verhindert.
Nach dem Durchströmen des Rückschlagsventils 37 am Mitteldruckausgang 13 strömt das Fluid über die Mitteldruckzuleitung 41 zum Wärmetauscher 40 und muss hier kräftig gekühlt werden, bevor die Druckluft mit der Mitteldruckrückleitung 42 in das zweite System am Mitteldruckeingang 14 strömt.
Da der Querschnitt des Arbeitsraumes der integrierten Flügelpumpen 38 sehr klein ist, kann mit relativ wenig Kraft ein hoher Fluiddruck erzeugt werden, welcher am Hochdruckausgang 15 anliegt dessen Versorgungsleitung wieder gekühlt werden muss.
Wird dieser Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nicht als Hochdruckverdichter verwendet, so kann diese Maschine als einfache Wärmepumpe benutzt werden, die mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium arbeitet. Der Niederdruckeingang 12 saugt die Luft an und der Hochdruckausgang 15 blast sie abgekühlt ohne Wärmetauscher in den Raum. Die Wärmeerzeugung findet im Wärmetauscher 40 statt, dessen Heizleistung durch die Verdichtung entsteht und ein Mehrfaches ist, als die elektrische Energie des Antriebsmotors.
Wird die Drehrichtung des Rotationskolbenverdichters geändert, so wird jetzt im Wärmetauscher 40 Kalte erzeugt. Hierzu muss jedoch das Rückschlagventil 37 entfernt oder blockiert werden. Soll die Maschine in beiden Drehrichtungen arbeiten, so müssen auch an den Flügeln 30'30' doppelseitige Dichtungslaschen 33 vorhanden sein.
Die Kälteerzeugung bei Linksdrehung dieses Zweistufigen-Rotationskolbenverdichters ist nicht so effektiv wie der Wärmegewinn bei Rechtsdrehung, da der Atmosphärendruck nur ein Bar ist. Für viele Anwendungen dürfte das aber ausreichend sein, aber es gibt durch den offenen Kreislauf Probleme durch dass Einsaugen von Schmutz und Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft.
Das Problem kann behoben werden, wenn aus dem offenes System ein geschlossenes wird. Hierzu muss zwischen dem Niederdruckeingang 12 u. dem Hochdruckausgang 15 ein zweiter Wärmetauscher kalt 50 über eine Unterdruckzuleitung 51 und einer Unterdruckrückleitung 52 angeschlossen werden, gemäß 11. Hierzu ist es günstiger den Querschnitt des Niederdruckeingangs 12 zu verringern, um den Totraum zu verkleinern.
9 zeigt in Symbolen den Kreislauf, wobei hier der kleine Verdichter herausgenommen ist, zwecks besserer Übersicht und 10 zeigt ihn integriert. Die Mittellinie symbolisiert die gemeinsame Welle.
11 zeigt die Stirnseite in Röntgenansicht und wie die Wärmetauscher 40 und 50 angeschlossen sind. Bei Antrieb des Rotors 20 wird ein Wärmetauscher warm und der Andere wird kühl. Es kommt zwar kein Schmutz in die Maschine, aber die Heizleistung ist jetzt sehr schlecht.
Das kommt daher, weil die Flügel 30'30' nicht mehr aus dem Vollen schöpfen können, da sie zunehmend aus dem Unterdruck verdichten müssen.
Diese Leistungsminderung kann beseitigt werden, wenn die gesamte Fluidfüllung der Rotationsmaschine mit Überdruck von mehreren Bars gesetzt wird. Die Wärmeleistung ist jetzt bedeutend besser, bei Antrieb wird ein Wärmetauscher heiss und der Andere kalt.
Bei Nichtantrieb, aber durch äußere Erwärmung eines Wärmetauschers und der Kühlung des Anderen, läuft diese Maschine als Heißgasmotor ohne Totpunkt.
Hierbei gibt es wieder Probleme. Es ist schwierig in einem geschlossenen Gehäuse, welches unter Druck steht, mit einer nach außenführenden drehenden Welle, die Dichtigkeit auf lange Zeit zu gewährleisten.
Dieses Problem kann behoben werden, bei gleichzeitiger vollen Leistungsfähigkeit, wenn ein zweiter gleichgroßer Rotationskolben 20.1 mit der Unterdruckrückleitung 52 an dem Unterdruckeingang 43 angeschlossen wird, wie es im Prinzip in Symbolen in 12 und in Modellen 13 gezeigt wird.
Diese Figuren zeigen, zum besseren Verständnis, die auseinander gezogene Version und im Prinzip wieder eine offene Version, welche keine Offene sein muss.
Hierzu muss zwischen dem Niederdruckeingang 12 und dem Niederdruckausgang 44 des zweiten großen Verdichters, eine Druckausgleichsleitung 45 mit einem Druckausgleichskolben 46 versehen, verbunden werden.
Diese Druckausgleichsleitung 45 hat einen Innendruck von einem Bar. Der innere Druck des Fluids ändert sich jedoch wenn es in Betrieb, oder im Stillstand ist. Diese Volumenänderung gleicht der Druchausgleichskolben 46 aus, weil er über den Druckausgleichsstutzen 47 mit der Umgebungsluft verbunden ist.
Bei herkömmlichen Wärmekältemaschinen mit einem flüssigen Kältemittel, wird die innere Volumenänderung durch den sich ändernden Akregatzustand erreicht, obwohl das gesamte System, Antriebsmotor und Verdichter, ständig unter Überdruck in einem Behälter untergebracht sind.
Bei Antrieb der Rotationskolbenmaschine holt sich dieser den Mehrbedarf an Verdichtungsmedium aus dem Druckausgleichzylinder 48 mit dem Druckausgleichskolben 46.
Jetzt steht die Maschine zu keinem Zeitpunkt an der herausführenden Welle unter Überdruck und die Dichtung ist unproblematisch.
Es sind auch andere Druckausgleichsmethoden möglich, wie zum Beispiel die Ziehharmonika-Druckausgleichsmembran.
Bei Antrieb der Rotationskolbenmaschine kann jetzt jeder Verdichtungsflügel, immer vom Ausgangsdruck von einem Bar, den vollen Verdichtungsdruck erreichen.
Diese Verdichtung stellt sich nicht sofort ein, sondern erst nach einer gewissen Zeit. Das hängt von der Größe des Innenvolumens des Wärmetauschers 40 ab, weil er wie ein kleiner Druckkessel wirkt. Bei einer direkten Verbindung vom Mitteldruckausgang 13 zum Mitteldruckeingang 14, wäre der Verdichtungsdruck sofort vorhanden.
Befinden sich die Wärmetauscher 40 und 50 in zwei verschiedenen Behältnissen mit zum Beispiel einer Flüssigkeit, so kann deren Temperatur von einem Behälter zum anderen Behälter und auch wieder zurück gepumpt werden, je nach Drehrichtung der Maschine.
Die Wärmeerzeugung erfolgt bei jeder Drehzahl. Die Leistung hängt von der Drehzahl ab, niedrige Drehzahl gleich geringe Leistung und hohe Drehzahlen erzeugen eine hohe Wärmeleistung. Die integrierte Flügelpumpe 38 wirkt dabei als variables Entspannungsventil.
Bei Antrieb dieser Maschine kommt die gesamte Verdichtungsleistung des Wärmetauschers heiss 40 im Wärmetauscher kalt 50 voll zur Entspannung. Wird die Wärme im verdichtenden Wärmetauscher heiss 40 auf die Umgebungstemperatur durch Kühlung abgesengt, so wird durch die große Entspannung im zweiten Wärmetauscher kalt 50 eine hohe Kälteleistung kontinuierlich erzeugt.
Wird die tiefe Temperatur im Wärmetauscher kalt 50 durch Fremdwärme mit niedrigem Niveau heraufgesetzt, kann sie im Wärmetauscher heiss 40 als Nutzwärme für Heizung verwendet werden.
Die Antriebsleistung dieser Zweistufigen-Rotationskolbenmaschine ist sehr gering gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen gleicher Heizleistungen. Das liegt nicht nur an den fehlenden Totpunkten, sondern der Innendruck im Verdichtungsbereich erzeugt in der kleinen integrierten Flügelpumpe 38 im Rotor ein Drehmoment in Antriebsrichtung, welches die Antriebsleistung verringert.
Nach Verlassen des Druckgases aus der integrierten Flügelpumpe 38, erzeugt der Restdruck im Wärmetauscher kalt 50 noch mal ein kleines Drehmoment, welcher die Antriebsleistung nochmals verringert. Durch die niedrige Temperatur sind aber der Druck und das gewonnene Drehmoment entsprechend niedrig.
Durch Nacherwärmung des Wärmetauschers kalt 50 wird nicht nur die Antriebsenergie aufgehoben, sondern die Maschine läuft jetzt selbst als Heißgasmotor.
Herkömmliche Wärmekältemaschinen mit einem flüssigen Kältemittel, welche mit einem Drosselventil arbeiten, können nur mit einer bestimmten Drehzahl eine entsprechende Leistung erzielen. Bei langsamen Umdrehungen kommt keine oder fast keine Verdichtung zustande und bei hohen Umdrehungszahlen wird die Maschine überfordert und kann dabei zerstört werden. Wenn die Drehrichtung des Antriebsmotors geändert wird, so ändern sich bei Hubkolbenverdichtern die Temperaturen nicht.
Dieser Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter kann im Prinzip auch trocken ohne Öl arbeiten, da hier nur Gleitreibung anfällt und keine Reibflächen unter Druck sich bewegen müssen.
Trotzdem ist es günstiger eine leichte Ölschmierung vorzunehmen, welches die Gleitreibung verringert und die Feinabdichtung verbessert.
Zu diesem Zweck wird die Welle 24 hohlgebohrt und mit einer Ölfüllung 60 versehen und am Wellenstumpf 25 mit einer Ölverschlussschraube 61 fest verschlossen. Durch dieses Öl gleiten die dünnen Verbindungsbolzen 34'34' und streifen etwas in den Rotorschlitzen 21'21' ab und die Flügel 30'30' verteilen es dann durch ihre Bewegung.
Im Innengehäuse im Bereich des Sektors IV wo der Rotor 20, 20.1 mit dem Gehäuse in Berührung ist, kann eine Ölnut 62 angebracht werden, die auch die Gehäusestirnwandrundung 28 mit einschließt, welche mit einem Ölvorrat verbunden sein muss.
Jetzt kann die Dichtungslasche 32 oder die doppelseitige Dichtungslasche 33 mit ihrer Außenseite Öl aufnehmen und im ganzen Innenraum verteilen, die Gleitreibung verringern und die Feinabdichtung optimieren.

10: Gehäuse
11 11.1: Gehäusedeckel
12: Niederdruckeingang
13: Mitteldruckausgang
14: Mitteldruckeingang
15: Hochdruckausgang
16: Sperrsegment
17: Durchlassschlitze
18'18': parabelförmige Gleitbahn
19: kreisbogenförmige Innenwand
20 20.1: Rotor
21'21': Rotorschlitz
22: Durchgangsbohrungen
23: Ringnut
24: Welle
25: Wellenstumpf
26'26': Rollenlager
27'27': Rotorkantenrundung
28'28': Gehäusestirnwandrundung
30'30': Flügel
31'31': Flügelstirnflächen
32'32': Dichtungslasche
33: doppelseitige Dichtungslaschen
34'34': dünne Verbindungsbolzen
35'35': Flügeleckenrundung
36: Überströmkanäle
37: Rückschlagventil
38: integrierte Flügelpumpe
40: Wärmetauscher heiss
41: Mitteldruckzuleitung
42: Mitteldruckrückleitung
43: Unterdruckeingang
44: Niederdruckausgang
45: Druckausgleichsleitung
46: Druckausgleichskolben
47: Druckausgleichsstutzen
48: Druckausgleichszylinder
50: Wärmetauscher kalt
51: Unterdruckzuleitung
52: Unterdruckrückleitung
60: Ölfüllung
61: Ölverschlussschraube
62: Ölnut

Claims

Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter mit selbststeuernden Radialflügeln als Wärme-Kältemaschine oder Heißgasmotor, bestehend aus einem Gehäuse (10) mit mindestens einem Gehäusedeckel (11) einem Rotor (20), indem vier Rotorschlitze (21'21') eingearbeitet sind, in denen sich radialbewegliche Flügel (30'30') befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (30'30') durch zwei dünne Verbindungsbolzen (34'34')mit dem gegenüberliegenden Flügel (30'30') über Durchgangsbohrungen (22) der Rotorschlitze (21'21') fest verbunden sind.
Zweistufige-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (30'30') des Verdichters mit einer Flügeleckenrundung (35'35') versehen sind, welche der Gehäusestirnwandrundung (28'28') der Rotorkantenrundung (27'27'), und dem Flügelhub entspricht.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (30'30') durch parabelförmige Gleitbahnen (18'18') gesteuert werden, durch denen Durchlassschlitze (17) zum Niederdruckeingang (12) führen und über die Überströmkanäle (36) mit dem Mitteldruckausgang (13) verbunden sind.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine durchgehende, hervorstehende Dichtungslasche (32'32') an den Flügeln (30'30') an einer Seite oder doppelseitige Dichtungslaschen (33) angebracht sind und am Rotor (20) zugehörige Ausnehmungen vorhanden sind.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder beiden Stirnseiten des Rotors (20) ein Verdichter (38) im gleichem Gehäuse integriert ist, welcher durch eine Ringnut (23) entsteht, welche an der Stirnseite des Rotors (20) eingearbeitet ist, in der ein Sperrsegment (16) hineinragt, welches am Gehäusedeckel (11) befestigt ist.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusedeckel (11) der Mitteldruckeingang (14) und der Hochdruckausgang (15) angebracht sind.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass am Mitteldruckausgang (13) die Mitteldruckzuleitung (41) des Wärmetauschers heiss (40) und über die Mitteldruckrückleitung (42) am Mitteldruckeingang (14) des Gehäusedeckels (11) angeschlossen ist.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass für Hochdruckverdichtung ein Rückschlagventil (37) am Mitteldruckausgang (13) angebracht ist.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass am Hochdruckausgang (15) die Unterdruckzuleitung (51) des Wärmetauschers kalt (50) über die Unterdruckrückleitung (52) am Unterdruckeingang (43) der zweite Rotationskolben (20.1) angeschlossen ist.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleichgroße Rotoren (20; 20.1) in einem Gehäuse (10) spiegelverkehrt angeordnet sind, ein gemeinsames Mittellager besitzen und durch eine Steckverbindung getrennt werden können.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass am Niederdruckausgang (44) die Druckausgleichsleitung (45) angeschlossen ist, welche eine Verbindung zum Niederdruckeingang (12) und gleichzeitig eine Verbindung zum Druckausgleichszylinder (48), mit Druckausgleichskolben (46) und Druckausgleichsstutzen (47), herstellt.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass im Sektor IV des Gehäuses eine Ölnut (62) angebracht ist, wodurch die gesamte Gehäuseinnenwand durch die Flügelstirnflächen (31'31') mit deren Flügeleckenrundung (35'35') und seinen Dichtungslaschen (32'32') oder die doppelseitigen Dichtungslaschen (33), mit Öl benetzt werden.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass eine Ölfüllung (60) in der hohlgebohrten Welle (24) vorhanden ist und am Wellenstumpf (25) mit einer Ölverschlussschraube (61) fest verschlossen ist.
Zweistufiger-Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass durch Weglassen des zweiten Rotors (20.1) und durch Weglassen des Wärmetauschers (50) eine einfache, preisgünstige, umweltfreundliche und energiesparende Wärme-Kältemaschine entsteht, gemäß 8, wenn an den Flügeln (30'30') die doppelseitigen Dichtungslaschen angebracht sind.