-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fluid-Verdrängungsmaschine und insbesondere
eine Fluidmaschine mit den Funktionen des Expandierens und Komprimierens
eines Kältemittels
in einem Kältemaschinen-Kreisprozeß.
-
Es
ist zum Beispiel eine Fluidmaschine zur Verwendung in Verbindung
mit einem Kältemaschinen-Kreisprozeß bekannt,
die eine Expansionseinheit und eine Kompressionseinheit umfaßt.
-
Zum
Beispiel ist in der
JP-A-8-82296 eine Technik
beschrieben, bei der sich die Expansionseinheit und die Kompressionseinheit,
die beide vom Wälzkolbentyp
sind, in einem gemeinsamen Gehäuse
befinden, wobei die Hauptwellen der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit
koaxial miteinander verbunden sind und die Expansionsenergie des
Kältemittels,
das in die Expansionseinheit strömt, dazu
verwendet wird, die Hauptwellen und damit die Kompressionseinheit
anzutreiben.
-
Im
Expansionsprozeß des
Kältemaschinen-Kreisprozesses
wird daher Treibkraft gewonnen und im Kompressionsprozeß wiederverwendet,
so daß der
Leistungsfaktor (COP) des Kältemaschinen-Kreisprozesses
erhöht
wird.
-
Bei
der in der
JP-A-8-82296 beschriebenen Fluidmaschine
ist zwischen der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit ein
Hilfsmotor angeordnet, der mit den Wellen der Expansionseinheit und
der Kompressionseinheit verbunden ist. Die Phasen dieser Wellen
sind derart gegeneinander verschoben, daß die Drehposition der Expansionseinheit
zum Zeitpunkt der Erzeugung des maximalen Drehmoments mit der Drehposition
der Kompressionseinheit zum Zeitpunkt des Entstehens des maximalen
Lastmoments zusammenfällt.
-
Bei
der Fluidmaschine der
JP-A-8-82296 ist ein
ausreichendes Start-Drehmoment sichergestellt, da zum Zeitpunkt
des Startens der Fluidmaschine der Hilfsmotor ein Drehmoment auf
die Hauptwelle überträgt.
-
Bei
einer Anordnung, bei der sich ein Hilfsmotor mit im Gehäuse befindet,
wird jedoch der Aufbau der Fluidmaschine kompliziert. Die Größe der Fluidmaschine
nimmt zu, und die Herstellungskosten steigen an.
-
Wenn
jedoch die Fluidmaschine keine Energiequelle wie einen Hilfsmotor
aufweist, kann sie nicht gestartet werden, wenn die Expansionseinheit kein
Start-Drehmoment abgeben kann, das größer ist als das Lastmoment
(die Haftreibungskraft) der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, das stabile Starten einer Fluidmaschine
mit einer Expansionseinheit und einer Kompressionseinheit ohne Verwendung
eines Hilfsmotors zu ermöglichen.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Fluidmaschine befinden
sich die Expansionseinheit und die Kompressionseinheit in einem
Gehäuse,
damit das die in die Expansionseinheit eintretende und expandierende
Fluid die Expansionseinheit antreibt und die Antriebskraft die Kompressionseinheit
antreiben kann.
-
Die
Expansionseinheit ist eine Expansionseinheit vom Spiraltyp mit einer
feststehenden Spirale und einer Umlaufspirale, die jeweils durch
aufrechtes Anbringen von Spiralblättern an entsprechenden Plattenelementen
ausgebildet werden und die miteinander in Eingriff stehen, um eine
Anzahl von Arbeitsräumen
dazwischen auszubilden; mit einer Zuflußöffnung, die sich im Mittelabschnitt
der feststehenden Spirale öffnet;
mit einem Auslaß für das Fluid,
der sich am äußeren Umfangsabschnitt
der feststehenden Spirale öffnet;
und mit einem ersten exzentrischen Wellenabschnitt, der mit der
Umlaufspirale verbunden ist. Die Kompressionseinheit ist eine Kompressionseinheit
vom Wälzkolbentyp
mit einem Zylinder; mit Verschlußplatten zum Verschließen der beiden
Enden des Zylinders; mit einer zylindrischen Rolle, die innerhalb
des Zylinders exzentrisch rotiert; mit einem Schieberabschnitt,
der mit der äußeren Umfangsfläche der
Rolle in Kontakt steht, um den Raum aufzuteilen, der durch den Zylinder,
die Rolle und die Verschlußplatten
festgelegt wird; mit einer Feder, die den Schieberabschnitt gegen
die Rolle drückt;
und mit einem zweiten exzentrischen Wellenabschnitt, der mit der
Rolle verbunden ist.
-
In
einem Kältemaschinen-Kreisprozeß kann die
Expansionseinheit einer solchen Fluidmaschine zum Beispiel nach
dem Kompressor angeordnet sein. Wenn der Kompressor betrieben wird,
fließt durch
die mittige Zuflußöffnung der
feststehenden Spirale Kältemittel
unter hohem Druck in dem Arbeitsraum, der sich an der innersten
Peripherie befindet. Der Druck im Arbeitsraum an der Auslaßseite der Expansionseinheit
ist dabei kleiner als der Druck im Arbeitsraum auf der Seite der
Zuflußöffnung.
Dieser Druckunterschied erzeugt am Rotationsmittelpunkt der Hauptwelle
der Umlaufspirale eine radiale Kraft, durch die ein Drehmoment entsteht.
-
Die
vom Kältemittel
erzeugte radiale Kraft hat dann die größte Wirkung, wenn der mit der
Zuflußöffnung in
Verbindung stehende Arbeitsraum sein maximales Volumen hat. Das
Volumen des Arbeitsraums ändert
sich jedoch mit der Umlaufbewegung der Umlaufspirale und nimmt unmittelbar
nach Erreichen des maximalen Volumens drastisch ab. Die Drehposition
der Umlaufspirale kann somit in eine Position gebracht werden, in
der das Volumen des mit der Zuflußöffnung in Verbindung stehenden
Arbeitsraumes maximal ist. Damit in der Expansionseinheit das maximale
oder nahezu maximale Drehmoment erzeugt wird, kann mit dieser Position
als Grenze die Drehposition der Umlaufspirale in den Bereich von –45° von dieser
Grenzposition gelegt werden.
-
Die
Kompressionseinheit befindet sich ihrerseits zwischen der Auslaßseite der
Expansionseinheit und der Einlaßseite
des Kompressors. Im Zylinder der Kompressionseinheit kann daher
der Druck im auslaßseitigen
Arbeitsraum kleiner sein als im einlaßseitigen Arbeitsraum. Beide
Arbeitsräume
werden vom Schieber festgelegt. Das heißt, daß das Kältemittel, das vom Einlaß in den
Zylinder strömt,
aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Arbeitsräumen die
Rolle in eine Position bewegt, in der das Volumen des einlaßseitigen
Arbeitsraumes maximal ist, und dadurch ein Drehmoment an der Hauptwelle erzeugt.
Die Drehrichtung des Start-Drehmoments, das von der Expansionseinheit
erzeugt wird, fällt
daher mit der Drehrichtung des Start-Drehmoments zusammen, das von
der Kompressionseinheit erzeugt wird.
-
Auf
diese Weise kann durch Vorsehen eines vorgegebenen Phasenunterschieds
zwischen dem ersten exzentrischen Wellenabschnitt der Expansionseinheit
und dem zweiten exzentrischen Wellenabschnitt der Kompressionseinheit
gleichzeitig sowohl an der Expansionseinheit als auch der Kompressionseinheit
ein Start-Drehmoment erzeugt werden. Damit die Hauptwelle mit diesem
Start-Drehmoment in Drehung versetzt werden kann, müssen jedoch
die Umlaufspirale und die Rolle immer an den Positionen zum Stehen
kommen, bei denen dieses Start-Drehmoment größer ist als das Lastmoment
(die Haftreibungskraft) der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit.
-
Im
Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung steht die Tatsache, daß aufgrund
der Druckkraft des Schieberabschnitts die Rolle in der Kompressionseinheit
immer in der Position zur Ruhe kommt, in der die Länge der
Feder maximal ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der
Drehposition der Rolle bei maximal ausgedehnter Feder zwischen dem
ersten exzentrischen Wellenabschnitt und dem zweiten exzentrischen
Wellenabschnitt ein Phasenunterschied derart vorgesehen wird, daß die Drehposition
der Umlaufspirale innerhalb des Bereiches von –45° von der Drehposition liegt,
die als Dreh-Grenzposition dient, wodurch das Volumen des Arbeitsraumes
maximal wird, der mit der Zuflußöffnung in
Verbindung steht.
-
Durch
diese Anordnung werden die Drehpositionen des ersten und des zweiten
exzentrischen Wellenabschnitts beim Stoppen der Fluidmaschine jeweils
immer in im wesentlichen die gleiche Stellung gebracht. Beim Starten
ist dann das von der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit
erzeugte Start-Drehmoment im wesentlichen maximal, wodurch auch
ohne Hilfsmotor ein stabiler Anlauf erhalten wird.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Fluidmaschine ist
außerdem
der Leistungsfaktor wesentlich erhöht, da im Expansionsprozeß de Treibkraft
wiedergewonnen wird, wenn zum Beispiel im Kältemaschinen-Kreisprozeß Kohlendioxid
als Arbeitsfluid verwendet wird.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird in einer Fluidmaschine mit einer
Expansionseinheit und einer Kompressionseinheit ohne Hilfsmotor
ein stabiler Anlauf erreicht.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine Schnittansicht einer Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet
wird;
-
2 eine
schematische Ansicht eines Kältemaschinen-Kreisprozesses mit
der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird;
-
3 ein
Mollier-Diagramm des Kältemaschinen-Kreisprozesses
mit der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird;
-
4 zeigt
Schnittansichten der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit
der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird; und
-
5 ein
Diagramm für
die einzelnen Kurbelwinkel der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit
der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird.
-
Genaue Beschreibung der Erfindung
-
Anhand
der beiliegenden Zeichnungen erfolgt nun eine Beschreibung einer
Ausführungsform der
Erfindung. Die 1 ist eine Schnittansicht einer Fluidmaschine,
bei der die Erfindung angewendet wird. Die 2 ist eine
schematische Ansicht eines Kältemaschinen-Kreisprozesses
mit der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird. Die 3 zeigt
ein Mollier-Diagramm des Kältemaschinen-Kreisprozesses
mit der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird. Die 4 zeigt Schnittansichten
der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit der Fluidmaschine,
bei der die Erfindung angewendet wird. Die 5 ist ein
Diagramm für
die einzelnen Kurbelwinkel der Expansionseinheit und der Kompressionseinheit
der Fluidmaschine, bei der die Erfindung angewendet wird.
-
Bei
dem Kältemaschinen-Kreisprozeß der vorliegenden
Ausführungsform
wird als Arbeitsfluid (das im folgenden passend als "Kältemittel" bezeichnet wird) Kohlendioxid (R744)
verwendet. Kohlendioxid (R744) ist ein Kältemittel mit einem geringen
Einfluß auf
die globale Erwärmung
und eines von mehreren tausend Fluorkohlenwasserstoff-Kältemitteln, das
unter dem Gesichtspunkt des globalen Schutzes der Umwelt ausgezeichnete
Eigenschaften aufweist. Auf der anderen Seite hat Kohlendioxid (R744)
den Nachteil, daß der
theoretische Leistungsfaktor (COP) im Mollier-Diagramm für Hochdruck-Kältemittel
niedrig ist. Da der Energieverlust von R744 im Expansionsprozeß größer ist
als der eines Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittels,
kann durch eine Wiedergewinnung dieser Triebkraft im Expansionsprozeß der Leistungsfaktor
(COP) deutlich erhöht
werden.
-
Die
Fluidmaschine der Ausführungsform
ist mit einer Expansionseinheit 1 vom Spiraltyp und einer
Kompressionseinheit 3 vom Wälzkolbentyp versehen, die beide
in einem gemeinsamen, hermetisch geschlossenen Gehäuse 9 untergebracht
sind, das einen Expander/Kompressor bildet. In dieser Maschine sind
die Antriebswellen (Hauptwellen) der Expansionseinheit 1 und
der Kompressionseinheit 3 koaxial verbunden, um die Triebkraft
wiederzugewinnen, die im Expansionsprozeß des Kältemittels in der Expansionseinheit 1 entsteht,
um damit die Kompressionseinheit 3 zur Ausführung der
Kompressionsarbeit anzutreiben.
-
Die
Expansionseinheit 1 weist eine feststehende Spirale 5 und
eine Umlaufspirale 7 auf, die einander gegenüber angeordnet
sind. Jede der Spiralen wird durch das aufrechte Vorsehen einer
Spiralform auf einer scheibenartigen Spiegelplatte ausgebildet. Die
feststehende Spirale 5 und die Umlaufspirale 7 stehen
in Eingriff und bilden dazwischen eine Anzahl von Arbeitsräumen aus.
Die feststehende Spirale 5 ist an einem Rahmen 11 befestigt,
der am hermetisch geschlossenen Gehäuse 9 befestigt ist.
-
Am
Einlaß 13,
der sich im Mittelabschnitt der feststehenden Spirale 5 öffnet, ist
eine perforierte Zuflußleitung 15 vorgesehen,
und am Auslaß 17,
der sich am Umfangsabschnitt der feststehenden Spirale 5 öffnet, ist
eine perforierte Abflußleitung 19 vorgesehen.
In der Mitte der Oberfläche
der Umlaufspirale 7, die der mit der Spiralform versehenen
Oberfläche
gegenüberliegt,
ist ein Lager 23 ausgebildet. Eine exzentrische Expanderwelle 21a ist
derart gleitend in das Lager 23 eingesetzt, daß die Umlaufspirale 7 von der
exzentrischen Expanderwelle 21a gehalten wird. Diese exzentrische
Expanderwelle 21a ist gleitend mit einem Ende einer Kurbelwelle 21 verbunden,
die sich um eine Mittelachse L1 dreht. Die Umlaufspirale 7 dreht
sich damit mit einer vorgegebenen Exzentrizitätsrate bezüglich der feststehenden Spirale 5 um die
Mittelachse L1, um die Arbeitsräume
zur äußeren Umfangsseite
zu verschieben, während
sich das Fassungsvermögen
der Arbeitsräume
vergrößert. Die
Umlaufbewegung der Umlaufspirale 7 wird durch einen Oldham-Ring 25 gesteuert.
-
Die
Kompressionseinheit 3 besteht aus einem Zylinder 31 mit
einer zylindrischen Innenfläche, mit
einer Endplatte 27 und dem Rahmen 11, die jeweils
eine der beiden Endflächen
des Zylinders 31 verschließen, mit einer zylindrischen
Rolle 33, die dem Zylinder 31 eine exzentrische
Drehbewegung erteilt, mit einem plattenartigen Schieber 35,
der sich in einer Nut 37 im Zylinder 31 hin und
her bewegt, wobei seine Endfläche
mit der äußeren Umfangsfläche der
Rolle 33 in Kontakt steht, um den Raum zwischen dem Zylinder 31 und
der Rolle 33 in eine Ansaugkammer 39 und eine
Kompressionskammer 41 aufzuteilen, und mit einer Feder 43,
die am hinteren Ende des Schiebers 35 angeordnet ist, um
den Schieber 35 gegen die äußere Umfangsfläche der Rolle 33 zu
drücken.
Eine exzentrische Kompressorwelle 21b, die mit dem anderen
Ende der Kurbelwelle 21 verbunden ist, ist drehbar in die
Rolle 33 eingesetzt.
-
Der
Zylinder 31 ist mit einem Einlaß 45 und einem Auslaß 47 für das Kältemittel
versehen. Am Einlaß 45 ist
eine Zuflußleitung 45 eingedreht,
während
mit dem Auslaß 47 ein
Auslaßventil 51 und
eine Abflußleitung 53 verbunden
sind.
-
Auf
diese Weise sind über
die exzentrische Expanderwelle 21a, die exzentrische Kompressorwelle 21b und
die Kurbelwelle 21 die Umlaufspirale 7 der Expansionseinheit 1 und
die Rolle 33 der Kompressionseinheit 3 unter einem
vorgegebenen Drehwinkel miteinander verbunden.
-
Es
erfolgt nun eine Beschreibung der Arbeitweise, wenn ein Arbeitsfluid
durch die beschriebene Fluidmaschine strömt.
-
Nach
dem Eintreten des unter hohem Druck stehenden Arbeitsfluids durch
die Zuflußleitung 15 der
Expansionseinheit 1 in den Arbeitsraum an der innersten
Peripherie wird durch die Druckabnahme und Expansion des Arbeitsfluids
die Umlaufspirale 7 in eine Umlaufbewegung um die Mittelachse
L1 versetzt. Diese Umlaufbewegung der Umlaufspirale 7 verschiebt
die Arbeitsräume
zur äußeren Umfangsseite,
während
das Fassungsvermögen
der Arbeitsräume
zunimmt, so daß das
Arbeitsfluid im drucklosen Zustand an der Abflußleitung 19 abgegeben wird.
Die Umlaufbewegung der Umlaufspirale 7 ermöglicht eine
Drehung der Kurbelwelle 21, die an ihrem einen Ende mit
der exzentrischen Expanderwelle 21a versehen ist.
-
In
der Kompressionseinheit 3 am anderen Ende der Kurbelwelle 21 versetzt
die durch die Expansionseinheit 1 erzeugte Drehung der
Kurbelwelle 21 mittels der exzentrischen Kompressorwelle 21b die
Rolle 33 im Zylinder 31 in eine exzentrische Rotation.
Die exzentrische Rotation der Rolle 33 veranlaßt den Schieber 35,
in der Nut 37 in eine hin- und hergehende Bewegung auszuführen, während der Schieber 35 durch
die Feder 43 gegen die äußere Umfangsfläche der
Rolle 33 gedrückt
wird.
-
Die
beiden Arbeitsräume
bzw. die Ansaugkammer 39 und die Kompressionskammer 41,
die durch den Schieber 35 im Zylinder 31 ausgebildet werden, ändern ihr
Fassungsvermögen
mit der exzentrischen Rotation der Rolle 33. Das sich auf
niedrigem Druck befindliche Arbeitsfluid wird, wenn es durch die
Zuflußleitung 49 in
die Ansaugkammer 39 eingesaugt wird, mit der Abnahme des
Volumens der Ansaugkammer 39 auf einen vorgegebenen Druck komprimiert.
Das komprimierte Arbeitsfluid wird dann durch das Auslaßventil 51 in
die Abflußleitung 53 abgegeben.
-
Bei
der Fluidmaschine der vorliegenden Ausführungsform wird die Expansionsenergie,
die bei der Expansion des Arbeitsfluids in der Expansionseinheit 1 entsteht,
dazu genutzt, die Kompressionseinheit 3 anzutreiben. Die
so angetriebene Kompressionseinheit 3 kann dann das Arbeitsfluid
komprimieren. Auf diese Weise kann das Arbeitsfluid expandiert und komprimiert
werden, ohne daß ein
Elektromotor oder dergleichen verwendet wird.
-
Anhand
der 2 und 3 erfolgt nun eine Beschreibung
der Anordnung und der Durchführung eines
Kältemaschinen-Kreisprozesses mit
der beschriebenen Fluidmaschine.
-
Der
Kältemaschinen-Kreisprozeß der vorliegenden
Ausführungsform
wird von einer Kompressoreinheit 61, einem Radiator (Gaskühler) 63,
einer Fluidmaschine 65, einem Verdampfer 67 und
einem Expansionsventil 69 ausgeführt, die alle über Kältemittelleitungen
verbunden sind. Die Kompressoreinheit 61 umfaßt einen
Hauptkompressor 71 und einen Elektromotor 73, die
sich in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse befinden. Der Verdampfer 67 ist
mit der Fluidmaschine 65 verbunden, d.h. er ist zwischen
die Expansionseinheit 1 und die Kompressionseinheit 3 (die
auch als "Subkompressor" bezeichnet werden
kann) geschaltet. Das Expansionsventil 69 ist in einem
Bypass angeordnet, der die Expansionseinheit 1 mit dem
Verdampfer 67 verbindet. Das Expansionsventil 69 ist
immer geschlossen, es sei denn, daß zum Beispiel die Durchflußrate (oder der
Druck) eingestellt wird, wenn sich die Betriebsbedingungen des Kreisprozesses ändern.
-
Das
im Hauptkompressor 71 komprimierte und sich auf hoher Temperatur
und hohem Druck befindliche Kältemittel
(in der 3 der Zustand am Punkt C) wird
am Auslaß der
Kompressoreinheit 61 abgegeben, läuft durch den Radiator 63,
in dem sich die Temperatur durch Abstrahlung verringert (Punkt D
in der 3) und tritt dann durch die Zuflußleitung 15 in
die Expansionseinheit 1 der Fluidmaschine 65 ein.
Die Expansionsenergie des Kältemittels,
das in die Expansionseinheit 1 eingetreten ist, wird im
Expansionsprozeß in
mechanische Energie umgewandelt, um die Kompressionseinheit 3 anzutreiben,
und wird dann an der Abflußleitung 19 in
der Form eines zweiphasigen Flüssigkeits-Dampf-Kältemittels
mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck abgegeben (Punkt E
in der 3).
-
Das
Kältemittel,
das von der Expansionseinheit 1 abgegeben wird, tritt in
den Verdampfer 67 ein, in dem es durch eine endotherme
Reaktion in Gas übergeführt wird,
und wird dann durch die Zuflußleitung 49 in
die Kompressionseinheit 3 der Fluidmaschine 65 gesaugt
(Punkt A in der 3). Das Kältemittel, das in die Kompressionseinheit 3 geflossen
ist, wird geringfügig
unter Druck gesetzt und durch die Ablaßleitung 53 abgegeben
(Punkt B in der 3). Das von der Kompressionseinheit 3 abgegebene gasförmige Kältemittel
kehrt dann zum Hauptkompressor 71 zurück, um wieder unter Druck gesetzt und
in ein gasförmiges
Kältemittel
hoher Temperatur und hohem Druck umgewandelt zu werden. Der beschriebene
Kreisprozeß wird
wiederholt, um den Kühlbetrieb
durchzuführen.
-
Die
beschriebene Verwendung der Fluidmaschine 65 der Ausführungsform
in einem Kältemaschinen-Kreisprozeß ermöglicht die
Wiedergewinnung der Expansionsenergie in der Expansionseinheit 1 in
der Form einer Triebkraft und die Verwendung dieser gewonnenen Triebkraft
als Antriebsquelle der Kompressionseinheit 3 in einem Teil
des Kompressionsprozesses (zwischen den Punkten A und B der 3).
Dadurch verringert sich die Last am Hauptkompressor 71 entsprechend,
so daß der
Leistungsfaktor (COP) des Kältemaschinen-Kreisprozesses
zunimmt.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird als Kältemittel
im Kältemaschinen-Kreisprozeß Kohlendioxid
verwendet. Auch bei einer Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffen
kann der Leistungsfaktor erhöht
werden, die Verbesserung ist allerdings nicht so groß wie bei
der Verwendung von Kohlendioxid.
-
Im
folgenden wird die Arbeitsweise beim Starten des Kältemaschinen-Kreisprozesses
beschrieben.
-
Der
Innendruck ist unmittelbar vor dem Starten des Kältemaschinen-Kreisprozesses
im wesentlichen gleichmäßig und
ausgeglichen. Bei einem solchen ausgeglichenen Druck wird mit dem
Betrieb des Hauptkompressors 71 begonnen, um den Kältemaschinen-Kreisprozeß zu starten.
-
Beim
Starten des Betriebs des Hauptkompressors 71 ist das Expansionsventil 69 geschlossen.
Dadurch verringert sich der Druck auf der Zuführseite und erhöht sich
der Druck auf der Abgabeseite des Hauptkompressors 71,
wenn die Drehzahl des Hauptkompressors 71 zunimmt. Das
unter hohem Druck stehende Kältemittel,
dessen Druck erhöht
wurde, erreicht über
den Radiator 63 und die Zuflußleitung 15 den Arbeitsraum
(in der 4 mit dem Bezugszeichen 71a bezeichnet)
an der innersten Peripherie der Expansionseinheit 1. Da
in den den Arbeitsraum an der innersten Peripherie umgebenden Arbeitsräu men der
Druck erhalten bleibt, der sich vor dem Starten eingestellt hat,
erzeugt der Druckunterschied zwischen den Arbeitsräumen an
der Umlaufspirale 7 eine radiale Kraft zur Mittelachse
L1 der Kurbelwelle 21, wodurch ein Drehmoment entsteht.
-
Das
Drehmoment zum Zeitpunkt des Startens (Start-Drehmoment) beginnt
die Kurbelwelle 21 zu drehen, wenn es größer wird
als die Haftreibungskräfte
an den gleitenden Abschnitten der Expansionseinheit 1 und
der Kompressionseinheit 3 der Fluidmaschine 65.
Die Größen der
Arbeitsräume
hängen
von der Drehposition der Umlaufspirale 7 im statischen
Zustand ab. Insbesondere gilt hinsichtlich des Volumens des Arbeitsraumes 71a,
der sich an der innersten Peripherie befindet (im folgenden auch einfach
als "Arbeitsraum 71a" bezeichnet) und
der mit dem Einlaß 13 in
Verbindung steht, daß,
je größer das
Volumen ist, um so größer die
radiale Kraft des Kältemittels
ist, wodurch das Start-Drehmoment ansteigt. Damit der Arbeitsraum 71a,
der mit dem Einlaß 13 in
Verbindung steht, ein Start-Drehmoment erzeugt, das ausreichend
größer ist
als die Haftreibungskräfte
an den gleitenden Abschnitten, muß daher sichergestellt werden,
daß der
Arbeitsraum 71a im statischen Zustand ein bestimmtes Volumen
aufweist.
-
Eine
Verringerung des Drucks auf der Zuführseite des Hauptkompressors 71 kann
den Druck in der Kompressionskammer 41 und in dem damit
in Verbindung stehenden Raum in der Kompressionseinheit 3 der
Fluidmaschine 65 herabsetzen. Da der Druck in der Ansaugkammer 39 der
Kompressionseinheit 3 so bleibt, wie er sich im angehaltenen
Zustand eingestellt hat, ergibt sich ein Druckunterschied zwischen
den beiden Arbeitsräumen,
d.h. der Ansaugkammer 39 und der Kompressionskammer 41.
Dieser Druckunterschied ermöglicht
es der Rolle 33, sich in eine Drehposition zu bewegen,
in der das Volumen der Ansaugkammer 39 maximal ist, während sich
die Kurbelwelle 21 drehen kann, um ein Drehmoment zu erzeugen.
Die Richtung dieses Drehmoments ist die gleiche wie die Drehrichtung
der Ex pansionseinheit 1. Im Ergebnis erhöht sich
das Drehmoment der Fluidmaschine 65 zum Zeitpunkt des Anlaufens.
-
Auf
diese Weise kann, wenn die Umlaufspirale 7 und die Rolle 33 zum
Starten in bestimmten Drehpositionen angehalten wurden, die Fluidmaschine 65 im
Kältemaschinen-Kreisprozeß zum Zeitpunkt des
Anlaufens sowohl an der Expansionseinheit 1 als auch der
Kompressionseinheit 3 ein Start-Drehmoment erzeugen. Mit
anderen Worten ist es erforderlich, daß zum Vorbereiten des folgenden
Starts in der Fluidmaschine 65 im gestoppten Zustand die
Umlaufspirale 7 und die Rolle 33 immer an den
Positionen stehenbleiben, bei denen das Start-Drehmoment größer ist
als die Haftreibungskräfte.
Zu diesem Zweck werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Rotationsphasen
der exzentrischen Expanderwelle 21a und der exzentrischen
Kompressorwelle 21b bezüglich
der Mittelachse L1 der Kurbelwelle so festgelegt, daß der Drehwinkel
zwischen der Expansionseinheit 1 und der Kompressionseinheit 3 definiert
ist.
-
In
der Kompressionseinheit 3 der Fluidmaschine 65 wird
durch die Feder 43 über
den Schieber 35 konstant Druck auf die Rolle 33 ausgeübt. Wenn die
Fluidmaschine 65 steht, bewegt sich daher die Rolle 33 durch
die Druckkraft der Feder 43 in die Drehposition, in der
die Länge
der Feder am größten ist
(den unteren Totpunkt des Schiebers), und bleibt dann stehen. Das
heißt,
daß die
Rolle 33 an der Position stehenbleibt, in der das Volumen
der Ansaugkammer 39 und das Volumen der Kompressionskammer 41 gleich
groß sind.
Wenn dann der Kältemaschinen-Kreisprozeß in dem
Zustand startet, in dem sich die Rolle 33 im unteren Totpunkt
des Schiebers befindet, verringert sich der Druck auf der Abgabeseite
der Kompressionseinheit 3, und zwischen der Ansaugkammer 39 und
der Kompressionskammer 41 entsteht ein Druckunterschied,
der es der Rolle 33 erlaubt, sich in die Drehposition zu
bewegen, in der das Volumen der Ansaugkammer 39 maximal
ist. Während
dieser Bewegung der Rolle 33 wird das Start-Drehmoment
erhalten.
-
Wie
beschrieben wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Drehposition
der Umlaufspirale 7 derart festgelegt, daß in dem
Zustand, in dem sich die Rolle 33 der Kompressionseinheit 3 in
der Drehposition befindet, in der sich der Schieber im unteren Totpunkt
befindet, das von der Expansionseinheit 1 erzeugte Drehmoment
maximal wird. Das heißt,
daß die
Drehposition der exzentrischen Expanderwelle 21a so festgelegt
wird, daß das
Volumen des Arbeitsraumes 71a, der mit der Zuflußöffnung der
Expansionseinheit 1 in Verbindung steht, maximal wird.
-
Die 5 zeigt
beispielhaft die Umlaufspirale 7 bei verschiedenen Kurbelwinkeln
relativ zu der Position des Schiebers und das Start-Drehmoment. Es
ist ersichtlich, daß in
der Expansionseinheit 1 ein größeres Volumen des Arbeitsraumes 71a,
der mit ein Einlaß 13 in
Verbindung steht, ein größeres Start-Drehmoment
erzeugt, so daß sich
damit die Fluidmaschine besser antreiben läßt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
werden daher die exzentrischen Expander- und Kompressorwellen 21a und 21b bezüglich der
Mittelachse L1 der Kurbelwelle 21 derart mit vorgegebenen
Phasen angeordnet, daß der
Kurbelwinkel, bei dem das Volumen des mit dem Einlaß 13 der
Expansionseinheit 1 in Verbindung stehenden Arbeitsraumes 71a maximal
wird, mit dem Kurbelwinkel zusammenfällt, bei dem die Rolle 33 der
Kompressionseinheit 3 dort steht, wo sich der Schieber
im unteren Totpunkt befindet. Wenn die Fluidmaschine 65 still
steht, befindet sich daher die Umlaufspirale 7 ohne Ausnahme
immer in der Drehposition, in der das Volumen des mit dem Einlaß 13 in Verbindung
stehenden Arbeitsraumes 71a maximal ist, und nach dem Start
des Hauptkompressors 71 beginnt das unter hohem Druck stehende
Kältemittel in
den mit dem Einlaß 13 in
Verbindung stehenden Arbeitsraum 71a zu strömen. Auf
diese Weise wird das maximale Start-Drehmoment erhalten, das mit der
Expansionseinheit 1 erzeugt werden kann.
-
Generell
nimmt das Volumen des Arbeitsraumes 71a einer Expansionseinheit
vom Spiraltyp zu, wenn die Verbindung mit dem Einlaß 13 geöffnet wird,
bis der Arbeitsraum geschlossen wird. Unmittelbar nachdem die Arbeitsräume vollständig geschlossen
wurden, wird jedoch der sich an der innersten Peripherie befindliche
Arbeitsraum durch einen anderen Arbeitsraum ersetzt, der sich weiter
innen an der Peripherie bildet, so daß das Volumen drastisch abnimmt.
Wenn die Drehposition der Umlaufspirale 7 im Stoppzustand
aus der Position verschoben ist, in der die Länge der auf die Rolle 33 drückenden
Feder maximal ist, besteht daher das Risiko, daß der Arbeitsraum in den Zustand
unmittelbar nach dem vollständigen
Schließen
gebracht wird. Da in diesem Fall das von der Expansionseinheit 1 erzeugte Start-Drehmoment
minimal ist, läßt sich
die Fluidmaschine nicht antreiben.
-
Um
diesen Zustand zu verhindern, wird vorzugsweise die Drehposition
(der Kurbelwinkel) der Umlaufspirale 7 im Stoppzustand
etwas nach vorne aus der Drehposition beim vollständigen Schließen des
Arbeitsraumes verschoben. Zum Beispiel wird bezüglich des unteren Totpunkts
des Schiebers die Drehposition, die als Dreh-Grenzposition dient,
bei der das Volumen des mit dem Einlaß 13 der Expansionseinheit 1 in
Verbindung stehenden Arbeitsraumes maximal ist, so festgelegt, daß die exzentrische Expanderwelle 21a im
Winkelbereich von –45° von der
festgelegten Drehposition angeordnet ist. Auf diese Weise wird verhindert,
daß sich
das Start-Drehmoment verringert, auch wenn die Drehposition der Kurbelwelle 21 im
Stoppzustand aus dem unteren Totpunkt des Schiebers verschoben ist,
so daß immer
ein stabiles Anlaufen möglich
ist.
-
Die
beschriebene Fluidmaschine der Ausführungsform ist als Expansionseinheit 1 mit
einem Expander vom Spiraltyp und als Kompressionseinheit 3 mit
einem rotierenden Kompressor vom Wälzkolbentyp ausgerüstet. Die
Rolle 33 in der Kompressionseinheit vom Wälzkolbentyp
wird über
den Schieber 35 durch die Feder 43 so vorgespannt,
daß die
Drehposition der Kurbel welle 21 im Stoppzustand im wesentlichen
immer die gleiche ist, so daß das von
der Expansionseinheit 1 erzeugte Start-Drehmoment in dieser Drehposition maximal
ist. Auch ohne einen Hilfsmotor kann so immer ein stabiles Anlaufen erhalten
werden, was zu einem sehr zuverlässigen Kältemaschinen-Kreisprozeß führt und
eine effiziente Wiedergewinnung der Expansionsenergie ermöglicht.
Da für
die Fluidmaschine keine Antriebseinrichtung wie ein Hilfsmotor erforderlich
ist, werden auch die Kosten für
die Maschine geringer.