DE102007029523A1

DE102007029523A1 - Kraft/Arbeitsmaschine und Expander-Wärmeübertrager-Einheit

Info

Publication number: DE102007029523A1
Application number: DE102007029523A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Heyl; Peter Prof. Kuhn; Frank Obrist
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-02
Also published as: JP2009001270A; US20080314078A1; JP4821035B2; US8141383B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraft/Arbeitsmaschine insbesondere zur Entspannung eines ersten Fluids, insbesondere mit einer Expansionsstufe, die ein inneres Expansionsstufenrad sowie ein äußeres Expansionsstufenrad aufweist, die zwischen gekrümmten Berührflächen einen Arbeitsraum begrenzen, wobei dem inneren Expansionsstufenrad und dem äußeren Expansionsstufenrad ein erstes bewegliches Abstützelement zugeordnet ist, das stirnseitig gegen das innere Expansionsstufenrad sowie das äußere Expansionsstufenrad gedrückt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmeübertrager-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittel einer Klimaanlage, mit einem Wärmeübertrager, umfassend eine erste Rohrelement-Einheit, welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, sowie eine zweite Rohrelement-Einheit, welches von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, wobei über einen Zwischenauslass ein Transfer des ersten Fluids vom Wärmeübertrager an eine Verdichterstufe und über einen Zwischeneinlass ein Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe zum Wärmeübertrager erzielbar ist, wobei ein Auslass-Anschlussverteiler zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe transferierbar ist. Erfindungsgemäß ist in einer Expansionsstufe und/oder einer Verdichterstufe ein Steuerelement angeordnet, das betriebspunktabhängig verstellbar ist und seinerseits ein ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Expander-Wärmeübertrager-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittels einer Klimaanlage, mit einem Wärmeübertrager umfassend eine erste Rohrelement-Einheit, welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, sowie eine zweite Rohrelement-Einheit, welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, wobei über einen Zwischenauslass ein Transfer des ersten Fluids vom Wärmeübertrager an eine Verdichterstufe und über einen Zwischeneinlass ein Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe zum Wärmeübertrager erzielbar ist, wobei ein Auslass-Anschlussverteiler zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe transferierbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Maschine bzw. eine Kraft/Arbeitsmaschine die insbesondere zur Entspannung eines ersten Fluids dient und insbesondere mit einer Expansionsstufe ausgestattet ist, die wiederum ein inneres Expansionsstufenrad sowie ein äußeres Expansionsstufenrad aufweist, welche zwischen gekrümmten Berührflächen einen Arbeitsraum begrenzen, wobei dem inneren Expansionsstufenrad und dem äußeren Expansionsstufenrad ein erstes bewegliches Abstützelement zugeordnet ist, das stirnseitig gegen das innere Expansionsstufenrad sowie das äußere Expansionsstufenrad gedrückt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Expander-Wärmeübertrager-Einheit der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der eine Entspannung sowie ein Wärmetransfer in Bezug auf das erste Fluid mit besonders hohem Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen darstellbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Maschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die zumindest in einem breiten Betriebsbereich einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist und in der genannten Expander-Wärmeübertrager-Einheit einsetzbar ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Anpassung der Kraft/Arbeitsmaschine an unterschiedliche Betriebsbedingungen mit möglichst einfachen Mitteln zu realisieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Expander-Wärmeübertrager-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei ist vorgesehen, eine erste Rohrelement-Einheit, welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, mit einer zweiten Rohrelement-Einheit zu koppeln, welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist. Dabei ist über einen Zwischenauslass ein Transfer des ersten Fluids vom Wärmeübertrager an eine Verdichterstufe und über einen Zwischeneinlass ein Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe zum Wärmeübertrager erzielbar, wobei ein Auslass-Anschlussverteiler zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe transferierbar ist, wobei Verdichterstufe und Expansionsstufe in einem zylindrischen Raumvolumen angeordnet sind, dessen Durchmesser 10% bis 90%, insbesondere 20% bis 70% seiner axialen Länge beträgt. Dabei findet in bevorzugter Weise in der ersten Rohrelement-Einheit ein erster Konditionierungsvorgang statt, in dem zwischen erstem Fluid und Luft Wärme transferiert wird. Anschließend lässt sich das erste Fluid in der Verdichterstufe komprimieren. Auf einem entsprechend erhöhten Druckniveau ist innerhalb der zweiten Rohrelement-Einheit ein zweiter Kühlvorgang realisierbar, in dem das erste Fluid weiter abgekühlt wird. Entsprechend sind der ersten Rohrelement-Einheit und der zweiten Rohrelement-Einheit bevorzugt unterschiedliche Temperaturbereiche zugeordnet, wobei die genannten Temperaturbereiche durch die Zufuhrtemperaturen der Luft einstellbar sind. Nach einer Durchströmung der zweiten Rohrelement-Einheit lässt sich das erste Fluid in der Expansionsstufe derart entspannen, dass technische Arbeit von der Expansionsstufe an die Verdichterstufe übertragen wird, so dass eine innere Energierückgewinnung ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Dabei ist dem ersten beweglichen Abstützelement ein verstellbares Steuerelement zugeordnet, welches abhängig von einem im Betrieb der Expansionsstufe und/oder der Kraft/Arbeitsmaschine veränderlichen Parameter, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druck in einem Einlasskanal und/oder in einem Auslasskanal der Expansionsstufe einstellbar ist. Durch eine Einstellung des Steuerelements ist Einfluss zu nehmen auf die Lage des ersten beweglichen Abstützelements und die an diesem anliegenden Kräfte. Daraus ergibt sich eine selbstregulierende Anpassung des Anpressdrucks des Abstützelements auf die Expansionsstufe. Dadurch kann selbsttätig und in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Expansionsstufe die Anpressung des ersten Abstützelements geändert werden, so dass die Expansionsstufe durch Einstellung günstiger Reibungs- und Kraftverhältnisse an einem wirkungsgradgünstigen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Dabei ist ein verstellbares Steuerelement als beweglicher Kolben oder Stift ausgeführt, der auf einer Vorderseite mit dem einlassseitigen Druck der Expansionsstufe und auf einer Rückseite mit einem auslassseitigen Druck der Expansionsstufe beaufschlagbar ist. Damit kann der Stift in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Kraft/Arbeitsmaschine und getrieben durch das erste Fluid selbst von einer ersten Betriebsposition in eine zweite Betriebsposition überführt werden. In der zweiten Betriebsposition, die bevorzugt beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes des Einlassdruckes eingenommen wird, ändert der Stift bevorzugt einen Zuströmquerschnitt in die Expansionsstufe, so dass weiter bevorzugt eine Leistungsabgabe der Expansionsmaschine reduziert ist.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Dabei ist einer Expansionsstufe eine Verdichterstufe zugeordnet, der ein zweites bewegliches Abstützelement zugeordnet ist, das stirnseitig gegen ein inneres Verdichterrad und/oder ein äußeres Verdichterrad gedrückt wird, wobei dem zweiten beweglichen Abstützelement ein zweites verstellbares Steuerelement zugeordnet ist, welches abhängig von einem im Betrieb der Verdichterstufe und/oder der Kraft/Arbeitsmaschine veränderlichen Parameter, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druck in einem Einlasskanal und/oder in einem Auslasskanal der Verdichterstufe einstellbar ist. Das zweite verstellbare Steuerelement beeinflusst in bevorzugter Weise eine auf das zweite Abstützelement einwirkende Anpresskraft, die das zweite Abstützelement auf die Verdichterstufe weitergibt. Dadurch kann selbsttätig und in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verdichterstufe die Anpressung des Abstützelements geändert werden, so dass die Verdichterstufe durch Einstellung günstiger Reibungs- und Kraftverhältnisse an einem Wirkungsgrad günstigen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen exemplarisch erläutert sind. Hierzu zeigen
1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Wärmeübertrager-Einheit mit einem Fluid-Luft-Wärmeübertrager und einer Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer ersten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit,
2 in einer perspektivischen Darstellung die Wärmeübertrager-Einheit nach 1,
3 einen Längsschnitt durch eine Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer zweiten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit,
4a und 4b je einen Längsschnitt durch eine Verdichter-Einheit einer dritten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit in unterschiedlichen Arbeitspunkten,
5a bis 5d in einer schematischen Darstellung je einen Querschnitt durch die Verdichter-Einheit gemäß den 4a und 4b in aufeinander folgenden Betriebssituationen,
6a und 6b je eine perspektivische Längsschnittdarstellung der Verdichter-Einheit gemäß den 4a und 4b sowie
7 in einer schematischen Darstellung einen Kältemittelkreislauf einer Kfz-Klimaanlage mit einer Wärmeübertrager-Einheit, die eine Expansionsstufe/Verdichter-Einheit mit umfasst.
Eine als so genannte Expander-Wärmeübertrager-Einheit dienende Wärmeübertrager-Einheit 1 einer Kfz-Klimaanlage umfasst entsprechend 1, 2 und 5 einen Wärmeübertrager 3 in Form eines Fluid-Luft-Wärmeübertragers sowie eine Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer ersten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2, die bevorzugt in einem gemeinsamen, quaderförmigen Hüllvolumen 4 angeordnet sind (vgl. 2). Die Wärmeübertrager-Einheit 1 dient insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid in Form von Umgebungsluft, wobei als erstes Fluid insbesondere ein Kältemittel eines in 7 schematisch näher dargestellten Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage gewählt ist. Ferner dient die Wärmeübertrager-Einheit 1 zur thermodynamischen bzw. energetischen Konditionierung des ersten Fluids.
Ein bevorzugter Kältemittelkreislauf umfasst insbesondere einen Kältemittel-Kompressor K, in dem gasförmiges Kältemittel komprimiert und gefördert wird und welcher auslassseitig mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Einheit 1 gekoppelt ist. Dabei ist stromab der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Einheit 1 ein zweiter Wärmeübertrager W2 angeordnet, in dem im Rahmen eines Kälteprozesses flüssiges Kältemittel verdampft wird. An den zweiten Wärmeübertrager kann sich eine Sammler-Einheit S (Flüssigkeitsabscheider) anschließen, in der flüssiges von gasförmigem Kälte mittel abgeschieden werden kann. Aus der Sammler-Einheit S wird gasförmiges Kältemittel abgezogen und dem Kältemittel-Kompressor K zugeführt. Es ergibt sich somit ein geschlossener Kältemittelkreislauf mit besonders einfachem Aufbau. Es versteht sich von selbst, dass der Kältemittelkreislauf in beide Richtungen betreibbar und somit auch als Wärmepumpe betreibbar ist. Ferner versteht sich, dass das erste Fluid in Form von Kältemittel eine gewisse Menge an Schmiermittel mit sich führt, mit dessen Hilfe bewegliche Teile im Kältemittelkreislauf geschmiert werden können. Bevorzugt beträgt eine Schmiermittelzirkulationsrate von 0,1% bis 3,5%. Ferner versteht sich, dass das Kältemittel selbst als Schmiermittel für bewegliche Teile des Kältemittelkreislaufs benutzt werden kann.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertrager-Einheit und/oder die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit in einen Kältemittelkreislauf einer mobilen oder stationären Kälteanlage und/oder einer Wärmepumpe vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist anstelle von Luft für die Wärmeübertrager-Einheit ein anderes gasförmiges und/oder flüssiges zweites Fluid vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Fluid-Luft-Wärmeübertrager von wenigstens drei physikalisch und/oder chemisch unterschiedlichen Fluiden durchströmbar ausgeführt.
Das gemeinsame Hüllvolumen 4 weist eine im Vergleich große, erste Stirnfläche 4a auf, die parallel zu einer (näherungsweise vertikalen oder bis zu 30° zur Vertikalen geneigten) Hochachse H und parallel zu einer Querachse Q der Wärmeübertrager-Einheit orientiert ist und durch die dem Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 einer oder mehrere Luftströme (und ggf. ein drittes Fluid) in Richtung einer Durchströmungsachse D zuführbar sind. Entsprechend ist der Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 in Richtung der Durchströmungsachse D für den jeweiligen Luftstrom durchlässig gestaltet. Auf einer der ersten Stirnfläche 4a gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 4b können die Luftströme aus dem Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 abgeführt werden.
Der Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 weist erfindungsgemäß eine erste Rohrelement-Einheit 3a sowie eine zweite Rohrelement-Einheit 3b auf, die jeweils eine Mehrzahl von in Richtung der Querachse Q ausgerichteten Rohrelementen 5 umfassen. Die Rohrelemente 5 sind zur gezielten Führung des ersten Fluids primär in Richtung der Querachse Q vorgesehen, wobei ein Rohrelement 5 insbesondere als Flachrohrprofil mit einem oder mehreren vom ersten Fluid durchströmbaren Hohlräumen ausgestaltet ist. Zwischen einzelnen Rohrelementen 5 sind in bevorzugter Weise Wärmeleitende Wärmeübertragungselemente 6, beispielsweise so genannte Finnen angeordnet, die in Wärmeleitender Verbindung an den Rohrelementen 5 fixiert sind. In den 1 und 2 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen lediglich ein Teil der zwischen den Rohrelementen vorgesehenen Wärmeübertragungselemente dargestellt. Insbesondere in Durchströmungsrichtung D sind die Rohrelemente 5 vom zweiten und/oder vom dritten Fluid umströmbar ausgeführt.
Die erste Rohrelement-Einheit 3a ist innerhalb eines quaderförmigen Rohrelement-Hüllvolumens 7, welches die Rohrelement-Einheiten umgibt, direkt unterhalb der zweiten Rohrelement-Einheit 3b angeordnet. In bevorzugter Weise sind der ersten Rohrelement-Einheit 3a eine erste Luftströmung und der zweiten Rohrelement-Einheit 3b eine zweite Luftströmung zugeordnet, wobei die erste Luftströmung eine höhere Temperatur als die zweite Luftströmung aufweisen kann. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist über die Luftströmungen hinweg ein kontinuierliches Temperaturgefälle vorgesehen, dessen niedrigstes Temperaturniveau insbesondere in einem vertikal oberen Bereich 7a des Rohrelement-Hüllvolumens 7 angeordnet ist.
Der Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 weist in einem unteren Bereich 4c des gemeinsamen Hüllvolumens 4 ferner einen Einlass-Anschlussverteiler 8 auf, dem über einen Zulauf 8a das erste Fluid zuführbar ist. Über den Einlass-Anschlussverteiler 8 lässt sich das erste Fluid an die erste Rohrelement-Einheit 3a transferieren, wobei das erste Fluid im Bereich des Einlass-Anschlussverteilers 8 auf eine Mehrzahl von Rohrelementen 5 verteilt werden kann. Vorliegend sind die Rohrelemente 5 der ersten Rohrelement-Einheit 3a bevorzugt derart verschaltet, dass die Strömung des ersten Fluids innerhalb der ersten Rohrelement-Einheit im Bereich eines ersten Umlenkverteilers 9 wenigstens einmal um 180° umgelenkt und über einen Zwischenauslass 10 aus der ersten Rohrelement-Einheit herausgeführt werden kann. Über die erste Rohrelement-Einheit 3a ist das erste Fluid in Richtung der Hochachse H nach oben zum Zwischenauslass 10 transferierbar, wobei der Zwischenauslass 10 näherungsweise oberhalb des Einlass-Anschlussverteilers 8 angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist bevorzugt dann realisierbar, wenn innerhalb der ersten Rohrelement-Einheit das erste Fluid in allen Betriebszuständen in gasförmigem Zustand vorliegt und dieses somit durch die erste Rohrelement-Einheit in vertikaler Richtung nach oben transportierbar ist.
Der Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 weist ferner in einem vertikal oberen Bereich 4d des gemeinsamen Hüllvolumens 4 einen Zwischeneinlass 11 auf, über den das erste Fluid der zweiten Rohrelement-Einheit 3b zuführbar ist. Vorliegend sind die Rohrelemente 5 der zweiten Rohrelement-Einheit 3b bevorzugt derart verschaltet, dass die Strömung des ersten Fluids innerhalb der zweiten Rohrelement-Einheit im Bereich mehrerer zweiter Umlenkverteiler 12 mehrmals um 180° umgelenkt werden kann. Schließlich wird das erste Fluid über einen Auslass-Anschlussverteiler 13 aus der zweiten Rohrelement-Einheit 3b und somit aus dem Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 herausgeführt. Dabei ist der Auslass-Anschlussverteiler 13 bezogen auf die Hochachse H bevorzugt auf einem Niveau unterhalb des Zwischeneinlasses 11 angeordnet, so dass das erste Fluid bei einer Durchströmung der zweiten Rohrelement-Einheit 3b ein gewisses geodätisches Gefälle passiert. Insbesondere ist der Auslass-Anschlussverteiler 13 in einem unteren Abschnitt der zweiten Rohrelement-Einheit 3b und oberhalb der ersten Rohrelement-Einheit 3a angeordnet. Über eine derartige Anordnung können im Fluid-Luft-Wärmeübertrager unterschiedliche Phasenzusammensetzungen des ersten Fluids beim Durchströmen der ersten und/oder der zweiten Rohr element-Einheit toleriert werden, wobei ein mehr oder weniger hoher Flüssigphasenanteil durch Kondensation erzielt worden sein kann.
Wie bereits erwähnt ist dem Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3 eine Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer ersten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 gemäß den 1 und 2 zugeordnet. Der ersten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 ist über den Zwischenauslass 10 das erste Fluid von der ersten Rohrelement-Einheit 3a aus zuführbar, wobei die zweite Rohrelement-Einheit 3b der Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 nachgeschaltet ist. In besonders bevorzugter Weise ist die Transfer-Rohrleitung zwischen Wärmeübertrager 3 und Expansionsstufe mittels einer schlecht Wärmeleitenden Ummantelung oder dergleichen wärmeisoliert ausgestaltet.
Gemäß 3 umfasst auch eine Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer zweiten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2' eine Verdichterstufe 14 sowie eine Expansionsstufe 15 (gleiche oder gleichwirkende Bauelemente erhalten gleiche Bezugszeichen wie bei der ersten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit gemäß den 1 und 2).
Verdichterstufe 14 sowie Expansionsstufe 15 sind in einem gemeinsamen, zumindest abschnittsweise zylindrischen Gehäuse 16 angeordnet (vgl. 3). Das Gehäuse 16 weist in bevorzugter Weise in Richtung der Durchströmungsachse D dieselbe Breite auf wie der Fluid-Luft-Wärmeübertrager 3. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Expansionsstufe und die Verdichterstufe in separaten Gehäusen untergebracht, jedoch benachbart zueinander angeordnet. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Expansionsstufe und die Verdichterstufe über eine Getriebe- und/oder eine Kupplungseinheit drehmomentfest miteinander gekoppelt bzw. miteinander koppelbar ausgeführt. Insbesondere ist eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Wärmeübertrager-Einheit bzw. der Kfz-Klimaanlage veränderbare Koppelung von Expansionsstufe und Verdichterstufe vorgesehen. Hierzu ist eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die über wenigstens einen Sensor Informa tionen über den Betriebszustand der Kfz-Klimaanlage und/oder die Wärmeübertrager-Einheit erhält.
In dem Gehäuse 16 sind mehrere Kanäle zum Transfer des ersten Fluids angeordnet, die nachfolgend näher beschrieben werden. Innerhalb des Gehäuses 16 ist ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum 16b mit einer Mittelachse 16a gebildet, in dem eine gemeinsame Welle 17 um eine eigene Rotationsachse drehbar exzentrisch gelagert ist, wobei Mittelachse 16a und Rotationsachse der gemeinsamen Welle einen konstanten Abstand voneinander aufweisen. Die gemeinsame Welle 17 ist innerhalb einer nicht-rotierenden Hohlachse 22 drehbar gelagert, wobei die Hohlachse 22 ihrerseits über eine zentrale, isolierende Trennwand 21 im wesentlichen unbeweglich ins Gehäuse 16 eingesetzt ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist an die gemeinsame Welle 17 eine weitere Maschine angekoppelt, die insbesondere als eine E-Motor- und/oder Generator-Einheit ausgeführt ist. Zur Minimierung von Verlusten kann eine Integration der E-Maschine in die Kraft/Arbeitsmaschine mit einer durchgehenden Welle vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine lösbare, kraft- oder formschlüssige Kupplung zwischen E-Maschine und gemeinsamer Welle 17 vorgesehen sein. In weiteren modifizierten Ausführungsbeispielen sind andere mechanische und/oder elektrische Verbraucher an die gemeinsame Welle 17 angekoppelt.
Auf der Hohlachse 22 ist zum einen ein inneres Expansionsstufenrad 15a drehbar gelagert. Zum anderen ist ein inneres Verdichterrad 14a auf der Hohlachse 22 gelagert, wobei zwei Mitnehmeranordnungen 17b, 17c eine drehfeste Kopplung von innerem Expansionsstufenrad 15a, innerem Verdichterrad 14a und gemeinsamer Welle 17 ermöglichen. Dem inneren Expansionsstufenrad 15a sowie dem inneren Verdichterrad 14a ist jeweils ein Außenrad zugeordnet, nämlich ein äußeres Expansionsstufenrad 15b und ein äußeres Verdichterstufenrad 14b. An dem äußeren Expansionsstufenrad 15b ist eine Innenverzahnung vorgesehen, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung seitens des inneren Expansionsstufenrades 15a im Eingriff steht. Die Expansionsstufenräder 15a, 15b bilden bevorzugt eine innenachsige Drehkolbenmaschine mit einem Kämmeingriff von 5:4. An dem äußeren Verdichterrad 14b ist eine Innenverzahnung vorgesehen, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung seitens des inneren Verdichterrades 14a im Eingriff steht. Die Verdichterstufenräder bilden bevorzugt ebenfalls eine innenachsige Drehkolbenmaschine mit einem Kämmeingriff von 5:4. Die inneren Räder bilden folglich zusammen mit der gemeinsamen Welle 17 den so genannten leistungsabgebenden Teil der Maschine.
Es versteht sich, dass alternativ auch Drehkolbenmaschinen mit Kreiseingriff oder sonstigen Eingriffsvarianten möglich sind, wobei auch andere Eingriffsverhältnisse, beispielsweise 4:3, 8:7 oder 6:5 etc. vorsehbar sind – sowohl bei der Expansionsstufe als bei der Verdichterstufe. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind zwischen Verdichter- und Expansionsstufenrädern Schlupfeingriffe (vergleichbar mit den Verhältnissen im Wankelmotor) vorsehbar. In einem derartigen Fall wären bevorzugt die Außenräder von Verdichter- und Expansionsstufe als jeweilige Leistungsläufer drehmomentübertragend miteinander gekoppelt.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung beträgt ein Kompensations/Rotorflächenverhältnis zwischen 20% und 50%, besonders bevorzugt zwischen ca. 30% und 40%. Ferner sind in bevorzugten Ausführungsbeispielen für Verdichter- und Expansionsstufe im wesentlichen gleiche Profile bzw. gleiche Verzahnungen gewählt, wobei weiter bevorzugt unterschiedliche Längen von Verdichter- und Expansionsstufe gewählt sind.
Die Außenräder 14b, 15b sind jeweils zentrisch im gemeinsamen Gehäuse 16 um die geometrische Mittelachse 16a drehbar gelagert, wobei entlang des Umfangs der Außenräder 14b, 15b jeweils wenigstens eine ringförmige Wälz- und/oder Gleitlageranordnung 18a, 18b vorgesehen ist. Als Wälzlageranordnung 18a, 18b kommt jeweils eine Mehrzahl von zylindrischen oder kugeligen Wälzelementen in Betracht, die in einem gemeinsamen Käfig gehalten sein können. Bevorzugt ist der Wälz- und/oder Gleitlageranordnung ein Schmierstoff reservoir und/oder eine Schmierstoffzufuhreinrichtung zugeordnet. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind komplette Nadellager mit einem bevorzugt geschlossenen Außen- und/oder Innenring vorgesehen. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der resultierenden Kraft am jeweiligen Außenrad ein Gleitschuh vorgesehen, an dem sich das betreffende Außenrad abstützt. Ein Gleitschuh kann jeweils als separates Bauelement ausgeführt sein und weist eine vergleichsweise kleine Berührfläche auf, an der das abgestützte Außenrad berührend gleitet.
Im Bereich einer ersten Stirnseite 16c des Gehäuses 16 ist ein erster Gehäusedeckel 16e vorgesehen, der in dem Gehäuse 16 mittels eines Rings 16g gegen einen Absatz in axialer Richtung abgestützt ist. Entlang seines Außenumfangs kann eine ringförmige Dichtung 16j vorgesehen sein. In den Gehäusedeckel ist im Bereich einer innenseitigen Ausnehmung oder Vertiefung in besonders bevorzugter Weise eine erste (mechanische) Schraubenfeder 37 mit gewisser Vorspannung eingesetzt. In an sich bekannter Weise lässt sich auch ein andersartiges, insbesondere hydraulisches oder pneumatisches Federelement verwenden. In weiter bevorzugter Weise sind mehrere Federelemente symmetrisch bzw. gleichmäßig um die Mittelachse 16a herum angeordnet, so dass sich eine gleichmäßige gemeinsame Kraftausübung der Federn ergibt.
Zwischen den Elementen der Expansionsstufe 15 einerseits und dem ersten Gehäusedeckel 16e andererseits ist ein erstes, bevorzugt metallisches oder keramisches Abstützelement 19 vorgesehen, welches entlang seines Umfangs wenigstens einen umlaufenden Dichtring 20 trägt. Das erste Abstützelement 19 ist in Richtung der Achse 16a bewegbar gelagert, wobei es das innere Expansionsstufenrad 15a sowie das äußere Expansionsstufenrad 15b stirnseitig abstützt. Bevorzugt wird das erste Abstützelement 19 über die zwischen Abstützelement und Gehäusedeckel 16e vorgespannt eingesetzte Schraubenfeder 37 mit bevorzugt geringer bis mäßiger Kraft gegen die Expansionsstufenräder 15a, 15b gedrückt. Diese Konzeption erhält besondere Relevanz beim Anfahrvorgang der Kraft/Arbeits maschine, bei dem mittels der Vorspannung der Schraubenfeder 37 ein zuverlässiges Andrücken des Abstützelements 19 gegen die Expansionsstufenräder auch im Stillstand und beim Anfahrvorgang ermöglicht ist.
Zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des ersten Abstützelements 19 und des ersten Gehäusedeckels 16e ist ein Spalt vorgesehen, dessen Dicke beispielhaft ca. 0,5% des Durchmessers der Expansionsstufe beträgt. In alternativen Ausführungsbeispielen ist das Rotor/Durchmesser-Spaltverhältnis kleiner als 500:1 gewählt. In den Spalt ist eine bevorzugt torusförmige, elastische erste Ringdichtung 39 eingesetzt. Der ersten Ringdichtung 39 ist insbesondere auf Seiten des ersten Gehäusedeckels 16e optional eine entsprechende erste Ringnut 40 zugeordnet, die die erste Ringdichtung 39 im entspannten Zustand zumindest abschnittsweise aufnimmt und deren Volumen ausreicht, um die Ringdichtung 39 in einem komprimierten bzw. deformierten Zustand im wesentlichen vollständig aufzunehmen. In den meisten Betriebszuständen der Kraft/Arbeitsmaschine soll die erste Ringdichtung 39 unter einer Spannung in axialer Richtung stehen und derart aus der Ringnut 40 herausragen, dass im Inneren der Ringdichtung 39 in dem Spalt zwischen erstem Gehäusedeckel 16e und erstem Abstützelement 19 ein kleines erstes Druckvolumen 41 begrenzt ist. Das erste Druckvolumen 41 kommuniziert über eine erste Bohrung 47 mit der Einlassseite der Expansionsstufe 15. Es bildet eine Art erstes Steuerelement in Form einer pneumatischen Feder, deren Druck abhängig ist vom Einlassdruck der Expansionseinheit.
Daneben ist in dem Spalt zwischen erstem Gehäusedeckel 16e und erstem Abstützelement 19 ferner ein kleines zweites Druckvolumen 42 gebildet, welches die erste Ringdichtung 39 außenseitig umgibt und ggf. mit der Aufnahme der ersten Schraubenfeder 37 in Verbindung steht. Das zweite Druckvolumen 42 ist bevorzugt als dünne oder extrem dünne Fuge konzipiert mit einer Dicke, die kleiner ist als 1 mm, insbesondere kleiner als 0,5 mm. Bevorzugt ist die Dicke des ersten Druckvolumens 41 identisch mit der Dicke des zweiten Druck volumens 42. Das zweite Druckvolumen 42 kommuniziert über eine zweite Bohrung 48 mit der Auslassseite der Expansionsstufe 15. Es bildet eine Art zweites Steuerelement in Form einer pneumatischen Feder, deren Druck abhängig ist vom Auslassdruck der Expansionseinheit. Zur Schraubenfeder 37 sind erstes und zweites Steuerelement wirkungstechnisch parallel geschaltet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei Federn in Reihe geschaltet, von denen bevorzugt eine als Schraubenfeder ausgebildet ist.
Die Ringnut 40 bzw. die erste Ringdichtung 39 umschließen in bevorzugter Weise eine axiale Fläche, die 10% bis 90% der axialen Stirnfläche des Deckels 16e ausmacht. Weiter bevorzugt umschließen die Ringnut 40 bzw. die erste Ringdichtung 39 eine Fläche, deren Größe in etwa 25% bis 85% der von der Expansionsstufe eingenommenen axialen Stirnfläche entspricht. Die (radiale) Lage der ersten Ringdichtung 39 ist dabei in Abhängigkeit von den in der Expansionsstufe 15 entstehenden Kräften zentrisch oder exzentrisch zur geometrischen Mittelachse 16a wählbar. Dem zweiten Druckvolumen 42 steht sodann eine quer zur Achse 16a orientierte Fläche zur Verfügung, deren Größe umgekehrt 90% bis 10% der axialen Stirnfläche des Deckels 16e betragen kann.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die innenseitige axiale Stirnfläche des ersten Gehäusedeckels 16e im Bereich des ersten Druckvolumens 41 geringfügig zurückgesetzt ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Ringnut und die erste Ringdichtung wenigstens abschnittsweise unrund ausgestaltet.
Zwischen Expansionsstufe 15 und Verdichterstufe 14 ist die im Gehäuse 16 fixierte, isolierende Trennwand 21 vorgesehen, an der die Verdichterräder 14a, 14b sowie die Expansionsstufenrädern 15a, 15b berührend anliegen. Die isolierende Trennwand 21 ist bevorzugt aus einem schlecht Wärmeleitenden Material hergestellt, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Keramikwerkstoff. Die isolierende Trennwand ist bevorzugt mit einer Press- oder Übergangs passung in das Gehäuse eingesetzt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die isolierende Trennwand mit dem Gehäuse verschraubt oder vernietet. In weiter bevorzugter Weise ist das Gehäuse zumindest abschnittsweise aus einem schlecht wärmeleitenden Material, insbesondere einem Kunststoff hergestellt.
Im Bereich einer zweiten Stirnseite 16d des Gehäuses 16 ist ein zweiter Gehäusedeckel 16f vorgesehen, mit dem das Gehäuse 16 auf der dem ersten Deckel 16e gegenüberliegenden Seite verschließbar gestaltet ist. Der zweite Gehäusedeckel 16f ist wie der erste Gehäusedeckel in dem Gehäuse 16 mittels eines Rings 16h gegen einen Absatz in axialer Richtung abgestützt. Des weiteren kann auch am zweiten Gehäusedeckel 16f eine umlaufende Dichtung 16i vorgesehen sein. In den zweiten Gehäusedeckel 16f ist im Bereich einer innenseitigen Ausnehmung oder Vertiefung in besonders bevorzugter Weise eine mechanische Schraubenfeder 38 mit gewisser Vorspannung eingesetzt. In an sich bekannter Weise lässt sich auch ein andersartiges, insbesondere hydraulisches oder pneumatisches Federelement verwenden.
Zwischen zweitem Gehäusedeckel 16f und Verdichterstufe 14 ist ein zweites Abstützelement 23 vorgesehen, welches stirnseitig einerseits mit den Verdichterrädern 14a, 14b und andererseits mit dem Gehäusedeckel 16f in berührendem Kontakt steht. Das zweite Abstützelement ist in bevorzugter Weise im wesentlichen identisch oder symmetrisch zum ersten Abstützelement 19 ausgeführt. Bevorzugt wird das zweite Abstützelement über die zwischen Abstützelement und Gehäusedeckel 16d vorgespannt eingesetzte Schraubenfeder 38 mit geringer bis mäßiger Kraft gegen die Verdichterräder 14a, 14b gedrückt. In einer umlaufenden Nut ist dem zweiten Abstützelement wenigstens eine außenseitige Ringdichtung 24 zugeordnet.
Zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des zweiten Abstützelements 23 und des zweiten Gehäusedeckels 16f ist ein weiterer Spalt vorgesehen, dessen Dicke beispielhaft ca. 0,5% des Durchmessers der Verdichterstufe beträgt. In alternativen Ausführungsbeispielen ist das Rotor/Durchmesser-Spaltverhältnis kleiner als 500:1 gewählt. In den weiteren Spalt ist eine bevorzugt torusförmige, elastische zweite Ringdichtung 43 eingesetzt. Der zweiten Ringdichtung 43 ist insbesondere auf Seiten des zweiten Gehäusedeckels 16f eine entsprechende zweite Ringnut 44 zugeordnet, die die zweite Ringdichtung 43 im entspannten Zustand abschnittsweise aufnimmt und deren Volumen ausreicht, um die Ringdichtung 43 in einem komprimierten bzw. deformierten Zustand im wesentlichen vollständig aufzunehmen. In den meisten Betriebszuständen der Kraft/Arbeitsmaschine soll die zweite Ringdichtung 43 unter einer Spannung in axialer Richtung stehen und derart aus der Ringnut 44 herausragen, dass im von der Ringdichtung 43 umgebenen Raum in einem Spalt zwischen zweiten Gehäusedeckel 16f und zweitem Abstützelement 19 ein kleines drittes Druckvolumen 45 begrenzt ist. Das kleine dritte Druckvolumen 45 kommuniziert über eine dritte Bohrung 49 mit der Auslassseite der Verdichterstufe 14. Das dritte Druckvolumen bildet somit eine Art drittes Steuerelement in Form einer pneumatischen Feder, deren Druck abhängig ist vom (betriebspunktabhängigen) Auslassdruck der Verdichtereinheit.
Daneben ist in dem weiteren Spalt zwischen zweitem Gehäusedeckel 16f und zweitem Abstützelement 23 ferner ein kleines viertes Druckvolumen 46 gebildet, welches die zweite Ringdichtung 43 außenseitig umgibt und ggf. mit der Aufnahme der zweiten Schraubenfeder 38 in Verbindung steht. Das kleine vierte Druckvolumen 46 kommuniziert über eine vierte Bohrung 50 mit der Einlassseite der Verdichterstufe 14. Es bildet eine Art viertes Steuerelement in Form einer pneumatischen Feder, deren Druck abhängig ist vom Einlassdruck der Verdichterstufe.
Die zweite Ringnut 44 bzw. die zweite Ringdichtung 43 umschließen in bevorzugter Weise eine Fläche, die 10% bis 90% der axialen Stirnfläche des zweiten Deckels 16f ausmacht. Weiter bevorzugt umschließen die Ringnut 44 bzw. die zweite Ringdichtung 43 eine Fläche, deren Größe in etwa 25% bis 85% der von den Rädern 14a, 14b der Kompressionsstufe 14 eingenommenen axialen Stirnfläche entspricht. Die (radiale) Lage der zweiten Ringdichtung 43 ist dabei in Abhängigkeit von den in der Verdichterstufe 14 entstehenden Kräften zentrisch oder exzentrisch zur geometrischen Mittelachse 16a wählbar. In bevorzugter Weise ist die zweite Ringdichtung 43 mit ihrem dritten Druckvolumen 45 im wesentlichen symmetrisch zur ersten Ringdichtung 39 angeordnet.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die innenseitige axiale Stirnfläche des zweiten Gehäusedeckels 16f im Bereich des dritten Druckvolumens 45 geringfügig zurückgesetzt ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die zweite Ringnut und die zweite Ringdichtung wenigstens abschnittsweise unrund ausgestaltet. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind erste Ringdichtung 39 und zweite Ringdichtung 43 im wesentlichen gleich ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich erste Ringdichtung 39 und zweite Ringdichtung 43 hinsichtlich ihrer Größe, so dass die resultierenden Druckvolumina und/oder deren axiale Stirnflächen unterschiedlich sind.
Unter Einschluss der isolierenden Trennwand 21 und der Abstützelemente 19, 23 ergibt sich ein im wesentlichen zylindrisches Raumvolumen, das von Expansionsstufe 15 und Verdichterstufe 14 im wesentlichen ausgefüllt wird. Der Durchmesser dieses zylindrischen Raumvolumens beträgt bevorzugt zwischen 10% und 90%, insbesondere zwischen 20% und 70% seiner axialen Länge.
Beim Betrieb der Kraft/Arbeitsmaschine liegen in den vier Steuerelementen 41, 42, 45, 46 gewisse vom Betriebszustand der Maschine abhängige (Über-)Drücke an, wenn die den Steuerelementen zugeordneten Druckvolumina mit erstem Fluid beaufschlagt werden. Besonders bevorzugt liegen im ersten Druckvolumen bzw. im ersten Steuerelement 41 und im dritten Druckvolumen bzw. im dritten Steuerelement 45 die höchsten Drücke der Kraft/Arbeitsmaschine an. Bevorzugt korrespondieren die Drücke im ersten und im dritten Druckvolumen mit dem Druck in der Hochdruckseite eines Kältemittel-Kreislaufs gemäß 7 und sind somit gleich groß.
Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen Anordnung des ersten Steuerelements 41 und des dritten Steuerelements 45 lässt sich wie folgt darstellen. In Abhängigkeit vom Betriebszustand der Kraft/Arbeitsmaschine werden die Steuerelemente dadurch betätigt, dass sich in den genannten Druckvolumina ein Überdruck aufbaut. Die Steuerelemente wirken über ihre Stirnflächen auf die beiden Abstützelemente 19, 23 ein, die mittels der Steuerelemente jeweils in axialer Richtung zur Gehäusemitte hin belastet werden. Die genannten Steuerelemente mit ihren Druckvolumina wirken somit als pneumatische Federn, deren Federkraft abhängig ist von den (auslassseitigen) Betriebsdrücken der Kraft/Arbeitsmaschine. Je höher die Betriebsdrücke sind, desto größer ist die Kraft, mit der die Steuerelemente auf die Abstützelemente drücken. Die Abstützelemente 19, 23 geben die axialen Kräfte sodann weiter auf die rotierenden Räder von Expansions- und Verdichterstufe 14, 15 drücken. Umgekehrt wird die Anpresskraft reduziert, wenn der Betriebsdruck abnimmt. Damit ist die Anpresskraft der Abstützelemente von Expansions- und Verdichterstufe selbstregelnd an den Betriebszustand der Kraft/Arbeitsmaschine gekoppelt. Es versteht sich von selbst, dass eine derartige erfindungsgemäße Konfiguration auch für eine isoliert bzw. eigenständig arbeitende Kompressionsmaschine oder für eine isoliert bzw. eigenständig arbeitende Expansionsmaschine vorgesehen sein kann.
Zwischen Außenrad 14b der Verdichterstufe und Gehäuse 16 ist benachbart zum zweiten Abstützelement 23 ein umlaufender Distanzring 26 angeordnet, der ggf. auch Dichtfunktionen übernimmt. Gleiches kann zwischen Außenrad 15b der Expansionsstufe 15 und Gehäuse 16 zur Abdichtung eines Abströmkanals der Expansionsstufe 15 vorgesehen sein.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Gehäusedeckel mit dem Gehäuse vernietet oder verschraubt ausgeführt. In weiterer Modifikation ist den Abstützelementen wenigstens eine Axialführungsanordnung zugeordnet, die insbesondere eine Rotationsbewegung der Abstützelemente verhindert, eine Gleitbewegung in axialer Richtung unterstützt und eine sichere Montage gewährleistet.
Ein Abströmkanal 28 der Verdichterstufe 14 ist im wesentlichen im zweiten Abstützelement 23 angeordnet und kommuniziert über eine Ringnut 28a mit einem zweiten Abströmkanal 27 der Verdichterstufe, wobei der zweite Abströmkanal 27 als Bohrung im Gehäuse 16 ausgeführt ist.
Dem Abströmkanal 27 in etwa diametral gegenüberliegend ist ein erster Zuströmkanal 29 der Verdichterstufe 14 im Gehäuse 16 angeordnet. Dieser erste Zuströmkanal 29 kommuniziert mit einem zweiten Zuströmkanal 30 der Verdichterstufe, von dem ausgehend die Verdichterräder 14a, 14b mit Kältemittel beaufschlagbar sind. Zudem zweigt von dem zweiten Zuströmkanal 30 der Verdichterstufe 14 ein Ringkanal 30a ab. Der erste Zuströmkanal 29 ist bevorzugt unmittelbar an den Zwischenauslass 10 des Fluid-Luft-Wärmeübertragers angeschlossen oder einstückig mit diesem ausgeführt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist zwischen Zwischenauslass 10 und erstem Zuströmkanal 29 eine bevorzugt wärmeisolierte Transferrohrleitung zwischengeschaltet. Mit Hilfe der erläuterten Verrohrung lässt sich das erste Fluid aus dem Fluid-Luft-Wärmeübertrager kommend stromab des Zwischenauslasses 10 über die Zuströmkanäle 29, 30 in die Verdichterstufe 14 einspeisen, in der das erste Fluid mit Hilfe der ineinander greifenden Verdichterräder 14a, 14b komprimiert wird. Anschließend lässt sich das erste Fluid über die Abströmkanäle 27, 28 an eine Überführungsrohrleitung 31 transferieren (vgl. 1), über die das erste Fluid zum Zwischeneinlass 11 transportierbar ist.
Nach einem Durchströmen der zweiten Rohrelement-Einheit 3b gelangt das erste Fluid über den Auslass-Anschlussverteiler 13 an einen im Gehäuse 16 angeordneten dritten Zuströmkanal 32 sowie einen im ersten Abstützelement 19 angeordneten vierten Zuströmkanal 33.
Über den dritten und vierten Zuströmkanal 32, 33 lässt sich das erste Fluid der Expansionsstufe 15 zuführen, in der es unter Abgabe von potentieller Energie an die Expansionsstufenräder 15a, 15b kontinuierlich entspannt werden kann. Auf einer den Zuströmkanälen 32, 33 diametral gegenüberliegenden Seite sind ein im Gehäuse angeordneter dritter Abströmkanal 34 sowie ein im ersten Abstützelement 19 angeordneter vierter Abströmkanal 35 vorgesehen, die mit der Niederdruckseite der Expansionsstufe 15 kommunizieren und einen Transfer des entspannten ersten Fluids an einen Ablauf 36 ermöglichen (analog zu 1). Über den Ablauf 36 verlässt das erste Fluid nicht nur die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2', sondern die gesamte Wärmeübertrager-Einheit 1.
In 4a und 4b sowie 5a bis 5d sowie 6a und 6b ist eine Kraft/Arbeitsmaschine in Form einer dritten erfindungsgemäßen Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2'' abschnittsweise dargestellt. Insbesondere ist eine Expansionsstufe 15 dargestellt, die im wesentlichen der Expansionsstufe der zweiten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit gemäß 3 gleicht. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile erhalten somit wiederum gleiche Bezugszeichen.
Wie schon zur zweiten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit gemäß 3 beschrieben (weshalb auf die Beschreibung anhand von 3 vollumfänglich Bezug genommen werden kann) befindet sich in einem Gehäuse 16 der dritten Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2'' eine Paarung von innerem Expansionsstufenrad 15a und äußerem Expansionsstufenrad 15b die mittels eines axialverschieblich angeordneten ersten Abstützelements 19 gegen eine feste Wandung 21 gedrückt werden. Zur Bereitstellung einer Anpresskraft ist in einem gehäusefest positionierten ersten Deckel 16e eine mechanische (oder alternativ pneumatische) Feder 37 in zentraler Anordnung vorgesehen, die gegen das erste Abstützelement 19 drückt.
Zur Bereitstellung eines betriebspunktabhängigen Drucks im Bereich eines Spaltes 56 zwischen erstem Deckel 16e und erstem Abstützelement 19 ist eine Anzapfbohrung 55 im Abstützelement 19 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen dem Spalt 56 und einem Auslasskanal 35 herstellt. Alternativ ist eine Anzapfung eines Einlasskanals der Expansionsstufe mittels der Anzapfbohrung und ggf. einer Drossel vorgesehen. In dem Spalt 56 ist somit eine pneumatische Feder mit minimalem Hub gebildet, die als erstes Steuerelement dient. Mit diesem Steuerelement, das während des Betriebs der Kraft/Arbeitsmaschine anhand des anliegenden Drucks verstellbar ist, kann eine Druckkraft auf das Abstützelement 19 aufgebracht werden. Insbesondere wird das Steuerelement dann besonders stark verstellt, wenn der Druck im Auslasskanal 35 stark zunimmt. Jede Verstellung des Steuerelements bewirkt eine Änderung der Druckkraft auf das Abstützelement 19 und eine Änderung der Anpresskraft zwischen Abstützelement 19 und der Expansionseinheit. Hierbei ist unter einer „Verstellung" jedwede Änderung einer physikalisch wirksamen Eigenschaft eines der Steuerelemente zu verstehen.
Gemäß den 5a bis 5d mündet ein Einlasskanal 33 im Bereich der Berührflächen zwischen Abstützelement 19 und Expansionsstufe 15 (gestrichelte Linien) in den Arbeitsraum A der Expansionsstufe, so dass der Expansionsstufe 15 über den Einlasskanal 33 ein erstes Fluid zuführbar ist. Das erste Fluid wird bevorzugt in der Expansionsstufe 15 entspannt, wobei technische Arbeit geleistet und als Rotationsenergie an eine angeschlossene Verdichtereinheit übertragbar ist.
In Umfangsrichtung versetzt zum Einlasskanal 33 ist ein bevorzugt zylindrischer Stift 51 benachbart zum Einlasskanal 33 in einer fünften Bohrung 52 angeordnet. Die fünfte Bohrung 52 mündet ebenfalls mit geringem Abstand zum Einlasskanal in den Arbeitsraum A der Expansionsstufe. Eine Längsachse 51a des Stifts und der fünften Bohrung ist im wesentlichen parallel zur Mittelachse 16a des Gehäuses 16 ausgerichtet. Der zylindrische Stift 51 ist innerhalb der fünften Bohrung 52 gleitend verschieblich gelagert und ein seitig über eine in einem ersten Betriebszustand gemäß 4a und 6a vorgespannte Schraubenfeder 53 belastet. Zur Abdichtung ist dem Stift 51 eine außenseitige Ringdichtung 54 zugeordnet, die den Stift entlang seines Mantels umgreift.
Insbesondere kommuniziert die fünfte Bohrung 52 mit dem Spalt 56, so dass der zylindrische Stift 51 rückseitig mit einem betriebspunktabhängigen Druck beaufschlagbar ist. Im Bereich der fünften Bohrung ist somit ein Steuerelement in Form einer kleinen pneumatischen Feder gebildet, das den zylindrischen Stift 51 wie einen Kolben von einer Rückseite her belastet. In bevorzugter Weise ist dem Stift ein Flansch oder Kragen 57 zugeordnet, wodurch sich einerseits eine axial gegen die Federkraft wirkende Abstützung an einem Absatz in der fünften Bohrung erzielen lässt. Andererseits ist optional eine Angriffsfläche für den in der Bohrung anliegenden Druck gegeben.
Befindet sich der Stift 51 in seiner in den 4a und 6a dargestellten ersten Betriebsposition fluchtet seine vordere Stirnfläche 51b mit der benachbarten, den Expansionsstufenrädern zugewandten Stirnfläche des Abstützelements 19. Der Stift 51 verschließt in der ersten Betriebsposition die fünfte Bohrung endseitig. Der Stift ist in bevorzugter Weise aus einem gehärteten Metall oder einer Keramik hergestellt. Zwischen der in den 4a und 6a dargestellten ersten Arbeitsposition und einer in den 4b und 6b dargestellten zweiten Arbeitsposition ist dem zylindrischen Stift 51 ein Verschiebeweg zugeordnet, der in etwa gleich groß ist oder kleiner als der Durchmesser der fünften Bohrung 52.
Wie aus den 5a bis 5d ersichtlich, ist zwischen der fünften Bohrung 52 und dem Einlasskanal 33 ein sich in Umfangsrichtung erstreckender, kleiner Überströmkanal 58 vorgesehen, der die Bohrung und den Kanal geometrisch schneidet. Der Durchlassquerschnitt des kleinen Überströmkanals 58 ist bevorzugt kleiner ausgeführt als ein minimaler Durchlassquerschnitt des Einlasskanals 33. Der kleine Überströmkanal 58 ist ferner seitens der den Expansions stufenrädern zugewandten Stirnfläche des Abstützelements 19 offen ausgeführt, so dass er entlang seiner gesamten Länge mit dem Arbeitsraum A kommunizieren kann. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der kleine Überströmkanal abgesehen von Mündungen zur fünften Bohrung und zum Einlasskanal geschlossen ausgeführt.
Die Funktion des Stiftes 51 lässt sich besonders anhand der 5a bis 5d beschreiben. Gemäß 5a wird über den Einlasskanal 33 zum Beginn eines Befüllungstaktes ein erstes Fluid in einen ersten Teil-Arbeitsraum A1 der Expansionsstufe 15 zugeführt. Inneres Expansionsstufenrad 15a und äußeres Expansionsstufenrad 15b sperren den ersten Arbeitsraum A1 an der Flanke 59 ab. Der schraffierte Bereich des Überströmkanals 58 und des Einlasskanals 33 kommuniziert derart mit dem Teil-Arbeitsraum A1, dass dieser wie in 5b eng schraffiert dargestellt mit erstem Fluid gefüllt werden kann. Bei einem Weiterdrehen der Expansionsstufenräder 15a, 15b in Richtung des Pfeils R endet die Befüllungsphase in der in 5c dargestellten Position an der Flanke 60, sofern der Stift 51 in seiner ersten Betriebsposition befindlich ist und den Überströmkanal 58 im Bereich der Flanke 60 (bzw. deren Verlängerung) begrenzt. In der gemäß 5c dargestellten Position der Expansionsstufenräder 15a, 15b umschließen diese ein Volumen des Teil-Arbeitsraumes A1 dessen schraffierte Stirnfläche um den Faktor 1,5 bis 2, insbesondere 1,77 kleiner ist als eine maximal erzielbare Stirnfläche zwischen den Expansionsstufenrädern 15a, 15b.
Sofern der Stift 51 in seiner zweiten Betriebsposition befindlich ist und den Überströmkanal 58 im Bereich der Flanke 60 (bzw. deren Verlängerung) freigibt, endet eine Befüllungsphase des Teil-Arbeitsraumes A1 bei einem Weiterdrehen der Räder in Richtung des Pfeils R an einer Flanke 61 wie in 5d dargestellt. An der Flanke 61 bzw. deren Verlängerung decken sich die Wandung der fünften Bohrung 52 und eine verlängerte Berührlinie der Räder 15a, 15b. In der in 5d dargestellten Position der Expansionsstufenräder 15a, 15b umschließen diese ein Volumen des Teil-Arbeitsraumes A1 dessen schraffierte Stirnfläche um den Faktor 1,1 bis 1,5, insbesondere 1,23 kleiner ist als eine maximal erzielbare Stirnfläche zwischen den Expansionsstufenrädern 15a, 15b.
Da der Stift 51 in Abhängigkeit von den Drücken an Ein- und Auslassseite der Expansionsstufe 15 betätigbar ist, kann ein maximales Druckgefälle zwischen Ein- und Auslassseite als Schwellenwert definiert werden, an dem ein unterkritischer Betriebszustand verlassen wird und der Stift 51 aus seiner ersten Betriebsposition heraus verschoben werden kann. Bei näherungsweise konstantem Auslass- und/oder Referenzdruck auf der Auslassseite kann ein absoluter Druckwert auf der Einlassseite festgelegt werden, bei dessen Überschreitung der Stift 51 aus seiner ersten Betriebsposition heraus verschoben, der Überströmkanal insbesondere freigegeben und in einen überkritischen Gleichraumprozess in der Expansionsstufe übergegangen wird.
Die anhand der 4a bis 6b beschriebene dritte Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2'' lässt sich ebenso wie die anderen beiden Expansionsstufe/Verdichter-Einheiten in einem Kälteprozess (oder Wärmepumpenkreislauf) gemäß 7 zur (bevorzugt internen) Verwertung von bei der Entspannung des ersten Fluids freiwerdender Energie einsetzen. Die in der Expansionsstufe 15 rückgewonnene technische Arbeit wird dann erfindungsgemäß über eine gemeinsame Welle von Expansionsstufe 15 und einer Verdichterstufe unmittelbar an die Verdichterstufe weitergegeben. Dabei wird in der Verdichterstufe bevorzugt ein Teil der Verdichtungsarbeit des Kälteprozesses durchgeführt und so die rückgewonnene technische Arbeit intern genutzt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind einem erfindungsgemäßen Fluid-Luft-Wärmeübertrager mehrere Expansionsstufe/Verdichter-Einheiten zugeordnet, über die eine mehrstufige Expansion sowie eine mehrstufige Verdichtung realisierbar sind. In weiterer Modifikation sind zwischen einzelnen oder mehreren Expansionsstufen sowie jeweils zugeordneten Verdichter-Einheiten ggf. ansteuerbare Getriebe-/Kupplungseinheiten vorgesehen.
Insbesondere lassen sich auch die besonderen Merkmale der drei gleichartigen Expansionsstufe/Verdichter-Einheiten 2, 2', 2'' miteinander in einem System mit Vorteil kombinieren.
Besonders bevorzugt eignet sich jede Expansionsstufe/Verdichter-Einheit zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Einheit gemäß den 1 und 2. Mit Hilfe einer solchen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Einheit lassen sich mit besonders einfachen Mitteln und auf kleinem Raum die folgenden Verfahrensschritte eines mit dem ersten Fluid durchgeführten Kälteprozesses realisieren: Abkühlung, Zwischenverdichtung mit innerer Kompression, weitere Abkühlung und/oder (Teil-)Kondensation, Expansion mit innerer Entspannung. Durch die erfindungsgemäße Rückgewinnung und interne Nutzung der bei der Expansion freiwerdenden potentiellen Energie lässt sich ein besonders Wirkungsgrad-günstiger Prozess betreiben. Besonders bevorzugt ist eine Schmierung der Expansionsstufe/Verdichter-Einheit über einen kleinen Schmierölanteil im umgewälzten Kältemittel von 0,1% bis 3,5%.
Die vorgeschlagene Anordnung vereint eine Vielzahl von Komponenten einer Kältemaschine in einer gemeinsamen Baueinheit, die als Block mit einem besonders kleinen quaderförmigen Hüllvolumen mit Vorteil im Automobilbau oder für sonstige mobile Anwendungen einsetzbar ist. Die erfindungsgemäße Maschine kann nach Anpassung an die thermodynamischen Verhältnisse in einem rechts- bzw. linksläufigen Prozess eingesetzt werden.

Claims

Expander-Wärmeübertrager-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittels einer Klimaanlage, mit einem Wärmeübertrager umfassend – eine erste Rohrelement-Einheit (3a), welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, sowie – eine zweite Rohrelement-Einheit (3b), welche von dem ersten Fluid durchströmbar ausgeführt ist, wobei – über einen Zwischenauslass (10) ein Transfer des ersten Fluids vom Wärmeübertrager (3) an eine Verdichterstufe (14) und – über einen Zwischeneinlass (11) ein Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe (14) zum Wärmeübertrager (3) erzielbar ist, wobei – ein Auslass-Anschlussverteiler (13) zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe (15) transferierbar ist, wobei – Verdichterstufe (14) und Expansionsstufe (15) in einem zylindrischen Raumvolumen angeordnet sind, dessen Durchmesser 10% bis 90%, insbesondere 20% bis 70% seiner axialen Länge beträgt.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) benachbart zueinander angeordnet und insbesondere drehmomentübertragend miteinander gekoppelt sind.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmiermittelzirkulationsrate in der Expander-Wärmeübertrager-Einheit 0,1% bis 3,5% beträgt.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor/Durchmesser-Spaltverhältnis kleiner als 500:1 gewählt ist.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensations/Rotorflächenverhältnis zwischen 20% und 50%, insbesondere zwischen 30% und 40% beträgt.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichterstufe (14) und Expansionsstufe (15) ein gleiches Profil mit unterschiedlicher Länge aufweisen.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Entspannungseinrichtung zur Expansionsseite vorgesehen ist.
Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement (41, 42, 51, 56) zur Änderung der Leistungsabgabe der Expansionsstufe (15) vorgesehen ist, welches abhängig von einem im Betrieb der Expansionsstufe (15) und/oder der Verdichterstufe (14) veränderlichen Parameter einstellbar ist.
Kraft/Arbeitsmaschine insbesondere zur Entspannung eines ersten Fluids in einer Expander-Wärmeübertrager-Einheit nach einem der vorhergenannten Ansprüche, mit einer Expansionsstufe (15), die ein inneres Expansionsstufenrad (15a) sowie ein äußeres Expansionsstufenrad (15b) aufweisen, die zwischen gekrümmten Berührflächen einen Arbeitsraum (A) begrenzen, wobei dem inneren Expansionsstufenrad (15a) und dem äußeren Expansionsstufenrad (15b) ein erstes bewegliches Abstützelement (19) zugeordnet ist, das stirnseitig gegen das innere Expansionsstufenrad sowie das äußere Expansionsstufenrad (15b) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten beweglichen Abstützelement (19) ein verstellbares Steuerelement (41, 42, 51, 56) zugeordnet ist, welches abhängig von einem im Betrieb der Expansionsstufe (15) und/oder der Kraft/Arbeitsmaschine (2, 2', 2'') veränderlichen Parameter, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druck in einem Einlasskanal und/oder in einem Auslasskanal der Expansionsstufe (15) und/oder einem Mitteldruck der Expansionsstufe (15) einstellbar ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement (41, 42, 51, 56) eine Andruckkraft zwischen erstem Abstützelement (19) einerseits und dem inneren Expansionsstufenrad (15a) und/oder dem äußeren Expansionsstufenrad (15b) ändert.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement (41, 42, 51, 56) eine Andruckkraft auf das erste Abstützelement (19) ausübt, welche von diesem auf die Expansionsstufe (15) übertragen wird.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement als von einem Druck in einem Einlasskanal und/oder in einem Auslasskanal der Expansionsstufe (15) beaufschlagte, pneumatische Feder (41, 56) ausgeführt ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement (41, 56) zwischen dem Abstützelement (19) und einem gehäusefest angeordneten Deckel (16e) ein ringförmiges Dichtelement (39) umfasst, welches insbesondere gemeinsam mit dem Deckel (16e) und dem Abstützelement (19) ein Druckvolumen umschließt.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement als pneumatische Feder (41, 42, 56) gestaltet ist, der eine mechanische Feder (53, 37) zugeordnet ist, die in einer Ruheposition unter einer Vorspannung steht und die mit dem Steuerelement parallel geschaltet ist.
Kraft/Arbeitsmaschine insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement als beweglicher Kolben oder Stift (51) ausgeführt ist, der auf einer Vorderseite (51b) mit dem einlassseitigen Druck der Expansionsstufe (15) und auf einer Rückseite mit einem auslassseitigen Druck der Expansionsstufe beaufschlagbar ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbares Steuerelement (51) in einer ersten Betriebsposition des Steuerelements einen Überströmkanal (58) wenigstens abschnittsweise sperrt, wobei der Überströmkanal (58) mit einem Einlasskanal (33) und einem Arbeitsraum (A) der Expansionsstufe (15) direkt oder indirekt kommuniziert.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere verstellbare Steuerelemente (41, 42, 51, 56) eine stirnseitige Anpresskraft des Abstützelements (19) auf die Expansionsstufenräder (15a, 15b) in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Kraft/Arbeitsmaschine innerhalb der Kraft/Arbeitsmaschine selbsttätig ändern.
Kraft/Arbeitsmaschine insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass einer Expansionsstufe (15) eine Verdichterstufe (14) zugeordnet ist, der ein zweites bewegliches Abstützelement (23) zugeordnet ist, das stirnseitig gegen ein inneres Verdichterrad (14a) und/oder ein äußeres Verdichterrad (14b) gedrückt wird, wobei dem zweiten beweglichen Abstützelement (23) ein zweites verstellbares Steuerelement (45, 46) zugeordnet ist, welches abhängig von einem im Betrieb der Verdichterstufe (14) und/oder der Kraft/Arbeitsmaschine (2, 2', 2'') veränderlichen Parameter, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druck in einem Einlasskanal und/oder in einem Auslasskanal der Verdichterstufe (14) einstellbar ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites verstellbares Steuerelement (45, 46) eine Andruckkraft zwischen zweitem Abstützelement (23) einerseits und dem inneren Verdichterrad (14a) und/oder dem äußeren Verdichterrad (14b) ändert.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites verstellbares Steuerelement (45, 46) eine Andruckkraft auf das zweite Abstützelement (23) ausübt, welche von diesem auf die Verdichterstufe (14) übertragen wird.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (16) eine unbeweglich im Gehäuse angeordnete isolierende Trennwand (21) zwischen einem Verdichterrad (14a, 14b) und einem Expansionsstufenrad (15a, 15b) aufweist, an der berührend das Verdichterrad und das Expansionsstufenrad anliegen.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) eine gemeinsame Welle (17) aufweisen, die innerhalb einer gehäusefest angeordneten Hohlachse (22) drehbar gelagert ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass – die Expansionsstufe (15) ein variables Expansionsvolumen aufweist, in dem eine innere Expansion des ersten Fluids durchführbar ist, und dass – die Verdichterstufe (14) ein variables Verdichtervolumen aufweist, in dem eine innere Verdichtung des ersten Fluids durchführbar ist.
Kraft/Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsstufe (15) und die Verdichterstufe (14) jeweils ein auf einer Welle (22) gelagertes Innenrad (14a, 15a) sowie ein an einem Gehäuse gelagertes, das Innenrad umgreifendes Außenrad (14b, 15b) aufweisen, wobei – dem Innenrad (14a, 15a) eine Außenverzahnung und – dem Außenrad (14b, 15b) eine korrespondierende, in die Außenverzahnung eingreifende Innenverzahnung zugeordnet sind, wobei – Innenrad und Außenrad jeweils um zwei voneinander beabstandete Rotationsachsen (17a, 16a) drehbar gelagert sind.