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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter mit einem Abscheiderotor sowie ein Verfahren zum Abscheiden von Öl in einem Hubkolbenverdichter. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hubkolbenverdichter zum Verdichten von CO2, das als Arbeitsmedium für eine Kühlanlage bzw. Klimaanlage genutzt wird.
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Bekanntermaßen werden bewegliche Teile eines Hubkolbenverdichters mit Öl geschmiert, das teilweise durch das im Gehäuse des Hubkolbenverdichters strömende Arbeitsmedium in den Verdichterkreislauf eingetragen wird. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters bzw. der gesamten Klimaanlage.
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DE 11 03 511 A beschreibt einen Kompressor mit einem Ölabscheider, der einen hohlkegelstumpfförmigen Läufer umfasst. Der Läufer ist über ein Getriebe mit der Kurbelwelle des Kompressors gekoppelt und ist von Gas durchströmbar. Im Gas enthaltenes Öl wird mittels Zentrifugalkräften in einer Ölsammelrinne am Boden des Läufers zu einem Ölring gesammelt und über ein Staurohr abgeführt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hubkolbenverdichter anzugeben, der eine Verunreinigung des zu verdichtenden Arbeitsmediums, insbesondere CO2-Gases, vermeidet oder zumindest reduziert. Ferner soll ein effizientes Verfahren zum Abscheiden von Öl angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hubkolbenverdichter mit einem Gehäuse gelöst, das einen Antriebsraum und einen Verdichterraum umschließt und einen zum Antriebsraum geöffneten Gaseinlass aufweist. Der Gaseinlass mündet koaxial zu einer Maschinenwelle in einen Abscheiderotor, der innerhalb einer zylinderförmigen Abscheidekammer angeordnet ist. Der Abscheiderotor weist ferner wenigstens einen drehfest mit der Maschinenwelle verbundenen Ringflansch auf, der mehrere Abscheideplatten trägt. Diese erstrecken sich im Wesentlichen radial und parallel zur Maschinenwelle in die Abscheidekammer. Zwischen den Abscheideplatten und einer Innenumfangswandung der Abscheidekammer ist außerdem ein Spalt zum Abführen von Öl vorgesehen.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein über den Gaseinlass in die Abscheidekammer eingeleitetes Gas-Öl-Gemisch durch den rotierenden Abscheiderotor entlang der Abscheideplatten in eine helixförmige Strömungsbahn geleitet wird derart, dass das Öl zentrifugal an die Innenumfangswandung der Abscheidekammer gedrängt wird und entgegen einer Strömungsrichtung des Gas-Öl-Gemischs aus der Abscheidekammer abgeführt wird.
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Durch den mit der Maschinenwelle drehfest verbundenen Abscheiderotor, der folglich mit der Maschinenwelle rotiert, wird in den Antriebsraum einströmendes Gas in eine helixförmige Strömungsbahn gelenkt. Die dabei auf das Gas bzw. Gas-Öl-Gemisch einwirkende Zentrifugalkraft bewirkt, dass Verunreinigungen, insbesondere Öl, gegen die Innenumfangswandung der Abscheidekammer gedrängt werden. Das Gas kann hingegen frei zu einem Gasauslass strömen. Die an die Innenwandung gedrängten Bestandteile werden aufgrund der Schwerkraft oder durch Strömungseinflüsse in Richtung des zwischen dem Abscheiderotor und der Abscheidekammer gebildeten Spalts geleitet und verlassen über diesen die Abscheidekammer.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1: eine Querschnittsansicht eines Hubkolbenverdichters nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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2: eine Detailansicht des Antriebsraums des Hubkolbenverdichters gemäß 1;
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3: eine perspektivische Ansicht des Abscheiderotors des Hubkolbenverdichters gemäß 1;
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4: eine Seitenansicht einer Maschinenwelle des Hubkolbenverdichters gemäß 1, wobei die Maschinenwelle auf Höhe einer Durchgangsbohrung geschnitten ist;
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5: eine Schnittansicht der Maschinenwelle gemäß 4 entlang der Linie A-A; und
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6: eine perspektivische Ansicht eines Abscheiderotors des Hubkolbenverdichters nach einem alternativen Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Hubkolbenverdichter in bevorzugter Ausgestaltung als Radialkolbenverdichter nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Der Hubkolbenverdichter weist ein für CO2-Verdichterdrücke ausgelegtes Gehäuse 1 auf, das einen Antriebsraum 10 und einen Verdichterraum 20 umschließt. Der Antriebsraum 10 und der Verdichterraum 20 sind durch eine Trennwand 6 des Gehäuses 1 voneinander separiert. Durch den Antriebsraum 10 und den Verdichterraum 20 erstreckt sich eine Maschinenwelle 2, die in drei Wellenlagern 23 rotierend gelagert ist. Die Wellenlager 23 sind dem Verdichterraum 20 zugeordnet und voneinander beabstandet in das Gehäuse 1 integriert. Durch diese Dreipunkt-Lagerung werden auf die Maschinenwelle 2 einwirkende starke Biegebelastungen sicher aufgenommen. Zwischen den Wellenlagern 23 sind die Zylinder 21 des Hubkolbenverdichters angeordnet, in welchen mit der Maschinenwelle 2 gelenkig verbundene Kolben 22 laufen. Innerhalb der Zylinder 21 wird die Verdichtungsarbeit verrichtet, d. h. das Arbeitsmedium, beispielsweise CO2-Gas, wird verdichtet.
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Im Antriebsraum 10 ist ein Antriebsmotor 12 angeordnet, der vorzugsweise als Elektromotor, insbesondere Permanentmagnetmotor, ausgebildet ist. Innerhalb des Antriebsmotors 12 ist eine zylinderförmige Abscheidekammer 30 vorgesehen. Die Abscheidekammer 30 erstreckt sich zumindest teilweise durch den Antriebsmotor 12 und ist koaxial zu diesem angeordnet, was zur kompakten Bauweise des Hubkolbenverdichters beiträgt.
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Das Gehäuse 1 weist ferner einen Gaseinlass 11 auf, der zum Antriebsraum 10 geöffnet ist. Der Gaseinlass 11 mündet in die Abscheidekammer 30 innerhalb des Antriebsraums 10. Der Gaseinlass 11 ist koaxial zur Maschinenwelle 2 angeordnet und endet in einem in der Abscheidekammer 30 angeordneten Abscheiderotor 31. Um die Einleitung des über den Gaseinlass 11 einströmendne Gases in den rotierenden Abscheiderotor 31 zu verbessern, weist der Gaseinlass 11 am der Maschinenwelle 2 zugewandeten Ende Seitenöffnungen 14 und eine kegelförmige Prallplatte 15 auf. Die Prallplatte 15 ist strömungsabwärts am Ende des Gaseinlasses 11 angeordnet.
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Der Abscheiderotor 31 ist drehfest mit der Maschinenwelle 2 verbunden, so dass der Abscheiderotor 31 mit der Maschinenwelle 2 aufgrund des Antriebsmotors 12 rotiert. Die Anordnung des Abscheiderotors 31 innerhalb des Abscheideraums 30 ist gut in der Detailansicht gemäß 2 erkennbar.
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Die Konstruktion des Abscheiderotors 31 ergibt sich aus 3. Demnach weist der Abscheiderotor 31 wenigstens einen ersten Ringflansch 32 und einen zweiten Ringflansch 34 auf, die durch Abscheideplatten 33 miteinander verbunden sind, wobei die Abscheideplatten 33 radial zu einer Rotationsachse des Abscheiderotors 31 orientiert sind.
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Im eingebauten Zustand ist der erste Ringflansch 32 mit der Maschinenwelle 2 fest verbunden und trägt mehrere Abscheideplatten 33 bzw. Abscheideflügel, die sich im Wesentlichen radial in die Abscheidekammer 30 erstrecken bzw. radial und parallel zur Achse der Maschinenwelle 2 orientiert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 verbinden die Abscheideplatten 33 den ersten Ringflansch 32 mit einem zweiten Ringflansch 34. Der zweite Ringflansch 34 ist dem Gaseinlass 1 zugewandt. Gut erkennbar sind in 3 die am der Maschinenwelle 2 zugewandten ersten Ringflansch 32 vorgesehenen Auslassöffnungen 37.
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Eine alternative Variante des Abscheiderotors 31 bzw. Impellers ist in 6 dargestellt. Dieser Abscheiderotor 31 ist als Blechimpeller ausgeführt, wobei die Abscheideplatten 33 bzw. Abscheideflügel durch Umkanten von Randabschnitten 39 des Ringflanschs 32 gebildet sind. Mit anderen Worten ist der Ringflansch 32 auf seinem Umfang im Wesentlichen L-förmig ausgeschnitten. Die L-förmig freigeschnittenen Randabschnitte 39 sind senkrecht zum Ringflansch 32 umgebogen und bilden einerseits die Abscheideplatten 33 und legen andererseits die Auslassöffnungen 37 frei. Die Auslassöffnungen 37 sind bei dieser Art des Abscheiderotors 31 durch zum Umfang des Ringflanschs 32 geöffnete Ausnehmungen gebildet. Der Ringflansch 32 ist im eingebauten Zustand des Impellers mit der Maschinenwelle 2 drehfest verbunden. Die Abscheideflügel bzw. Abscheideplatten 33 weisen im eingebauten Zustand in Richtung des Gaseinlasses 11.
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Innerhalb des Hubkolbenverdichters ist der Abscheiderotor 31 derart mit der Maschinenwelle 2 verbunden, dass wenigstens eine der Auslassöffnungen 37 mit einem Gasauslass 13 fluchtet. Innerhalb des Antriebsmotors 12 sind vorzugsweise mehrere Gasauslässe 13 angeordnet, die jeweils mit einer Auslassöffnung 37 fluchten. So ist ein ununterbrochener Gasstrom durch die Abscheidekammer 30 gewährleistet.
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Jeder der Gasauslässe 13 ist, wie in 2 gezeigt ist, exzentrisch zur Maschinenwelle 2 im Läufer 16 des Antriebsmotors 12 angeordnet. Im Betrieb rotiert der Gasauslass 13 gemeinsam mit der Maschinenwelle 2 und dem Abscheiderotor 31, so dass die fluchtende Anordnung zwischen der Auslassöffung 37 und dem Gasauslass 13 beibehalten wird. Der Gasauslass 13 weist zu einer Innenumfangswandung 35 der Abscheidekammer 30 einen Abstand auf. Mit anderen Worten ist zwischen dem Gasauslass 13 und der Innenumfangswandung 35 der Abscheidekammer 30 eine Stufe 38 gebildet. Die Stufe 38 verhindert, dass sich an der Innenumfangswandung 35 sammelnde abgeschiedene Stoffe in den Gasauslass 13 und somit in den Gaskreislauf gelangen. Der Gasauslass 13 führt das gereinigte Gas von der Abscheidekammer 30 in den Arbeitsraum 10. Von dort gelangt das Gas über eine Gasleitung in die Zylinder 21 im Verdichterraum 20.
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Zwischen den Abscheideplatten 33 und der Innenumfangswandung 35 der Abscheidekammer 30 ist ein Spalt 36 gebildet. Der Abscheiderotor 31 weist also einen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser der Abscheidekammer 30 ist. Der zwischen dem Abscheiderotor 31 und der Abscheidekammer 30 gebildete Spalt 36, der insbesondere in Form eines Ringspalts vorliegt, ermöglicht es, dass abgeschiedene Stoffe entlang der Innenumfangswandung 35 gegen die Strömungsrichtung des Gases aus der Abscheidekammer 30 ablaufen. Über eine in der Trennwand 6 vorgesehene Rückführöffnung 7 kann das abgeschiedene Öl einschließlich etwaiger Verunreinigungen in einen Ölsammelbereich des Verdichterraums 20 zurückfließen.
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Der Abscheiderotor 31 bzw. Ölabscheider funktioniert wie folgt:
Das über den Gaseinlass 11 einströmende Gas, das mit Ölpartikeln versetzt ist, wird durch die Rotation des Abscheiderotors 31 in eine helixförmige Strömungsbahn geleitet. Durch die dabei auftretenden Zentrifugalkräfte werden die im Gas enthaltenen Fest- oder Flüssigstoffe, insbesondere das Öl, nach außen gegen die Innenumfangswandung 35 gedrängt. Das vom Öl befreite Gas strömt über die Auslassöffnungen 37 im ersten Ringflansch 32 und den Gasauslass 13 zu den Zylindern 21 im Verdichterraum 20. Das abgeschiedene Öl fließt entlang der Innenumfangswandung 35 gegen die Strömungsrichtung des Gases und verlässt die Abscheidekammer 30 an dem der Maschinenwelle 2 gegenüberliegenden Ende. Unter Einfluss der Schwerkraft gelangt das abgeschiedene Öl durch die Rückführöffnung 7 in der Trennwand 6 in den Verdichterraum 20, insbesondere in einen Ölsammelbereich des Verdichterraums 20.
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Um zu verhindern, dass aus dem Verdichterraum 20 Öl in den Antriebsraum 10 gelangt, kann ein zusätzlicher Ölabscheider vorgesehen sein, der vorzugsweise in Form einer durch die Maschinenwelle 2 geführten Bohrung 3 ausgeführt ist.
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In den 4 und 5 ist diese Art des zusätzlichen Ölabscheiders dargestellt. Die durch die Maschinenwelle 2 geführte Bohrung 3 umfasst einen radialen Abschnitt 4 und einen Verbindungsabschnitt 5. Der radiale Abschnitt 4 mündet in den Verdichterraum 20 und erstreckt sich radial durch die Maschinenwelle 2. Der Verbindungsabschnitt 5 der Bohrung 3 verläuft schräg durch die Maschinenwelle 2 und mündet in den Antriebsraum 10. Vorzugsweise sind zwei Bohrungen 3 mit einem gemeinsamen radialen Abschnitt 4 vorgesehen. Der radiale Abschnitt 4 trifft innerhalb der Maschinenwelle 2 auf zwei schräg verlaufende Verbindungsabschnitte 5, wie in 5 gut erkennbar ist.
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Durch die Bohrung in der Maschinenwelle 2 besteht eine Fluidverbindung zwischen dem Verdichterraum 20 und dem Antriebsraum 10. Unter Einfluss der Zentrifugalkraft, die innerhalb des mit der Maschinenwelle 2 um deren Achse rotierenden radialen Abschnitts 4 der Bohrung 3 wirkt, werden Fest- oder Flüssigstoffe aus dem durch die die Bohrung 3 strömenden Gases abgeschieden. Die abgeschiedenen Stoffe bzw. die abgeschiedenen Ölpartikel verlassen die Bohrung 3 über die Mündung in den Verdichterraum 20. Somit besteht innerhalb der Bohrung 3 im Betrieb des Hubkolbenverdichters eine gegenläufige Strömung von Gas und abgeschiedenem Öl. Während das Gas über den radialen Abschnitt 4 durch die Verbindungsabschnitte 5 in den Antriebsraum 10 gelangt, wird das Öl innerhalb der Bohrung 3 aus dem Gas gelöst und vom Verbindungsabschnitt 5 über den radialen Abschnitt 4 in den Verdichterraum 20 zurückgeführt.
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Durch die zuvor beschriebene Konstruktion, insbesondere den Abscheiderotor 31 in Verbindung mit der durch die Maschinenwelle 2 geführten Bohrung 3, wird erreicht, dass das in die Zylinder 21 des Hubkolbenverdichters eingeleitete Gas im Wesentlichen öl- bzw. ölnebelfrei ist. Für die Ölabscheidung wird die vom Antriebsmotor 12 erzeugte Rotation der Maschinenwelle 2 vorteilhaft genutzt. Dabei wird die Ölmenge auf der Saugseite des Hubkolbenverdichters reduziert, so dass der Anteil an Öl oder sonstigen Fremdstoffen im Gaskreislauf des Gesamtsystems minimiert und der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.
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Der Hubkolbenverdichter ist vorzugsweise als Sechs-Zylinder-Radialkolbenverdichter ausgeführt. Dieser Radialkolbenverdichter weist drei radial versetzte Zylinderbänke mit jeweils zwei Zylindern 21 auf. Der Zylinderbankwinkel kann zwischen 50 Grad und 70 Grad, vorzugsweise 60 Grad betragen. Der Antriebsmotor 12 kann für eine elektrische Leitung von wenigstens 50 kW, insbesondere wenigstens 60 kW, insbesondere wenigstens 70 kW, insbesondere wenigstens 75 kW, ausgelegt sein. Vorzugsweise beträgt der Drehzahlbereich im Betrieb zwischen 300 U/min und 5000 U/min, insbesondere zwischen 400 U/min und 4500 U/min, insbesondere zwischen 500 U/min und 4000 U/min. Das Verdichtungsverhältnis kann zwischen 1:5 und 1:10 variieren und vorzugsweise 1:8 betragen. Der Hubkolbenverdichter wird vorteilhaft als Teil einer Klimaanlage, eines Kühlgeräts oder einer Wärmepumpe eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Maschinenwelle
- 3
- Bohrung
- 4
- radialer Abschnitt
- 5
- Verbindungsabschnitt
- 6
- Trennwand
- 7
- Rückführöffnung
- 10
- Antriebsraum
- 11
- Gaseinlass
