DE102015214291A1

DE102015214291A1 - Vorrichtung mit direkt angetriebener rotierender Spirale

Info

Publication number: DE102015214291A1
Application number: DE102015214291.4A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rührig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aufweisend eine feste Spirale (1) und eine in dieser rotierbar beweglichen Spirale (3), wobei die bewegliche Spirale als ein elektromotorischer Rotor innerhalb eines Stators rotierbar ist. Die Vorrichtung kann für entsprechende Verfahren zum Verdichten oder Pumpen von gasförmigen Medien und für Verfahren zum Pumpen von flüssigen Medien angewendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten oder Pumpen mit einer rotierenden Spirale, die ebenso als ein Schrauben- oder Schnecken-Kompressor oder eine Schrauben- oder Schnecken-Pumpe oder als Spiral- oder Scrollverdichter bezeichnet werden kann.
Kompressoren und Pumpen sind vielseitig einsetzbar, insbesondere in der Industrie, beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie, wo sie beispielsweise zum Transportieren, Verdichten, Saugen von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt werden. Ebenso bei der Verflüssigung von Gasen, beispielsweise in Wärmepumpen oder Kühlschränken, werden sie verwendet. Insbesondere zur Erreichung tiefer Temperaturen, beispielsweise zur Kühlung von Supraleitern, werden sie eingesetzt. Die Verwendungsmöglichkeiten von Kompressoren und Pumpen sind sehr vielseitig.
Beispielsweise werden Kompressoren und/oder Pumpen zur Verflüssigung von Helium verwendet, wobei insbesondere möglichst geringe Öl-Verunreinigungen in Helium eingetragen werden sollen.
Die DE 103 93 034 B4 offenbart eine derartige Heliumpumpe. Diese ist dort als eine Verdichterpumpe in Ausgestaltung eines Spiralverdichters ausgeführt.
Die dort beschriebene Scroll-Pumpe oder Schraubenkompressor ist eine Pumpe, wie sie ebenso als Vorvakuumpumpe verwendet werden kann.
Laut Wikipedia wurde das Grundprinzip des Schneckenverdichters 1905 von Léon Creux erfunden.
Herkömmliche Scrollverdichter, die ebenso als Schrauben-, Spiral- oder Schneckenverdichter bezeichnet werden können, weisen zwei Spiralen auf. Eine feste und eine oszillierende Spirale, wobei die oszillierende in der festen läuft. Bei einem Betrieb wird ein Gas von außen zwischen die ineinandergreifenden Spiralen gesaugt, und immer weiter zur Mitte der Spirale gedrückt. Bei diesem Vorgang verkleinert sich das Volumen, aber die angesaugte Gasmenge bleibt gleich. Lediglich infolge Lecks können Druckverluste entstehen. Durch diesen Vorgang wird das Gas immer weiter unter Druck gesetzt. Die Kontaktflächen zwischen den Spiralen müssen groß genug sein, um Lecks und Druckverluste auf ein Minimum zu halten.
Die Kontaktflächen müssen geschmiert werden. Niedrige Drehzahlen erhöhen das Risiko von schlechter Schmierung und somit auch das Risiko von erhöhtem Verschleiß.
Als Antrieb dient herkömmlicherweise ein Elektromotor, der über eine Achse und einen Exzenter mit der oszillierenden Arbeitsspirale verbunden ist und dieser die charakteristische exzentrische Bewegung aufprägt.
Der Elektromotor mit der Antriebsachse und dem Exzenter nehmen einen großen Teil eines Bauraumes ein, während der eigentliche Verdichter lediglich auf beispielsweise zwei schneckenförmig ausgeführten Scheiben ineinander gewendelter Schnecken und einer Abdichtplatte oben und unten besteht. Kleinere Abwandlungen werden beispielsweise als Verdichter oder Turbolader in Automobilen verwendet.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung mit rotierender Spirale zum Verdichten und/oder Pumpen, insbesondere einen Scroll- oder Schneckenverdichter, im Vergleich zum Stand der Technik kompakter bereit zu stellen. Es soll eine Verschleißanfälligkeit verringert sein. Ein mechanisches Blockieren soll leichter handhabbar sein. Eine Anzahl von reibenden Teilen soll verkleinert werden. Wirkungsgrad und Nutzungsgrad der Vorrichtung sollen vergrößert werden. Verdichtungs- und Pumpverfahren sollen entsprechend vereinfacht und wirksamer werden. Gasförmige und flüssige Medien sollen wirksam verdichtet und/oder gepumpt werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung aufweisend eine feste Spirale und eine in dieser rotierbar beweglichen Spirale vorgeschlagen, wobei die bewegliche Spirale als ein elektromotorischer Rotor innerhalb eines Stators rotierbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Verdichten und/oder Pumpen mittels einer Vorrichtung vorgeschlagen, die eine feste Spirale und eine in dieser rotierbare Spirale aufweist, wobei diese innerhalb eines Stators rotiert.
Die rotierende Spirale ist als ein Rotor entsprechend eines Rotors eines Elektromotors ausgeführt und die Vorrichtung ist der Elektromotor.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Wegfall eines herkömmlicherweise externen Elektromotors einschließlich aller darin verbauten Verschleißteile, wie es beispielsweise Lager sind, der Antriebswelle und des Exzenters. Auf diese Weise wird eine wirksame Verkleinerung der Anzahl der bewegten Teile erzielt und eine im Vergleich zum Stand der Technik kompaktere Bauform ermöglicht. Infolge einer nicht kraftschlüssigen Kopplung zwischen der festen Spirale und der Schnecke beziehungsweise der rotierenden Spirale, ist eine Gefahr von sekundären Schäden, beispielsweise ein Wellenbruch, im Fall eines mechanischen Blockierens der Schnecke deutlich kleiner. Infolge des erfindungsgemäßen direkten elektromotorischen Antriebs der rotierbaren Spirale beziehungsweise der Schnecke entfallen reibende Teile, beispielsweise im Motor, in den Wellenlagern und im Exzenter. Dies bewirkt eine wirksame Verbesserung der Effizienz des Gesamtsystems zur Verdichtung beziehungsweise zum Pumpen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stator die feste Spirale sein. Ist die feste Spirale gleichzeitig der Stator kann der Rotor alternativ fixiert werden und der Stator als bewegliches rotierendes Bauteil geschaffen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stator außerhalb der festen Spirale angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stator an einem die feste und die bewegliche Spirale einschließenden Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die bewegliche Spirale permanent magnetisch ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die bewegliche Spirale ein permanent magnetisches Material aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können an der oder in der beweglichen Spirale Dauermagnete befestigt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels des Stators mindestens ein dynamisches Magnetfeld erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein dynamisches Magnetfeld als die bewegliche Spirale umlaufend erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stator mindestens eine Spule aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere Spulen die bewegliche Spirale umlaufend positioniert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer Steuerungseinheit die mindestens eine Spule hinsichtlich erzeugter Feldstärke und erzeugter Feldrichtung ansteuerbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Spulen, können die feste und die bewegliche Spirale als Scheiben ausgebildet sein. Die feste Spirale kann auch als fixierte Spirale bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels Außenöffnungen und insbesondere mittels eines Entladeanschlusses ein gasförmiges Medium komprimierbar und/oder pumpbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der Magnetfeldstärke oder den Magnetfeldstärken eine Anpresskraft der beweglichen Spirale an die feste Spirale eingestellt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1A–1E ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Verfahrens;
2A–2D ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1A bis 1E zeigen ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Verfahrens zum Verdichten oder Pumpen eines Gases oder Pumpen einer Flüssigkeit mittels einer Vorrichtung, die eine feste Spirale und eine in dieser rotierenden Spirale aufweist. 1A bis 1E zeigen das Prinzip einer herkömmlichen Scrollpumpe und deren prinzipiellen Aufbau. Derartige Schneckenverdichter werden beispielsweise für Wärmepumpen verwendet.
1A bis 1E zeigen ein Verdichten mittels eines Scrollverdichters, wobei das Verdichten beispielsweise mittels folgender fünf Phasen beschrieben werden kann:
1A zeigt eine erste Phase eines Ansaugens. Zu Beginn des Vorganges bei einer Kreisbewegung wird das zu verdichtende Medium angesaugt.
1B zeigt eine zweite Phase eines Einschliessens des Mediums. Es wird das angesaugte Medium, durch das exzentrische Weiterdrehen der Spirale, eingeschlossen.
1C zeigt eine dritte Phase eines ersten Verdichtens. Die sich weiterdrehende Spirale wird die eingeschlossene Gasmenge immer weiter verdichten, da sich der Raum in dem sich das Gas befindet, immer weiter verkleinert.
1D zeigt eine vierte Phase eines zweiten Verdichtens. Die bewegliche Spirale rotiert immer weiter und die eingeschlossene Gasmenge wird immer weiter verdichtet.
1E zeigt eine fünfte Phase eines dritten Verdichtens. In dieser letzten Phase wird das stark verdichtete Gas in den Hochdruckteil "übergeben". Die oben beschriebenen Vorgänge finden alle zur gleichen Zeit statt. Durch diesen Kompressionsvorgang wird ein Teil der im Gas "gespeicherten" Wärmemenge freigegeben. Diese Wärme wird z.B. zum Heizen verwendet oder beim Kühlen an die Umgebung abgegeben.
2A–2D zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Scrollpumpe beziehungsweise eines herkömmlichen Schraubenkompressors. Dieser wird hier beispielsweise in einem System zur Verflüssigung von Helium verwendet.
2A bis 2D zeigen in schematischer Weise das Betriebselement eines Spiralverdichters. Der Spiralverdichter beinhaltet zwei ähnliche, konzentrische Spiralen 21, 23, von denen eine in die andere eingefügt ist. Spirale 23 bleibt feststehend, während Spirale 21 innerhalb der ersten Spirale kreist. Wie in 2A dargestellt, wird Gas in die Kompressionskammern 25, 25' gesaugt, wenn die Außenöffnungen 27, 27' offen sind. Während Spirale 21 kreist, werden – wie in 2B gezeigt – die Außenöffnungen 27, 27' geschlossen und die Kompressionskammern 25, 25' in die Spirale gezogen. Während Spirale 21 weiter auf ihrer Kreisbahn dreht, werden – wie in 2C gezeigt – die Kompressionskammern 25, 25' weiter in die Spirale gezogen und ihr Volumen reduziert, so dass das Gas in den Kammern 25, 25' verdichtet wird. Die Außenöffnungen 27, 27' werden wieder geöffnet, um die zusätzlichen Kompressionskammern 29, 29' dem Umgebungsgas auszusetzen. Die Kammern 25, 25' bewegen sich zum Mittelpunkt der Schnecke und werden zunehmend verdichtet, bis das Gas – wie in 2D gezeigt – in den Kammern den Höchstdruck in der Mitte des Verdichters erreicht. Dort wird das unter Hochdruck stehende Gas über einen Entladeanschluss 22 in die feststehende Schnecke 23 freigegeben. Die verschiedenen Kompressionskammern 25, 25', 29, 29' usw. gelangen nacheinander zum Entladeanschluss 22, während neue Kompressionskammern durch Öffnen und Schließen der Außenöffnung 27 geschaffen werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine feste oder fixierte Spirale 1 und eine in dieser rotierende Spirale 3 auf. Diese Spirale 3 ist als ein elektromotorischer Rotor innerhalb eines Stators S rotierbar ausgeführt. Der Stator S ist um ein die feste und die bewegliche Spirale 1 und 3 einschließendes Gehäuse G angeordnet. Der Stator S kann als ein System zur Erzeugung von Magnetfeldern geschaffen sein. Die bewegliche Spirale 3 ist hier als eine bewegliche permanent-magnetische Arbeitsspirale geschaffen. Grundsätzlich kann die rotierende Spirale 3 ebenso hinsichtlich der Erzeugung von Wirbelströmen optimiert sein, so dass der Rotor in Ausgestaltung eines asynchronen Motors angetrieben wird. Grundsätzlich sind alle Motorkonzepte zum Antrieb der rotierenden Spirale 3 als Rotor anwendbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist grundsätzlich für alle Verdichtungs- und/oder Pumpaufgaben anwendbar.
Die Vorrichtung besteht aus zwei ineinander verschachtelten Spiralen, die feste Spirale 1 und die rotierbare Spirale 3, die nicht übereinen Exzenter gegeneinander bewegt werden. Dabei ist die Spirale 1 fest und die andere Spirale als Arbeitsspirale 3 rotierbar. Es entfällt eine Ankopplung eines Elektromotors über einen Exzenter. Die Arbeitsspirale 3 wird gegenüber der festen Spirale 1 so bewegt, dass von jeweils zwei Berührungspunkten beziehungsweise Linien der Spiralen 1 und 3 mehrere Gasvolumen derart eingeschlossen werden, dass diese Volumina bei der exzentrischen Bewegung der Spiralen ins Zentrum der Spiralen 1 und 3 bewegt werden und sich auf diesem Weg verkleinern. Dadurch findet ein Gastransport von außen nach innen statt bei gleichzeitiger Druckerhöhung in den Gasvolumina. Der Einlass der Pumpe befindet sich normalerweise außen. Der Auslass im Zentrum. Diese Vorrichtung braucht keine Ventile und es existieren keine bewegten Kolben. Dies macht sie relativ geräusch- und verschleißarm. Diese Art von Kompressor arbeitet nahezu kontinuierlich und nicht getaktet. Die Pumpen können Öl-frei betrieben werden, was beispielsweise im Fall von Helium oder anderer empfindlicher Gase und ebenso für Vakuumanwendungen vorteilhaft ist. Es wird vorgeschlagen, die bewegliche Spirale 3 nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, über einen Exzenter anzutreiben, sondern direkt elektromotorisch. Dazu werden auf der Spirale 3 beziehungsweise in der Wandung Dauermagnete eingebracht, beziehungsweise die Spirale 3 wird selbst aus einem Material ausgeführt, das permanent-magnetische Eigenschaften hat. Werden nun die Magnete beziehungsweise das Material der Spirale 3 so magnetisiert, dass sich auf der Außenseite Magnetpole ausbilden, kann die Spirale 3 durch die Fernwirkung von Magnetfeldern zu Bewegungen angeregt werden, die der Bewegung über den Exzenter gemäß dem Stand der Technik analog sind. Die bewegliche Arbeitsspirale 3 hat erfindungsgemäß keine kraftschlüssige Verbindung zum Antrieb, sondern ist lediglich über die Fernwirkung von Magnetfeldern angekoppelt und ansonsten frei beweglich. Dies ermöglicht bis auf den Einlass und Auslass der Pumpe eine völlig hermetische Abdichtung, da keine Antriebswelle erforderlich ist. Die Magnetfelder werden vorteilhaft mittels Spulen erzeugt, die um die nun scheibenförmig ausgebildete Pumpe beziehungsweise Verdichtungsvorrichtung angeordnet sind. Die Anordnung von Spulen kann analog zum Stator beispielsweise in einem permanentmagnet-erregten Synchronmotor ausgebildet werden. Asynchrone Ausführungen sind ebenso verwendbar. Durch entsprechende Verschaltung der Spulen mit einer Steuereinheit könne Felder mit nahezu beliebiger Richtung und einstellbarer Stärke im Bereich der Spirale erzeugt werden. Die Spirale 3 kann dadurch zu entsprechenden Bewegungen angeregt werden, die im Falle des Exzenterantriebs eine Pumpwirkung bewirken.
Infolge Variation der über den Stator S aufgebrachten Magnetfeldstärke kann die Kraft auf die bewegliche Spirale 3 und damit die Anpresskraft auf die feste Spirale 1 eingestellt werden. Dies stellt eine zusätzliche Regelgröße dar, beispielsweise bei Medien unterschiedlicher Viskosität. Das heißt, die Anpresskraft kann in Abhängigkeit von der Viskosität eines zu komprimierenden Mediums angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10393034 B4 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Verdichten und/oder Pumpen eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums aufweisend eine feste Spirale (1) und eine in dieser rotierbar beweglichen Spirale (3), dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Spirale als ein elektromotorischer Rotor innerhalb eines Stators (S) rotierbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator die feste Spirale ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator außerhalb der festen Spirale angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator an einem die feste und die bewegliche Spirale einschließenden Gehäuse (G) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Spirale permanentmagnetisch ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Spirale ein permanentmagnetisches Material aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der oder in der beweglichen Spirale Dauermagnete befestigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stators mindestens ein dynamisches Magnetfeld erzeugt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamisches Magnetfeld als die bewegliche Spirale umlaufend erzeugt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mindestens eine Spule aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spulen die bewegliche Spirale umlaufend angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungseinheit die mindestens eine Spule hinsichtlich erzeugter Feldstärke und erzeugter Feldrichtung ansteuerbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen die als Rotor bewegliche Spirale synchron oder asynchron antreiben.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feste und die bewegliche Spirale als Scheiben ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Außenöffnungen und insbesondere eines Entladeanschlusses das gasförmiges oder flüssige Medium komprimierbar und/oder pumpbar ist.
Verfahren zum Verdichten eines Gases und/oder Pumpen eines Gases oder einer Flüssigkeit mittels einer Vorrichtung aufweisend eine feste Spirale und eine in dieser rotierbar beweglichen Spirale, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Spirale elektromotorisch als ein Rotor innerhalb eines Stators rotiert.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stators mindestens ein dynamisches Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamisches Magnetfeld als die bewegliche Spirale umlaufend erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungseinheit Magnetfeldstärke(n) und die Magnetfeldrichtung(en) gesteuert werden.
Verfahren gemäß dem Anspruche 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Magnetfeldstärke oder den Magnetfeldstärken eine Anpresskraft der beweglichen Spirale an die feste Spirale eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine dynamische Magnetfeld die als Rotor bewegliche Spirale synchron oder asynchron antreibt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiges Medium komprimiert und/oder gepumpt wird.