DE102016108555A1 - Scroll machine with adjustable volume ratio - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Scrollmaschine mit einstellbarem Volumenverhältnis, umfassend eine erste Grundplatte (2a) und eine zweite Grundplatte (2b) mit jeweils einer darauf angeordneten Scrollspirale (3, 4), wobei die in Eingriff gebrachten Scrollspiralen (3, 4) beider Grundplatten (2a, 2b) zueinander orbitierend bewegbar sind, wobei die Scrollmaschine (1) ein Volumen V1 eines Fluids in einem Einlassbereich (5) im Moment des Abschließens eines Ansaugbereichs (7) und ein Volumen V2 eines Fluids in einem Hochdruckbereich (8) im Moment des Öffnens einer durch die Scrollspiralen (3, 4) gebildeten Kompressionskammer (6) einschließt, wobei das Verhältnis der Volumina V1 und V2 ein Volumenverhältnis definiert, wobei die Scrollspiralen (3, 4) über eine Übergangszone (14) mit einer angeschlossenen Anlage koppelbar sind und die Übergangszone (14) den Ansaugbereich (7) bei einem Betrieb als Kompressor und den Auslassbereich (7) bei einem Betrieb als Expander bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein veränderbares Mittel (9, 11) zur Beeinflussung einer Öffnungszeit und / oder eines Öffnungsquerschnitts der Übergangszone (14) vorgesehen und in der Weise angeordnet und gestaltet ist, dass ein Fluidvolumenstrom über die Übergangszone (14) stufenlos kontrollierbar, damit das Fluidvolumen in einem mit der Übergangszone (14) verbundenen Niederdruckbereich (5) der Scrollmaschine (1) einstellbar und das Volumenverhältnis der Scrollmaschine (1) veränderbar sind.The invention relates to an adjustable volume ratio scroll machine comprising a first base plate (2a) and a second base plate (2b) each having a scroll spiral (3,4) disposed thereon, the engaged scroll spirals (3, 4) of both base plates (2a , 2b) are orbitingly movable relative to one another, wherein the scrolling machine (1) has a volume V1 of a fluid in an inlet region (5) at the moment of closing a suction region (7) and a volume V2 of a fluid in a high-pressure region (8) at the moment of opening a compression chamber (6) formed by the scroll spirals (3, 4), wherein the ratio of the volumes V1 and V2 defines a volume ratio, wherein the scroll spirals (3, 4) can be coupled via a transition zone (14) to a connected system and the Transition zone (14) the suction area (7) when operating as a compressor and the outlet area (7) when operating as an expander, characterized gekennzeic hnet that at least one variable means (9, 11) for influencing an opening time and / or opening cross section of the transition zone (14) is provided and arranged and designed in such a way that a fluid volume flow over the transition zone (14) continuously controllable, so that Fluid volume in one with the transition zone (14) connected to the low pressure region (5) of the scroll machine (1) adjustable and the volume ratio of the scroll machine (1) are variable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Scrollmaschine mit einstellbarem Volumenverhältnis und variierbarem Hubvolumen. Eine Scrollmaschine, auch als Scrollverdichter oder Scrollexpander (engl. scroll „Getriebeschnecke“) bezeichnet, ist eine Maschine, die Gase verdichtet oder expandiert. Sie besteht aus zwei ineinander verschachtelten Scrollspiralen, deren gegenläufige Bewegung das Gas verdichtet bzw. expandiert. Eine Scrollmaschine arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Von den zwei ineinander verschachtelten Scrollspiralen ist eine typischerweise stationär und die andere wird auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegt. Dabei halten die Scrollspiralen einen minimalen Abstand zueinander oder gleiten oder rollen aufeinander ab, bilden aber bei Kompressorbetrieb in beiden Fällen bei jeder Umdrehung mindestens zwei ständig kleiner werdende Kammern. Dadurch wird bei Kompressorbetrieb das zu fördernde Gas außen angesaugt, innerhalb des Verdichters verdichtet und über einen Anschluss im Zentrum der Scrollspiralen ausgestoßen. Bei einem Expansionsvorgang wird der Arbeitsstoff in der Spiralenmitte angesaugt und der Ablauf entsprechend umgekehrt. The invention relates to a scroll machine with adjustable volume ratio and variable displacement. A scroll machine, also referred to as scroll compressor or scroll auger, is a machine that compresses or expands gases. It consists of two nested scroll spirals whose opposite movement compresses or expands the gas. A scroll machine works according to the displacement principle. Of the two nested scroll spirals, one is typically stationary and the other is eccentrically moved on a circular path. The scroll spirals keep a minimum distance from each other or slide or roll off each other, but at least two constantly decreasing chambers in each case during compressor operation in both cases. As a result, the gas to be delivered is sucked in the outside, compressed inside the compressor and ejected via a connection in the center of the scroll spirals during compressor operation. In an expansion process, the agent is sucked in the middle of the spiral and the process is reversed accordingly.
Um sehr hohe Druckverhältnisse – etwa für Kältemaschinen oder Wärmepumpen – zu erreichen, können mehrere Spiralenpaare hintereinander auf derselben Welle angeordnet werden, sodass sich die einzelnen Verdichtungsverhältnisse multiplizieren. In order to achieve very high pressure conditions - for example for chillers or heat pumps - several pairs of spirals can be arranged in succession on the same shaft, so that the individual compression ratios multiply.
Scrollmaschinen weisen aufgrund ihrer arbeitsraumbegrenzenden Scrollspiralen sowie der jeweils zugehörigen Grundplatte und der orbitierenden Bewegung der Scrollspiralen zueinander eine kantengesteuerte Funktionsweise auf. D.h. das eingeschlossene Volumen im Moment des Abschlusses einer Ansaugkammer am Ansaugbereich (Volumen V1) und das eingeschlossene Volumen im Moment des Öffnens einer Kammer zum Austritt hin (Volumen V2) sind durch die Geometrie der Scrollspiralen und durch die Bewegung der beiden Scrollspiralen zueinander geometrisch bestimmt. Dies betrifft Kompressionsmaschinen und Expansionsmaschinen gleichermaßen. Scroll machines have due to their work space-limiting scroll spirals and the respectively associated base plate and the orbiting movement of the scroll spirals to each other on an edge-controlled operation. That the enclosed volume at the moment of closure of a suction chamber at the suction area (volume V1) and the enclosed volume at the moment of opening a chamber towards the exit (volume V2) are geometrically determined by the geometry of the scroll spirals and by the movement of the two scroll spirals relative to one another. This applies equally to compression machines and expansion machines.
Das Volumenverhältnis einer Scrollmaschine, das sich aus dem Verhältnis der Volumina V1 zu V2 ergibt, ist somit ohne weitere Maßnahmen unveränderlich und wird als eingebautes Volumenverhältnis (engl. built-in volume ratio, BIVR) bezeichnet. Das Eintritts- und das Austrittsvolumen sind, je nach Betriebsweise Kompression oder Expansion, genau entgegengesetzt zu verstehen. Ein hoher isentroper Gütegrad wird vor allem dann erreicht, wenn das Volumenverhältnis der Scrollmaschine mit dem Volumenverhältnis der angeschlossenen Anlage übereinstimmt. Dieses unveränderliche Volumenverhältnis verhindert jedoch einen entsprechenden Gütegrad, der als Maß für die energetische Bewertung des Kompressions- oder Expansionsvorgangs gilt. Weicht das Volumenverhältnis von jenem der angeschlossenen Anlage ab, verringert sich der isentrope Gütegrad aufgrund von sogenannter Unter- oder Überkompression. The volume ratio of a scrolling machine, which results from the ratio of the volumes V1 to V2, is thus invariable without further measures and is referred to as the built-in volume ratio (BIVR). The inlet and outlet volumes are, depending on the operating mode compression or expansion, exactly opposite to understand. A high isentropic grade is achieved especially when the volume ratio of the scroll machine matches the volume ratio of the connected system. However, this fixed volume ratio prevents a corresponding grade, which is considered as a measure of the energetic evaluation of the compression or expansion process. If the volume ratio deviates from that of the connected system, the isentropic quality factor is reduced due to so-called under- or over-compression.
In Kenntnis dieser Nachteile hat bereits der Stand der Technik versucht, Abhilfe zu schaffen. Es wurden konstruktive Mittel und Maßnahmen angeboten, die eine Veränderung des eingebauten Volumenverhältnisses ermöglichen. In view of these disadvantages, the prior art has already tried to remedy the situation. Constructive means and measures were offered which allow a change of the built-in volume ratio.
Die Druckschrift
Weiterhin beschreibt die Druckschrift
Die Druckschrift
Ähnlich lösen auch die Scrollmaschinen nach den Druckschriften
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Weitere allgemein bekannte Lösungen sehen vor, dass die feststehende Scrollspirale zeitweise axial von der orbitierenden Scrollspirale abhebt. Dieses Verfahren wird Digital Scroll Technologie genannt, angeboten von der Firma Emerson Climate Technologies. Daraus folgt eine Vergrößerung der Leckage mit dem Ergebnis einer variabel einstellbaren Fördermenge. Auch hier ist eine Verminderung der Effizienz durch höhere Verluste als Nachteil zu nennen. Other well-known solutions provide that the fixed scroll spiral temporarily lifts off axially from the orbiting scroll spiral. This process is called Digital Scroll Technology offered by Emerson Climate Technologies. This results in an increase in the leakage with the result of a variably adjustable flow rate. Again, a reduction in efficiency due to higher losses is to be mentioned as a disadvantage.
Ebenso ist die Zwischeneinspritzung flüssigen oder gasförmigen Kältemittels in den Verdichtungsprozess bekannt. Diese Technologie ist aufwändig, da eine zusätzliche Einrichtung für die Einspritzung erforderlich ist. Likewise, the intermediate injection of liquid or gaseous refrigerant is known in the compression process. This technology is laborious because additional equipment is required for injection.
Insgesamt ist den Lösungen nach dem Stand er Technik gemeinsam, dass eine stufenlose Verstellung nicht oder nur unter Inkaufnahme von erheblichen Überströmverlusten gewährleistet ist. Weiterhin sind alle vorgestellten Verfahren mit erheblichen Verlusten durch transientes Überströmen durch enge Querschnitte nicht verlustfrei, d.h. die Prinzipien basieren teils auf dem gezielten Einsatz eines Verlustmechanismus‘. Weiterhin sind die bekannten Lösungen durch eine aufwändige und komplizierte Konstruktion gekennzeichnet. Overall, the solutions according to the prior art he shared that a continuous adjustment is not guaranteed or only at the cost of considerable Überströmverlusten. Furthermore, all presented methods with significant losses due to transient overflow through narrow cross sections are not lossless, i. the principles are partly based on the targeted use of a loss mechanism. Furthermore, the known solutions are characterized by a complex and complicated construction.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Scrollmaschine mit einem stufenlos einstellbaren Fördervolumen anzubieten, die möglichst verlustarm arbeitet und einfach aufgebaut ist. The object of the present invention is therefore to provide a scrolling machine with a continuously adjustable delivery volume, which works as low as possible and has a simple structure.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Scrollmaschine mit einstellbarem Volumenverhältnis, umfassend ein Scrollset mit einer ersten und einer zweiten Grundplatte mit jeweils einer darauf angeordneten Scrollspirale, wobei die in Eingriff gebrachten Scrollspiralen beider Grundplatten zueinander orbitierend bewegbar sind. The object is achieved by a scrolling machine with adjustable volume ratio, comprising a scrollset having a first and a second base plate, each having a scroll spiral arranged thereon, wherein the engaged scroll spirals of both base plates are orbitally movable towards each other.
Die Scrollmaschine schließt ein Volumen V1 eines Fluids in einem Einlassbereich im Moment des Abschließens einer Ansaugkammer und ein Volumen V2 eines Fluids in einem Hochdruckbereich im Moment des Öffnens einer Kompressionskammer ein, die zwischen den Scrollspiralen gebildet wird. Das Verhältnis der Volumina V1 und V2 definiert ein Volumenverhältnis. Die Scrollspirale ist über eine Übergangszone mit einer ersten angeschlossenen Anlage, von der das zu komprimierende Fluid übernommen oder in die das expandierte Fluid abgegeben werden soll, koppelbar. Die Scrollmaschine weist einen Ansaugbereich bei einem Betrieb als Kompressor und einen Auslassbereich bei einem Betrieb als Expander auf. Zwischen diesem Bereich und dem Niederdruckbereich befindet sich eine Übergangszone, da dort der Übergang des Fluids zwischen „außerhalb“, also der angeschlossenen Anlage, und „innerhalb“, beispielsweise dem Niederdruckbereich der Scrollmaschine, erfolgt. The scroll machine includes a volume V1 of a fluid in an inlet area at the moment of closing a suction chamber and a volume V2 of a fluid in a high pressure area at the moment of opening a compression chamber formed between the scroll spirals. The ratio of the volumes V1 and V2 defines a volume ratio. The scroll spiral can be coupled via a transition zone with a first connected system, from which the fluid to be compressed is transferred or into which the expanded fluid is to be delivered. The scroll machine has a suction area when operating as a compressor and an outlet area when operating as an expander. Between this area and the low-pressure area is a transition zone, since there the transition of the fluid between "outside", ie the connected system, and "within", for example, the low pressure region of the scroll machine, takes place.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist ein veränderbares Mittel zur Beeinflussung einer Öffnungszeit und / oder eines Öffnungsquerschnitts der Übergangszone vorgesehen und in der Weise angeordnet und gestaltet, dass ein Fluidvolumenstrom über die Übergangszone stufenlos kontrollierbar ist. Damit ist zugleich das Fluidvolumen in einer mit der Übergangszone verbundenen Niederdruckbereich der Scrollmaschine einstellbar mit der Folge, dass das Volumenverhältnis der Scrollmaschine veränderbar ist. Das Verhältnis ist bereits geändert, wenn eines der beiden Volumina V1 und V2 geändert wird. To achieve the object according to the invention, a variable means for influencing an opening time and / or an opening cross-section of the transition zone is provided and arranged and configured in such a way that a fluid volume flow over the transition zone is infinitely controllable. Thus, at the same time the volume of fluid in a connected to the transition zone low pressure region of the scroll machine is adjustable with the result that the volume ratio of the scroll machine is changeable. The ratio is already changed when one of the two volumes V1 and V2 is changed.
Bevorzugt ist als veränderbares konstruktives Mittel ein Schieber vorgesehen, der den Ansaugbereich oder den Auslassbereich mit einem Niederdruckbereich der Scrollmaschine steuerbar in der Weise verbindet, dass im Betrieb die Zeit zur Öffnung oder der Öffnungsquerschnitt (oder beides) der Ansaugkammer für den Kompressorbetrieb bzw. der Auslasskammer für den Expanderbetrieb kontinuierlich steuerbar sind. Der Schieber ist bevorzugt an der ersten Grundplatte der unbewegten, ersten Scrollspirale angeordnet. Preferably, as a variable constructive means, a slide is provided, which controllably connects the suction region or the outlet region with a low pressure region of the scrolling machine in such a way that during operation the time for opening or the opening cross-section (or both) of the suction chamber for the compressor operation or the outlet chamber are continuously controllable for expander operation. The slider is preferably arranged on the first base plate of the stationary, first scroll spiral.
Besonders bevorzugt ist der Schieber in Umfangsrichtung, in radialer und/oder axialer Richtung bewegbar. Er kann auch oder nach einem vorgegebenen Pfad bewegt werden, der sowohl axiale als auch radiale Bewegungsanteile enthält. Die Dicke des Schiebers ist dabei insbesondere in Umfangsrichtung so zu wählen, dass ein Überfahren durch den bewegten Scroll nicht zum ungewollten Öffnen eines Strömungspfades in andere Kompressions- bzw. Expansionstaschen erfolgt. Dieses Merkmal überwindet insbesondere auch die Nachteile der Druckschrift
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Schieber als insbesondere nierenförmiger, in der Grundplatte führbarer Drehschieber ausgebildet ist. It has proved to be advantageous if the slide is designed as a kidney-shaped, in particular, feasible in the base plate rotary valve.
Alternativ zu dem Drehschieber ist der Schieber als eine Anordnung von Schiebersteinen ausgeführt. Eine Kombination von beiden Arten von Schiebern ist ebenfalls vorgesehen. As an alternative to the rotary valve, the slide is designed as an arrangement of sliding blocks. A combination of both types of sliders is also provided.
Es ist weiterhin von der Erfindung umfasst, wenn die Anordnung von vorwiegend radial bewegbaren Schiebersteinen als Teil der Grundplatte ausgeführt ist und die Schiebersteine einzeln gezogen werden können. Das Ziehen oder Ausdrücken der Schiebersteine kann entweder formschlüssig, etwa durch eine geeignete Vorrichtung, oder kraftschlüssig, etwa durch einen äußerlich aufgebrachte Magnetkraft, erfolgen. Das Aufprägen einer Magnetkraft kann vorzugsweise durch einen nierenförmigen, vorwiegend radial bewegten Magneten erzeugt werden, der bei Annährung an den Schieberstein eine hinreichende Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft erzeugt. It is further encompassed by the invention, when the arrangement of predominantly radially movable pusher blocks is designed as part of the base plate and the pusher stones can be pulled individually. Dragging or pressing the Sliding blocks can either form fit, such as by a suitable device, or force-locking, such as by an externally applied magnetic force done. The impressing of a magnetic force can preferably be generated by a kidney-shaped, predominantly radially moving magnet, which generates a sufficient attraction or repulsion force when approaching the sliding block.
Eine vorteilhafte Weiterbildung umfasst eine mechanische Verstelleinrichtung, mit deren Hilfe die Position des jeweiligen Schiebers von außen verstellbar ist. Dies kann entweder manuell oder gesteuert bzw. automatisch erfolgen An advantageous development comprises a mechanical adjusting device, with the aid of which the position of the respective slider is adjustable from the outside. This can be done either manually or controlled or automatically
Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Druckverstelleinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Position des Schiebers intern über vorliegende Druckverhältnisse, insbesondere Niederdruck, Hochdruck und/oder Differenzdruck einstellbar ist. It has also proven to be advantageous if a pressure adjustment device is provided, with the aid of which the position of the slide can be adjusted internally via present pressure conditions, in particular low pressure, high pressure and / or differential pressure.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung eines maximalen isentropen Gütegrades für einen Betriebspunkt einer Scrollmaschine durch Anpassung eines Volumenverhältnisses von Volumina V1 und V2, wobei ein Volumen V1 in einem Einlassbereich im Moment des Abschließens eines Ansaugbereichs und ein Volumen V2 in einem Hochdruckbereich im Moment des Öffnens einer Kompressionskammer eingeschlossen sind, wobei das Verhältnis der Volumina V1 und V2 ein Volumenverhältnis definiert, wobei die Scrollspirale über eine Übergangszone und den Ansaugbereich bei einem Betrieb als Kompressor und den Auslassbereich bei einem Betrieb als Expander mit einer ersten angeschlossenen Anlage koppelbar ist und die Übergangszone den Ansaugbereich bei einem Betrieb als Kompressor und den Auslassbereich bei einem Betrieb als Expander bildet, wobei wenigstens ein veränderbares Mittel eine Öffnungszeit und / oder einen Öffnungsquerschnitts der Übergangszone beeinflussen und einen Fluidvolumenstrom über die Übergangszone stufenlos kontrolliert, damit das Fluidvolumen in einer mit der Übergangszone verbundenen Niederdruckbereich der Scrollmaschine eingestellt und das Volumenverhältnis der Scrollmaschine verändert werden. The object is further achieved by a method for setting a maximum isentropic grade for an operating point of a scroll machine by adjusting a volume ratio of volumes V1 and V2, wherein a volume V1 in an inlet region at the moment of closing a suction and a volume V2 in a high pressure region in Moment of opening a compression chamber are included, wherein the ratio of the volumes V1 and V2 defines a volume ratio, the scroll spiral is coupled via a transition zone and the suction in an operation as a compressor and the outlet region when operating as an expander with a first connected system and the transition zone forms the intake area in an operation as a compressor and the outlet area in an operation as an expander, wherein at least one variable means influence an opening time and / or an opening cross section of the transition zone and a Fluid volume flow continuously controlled over the transition zone, so that the fluid volume is adjusted in a connected to the transition zone low pressure region of the scroll machine and the volume ratio of the scroll machine are changed.
Die Erfindung bietet eine konstruktiv einfach umsetzbare, verlustarme Lösung und ermöglicht eine stufenlose Einstellung des Hubvolumens sogar im Betrieb. Dadurch ist das derart ausgestattete System auch automatisierbar. The invention provides a structurally simple to implement, low-loss solution and allows a continuous adjustment of the stroke volume even during operation. As a result, the system thus equipped can also be automated.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Der Schieber, hier als Drehschieber
So gelangt nur ein Teil des Fluids in die Niederdruckbereich (Volumen V1), das ohne eine Einflussnahme dahin gelangen würde. So stellt sich ein anderes Volumenverhältnis von Volumen V1 zu Volumen V2 ein, als dies ohne Schieber
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Scrollmaschine Scroll machine
- 2a 2a
- erste Grundplatte first base plate
- 2b 2 B
- zweite Grundplatte second base plate
- 3 3
- erste Scrollspirale first scroll spiral
- 4 4
- zweite Scrollspirale second scroll spiral
- 5 5
- Niederdruckbereich, Einlassbereich Low pressure area, inlet area
- 6 6
- Kompressionskammer compression chamber
- 7 7
- Auslassbereich oder Ansaugbereich Outlet area or intake area
- 8 8th
- Hochdruckbereich High pressure area
- 9 9
- Schieber, Drehschieber, veränderbares Mittel Slide, rotary valve, variable means
- 10 10
- Bewegungsrichtung movement direction
- 11 11
- Schieberstein, veränderbares Mittel Slider, variable means
- 12 12
- geöffneter Bereich open area
- 13 13
- abgeschlossener Bereich closed area
- 14 14
- Übergangszone Transition zone
- 15 15
- Verstelleinrichtung adjustment
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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