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 US 4 497 615 A sieht hierzu Zusatzbohrungen zusätzlich zur üblicherweise mittig sitzenden „Auslassbohrung“ vor. Dadurch erfolgt ein Öffnen bei Überschreitung des Hochdrucks, was Überkompression und Effizienzverluste vermeiden hilft. Nachteilig sind jedoch Überströmverluste durch die Bohrungen sowie die auftretenden Massenkräfte und die Dynamik der Bauteile, da die Ventile bei jeder Umdrehung geöffnet und geschlossen werden. The publication US 4 497 615 A For this purpose, additional bores are provided in addition to the usually centrally located "outlet bore". This causes an opening when the high pressure is exceeded, which helps to avoid over compression and efficiency losses. The disadvantage, however, are overflow losses through the bores and the occurring inertial forces and the dynamics of the components, since the valves are opened and closed at each revolution.

Weiterhin beschreibt die Druckschrift EP 1199474 A2 ein stufenweise einstellbares Volumenverhältnis mit durch Ventile gesteuertem Vorauslass. Nachteilig ist jedoch, dass eine kontinuierliche Anpassung nicht möglich ist. Furthermore, the document describes EP 1199474 A2 a stepwise adjustable volume ratio with valve-controlled delivery. The disadvantage, however, is that continuous adaptation is not possible.

Die Druckschrift US 6 413 058 B1 bietet eine Lösung an, bei der die sichelförmigen Scrollkammern länger offen gehalten werden. Zu diesem Zweck sind Bohrungen vorgesehen, die die Scrollkammern mit der Saugdruckvorkammer verbinden. Auch hier ist eine kontinuierliche Anpassung nicht möglich, zudem führt diese Lösung zu einer verminderten Effizienz. The publication US Pat. No. 6,413,058 B1 offers a solution in which the crescent-shaped scroll chambers are kept open longer. For this purpose, bores are provided which connect the scroll chambers with the Saugdruckvorkammer. Again, a continuous adjustment is not possible, also this solution leads to a reduced efficiency.

Ähnlich lösen auch die Scrollmaschinen nach den Druckschriften DE 103 51 519 A1 und DE 11 2011 101 873 T5 das Problem, wobei hier die Bohrungen variabel verschließbar sind. Eine Klappensteuerung (Umleitungsklappen) ist am Auslass des Scrollsets vorgesehen und stellt somit eine andere Art der Lösung dar. Similarly, the scroll machines solve the pamphlets DE 103 51 519 A1 and DE 11 2011 101 873 T5 the problem, in which case the holes are variably closed. A flap control (diverting flaps) is provided at the outlet of the scroll set and thus represents another type of solution.

Die Druckschrift EP 1 701 039 B1 sieht eine Scrollmaschine mit einem deformierbaren Element vor, die ein Justierelement zur Einstellung eines Abstands zwischen zwei Scrollspiralen aufweist. Dadurch kann zwar die Kapazität der Arbeitskammer variiert werden, nicht jedoch die Anpassung des Volumenverhältnisses zwischen Eintritts- und Austrittsvolumen. Zusätzlich treten durch die Spalte Strömungsverluste beim Rückströmen zur Niederdruckbereich auf. The publication EP 1 701 039 B1 provides a scrolling machine with a deformable element having an adjusting element for adjusting a distance between two scroll spirals. As a result, although the capacity of the working chamber can be varied, but not the adjustment of the volume ratio between the inlet and outlet volume. Additionally occur through the column flow losses during the backflow to the low pressure area.

Die Druckschrift US 4 129 405 A beschreibt eine Scrollmaschine zum Pumpen von Flüssigkeiten, bei der innere und/oder äußere Transferpassagen vorgesehen sind. Schieber sind hingegen nicht vorgesehen, nur ein „Überlauf“. Ein Überfahren durch den bewegten Scroll kann allerdings zum ungewollten Öffnen eines Strömungspfades in andere Kompressions- bzw. Expansionstaschen führen. The publication US 4 129 405 A describes a scroll machine for pumping liquids, are provided at the inner and / or outer transfer passages. Sliders are not provided, just an "overflow". However, overrunning the moving scroll can lead to the unwanted opening of a flow path into other compression or expansion pockets.

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 US 4 129 405 A . Particularly preferably, the slider is movable in the circumferential direction, in the radial and / or axial direction. It may also be moved or following a predetermined path containing both axial and radial motion components. The thickness of the slider is to be selected in particular in the circumferential direction so that a run over by the moving scroll does not take place for unintentional opening of a flow path into other compression or expansion pockets. This feature overcomes in particular the disadvantages of the document US 4 129 405 A ,

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:

1: eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines konventionellen Scrollsets; 1 a schematic representation of the operation of a conventional scroll set;

2: eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen Scrollsets, bestehend aus zwei Scrollspiralen; 2 a schematic perspective view of a conventional scroll set, consisting of two scroll spirals;

3: eine schematische Draufsicht auf das Scrollset; 3 a schematic plan view of the scrollset;

4: eine schematische Draufsicht auf einen Niederdruckbereich einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Scrollsets mit Drehschieber; 4 a schematic plan view of a low pressure region of an embodiment of a scroll set according to the invention with rotary valve;

5: Draufsicht auf den Niederdruckbereich einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Scrollsets mit Schiebersteinen; und 5 : Top view of the low-pressure region of an embodiment of the scroll set according to the invention with pusher blocks; and

6: ein Fließschema eines erfindungsgemäßen Scrollsets. 6 : A flow chart of a scroll set according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines konventionellen Scrollsets 1 nach dem Stand der Technik beim kontinuierlichen Komprimieren. Das Scrollset 1 mit den gegenläufig orbitierenden Scrollspiralen 3, 4, jeweils angeordnet auf einer Grundplatte 2a, 2b, öffnet auf der ersten der vier dargestellten Stufen (von links) einen Einlassbereich (gepunktet markierte Fläche). Bei der weiteren Bewegung wird dieser Bereich eingeschlossen und bildet eine Kompressionskammer 6. Deren Volumen verringert sich mit fortschreitender orbitierender Bewegung der Scrollspiralen 3, 4 (dargestellt durch erhöhte Punktdichte). Die höchste Verdichtung ist im Zentrum der Scrollspiralen 3, 4 erreicht, wo die Kompressionskammer 6 das geringste Volumen erreicht hat und das komprimierte Fluid in einen Auslassbereich 7 abgegeben wird. 1 shows a schematic representation of the operation of a conventional scrollset 1 in the prior art continuous compression. The scrollset 1 with the counter-orbiting scroll spirals 3 . 4 , each arranged on a base plate 2a . 2 B , opens on the first of the four stages shown (from left) an inlet area (dotted marked area). Upon further movement, this area is trapped and forms a compression chamber 6 , Their volume decreases with progressive orbital movement of the scroll spirals 3 . 4 (represented by increased point density). The highest compression is in the center of the scroll spirals 3 . 4 reached where the compression chamber 6 has reached the lowest volume and the compressed fluid into an outlet area 7 is delivered.

2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen Scrollsets 1, bestehend aus zwei Scrollspiralen 3, 4, wobei aus Gründen der Anschaulichkeit nur die erste Grundplatte 2a der ersten Scrollspirale 3 dargestellt ist. Die zweite Scrollspirale 4 greift in die erste Scrollspirale 3 ein. 2 shows a schematic perspective view of a conventional scroll set 1 , consisting of two scroll spirals 3 . 4 , for reasons of clarity, only the first base plate 2a the first scroll spiral 3 is shown. The second scroll spiral 4 reaches into the first scroll spiral 3 one.

3 zeigt eine schematische Draufsicht auf das bekannte Scrollset 1, wie es zu 2 und in seiner Funktion zu 1 bereits beschrieben wurde. 3 shows a schematic plan view of the known scrollset 1 as it is too 2 and in its function too 1 already described.

4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Niederdruckbereich einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Scrollsets 1 mit Drehschieber 9 zur Verbindung eines Ansaugbereichs (bei einem Kompressor) bzw. des Auslassbereichs (bei einem Expander) mit der Niederdruckbereich der Scrollmaschine 1, also am Außenbereich der Scrollspiralen 2, 4. 4 shows a schematic plan view of a low pressure region of an embodiment of a scroll set according to the invention 1 with rotary valve 9 for connecting a suction region (in the case of a compressor) or of the outlet region (in the case of an expander) to the low-pressure region of the scrolling machine 1 , so on the outside of the scroll spirals 2 . 4 ,

Der Schieber, hier als Drehschieber 9 ausgeführt, trennt einen geöffneten Bereich 12 von einem abgeschlossenen Bereich 13, wobei die Bewegungsrichtung 10 des Schiebers 9 durch einen Pfeil angegeben ist. The slide, here as a rotary valve 9 executed, separates an open area 12 from a closed area 13 , where the direction of movement 10 of the slider 9 indicated by an arrow.

5 zeigt eine Draufsicht auf den Niederdruckbereich einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Scrollsets 1 mit radial beweglichen Schiebersteinen 11 (durch einzelne Pfeile dargestellt) zur Verbindung des Ansaugbereichs (bei einem Kompressor) bzw. des Auslassbereichs (bei einem Expander) mit dem Niederdruckbereich der Scrollmaschine. Der Bereich, in dem die Schiebersteine 11 aus ihrer Ruheposition heraus bewegt sind, bildet den abgeschlossenen Bereich 13, während im geöffneten Bereich 12 die Schiebersteine 11 in ihrer Ruheposition verbleiben. 5 shows a plan view of the low pressure region of an embodiment of the scroll set according to the invention 1 with radially movable pusher blocks 11 (represented by individual arrows) for connecting the suction region (in a compressor) and the outlet region (in the case of an expander) to the low-pressure region of the scrolling machine. The area where the pusher stones 11 moved out of their rest position forms the closed area 13 while in the open area 12 the pusher stones 11 remain in their rest position.

6 zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung eine schematische Einordnung der erfindungsgemäßen Lösung in einem Fließschema, wobei die Funktion der Scrollmaschine als Kompressor dargestellt ist. Das Fluid strömt aus einer ersten angeschlossenen Anlage in die Scrollmaschine 1 über den Ansaugbereich 7 ein, um den Niederdruckbereich 5 zu füllen, von wo die Kompression ihren Ausgang nimmt. Nach der Erfindung wird das einströmende Fluid aber in dem Übergangsbereich 14 durch den Schieber 9, 11, hier als ein Ventil dargestellt, gesteuert. Der Schieber 9, 11 ist von außen durch eine Verstelleinrichtung 15 bedienbar. Dies kann z. B. mechanisch oder magnetisch erfolgen, wobei die Verstellung ebenso über einen automatischen Prozess vorgenommen werden kann. 6 shows for a better understanding of the invention, a schematic arrangement of the solution according to the invention in a flow chart, wherein the function of the scroll machine is shown as a compressor. The fluid flows from a first connected system into the scroll machine 1 over the intake area 7 one to the low pressure area 5 to fill, where the compression starts from. According to the invention, however, the inflowing fluid becomes in the transition region 14 through the slider 9 . 11 , shown here as a valve, controlled. The slider 9 . 11 is from the outside by an adjustment 15 operable. This can be z. B. mechanically or magnetically, the adjustment can also be made via an automatic process.

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 9, 11 der Fall wäre. Aus dem Niederdruckbereich 5 wird das Fluid zwischen den Scrollspiralen 3, 4, die die Kompressionskammer 6 bilden, immer weiter verdichtet bis die Hochdruckbereich 8 mit dem minimalen Volumen V2 und dem höchsten Druck erreicht wird. Aus der Hochdruckbereich 8 fließt das auf das Volumen V2 komprimierte Fluid ab in die zweite angeschlossene Anlage. So only a part of the fluid enters the low-pressure area (volume V1), which would arrive there without any influence. So sets a different volume ratio of volume V1 to volume V2, as this without slider 9 . 11 the case would be. From the low pressure area 5 the fluid is between the scroll spirals 3 . 4 containing the compression chamber 6 form, more and more compressed until the high pressure area 8th is achieved with the minimum volume V2 and the highest pressure. From the high pressure area 8th The fluid compressed to the volume V2 flows off into the second connected system.

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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 10351519 A1 [0009] DE 10351519 A1 [0009]
  • DE 112011101873 T5 [0009] DE 112011101873 T5 [0009]
  • EP 1701039 B1 [0010] EP 1701039 B1 [0010]
  • US 4129405 A [0011, 0020] US 4,129,405 A [0011, 0020]

Claims (10)

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. Adjustable volume ratio scroll machine comprising a first base plate ( 2a ) and a second base plate ( 2 B ) each having a scroll spiral arranged thereon ( 3 . 4 ), the engaged scroll spirals ( 3 . 4 ) of both base plates ( 2a . 2 B ) are orbiting movable to each other, wherein the scrolling machine ( 1 ) a volume V1 of a fluid in an inlet region ( 5 ) at the moment of closing a suction area ( 7 ) and a volume V2 of a fluid in a high pressure region ( 8th ) at the moment of opening one by the scroll spirals ( 3 . 4 ) formed compression chamber ( 6 ), wherein the ratio of the volumes V1 and V2 defines a volume ratio, wherein the scroll spirals ( 3 . 4 ) via a transition zone ( 14 ) can be coupled with a connected system and the transition zone ( 14 ) the intake area ( 7 ) when operating as a compressor and the outlet area ( 7 ) when operating as an expander, characterized in that at least one variable means ( 9 . 11 ) for influencing an opening time and / or an opening cross section of the transition zone ( 14 ) and arranged and designed in such a way that a fluid volume flow over the transition zone ( 14 ) continuously controllable so that the volume of fluid in one with the transition zone ( 14 ) associated low pressure area ( 5 ) of the scroll machine ( 1 ) and the volume ratio of the scroll machine ( 1 ) are changeable. Scrollmaschine nach Anspruch 1, wobei als veränderbares Mittel ein Schieber (9) an der ersten Grundplatte (2a) der unbewegten, ersten Scrollspirale (3) vorgesehen ist. Scrolling machine according to claim 1, wherein as a variable means a slider ( 9 ) on the first base plate ( 2a ) of the stationary, first scroll spiral ( 3 ) is provided. Scrollmaschine nach Anspruch 2, wobei der Schieber (9) in Umfangsrichtung, in radialer und/oder axialer Richtung bewegbar ist. Scroll machine according to claim 2, wherein the slider ( 9 ) is movable in the circumferential direction, in the radial and / or axial direction. Scrollmaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Schieber (9) als in der Grundplatte (2a, 2b) führbarer Drehschieber ausgebildet ist. Scrolling machine according to claim 2 or 3, wherein the slider ( 9 ) than in the base plate ( 2a . 2 B ) feasible rotary valve is formed. Scrollmaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Schieber (9) als eine Anordnung von Schiebersteinen (11) ausgeführt ist. Scrolling machine according to claim 2 or 3, wherein the slider ( 9 ) as an array of pusher blocks ( 11 ) is executed. Scrollmaschine nach Anspruch 5, wobei radial bewegbare Schiebersteine (11) als Teil der Grundplatte (2a, 2b) ausgeführt sind und einzeln gezogen oder ausgedrückt werden können. Scroll machine according to claim 5, wherein radially movable sliding blocks ( 11 ) as part of the base plate ( 2a . 2 B ) are executed and can be pulled or expressed individually. Scrollmaschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei Ausdrücken oder Ziehen der Schiebersteine (11) formschlüssig erfolgen oder kraftschlüssig durch eine äußerlich aufgebrachte Magnetkraft erfolgen. Scrolling machine according to claim 5 or 6, wherein expressions or drawing of the sliding blocks ( 11 ) be made form-fitting or non-positively by an externally applied magnetic force. Scrollmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine mechanische Verstelleinrichtung (15) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Position des Schiebers (9, 11) von außen vorstellbar ist. Scrolling machine according to one of claims 2 to 7, wherein a mechanical adjusting device ( 15 ) is provided, with the help of which the position of the slide ( 9 . 11 ) is conceivable from the outside. Scrollmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei eine mittels Druck manipulierbare Verstelleinrichtung (15) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Position des Schiebers (9, 11) intern über vorliegende Druckverhältnisse Niederdruck, Hochdruck und / oder Differenzdruck einstellbar ist. Scrolling machine according to one of claims 2 to 8, wherein a pressure manipulatable adjusting device ( 15 ) is provided, with the help of which the position of the slide ( 9 . 11 ) is internally adjustable via existing pressure conditions low pressure, high pressure and / or differential pressure. Verfahren zur Einstellung eines maximalen isentropen Gütegrades für einen Betriebspunkt einer Scrollmaschine (1) durch Anpassung eines Volumenverhältnisses von Volumina V1 und V2, wobei ein Volumen V1 in einem Einlassbereich (5) im Moment des Abschließens eines Ansaugbereichs (7) und ein Volumen V2 in einem Hochdruckbereich (8) im Moment des Öffnens einer Kompressionskammer (6) eingeschlossen sind, wobei das Verhältnis der Volumina V1 und V2 ein Volumenverhältnis definiert, wobei die Scrollspirale (3, 4) über eine Übergangszone (14) und den Ansaugbereich (7) bei einem Betrieb als Kompressor und den Auslassbereich (7) bei einem Betrieb als Expander mit einer ersten angeschlossenen Anlage koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein veränderbares Mittel (9, 11) eine Öffnungszeit und / oder einen Öffnungsquerschnitts der Übergangszone (14) beeinflusst und einen Fluidvolumenstrom über die Übergangszone (14) stufenlos kontrolliert, damit das Fluidvolumen in einem mit der Übergangszone (14) verbundenem Niederdruckbereich (5) der Scrollmaschine (1) eingestellt und das Volumenverhältnis der Scrollmaschine (1) verändert werden. Method for setting a maximum isentropic grade for an operating point of a scrolling machine ( 1 by adjusting a volume ratio of volumes V1 and V2, wherein a volume V1 in an inlet area ( 5 ) at the moment of closing a suction area ( 7 ) and a volume V2 in a high-pressure region ( 8th ) at the moment of opening a compression chamber ( 6 ), wherein the ratio of the volumes V1 and V2 defines a volume ratio, wherein the scroll spiral ( 3 . 4 ) via a transition zone ( 14 ) and the intake area ( 7 ) when operating as a compressor and the outlet area ( 7 ) can be coupled in an operation as an expander with a first connected system, characterized in that at least one variable means ( 9 . 11 ) an opening time and / or an opening cross section of the transition zone ( 14 ) and a fluid volume flow over the transition zone ( 14 ) is continuously controlled so that the volume of fluid in one with the transition zone ( 14 ) connected low pressure area ( 5 ) of the scroll machine ( 1 ) and the volume ratio of the scrolling machine ( 1 ) to be changed.
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