DE102017006206A1 - Positive displacement compressor system for R-718 - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf die Verdichtung von Wasserdampf als R-718 insbesondere für die Kälte- und Wärmepumpen-Technik. Um Wirkungsgrad und sicheres Betriebsverhalten bei zugleich größerem Druckbereich unter allen Arbeitsbedingungen zu verbessern, wird erfindungsgemäß eine 2-Wellen-Verdrängermaschine mit elektronischer Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation als R718-Verdrängerverdichtersystem (42) mit offener Verdichtermaschine (41) vorgeschlagen, die Verdampfer (7) und Kondensator (8) voneinander trennt, wobei die Antriebsmotore (2.3 und 3.3) auf der Einlass-Seite (11) vollumfänglich in den Raum des Verdampfers (7) hineinragen, und ein Wärmehaushaltmanagement bei allen Arbeitspunkten für den „unlimited“-Betrieb sorgt, insbes. beim k0-Betrieb, und vorzugsweise per Schleuderscheibe (22) ein Kühlfluidstrom (9.4) auf der Einlass-Seite zugeführt wird, und über Steuerkugeln (10) das innere Verdichtungsverhältnis Πi ständig angepasst wird mit Auslass-Spalt-iV-Anpassung, und die Rotorprofilflanken mit einem Zahnflankenversatz Δkvs(z) zwischen den Profilflankenseiten eines Profilzahns in Rotorlängsachsrichtung ausgeführt werden, wobei die Spindelrotore zwecks Anpassung an die jeweiligen Applikationsanforderungen zu einem Rotorbaukasten gehören und per PIRSA (= „Pressure-InnerRatio-Speed-Adaption“) der Wirkungsgrad verbessert wird. The invention relates to the compression of water vapor as R-718 in particular for the refrigeration and heat pump technology. In order to improve efficiency and safe operation at the same time greater pressure range under all working conditions, a 2-shaft displacement machine with electronic motor pair spindle rotor synchronization as R718 Verdrängerverdichtersystem (42) with open compressor machine (41) is proposed according to the invention, the evaporator (7) and condenser (8) separated from each other, wherein the drive motors (2.3 and 3.3) on the inlet side (11) project fully into the space of the evaporator (7), and ensures a heat balance management at all operating points for the "unlimited" operation, esp. In k 0 operation, and preferably by centrifugal disc (22) a cooling fluid flow (9.4) is supplied to the inlet side, and via control balls (10) the internal compression ratio Π i is constantly adjusted with outlet gap IV adjustment , and the rotor profile flanks with a tooth flank offset Δk vs (z) between the profile flank sides of a profile tooth i Rotor longitudinal axis direction are executed, the spindle rotors in order to adapt to the respective application requirements belong to a rotor assembly and PIRSA (= "Pressure-InnerRatio-Speed-Adaption") the efficiency is improved.
Description
Stand der Technik:State of the art:
Der Kältemarkt ist aktuell im Wandel und so ist beispielsweise die sogen. „F-Gase-Verordnung“ gemäß Verordnung (EG) Nr. 842/2006 und Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase als Herausforderung in aller Munde, um die vorherrschenden Kältemittel FKW und HFO wegen ihrer Klima- und Umwelt-Schädlichkeit zurückzudrängen. Daher besteht in der Kältetechnik der starke Wunsch nach natürlichen Kältemitteln, wobei insbesondere Wasser durch seine guten thermodynamischen Eigenschaften besticht.The refrigeration market is currently changing and so is the so-called. "F-gas regulation" according to Regulation (EC) No. 842/2006 and No. 517/2014 on fluorinated greenhouse gases as a challenge on everyone's lips, in order to suppress the prevailing refrigerants HFC and HFO because of their climate and environmental harmfulness. Therefore, there is a strong desire in the refrigeration for natural refrigerants, in particular water impresses with its good thermodynamic properties.
Bisher scheitert die durchgreifende Realisierung von Wasser als Kältemittel R-718 jedoch daran, dass beispielsweise gegenüber Ammoniak in gleicher Funktion ein um rund 300-fach größerer Fördervolumenstrom bei gleicher Leistung erforderlich ist. Indem zugleich das Druckverhältnis möglichst oberhalb von Faktor
Der disruptive Charakter von Wasser als Kältemittel ist unbestritten und wird die weltweit intensiv geführte Diskussionen zu den bekannten Umwelt- und Klima-Problemen bei heutigen Kältemitteln schlagartig beenden. Dabei lässt sich die Kältetechnik über
- • mobile Kälte-/Klima-Technik (also für Bahn, LKW und PKW)
- • stationäre Kältetechnik (also Industriekälte, Gewerbekälte und Gebäudeklimatisierung, Wärmepumpen)
- • mobile refrigeration / air conditioning technology (ie for trains, trucks and cars)
- • stationary refrigeration (ie industrial refrigeration, commercial refrigeration and air conditioning, heat pumps)
Bisher wird versucht, dieser Herausforderung über Turbo-Verdichter zu begegnen, wobei diese Maschinen trotz
Fraglos ist eine Verdrängermaschine für die Wasserdampf-Verdichtung die bessere Lösung, um die Herausforderungen der Wasserdampf-Verdichtung in R718-Kältekreisläufen zu bewältigen. Für die Verdichtung von Wasserdampf als Kältemittel R-718 sind folgende gravierende Herausforderungen zu lösen:
- • Förderung hoher Wasserdampf-Volumenströme von weit über 5.000 m3/h für beispielsweise 35 kW Kälte-Leistung, was gegenüber dem Stand der Technik mindestens
60 -fach höher ist. Damit sind sowohl bei den Drehzahlen als auch zur Geometrie-Ausführung der Verdrängermaschine neue Wege zu beschreiten. - • Beherrschung großer Druckverhältnisse von deutlich über
10 bei niedrigen Verdampfer-Temperaturen und höheren Temperaturen im Kondensator. Weil bei Wasserdampf zugleich der Isentropenexponent größer als1,32 ist (heutige Kältemittel liegen bei etwa 1,1 und haben damit kaum Temperatur-Stress), ergeben sich rechnerisch für Kältemittel R-718 sehr hohe Verdichtungsendtemperaturen von deutlich über 200°C, die nicht nur den Wirkungsgrad des Verdichters beeinträchtigen, sondern auch insbes. die empfindliche Verdichterbauteile (besonders die Rotorlagerung auf der Auslass-Seite) gefährden. - • Der Kältemittel-Kreislauf muss für R-
718 (= Wasserdampf) vollständig ölfrei sein, was bei2 -Wellen-Verdrängermaschinen eine Herausforderung darstellt, weil dieser Maschinentyp bei Verzicht auf ein Betriebsfluid (heutzutage zumeist Öl) eine trockene Synchronisation für das Spindelrotorpaar braucht, um eine Berührung zwischen den schnell drehenden Spindelrotoren zu vermeiden.
- • Promotion of high water vapor volume flows of well over 5,000 m 3 / h for example, 35 kW cooling power, which compared to the state of the art at least
60 -fold is higher. This means breaking new ground both in terms of speed and the geometry of the positive displacement machine. - • Control of large pressure ratios from well above
10 at low evaporator temperatures and higher temperatures in the condenser. Because at steam at the same time the isentropic exponent larger than1.32 is (today's refrigerant is about 1.1 and thus have little temperature stress), calculated arise for refrigerant R-718 very high compression end temperatures of well above 200 ° C, which not only affect the efficiency of the compressor, but also esp. the sensitive compressor components (especially the rotor bearing on the outlet side) endanger. - • The refrigerant cycle must be
718 (= Water vapor) to be completely oil-free, which is at2 Wave displacement machines is a challenge, because this type of machine waives a dry operating fluid (now mostly oil) a dry synchronization for the spindle rotor pair to avoid contact between the high-speed spindle rotors.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung:Object of the present invention:
Für das R718-Verdrängerverdichtersystem sind folgende Aufgaben zu lösen:
- (1) Sichere Vermeidung der Spielaufzehrung beim Verdichter:
- Die Spielaufzehrung führt beim Verdichter zum Ausfall als sogen. „Crash“ durch Berührung der Arbeitsraum-Bauteile, indem die Spaltwerte zwischen den Arbeitsraum-Bauteilen von den üblichen Millimeter-Bruchteilen auf Null gehen, wenn auch nicht überall, sondern nur dort, wo die zumeist thermischen Dehnungen kombiniert mit Rundlauffehlern und anderen Abweichungen unter der Vielfalt der verschiedensten Einfluss-Parameter dazu führen können. Diese Spielaufzehrung ist mit genügend Sicherheitsreserve für ausnahmslos sämtliche Betriebs-, Arbeits- und UmgebungsBedingungen jederzeit zuverlässig und vollumfänglich als absolute Muss-Aufgabe zu vermeiden.
- (2) Bestmögliche Effizienz, also optimaler Wirkungsgrad für das R718-Verdrängerverdichtersystem:
- Dies betrifft neben dem Betreiben bei optimal angepassten Betriebsparametern insbes. die Minimierung der Systemverluste und dabei hauptsächlich den Einfluss der inneren Spaltleckagen, die den Wirkungsgrad beeinträchtigen, ohne dabei aber das Muss-Ziel zur Crash-Vermeidung zu gefährden.
- (3) Größte Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer (lange Standzeit) des R718-Systems:
- Hierbei sind vornehmlich die empfindlichen Bauteile zu schützen, insbesondere die Rotor-Lagerung (speziell auf der Auslass-Seite) und die beiden Antriebsmotore mit dem jeweiligen Equipment
- (4) Weitestgehend*°* unabhängig von den äußeren Einsatz-Bedingungen in dem Sinne, dass sich das R718-Verdrängerverdichtersystem an die unterschiedlichsten Bedingungen selbständig anpasst. *°* weitestgehend derart, dass es praktisch keine Einschränkungen bei den Einsatz-Bedingungen gibt.
- (5) System-Intelligenz:
- Das R718-Verdrängerverdichtersystem muss selbständig durch eigene Regulier-Mechanismen und Regulier-Werkzeuge in der Lage sein, jederzeit und unter allen Umständen die zuvor genannten Aufgaben zu erfüllen bzw. im Falle drohender Abweichungen rechtzeitig eigene Abhilfemaßnahmen einzuleiten bis hin zu Warnungen und Hinweise nach außen abzugeben.
- (1) Safe avoidance of game consumption on the compressor:
- The Spielaufzehrung leads the compressor to failure as so-called. "Crash" by touching the work space components by the gap values between the work space components from the usual millimeter fractions to zero, if not everywhere, but only where the mostly thermal strains combined with concentricity errors and other deviations under the Variety of different influence parameters can lead to it. This Spielaufzehrung is with sufficient safety margin for all operating, working and environmental conditions without exception reliably and completely as an absolute must-task to avoid.
- (2) Best possible efficiency, ie optimum efficiency for the R718 positive displacement compressor system:
- In addition to operating with optimally adjusted operating parameters, this particularly concerns the minimization of system losses and, at the same time, mainly the influence of internal gap leakage, which adversely affects the efficiency, but without jeopardizing the must-have goal for crash avoidance.
- (3) Highest reliability and long life (long life) of the R718 system:
- Hereby, primarily the sensitive components have to be protected, in particular the rotor bearing (especially on the outlet side) and the two drive motors with the respective equipment
- (4) As far as possible * ° * regardless of the external conditions of use in the sense that the R718 positive displacement compressor system adapts itself to a wide range of conditions. * ° * as much as possible so that there are practically no restrictions on the conditions of use.
- (5) System intelligence:
- The R718 Positive Displacement Compressor system must be able to perform the aforementioned tasks at any time and under all circumstances by its own regulating mechanisms and regulating tools, or to initiate its own corrective measures in the event of imminent deviations, as well as to issue warnings and instructions to the outside ,
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zur Verdichtung von Wasserdampf bei Drücken unterhalb atmosphärischen Drucks durch eine
- ► Verdampfer (
7 ) mit Verdampfer-Gehäusetopf (29 ) - ► Kondensator (
8 ) mit Kondensator-Gehäusetopf (28 ) - ► und Verdichtermaschine (
41 ), wobei diese Verdichtermaschine im Wesentlichen besteht aus:- • Verdichtergehäuse (
1 ) - • zwei eigenständige Rotationseinheiten (
39 und40 ) mit elektronischer Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation über die FUs (2.4 bzw.3.4 ) mit der FU-Control-Unit (16 ) - • und Auslass-seitige Lagerträger-Einheit(en) (
25 ) zur Aufnahme der Rotorlager (4.2 ) und dem Auslass (12 ) mit Auslass-Öffnungen über Steuerkugeln (10 ) sowie End-Auslass-Öffnungen (27 ) und alles wird von der Control-Unit (15 ) geführt.
- • Verdichtergehäuse (
- ► evaporator (
7 ) with evaporator housing pot (29 ) - ► Capacitor (
8th ) with condenser housing pot (28 ) - ► and compressor machine (
41 ), this compressor machine essentially consisting of:- • compressor housing (
1 ) - • two independent rotation units (
39 and40 ) with electronic motor pair spindle rotor synchronization via the drives (2.4 respectively.3.4 ) with the FU control unit (16 ) - • and outlet side bearing support unit (s) (
25 ) for receiving the rotor bearings (4.2 ) and the outlet (12 ) with outlet openings via control balls (10 ) as well as end outlet openings (27 ) and everything is handled by the control unit (15 ) guided.
- • compressor housing (
Dabei wird diese Verdichtermaschine (
Außerdem befinden sich die Antriebsmotore (
Zu diesem erfindungsgemäßen Wärmehaushaltmanagement für das R718-Verdrängerverdichtersystem gehört außerdem noch der Zwischenwassermantel (
Um den „unlimited“-Betrieb zu erfüllen bei zugleich bestem Wirkungsgrad und sicherer Crash-Vermeidung besteht das erfindungsgemäße Wärmehaushaltmanagement für das R718-Verdrängerverdichtersystem in der „Maximal“-Version*°* aus folgenden per Control-Unit (
- 9.1 Kühlfluidstrom (als ❶ dargestellt) zum Zwischenwassermantel (
5 ) via Kühlrohrschlange (6 ) - 9.2 Kühlfluidstrom (als ❷ dargestellt) zum 2z-Rotor (
2 ) via Verdampfer-Kühlbohrung (2.2 ) - 9.3 Kühlfluidstrom (als ❸ dargestellt) zum 3z-Rotor (
3 ) via Verdampfer-Kühlbohrung (3.2 ) - 9.4 Kühlfluidstrom (als ❹ dargestellt) zur Einspritzkühlung via Schleuderscheibe (
22 ) - 9.5 Kühlfluidstrom (als ❺ dargestellt) zur Kühlung jedes Antriebsmotors
- *°* Als „Maximal“-Version gelten die Einsatzfälle mit einer besonders großen Einsatz-Bandbreite, wenn also der sogen. „Temperatur-Hub“ (als Differenz zwischen
tc undt0 ) größer als etwa40 Kelvin ist, wobei kleinere Maschinen (also mit Fördervolumenstrom unter etwa5.000 m3/h bei Nenndrehzahl) hierbei unempfindlicher sind, also höhere „Temperatur-Hübe“ problemloser schaffen werden.
- 9.1 Cooling fluid flow (shown as ❶) to the intermediate water jacket (
5 ) via cooling coil (6 ) - 9.2 cooling fluid flow (shown as ❷) to 2z rotor (
2 ) via evaporator cooling bore (2.2 ) - 9.3 Cooling fluid flow (shown as ❸) to the 3z rotor (
3 ) via evaporator cooling bore (3.2 ) - 9.4 cooling fluid flow (shown as ❹) for injection cooling via centrifugal disc (
22 ) - 9.5 Cooling fluid flow (shown as ❺) for cooling each drive motor
- * ° * The "maximum" version is defined as the cases of use with a particularly high bandwidth of use, ie if the so-called "Temperature-Hub" (as difference between
t c andt 0 ) greater than about40 Kelvin is, with smaller machines (ie with volume flow below about5000 m 3 / h at nominal speed) are insensitive, so higher "temperature strokes" will create trouble.
Dieses Wärmehaushaltmanagement ist insbesondere für die Arbeitsraumbauteile dringlich erforderlich im sogenannten k0-Betrieb, wenn der Verdichter mit einer Drehzahl betrieben wird, die zwar schon die Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslass schafft aber noch keinen oder nur minimalen Volumenstrom fördert, demzufolge der Verdichter also nur mit der eigenen (inneren) Leckage kämpft, aber wegen der Leistungseinbringung entsprechend heiß werden würde, was durch das von der Control-Unit (
Durch dieses von äußeren Bedingungen praktisch unabhängige Wärmehaushaltmanagement wird erfindungsgemäß der genannte „unlimited“-Betrieb erreicht, weil gleichzeitig die Verdichtermaschine (
Überdies ist zur geschwindigkeitsoptimierten Einbringung der Einspritzkühlmenge ❹ erfindungsgemäß eine Schleuderscheibe (
Zudem gibt es in Rotorlängsachsrichtung z einen Zahnflankenversatz
Bei einem Maximum für m(z) ist sowohl der be.2K.em(z)-Verlauf als auch der Δ.be.2K(z)-Verlauf minimal. Und wenn m(z) ansteigt, sind sowohl der be.2K.em(z)-Verlauf als auch der Δ.be.2K(z)-Verlauf abfallend, wohingegen im Einlass-Bereich bei stark fallendem m(z) sowohl der be.2K.em(z)-Verlauf als auch der Δ.be.2K(z)-Verlauf stark ansteigen. Dieses erfindungsgemäße Merkmal gilt mit einer Genauigkeit von vorzugsweise ± 15% und sorgt auf der Einlass-Seite (
Dazu werden im Einlass-Bereich der Verdichtermaschine (
Des Weiteren sind erfindungsgemäß Steuerkugeln (
Die Steuerkugeln (
Außerdem wird am
Fernerhin wird es verschiedene Einsatzfälle mit unterschiedlichen Temperatur-Hub-Einsatzbereichen mit unterschiedlichen „Volumenkurven“ (also der Verlauf der Arbeitskammervolumina zwischen Einlass und Auslass in Rotorlängsachsrichtung) allgemein als unterschiedliche applikationsspezifische Anforderungen geben, so dass auch unterschiedliche Spindelrotorpaar-Auslegungen insbesondere hinsichtlich Energieeffizienter Arbeitsweise vorteilhaft und sinnvoll sind. Um nun nicht jeweils komplett eigene Verdichtermaschinen ausführen zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass unterschiedliche Spindelrotorpaarungen in das praktisch gleiche*°*° Verdichtergehäuse eingesetzt werden können, wie beispielhaft in
°*° Unter „praktisch gleich“ ist zu verstehen, dass beispielsweise der Kreuzungswinkel α (gezeigt in
Beim Spindelrotorpaar wird dessen inneres Volumenverhältnis (also der einfache Quotient aus Arbeitskammervolumen am Einlass dividiert durch das Arbeitskammervolumen am Auslass) auf einen iV-Bereich vorzugsweise zwischen
Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen verknüpft mit gleichzeitiger Beschränkung des inneren Volumenverhältnisbereiches am Spindelrotorpaar vorzugsweise auf den oben genannten iV-Bereich wird alsThese inventive measures combined with simultaneous limitation of the inner volume ratio range on the spindle rotor pair preferably to the above-mentioned IV range is called
„Auslass-Spalt-iV-Anpassung“"Outlet gap-iV-adjustment"
bezeichnet. Dabei erfolgt die Außenrotordurchmesser-Spaltanpassung am Rotorpaar vorzugsweise derart, dass diese Durchmesser-Anpassung in Auslassrichtung voranschreitend langsam beginnend auf zunehmend größere Werte ansteigt, so dass die gemittelten Spaltabstände die oben genannte Erhöhung als Mittelwert erreichen. Diese Auslass-Spalt-iV-Anpassung dient insbesondere der Geräusch-Reduzierung, indem die Auslass-seitigen Druckpulsationen abgeschwächt werden.designated. In this case, the outer rotor diameter gap adaptation on the pair of rotors preferably takes place in such a way that this diameter adaptation in the outlet direction progressively increases slowly starting from progressively greater values, so that the averaged gap spacings reach the abovementioned increase as the mean value. In particular, this exhaust gap IV adjustment serves to reduce the noise by attenuating the exhaust side pressure pulsations.
Obendrein wird für das R718-Verdrängerverdichtersystem (
Als Betriebsparameter gilt dies insbesondere hinsichtlich:
- • Regulierung der Kühlfluidströme (
9 ) insbes. zur Einspritzmenge (9.4 ) - • Anpassung der Spindelrotordrehzahlen über die CU-FU (
16 ) für ein bestimmtes Saugvermögen - • Einstellung der Druckwerte im Verdampfer (
8 ) und im Kondensator (9 )
- • regulation of cooling fluid flows (
9 ) in particular to the injection quantity (9.4 ) - • adjustment of the spindle rotor speeds via the CU-FU (
16 ) for a given pumping speed - • Setting the pressure values in the evaporator (
8th ) and in the capacitor (9 )
Dabei hat die Control-Unit (
Kleine Erläuterung zum Zahnflankenversatz
Zu jeder Drehwinkel-Stellung φ gehört entsprechend dem Übersetzungsverhältnis zu jedem Spindelrotor eine z-Position als z(φ)-Funktion, deren Ableitung über folgende Gleichung dann den sogen. Steigungsverlauf m(φ) zu jedem Spindelrotor ergibt, wobei erfindungsgemäß zusätzlich noch zwischen rechter und linker Profilflankenseite über den Index s unterschieden wird:
Indem die Unterscheidung zwischen rechter und linker Profilflankenseite hinsichtlich der Blickrichtung sowie der Abhängigkeit von der Steigungsrichtung (also rechts- oder linkssteigend) je Rotor schwierig ist und immer wieder zu Verwirrungen führt, wird der erfindungsgemäße Zahnflankenversatz abgebildet über den Kopfkreisbogenwinkel be.2K(z) entsprechend
Kleine Erläuterung zur Zahnprofil-Entstehung: (vereinfachend als ebene Darstellung)Small explanation of tooth profile formation: (simplistic as a flat representation)
Die in Rotorlängsachsrichtung (generell mit z bezeichnet) unterschiedlichen Zahnhöhen h(z) werden über die sogen. µ-Werte an jedem Rotor generiert, indem für die Kopfradien je Spindelrotor gilt:
- am 2z-Rotor:
- am 3z-Rotor:
- Demgemäß gilt in Rotorlängsachsrichtung z für die Zahnhöhe h(z):
- at the 2z rotor:
- at the 3z rotor:
- Accordingly, in the rotor longitudinal axis z for the tooth height h (z):
Vorzugsweise werden die Verläufe für µ.2(z) und µ.3(z) derart gewählt, dass die applikationsspezifischen Anforderungen bestmöglich erfüllt werden, beispielsweise hinsichtlich Arbeitskammer-Volumen sowie die sogen. „Volumenkurve“ (also der Verlauf der Arbeitskammervolumina in Rotorlängsachsrichtung, wobei insbes. die Änderung dieser Arbeitskammervolumina zu beachten ist). Für µ.3(z) gilt dabei:
- ► Für
2 ) und 3z-Rotor (3 ) ohne Blasloch - ► Um das Einlass-seitige Arbeitskammervolumen zu erhöhen, wird es für einige Applikationen sinnvoll sein, den µ.3(z)-Wert: über diesen
0,6 zu erhöhen.Wert von - ► Der µ.2(z)-Wert kann frei gewählt werden, wobei über die Zahnhöhen h(z) die verbleibenden Fußkreis-Stärken zu beachten sind unter der Zielsetzung, dass die biegekritischen Drehzahlen je Spindelrotor ausgeführt werden gemäß:
- ► For
2 ) and 3z rotor (3 ) without blowing hole - ► In order to increase the inlet-side working chamber volume, it will be useful for some applications to increase the μ.3 (z) value: above this value of 0.6.
- ► The μ.2 (z) value can be freely selected, whereby the tooth root heights h (z) must take into account the remaining root strengths, with the objective that the critical bending speeds per spindle rotor be carried out according to:
Insbesondere über die Werte für µ.2(z) und µ.3(z) sowie zur Rotorlänge und den Rotormassen wird die biegekritische Drehzahl bei dem schneller drehenden 2z-Rotor (
Mit diesen Punkten werden die eingangs genannte Aufgaben über die vorliegende Erfindung erfüllt:With these points, the above-mentioned objects are achieved via the present invention:
Die Wärmehaushalte der Arbeitsraum-Bauteile, also Gehäuse (
- (1) Sichere Vermeidung der Spielaufzehrung (als sogen. „Crash“ durch Berührung der Arbeitsraumbauteile), indem für die verschiedenen Betriebs-/Arbeitspunkte die unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Arbeitsraum-Bauteile bei gemessenen Referenz-Temperatur-Werten durch intelligente Führung der Wärmebilanzen mit in der Control-Unit (
15 ) hinterlegtem Dehnungsverhalten der Arbeitsraum-Bauteile für die verschiedenen Temp.-Niveaus bei dem jeweiligen Betriebs-/Arbeitspunkt arbeiten. - (2) Minimierung der inneren Spaltleckage durch Einhaltung eines Spaltbereiches, vorzugsweise in einem Bereich von ± 25%, wobei der untere Wert von der Vermeidung der Spielaufzehrung zzgl. einem Sicherheitsaufschlag abgeleitet wird und
im Bereich von 0,05 0,1 mm liegt bei entspr. Rundlauf-Genauigkeitenbis von vorzugsweise unter 0,02 mm bei Maschinengrößen im Achsabstandsbereich von etwa 100 mm bis ca. 500 mm (darunter ist der Wert entsprechend kleiner, darüber größer) - (3) Schutz der empfindlichen Bauteile, insbes. der Rotor-Lagerung (speziell auf der Auslass-Seite) und der beiden Antriebseinheiten durch das beschriebene Purge-Gas-System (
30 und31 ) - (4) weitestgehend*°* unabhängig von den äußeren Einsatz-Bedingungen in dem Sinne, dass sich das R718-Verdrängerverdichtersystem an die unterschiedlichsten Bedingungen selbständig anpasst. *°* weitestgehend derart, dass es praktisch keine Einschränkungen bei den Einsatz-Bedingungen gibt.
- (5) Intelligente Führung über die Control-Unit (
15 ) insbes. der Kühlfluidströme sowie gemäß PIRSA derart, dass das R718-Verdrängerverdichtersystem in jedem Betriebspunkt den jeweils geringsten Energiebedarf hat, also mit höchster Effizienz arbeitet und zugleich die zuvor genanten Aufgaben erfüllt.
- (1) Safe avoidance of the Spielaufzehrung (as so-called "crash" by touching the working space components) by the different thermal expansions of the working space components at measured reference temperature values by intelligent management of the heat balances for the various operating / operating points the control unit (
15 ) of the expansion behavior of the working space components for the different temp. levels at the respective operating / operating point. - (2) Minimization of internal gap leakage by maintaining a gap range, preferably in a range of ± 25%, the lower value being derived from avoidance of backlash plus a safety margin and ranging from 0.05 to 0.1 mm Corresponding concentricity accuracies of preferably less than 0.02 mm for machine sizes in the center distance range of about 100 mm to about 500 mm (below which the value is correspondingly smaller, above it larger)
- (3) Protection of the sensitive components, in particular the rotor bearing (especially on the outlet side) and the two drive units by the described purge gas system (
30 and31 ) - (4) as far as possible * ° * regardless of the external conditions of use in the sense that the R718 positive displacement compressor system adapts itself to a wide variety of conditions. * ° * as much as possible so that there are practically no restrictions on the conditions of use.
- (5) Intelligent guidance via the Control Unit (
15 ) in particular the cooling fluid flows and in accordance with PIRSA such that the R718 Verdrängerverdichtersystem has the lowest energy consumption at each operating point, that works with maximum efficiency and at the same time fulfills the aforementioned tasks.
Die notwendigen Fähigkeit zur erfindungsgemäßen Erledigung dieser Aufgaben im Sinne der Intelligenz steckt in der Control-Unit (
- ❶ Gehäuse-Wärmebilanz-Führung
- ❷ 2z-Rotor-Wärmebilanz-Führung
- ❸ 3z-Rotor-Wärmebilanz-Führung
- ❹ Einspritzung zur Verdampfungskühlung während des Verdichtungsvorgangs
- ❺ Motorenkühlung
- ❶ Housing heat balance guide
- ❷ 2z rotor heat balance guide
- ❸ 3z rotor heat balance guide
- ❹ Injection for evaporative cooling during the compression process
- ❺ engine cooling
Die Drehzahl-Anpassung erfolgt per FUs (
VET steht für Verdichter-End-Temperatur = das ist also die Temperatur am Gas-Auslass des VerdichtersVET stands for compressor end temperature = that is the temperature at the gas outlet of the compressor
Die Einspritz-Kühlung ❹ leistet den Hauptkühlanteil bei der Verdichtung, wohingegen die Arbeitsraum-Bauteile-Kühlung insbes. zur Kompensation unterschiedlicher Wärmedehnungen je Arbeitsraum-Bauteil und/oder zum Schutz empfindlicher Bauteile (insbes. die Rotorlagerung sowie die Antriebsmotore) von der Control-Unit (
Verdampfer (
Grundsätzliche Erläuterung:Basic explanation:
Das Kühlwasser „Kü“ führt generell die Wärme
Als Kühlmedium (Kürzel: „KM“) wird das Wasser bezeichnet, das vom Verdampfer (
Stichwortartig seien zum besseren Verständnis noch folgende Punkte genannt: (auch als Wiederholung)
- (1) Der Wärmehaushalt für das Verdichtergehäuse (
1 ) wird erfindungsgemäß als sogen. „Gehäuse-Wärmebilanz-Führung“ über den Zwischenwassermantel (5 ) applikationsspezifisch von der Control-Unit (15 ) wahlweise eingestellt gemäß:- a) über äußeres Kühlwasser „Kü“ im Zwischenwassermantel (
5 ) gekühlt, wenn die Control-Unit (15 ) anhand der tatsächlich vorliegenden Temperaturwerte (insbes. für „Kü“) im Vergleich zu den in der Control-Unit (15 ) hinterlegten Datenbank feststellt, dass die applikationsspezifisch verfügbaren Kühlwasser-Temperaturen günstig (meist im Sinne von niedrig genug) für den Gehäuse-Wärmehaushalt sind, um zwischen Verdichtergehäuse (1 ) und Spindelrotorpaar (2 und3 ) eine Spielsituation einzustellen, die einerseits den Crash (als Spielaufzehrung) sicher zu vermeiden und andererseits für die optimale Effizienz der Verdichtung hinsichtlich der inneren Spaltleckage zu sorgen, konkret: Die Spaltwerte zur Crash-Vermeidung liegen etwaim Bereich von 0,03bis 0,05 mm, dazu kommt ein Sicherheitsaufschlag (beispielsweise wegen Rundlaufabweichungen) von ungefähr 30% bis 50%, so dass sich die unteren Spaltwerte ergeben, als ΔSp.u bezeichnet. Die oberen Spaltwerte ΔSp.o sollten vorzugsweise nichtmehr als Faktor 2 größer als ΔSp.u sein. Durch unterschiedliches thermisches Dehnungsverhalten der Arbeitsraum-Bauteile (also im Wesentlichen das Gehäuse und das Rotorpaar) muss das über die von der Control-Unit (15 ) regulierten Kühlfluidströme (9 ) als sogen. Wärmehaushaltmanagement nun applikationsspezifisch die tatsächlichen Spaltwerte zwischen ΔSp.u und ΔSp.o halten. - b) Wenn die applikationsspezifisch verfügbaren Kühlwasser-Temperaturen ungünstig (zumeist im Sinne von zu hoch) für den Gehäuse-Wärmehaushalt sind, dann sorgt die Control-Unit (
15 ) über den Kühlfluidstrom9.1 (als ❶ dargestellt) beispielsweise mittels Regulierorgan (26 ) und einfacher Kühlrohrschlange (6 ) insbes. im Auslass-Bereich für die Abführung der aufsteigenden Wärme im Zwischenwassermantel (5 ), wobei aufsteigend im Sinne der Erstreckung in Rotorlängsachsrichtung abhängig von der Konvektion im Zwischenwassermantel als Zwischenmediumträger und Ausgleich gegen zu hoher Temperatur-Differenzen.
- a) über äußeres Kühlwasser „Kü“ im Zwischenwassermantel (
- (2) unlimited durch interne Kühlung im Betrieb unabhängig von äußeren Bdgn. sich selbst einstellend, also bei 5°C Umgebungs-Bdgn. wie auch bei 60°C = keine Grenzangaben mehr nötig = selbsttätig wird die Kondensator-Temperatur hochgefahren und die innere Kühlung passt sich selbständig an also keine Anforderungen mehr zur max. zulässigen Kühlwasser-Temperatur = erfindungsgemäß ist nunmehr alles machbar
- (3) insbes. auch die E-Motore sind dank anpassbarer Intensiv-Kühlung prakt. beliebig überlastbar
- (4) Zwischenwassermantel (
5 ) am Verdichtergehäuse (1 ) mit Isolationsmantel (20 ) zum Kondensator (8 ) - (5) Verdichter mit offenem Einlass (
11 ) und Auslass (12 ), es gibt keine seitlichen Abschluss-Gehäuseteile („Deckel“) mehr, es ist kein klassisch autarker Verdichter mehr sondern eine offene Maschine - (6) Kühlmechanismen von der Control-Unit als sogen. „Arbeitsraumbauteile-Wärmemanagement“ intelligent abgezweigt und verteilt gemäß:
- ist der Hauptsrom zur Erfüllung der eigentlichen Aufgabe zwischen Wärmeaufnahme im Verdampfer und Wärmeabgabe im Kondensator
- ❶ Kühlung für das Verdichtergehäuse, vzw als Verdampfer-Kühlung über Zwischenwassermantel auch nur so viel, dass die über die minimierte Rotorkühlung ❷ und ❸ sich ergebenden Spaltwerte in einem gewählten Bereich bleiben, z.B. vzw. innerhalb von ± 25%
- ❷ Bauteile-Kühlung für den
2 -zähnigen Spindelrotor → minimiert(!) primär zum Schutz der Lager - ❸ Bauteile-Kühlung für den
3 -zähnigen Spindelrotor → minimiert(!) primär zum Schutz der Lager - ❹ Kühlung per Kühlmedium-Einspritzung → trägt als wichtigste Größe die Hauptlast, also > 80%
- ❺ Kühlung für jeden Antriebsmotor→ nur zur Rettung der Funktion (überwacht & geführt von den Motor-Thermo-Elementen, vzw. in den Motorwicklungen)
- (7) Bauteile-Kühlung ❶ und ❷ und ❸ zwecks Umsetzung
von 2 Haupt-Anforderungen:- → Beherrschung der Spiele-Situation, um unterschiedliche thermische Dehnungen kompensieren zu können, wobei die Spielwerte vorzugsweise innerhalb von etwa ± 25% bleiben sollten.
- →
k0 -Betrieb sowie minimale Fördervolumenströme sicher und dauerhaft beherrschen - → Vermeidung zu hoher Temperaturen bei kritischen Bauteilen, insbes. die Auslass-seitige Lager
- (8) Einspritzung ❹ als der Haupt-Kühlmechanismus mittels Verdampfung während der Verdichtung
- ► Ziel: feiner Nebel als mögl. große Oberfläche für effiziente Verdampfung als Wärmeabführung während der Verdichtung
- ► Schleuderscheiben mit rauer Oberfläche mit Endneigung zur Vermeidung von Rinnsalen, für mögl. gleichmäßige Verteilung
- ► Schleuderscheibe mit äußerer Rinne ggfls. mit radialen Abspritzbohrungen, um den Schlupf zu vermindern
- ► Zuführung zur Schleuderscheibe oder ggfls. als Abspritzbohrung im Fußgrund über Doppelrohr oder über den Stützarm für den Ansauglagerträger
- ► Einspritzung statt Schleuderscheibe über Bohrungen im Fußgrund am Einlass nehmen (wohl eher nicht)
- ► Einspritzung als Regulierung der tatsächlichen inneren Verdichtung nehmen: Die verdampfende Flüssigkeit führt zu starkem Volumen-Anstieg in der Arbeitskammer mit entspr. Druck-Anstieg
- (9) Achsabstand zwischen den Spindelrotoren am Einlass (
11 ) vorzugsweise um mind. 10% größer als am Auslass (12 ) - (10) Anpassung des inneren Volumenverhältnisses Πiv über Vakuum-taugliche Steuerkugeln (
10 ), vzw. Gewichts-belastet von der Gasdruckdifferenz beiseite gedrückt und auch Schwerkraft-bedingt auf einer unter dem Winkel γR angeschrägten (vzw. Elastomer-)Lauframpe (10.R) wieder zurücklaufend, wenn Δp wieder fällt und ausgeführt- • während der Rotorlänge (beispielhaft in
2 dargestellt) - • sowie an der Endplatte (
12 ) als Steuerscheibe (beispielhaft in1 dargestellt)
- • während der Rotorlänge (beispielhaft in
- (11) Auslass-Endplatte als Steuerscheibe (
12 ) über Schälscheiben zur idealen Spieleinstellung für den stirnseitigen Spalt zwischen dem Rotorende und der Endplatte für jeden Spindelrotor individuell - (12) Aufwand zur iV-Anpassung (z.B. per Steuerkugeln) kann applikationsspezifisch drastisch reduziert werden, indem die jeweiligen Druckwerte sowohl am Kondensator als auch am Verdampfer bei gleichzeitiger Volumenstrom-Anpassung so eingestellt werden, dass das Druckverhältnis dieser beiden Druckwerte mit dem inneren Volumenverhältnis Πiv des Verdichters derart übereinstimmt, dass eine Über- oder Unterverdichtung in akzeptablen Grenzen gehalten vermieden wird gemäß PIRSA = Pressure-InnerRatio-Speed-Adaption = Druck-InneresVolumenverhältnis-Drehzahl-Anpassung
- (13) Steigungsverlauf über den Zahnflankenversatz Δkvs(z) unterschiedlich zwischen rechter und linker Zahnflanke zur Maximierung der Querschnittsfläche in jedem Stirnschnitt insbes. im Ansaugbereich: Indem bei einem rechtssteigend ausgeführten 2z-Spindelrotor die rechte Zahnflanke gegenüber der linken Zahnflanke den beispielhaft dargestellten Verlauf hat, verringert sich bei dem 2z-Spindelrotor dessen Zahnbreite zwecks Maximierung der Stirnschnitt-Arbeitskammer-Schöpfflächen im Ansaugbereich als erfindungsgemäßer Zahnflankenversatz der Flanken zueinander bezeichnet
- (14) zylindrische Spindelrotor-Innenkühlung kann auf den letzten Bereich beschränkt werden, also nicht über die ganze Rotorlänge (mit entsprechendem Anstieg der Fußgrund-Wandstärke am Einlass)
- (15) dargestellt ist die Maximal-Version (quasi der „Mercedes“), indem alle Kühlmechanismen realisiert sind - es wird aber auch eine abgespeckte Version (quasi der „VW“) geben, indem vorzugsweise / beispielsweise auf die Bauteile-Kühlung verzichtet wird und die Temperaturen während der Verdichtung nur über die Einspritzkühlung eingestellt wird, d.h.: obige Ziele nur noch eingeschränkt erfüllbar, weil das für einige Applikationen ausreichend ist.
- (16) Antriebsmotore auf der Einlass-Seite (wegen Bauraum sowie als Temperatur-Schutz mit Überlast-Option)
- (17)
k0 -Drehzahl-Messung (als Eigen-Diagnose zur Feststellung von Veränderungen, z.B. Belagbildung etc.) - (18) CFK-Zwischenträger (
17 ) am2 -zähnigen Spindelrotor zur Gewichts-Reduzierung, insbesondere das Massenträgheitsmoment beim Hochfahren (beschleunigen) bei zugleich hoher Biegesteifigkeit - (19) Ausführung zum Purgen über die Zwischenräume mit Bypass-Bohrung je Spindelrotor-Lagerung
- (20) umlaufende Überlauf-Rinne im Verdampfer und Abfluss an der tiefsten Stelle für die
Betriebsmodi entsprechend 14 als Alternative zum geschlossenen Kreis mit dem Steigrohr (19 ) - (21) Mischbatterie und Mischstrecke als Option zur gezielten Temperaturen-Einstellung
- (22) vorzugsweise mit CO2-Kaskade für tiefere Temperaturen
„vzw“ steht für „vorzugsweise“The following points are cited for better understanding: (also as repetition)
- (1) The heat balance for the compressor housing (
1 ) According to the invention as so-called. "Housing heat balance guide" over the intermediate water jacket (5 ) application-specific from the Control Unit (15 ) optionally set according to:- a) via external cooling water "Kü" in the intermediate water jacket (
5 ) cooled when the control unit (15 ) based on the actual temperature values (esp. for "Kü") compared to those in the Control Unit (15 ) that the application-specific available cooling water temperatures are favorable (usually in the sense of low enough) for the housing heat balance to be between compressor housing (1 ) and spindle rotor pair (2 and3 ) to set a game situation on the one hand to avoid the crash (as Spielaufzehrung) and on the other hand to ensure the optimum efficiency of compression in terms of inner gap leakage, specifically: The gap values for crash avoidance are approximately in the range of 0.03 to 0, 05 mm, plus a safety impact (for example due to concentricity deviations) of approximately 30% to 50%, so that the lower gap values result, designated as ΔSp.u. The upper gap values ΔSp.o should preferably no longer be afactor 2 be greater than ΔSp.u. Due to different thermal expansion behavior of the working space components (ie essentially the housing and the rotor pair), this must be done via the control unit (15 ) regulated cooling fluid streams (9 ) as so-called. Heat Management now application specific hold the actual gap values between ΔSp.u and ΔSp.o. - b) If the application-specific available cooling water temperatures are unfavorable (usually in the sense of too high) for the housing heat balance, then the Control Unit (
15 ) over the cooling fluid flow9.1 (shown as ❶), for example by means of regulating organ (26 ) and simple cooling coil (6 ) esp. In the outlet area for the removal of the rising heat in the intermediate water jacket (5 ), with ascending in the sense of extension in Rotorlängsachsrichtung depending on the convection in the intermediate water jacket as intermediate medium carrier and compensation for excessive temperature differences.
- a) via external cooling water "Kü" in the intermediate water jacket (
- (2) unlimited due to internal cooling in operation independent of external Bdgn. self-adjusting, so at 5 ° C ambient Bdgn. as well as at 60 ° C = no limit information necessary = automatically the capacitor temperature is increased and the internal cooling adapts itself automatically so no more requirements for max. permissible cooling water temperature = according to the invention now is all feasible
- (3) esp. Also the e-motors are thanks to customizable intensive cooling practical arbitrarily overloaded
- (4) intermediate water jacket (
5 ) on the compressor housing (1 ) with insulation jacket (20 ) to the capacitor (8th ) - (5) Compressor with open inlet (
11 ) and outlet (12 ), there is no side closure housing parts ("cover") more, it is not a classically self-sufficient compressor but an open machine - (6) cooling mechanisms of the control unit as so-called. "Workspace components-thermal management" intelligently branched off and distributed according to:
- is the main power to fulfill the actual task between heat absorption in the evaporator and heat dissipation in the condenser
- ❶ cooling for the compressor housing, vzw as evaporator cooling via intermediate water jacket only so much that the gap values resulting from the minimized rotor cooling ❷ and in remain within a selected range, eg vzw. within ± 25%
- ❷ Component cooling for the
2 - toothed spindle rotor → minimizes (!) primarily to protect the bearings - ❸ Component cooling for the
3 - toothed spindle rotor → minimizes (!) primarily to protect the bearings - ❹ Cooling by cooling medium injection → is the main variable, the main load, ie> 80%
- ❺ cooling for each drive motor → only to save the function (monitored & guided by the motor-thermo-elements, vzw. In the motor windings)
- (7) component cooling ❶ and ❷ and ❸ for the implementation of
2 Main requirements:- → mastering the game situation to compensate for different thermal expansions, with the game values preferably staying within about ± 25%.
- →
k 0 Operation and minimum volume flow rates safely and permanently - → Avoidance of high temperatures in critical components, especially the exhaust side bearings
- (8) Injection ❹ as the main cooling mechanism by evaporation during compression
- ► Target: fine mist as possible. large surface area for efficient evaporation as heat dissipation during compaction
- ► Sliding discs with rough surface with end inclination to avoid run-offs, for possible. even distribution
- ► Slinger with outer gutter if necessary. with radial spray holes to reduce slippage
- ► Feed to the centrifugal disc or if necessary. as Abspritzbohrung in the footwell via double pipe or on the support arm for the Ansauglagerträger
- ► Inject injection instead of centrifugal disc over holes in the bottom of the foot at the inlet (probably not)
- ► Injection as regulation of the actual internal compression: The vaporizing liquid leads to a strong increase in volume in the working chamber with corresponding increase in pressure
- (9) Center distance between the spindle rotors at the inlet (
11 ) preferably at least 10% larger than at the outlet (12 ) - (10) adjustment of the internal volume ratio Π iv via vacuum-compatible control balls (
10 ), vzw. Weight-loaded pushed by the gas pressure difference aside and also due to gravity on a tapered at the angle γ R (or elastomer) running ramp (10.R) running back again when Δp falls again and executed- • during rotor length (example in
2 shown) - • as well as on the end plate (
12 ) as a control disk (exemplified in1 shown)
- • during rotor length (example in
- (11) outlet end plate as control disk (
12 ) via peeling discs for the ideal clearance adjustment for the frontal gap between the rotor end and the end plate for each spindle rotor individually - (12) Expenditure on iV adaptation (eg by means of control balls) can be drastically reduced in the application-specific manner by adjusting the respective pressure values both on the condenser and on the evaporator with simultaneous volumetric flow adjustment such that the pressure ratio of these two pressure values coincides with the internal volume ratio Π iv of the compressor is such that over- or under-compression is kept within acceptable limits, according to PIRSA = Pressure-InnerRatio-Speed-Adaptation = pressure-to-internal-volume-ratio-speed-adaptation
- (13) Gradient progression over the tooth flank offset Δk vs (z) different between right and left tooth flank to maximize the cross-sectional area in each incision cut esp. In the intake: By the right flank opposite the left flank has the course shown by way of example in a rechtszend designed 2z spindle rotor is reduced in the 2z-spindle rotor whose tooth width in order to maximize the cutting edge working chamber-Schöpfflächen in the intake area referred to as inventive tooth flank offset of the flanks to each other
- (14) cylindrical spindle rotor internal cooling can be limited to the last range, ie not over the entire rotor length (with a corresponding increase in Fußgrund wall thickness at the inlet)
- (15) shown is the maximum version (quasi the "Mercedes"), by all cooling mechanisms are realized - but it will also give a slimmed-down version (quasi the "VW") by preferably / is omitted, for example, the component cooling and the temperatures during the compression is set only by the injection cooling, ie: the above goals can only be fulfilled to a limited extent, because this is sufficient for some applications.
- (16) Drive motors on the inlet side (due to installation space and as temperature protection with overload option)
- (17)
k 0 -Speed measurement (as self-diagnosis to detect changes, eg deposit formation, etc.) - (18) CFRP intermediate carrier (
17 ) at the2 - toothed spindle rotor for weight reduction, in particular the moment of inertia during startup (accelerate) at the same time high flexural rigidity - (19) Execution for purge via the interstices with bypass hole per spindle rotor bearing
- (20) circumferential overflow channel in the evaporator and drain at the lowest point for the operating modes accordingly
14 as an alternative to the closed circle with the riser (19 ) - (21) Mixer and mixing section as an option for targeted temperature adjustment
- (22) preferably with CO2 cascade for lower temperatures
"Vzw" stands for "preferably"
Figurenlistelist of figures
-
1 :1 zeigt beispielhaft eine Längsschnitt-Darstellung durch das erfindungsgemäße R718-Verdrängerverdichtersystem (42 ) bei stehender Ausführung. Die Verdichtermaschine (41 ) trennt Verdampfer (7 ) mit den niedrigeren Werten für Druckp1 =p0 und Temperaturt0 vom Kondensator (8 ) mit den höheren Werten für Druckp2 = pC und Temperatur tC mit jeweils umhüllendem und das Vakuum haltendem Gehäusetopf (28 und29 ), vorzugsweise zylindrisch und an der Verdichtergehäuse-Erweiterung (1.P) gemäß5 fest. Die übliche Vakuumpumpe zur Gewährleistung des Unterdrucks im dargestellten R718-Verdrängerverdichtersystem (42 ) ist nicht eingezeichnet, aber hinlänglich bekannt und wird gemäß4 beim Purgen vorzugsweise über die Schutzgas-Abführung (31 ) gemäß4 eingesetzt. Zur detaillierteren Veranschaulichung ist in der3 der Einlass-Bereich mit Verdampfer (7 ) dieser Darstellung und in4 der Auslass-Bereich mit Kondensator (8 ) vergrößert gezeigt. Über Schälscheiben (18 ) werden Einlass-seitig über die Positionen der Spindelrotoreinheiten (39 und40 gemäß13 ) in Rotorlängsachsrichtung die wichtigen Rotorkopf-Gehäuse-Spaltwerte eingestellt. Ebenso werden Auslass-seitig über Schälscheiben (18 ) die stirnseitigen Spindelrotor-Spaltwerte zur Auslass-Steuerscheibe (12 ) eingestellt.1 :1 shows an example of a longitudinal section through the inventive R718 Verdrängerverdichtersystem (42 ) when standing. The compressor machine (41 ) separates evaporator (7 ) with the lower pressure valuesp 1 =p 0 and temperaturet 0 from the capacitor (8th ) with the higher values for pressurep 2 = p C and temperature t C , each with enveloping and the vacuum-holding housing pot (28 and29 ), preferably cylindrical and on the compressor housing extension (1.P) according to5 firmly. The usual vacuum pump to ensure the negative pressure in the illustrated R718 Verdrängerverdichtersystem (42 ) is not marked, but well known and will be according to4 during purge preferably via the protective gas discharge (31 ) according to4 used. For more detailed illustration is in the3 the inlet area with evaporator (7 ) of this presentation and in4 the outlet area with condenser (8th ) shown enlarged. About peeling discs (18 ) are on the inlet side of the positions of the spindle rotor units (39 and40 according to13 ) adjusted in Rotorlängsachsrichtung the important rotor head housing gap values. Likewise, on the outlet side, peeling disks (18 ) the front-side spindle rotor gap values to the outlet control disk (12 ). -
2 : Als beispielhafte Schnitt-Darstellung bzgl.1 senkrecht zur Achse des Gehäusetopfs (28 ) etwa auf halber Rotorlängsachse mit Blickrichtung zum Auslass (12 ) als zylindrischer Kältesystem-Querschnitt für das R718-Verdrängerverdichtersystem mit Steuerkugeln (10 ) sowohl in Rotorlängsachsrichtung (die Steuerkugeln sind dementsprechend geschnitten und schraffiert gezeigt) als auch als Draufsicht auf die Auslass-Steuerscheibe (12 ) einfach als kreisrunde Steuerkugel-Öffnungen, die in1 am Auslass (12 ) wiederum geschnitten und schraffiert gezeigt sind. Zudem sind an der Auslass-Steuerscheibe (12 ) die End-Auslass-Öffnungen (27 ) mit den Steuerkanten (27.S) gut erkennbar.2 : As an exemplary sectional view regarding.1 perpendicular to the axis of the housing pot (28 ) approximately halfway along the rotor axis with a view towards the outlet (12 ) as a cylindrical cooling system cross section for the R718 positive displacement compressor system with control balls (10 ) both in the rotor longitudinal axis direction (the control balls are shown cut and hatched accordingly) and as a plan view of the outlet control disk (12 ) simply as circular control ball openings in1 at the outlet (12 ) are shown again cut and hatched. In addition, at the outlet control disc (12 ) the end outlet openings (27 ) with the control edges (27.S) good to see. -
3 : Als beispielhafte Darstellung für den Ansaugbereich aus1 mit Darstellung der jeweiligen Kühlfluidströme ❶ und ❷ und ❸ und ❹ und ❺ mit als Kreislaufmedium-R718-Hauptstrom zur Erfüllung der Kernaufgabe zum Wärmetransfer. Neben den verschiedenen Möglichkeiten zur Kühlfluidstrom-Zuführung sind unterschiedliche Ausführungen zum Wärmetransfer im Verdampfer (7 ) gleichzeitig (praktisch dann separat realisiert) gezeigt, indem das Kältemittel R-718 beispielsweise per Überlaufrinne (37 ) über eine hinreichend große Fläche zum Abfluss (37.a) strömt ODER über separate Wärmetauscherflächen (38 ), beispielsweise als eingelegtes Wärmetauscher-Rohrsystem (38 ) am Boden des Gehäusetopfes (29 ), um den dargestellten WärmetransferQ̇ent aus dem Verdampfungsvorgang zu gewährleisten. Um dabei unerwünschter Wärmeübergänge zu minimieren, sind verschiedene Isolationsansätze (29.i) dargestellt, z.B. per Isolierschicht (linke Seite in3 ) oder per evakuiertem Zwischenraum (rechte Seite in3 ).3 : As an exemplary representation of the intake from1 with representation of the respective cooling fluid flows ❶ and ❷ and ❸ and ❹ and ❺ with as cycle medium R718 main stream to fulfill the core task of heat transfer. In addition to the various possibilities for cooling fluid flow supply different versions for heat transfer in the evaporator (7 ) at the same time (practically realized separately), for example by the refrigerant R-718 via the overflow channel (37 ) over a sufficiently large area to drain (37.a) flows OR via separate heat exchanger surfaces (38 ), for example as inserted heat exchanger pipe system (38 ) at the bottom of the housing pot (29 ) to the heat transfer shownQ̇ ent to ensure from the evaporation process. In order to minimize undesired heat transfer, various isolation approaches (29.i) represented, for example, by insulating layer (left side in3 ) or by evacuated space (right side in3 ). -
4 : Als beispielhafte Darstellung für den Auslassbereich aus1 mit Darstellung zur Gehäuse-Kühlung über Zwischenwassermantel (5 ) mit Kühlrohrschlange (6 ), außerdem Steuerkugeln (10 ) in der Auslass-Steuerscheibe (12 ) und Purge-Gas-Einrichtung per Schutzgas-Zuführung (30 ) und -Abführung (31 ) via Pufferraum (13 ) über die zuvor genannte Vakuumpumpe absaugend für den gewünschten Unterdruck im Verdrängerverdichtersystem, außerdem beispielhaft mit dem Regulierorgan (26 ) zur applikationsspezifisch von der Control-Unit (15 ) regulierten Aufteilung der Kühlfluidströme ❶ und ❷ und ❸ und ❹ und ❺ (als „KM-TS.Δ“ bezeichnet) sowie mit als Kreislaufmedium-R718-Hauptstrom (als „KM-HS“).4 : As an exemplary representation of theoutlet area 1 with representation for housing cooling over intermediate water jacket (5 ) with cooling coil (6 ), as well as control balls (10 ) in the outlet control disk (12 ) and purge gas device by inert gas supply (30 ) and execution (31 ) via buffer space (13 ) via the aforementioned vacuum pump suction for the desired negative pressure in Verdrängerverdichtersystem, also exemplified with the Regulierorgan (26 ) to the application-specific of the Control Unit (15 ) regulated division of the cooling fluid streams ❶ and ❷ and ❸ and ❹ and ❺ (referred to as "KM-TS.Δ") and with as circulatory medium R718 main stream (as "KM-HS"). -
5 : Als beispielhafte 3D-Darstellung zum Verdichtergehäuse (1 ) mit Trennung zwischen Verdampfer-Raum und Kondensator-Raum über die vorzugsweise zylindrische Trennplatte (1.P) , außerdem mit den aufgesetzten vorzugsweise drei Lagerträger-Tragarmen (24 ) je Lagerträger (25 ). In dieser Darstellung wird das Prinzip des „offenen“ Verdichters deutlich, denn in das Gehäuse werden lediglich noch die beiden Spindel-Rotationseinheiten (39 und40 ) montiert, und die Verdichtermaschine (41 ) ist praktisch fertig, ohne eigene stirnseitige Abschlussteile (daher „offener“ Verdichter)5 : As an exemplary 3D representation of the compressor housing (1 ) with separation between evaporator space and condenser space via the preferably cylindrical separating plate (1.P) , in addition with the attached preferably three bearing carrier support arms (24 ) per bearing carrier (25 ). In this illustration, the principle of the "open" compressor becomes clear, because in the housing only the two spindle rotation units (39 and40 ), and the compressor machine (41 ) is practically finished, without own frontal end parts (therefore "open" compressor) -
6 : Beispielhaft dargestellt ist die Zuführung (23.1 ) von Einspritz-Kältemittel ❹ zur Schleuderscheibe (22 ) über einen Lagerträger-Tragarm (24 ) im Verdichter-Einlass-Bereich (11 ) vergrößert aus1 , indem beispielsweise über ein Röhrchen der Kühlfluidstrom ❹ auf die Schleuderscheibe (22 ) gelangt, wo ❹ dann über Zentrifugalkräfte dann gleichmäßig verteilt in den Fördergasstrom am Einlass (11 ) gelangt bei optimalem Geschwindigkeitsprofil gegenüber dem Spindelrotor.6 : Illustrated is the feeder (23.1 ) of injection refrigerant ❹ to the centrifugal disc (22 ) via a bearing carrier support arm (24 ) in the compressor inlet area (11 ) increases1 by, for example, via a small tube, the cooling fluid flow ❹ onto the centrifugal disk (22 ), where then über then evenly distributed by centrifugal forces in the conveying gas flow at the inlet (11 ) arrives at optimum speed profile with respect to the spindle rotor. -
7 : Als beispielhafte Darstellung zur Schleuderscheibe (22 ) vorzugsweise mir rauer, grober Oberfläche zur Schlupfminderung und besseren Kühlfluidstrom-O-Verteilung, wobei Durchmesser Øa.s sowie Höhe h und der WinkelγS die Kühlfluidstrom-❹-Abspritzung von der Schleuderscheibe wesentlich beeinflussen und applikationsspezifisch auszuführen sind.7 : As an exemplary representation of the centrifugal disc (22 ) preferably rough rough surface for slip reduction and better cooling fluid flow O distribution, with diameter Øa.s and height h and angleγ S significantly affect the cooling fluid flow ❹-Abspritzung of the centrifugal disc and are executed application specific. -
8 : Als beispielhafte Darstellung zur Steuerkugel (10 ) für die Anpassung der inneren Volumenverhältnisse an unterschiedliche Temperaturhübe mit den entspr. Druckdifferenzen, wobei über die Winkel γA und γR gegenüber der Schwerkraft-Richtung g vorzugsweise schwerkraftbedingt durch die Druckdifferenz Δp an der Steuerkugel zwischen dem jeweiligen Arbeitskammerdruck und dem Auslassdruck wegrollend auf der Rampe (10.R) , wobei hierbei nicht unbedingt ein besonderes Material nötig ist, und bei nachlassender Druckdifferenz vorzugsweise schwerkraftbedingt selbsttätig wieder zurückrollend.8th : As an exemplary representation of the control ball (10 For the adjustment of the internal volume ratios to different temperature strokes with the corresponding pressure differences, wherein the angle γ A and γ R with respect to the gravitational direction g preferably by gravity by the pressure difference Ap on the control ball between the respective working chamber pressure and the outlet pressure rolling on the Ramp (10.R) , in which case a special material is not necessarily necessary, and when the pressure difference decreases, preferably automatically rewinding due to gravitational forces. -
9 : Beispielhafte Darstellung zur Spindelrotorprofilpaarung, wobei die wegen nichtparalleler Drehachsen tatsächlich dreidimensionale Aufgabe vereinfachend in der Ebene gezeigt ist. Als Stirnschnitt durch das Spindelrotorpaar den Kopfkreisbogenwinkel be.2K(z) zeigend, der den Zahnflankenversatz Δkvs(z) als unterschiedlichen z(φ)-Verlauf für rechte und linke Profilflanke je Zahn ergibt, sowie mit dem jeweiligen µ-Wert zu jedem Spindelrotor über die Rotorkopfkreise beim a(z)-Verlauf zum Rotorachsabstand.9 : Exemplary representation of the spindle rotor profile pairing, wherein the non-parallel axes of rotation actually three-dimensional task is shown simplistic in the plane. As a cross-section through the pair of spindle rotors the Kopfkreisbogenwinkel be.2K (z) showing the tooth flank offset .DELTA.k vs (z) as a different z (φ) -Verlauf for right and left profile edge per tooth results, and with the respective μ-value to each spindle rotor via the rotor head circles with the a (z) run to the rotor axis distance. -
10 : Bei Festlegung der Rotorprofilpaarung sind beispielhaft für den Kreuzungswinkel α = 15° zwischen den Rotordrehachsen bei einer Rotorprofillänge von L = 376 mm nachfolgende Funktionsverläufe gezeigt, die den ZahnflankenversatzΔkvs (z) über den Δ.be.2K(z)-Verlauf mit Bezug zum Steigungsverlauf m(z) in Rotorlängsachsrichtung z abbilden, wobei als Abszisse stets dieser z-Forschritt gewählt ist, also der Wertebereich: 0 ≤ z ≤ L Dabei ist der Auslass (12 ) bei z = 0 und der Einlass (11 ) bei z = L-
10 .1: [nur beispielhafte Werte] Die Zuordnung zwischen dem Drehwinkel-Laufparameter φ für den Bereich 0° ≤ φ ≤ 1320° und der z-Position als z(φ)-Funktion ergibt den Steigungsverlauf m(φ) über die bekannte Gleichung:11 ), wobei die Steigung bei z = L wieder stark auf 78 mm abfällt. -
10 .2: [nur beispielhafte Werte] Die Zahnhöhe h(z) in Rotorlängsachsrichtung ergibt sich zu jedem Achsabstandswert a(z) gemäß Kreuzungswinkel über die ineinandergreifenden Spindelrotorköpfe, wobei die Rotorkopf-Radienwerte über die jeweiligen µ-Werte dann folgenden Gleichungen folgen:10 .2 gezeigten µ-Werte zu der in1 gezeigten zylindrischen Rotoraufnahme, um die Verdampferkühlung an jedem Spindelrotor insbes. imk0 -Betrieb zu ermöglichen. -
10 .3: [nur beispielhafte Werte] Als Fortsetzung von10 .2 sind zu den gezeigten µ-Werten für den Kopfbogenwinkel be.2K(z) am2 -zähnigen Spindelrotor zwei Ausführungen dargestellt:- • Für den Fall, dass es keinen Zahnflankenversatz zwischen rechter und linker Profilflankenseite gibt, ergibt sich für den Kopfbogenwinkel der gestrichelt-gepunktete be.2K.stu(z)-Verlauf, der stetig fallend von 65° bei z = 0 auf 53° bei z = L wandert.
- • Der erfindungsgemäße be.2K.em(z)-Verlauf beginnt bei z = 0 beispielhaft auch bei 65°, zeigt dann aber einen deutlich anderen Verlauf, indem es ein Minimum im letzten Drittel der Rotorlänge Einlass-seitig gibt, wonach es dann rapide auf 70° bei z = L ansteigt.
-
10 .4: [nur beispielhafte Werte] Als Fortsetzung von10 .3 ist statt der µ-Vertäufe nun die Steigung m(z) gemäß10 .1 eingetragen und deutlich erkennbar ist (wie beschrieben) der gegensätzliche Verlauf zwischen be.2K.em(z) und m(z) -
10 .5: [nur beispielhafte Werte] Ergänzend zu10 .3 und 10.4 ist zusätzlich die Differenz zwischen be.2K.em(z) und be.2K.stu(z) als Δ.be.2K(z)-Verlauf in Verbindung mit dem Steigungsverlauf m(z) abgebildet, so dass der erfindungsgemäße Gedanke zum ZahnflankenversatzΔkvs (z) zwischen linker und rechter Profilflankenseite klar wird.
10 When determining the rotor profile pairing, the following functional characteristics are shown as an example for the crossing angle α = 15 ° between the rotor axes of rotation at a rotor profile length of L = 376 mm, showing the tooth flank offsetΔk vs (z) over the Δ.be.2K (z) -Verlauf with respect to the pitch curve m (z) in the rotor longitudinal axis z map, where as abscissa always this z-step is selected, ie the range of values: 0 ≤ z ≤ L where the outlet (12 ) at z = 0 and the inlet (11 ) at z = L-
10 .1: [only exemplary values] The assignment between the rotation angle run parameter φ for therange 0 ° ≤ φ ≤ 1320 ° and the z position as z (φ) function yields the slope curve m (φ) via the known equation:11 ), wherein the slope at z = L again drops sharply to 78 mm. -
10 .2: [only exemplary values] The tooth height h (z) in the rotor longitudinal axis direction results for each axial distance a (z) according to the crossing angle over the intermeshing spindle rotor heads, the rotor head radii values following the respective μ values then following equations:10 .2 shown in FIG1 shown cylindrical rotor receptacle to the evaporator cooling at each spindle rotor esp. Ink 0 To enable operation. -
10 .3: [example values only] As a continuation of10 .2 are to the shown μ-values for the angle of the elbow be.2K (z) am2 - toothed spindle rotor two versions shown:- • In the event that there is no tooth flank offset between right and left flank side, the dashed-dotted be.2K.stu (z) run results for the head bend angle, decreasing steadily from 65 ° at z = 0 to 53 ° z = L wanders.
- The inventive be.2K.em (z) run starts at z = 0, for example, even at 65 °, but then shows a significantly different course in that there is a minimum in the last third of the rotor length inlet side, after which it then rapid rises to 70 ° at z = L.
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10 .4: [example values only] As a continuation of10 .3 is now the slope m (z) according to10 .1 is registered and clearly recognizable (as described) the opposite course between be.2K.em (z) and m (z) -
10 .5: [example values only] In addition to10 .3 and 10.4, the difference between be.2K.em (z) and be.2K.stu (z) is additionally mapped as Δ.be.2K (z) in conjunction with the gradient m (z), so that the inventive concept for tooth flank offsetΔk vs (z) becomes clear between left and right tread side.
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11 : Als beispielhafte Darstellung sind für den Rotorbaukasten als11 .1 und11 .2 und11 .3 drei unterschiedliche Spindelrotorpaare dargestellt, die in ihrer Außen-/Anschluss-Geometrie zum gleichen Verdichtergehäuse (1 ), mindestens jedoch zum gleichen Gehäuse-Rohling passend, wobei folgende Beschreibung gilt:-
11 .1 zeigt beispielhaft ein Spindelrotorpaar mit hohem Saugvermögen bei mäßiger Stufenzahl für Applikationen, bei denen es weniger um das Kompressionsvermögen sondern mehr um hohen Volumenstrom geht. -
11 .2 zeigt beispielhaft ein Spindelrotorpaar mit mittlerem Saugvermögen bei mittlerer Stufenzahl für Applikationen ohne ausgeprägte Schwerpunktsetzung, also eine eher allgemeine Ausrichtung. -
11 .3 zeigt beispielhaft das Spindelrotorpaar mit geringerem Saugvermögen bei sehr hoher Stufenzahl für Applikationen, bei denen hohes Kompressionsvermögen wichtiger als Volumenstrom ist.
11 : As an exemplary representation are for the rotor assembly as11 .1 and11 .2 and11 .3 three different pairs of spindle rotors, which in their outer / connection geometry to the same compressor housing (1 ), but at least matching the same housing blank, the following description applies:-
11 Fig. 1 shows by way of example a spindle rotor pair with high pumping speed at a moderate number of stages for applications in which it is less about the compressibility but more about high volume flow. -
11 .2 shows by way of example a spindle rotor pair with medium pumping speed at medium number of stages for applications without a pronounced emphasis, ie a more general orientation. -
11 .3 shows by way of example the spindle rotor pair with lower pumping speed at very high number of stages for applications in which high compressibility is more important than volume flow.
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12 :-
12 .1: Beispielhafte Darstellung für eine alternative Gestaltung zur Auslass-Steuerscheibe (12 ), in der auf Steuerkugeln (10 ) verzichtet werden kann, indem die Auslass-Steuerscheibe drehbar als (12.s) mit den Drehlagern (12.g) sowie den Austrittschlitz (12.s) beim2 -zähnigen Spindelrotor-Ende ausgeführt wird. -
12 .2: Beispielhafte Darstellung zur Ausführung der drehbaren Auslass-Steuerscheibe (12.d) mit dem Austrittschlitz (12.s) sowie zusätzlich seitlichen Auslasskerben (12.k) , damit die ausschiebende letzte Arbeitskammer sich nicht wieder schließt, wenn das minimale innere Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Diese Kerben sind nötig, weil der Austrittschlitz (12.s) nicht zu viel des Kreise belegen darf, da sonst der Faktor, um den die innere Verdichtung erhöht werden kann, sinkt. Wenn das maximale innere Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, sind die Auslasskerben (12.k) oberhalb der Kammer, die sich ohne Auslass-Steuerscheibe (12.d) gerade öffnen würde. Die Auslasskerben (12.k) werden dann von der Auslassplatte, die den 3z-Rotor abschließt, und dem Verdichtergehäuse (1 ) seitlich geschlossen. Kurz bevor die letzte Arbeitskammer sich ganz geleert hat, wird das Verdichtergehäuse (1 ) seitlich entfernt und der 3z-Rotor ist offen.
12 :-
12 .1: Exemplary representation for an alternative design to the outlet control disk (12 ), in which on control balls (10 ) can be omitted by the exhaust control disk rotatable as (12.s) with the pivot bearings (12.g) as well as the exit slot (12.s) at the2 toothed spindle rotor end is executed. -
12 .2: Exemplary representation for the execution of the rotatable outlet control disk (12.d) with the exit slot (12.s) as well as additional side outlet notches (12.k) so that the ejecting last working chamber does not close again when the minimum internal compression ratio is set. These notches are needed because the exit slot (12.s) not too much of the circle may occupy, otherwise the factor by which the internal compression can be increased decreases. When the maximum internal compression ratio is set, the outlet notches (12.k) above the chamber, which is without outlet control disc (12.d) just open. The outlet notches (12.k) are then removed from the outlet plate which terminates the 3z rotor and the compressor housing (1 ) closed sideways. Shortly before the last working chamber has completely emptied, the compressor housing (1 ) is removed laterally and the 3z rotor is open.
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13 : Beispielhaft dargestellt sind die fertigen und komplett gewuchteten Spindelrotor-Rotationseinheiten (39 und40 ), die ohne weitere Eingriffe über die Schälscheiben (18 ) im Verdichtergehäuse (1 ) zur genauen Spalteinstellung unverändert eingesetzt werden und somit die offene Verdichtermaschine (41 ) bilden.13 : Illustrated are the finished and fully balanced spindle rotor rotation units (39 and40 ), without further intervention via the peeling discs (18 ) in the compressor housing (1 ) are used unchanged for exact gap adjustment and thus the open compressor machine (41 ) form. -
14 : Beispielhafte dargestellt sind3 Betriebsmodi zum Betreiben des R718-Verdrängerverdichtersystems für verschiedene Kühlwasser-(„ü“)- und Kaltwasser-(„a“)-Temperatur-Niveaus, die mittels PIRSA als „Pressure-InnerRatio-Speed-Adaption“ von der Control-Unit (15 ) wie beschrieben applikationsspezifisch optimal eingestellt werden.14 : Exemplary are shown3 Operating modes for operating the R718 Positive Displacement Compressor system for various cooling water ("ü") and cold water ("a") temperature levels that are controlled by the Control Unit (PIRSA) as "Pressure-InnerRatio-Speed-Adaptation".15 ) as described application-specific optimally adjusted.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1.1.
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Verdichtergehäuse vorzugsweise gleichzeitig mit Ø-Trennplatte (
1.P) zwischen Verdampfer (7 ) und Kondensator (8 ) bei Einlass-seitig um mind. 15%-ig größerem Abstand der Spindelrotor-Aufnahmebohrungen als Auslass-seitig, wobei diese Bohrungs-Achsen vorzugsweise schneidend (also mit Lotabstand Null) oder auch kreuzend (bzw. windschief) ausgeführt sind.Compressor housing preferably at the same time with Ø-separating plate (1.P) between evaporators (7 ) and capacitor (8th ) at inlet side by at least 15% -igigment greater distance of the spindle rotor mounting holes as the outlet side, these bore axes are preferably cutting (ie with zero pitch) or even crossing (or skewed) are executed. - 2.Second
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Spindelrotor, vorzugsweise mit
2 -zähnigem Gasförder-Außengewinde, kurz „2z-Rotor“ genannt, vorzugsweise aus einer Alu-Legierung mit guter Wärmeleitfähigkeit (vorzugsweise über 150 W/m/K) bestehend, drehfest über Abstützstellen auf einer Stahlwelle (2.1 ) mit zylindrischer Verdampfer-Kühlbohrung (2.2 ) innen aufweisend und Einlass-seitig direkt angetrieben wird von einem eigenen Antriebsmotor (2.3 ) angesteuert mit eigenem Frequenzumrichter (2.4 ), als „FU.2“ bezeichnet, und mit FU-Control-Unit als „FU-CU“ (16 ) per Elektronischer Motorpaar-Spindelrotor-SynchronisationSpindle rotor, preferably with2 -zähnigem gas delivery external thread, short "2z rotor" called, preferably made of an aluminum alloy with good thermal conductivity (preferably above 150 W / m / K), rotationally fixed on support points on a steel shaft (2.1 ) with cylindrical evaporator cooling bore (2.2 ) and is directly driven on the inlet side by its own drive motor (2.3 ) controlled with its own frequency converter (2.4 ), referred to as "FU.2", and with FU-Control-Unit as "FU-CU" (16 ) by electronic motor pair spindle rotor synchronization - 3.Third
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Spindelrotor, vorzugsweise mit
3 -zähnigem Gasförder-Außengewinde, kurz „3z-Rotor“ genannt, vorzugsweise aus einer Alu-Legierung mit guter Wärmeleitfähigkeit (vorzugsweise über 150 W/m/K) bestehend, drehfest über Abstützstellen auf einer Stahlwelle (3.1 ) mit zylindrischer Verdampfer-Kühlbohrung (3.2 ) innen aufweisend und Einlass-seitig direkt angetrieben wird von einem eigenen Antriebsmotor (3.3 ) angesteuert mit eigenem Frequenzumrichter (3.4 ), als „FU.3“ bezeichnet, und mit FU-Control-Unit als „FU-CU“ (16 ) per Elektronischer Motorpaar-Spindelrotor-SynchronisationSpindle rotor, preferably with3 -zähnigem gas delivery external thread, short "3z rotor" called, preferably made of an aluminum alloy with good thermal conductivity (preferably above 150 W / m / K), rotationally fixed on support points on a steel shaft (3.1 ) with cylindrical evaporator cooling bore (3.2 ) and is directly driven on the inlet side by its own drive motor (3.3 ) controlled with its own frequency converter (3.4 ), called "FU.3", and with FU-Control-Unit as "FU-CU" (16 ) by electronic motor pair spindle rotor synchronization - 4.4th
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Lagerung für jeden Spindelrotor, beidseitig gelagert, wobei Einlass-seitig vorzugsweise ausgeführt als Festlager (
4.1 ) für Axial- und Radial-Kräfte und Auslass-seitig als vorzugsweise federnd angestellte Loslager (4.2 )Bearing for each spindle rotor, mounted on both sides, whereby the inlet side is preferably designed as a fixed bearing (4.1 ) for axial and radial forces and outlet side as preferably spring-loaded floating bearing (4.2 ) - 5.5th
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Zwischenwassermantel zur Wärmehaushalt-Regulierung für das Verdichtergehäuse (
1 ) mit äußerer Wärme-Isolierung (20 ) zum umgebenden Kondensator (8 )Intermediate water jacket for heat balance regulation for the compressor housing (1 ) with external heat insulation (20 ) to the surrounding capacitor (8th ) - 6.6th
-
Kühlrohrschlange im Zwischenwassermantel, die Auslass-seitig vorzugsweise enger geführt wird und zum Verdampfer (
7 ) endetCooling coil in the intermediate water jacket, which is preferably narrower on the outlet side and to the evaporator (7 ) ends - 7.7th
-
Verdampfer mit dem (niedrigen) Druck
p1 =p0 und der Temperaturt0 vor der Verdichtermaschine (41 )Evaporator with the (low) pressurep 1 =p 0 and the temperaturet 0 in front of the compressor machine (41 ) - 8.8th.
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Kondensator mit dem (höheren) Druck p2 = pC und der Temperatur
tC nach der Verdichtermaschine (41 ), die das Kältemittel R-718 vom Druckp1 aufp2 verdichtet, wobei das Kältemittel R-718 grundlegend den Temperatur-Anstieg vont0 auftC erfährt.Capacitor with the (higher) pressure p 2 = p C and the temperaturet C after the compressor machine (41 ), the refrigerant R-718 from the pressurep 1 onp 2 condensed, with the refrigerant R-718 fundamentally the temperature increase oft 0 ont C experiences. - 9.9th
-
jeweilige Kühlfluidströme zur vollumfänglich von der Control-Unit (
15 ) regulierten Führung der Wärmebilanzen der Arbeitsraum-Bauteile, also Gehäuse und Rotorpaar, sowie zum Verdichtungsprozess gemäß:respective cooling fluid flows to the full extent of the control unit (15 ) regulated guidance of the heat balances of the working space components, thus housing and rotor pair, as well as to the compression process according to: - 9.19.1
-
Kühlfluidstrom (als ❶ dargestellt) zum Zwischenwassermantel (
5 ) via Kühlrohrschlange (6 )Cooling fluid flow (shown as ❶) to the intermediate water jacket (5 ) via cooling coil (6 ) - 9.29.2
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Kühlfluidstrom (als ❷ dargestellt) zum 2z-Rotor (
2 ) via Verdampfer-Kühlbohrung (2.2 )Cooling fluid flow (shown as ❷) to 2z rotor (2 ) via evaporator cooling bore (2.2 ) - 9.39.3
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Kühlfluidstrom (als ❸ dargestellt) zum 3z-Rotor (
3 ) via Verdampfer-Kühlbohrung (3.2 )Cooling fluid flow (shown as ❸) to 3z rotor (3 ) via evaporator cooling bore (3.2 ) - 9.49.4
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Kühlfluidstrom (als ❹ dargestellt) zur Einspritzkühlung via Schleuderscheibe (
22 )Cooling fluid flow (shown as ❹) for injection cooling via centrifugal disc (22 ) - 9.59.5
- Kühlfluidstrom (als ❺ dargestellt) zur Kühlung jedes Antriebsmotors Als ist der Kreislaufmedium-R718-Hauptstrom zur Erfüllung der Kernaufgabe zum Wärmetransfer (z.B. als Wärmepumpe, oder im Kältetechnikprozess) dargestellt.Coolant fluid flow (shown as ❺) for cooling each drive motor the circulation medium R718 main flow is shown to fulfill the core task of heat transfer (eg as a heat pump or in the refrigeration process).
- 10.10th
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Steuerkugel vakuumtauglich zur Anpassung des inneren Volumenverhältnisses Πiv für unterschiedliche Arbeitspunkte zur Vermeidung von Effizienz-mindernder Über- oder Unterverdichtung sowohl in Rotorlängsachsrichtung als auch je Steuerscheibe (
12 ) gemäß gewünschtem Einsatzbereich mit Rampe (10.R) geneigt mit WinkelγR gegenüber der Schwerkraftrichtung „g“ gemäß8 Control ball suitable for vacuum adjustment of the internal volume ratio Π iv for different operating points to avoid efficiency-reducing over- or under-compression both in the rotor longitudinal axis and each control disk (12 ) according to the desired application area with ramp (10.R) inclined with angleγ R opposite to the direction of gravity "g" according to8th - 11.11th
-
Fördergas-Einlass als offener Sammelraum für das Fördermedium mit dem Gasdruck
p0 (vereinfachend werden Druckverluste in den Leitungen zunächst vernachlässigt)Delivery gas inlet as an open collecting space for the pumped medium with the gas pressurep 0 (simplifying pressure losses in the lines are initially neglected) - 12.12th
-
Fördergas-Auslass als Steuerscheibe je Spindelrotor mit definierten Auslass-Öffnungen für das Fördermedium beim Gasdruck
pC (vereinfachend werden Druckverluste in den Leitungen zunächst vernachlässigt)Delivery gas outlet as a control disk per spindle rotor with defined outlet openings for the pumped medium at the gas pressurep C (simplifying pressure losses in the lines are initially neglected) - 13. 13th
- neutraler Sammel-/Pufferraum je Arbeitsraum-Wellendurchführung mit gegenüber dem Systemdruck verringertem Gasdruck, vorzugsweise z.B. durch eine Unterdruck-/Vakuum-Pumpe erzeugt, um als „Purge-Absaugkammer“ die Rotorlager ggfls. Purgen zu können = also per Inertgas zu schützen, wobei dieses Inertgas von außen je Lagerstelle zugeführt wird, diese Lager dann über eine Bypass-Bohrung passiert und an diesem Sammel-/Pufferraum wieder abgesaugt wird.neutral collection / buffer space per working space shaft passage with reduced gas pressure compared to the system pressure, preferably e.g. produced by a vacuum / vacuum pump, as "purge suction" the rotor bearings ggfls. To be able to purge = protect so by inert gas, this inert gas is supplied from the outside of each bearing, these bearings then passes through a bypass hole and is sucked off again at this collection / buffer space.
- 14.14th
- Synchronisationsverzahnung als mechanische Rückfall-Absicherung zur elektronischen Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation beispielsweise bei Stromausfall nach dem generatorischen BetriebSynchronization toothing as mechanical fallback protection for electronic motor pair spindle rotor synchronization, for example in the event of power failure after regenerative operation
- 15.15th
-
Control-Unit CU als Steuer- und Regulierungs-Einheit mit Auswertung der jeweils aktuellen Messwerte und darauf basierender Ausgabe der Regulierungssignale zum intelligenten Betrieb des Spindelkompressors bei vorzugsweise im CU-Speicher hinterlegten Verknüpfungen und Daten sowie fortwährend lernenden Abhängigkeiten zwischen den jeweils eingehenden Messwerten und den Spaltwerten gemäß vorangegangener Simulation, Verifikation und laufenden Erfahrungen, die Control-Unit ist verbunden mit FU-CU (
24 ) sowie Anwender-seitig mit der Prozessleittechnik für dessen Applikationssystem sowie Fabrik-Steuerung i.S. von „Industrie-4.0“Control unit CU as a control and regulation unit with evaluation of the respective current measured values and based output of the control signals for intelligent operation of the spindle compressor in preferably stored in CU memory links and data as well as learning interdependencies between each incoming measured values and the gap values according to previous simulation, verification and current experience, the control unit is connected to FU-CU (24 ) as well as the user side with the process control technology for its application system as well as factory control iS of "Industrie-4.0" - 16.16th
-
FU-Control-Unit, als „FU-CU“ bezeichnet, für die beide Frequenzumrichter FU.2 (
2.4 ) und FU.3 (3.4 ), wobei FU-CU direkt mit der Control-Unit (15 ) die Daten zum Spindelkompressorbetrieb austauscht.FU-Control-Unit, called "FU-CU", for both frequency inverters FU.2 (2.4 ) and FU.3 (3.4 ), whereby FU-CU directly with the control unit (15 ) exchanges the data for the spindle compressor operation. - 17.17th
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Zwischenträger am
2 -zähnigen Spindelrotor (2 ) mit geringer Dichte (unter 2,5 g/cm3) aber hoher Biegesteifigkeit, vorzugsweise als Faserverbund-Material, z.B. CFK vakuumtauglichIntermediate carrier on2 - toothed spindle rotor (2 ) with low density (less than 2.5 g / cm 3 ) but high flexural stiffness, preferably as a fiber composite material, such as CFRP vacuum suitable - 18.18th
-
Distanz-/Abstandsscheiben, vorzugsweise als sogen. „Schälscheiben“ ausgeführt, zur individuellen Fixierung des jeweiligen Spindelrotors in Rotorlängsachsrichtung zur gezielten Spaltwert-Einstellung als Δ2.1-Wert am 2z-Rotor (
2 ) bzw. als Δ3.1-Wert am 3z-Rotor (3 )Spacer / spacer discs, preferably as so-called. "Slicing discs" designed for individual fixation of the respective spindle rotor in the rotor longitudinal axis direction for targeted gap value adjustment as a Δ2.1 value at the 2z rotor (2 ) or as Δ3.1 value at the 3z rotor (3 ) - 19.19th
- Druckminderungsorgan im geschlossenen Intern-Kreislauf, beispielsweise über Ausnutzung der geodätischen Höhendifferenz in einer Wassersäule, also Nutzung der Schwerkraft zur DruckminderungPressure reducing organ in the closed internal circuit, for example, by exploiting the geodetic height difference in a water column, so use of gravity to reduce pressure
- 20.20th
-
Wärme-Isolierung für den Zwischenwassermantel (
5 )Heat insulation for the intermediate water jacket (5 ) - 21.21st
- gerichtete Auflage für die Steuerkugelndirected support for the control balls
- 22.22nd
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Schleuderscheibe (vorzugsweise mit rauer/grober Oberfläche) zur Zuführung und feinen Verteilung des Kühlfluidstroms in den Ansaugbereich (
11 ) des Verdichters gemäß ❹ als EinspritzkühlungCentrifugal disc (preferably with rough / coarse surface) for feeding and fine distribution of the cooling fluid flow into the intake area (11 ) of the compressor according to ❹ as injection cooling - 23.23rd
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Zuführung des Kühlfluidstroms ❹ zur Schleuderscheibe (
22 ), wobei diese Zuführung wunschgemäß ausführbar ist als:Supply of the cooling fluid flow ❹ to the centrifugal disc (22 ), this feed being carried out as desired: - 23.123.1
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Zuführung des Kühlfluidstroms ❹ über einen Kragarm (
24 ) der Lagerträger (25 )Supply of cooling fluid flow ❹ via a cantilever arm (24 ) the bearing carrier (25 ) - 23.223.2
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Zuführung des Kühlfluidstroms ❹ über die zentrale Bohrung in jeder Rotorträgerwelle (
2.1 bzw.3.1 )Supplying the cooling fluid flow ❹ via the central bore in each rotor carrier shaft (2.1 respectively.3.1 ) - 24.24th
-
Kragarm des Lagerträgers, vorzugsweise
3 Stück je Lagerträger (25 ), strömungstechnisch günstigCantilever of the bearing carrier, preferably3 Piece per bearing carrier (25 ), fluidically favorable - 25.25th
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Lagerträger zur Aufnahme der Rotorlager (
4 ), auslassseitig zugleich stirnseitige KammerbegrenzungBearing carrier for receiving the rotor bearings (4 ), on the outlet side at the same time the frontal chamber boundary - 26.26th
-
Regulierorgan für die von der Control-Unit (
15 ) geführte Aufteilung der Kühlfluidströme (9 )Regulatory organ for the control unit (15 ) guided division of the cooling fluid streams (9 ) - 27.27th
-
End-Auslass-Öffnungen mit Steuerkante (
27.S) je Rotor nach den Steuerkugeln (10 ) ab einem vorher applikationsspezifisch festgelegten Wert zum inneren Volumenverhältnis Πiv End outlet openings with control edge (27.S) per rotor after the control balls (10 ) from a value previously specified for the application to the internal volume ratio Π iv - 28.28th
-
vakuumtauglicher Kondensator-Gehäusetopf auf der Gehäuse-∅-Trennplatte (
1.P) aufliegend befestigt und abgedichtet, bei senkrechtem Betrieb ist der Kondensator-Gehäusetopf oben aufgesetztVacuum-compatible condenser housing pot on the housing ∅ separation plate (1.P) attached and sealed lying on vertical, the condenser housing pot is placed on top - 29.29th
-
vakuumtauglicher Verdampfer-Gehäusetopf vorzugsweise an der Gehäuse-∅-Trennplatte (
1.P) befestigt mit Isolierung (29.i , als Kreuzschraffur dargestellt oder als Vakuum-Zwischenraum) zur Gewährleistung der effizienten Q̇ent-Wärmebilanz, bei Senkrecht-Betrieb ist der Verdampfer-Gehäusetopf unten angesetztVacuum-compatible evaporator housing pot preferably on the housing ∅ separation plate (1.P) attached with insulation (29.i , shown as cross-hatching or as a vacuum space) to ensure efficient Q̇ ent heat balance, in vertical operation, the evaporator housing pot is attached at the bottom - 30.30th
-
Schutzgas-Zuführung (sogen. „Purgen“) zum Schutz der Lager (
4 ) sowie ggfls. der Antriebseinheiten derart, dass diese zu schützenden Bereiche stets einen geringfügig (es reichen wenige mbar Differenzdruck, z.B. 3 bis 10 mbar) höheren Druck haben als die unmittelbare R718-Wasserdampf-Umgebung; als Inert-/Schutzgas wird in den meisten Applikationen normale Luft reichen, es kann aber auch beispielsweise Stickstoff gewählt werdenInert gas supply (so-called "purges") for the protection of the bearings (4 ) as well as if necessary. the drive units such that these areas to be protected always have a slightly higher pressure (eg a few mbar differential pressure, eg 3 to 10 mbar) than the direct R718 steam environment; as inert / protective gas, normal air will suffice in most applications, but it is also possible, for example, to choose nitrogen - 31.31st
- Schutzgas-Abführung erzeugt über eine separate Vakuum-Vorpumpe, die vorzugsweise auch für den Vakuum-Systemdruck sorgt. Bei dieser Schutzgas-Abführung wird über die Arbeitsraum-Wellenabdichtung auch ein gewisser R718-Wasserdampf-Teilstrom abgesaugt, so dass dieser R718-Verlust als Wasser wieder zugeführt werden muss. Als Abdichtung zur Minderung dieses R718-Wasserdampf-Verlust-Teilstroms ist der Strömungs-Widerstand der Arbeitsraum-Wellenabdichtung zu erhöhen, beispielsweise über eine BürstendichtungProtective gas discharge generated by a separate vacuum backing pump, which preferably also provides for the vacuum system pressure. With this protective gas discharge, a certain R718 water vapor partial stream is sucked off via the working space shaft seal, so that this R718 loss must be returned as water. As a seal to mitigate this R718 water vapor loss substream, increase the flow resistance of the working space shaft seal, for example, via a brush seal
- 32.32nd
-
Lager-Bypass-Bohrung zur Vermeidung einer Gasströmung durch die Lagerung (
4 )Bearing bypass hole to prevent gas flow through the bearing (4 ) - 33.33rd
- Zuführung des Kühlfluidstroms zur Rotor-Innenkühlung für den jeweiligen Spindelrotor als:Supply of the cooling fluid flow to the rotor internal cooling for the respective spindle rotor as:
- 33.133.1
- Zuführrohr in der zentralen Bohrung jeder Spindelrotor-TrägerwelleFeed tube in the central bore of each spindle rotor carrier shaft
- 33.233.2
-
Zuführung des Kühlfluidstroms ❷ zur 2z-Rotor-Innenkühlung über Zuführrohr (
33.1 )Supply of cooling fluid flow ❷ to 2z rotor internal cooling via feed tube (33.1 ) - 33.333.3
-
Zuführung des Kühlfluidstroms ❸ zur 3z-Rotor-Innenkühlung über Zuführrohr (
33.1 )Supply of cooling fluid flow ❸ to 3z rotor internal cooling via feed tube (33.1 ) - 34.34th
- Rückhaltebuchse in zentraler Trägerwellen-Bohrung, um das Kühlfluid am Abströmen zu hindernRetaining bush in central carrier shaft bore to prevent the cooling fluid from flowing away
- 35.35th
-
Symbol für den erfindungsgemäßen Verdichter entsprechend
1 Symbol for the compressor according to theinvention 1 - 36.36th
- Wärmetauscherheat exchangers
- 36.ü36.ü
- Wärmetauscher auf der Kühlwasser-SeiteHeat exchanger on the cooling water side
- 36.a36.a
- Wärmetauscher auf der Kaltwasser-SeiteHeat exchanger on the cold water side
- 37.37th
-
umlaufende Überlaufrinne im Verdampfer für zugeführtes Verdampfungswasser mit Abfluss (
37.a) bei Betriebsweise gemäß13 , wobei dann dieses abfließende Wasser zu Kühlfluidstrom (9 ) giltcirculating overflow channel in the evaporator for supplied evaporating water with drain (37.a) in operation according to13 , in which case this effluent water to cooling fluid flow (9 ) applies - 38.38th
-
Wärmetauscher (z.B. als Rohrsystem) zum Warmetransfer Ȯent innenliegend im Verdampfer (
7 )Heat exchanger (eg as a pipe system) for heat transfer Ȯ ent inside the evaporator (7 ) - 39.39th
-
Spindelrotor-Rotationseinheit zum
3 -zähnigen Spindelrotor-SystemSpindle rotor rotation unit for3 - toothed spindle rotor system - 40.40th
-
Spindelrotor-Rotationseinheit zum
2 -zähnigen Spindelrotor-SystemSpindle rotor rotation unit for2 - toothed spindle rotor system - 41.41st
-
(gesamte) Verdichtermaschine als offene
2 -Wellen-Rotations-Verdrängermaschine(entire) compressor machine as open2 -Shaft rotary displacement machine - 42.42nd
- (gesamtes) R718-Verdrängerverdichtersystem(entire) R718 positive displacement compressor system
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