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Die Erfindung betrifft einen Kompressor;
insbesondere einen Flügelzellenkompressor,
mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Kompressionsstufen.
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Kompressoren der gattungsgemäßen Art sind
bekannt. Sie werden häufig
als Hubkolbenkompressor ausgeführt.
Es hat sich gezeigt, dass diese aufgrund ihres Grundprinzips eines
bewegten Hubkolbens zu Vibrationen und auch zu einer unerwünschten
Geräuschentwicklung
neigen.
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Aus diesem Grund werden. bei Anwendungen,
bei denen es auf Geräusch-
und Vibrationsarmut ankommt, insbesondere im Automobilbau, bevorzugt
Flügelzellenkompressoren
eingesetzt. Nachteilig ist dabei, dass die durch solche Kompressoren erzielbaren
Druckdifferenzen begrenzt sind.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, ist
es auch bekannt, gekühlte
Kompressoren vorzusehen, um anstelle der sonst quasi isentrop verlaufenden
Zustandsänderung
eine isotherme Verdichtung zu realisieren. Da Idealerweise die Kompressionswärme aber
unmittelbar am Ort der Druckerhöhung
durch Wärmeübertragung über die
angrenzenden Wände abgeführt werden
müsste,
wären hierzu
jedoch unrealistisch große
Wärmedurchgangszahlen
der Wandmaterialien und/oder Wandflächen erforderlich. Um einer
isothermen Verdichtung möglichst
nahe zu kommen, ist es daher bekannt, mehrere quasi isentrope Verdichter
mit einer isobaren Zwischenkühlung vorzusehen.
So ist es möglich,
mit einer geringeren Leistung größere Druckdifferenzen
darzustellen. Es hat sich gezeigt, dass solche Anordnungen zwar
bei vertretbaren Leistungen die gewünschten Drücke erzeugen, aber aufgrund
der hierzu benötigten
Einzelkomponenten sehr viel Bauraum einnehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
einen Kompressor zu schaffen, der wenig Bauraum benötigt, geräusch- und
vibrationsarm arbeitet und dabei verhältnismäßig große Druckdifferenzen ermöglicht.
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Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird
ein Kompressor vorgeschlagen, der sich durch zumindest einen Zwischenkühler, der
zwischen mindestens zwei Kompressionsstufen geschaltet ist, auszeichnet.
Vorteilhaft daran ist, dass der Kompressor selbst die mindestens
zwei Kompressionsstufen und den Zwischenkühler aufweist. Es ist also
möglich,
in nur einem Aggregat eine quasi isentrope Verdichtung, gefolgt
von einer quasi isobaren Kühlung, gefolgt
von einer weiteren quasi isentropen Verdichtung zu realisieren.
Durch die Realisierung dieser drei Zustandsänderungen in einem Aggregat
ergibt sich ein besonders kleiner Bauraum.
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Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das sich dadurch auszeichnet, dass jeder Kompressionsstufe
eine Pumpenkammer zugeordnet ist. In den Pumpenkammern der Kompressionsstufen
kann die Vorverdichtung und die Nachverdichtung des Fluids stattfinden.
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Außerdem bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Pumpenkammern
unterschiedlich große
Volumina aufweisen. Die unterschiedlichen Volumina können so
auf die unterschiedlichen Arbeitsdrücke und Volumenströme, die
sich aufgrund der Vorverdichtung und der Nachverdichtung ergeben,
eingestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeichnet sich dadurch aus, dass das Volumen der Pumpenkammer der
in Strömungsrichtung
nachgeschalteten Kompressionsstufe kleiner ist als das der vorgeschalteten
Kompressionsstufe. Da die nachgeschaltete Kompressionsstufe zwar
auf einem höheren
Druckniveau arbeitet, dafür
aber eine Pumpenkammer mit einem kleineren Volumen aufweist, ist
es möglich,
dass die Leistungsaufnahme beziehungsweise das Verhältnis Eingangsdruck
zu Ausgangsdruck der einzelnen Kompressionsstufen ungefähr gleich
ist.
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Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die Kompressionsstufen, insbesondere die Pumpenkammern, jeweils
eine Einlassöffnung
und jeweils eine Auslassöffnung
aufweisen. Durch die Einlassöffnungen
kann das zu komprimierende Fluid in die Kompressionsstufe einströmen, um
nach erfolgter Zustandsänderung über die
Auslassöffnung wieder
zu entweichen.
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Überdies
wird ein Ausführungsbeispiel
bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dem mindestens einen
Zwischenkühler
stromabwärts
die Auslassöffnung
der vorgeschalteten Kompressionsstufe, insbesondere Pumpenkammer,
und stromaufwärts
die Einlassöffnung
der nachgeschalteten Kompressionsstufe, insbesondere Pumpenkammer,
zugeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht es, dass das in der
ersten Kompressionsstufe komprimierte und erwärmte Fluid in den Zwischenkühler einströmen kann,
um dort gekühlt
zu werden. Über
die Einlassöffnung
der nachgeschalteten Kompressionsstufe kann dann das so gekühlte Fluid
in diese einströmen,
um dort nochmals komprimiert zu werden.
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Bei einem weiteren vorteilhaften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine erste Kompressionsstufe mit einer ersten
Pumpenkammer und eine zweite Kompressionsstufe mit einer zweiten
Pumpenkammer vorgesehen, wobei der Zwischenkühler zwischen die Auslassöffnung der
ersten und die Einlassöffnung
der zweiten Pumpenkammer geschaltet ist. Diese Anordnung entspricht
einem zweistufigen Kompressor, jedoch mit dem Vorteil der Zwischenkühlung.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass der Kompressor eine Welle mit einem Rotor aufweist,
dem zumindest ein radial verlagerbarer Flügel zugeordnet ist. Über die
Welle mit dem Rotor kann die zur Verdichtung erforderliche mechanische
Energie auf den die Verdichtung des Fluids herbeiführenden
Flügel übertragen
werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeichnet sich dadurch aus, dass der Kompressor als zweistufiger
Flügelzellenkompressor
ausgebildet ist. Flügelzellenkompressoren
benötigen
vergleichsweise wenig Bauraum und neigen wenig zu Geräusch- und
Vibrationsentwicklung.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeichnet sich dadurch aus, dass der Zwischenkühler in ein Gehäuse des
Kompressors integriert ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein besonders kleiner
Bauraum.
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Ferner wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der
Zwischenkühler
mit dem Gehäuse
des Kompressors einstückig
ausgeführt
ist. Neben einer besonders kompakten Bauweise des Kompressors ist
vorteilhaft, dass der Zwischenkühler
nicht extra montiert werden muss.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeichnet sich dadurch aus, dass der Zwischenkühler eine Stromführungslamelle
aufweist. Hierdurch wird der Strömungsweg
im Kühler
verlängert und
somit die Kühlleistung
verbessert.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, dass der Zwischenkühler ungefähr gegenüberliegend zu der Einlassöffnung der
ersten Pumpenkammer und der Auslassöffnung der zweiten Pumpenkammer
angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Zwischenkühlers ergibt sich
eine besonders günstige
Strömungsführung des zu
komprimierenden Fluids.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben
ist. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt eines Flügelzellenkompressors
mit Zwischenkühlung
und
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II des in 1 dargestellten Flügelzellenkompressors.
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1 zeigt
einen Kompressor, der hier als Flügelzellenkompressor 1 mit
einer ersten Kompressionsstufe 3 und einer zweiten Kompressionsstufe 5 ausgebildet
ist. Außerdem
weist der Flügelzellenkompressor 1 einen
zwischen die Kompressionsstufen 3, 5 geschalteten
Zwischenkühler 7 auf.
Somit sind die erste Kompressionsstufe 3, der Zwischenkühler 7 und
die zweite Kompressionsstufe 5 in Reihe geschaltet.
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Der ersten Kompressionsstufe 3 ist
eine erste Pumpenkammer 9 und der zweiten Kompressionsstufe 5 eine
zweite Pumpenkammer 11 zugeordnet. Jede der Pumpenkammern 9, 11 weist
jeweils eine Auslassöffnung 13 sowie
einen Einlassbereich 15 auf, durch die das zu komprimierende
Fluid ausströmen
beziehungsweise einströmen
kann. Die Auslassöffnungen 13 der
Pumpenkammern 9, 11 sind hier als im Wesentlichen
rechteckförmiger
Durchbruch beziehungsweise als Bohrung in einem Gehäuse 17 des
Flügelzellenkompressors 1 ausgeführt. Die
Einlassbereiche 15 der Pumpenkammern 9, 11 sind
als langgezogene, halbgeöffnete,
im Gehäuse 17 eingebrachte
Kanäle
ausgeführt.
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Die Pumpenkammern 9, 11 werden
im Wesentlichen durch eine erste Innenfläche 19 beziehungsweise
eine zweite Innenfläche 21 des
Gehäuses 17 und
einer zylindrischen Oberfläche 23 eines Rotors 25 des
Flügelzellenkompressors 1 gebildet. Die
Innenflächen 19, 21 sind
so gestaltet, dass sich sichelförmige
Pumpenkammern 9, 11 ergeben. Die Innenflächen 19, 21 können dabei
von der Kreisform abweichen.
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Der Rotor 25 des Flügelzellenkompressors 1 ist
mit einer Welle 27 verbunden, über die dieser antreibbar ist.
Der Rotor 25 weist hier insgesamt sechs radial verlagerbare
Flügel 29 mit
jeweils einem oberen Ende 31 auf, das während des Betriebs des Flügelzellenkompressors 1 mit
den Innenflächen 19, 21 in Anlagekontakt
steht und damit die Pumpenkammern 9, 11 unterteilt.
Wenn der Rotor 25 durch die Welle 27 in Rotation
versetzt wird, so wird in den Pumpenkammern 9, 11 das
durch die Einlassbereiche 15 einströmende Fluid durch die Flügel 29 gefördert und
komprimiert, bis dieses durch die Auslassöffnungen 13 wieder
austritt.
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Das Prinzip eines Flügelzellenkompressors ist
bekannt, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen wird. Die
Flügel 29 können mittels
Federkraft, Druckkraft eines Fluids und/oder Zentrifugalkraft radial
nach außen
gedrückt
werden, so dass diese während
des Betriebs des Flügelzellenkompressors 1 stets
an den Innenflächen 21, 23 des
Gehäuses 17 anliegen.
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Der Flügelzellenkompressor weist einen
Einlass 33, durch den das zu komprimierende Fluid eingesaugt,
und einen Auslass 35, durch den das bereits komprimierte
Fluid ausgestoßen
wird, auf. Das zu komprimierende Fluid strömt also durch den Einlass 33 in
den Einlassbereich 15 in die erste Pumpenkammer 9.
Von dort gelangt es durch die Auslassöffnung der ersten Pumpenkammer 9 in
den Zwischenkühler 7,
um von dort über
den Einlassbereich 15 der zweiten Pumpenkammer 11 in
dieselbe zu gelangen und schließlich über deren
Auslassöffnung 13 durch den
Auslass 35 des Flügelzellenkompressors
wieder auszutreten. Dabei findet in den Pumpenkammern 9, 11 jeweils
eine quasi isentrope Verdichtung des Fluids und in dem Zwischenkühler 7 eine
quasi isobare Abkühlung
des Fluids statt. Damit kommt der realisierte Prozess der vorteilhaften
isothermen Kompression recht nahe, da zumindest der größte Teil
der bei der in der ersten Pumpenkammer 9 erfolgenden Kompression
entstehenden Wärme
durch Kühlrippen 37 des
Zwischenkühlers 7 wieder
abgeführt
werden kann. Somit startet der Kompressionsvorgang der zweiten Kompressionsstufe 5 im
Idealfall bei Umgebungstemperatur. Es ergibt sich also bei gleichem Enddruck
eine geringere Temperatur des durch den Auslass 35 austretenden
Fluids und damit ein für
die Kompression erforderlicher geringerer Energiebedarf.
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Um dem Prozess der isothermen Verdichtung
näher zu
kommen, ist bei einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
vorgesehen, auch auf der Außenseite
des Gehäuses 17 des
Flügelzellenkompressors 1 Kühlrippen 37 vorzusehen,
so dass die in den Pumpenkammern 9, 11 entstehende
Wärme soweit
möglich
unmittelbar abgeführt
werden kann.
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Der Zwischenkühler 7 ist gegenüber dem Einlass 33 und
dem Auslass 35, also ungefähr in Rotationsrichtung des
Rotors 25 um 180° versetzt
angebracht, vorzugsweise auf beliebige Art und Weise mit dem Gehäuse 17 verbunden.
Außerdem
ist der Zwischenkühler 7 in
das Gehäuse 17 des
Flügelzellenkompressors 1 integriert.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Integration des Zwischenkühlers 7 dadurch realisiert,
dass dieser mit dem Gehäuse 17 des
Flügelzellenkompressors 1 einstückig ausgeführt ist.
Durch die einstückige
Ausführung
und die Anordnung des Zwischenkühlers 7 ergibt
sich ein weitestgehend symmetrischer Aufbau und eine höchstmögliche Integration
der einzelnen Funktionsbereiche des Flügelzellenkompressors 1. Dieser
benötigt
damit besonders wenig Bauraum.
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Außerdem zu erkennen ist, dass
die Volumina der Pumpenkammern 9, 11 unterschiedlich
groß sind.
Das Volumen der ersten Pumpenkammer 9 der ersten Kompressionsstufe 3,
die die Vorkompression durchführt,
ist größer als
das der zweiten Pumpenkammer 11 der zweiten Kompressionsstufe 5,
die die Nachkompression durchführt.
Idealerweise sind die Volumina der Pumpenkammern 9, 11 dabei
so aufeinander abgestimmt, dass auf die sich gegenüberliegenden
Flügel 29 des
Rotors 25 während
des Betriebs möglichst
gleich große
Kräfte
wirken. Dies ergibt eine geringe Belastung der Lagerung der Welle 27 und
trägt außerdem zu
einem geräuscharmen
und vibrationsarmen Lauf des Flügelzellenkompressors 1 bei.
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2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen, so dass insofern auf 1 verwiesen
wird.
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Zu erkennen sind die Auslassöffnung 13 der ersten
Pumpenkammer 9 und der Einlassbereich 15 der zweiten
Pumpenkammer 11, die hier zylindrischen Kanälen 39 des
Zwischenkühlers 7 zugeordnet
sind. Diese zylindrischen Kanäle 39 münden in
einen im Wesentlichen quaderförmigen
Bereich 41 des Zwischenkühlers 7, der eine
Stromführungslamelle 43 aufweist.
Die zylindrischen Kanäle 39,
der Bereich 41 und die Stromführungslamelle 43 bilden
einen Fluidpfad, der die Auslassöffnung 13 und
den Einlassbereich 15 der Pumpenkammern 9, 11 verbindet.
In dem Fluidpfad 45 findet die quasi isobare Abkühlung des
Fluids statt, indem die Wärme über die
Wandungen, die hier nicht dargestellt sind, und oberhalb der Zeichenebene
liegen, an die Kühlrippen 37 abgeführt wird.
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Die Darstellung des Zwischenkühlers 7 ist rein
beispielhaft. Bei hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung
ist vorgesehen, den Fluidpfad 45 durch weitere Stromführungslamellen zu
verlängern,
insbesondere den Zwischenkühler
zu vergrößern, vorzugsweise
diesen ganz oder teilweise an einer Rückwand 47 des Gehäuses 17 des
Flügelzellenkompressors 1 vorzusehen.
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Bei einem ebenfalls hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass der Flügelzellenkompressor 1 mehr
als zwei Kompressionsstufen aufweist. Hierzu sind mehrere Rotoren
auf einer Welle vorzusehen und die Pumpenkammern über entsprechende
Fluidpfade und/oder weitere Zwischenkühler miteinander zu verbinden.
Auch hier ist vorteilhaft, wenn die Volumina der Pumpenkammern aufeinander
abgestimmt sind.