DE19924322A1 - Akustischer Kompressor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen akustischen Kompressor mit einem an einem durch eine schwingungsfähige Membran (2) abgeschlossenen Ende (A) eines gasgefüllten Resonanzrohrs (1) bestimmter Geometrie angeordneten Schwinger (3) zur Anregung der Membran (2) und damit einer stehenden Schallwelle im Resonanzrohr (1) und einer am anderen Ende (B) des Resonanzrohrs (1) angeordneten Ventilanordnung (10) mit einem Einlaß- und Auslaßventil (11, 12), welches zum Einlassen und Auslassen eines gasförmigen zu komprimierenden Mediums (G) in und aus dem Resonanzrohr (1) steuerbar ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das zu komprimierende Gas ein Kältemittel (G), wie z. B. R134a oder CO¶2¶, ist, und daß die Länge des Resonanzrohrs und die Schwingungsfrequenz an die Schallgeschwindigkeit des Kältemittels (G) angepaßt sind (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der akustischen Kompressoren und insbesondere einen aku­ stischen Kompressor mit einem an einem durch eine schwingungsfähige Membran abgeschlossenen Ende eines gasgefüllten Resonanzrohrs bestimmter Geometrie ange­ ordneten Schwinger zur Anregung der Membran und damit einer stehenden Schallwelle im Resonanzrohr, und einer am anderen Ende des Resonanzrohrs angeordneten Ventil­ anordnung mit einem Einlaß- und Auslaßventil, welches zum Einlassen und Auslassen eines gasförmigen zu kompri­ mierenden Mediums in und aus dem Resonanzrohr steuerbar ist.

Ein solcher akustischer Kompressor ist mit dem Titel "Acoustic Compressors" in Proceedings of Refrigeration and Air-Conditioning Technology Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 23, bis 25. Juni 1993 von Tim Lucas beschrieben worden.

Bei dem darin beschriebenen Prototyp eines akustischen Kompressors wurde als Kältemittel R12 oder R134a benutzt. Diese Gase besitzen aufgrund ihrer hohen Molmasse eine niedrige Schallgeschwindigkeit (ca. 150 m/s). Damit lassen sich bei der verwendeten Frequenz um 300 Hz relativ kompakte Resonatoren bauen, deren Länge etwa 30 cm beträgt. Der Kompressor enthält außer den Ventilen und der Membran des Lautsprechers keine bewegten Teile. Damit entfallen Lagerungs-, Abrieb- und Schmiermittelprobleme. Die Kompressionsleistung des akustischen Kompressors läßt sich durch die elektrische Ansteuerung des zur Schwingungsanregung verwendeten Lautsprechers regeln und ist dadurch einfacher als eine bei konventionellen Kompressoren verwendete Hubvolumenregelung. Je größer die dem Lautsprecher zugeführte Wechselstromstärke ist, desto größer ist auch die Druckamplitude der Schallwelle und damit die Druckdifferenz des durch die Ventilanordnung ein- und ausströmenden zu verdichtenden Gases.

Beim Einsatz herkömmlicher nicht hermetischer Verdichter für Klimatisierungszwecke im Kraftfahrzeug entstehen vielfältige Probleme. Das in alten Klimaanlagen noch verwendete Kältemittel hat ein Ozonabbaupotential (ODP) von 1 und ein Treibhauspotential (GWP) von 7100. Das ebenfalls eingesetzte Kältemittel R134a besitzt zwar keine ozonabbauende Wirkung (ODP = 0), hat aber immer noch einen GWP-Faktor von 1200. Beide Kältemittel können durch Lecks im System, die in den flexiblen Schlauch­ verbindungen und Wellendurchführungen usw. entstehen können, in die Umgebung ausströmen. Außerdem ist die Handhabung des Kältemittels R134a zusammen mit einem damit löslichen Schmiermittel problematisch. Propan/- Isobutanmischungen sind aufgrund ihrer Explosionsgefahr im Kraftfahrzeug nicht international zulässig, z. B. nicht in den USA und in Japan.

Abgesehen von den oben geschilderten Nachteilen der in Klimaanlagen im Kraftfahrzeug bisher üblichen Kältemittel ist die kontinuierliche, bedarfsgerechte Regelung herkömmlicher Verdichter mechanisch aufwendig.

Weiterhin werden Polymermembran-Brennstoffzellen, wie sie im Kraftfahrzeug verwendet werden, mit Druckluft (0,2-0,3 MPa) beaufschlagt. Diese wird bei den derzeitigen Brennstoffzellenprototypen durch einen konventionellen Kompressor erzeugt. Der dabei verwendete Kompressor erzeugt beträchtlichen Lärm.

Weiterhin ist die derzeitige Zerstäubung des Brennstoffes in thermischen Stand- oder Zusatzheizungen sehr unbefriedigend und führt zu hohen Schadstoff-Emissionen dieser Anlagen. Dies könnte durch die Zerstäubung mittels Druckluft entscheidend verbessert werden. Diese Druck­ luftversorgung der thermischen Zusatzheizungen könnte auf sehr elegante und leicht regelbare Art durch einen bordeigenen akustischen Kompressor erfolgen.

Aufgaben und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten akustischen Kompressor so zu gestalten, daß er im Kraft- oder Nutzfahrzeug zur Kompression eines in einer Klimaanlage verwendbaren Gases, zur Druckbeaufschlagung von Brenn­ stoffzellen sowie zur Brennstoffzerstäubung in Stand­ heizungen geeignet ist.

Durch die entsprechend der Schallgeschwindigkeit des gewählten Kältemittels dimensionierte Geometrie des erfindungsgemäßen akustischen Kompressors sind die im Resonanzrohr erreichten Druckamplituden genügend hoch, so daß der akustische Kompressor als Verdichter in einem Kältekreislauf der Klimaanlage oder als Luftkompressor für Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. Erfindungs­ gemäß ersetzt ein akustischer Kompressor den herkömmli­ chen Verdichter der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs. An dem der Ventilanordnung gegenüberliegenden Ende des Resonanzrohrs befindet sich ein Schwinger, der entweder ein elektroakustischer Lautsprecher ist oder alternativ eine Koppelanordnung enthält, durch die im stationären Betrieb des Verbrennungsmotors, d. h. bei konstanter Drehzahl und damit konstanter Vibrationsfrequenz die Vibrationen des Verbrennungsmotors selbst der Membran des akustischen Kompressors zugeführt wird.

Alternativ kann eine derartige Koppelanordnung auch die Druckstöße im Auspuffrohr zur Membran koppeln.

Die Kompressionsleistung läßt sich bei den zuletzt genannten Ausführungsformen des akustischen Kompressors einfach durch die mehr oder weniger starke Dämpfung der Kopplung an die Membran erreichen.

Durch die entsprechend dem Kältemittel dimensionierte und angepaßte Geometrie, bei der das Resonanzrohr eine einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schallwellenlänge entsprechende Länge hat, kann die Bildung höherer Schwingungsmoden und daraus resultierende Schockwellen im Resonanzrohr vermieden werden.

Da der Kompressor außer den Ventilen und der Membran keine bewegten Teile enthält, entfallen Lagerungs-, Abrieb- und Schmiermittelprobleme, womit sich energeti­ sche Vorteile und Vorteile bezüglich Wartung und Entsorgung ergeben. Die Leistungsregelung des akustischen Kompressors läßt sich auch einfach durch eine entsprechende Wechselstromstärke des dem Lautsprecher zugeführten Anregungsstroms erreichen. Damit ist die Leistungsregelung sehr viel einfacher als eine übliche Hubvolumenregelung bei den konventionellen Kompressoren. Je größer die Lautsprecherstromstärke ist, desto größer ist auch die Druckamplitude der Schallwelle und damit das Druckverhältnis des ein- und ausströmenden Kältemittels.

Da sich die Temperatur des Kältemittels ändert, wird vorteilhaft auch die Frequenz des Lautsprecherstroms entsprechend der dadurch veränderten Eigenfrequenz des Resonators nachgeregelt. Darum ist eine entsprechende elektronische Steuereinheit vorgesehen.

Da der elektrisch angetriebene akustische Kompressor vom Verbrennungsmotor entkoppelt ist, können die bislang üblichen flexiblen Schlauchverbindungen entfallen und durch feste Rohrverbindungen, wie sie aus der stationären Kältetechnik bekannt sind, ersetzt werden. Dadurch werden potentielle Leckagequellen reduziert, die Betriebszeiten erhöht und der Wartungsaufwand reduziert.

Wegen der kleinen Anzahl bewegter Teile läßt sich eine lange Standzeit, d. h. eine hohe Lebensdauer des Kompressors erreichen.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen akustischen Kompressors anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch das Resonanzrohr und die an seinem einen Ende angeordnete Ventilanordnung sowie die sich ausbildende stehende Welle der Wellenlänge λ/2.

Fig. 2 zeigt das andere Ende des Resonanzrohrs 1 mit einem als Schwinger 3 dienenden Lautsprecher und einer den Spulenstrom und dessen Frequenz regelnden Regel­ vorrichtung.

Ausführungsbeispiel

Gemäß Fig. 1 wird in einem Resonanzrohr 1 der Länge L mit einem am linken Ende A des Resonanzrohrs 1 ange­ ordneten Schwinger 3 durch eine schwingungsfähige Membran 2 eine stehende Schallwelle angeregt, die in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel die Länge λ/2 hat. Allgemein kann in einem derartigen Resonanzrohr eine stehende Welle mit einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schall­ wellenlänge λ/2 angeregt werden. Im Resonanzrohr 1 befindet sich als zu verdichtendes gasförmiges Medium G ein Kältemittel, wie O₂, R134a oder CO₂, welches durch eine Ventilanordnung 10, d. h. durch ein Einlaßventil 11 derselben einströmen und durch ein Auslaßventil 12 derselben ausströmen kann.

Die Bildung höherer Schwingungsmoden und der daraus resultierenden Schockwellen wird durch eine geeignete Dimensionierung des Resonanzrohrs vermiedet. Dabei sind die erreichten Amplituden der stehenden Welle genügend hoch, daß der dargestellte und beschriebene akustische Kompressor als Verdichter in einem Kältemittelkreislauf in einer Klimaanlage im Kraftfahrzeug oder als Luftkompressor für Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. Die in Fig. 1 gleichfalls dargestellte Wellenform der Wellenlänge λ/2 zeigt, daß der durch die stehende Welle erreichte Gasdruck P an den beiden Enden zwischen dem Kondensationsdruck P_C und dem Verdampfungsdruck P_E oszilliert.

Dabei reagieren das Einlaß- und Auslaßventil auf diesen akustischen Druckzyklus in derselben Weise, wie sie auf den mechanisch erzeugten Druckzyklus eines herkömmlichen Kompressors mit aktiver Verdrängung reagieren würden. Somit wird, sobald die stehende Welle stabil ist, Luft bzw. gasförmiges Kältemittel niedrigen Drucks in den Innenraum des Resonanzrohrs 1 durch das Einlaßventil 11 gesaugt, akustisch komprimiert und dann durch das Auslaßventil 12 mit hohem Druck ausgelassen.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des am linken Ende A des mit Kältemittel G gefüllten Resonanzrohrs 1 angebrachten Schwingers 3, der in diesem Beispiel als Lautsprecher ausgeführt ist. Dabei ist die Schwingspule 13 fest mit der Membran 2 gekoppelt, während der Permanentmagnet des Lautsprechers 3 durch eine Feder 14 mit dem Resonanzrohr 1 gekoppelt ist, wenn die Spule durch einen Wechselstrom i_S der Frequenz F_S erregt wird, gerät der Permanentmagnet in mechanische Schwingungen. Die magnetischen Reaktions­ kräfte werden durch die Feder auf den Resonator übertragen und lassen dadurch den gesamten Resonator mechanisch in Richtung seiner Längsachse schwingen.

Erfindungsgemäß wird der Erregerstrom i_S der Spule 13 durch eine Regelvorrichtung 5 geregelt. Dabei läßt sich eine einfache elektronische Leistungsregelung der Kälte­ maschine in der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs erreichen. Außerdem wird die Frequenz F_S des Erregerstroms i_S entsprechend einer durch eine Temperaturveränderung des Kältemittels CO₂ veränderten Eigenfrequenz des Resonators nachgeregelt. Dazu werden der Regelvorrichtung 5 ein Leistungssollwert P_soll sowie ein Temperaturdifferenzwert ΔT_G des Kühlmittels G zugeführt. Somit ist die in Fig. 2 schematisch dargestellte Leistungsregelung des akusti­ schen Kompressors durch die Veränderung des der Laut­ sprecherspule 13 zugeführten Erregerstroms i_S erreichbar und damit viel einfacher als eine Hubvolumenregelung eines konventionellen Kompressors. Je größer der Lautsprechererregerstrom i_S ist, desto größer stellt sich die Druckamplitude der Schallwelle und damit das Druckverhältnis der Kältemaschine sowie die Temperatur an den Wärmetauschern derselben ein.

Da der in den Fig. 1 und 2 dargestellte akustische Kompressor vom Motor entkoppelt ist, können die bislang üblichen flexiblen Schlauchverbindungen durch Rohrver­ bindungen ersetzt werden, wie sie aus der stationären Kältetechnik bekannt sind. Dadurch werden potentielle Leckagequellen verringert.

Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Anordnung des erfindungsgemäßen akustischen Kompressors läßt sich der als Schwinger 3 dienende Lautsprecher durch eine geeig­ nete Koppelanordnung ersetzen, durch die im stationären Betrieb des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs der Membran 2 akustische Energie zugeführt werden kann und zwar die Vibrationsenergie des Verbrennungsmotors selbst.

Es kann aber auch die gesamte Resonator-Anordnung in Schwingung versetzt werden. Dies kann durch eine starre Kopplung des Resonator-Gehäuses an den vibrierenden Motor erreicht werden. Hierbei ist der Betrieb der Anlage an einen stationären Motorbetriebspunkt gebunden.

Durch geschickte Auslegung der äußeren Geometrie des Gehäuses kann nun erreicht werden, daß eine Eigenfrequenz des Gehäuses der Frequenz der ersten stehenden Welle der schwingenden Luftsäule im Resonator entspricht. Mit dieser Methode lassen sich sehr hohe Druckschwankungen der Schallwelle erzeugen.

Alternativ läßt sich der Membran 2 akustische Energie auch durch eine zwischen der Membran 2 und der Auspuff­ anordnung des Verbrennungsmotors eingeschaltete Koppel­ anordnung zuführen, die die akustischen Druckstöße im Auspuffrohr auf die Membran 2 koppelt. Bei den beiden oben beschriebenen alternativen Lösungen läßt sich eine Leistungsregelung durch eine mehr oder weniger gedämpfte Kopplung an die Membran 2 erreichen.

Obwohl das oben beschriebene bevorzugte Ausführungs­ beispiel und die beiden Alternativen zur Verdichtung des Kältemittels einer Klimaanlage im Kraftfahrzeug beschrie­ ben wurden, läßt sich das Prinzip des erfindungsgemäßen akustischen. Kompressors auch für die Druckbeaufschlagung von Brennstoffzellen und auch zur Brennstoffzerstäubung in Standheizungen verwenden und zwar im stationären oder im mobilen Bereich.

Claims (10)

1. Akustischer Kompressor mit einem an einem durch eine schwingungsfähige Membran (2) abgeschlossenen Ende (A) eines gasgefüllten Resonanzrohrs (1) bestimmter Geometrie angeordneten Schwinger (3) zur Anregung der Membran (2) und damit einer stehenden Schallwelle im Resonanzrohr (1), und einer am anderen Ende (B) des Resonanzrohrs (1) angeordneten Ventilanordnung (10) mit einem Einlaß- und Auslaßventil (11, 12), welches zum Einlassen und Auslassen eines gasförmigen zu komprimierenden Mediums (G) in und aus dem Resonanzrohr (1) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zu komprimierende Gas (G) ein Kältemittel ist und daß die Länge des Resonanzrohrs und die Schwingungsfrequenz an die Schallgeschwindigkeit des gasförmigen Kältemittels (G) angepaßt sind.

2. Akustischer Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) ein elektroakus­ tischer Lautsprecher ist.

3. Akustischer Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) eine Koppel­ anordnung aufweist, durch die Vibrationsenergie des Verbrennungsmotors der Membran (2) zugeführt wird.

4. Akustischer Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung des Schwingers (3) die Vibrationsenergie im stationären Betrieb des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs der Membran (2) zuführt.

5. Akustischer Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) eine Koppel­ anordnung enthält, durch die Druckstöße im Auspuffrohr des Kraftfahrzeugs der Membran (2) zuführbar sind.

6. Akustischer Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung die akustische Energie der Druckstöße im Auspuffrohr der Membran im stationären Betrieb des Verbrennungsmotors des Kraftfahr­ zeugs zuführt.

7. Akustischer Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Kompressionsleistung des akustischen Kompressors eine Leistungsregelung (5) vorgesehen ist, die eine Dämpfungs­ anordnung enthält, die die Kopplung an die Membran (2) abhängig von einer gewünschten Leistung (P_soll) mehr oder weniger dämpft.

8. Akustischer Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz­ regelvorrichtung (5) vorgesehen ist, die die Anregungs­ frequenz der Membran (2) abhängig von einer Temperatur­ änderung (ΔT_G) des zu verdichtenden gasförmigen Kältemittels (G) regelt.

9. Akustischer Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Resonanzrohrs (1) einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schallwellenlänge (λ/2) der im Resonanzrohr ange­ regten stehenden akustischen Welle entspricht.

10. Akustischer Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Resonanzrohrs (1) so gewählt ist, daß die Bildung höherer Schwingungsmoden und die daraus resultierenden Schock­ wellen unterdrückt sind.