DE19955554A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Kolbenverdichter mit einem Verdichter und einem Expansionsteil, dessen Kolben über eine gemeinsame Antriebseinheit verbunden sind. Durch diese Konstruktion läßt sich bei der Expansion eines Kältemittels freiwerdende Energie für dessen Verdichtung nutzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, insbe­ sondere zur Verdichtung eines Kältemittels gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Kolbenverdichter beispielsweise Axialkolbenmaschinen werden u. a. zur Verdichtung eines Kältemittels bei PKW- Klimaanlagen eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet der­ artiger Verdichter liegt in der Wärmepumpentechnik, die in jüngster Zeit immer mehr in Konkurrenz zu herkömmlichen Heizanlagen für Gebäude tritt.

Bisher wurden Wärmepumpensysteme häufig mit FCKW als Arbeitsmitteln betrieben. Aufgrund des erheblichen Treib­ hauspotentials derartiger Kältemittel ist man jedoch be­ strebt, diese durch natürliche Stoffe zu ersetzen. In der europäischen Gemeinschaft sollen ab dem Jahr 2015 die FCKW-haltigen Kältemittel möglichst durch ungiftige, nicht brennbare Kältemittel mit geringem Treibhauspotential er­ setzt werden. Die natürlichen Stoffe stellen dabei eine aussichtsreiche Alternative zu den FCKW-haltigen Arbeits­ mitteln dar.

In dem Beitrag "Wärmepumpensysteme mit CO₂ als Arbeits­ mittel" (Wärmepumpe - September 1998) wird dargelegt, daß CO₂ aufgrund seiner Umweltverträglichkeit und einer außer­ ordentlich hohen volumetrischen Kälteleistung besonders gut als Arbeitsmittel für derartige Wärmepumpen geeignet er­ scheint. Bei der Wärmeabgabe von CO₂-Wärmepumpen im über­ kritischen Bereich können Temperaturen realisiert werden, die mit 60° bis 90° Grad Celsius deutlich oberhalb von den­ jenigen liegen, die mit konventionellen Wärmepumpen reali­ sierbar sind.

In Fig. 1, auf die bereits hier Bezug genommen sei, ist ein theoretischer Kälteprozeß einer Kompressions-Kälte­ anlage in einem Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt. Fig. 2 zeigt ein Anlagenschema einer Kälteanlage, mit der der in Fig. 1 dargestellte Idealprozeß durchführbar ist.

Demgemäß wird das Kältemittel mit dem durch die Ziffer 1 gekennzeichneten Zustand (Druck p₁, t = 0°C) vom Ver­ dichter 6 angesaugt und isentrop auf den Zustand 2 verdich­ tet (p₂, t = 140°C). Das verdichtete, erwärmte Kältemittel wird in einem Wärmetauscher 8 bei konstantem Druck auf eine Temperatur von beispielsweise 30°C abgekühlt (Zustand 3) und anschließend in einer Expansionsmaschine 10 isentrop auf den Druck p₁ entspannt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, be­ findet sich das Kältemittel nach der Expansion in der Ex­ pansionsmaschine 10 im Naßdampfbereich und ist auf eine Temperatur von beispielsweise -20°C abgekühlt. Der Wärme­ austausch mit dem zu klimatisierenden Raum erfolgt dann in einem Verdampfer 12, in dem das Kältemittel (CO₂) durch Wärmezufuhr auf den mit 1 gekennzeichneten Ausgangszustand gebracht wird.

Für den Fall, daß man anstelle der Expansionsmaschine 10 ein Drosselventil zur Entspannung einsetzt, stellt sich anstelle des Zustandes 4 der Zustand 4' ein, da die Ent­ spannung in einem Drosselventil entlang einer Isenthalpen erfolgt. Die bei der Verwendung einer Expansionsmaschine gewonnene Entspannungsarbeit entspricht der Strecke 4, 4' in Fig. 1. Zur Energieoptimierung ist man daher bestrebt, die Vorteile einer arbeitsleistenden Expansion des Kältemittels durch geeignete vorrichtungstechnische Maßnahmen auszunut­ zen.

Im Bereich der Kältetechnik gab es bereits einige Be­ strebungen, die Kompression und die Expansion bei überkri­ tischen Prozessen in einer gemeinsamen Maschineneinheit durchzuführen. Beim Einsatz von Luft als Kältemittel werden beispielsweise Turbomaschinen eingesetzt, bei denen 2 Lauf­ räder von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Dabei erfolgt über ein Laufrad die Verdichtung der Luft, während über das andere Laufrad die Entspannung erfolgt.

Bei mit Luft als Kältemittel arbeitenden Kälteprozessen werden häufig auch Vielzellenverdichter eingesetzt, bei de­ nen in einem ovalen Gehäuse zwei sichelförmige Arbeitsräume ausgebildet sind, von denen einer als Verdichter und der andere als Expansionsmaschine wirkt.

Wegen der sehr hohen Druckdifferenz, die bei transkri­ tischen Kälteprozessen, beispielsweise mit dem Kältemittel CO₂ entstehen, sind die oben genannten Arbeitsmaschinen un­ geeignet, da die Arbeitsräume des Expansions- und des Ver­ dichterteils nicht zuverlässig gegen die hohen Druckdiffe­ renzen abgedichtet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben­ verdichter zu schaffen, durch den eine Verdichtung mit mi­ nimalem vorrichtungstechnischen und energetischen Aufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Maßnahme, den Kolbenverdichter mit einem Ver­ dichtungs- und einem Expansionsteil auszuführen, wobei Ver­ dichterkolben und Kolben des Expansionsteil mit einem ge­ meinsamen Antrieb in Wirkverbindung stehen, läßt sich eine äußerst kompakte Baueinheit realisieren, bei der durch die mechanische Kopplung der Verdichterkolben und der Kolben des Expansionsteils die Verdichtungsarbeit gegenüber her­ kömmlichen Lösungen verringert werden kann.

Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der vorrichtungstechnische Aufwand aufgrund der gemeinsamen Bauelemente des Verdichters und des Expansionsteils gegen­ über den bekannten Lösungen mit getrennten Verdichtern und Expansionsmaschinen vergleichsweise gering ist.

Das erfindungsgemäße Konzept läßt sich besonders vor­ teilhaft bei einem Kolbenverdichter mit Kurbeltrieb und bei einem Kolbenverdichter in Axialkolbenbauweise realisieren. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Wirkverbindung der Verdichter- und Expansionskolben über den gemeinsamen An­ trieb auch bei anderen Kolbenverdichterbauweisen einsetz­ bar.

Bei der Verwendung eines Kurbeltriebs wird erfindungs­ gemäß eine gemeinsame Kurbelwelle sowohl mit dem Verdich­ terkolben als auch mit dem Expansionskolben verbunden, so daß die bei der Expansion des Mediums (Kältemittel) gewon­ nene Arbeit zur Verdichtung des Mediums im Kolbenverdichter benutzt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Expansi­ onsteil mit einer Schlitzsteuerung ausgeführt wird, bei der die Einlaß- und Auslaßöffnungen durch die Bewegung des Ex­ pansionskolbens auf- bzw. zugesteuert werden.

Der Kolbenverdichter ist besonders einfach aufgebaut, wenn die Zuführung des zu expandierenden Mediums von einem Hochdruckanschluß in den zugeordneten Expansionsraum durch den Expansionskolben hindurch erfolgt.

Der Expansionskolben kann mit dem gleichen Durchmesser wie der Verdichterkolben oder als Stufenkolben ausgeführt sein.

Bei dem Konzept mit Kurbeltrieb wird es bevorzugt, die Kolben über Pleueln mit einer gemeinsamen Kurbelwelle zu verbinden. Der vorrichtungstechnische Aufwand bei der Rea­ lisierung dieser Variante ist minimal, wenn die Zylinder­ bohrungen zumindest im Bereich des Pleuelkopfs mit im we­ sentlichen identischen Abmessungen ausgebildet werden, so daß das Motorgehäuse auf einfache Weise herstellbar ist und eine Umrüstungsmöglichkeit besteht.

Bei einem alternativen, bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Kolbenverdichter in Axialkolbenbauweise ausge­ führt, wobei die Expansions- und Verdichterkolben gegen ei­ ne gemeinsame Hubscheibe vorgespannt sind, deren Anstell­ winkel den Kolbenhub bestimmt.

Bei dieser Variante in Axialkolbenbauweise wird es be­ sonders bevorzugt, wenn die Verdichterkolben und die Kolben des Expansionsteils an der Hubscheibenvorder- bzw. -rückseite angreifen, so daß die Hubscheibe beidseitig be­ lastet ist. Aufgrund dieser symmetrischen Anordnung ergibt sich ein gewisser Kräfteausgleich der wirksamen Kolben­ kräfte, so daß die Lagerung der beweglichen Bauelemente we­ sentlich vereinfacht ist.

Die Regelung der Verdichtungsleistung in Abhängigkeit von den Parametern des Kälteprozesses ist besonders ein­ fach, wenn der Kolbenverdichter als Schrägscheibenmaschine oder als Taumelscheibenmaschine ausgeführt ist, wobei die Leistungsregelung über eine Verstellung der Schrägscheibe bzw. der Taumelscheibe erfolgen kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden der Verdichter- und der Expansionsteil symmetrisch zueinan­ der ausgeführt, so daß in beiden Abschnitten gleiche Zylin­ der ausgebildet sind. Zur Verringerung des geometrischen Volumens im Expansionsteil sind einige Zylinder in diesem Bereich als Leerlaufzylinder ausgebildet, die nicht zur Ex­ pansion des Kältemittels beitragen.

Eine vom Anmelder bevorzugte Variante sieht vor, daß der Verdichter und der Expansionsteil mit jeweils 4 Zylin­ dern ausgeführt sind, wobei 2 Zylinder des Expansionsteils als Leerlaufzylinder ausgebildet sind.

Bei dieser Variante wird es besonders bevorzugt, wenn diese Leerlaufzylinder gegenüber den Eingangs- und Aus­ gangsanschlüssen über eine Zwischenplatte abgesperrt sind, wobei durch Auswechseln der Zwischenplatte das geometrische Volumen des Expansionsteils veränderbar ist.

Die Einlaß- und Auslaßsteuerung zum Expansionsteil und zum Verdichter erfolgt expansionsseitig über eine dreh­ schieberähnliche Steuerscheibe und verdichterseitig über herkömmliche Einlaß- und Auslaßventilanordnungen.

Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter ist besonders gut für einen Kreisprozeß mit CO₂ als Kältemittel geeignet. Prinzipiell können jedoch auch andere Kältemittel einge­ setzt werden.

Aufgrund der höheren Dichte des am Hochdruckanschluß des Expansionsteils anliegenden Kältemittels und des daraus resultierenden geringen Volumenstroms (im Vergleich zum Vo­ lumenstrom des vom Verdichter angesaugten Kältemittels) wird das geometrische Volumen des Expansionsteils geringer ausgeführt als dasjenige des Verdichtungsteils.

Dies läßt sich beispielsweise durch geeignete Auslegung der Zylinderdurchmesser oder durch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern im Expansion- und im Verdichterteil realisieren.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen transkritischen Kälteprozeß in einem p/h-Diagramm;

Fig. 2 ein Anlagenschema zur Durchführung eines Kälte­ prozesses gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines Kolbenverdichters als Axialkolbeneinheit;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch eine Expansions­ steuerscheibe der Axialkolbeneinheit aus Fig. 3;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenverdichters mit Kurbeltrieb und

Fig. 6 eine Variante des in Fig. 4 dargestellten Aus­ führungsbeispiels.

Die Erfindung sei zunächst anhand eines Kolbenverdich­ ters in Axialkolbenbauweise erläutert. Ein derartiger Kol­ benverdichter wird im folgenden als Axialkolbeneinheit 14 bezeichnet. Bei der in Fig. 3 dargestellten Axialkolben­ einheit 14 in Taumelscheibenbauweise sind der Verdichter 6 und die Expansionsmaschine 10 aus Fig. 2 zu einer kompak­ ten Baueinheit zusammengefaßt.

Die erfindungsgemäße Axialkolbeneinheit 14 hat ein Ge­ häuse mit einem Expansionszylinderblock 16 und einem Ver­ dichterzylinderblock 18, die stirnseitig von einem Expansi­ onszylinderkopf 20 bzw. einem Verdichterzylinderkopf 22 verschlossen sind.

In jedem Zylinderblock 16, 18 sind mehr als 1 gleichmäßig am Umfang verteilte Zylinder 24a, b, c, d bzw. 25a, b, c, d ausgebildet, wobei jeweils zwei Zylinder (24a, 25a; 24b, 25b, . . .) im Expansionszylinderblock 16 und im Verdich­ terzylinderblock 18 koaxial zueinander ausgebildet sind. In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 3 sind lediglich zwei der vier Zylinder in jedem Zylinderblock 16, 18 darge­ stellt, die beiden jeweils anderen Zylinder sind bei der Darstellung gemäß Fig. 3 in der senkrecht zur Zeichenebe­ nen durch die Mittelachse 26 verlaufenden Mittelebene ange­ ordnet.

In den vier Verdichterzylindern 25a, b, c, d ist je­ weils ein Verdichterkolben 28a, b, c, d geführt, während in den Expansionszylindern 24a, b, c, d entsprechend jeweils ein Expansionskolben 30a, b, c, d axial verschiebbar ange­ ordnet ist.

Jeder Kolben 28, 30 trägt an seinem kolbenbodenseitigen Endabschnitt Kolbenringe 32 zur Abdichtung des jeweiligen Zylinderraums 34 gegenüber einem durch die beiden Zylinder­ blöcke 16, 18 begrenzten Triebraum 35. Je nach Kolbenhub tauchen die kolbenfußseitigen Abschnitte der Kolben 28, 30 in diesen Triebraum 35 ein.

Der Expansionszylinderblock 16 und der Verdichterzylin­ derblock 18 sind von einer Axialbohrung 36 durchsetzt, in der eine Triebwelle 38 geführt. Der in Fig. 3 untere End­ abschnitt 40 der Triebwelle 38 ist radial zurückgesetzt und über eine Dichtungsanordnung 42 aus dem Gehäuse herausge­ führt und mit einem Antriebsmotor verbunden. Die Triebwelle 38 hat zwischen zwei gegenüber dem Endabschnitt 40 radial erweiterten Lagerabschnitten 44, 46 ein Schwenklager 48 für eine Taumelscheibe 50, deren Anstellwinkel α mit Bezug zur Mittelachse 26 veränderbar ist. Die Taumelscheibe 50 ist drehfest mit der Triebwelle 38 verbunden.

Die Lagerung der Taumelscheibe 50 und der Aufbau des Schwenklagers ist in der Darstellung nach Fig. 3 nicht ex­ plizit dargestellt, da diese Bauelemente aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind.

Die stirnseitige Abstützung der Triebwelle 38 erfolgt über zwei Axiallager 52, die an Stirnflächen der Zylinder­ blöcke 16 bzw. 18 und an der Stirnfläche des radial erwei­ terten Schwenklagerabschnittes 48 der Triebwelle 38 abge­ stützt sind.

Die Kolben 28, 30 sind jeweils über einen hydrostati­ schen Gleitschuh 54, 56 auf der benachbarten Großfläche der Taumelscheibe 50 abgestützt. Jeder Gleitschuh 54, 56 hat einen Kugelkörper 58, der mit einem ebenen Abschnitt auf der Taumelscheibe 50 aufliegt und mit seinem kugelförmigen Abschnitt in einer Gleitschuhlageraufnahme 60 geführt ist, so daß der Gleitschuh 56 während der Taumelbewegung der Taumelscheibe 50 stets flächig an der benachbarten Großflä­ che der Taumelscheibe 50 anliegt.

Die Lageraufnahmen 60 der Kolbenpaare in Axialrichtung 28a, 30a; 28b, 30b, . . . sind jeweils über ein Verbindungs­ element 62 miteinander verbunden.

Im Verdichterzylinderkopf 22 ist ein Saugkanal 64 und ein Druckkanal 66 ausgebildet, über die die Sauganschlüsse bzw. die Druckanschlüsse der Verdichterzylinder 25 mitein­ ander verbunden sind.

Zwischen Verdichterzylinderkopf 22 und Verdichterzylin­ derblock 18 ist eine Zwischenplatte 68 angeordnet. Diese hat für jeden Zylinder 25 eine Saugbohrung 70 und eine Druckbohrung 72, die einerseits im Saugkanal 64 bzw. im Druckkanal 66 und andererseits in den Zylinderräumen 34 münden.

In der Trennebene zwischen der Zwischenplatte 68 und dem Verdichterzylinderkopf 18 ist ein Saugventil 74 ausge­ bildet, das in herkömmlicher Weise als Rückschlagventil ausgeführt ist. Der Öffnungshub des Saugventils 74 ist über einen Saughubfänger 76 begrenzt. Entsprechend ist in der Trennebene zwischen dem Verdichterzylinderkopf 22 und der Zwischenplatte 68 ein Druckventil 78 ausgebildet, dessen Öffnungshub durch einen Druckhubfänger 80 begrenzt ist.

Die Ventile 74, 78 sind derart ausgebildet, daß sie ei­ ne Kältemittelströmung nur in einer Richtung (Saughub, Druckhub) zulassen und die Rückströmung in der Gegenrich­ tung unterbinden.

Dieser Aufbau des Verdichterteils in Axialkolbenbauwei­ se (Taumelscheibenpumpe) ist aus dem Stand der Technik per se bekannt, so daß weitere Ausführungen entbehrlich sind.

Expansionsmaschinenseitig ist zwischen dem Expansions­ zylinderkopf 20 und dem Expansionszylinder 16 ebenfalls ei­ ne Zwischenplatte 82 angeordnet, die ähnlich wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel für zwei der vier Zy­ linder (24a, 24b) jeweils eine Einlaßbohrung 84 und eine Auslaßbohrung 86 aufweist.

Auf den eingangs genannten Gründen muß das geometrische Volumen der Expansionsmaschine 10 geringer ausgelegt werden als das geometrische Volumen für den Verdichter 6. Um dies zu erreichen, werden die beiden senkrecht zur Zeichenebene angeordneten, nicht dargestellten Zylinder (24c, 24d) als sogenannte Leerlaufzylinder ausgeführt, die nicht an der Expansion des Kältemittels mitwirken. D.h. durch diese Zy­ linder wird die Enthalpie des CO₂ nicht durch Expansionsar­ beit verringert.

Um diesen sogenannten Leerhub herbeizuführen, sind in den Zylinders 24c, d (senkrecht zur Zeichenebene) Axialnu­ ten 88 (strichpunktiert in Fig. 3) ausgebildet, über die der zugeordnete Zylinderraum 34 mit dem Triebraum 35 ver­ bunden ist.

Desweiteren hat die Zwischenplatte 82 im Bereich dieser Zylinder 24c, 24d (nicht dargestellt) keine Einlaß- bzw. Auslaßbohrungen, so daß das Kältemittel nicht in den Zylin­ derraum 34 eintreten kann. Über die Axialnut 88 erfolgt ein Druckausgleich zwischen den Zylinderräumen 34 und dem Triebraum 35, so daß durch diese Zylinder 24c, 24d prak­ tisch keine Gegenkräfte auf die Taumelscheibe 50 aufge­ bracht werden.

Der in Fig. 3 obere Endabschnitt der Triebwelle 38 taucht mit einem Befestigungszapfen 90 in eine Aufnahmeboh­ rung des Expansionszylinderkopfs 20 ein. Auf diesem Befe­ stigungszapfen 90 ist drehfest eine Steuerscheibe 92 befe­ stigt, über die die Einlaß- und Auslaßsteuerung der beiden Zylinder 24a, 24b erfolgt. Expansionszylinder und Steuer­ scheibe können sich auch auf der Antriebsseite befinden, wobei dann die Verdichtereinheit auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.

Wie im folgenden noch näher erläutert, kann über die Steuerscheibe 92 eine Verbindung zwischen der Einlaßbohrung 84 und einem Hochdruckkanal 94 im Expansionszylinderkopf 20 bzw. eine Verbindung zwischen der Auslaßbohrung 86 und ei­ nem Niederdruckkanal 96 auf- bzw. zugesteuert werden.

Der Aufbau dieser Steuerscheibe ist Fig. 4 entnehmbar, die einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 zeigt.

Demgemäß hat die Steuerscheibe 92 einen etwa halbkreis­ förmigen Steuerschlitz 94, der koaxial zum Befestigungszap­ fen 90 ausgebildet ist. Über diesen Steuerschlitz 94 lassen sich in Abhängigkeit von der Drehposition der Steuerscheibe 92 die den Zylindern 24a oder 24b zugeordneten Auslaßboh­ rungen 86 auf- bzw. zusteuern.

Die Ansteuerung der Einlaßbohrungen 84 erfolgt über ein sich zum Umfangsrand der Steuerscheibe 92 ein öffnendes Einlaßfenster 100, über das eine Verbindung mit dem den Außen­ umfang der Steuerscheibe 92 umgebenden Hochdruckkanal 94 und der Einlaßbohrung 84 herstellbar ist.

Die Relativanordnung des radial außenliegenden Einlaß­ fensters 100 und des kreisbogenförmigen Steuerschlitzes 98 zueinander und zu den Einlaß- und Auslaßbohrungen 84, 86 ist derart gewählt, daß das zu expandierende Kältemittel über das Einlaßfenster 100 und die Einlaßbohrung 84 in ei­ nen Expansionszylinder (24b) eingebracht wird, während das entspannte Arbeitsmittel im anderen Expansionszylinder 24a, über die Auslaßbohrung 86, den Steuerschlitz 98 prak­ tisch ohne Gegendruck dem Verdampfer zugeführt wird. In ei­ ner Übergangsphase (siehe Fig. 4) können auch beide Expan­ sionszylinder 24a, 24b durch die Steuerscheibe 92 gegenüber dem Hochdruckkanal 94 und dem Niederdruckkanal 96 abge­ sperrt sein.

Zum besseren Verständnis seien im folgenden nochmals die wesentlichen Funktionen der erfindungsgemäßen Axialkol­ beneinheit 14 erläutert.

Die Triebwelle 38 wird von einem geeignetem Antriebsmo­ tor in Umdrehung gesetzt. Die auf den gewünschten Winkel α eingestellte Taumelscheibe 50 ist drehfest mit der Trieb­ welle 38 verbunden, so daß die vier Verdichterkolben 28a, b, c, d aufgrund der Umlaufbewegung der Taumelscheibe 50 in Axialrichtung angetrieben werden. Fig. 3 zeigt einen Zu­ stand bei dem der Kolben 25a seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht hat und der gegenüberliegende Verdichterkolben 28b entsprechend seinen unteren Totpunkt (UT) erreicht hat. Die beiden senkrecht zur Zeichenebene angeordneten Verdichter­ kolben (nicht dargestellt) befinden sich in Zwischenposi­ tionen. D.h., bei einer weiteren Drehung der Taumelscheibe 50 gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Position wird der Verdichterkolben 28b im Verdichterzylinder 25b nach unten bewegt, so daß das sich im Zylinderraum 34 befindliche Käl­ temittel verdichtet und über das sich in Druckaufbaurich­ tung öffnende Druckventil 78 in den Druckkanal 66 ein­ strömt. Aufgrund des Fluiddruckes ist das Saugventil 74 ge­ schlossen, so daß die Verbindung zum Saugkanal 64 abge­ sperrt ist.

Gleichzeitig bewegt sich der andere Verdichterkolben 25a in der Darstellung nach Fig. 3 nach oben, so daß sich das zugeordnete Druckventil 78 in seiner Schließstellung befindet und das Saugventil 74 aufgrund des Unterdrucks im Zylinderraum 34 (oder des Drucks im Saugkanal 64) aufge­ steuert wird. Das Kältemittel kann dann vom Saugkanal 64 über die Saugbohrung 70 in den Zylinderraum 34 einströmen. Wie bereits erwähnt, befinden sich die beiden anderen Ver­ dichterkolben in Zwischenstellungen, so daß das Kältemittel entsprechend verdichtet bzw. angesaugt wird.

Das verdichtete Kältemittel wird über einen an den Druckkanal 66 angeschlossene Verbindungsleitung zum Wärme­ tauscher 8 geführt.

Das auf hohen Druck verdichtete und im Wärmetauscher 8 abgekühlte Kältemittel wird über eine entsprechende Druck­ leitung in den Hochdruckkanal 94 der Expansionsmaschine eingeleitet. Die Füllung der beiden Zylinderräume 34 der Expansionsmaschine wird von der Steuerscheibe 92 gesteuert, die drehfest mit der Triebwelle 38 verbunden ist.

In der in Fig. 3 dargestellten Position der Steuer­ scheibe 92 ist die Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 94 und dem Expansionszylinder 24b aufgesteuert, während der Zylinderraum 34 des anderen Expansionszylinders 24a über den Steuerschlitz 98 mit dem Niederdruckkanal 96 verbunden ist. Durch das Druckgas wird der Expansionskolben 30b über den Gleitschuh 58 gegen die Schrägfläche der Taumelscheibe 50 gedrückt, so daß über eine parallel zur Schrägflächene­ bene gerichtete Kraftkomponente ein Drehmoment auf die Tau­ melscheibe 50 - oder genauer gesagt auf die Triebwelle 38 ausgeübt wird. D.h., die Rotation der Triebwelle 38 wird durch das Druckgas unterstützt, so daß die Antriebsleistung des Motors für den Verdichter geringer ausgelegt werden kann, als es bei herkömmlichen Einrichtungen der Fall ist.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Gleitschuhe der koaxial zueinander angeordneten Kolben 28, 30 der Ex­ pansionsmaschine 10 und des Verdichters 6 über das Verbin­ dungselement 62 miteinander verbunden, so daß stets eine zuverlässige Anlage an der Schrägfläche gewährleistet ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, tragen die beiden nicht dargestellten Leerlaufzylinder nicht zur Expansion des Käl­ temittels bei. Die in diesen Leerlaufzylindern geführten Kolben 30c, d (nicht dargestellt) sind jedoch ebenfalls in der dargestellten Weise mit den entsprechenden Verdichter­ kolben 28c, d verbunden. Diese Konstruktion hat den Vor­ teil, daß die Kolben der Leerlaufzylinder als Führungsele­ mente wirken. Aufgrund der verringerten Lagerkräfte wird die Lebensdauer der Axialkolbeneinheit gegenüber herkömmli­ chen Lösungen mit einseitig beaufschlagten Taumelscheiben wesentlich verlängert, so daß auch bei hohen Druckverhält­ nissen kein vorzeitiger Verschleiß zu befürchten ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Axialkolbeneinheit 14 mit einer Taumelscheibe 50 ausgeführt. Selbstverständlich läßt sich dieses erfindungs­ gemäß Konzept auch mit anderen Konstruktionen, beispiels­ weise in Schrägscheibenbauweise realisieren.

Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Steuerscheibe 92 mit der Expansionseinheit auf dem Endab­ schnitt der Triebwelle 38 angeordnet, abweichend davon könnte die Expansionseinheit auch antriebsseitig an der An­ triebswelle 38 angeordnet sein, so daß die Verdichtungsein­ heit entsprechend am anderen Endabschnitt ausgebildet ist.

Vorversuche zeigten, daß die Leistungsregelung durch die Variation des Taumelscheibenwinkels energetisch beson­ ders vorteilhaft ist, so daß sich der Wirkungsgrad der Axialkolbeneinheit weiter steigern läßt. Bei einfachen An­ wendungen ist es jedoch hinreichend, wenn die Taumelscheibe (Schrägscheibe) mit einem vorbestimmten Winkel α zur Trieb­ welle 38 angestellt ist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele eines Kolbenverdichters 108, bei dem die Verdichter- und Expan­ sionskolben über einen Kurbeltrieb 110 miteinander verbun­ den sind. Der Grundaufbau des in Fig. 5 dargestellten Kol­ benverdichters 108 entspricht demjenigen eines Kompressors, so daß auf eine detaillierte Beschreibung der Grundbauele­ mente verzichtet werden kann.

Der dargestellte Kolbenverdichter 108 hat ein Kurbelge­ häuse 112, in dem eine Kurbelwelle 114 über Wellenlager 116, 118 gelagert ist. Die linke stirnseitige Abdeckung des Kurbelgehäuses 112 erfolgt durch einen Gehäusedeckel 120. Der in Fig. 5 rechte Endabschnitt der Kurbelwelle 114 durchsetzt einen Stirndeckel 122, wobei der frei auskra­ gende Endabschnitt 124 an eine Abtriebswelle eines nicht dargestellten Antriebsmotors angekoppelt werden kann. Zur Abdichtung des Kurbelgehäuses 112 sind im Lagerbereich der Kurbelwelle 114 Wellendichtungen 116 vorgesehen.

Den fußseitigen Endabschnitt des Kurbelgehäuses 112 bildet eine Abschlußplatte 128. Auf der davon entfernten oberen Seite des Kurbelgehäuses 112 ist ein Zylinderblock 130 angeflanscht, in dem der Expansions- und Verdichterteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 108 ausgebildet ist. Hierzu sind auf der Kurbelwelle 114 zwei Pleueln 132, 134 gelagert, deren Pleuelauge mit einem Expansionskolben 136 bzw. einem Verdichterkolben 138 verbunden ist. Hin­ sichtlich der Lagerung, der Abdichtung und des Aufbaus der die Kurbelwelle 114 und an die Kolben 136 bzw. 138 sei auf die vorhandene Fachliteratur zu Kompressoren bzw. Verbren­ nungskraftmaschinen verwiesen.

Die beiden Kolben 136, 138 sind in Zylindern 140 bzw. 142 des Zylinderblocks 130 geführt. Diese Zylinder 140, 142 sind stirnseitig über einen Zylinderkopf 144 begrenzt. Zwi­ schen dem Zylinderkopf 144 und dem Zylinderblock 130 ist eine Zylinderkopfdichtung 145 ausgebildet. In dieser sind Einlaß- und Auslaßkanäle 146, 148 mit den dazugehörigen - nicht dargestellten - Einlaß- und Auslaßventilen für den Verdichterzylinder 142 ausgebildet.

Während der Verdichterteil mit dem Verdichterzylinder 142, dem Verdichterkolben 138 und dem Einlaß- und Auslaßka­ nälen 146, 148 sowie den nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßventilen dem vorerwähnten Stand der Technik ent­ spricht, wird der Expansionsteil in einer abweichenden Bau­ weise mit Schlitzsteuerung ausgeführt. Dazu ist bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Expansions­ kolben 136 als Stufenkolben ausgeführt, wobei der Durchmes­ ser des Kolbenfußes im Anbindungsbereich an das Pleuel 132 etwa dem Durchmesser des Verdichterkolbens 138 entspricht. Der sich an den Kolbenfuß anschließende Abschnitt des Ex­ pansionskolbens 136 ist radial zu einem Expansionsabschnitt 150 verringert, so daß ebenfalls wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel das geometrische Volumen des Expan­ sionsteils geringer ist als dasjenige des Verdichtungsteils.

Der Expansionsabschnitt 150 des Expansionskolbens 136 ist dichtend in einem nach oben (Darstellung nach Fig. 5) vorspringenden Expansionszylinder 152 geführt. In der Um­ fangswandung des Expansionszylinders 152 sind ein Hoch­ druckanschluß 154 und ein Niederdruckanschluß 156 ausgebil­ det, über die das zu expandierende Medium, beispielsweise CO₂ in den Expansionszylinder 152 einführbar bzw. aus die­ sem herausführbar ist.

Gemäß Fig. 5 ist im Expansionskolben 136 eine Innen­ bohrung 158 ausgebildet, die einerseits in der Stirnfläche und andererseits in der Umfangswandung des Expansionsab­ schnittes 150 des Expansionskolbens 136 mündet. Demgemäß ist die Innenbohrung 158 mit einem etwa axial verlaufenden Teil und einem etwa in Radialrichtung schräg verlaufenden Teil ausgeführt, wobei letzterer im Bereich des Hochdruck­ anschlusses 154 mündet.

Am Außenumfang des Expansionsabschnittes 150 sind eini­ ge Kolbenringe 160 angeordnet, so daß der Hochdruckanschluß 154 gegenüber dem Niederdruckanschluß 156 abgedichtet ist.

In der Darstellung gemäß Fig. 5 befindet sich der Ex­ pansionskolben 136 in seinem oberen Totpunkt. Die Geometrie der Innenbohrung 158 ist so gewählt, daß im Bereich des oberen Totpunktes der Hochdruckanschluß 154 über die Innen­ bohrung 158 mit dem vom Expansionszylinder 152 und dem Ex­ pansionskolben 136 begrenzten Expansionsraum 162 verbunden ist. Demzufolge wird der Expansionsraum 162 mit dem den Hochdruck aufweisenden Kältemittel gefüllt. Bei der sich anschließenden Abwärtsbewegung des Expansionskolben 136 wird der Hochdruckanschluß 154 durch die Umfangskante der Innenbohrung 158 zugesteuert und das sich im Expansionsraum 162 befindliche Kältemittel expandiert. Nach einem vorbe­ stimmten Kolbenhub wird der Niederdruckanschluß 156 durch die durch die Umfangskante der Stirnfläche gebildete Steu­ erkante 164 aufgesteuert, so daß das expandierte Kältemit­ tel durch den Niederdruckanschluß 156 austreten kann. Bei der anschließenden Rückkehr des Expansionskolbens 136 zum oberen Totpunkt wird zunächst der Niederdruckanschluß 156 zugesteuert und der im Expansionsraum 162 verbliebene Käl­ temittelrest verdichtet. Nach einem vorbestimmten Hub wird der Hochdruckanschluß 154 durch die Umfangskante der Innen­ bohrung 158 aufgesteuert, so daß Kältemittel mit Hochdruck in den Expansionsraum 162 eingespeist wird - der Zyklus be­ ginnt von Neuem.

Der prinzipielle Aufbau einer derartigen Expansionsma­ schine mit Schlitzsteuerung ist bereits aus der Druck­ schrift Dr. R. Doll, Prof. F. X. Eder "Neuartige Expansi­ onsmaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen"; Kältetech­ nik; 16. Jahrgang; Heft 1/1964 bekannt, so daß hinsichtlich der thermodynamischen Vorgänge während dieses Expansions­ vorganges auf dieses Literaturzitat verwiesen sei.

Die bei der Expansion des Kältemittels freiwerdende Energie wird erfindungsgemäß zusätzlich zum Antrieb der Kurbelwelle 114 verwendet, so daß nicht die gesamte Ver­ dichtungsarbeit über den an die Kurbelwelle 114 angekoppel­ ten Antrieb aufgebracht werden muß.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Expansionskolben 136 als Stufenkolben ausgeführt, wobei al­ lerdings erhebliche Aufwendungen zur Führung des radial verringerten Expansionsabschnitt 150 erforderlich sind.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der vor­ richtungstechnische Aufwand gegenüber der vorbeschriebenen Lösung dadurch verringert ist, daß der Expansionskolben 136 ohne Stufe und vorzugsweise im wesentlichen mit den glei­ chen Abmessungen wie der Verdichtungskolben 138 ausgebildet wird. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel sind der Ex­ pansionszylinder 140 und der Verdichterzylinder 142 - abge­ sehen von der Schlitzsteuerung des Expansionsteils und der Ventilsteuerung des Verdichterteils - identisch aufgebaut. Dadurch kann der Zylinderkopf 144 wesentlich einfacher als beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet wer­ den, da dieser im wesentlichen lediglich die Einlaß- und Auslaßsteuerung für den Verdichtungszylinder 142 aufnehmen muß. Die Verringerung des geometrischen Volumens des Expan­ sionsteils kann bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel dadurch erfolgen, daß der Expansionskolben 136 durchgängig mit einem etwas geringerem Durchmesser als der Verdichterkolben 138 ausgeführt wird.

Selbstverständlich kann der Kolbenverdichter 108 auch mit mehr als zwei Zylindern ausgeführt werden, wobei prin­ zipiell alle Kolbenverdichterbauarten mit Kurbeltrieb ein­ setzbar sind. Das geometrische Volumen des Expansionsteils und des Verdichterteils läßt sich dann wie bei den eingangs beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Anzahl der Zylinder im Verdichtungs- bzw. Expansionsteil bestimmen.

Der Expansionsteil des Kolbenverdichters kann somit durch Modifikation des Zylinderblocks 130 oder des Zylin­ derkopfs 144 ausgebildet werden. Dabei können die oder der Expansionszylinder identisch oder mit unterschiedlichen Konfigurationen ausgeführt sein.

Im übrigen entspricht das in Fig. 6 dargestellte Aus­ führungsbeispiel demjenigen aus Fig. 5, so daß weitere Er­ läuterungen entbehrlich sind.

Durch die erfindungsgemäße Kopplung des Expansionsteils mit dem Verdichter einer Kältemittelanlage läßt sich die Heizleistungszahl der Wärmepumpe gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verbessern, so daß diese erfindungsge­ mäße Konstruktion besonders gut bei Wärmepumpensystemen mit CO₂ als Kältemittel einsetzbar ist, die beispielsweise kon­ ventionelle Heizkessel für Zentralheizungssysteme mit Ra­ diatoren ersetzen können.

Eine weitere Anwendung könnte bei einer Kraftfahrzeug­ klimaanlage erfolgen, da bei diesen Anlagen die Rückkühl­ temperatur bei dem luftgekühlten Gaskühler relativ hoch ist. Dabei läßt sich die Kälteleistungszahl gegenüber her­ kömmlichen Lösungen mit Expansionsventil wesentlich verbes­ sern, da die rückgewinnbare Arbeit bedingt durch die hohen Rückkühltemperaturen am Gaskühler für eine Erhöhung der Leistungszahl genutzt werden kann. Die Anmelderin behält sich vor, auf diese Verwendung einen eigenen nebengeordne­ ten Patentanspruch zu richten.

Offenbart ist ein Kolbenverdichter mit einem Verdichter und einem Expansionsteil, dessen Kolben über eine gemein­ same Antriebseinheit verbunden sind. Durch diese Konstruk­ tion läßt sich bei der Expansion eines Kältemittels frei­ werdende Energie für dessen Verdichtung nutzen.

Claims (17)

1. Kolbenverdichter insbesondere zur Verdichtung eines Kältemittels, mit zumindest einem Verdichterkolben (28, 138), der in einem Verdichtungszylinder (18, 142) ge­ führt und über einen Antrieb angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (50, 114) mit einem Ex­ pansionskolben (30, 136) eines Expansionsteils des Kol­ benverdichters (108) zusammenwirkt, so daß die bei der Expansion gewonnene Arbeit zumindest teilweise zum An­ trieb des Verdichterkolbens (28, 138) nutzbar ist.

2. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 1, wobei der An­ trieb ein Kurbeltrieb (114) ist, und der Expansionskol­ ben (138) während seines Kolbenhubs Hochdruck- und Nie­ derdruckanschlüsse (154, 156) für das zu expandierende bzw. expandierte Medium auf- bzw. zusteuert.

3. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 2, wobei der Ex­ pansionskolben (136) eine Innenbohrung (158) hat, über die der Hochdruckanschluß (154) mit einem Zylinderraum (162) verbindbar ist.

4. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei der Expansionskolben (136) ein Stufenkolben ist, dessen Abschnitt mit größerem Durchmesser in einem Zylinder (140) geführt ist, dessen Abmessungen etwa demjenigen des Verdichtungszylinders (142) entsprechen, und daß der Abschnitt (150) mit geringerem Durchmesser in einem koaxial zum Zylinder (140) angeordneten Expansionszy­ linder (152) geführt ist.

5. Kolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, wobei der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle (114) hat, die mittels Pleueln (132, 134) mit den Kolben (136, 138) verbunden ist.

6. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 1, wobei die Kol­ benmaschine in Axialkolbenbauweise ausgeführt ist, bei der über eine Hubscheibe (50) zumindest ein Verdichter­ kolben (28) angetrieben ist, dessen Hub von der Anstel­ lung der Hubscheibe (50) abhängt, an der auch der Ex­ pansionskolben (30) des Expansionsteils abgestützt ist.

7. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 6, wobei die Ex­ pansionskolben (30) des Expansionsteils an der von den Verdichterkolben (28) entfernten Rückseite der Hub­ scheibe (50) angeordnet und in einem Expansionszylin­ derblock (16) geführt sind, wobei die Kältemittel- Ein­ laß- und Auslaßsteuerung der Expansionszylinder (24) des Expansionszylinderblocks (16) über eine Steuer­ scheibe (92) erfolgt.

8. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 6 oder 7, wobei die Hubscheibe eine Schrägscheibe einer Schrägscheiben­ maschine oder eine Taumelscheibe (50) einer Taumel­ scheibenmaschine ist.

9. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 8, wobei das geo­ metrische Volumen des Expansionsteils geringer als das­ jenige des Verdichters (10) ist.

10. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 8 oder 9, wobei jedem Verdichterzylinder (25) ein Expansionszylinder (24) zugeordnet ist.

11. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 10, wobei ein Teil der Expansionszylinder (25) als Leerlaufzylinder ausge­ führt ist und somit nicht zur Enthalpieabnahme des Käl­ temittels beiträgt.

12. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 7 und 11, wobei die Verbindung zwischen den Leerlaufzylindern des Ex­ pansionsteils und der Steuerscheibe (92) durch eine Zwischenplatte (82) abgesperrt ist.

13. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 10 und 11, wobei vier Verdichterzylinder (25) koaxial zu jeweils einem Expansionszylinder (24) angeordnet sind, wobei zwei Ex­ pansionszylinder als Leerlaufzylinder ausgebildet sind.

14. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patent­ ansprüche, wobei jeder Verdichterzylinder (25) Einlaß- und Auslaßventile (74, 78) hat.

15. Kolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (28, 30) über Gleitschuhe (58) auf der Hubscheibe (50) abge­ stützt sind, wobei die Gleitschuhe (58) des Verdichter­ kolbens (28) mit denjenigen des zugeordneten Expan­ sionskolbens (30) über ein Verbindungselement (62) ver­ bunden sind.

16. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patent­ ansprüche, wobei der Bohrungsdurchmesser der Expansi­ onszylinder (24, 152) geringer als der Durchmesser der Verdichterzylinder (25, 142) ist.

17. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patent­ ansprüche, wobei das Kältemittel CO₂ ist.