DE2603323A1 - Vorrichtung zum kuehlen von luft - Google Patents

Description

OK >Ν· ' DIPL.-INO- M. »C. DI^L.-r i:V«. O. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GR:ES£BACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976

THE ROVAC CORPORATION
109 Building
Candace Drive
Maitland, Florida 32751 USA

Vorrichtung zum Kühlen von Luft

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Luft, bei v/elcher die Luft in nebeneinander angeordneten Kompressions- und Expansionskammern eines Gehäuses mittels angetriebener Rotoren von zylindrischer Gestalt komprimier- bzw. expandierbar und zwischen Kompressions- und Expansionskammer ein

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 2 -

von der komprimierten Luft durchflossener Wärmetauscher vorgesehen ist, und wobei von der Mantelfläche der Rotoren in gleichmässigen Abständen Flügel abstehen, deren freie Aussenkanten an den Innenseiten der Kammern anliegen und hierdurch zwischen den Flügeln jeweils abgeschlossene Bereiche bilden.

Im Betrieb einer solchen Vorrichtung wird in die Kompressionskaramer eingesaugte Umgebungsluft dort unter Temperaturerhöhung komprimiert. Die komprimierte und erwärmte Luft wird durch den Wärmeaustauscher geleitet, wo sie sich abkühlt. Schlieslich gelangt die komprimierte und abgekühlte Luft in die Expansionskammer, wo sie sich begleitet von einem scharfen Temperaturabfall auf Umgebungsdruck entspannt.

In der US-PS 3 686 893 ist eine Kompressor-Expander-Einheit beschrieben, bei der ein zylindrischer, mit Flügeln oder Schaufeln versehener Rotor in einer Kammer von elliptischem Querschnitt umläuft. Die Anordnung weist Ein- und Auslassöffnungen auf, zwischen denen ein Wärmetauscher angeordnet ist. Eine solche Kühlvorrichtung arbeitet zwar vollkommen zufriedenstellend, ihre Herstellung erfordert jedoch einen gewissen technischen Aufwand und erhebliche Präzision, insbesondere wenn man die relativ grossen, auf die Flügel einwirkenden Beschleunigungskräfte sowie die Notwendigkeit in Betracht zieht, dass eine Kammer von elliptischer Querschnittsform maschninell hergestellt werden muss. Die Anwendung einer elliptischen Kammer erschwert die Ausnutzung "der wirtschaftlichen Vorteile, welche an sich mit klappbar oder schwenkbar angeordneten Rotorflügeln im Gegensatz zu hin- und hergehenden, einer gleitenden Reibung unterworfenen Flügeln verbunden sind.

609832/0858

A 41 583 m

ra - 163

26. Januar 1976 - 3 -

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Mängeln abzuhelfen und eine Vorrichtung zum Kühlen von Luft oder anderen Gasen vorzuschlagen, die ohne elliptische Kammer auskommt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Kombination nachstehender Merkmale gelöst:

(a) die Achse der Rotoren ist gegenüber der Achse der inwendig ebenfalls zylindrisch, jedoch mit grösserem Durchmesser als die Rotoren ausgebildeten Kammern derart versetzt, dass die Rotoren an einer Stelle bis dicht an die Kammerinnenwand heranreichen und zwischen den Rotoren und der Kammerinnenwand konvergierende und divergierende, seitlich vom Rotor gelegene Bereiche entstehen;

(b) die Kompressionskammer v/eist eine relativ weite, sich im wesentlichen über den gesamten divergierenden Kammerbereich erstreckende Einlassöffnung für Luft sowie eine relativ enge, am Ende des konvergierenden Bereiches gelegene, mit dem Einlass des Wärmetauschers verbundene Auslassöffnung für komprimierte, erwärmte Luft auf;

(c) die Expansionskammer weist eine relativ enge, am Anfang des divergierenden Bereiches gelegene, mit dem Auslass des Wärmetauschers verbundene Einlassöffnung für komprimierte, im Wärmetauscher gekühlte Luft sowie eine relativ weite, sich im wesentlichen über den gesamten, konvergierenden

609832/0858

Λ 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 4 -

Kammerbereich erstreckende Auslassöffnung für expandierte und hierdurch weiterhin gekühlte Luft auf;

(d) die geometrische Anordnung und die Abmessungen der Kammern, der Rotoren und der relativ engen Öffnungen sind so getroffen und aufeinander abgestimmt, dass pro Zeiteinheit gleiche Luftmassen den Wärmetauscher durchdringen und letzterer bei im wesentlichen konstantem Druck arbeitet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Ein- und Auslass des Wärmetauschers symmetrisch angeordnet und es v/erden in der Absperrphase zwischen benachbarten Rotorflügeln dadurch gleiche Luftmassen eingeschlossen, dass eine Expansionskammer verwendet wird, deren axiale Länge kleiner als diejenige der Kompressionskammer ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Achse der Rotoren zusätzlich mit Bezug auf das Gehäuse seitlich verschoben, um die Aufteilung in gleiche Luftmassen zu gewährleisten.

Bei einer wiederum anderen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Kühlvorrichtung, die sich insbesondere für eine extreme Miniaturisierung eignet, v/erden an den Rotoren gekrümmte Flügel aus flexiblem Kunststoff ausgebildet und mit dem Rotor verankert, wobei die Flügel nach auswärts etwas vorgespannt sind und unter dieser Vorspannung gegen die Innenwände der betreffenden Kammern gepresst sind. Die Flügel in beiden

609832/0858

Λ 41 583 m
m - 163

25, Januar 1976 - 5 -

Kammern sind so orientiert und geformt, dass sie den auftretenden Drücken standhalten. Obwohl es günstig sein kann, die Flügel am Rotor schwenkbar zu lagern, sind bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Flügel aus dem Rotor einstückig herausgearbeitet, wobei man mit Vorteil ein dauerhaftes, keine Ermüdungserscheinungen zeigendes Plastikmaterial mit Selbstschmiereigenschaften verwendet. Die Herausarbeitung der Flügel aus dem Rotor erfolgt beispielsweise durch eine Schaboperation. Das Gehäuse besteht bei der erfindungsgemässen Vorrichtung vorzugsweise aus zwei Abschnitten mit dazwischen angeordneter Trennplatte und mit Stirnplatten, welche die Lager zur Lagerung der Rotorwelle aufnehmen können. Die erwähnte Trennplatte vermittelt eine Isolation gegenüber einem Wärmefluss von einem Abschnitt zum andern der Vorrichtung, so dass diese beiden Abschnitte im Betrieb in einfacher Weise bei verschiedenen Temperaturen gehalten werden können.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine komplette, einstückige Kühleinheit dadurch geschaffen, dass man eine Kompressor-Expander-Einheit kompakt mit einem Motor an der einen Seite und einem Wärmetauscher mit Gebläse an der anderen Seite integriert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem: die Erfindung vermittelt im Gegensatz zu der oben genannten US-Patentschrift eine "duale" Vorrichtung, bei v/elcher die Kompressor-Expander-Einheit zwei getrennte Kammern und zwei getrennte Rotoren für Kompression und Expansion aufweist, wobei jedoch die Einzelteile in einem Gehäuse zu einer kompakten Einheit vereinigt sind und eine gemeinsame Antriebswelle

609832/0858

Λ 41 583 m
m - 163

26. Januar 1976 -6- ο ο η ο ο ο ο

Zb UJ0 LO

auf v/ei s en.

Von besonderem Vorteil ist es, dass bei der erfindungsgemässen Vorrichtung gleitend am Rotor angeordnete Flügel nicht unbedingt erforderlich sind. Man kann vielmehr an der Mantelfläche des Rotors klappbar oder schwenkbar angelenkte Flügel verwenden, die auch flexibel ausgebildet und freitragend am Rotor befestigt werden können. Auf diese Weise werden Reibungsverluste, wie sie bei radial gleitenden Flügeln auftreten, vermieden.

Gemäss der Erfindung wird v/eiterhin ein Rotor mit flexiblen Flügeln vorgeschlagen, die nicht nur mit dem Rotor einstückig sind sondern die an Ort und Stelle aus der Rotoroberfläche herausgearbeitet werden. Es entstehen auf diese Weise Flügel mit einem sich nach aussen hin verjüngenden Querschnitt, die hochflexibel sind und eine Selbstschmierwirkung aufweisen, so dass Reibungsverluste bei einem Minimum gehalten sind. Es wird auf diese Weise möglich, dünne, flexible Flügel anzuwenden, die normalerweise nicht in der Lage sind, Luft bei hohem Druck zu fördern. In der Kompressions- und Expansionskammer sind die Flügel jeweils nach entgegengesetzten Richtungen hin orientiert, wobei alle Flügel gegen die Richtung des wirkenden Druckes gekrümmt sind, so dass ein Durchblasen oder Lecken von Luft an den Flügelkanten vermieden ist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung arbeitet in- wirtschaftlicher Weise mit gutem Wirkungsgrad. Coriolis-Beschleunigungseffekte, wie sie bei der Kompressor-Expander-Einheit gemäss der oben genannten Patentschrift auftreten, entstehen bei der erfindungs-

609832/0858

A 41 583 m m - 163

26. Januar 1976 - 7 -

gemässen Vorrichtung nicht. Dasselbe gilt hinsichtlich der bei der Flügelbeschleunigung und Abbremsung auftretenden Energieverluste.

Bei alledem finden bei der erfindungsgemässen Vorrichtung Kammern von zylindrischer Form Anwendung, die leicht und ohne besonderen Aufwand unter Verwendung üblicher Bohr- und Schleifmaschinen herstellbar sind.

Obwohl die beiden Kammern der erfindungsgemässen Vorrichtung zu einer Einheit verbunden sind, sind sie thermisch dennoch voneinander getrennt, so dass Wärmeverluste von der einen zur anderen Seite der Vorrichtung hin nicht auftreten und die Kompression und Expansion stetig bei verschiedenen Temperaturen stattfinden kann. Dies ist insbesondere mit der Vorrichtung nach der zuvor genannten US-Patentschrift zu vergleichen, bei der nach Art eines Kurzschlusses ein unvermeidbarer Wärmefluss von der Kompressions- zur Expansionsseite über den gemeinsamen Rotor und das gemeinsame Gehäuse hinweg stattfindet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt schliesslich darin, dass sie ausserordentlich klein baut und infolgedessen zur Punktkühlung eingesetzt werden kann.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Kühlvorrichtung;

— 8 —

609832/0858

Λ 41 583 m

m - 1G3

26. Januar 1976 - 8 -

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 2a eine Teilschnittansicht entlang der Linie 2a-2a in Fig. 2;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4

und 5 Ansichten ähnlich Fig. 2 und 3 einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit seitlich versetzter Rotorachse;

Fig. 6

und 7 Teilschnittansichten einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine Seitenansicht einer stark miniaturisierten, vereinfachten Ausführungsform der Erfindung in vergrössertem Maßstab;

Fig. 9

und 10 zwei verschiedene Stirnansichten der Ausführungsform aus Fig. 8;

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in Fig. 8;

Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 in Fig. 8;

6098 3 2/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 9 -

Fig. 13 einen Rotor zur Anwendung in einer Vorrichtung gemäss Fig. 8 bis 12;

Fig. 14 einen Rotor vor Ausbildung seiner Flügel; Fig. 15 die Wärmehärtung von Rotorflügeln;

Fig. 16

und 17 Ansichten ähnlich Fig. 11 und 12 jedoch mit klappbar in den Rotor eingesetzten Flügeln;

Fig. 18 eine integrierte Kühlvorrichtung gemäss der Erfindung in Kompaktbauweise;

Fig. 19 eine Stirnansicht der Vorrichtung aus Fig. entlang der Linie 19-19 in Fig. 18;

Fig. 20 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 20-20 in Fig. 18;

Fig. 21 eine Längsschnittansicht einer weiterhin vereinfachten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung und

Fig. 22 einen Durchlass durch eine Stirnwand einer erfindungsgemässen Vorrichtung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Kompressor-Expander-Einheit mit einem Kompressor 21 und einem Expander 22 dargestellt. Der Kompressor weist eine Stirn- oder Lagerplatte 23 auf, während der Expander durch eine Stirnplatte 24 abgeschlossen

609832/0858

Λ 41 583 πι

m - 163

26. Januar 1976 -10- ο η η ο ο ο ο

2bu3313

ist. Zwischen den beiden Teilen 21, 22 ist eine Trennplatte 25 angeordnet. Die Teile 21 bis 25 sind durch Schraubbolzen 23a oder dergleichen fest zusammengespannt und bilden eine feste, kompakte Einheit, wobei die Teile zusammen gleichzeitig das Gehäuse der Vorrichtung bilden. Der Kompressor 21 umfasst eine Kammer 26 mit einer zylindrischen Innenwand, während der Expander 22 eine separate Kammer 27 mit einer ebenfalls zylindrischen Innenwand aufweist. Die beiden Kanunern sind koaxial bezüglich einer gemeinsamen Achse 28.

Eine durch die Vorrichtung hindurchverlaufende Welle 29 trägt einen Kompressor-Rotor 31 und einen Expander-Rotor 32, die in den betreffenden Kammern umlaufen. Die Welle 29 ist in abgedichteten Antifriktionslagern 33,34,35 gelagert.

Der Rotor 31 ist mit in gleichen Abständen angeordneten Flügeln oder Schaufeln 41 bis 46 versehen, die jeweils gleitbar von Schlitzen aufgenommen sind und von Federn 47 nach aussen gepresst werden, so dass ihre Aussenkanten an der Innenseite der Kammer 26 anliegen. Falls erwünscht, kann jeder Flügel mit (nicht dargestellten) Rollen versehen werden, und zwar jeweils eine an jeder Axialseite. Diese Rollen laufen in (ebenfalls nicht dargestellten) kreisförmigen Nockenbahnen um, die in den Platten 23,24 ausgebildet und mit Bezug auf die Achse 28 der Kammer zentriert sind. Die Verwendung von Rollen und Nockenbahnen ermöglicht es, einen kleinen Lauf-Spielraum am äusseren Rand jedes Flügels frei zu lassen, wobei dieser Spielraum ausreicht, einen direkten Reibkontakt des Flügels zu vermeiden, jedoch so gering ist, dass lediglich

- 11 - -

609832/0858

A 41 583 m

ία - 163

26. 'Januar 1976 - 11 -

ein zu vernachlässigender Leckfluss auftritt. In diesem Zusammenhang wird auf die schwebende US-Patentanmeldung Nr. 4oo vom 26.September 1973 verwiesen.

Die Achse 30 der Rotorwelle 29 ist mit Bezug auf die zylindrische Wand der Kammer 26 mit Absicht exzentrisch derart angeordnet, dass sie gegenüber der Achse 28 der Kammer nach unten versetzt ist. Auf diese Weise bilden die Flügel 41 bis 46 zwischen sich eine Reihe von Räumen 51 bis 56 aus, die im Hinblick auf ihr Volumen stufenweise veränderlich sind, und zwar in folgender Weise: (a) Maximum, (b) konvergierend, (c) Minimum, (d) divergierend. Wie dargestellt, befinden sich die Räume 51,56 in der Stufe des Maximums, die Räume 53,54 in der Stufe des Minimums, während die Räume 52,55 in der konvergierenden bzw. divergierenden Stufe sind. Die Kompressionskammer 26 besitzt eine Kompressions-Einlassöffnung 57, die neben der Stufe 56 des Maximums angeordnet und mit dieser verbunden ist. Weiterhin besitzt die Kammer 26 eine Auslassöffnung 58, die neben der konvergierenden Stufe 52 liegt und mit ihr kommuniziert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die öffnungen 57,58 an den jeweils gegenüberliegenden, äusseren Enden der maximalen und konvergierenden Stufe.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Expansionsabschnitt 22 ist der Rotor 32 in ähnlicher Weise aufgebaut und weist von Federn 67 nach aussen gedrückte Flügel 61 bis 66 auf. Der Rotor 32 rotiert ferner ebenfalls um die exzentrische Achse 30, wodurch die in ihrem Rauminhalt jeweils variierenden Räume 71 bis 76 gebildet werden. In Fig. 3 sind die Stufen des Maximums mit 71,76, diejenigen des Minimums mit 73,74 bezeichnet, während

- 12 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 12 -

die konvergierenden und divergierenden Stufen mit 70 bzw. angegeben sind. Die Expansionskammer ist mit einer Einlassöffnung 77 und einer Auslassöffnung 78 an der divergierenden bzw. maximalen Stufe versehen. Die beiden Öffnungen liegen wiederum an den gegenüberliegenden Extrembereichen dieser Stufen.

Wie aus Fig. 2 und 2a hervorgeht, sind in der Wand der Kammer 26 bogenförmige Nuten 59 ausgebildet, die von der Stufe des Minimums zur Einlassöffnung 57 reichen und die v/irksame, gekrümmte Spannweite der Einlassöffnung von der Stufe des Minimums» derjenigen des Maximums ausdehnen. Auf diese Weise ist das Hineinziehen eines Vakuums in den mit 54 bezeichneten Raum verhindert. In ähnlicher Weise sind in der Wand der Expansionskammer 27 (Fig. 3) bogenförmige Nuten 79 von der Stufe des Minimums zur Auslassöffnung 78 hin ausgebildet, welche die v/irksame, bogenförmige Spannweite der Auslassöffnung von der Stufe des Maximums ausdehnen und eine unnötige Luftkompression im Raum 73 verhindern. Mit anderen Worten: die Kompressor-Einlassöffnung und die Expander-Auslassöffnung sind nahezu über den halben Umfang ausgedehnt oder erweitert.

Aus den Fig. 2 und 3 geht weiterhin hervor, dass die Flügel 41 bis 46 und 61 bis 66 nicht radial sondern in abgewinkelter Stellung angeordnet und gegen die Druckkraft hin gerichtet sind. Dies dient in erster Linie dazu, den Rotor zu verstärken, indem für die Abschnitte zwischen den Nuten eine erhebliche Basisdimension aufrechterhalten wird, um die Tendenz eines Abschnittes zu reduzieren, sich an der Basis der dem Druck ausgesetzten Fläche zu verbiegen.

- 13 -

609832/0858

A 41 583 m m - 163

26. Januar 1976 - 13 -

Zwischen der Auslassöffnung 58 des Kompressors und der Einlassöffnung 77 des Expanders ist ein Wärmetauscher 80 mit Einlass 81 und Auslass 82 angeordnet.

Wenn die Rotoren in der durch die Pfeile angegebenen Richtung umlaufen, wird eine Charge warmer Luft durch die Öffnung 57 in den Raum 56 hineingezogen, in der divergierenden Stufe 52 nach und nach komprimiert, wobei die Kompression mit einem Temperaturanstieg der Luft verbunden ist. Die komprimierte Luft wird anschliessend durch die öffnung 58 in den Wärmetauscher 80 eingeführt, der zum Zwecke einer wirksamen Wärmeabführung mit Rippen oder dergleichen ausgestattet sein kann. Falls erwünscht, kann dem Wärmetauscher ein Kühlgebläse zugeordnet werden.

Infolge des Wärmeaustausches befindet sich die komprimierte Luft, welche aus dem Auslass 82 des Wärmetauschers aus- und in die Einlassöffnung 77 des Expanders eintritt, im wesentlichen bei Umgebungstemperatur. Beim Umlauf des Rotors 32 im Expander dehnt sich die aus dem Wärmetauscher eingetretene Luft in der divergierenden Stufe 75 aus, wobei ein Druck- und Temperaturabfall stattfindet. Schliesslich wird die Luft im kalten Zustand an der Auslassöffnung 78 des Expanders ausgegeben. Von hier kann die gekühlte Luft über eine Leitung 85 an die zu kühlende Stelle geleitet werden.

Es ist wünschenswert, dass die Luft, welche durch den Wärmetauscher 80 geleitet wird, im wesentlichen bei konstantem Druck gehalten ist. Um dies zu erreichen, sind die Auslassöffnung des Kompressors und die Einlassöffnung des Expanders so angeordnet, dass in der Absperrphase zwischen zwei benach-

- 14 -

609832/0858

Λ 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 -14- 2603323

barten Flügeln an der Expander-Einlassöffnung ein kleineres Luftvolumen eingeschlossen wird als an der Kompressor-Auslassöffnung. Hierdurch ist insbesondere Vorkehrung getroffen, dass gleiche Luftmassen zwischen benachbarten Flügeln an der Expander-Einlassöffnung und an der Kompressor-Auslassöffnung enthalten sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch bewerkstelligt, dass die Öffnungen 58,77 (Fig. 2 und 3) im wesentlichen symmetrisch sind und der Expanderabschnitt der Vorrichtung in Axialrichtung kürzer als der Kompressorabschnitt ist. Obwohl daher die konvergierenden und divergierenden Stufen 52,75, welche bei A und B im Zustand der Absperrung dargestellt sind, in der Axialprojektion der Zeichnung dieselbe Querschnittsfläche haben, wird durch die Tatsache, dass der Expanderabschnitt axial kürzer als der Kompressorabschnitt ist, in der Absperrphase bewirkt, dass jeder Expansionsraum entsprechend kleiner als der Kompressionsraum ist. Unter dem Ausdruck "Absperrung" versteht man denjenigen Punkt, bei dem jeder Kompressionsraum aufgebrochen wird, und derjenige Punkt, bei dem jeder Expansionsraum endgültig geschlossen wird. In Übereinstimmung mit dem Gesetz von Charles ist die Volumendifferenz der absoluten Temperatur der Luft in dem Raum direkt proportional. Mit anderen Worten: die Abmessungen der beiden Räume werden im Zustand der Absperrung so bemessen, dass die Massen der zwischen benachbarten Flügeln in den Positionen A und B enthaltenden Luft im wesentlichen gleich sind und gleiche Luftmengen pro Raum zwischen den Flügeln dem Wärmetauscher zu bzw. von diesem wieder abgeführt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die komprimierte Luft im wesentlichen unter konstantem Druck durch den Wärmetauscher hindurchgeführt wird, ohne dass dabei ein Gewinn oder ein Verlust oder Schwankungen

- 15 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 15 -

auftreten. Diese vorteilhafte Arbeitsbedingung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird hier als "Kompensation" bezeichnet.

Für die erstrebte Wirkung der Erfindung ist es jedoch nicht wesentlich, dass die beiden Kammern 26,27 unterschiedliche Axialabmessungen haben. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können die beiden Kammern axial genau gleich gross sein, wenn nur der Expander in seiner radialen Dimension derart verkleinert ist, dass der erforderliche Grad an Kompensation erreicht wird. Alternativ kann die erwünschte Wirkung auch dadurch erzielt werden, dass man die Achse 30 der Rotorwellen 29 zusätzlich um eine Strecke S mit Bezug auf das Vorrichtungsgehäuse nach der Seite hin verschiebt. Hierdurch wird, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, bewirkt, dass der in Axialprojektion dargestellte Bereich A grosser als der entsprechende Bereich B wird, und zwar gerade um soviel, dass die oben erwähnte Bedingung gleicher Massen erreicht wird. Weiterhin können, falls erwünscht, die jeweiligen Absperrkanten der Kompressor-Auslassöffnung und der Expander-Einlassöffnung - wie bei 58a und 77a in Fig. 6 bzw. 7 dargestellt - geringfügig entgegen der Umlaufrichtung der Rotoren verschoben werden, wodurch der Bereich A wiederum grosser als der Bereich B wird und die Bedingung der gleichen Massen erfüllt ist. Zum Zwecke einer gleichzeitigen Absperrung können die Kompressor- und Expanderrotoren relativ um einen ähnlichen Betrag verschoben werden. Gemäss der Erfindung kann jedwede geometrische Einstellung und Anordnung vorgenommen werden, einschliesslich einer Kombination der einzelnen, oben genannten Massnahmen, um die Masse der Luft im Bereich B gleich der Luftmasse im Bereich A zu machen.

r 16-

B09832/Ü8B8

Λ 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 -16- ? R Π "3 ^ ? ?

Es ist weiterhin von Vorteil, auch noch einen anderen Faktor im Zusammenhang mit der erfindungsgeraässen Vorrichtung zu beachten: die vordere Kante 78a der Expander-Auslassöffnung 78 sollte so angeordnet werden, dass dann, wenn der die sich expandierende Masse im Bereich B bestimmende Flügel jene Kante erreicht, diese Masse im wesentlichen bei Umgebungsdruck ist, so dass kein plötzlicher, nach auswärts oder einwärts gerichteter Luftausstoss mit damit verbundenem Geräusch erfolgt. Um diese Möglichkeit bei wechselnden Temperaturbedingungen der Umgebung, die von einem Temperaturwechsel im Wärmetauscher begleitet sind, zu reduzieren, ist ein Hilfsdurchlass in Gestalt einer schmalen Nut 78b in der Wand der Kammer ausgebildet, um einen Druckausgleich zu vermitteln, wenn sich der Flügel dem Punkt der Hauptentspannung nähert (Fig. 3).

Die Erfindung wurde im Voranstehenden unter Bezugnahme auf vier unterscheidbare Stufen des Rotationszyklus beschrieben. Es ist auch möglich, die Erfindung in einfacherer Weise zu beschreiben, wenn man in Betracht zieht, dass der exzentrisch versetzte Rotor innerhalb der ihm zugeordneten Kammer dieselbe in zwei Hälften teilt, welche im vorliegenden Fall links und rechts von einer Vertikalebene liegen, die ihrerseits sowohl die Achse 28 der Kammer als auch die Achse 30 der Rotorwelle enthält. Bei dieser Betrachtungsweise hat die Kompressionskammer eine gekrümmte Einlassöffnung 57, die sich wegen der Nuten 59 (Fig. 2, 2a) im wesentlichen über die gesamte divergierende Seite des Kompressorraumes erstreckt, sowie eine zusammengezogene Auslassöffnung 58, die nahe dem Ende der gegenüberliegenden oder konvergierenden Seite angeordnet ist, so dass die an der Einlassöffnung in aufeinanderfolgende Räume

- 17 -

609832/0858

Λ 41 583 m
m - 163

26. Januar 1976 -17-

eingebrachte Luft im komprimierten Zustand in den Wärmetauscher überführt v/ird. In ähnlicher Weise besitzt die Expansionskammer eine verengte Einlassöffnung 77, die nahe dem Anfang der divergierenden Seite liegt und die komprimierte Luft aus dem Wärmetauscher aufnimmt. Schliesslich besitzt die Expansionskammer eine gekrümmte Auslassöffnung 78, die wegen der zugeordneten Nute 79 die gesamte konvergierende Seite überspannt und der Abgabe der entspannten, auf niedere Temperatur abgekühlten Luft dient. Wie bereits festgestellt, gewährleistet die grosse, gekrümmte Ausdehnung der Einlassöffnung 57, dass in die Räume der Expansionsseite der Kompressionskammer kein Vakuum eingesaugt wird, während die grosse, gekrümmte Ausdehnung der Auslassöffnung 78, die durch die Nute 79 erweitert ist, Gewähr dafür bietet, dass keine unerwünschte Luftkompression stattfindet, wenn die Räume des Rotors die Kompressxonssexte der Expansionskammer überqueren.

Zusammenfassend lässt sich sagen: bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden jeweils gleiche Massen von Luft veranlasst, pro Zeiteinheit in den Wärmetauscher einzutreten und diesen wieder zu verlassen, was dadurch erreicht wird, dass man die engen öffnungen 58,77 relativ zur Rotorgeometrie anordnet oder ausbildet. Dies geschieht durch Abwandlung der öffnungen, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, durch Reduzierung der axialen Ausdehnung der Rotoren, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt, oder durch zusätzliche Versetzung der Rotorwelle in seitlicher Richtung, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt. Der Ausdruck "Rotorgeometrie" schliesst nicht nur diese Möglichkeiten ein, sondern darüber hinaus auch die Verwendung von Rotoren in Kammern unterschiedlicher Radien, die Verwendung iron Flügeln unter-

- 18 -

6098 3 2/0858

Λ 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 18 -

schiedlicher Dicke und beliebige andere Massnahmen, zur Erzielung unterschiedlicher Volumina in den Kammern der beiden Vorrichtungsabschnitte. Der Ausdruck "Rotorgeometrie" soll ferner so weit ausgelegt werden, dass er auch einen Betrieb des Expanderrotors bei einer geringfügig niedrigeren Geschwindigkeit einschliesst, so dass in einem vorgegebenen Zeitintervall gleiche Luftmassen in den Wärmetauscher eintreten und diesen wieder verlassen.

Die Vorteile der "dualen" Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung gegenüber der Vorrichtung gemäss der eingangs genannten US-Patentschrift sind offensichtlich. In erster Linie können die Kammern 26,27 mit vollkommen zylindrischen Wänden ausgebildet werden, die sich leicht durch herkömmliche Bohr- und spanabtragende Maschinen herstellen lassen. Weiterhin wird durch die Tatsache, dass die Flügel auf einem vollkommen kreisförmigen Weg umlaufen, vermieden, dass Coriolis-Beschleunigungskräfte auftreten. Es besteht infolgedessen keine Notwendigkeit, die Vorrichtung mit so hoher Präzision herzustellen, wie sie erforderlich wäre, wenn radiale Beschleunigungen der Flügel in entgegengesetzten Richtungen berücksichtigt werden müssten. Die Abwesenheit einer Coriolis-Beschleunigung der Flügel lässt sich leicht verifizieren, wenn man sich vorstellt, dass die Flügel bei abwesendem Rotor auf ihrem vorgeschriebenen Weg umlaufen. Es wird dann ersichtlich, dass mit Bezug auf einen festen Punkt die Flügel mit Bezug auf den Beobachtungspunkt tatsächlich ohne Verschiebungsbewegung umlaufen.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen Vorrichtung

- 19 -

609832/0858

Λ 41 583 m

m - 163

26. -Januar 1976 - 19 -

mit dualer Rotorkonstruktion und getrennten Kompressions- und Expansionskammern besteht darin, dass klappbare oder biegsame Flügel anstelle gleitbar angeordneter Flügel verwendet werden können. Hierdurch lassen sich Reibungsverluste, wie sie bei bekannten Vorrichtungen auftreten, vermeiden.

In den Fig. 8 bis 14 ist eine Ausführung der Erfindung dargestellt, die sich mit äusserst kleinem Kostenaufwand herstellen lässt und eine extreme Miniaturisierung erlaubt. Des besseren Verständnisses wegen, werden die gleichen, jedoch um 100 vergrösserten Bezugszeichen verwendet wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Eine Kompressor-Expander-Einheit 120 weist Kompressions- und Expansionsabschnitte 121, 122 mit Stirnplatten 123, 124 und einer Trennplatte 125 auf. Die gesamte Anordnung ist durch längsweise verlaufende Spannbolzen 123a zusammengehalten, so dass sich eine kompakte Einheit ergibt. Die Rotoren 131, 132, die fest mit der Welle 129 verbunden sind, weisen Flügel 141 bis 146 bzw. 161 bis 166 auf.

Wie in Fig. 11 dargestellt, ist die Kompressor-Einlassöffnung 157 durch Nuten 159 erweitert, so dass sie nahezu die gesamte divergierende (rechts gelegene) Seite des Kompressors überbrückt. In ähnlicher Weise erstreckt sich die Expander-Auslassöffnung 178 (Fig. 12) wegen der sie erweiternden Nuten 179 so weit, dass sie im wesentlichen die gesamte konvergierende Seite überspannt. Dies gewährleistet, dass sich diese Hauptöffnungen maximal füllen und entleeren und dass keine unnötige Arbeit an der Luft ausgeübt wird, welche dieselbe während des nichtarbeitenden Teils des Betriebszyklus in den

- 20 -

6098 3 2/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 20 -

Räumen zwischen den Flügeln zurückhalten würde.

Ein wesentliches Merkmal der Ausführungsform gemäss Fig. 8 bis 14 besteht darin, dass die Rotorflügel nicht in Schlitzen des Rotors gleitbar angeordnet sind, sondern dass sie unter Ausbildung eines sich verjüngenden Querschnittes einstückig mit dem Rotor ausgebildet sind, wobei ihre Enden leicht und nachgiebig an den Wänden der zylindrischen Kammern 126, 127 anliegen. Dabei stehen die mit dem Rotor verbundenen Flügel freitragend ab und verlaufen in entgegengesetzten Richtungen, so dass sie in jedem Abschnitt der Vorrichtung durch eine Art Schöpfwirkung Druck aufnehmen. Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist der Flügel 142, welcher gerade eine aktive Kompressionswirkung ausübt, in Richtung der unter Druck gesetzten Luft A konkav gewölbt. Als Ergebnis hiervon ist die Aussenkante 142a des Flügels durch den Druck abdichtend gegen die Wand der Kammer 126 gedrückt. In ähnlicher Weise ist im Expansionsabschnitt (Fig. 12) der Flügel 166, welcher der komprimierten Luft B unterworfen ist, in Richtung auf die Druckseite konkav gewölbt, so dass die Kante 166a unter der Druckeinwirkung im engen Kontakt mit der zylindrischen Wand der Kammer 127 gebracht ist. Es wurde gefunden, dass durch die hierdurch erreichte Schöpf-Wirkung ein Vorbeiblasen oder Auslecken der Luft um die Flügel herum verhindert ist. Selbst wenn die Flügel dünn und flexibel ausgebildet sind, können sie einem hohen Druck standhalten. Bei einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung hat ein Flügel eine durchschnittliche Dicke von lediglich etwa 1,25 mm und eine Fläche von etwa 37,5 mm χ 37,5 mm. Ein solcher Flügel kann einem nicht aus-

2 balancierten Druck in der Grössenordnung von etwa 2,5 kg/cm

- 21 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 21 -

standhalten. Diese Verhältnisse lassen sich jedoch nur erreichen, wenn die Flügel auf den Kompressions- und Expansionsrotoren nach einander entgegengesetzten Seiten hin gerichtet und jeweils gekrümmt oder konkav in Richtung des Druckes ausgebildet sind. Diese Anordnung stellt ein für den dualen Rotor der erfindungsgemässen Vorrichtung typisches Merkmal dar, das sich durch die Anordnung gemäss der eingangs erwähnten US-PS nicht erzielen lässt.

Der Grad der Verjüngung der Flügeldicke wird vorzugsweise so gewählt, dass sich jeder Flügel gleichförmig nach ein- und auswärts biegt, so dass Bereiche konzentrierter Biegebeanspruchung, insbesondere an der Basis, vermieden sind.

Um die oben erwähnten Bedingungen der "Kompensation" herzustellen, die für ein Arbeiten mit gleichen Luftmassen erforderlich sind, ist der Expansionsabschnitt 122 in axialer Richtung vorzugsweise kürzer ausgebildet, wie dies bereits für die Ausführungsform gemäss Fig. 1 angegeben wurde. Obwohl auf diese Weise die projizierten Flächen A, B gleich sind, genügen dennoch die jeweiligen Volumina der Bedingung der gleichen Massen. Alternativ kann auch die Achse 130, ebenso wie in Fig. 4 und 5, geringfügig seitlich versetzt werden, oder es können die Kanten der Öffnungen 158, 177 entgegen der Umlaufrichtung der Rotoren (vgl. Fig. 6 und 7) verschoben werden.

Um ein geringes Ausmass an Vorspannung zu erzeugen, sind die Rotorflügel 141 bis 146 im ungebogenen Zustand entweder geradlinig oder sie weisen einen geringen Betrag einer umgekehrten Krümmung auf, wie dies in Fig. 13 dargestellt ist. Der in

- 22 -

609832/0.8 58

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 22 -

dieser Figur dargestellte Rotor 131 kann in herkömmlicher Weise aus flexiblem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyäthylen oder "Delrin" geformt, insbesondere gegossen werden, wobei der sich in geschmolzenem Zustand befindende Werkstoff des Rotors vorzugsweise mit einem eine Schmierung vermittelnden Reagenz versetzt wird, beispielsweise Molybdändisulfid. Daneben kann auch die Innenseite der Kammer, in welcher der Rotor umläuft, mit Teflon beschichtet werden. Als weitere Alternative kann der-Rotor 131 selbst aus Teflon hergestellt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung v/erden die Flügel 141 bis 146 jedoch nicht gegossen oder gespritzt sondern durch eine Abschaboperation aus einem vollkommen ringförmigen Rohling 200 aus flexiblem Kunststoff (vgl. Fig. 14) gewonnen. In Fig. 14 sind die Trennlinien der auszubildenden Flügel strichpunktiert angegeben. Die Abschabung kann durch ein Messer 201 erfolgen, welches auf einem Schlitten 202 angeordnet ist. Der Schlitten ist seinerseits von Rollen 203 abgestützt, die auf einer Schienenführung 204 abrollen. Es können insgesamt vier Rollen verwendet werden mit einer Spannweite, welche grosser als die axiale Erstreckung des Rohlings 200 ist, so dass das Messer 201 einen ungehinderten Schnitt ausführen kann. Es werden (nicht dargestellte) Mittel benutzt, um den Rohling 200 in der dargestellten Lage festzuspannen, worauf der Schlitten 202 mit entsprechender Kraft auf der Schienenführung entlanggeführt wird, wobei das Profil der Schienenführung das Profil des von dem Messer ausgeführten Schnittes bestimmt. Schliesslich stösst der Schlitten am Ende der Schienenführung gegen einen Anschlag 205.

- 23 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 23 -

Die den Rohling 200 während des Schneidens einspannende Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie sich in Schritten von jeweils 60 Grad fortschaltet. Auf diese Weise lässt sich eine Reihe von Flügeln in rascher Aufeinanderfolge wirtschaftlich durch Abschaben herausarbeiten.

Nach Abschluss der Abschaboperation werden die Flügel vorzugsweise erhitzt, so dass sie in ihrer Auswärtserstreckung eine solche permanente Aushärtung erhalten, dass sie, wie in Fig. 13 dargestellt, in umgekehrter Richtung hin gebogen sind. Dies erfolgt mit Hilfe einer aufheizbaren Einspannvorrichtung 210, die in Fig. 15 dargestellt ist und zwei durch elektrische Heizelemente 213,214 aufheizbare Backen 211,212 aufweist. Der Werkstoff der Flügel wird dabei bis zur Temperatur des beginnenden Schmelzens oder wenigstens soweit aufgeheizt, dass Spannungszustände aufgehoben werden. Die Backen 211, 212 können an Hebeln 215,216 angeordnet sein, die bei 217 drehbar miteinander verbunden sind und durch eine Feder 218 eine Vorspannung erfahren. Um die Einspannvorrichtung nach Aushärtung des Flügels in der gewünschten Gestalt und Lage abzulösen, werden die Griffe der Hebel 215,216 gegen den Federdruck zusammengepresst. Die dargestellte Einspannvorrichtung kann erfindungsgemäss zum Zwecke einer wirtschaftlichen Rotorproduktion derart verbessert werden, dass sie jeweils sechs aufheizbare Backenpaare besitzt, die gleichzeitig in Heizstellung bringbar und von dem ausgehärteten Flügel ablösbar sind.

Ein Vorteil des gemäss Fig. 14 und 15, insbesondere durch eine Abschaboperation hergestellten Rotors liegt darin, dass jedem Flügel eine genau angepasste und ihn aufnehmende Aussparung im Rotor zugeordnet ist, so dass praktisch kein Rest-

- 24 -

609832/0 858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 24 -

oder mitgerissenes Volumen auftritt, wenn die Minimum-Stufe des Arbeitszyklus durchlaufen wird.

Obwohl es besonders vorteilhaft ist, die Rotorflügel aus dünnem, biegsamem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei die Rotorflügel einstückig und schwenkbar am Rotorumfang angeordnet sind, ist es gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch möglich, die Flügel an den beiden Rotoren frei schwenkbar anzulenken, beispielsweise

OiS^OjaergchrjitL/
dadurch, dass man einenHareisförmigen Wulst an der Innenkante jedes Flügels anordnet und diesen in einen hinterschnxttenen Schlitz einbringt, der am Rohling des Rotors herausgearbeitet oder beim Giessen erzeugt wird. Dies ist in Fig. 16 und 17 dargestellt, die den Fig. 11 und 12 entsprechen, ausgenommen die Art und Weise der Flügelmontage. Weiterhin sind in Fig. 16 und 17 die Bezugszeichen einander entsprechender Teile gegenüber Fig. 11 und 12 um 100 vergrössert. Die Flügel der Ausführungsform gemäss Fig. 16 und 17 v/erden vorzugsweise aus biegsamem Kunststoffmaterial hergestellt, welches, ebenso wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, mit einem Antifriktionsmaterial versetzt ist. Auch bei der Ausführungsform gemäss Fig. 16 und 17 können die Innenseiten der Kammern 226, 227 wieder mit Teflon oder dergleichen beschichtet sein.

Wenn die Wülste 290 der Flügel jeweils fest, jedoch frei schwenkbar in den Schlitzen oder Nuten 291 verankert sind, reicht die beim Anlaufen der Vorrichtung auftretende Zentrifugalkraft normalerweise aus, um das anfängliche Anlegen der Flügel gegen die Wände der Kammern 226, 227 zu gewährleisten. Der sich anschliessend entwickelnde Druck gegen die konkav

- 25 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 25 -

gewölbten Seiten der Flügel bewirkt eine Abdichtung gegenüber einem Auslecken der Luft. Dennoch können, falls erwünscht, kleine Schraubenfedern 292 in Aussparungen 293 unter jedem Flügel angeordnet werden, um eine leichte, nach aussen gerichtete Vorspannung zu erzeugen.

Die Ausführungsformen gemäss Fig. 8 bis 17 mit einstückigen, flexiblen oder klappbar angelenkten Flügeln bieten sich für eine extreme Miniaturisierung an und ermöglichen eine "Punktkühlung", wo immer eine solche nötig ist, beispielsweise an Einzelteilen elektronischer oder elektrischer Schaltungsanordnungen. Der Miniaturisierungsgrad ist praktisch nicht begrenzt. Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung kann in ihren grössten Abmessungen auf etwa 2 Zoll herabgesetzt werden. Ein besonders bevorzugtes, miniaturisiertes "Kühlpaket" ist in Fig. 18 dargestellt, in der eine Kompressor-Expander-Einheit 120 von im wesentlichen quadratischen Querschnitt an der einen Seite eng mit einem Antriebsmotor 300 gekoppelt ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite 301 ist ein Wärmetauscher 302 mit der leicht zugänglichen Kompressor-Auslassöffnung 158 verbunden, wobei sich die zuletzt genannte öffnung in der linken, unteren Ecke der in Fig. 19 dargestellten Stirnansicht befindet. Weiterhin ist der Wärmetauscher an der Stirnseite 301 mit der Expander-Einlassöffnung 177 über eine Leitung 303 verbunden, welche das Paket rechts unten durchdringt. Der Wärmetauscher 302 hat die Form eines mit Rippen versehenen Rohres, welches entsprechend Fig. 19 halbkreisförmig gebogen ist. Zentral in der Biegung des Rohres ist ein Gebläserotor 304 angeordnet, welcher am äussersten Ende der Welle 129 befestigt ist. Umgebungsluft wird in die Mitte des Gebläses über

- 26 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 26 -

eine Öffnung 305 eingeleitet. Die Entlüftung nach aussen erfolgt über Öffnungen 306. Die Expander.Auslassöffnung 178 ist an eine Leitung 307 angeschlossen, über welche die gekühlte Luft an die zu kühlende Stelle geleitet wird.

Ein vorteilhaftes Merkmal des "dualen" Aufbaus der erfindungsgemässen Vorrichtung, wonach" Kompressor und Expander Seite an Seite angeordnet sind, besteht darin, dass diese beiden Vorrichtungsteile voneinander isoliert werden können, um einen Wärmeübergang vom Kompressor zum Expander zu vermeiden. Auf diese Weise können diese beiden Vorrichtungsteile bei verschiedenen Arbeitstemperaturen betrieben werden. Diese Isolierung lässt sich bei der Ausführungsform gemäss Fig. 8 leicht durch zusätzliche Anordnung einer Isolierschicht in der Trennplatte 125 erreichen. In diesem Falle würde die Trennplatte aus drei Schichten bestehen, nämlich aus zwei Verschlussplatten für die jeweiligen Vorrichtungsabschnitte und eine dazwischen angeordnete Isolierschicht 310 (Fig. 20). Die Isolierschicht kann beispielsweise aus einem massiven Kunststoffring oder Abstandhalter 311 bestehen, welcher dem Umriss der Trennplatte folgt und einen Raum bestimmt, der mit einer Lage isolierenden Schaums 312 gefüllt wird. Eine entsprechende Isolierlage kann den in Fig. 3 mit 313 bezeichneten Raum einnehmen. Es ist nicht unbedingt erforderlich, bei der erfindungsgemässen Vorrichtung besondere Massnahmen zu treffen, um einen Wärmeübergang von dem einen zum anderen Ende der Rotorwelle zu verhindern, da dies durch den isolierenden Effekt der aus Kunststoff bestehenden Rotorkörper besorgt wird. Bei grösseren Kompressor-Expander-Einheiten gemäss der Erfindung, bei denen, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, metallische Rotoren Anwendung

- 27 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 27 -

finden, kann die Welle 29 einen zusammengesetzten, eine isolierende Sperre einschliessenden Aufbau aufweisen, um einen Wärmeübergang durch die Welle von einer Seite zur anderen zu verhindern.

Die in Fig. 18 dargestellte Kühlvorrichtung kann auch eine isolierende Schicht 314 zwischen dem Expanderabschnitt 122 und dem Motor 300 aufweisen, um Wärmeverluste zum Motorgestell hin zu vermeiden. Die Dicke dieser Schicht 314 kann jedoch mit Absicht begrenzt werden, oder man kann die Schicht 314 auch ganz weglassen, so dass der Motor von dem Expanderabschnitt eine gewisse Kühlung erhält. Auf diese Weise kann man einen Motortyp verwenden, der nicht durch besondere Belüftung gekühlt ist.

In der voranstehenden Beschreibung wurde vorausgesetzt, dass das Vorrichtungsgehäuse aus thermisch leitendem Metall besteht. Bei einer billigen Ausführungsform kann das Gehäuse einschliesslich Kompressor- und Expanderabschnitt, aus Kunststoff von geringer thermischer Leitfähigkeit geformt werden, vorzugsweise aus einem Kunststoff, der Selbstschmiereigenschaften aufweist oder mit einem Schmiermittel versetzt ist. Ein solches Kunststoffgehäuse ist in Fig. 21 dargestellt. Dieses Gehäuse umfasst ein einstückiges, zylindrisches Teil 320, an dem Stirnwände 321, 322 angeordnet sind. Diese Wände dienen der Lagerung einer Welle 330, auf welcher in gegenseitigem Abstand Rotoren 331, 332 sitzen. Die Rotoren sind so ausgebildet, wie es in Zusammenhang mit Fig. 13 beschrieben wurde. Das zylindrische Teil 220 ist durch eine teleskopierend eingesetzte Scheibe 340 in eine Kompressions- und eine Expansionskammer 333 bzw. 334 unterteilt. Die Scheibe 340 kann durch

- 28 -

609832/08 58

Λ 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 28 -

einen O-Ring 341 abgedichtet sein. Die Scheibe 340 weist ferner eine Bohrung für den Durchlass der Welle 330 auf, die durch eine Antifriktionsbuchse 342 ausgefüttert sein kann. Die Scheibe 340, die vorzugsweise aus einem abnutzungsfestem Kunststoff besteht, dient der thermischen Isolierung und kann mit Schaum gefüllt sein, um den Isolationseffekt zu erhöhen.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Kompressions- und Expansionsabschnitte der Vorrichtung koaxial angeordnet sind, wobei die Rotoren auf derselben Welle montiert sind, können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung diese beiden Vorrichtungen auch Seite an Seite angeordnet werden, wobei die Rotoren auf getrennten Wellen sitzen, die im gegenseitigen Abstand angeordnet sind und durch Getriebemittel, beispielsweise Zahnriemen oder Getrieberäder, miteinander verbunden sind. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung der Ausdruck "Seite an Seite" verwendet wird, soll hierunter sowohl eine koaxiale als auch eine nebeneinanderliegende Anordnung der Korapressions- und Expansionskammern verstanden werden. Bei der nebeneinanderliegenden Anordnung kann die vorerwähnte "Kompensation" dadurch erfolgen, dass man die Volumina A und B gleichmacht, jedoch den Rotor des Expanders mit geringerer Geschwindigkeit umlaufen lässt, wobei die Geschwindigkeit der Luftmasse in den genannten Volumina umgekehrt proportional ist. Eine solche unterschiedliche Geschwindigkeit lässt sich leicht durch Verwendung ungleich grosser Zahnräder erreichen, welche in den zuvor erwähnten Zahnriemen eingreifen. Stattdessen können auch ineinander eingreifende Getriebezahnräder Anwendung finden, die das gewünschte Untersetzungsverhältnis erzeugen. Alternativ kann der Raum B auch dadurch verkleinert werden,

- 29 -

609832/0 858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 29 -

dass man die Antriebswellen, wie in Fig. 4 un5 dargestellt, seitlich versetzt.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind die Ein- und Auslassöffnungen von radialen Öffnungen in der Gehäusewand gebildet. Durch Ausbildung der Öffnungen als eine Mehrzahl von peripher verlaufenden Schlitzen (vgl. die Bezugszeichen 57,58 und 77,78 in Fig. 1 bis 3) und Nuten (Fig. 2a), stehen jeweils kontinuierlich verlaufende Stegflächen zur Verfügung, um die Flügelkanten auf ihrer kreisförmigen Umlaufbahn abzustützen. Darüber hinaus sind die freien Flügelkanten ohne Zuhilfenahme schmaler Stegflächen immer dort voll abgestützt, wo die Flügel unter Druck stehen. Infolgedessen führt das Laufen der Flügel über die Vorrichtungsteile an den Flügelkanten nicht zu einer beschleunigten Abnutzung. Wenn jedoch die Flügelkanten maximal geschützt werden sollen, können anstelle der radial gerichteten Durchlässe und Öffnungen entsprechende Durchlässe und Öffnungen Anwendung finden, welche in axialer Richtung an den Stirnplatten der Vorrichtung angeordnet sind. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 22 verwiesen, in welcher die den Bezugszeichen in Fig. 10 und 12 entsprechenden Bezugszeichen mit "a" versehen sind. In Fig. 22 hat der Expandereinlass die Gestalt einer durchgehenden Öffnung 177a, die in der Stirnplatte 124a ausgebildet ist. Der Expanderauslass hat die Gestalt einer weiten, gekrümmten, durchgehenden Öffnung 178a. Es können Leitungen vorgesehen werden, die mit diesen Öffnungen ausgerichtet sind. Ähnliche, axial verlaufende Öffnungen können in der gegenüberliegenden Stirnplatte 120 (Fig. 9) ausgebildet werden, um den Kompressor (Fig. 11) entsprechend zu versorgen.

- 30 -

609832/0858

A 41 583 m

m - 163

26. Januar 1976 - 30 -

Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können auch miteinander zusammenwirkende Durchlässe sowohl in der zylindrischen Kammerwand als auch in den Stirnwänden ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Expander-Auslassöffnung 178 in der zylindrischen Wand entsprechend Fig. 12 vorgesehen werden, während mit ihr verbundene, gekrümmte Nuten, die in ihrer Funktion den Nuten 179 entsprechen, an der Innenseite der Stirnplatte 124 ausgebildet werden können. Somit umfasst der hier benutzte Ausdruck"Innenwand" oder "Innenseite" sowohl die Zylinderwand des Gehäuses als auch die Stirnplatten. Der Ausdruck "angelenkt" ist so zu verstehen, dass er sowohl schwenkbare als auch flexible Gelenkverbindungen umfasst. Der Ausdruck "Kunststoff" bezieht sich auf beliebige, flexible, abnutzungsfeste, nichtmetallische Werkstoffe. Obwohl die Vorrichtung hier im Zusammenhang mit der Kühlung von Luft beschrieben ist, eignet sie sich selbstverständlich auch für die Kühlung anderer Gase.

- 31 -

60 9 8 32/0858

Claims (23)

1. A 41 583. m

   m - 163

   26. Januar 1976 - 31

   Patentansprüche :

   Vorrichtung zum Kühlen von Luft, bei welcher die Luft in Kompressions- und Expansionskammern eines Gehäuses

   ' mittels angetriebener Rotoren von zylindrischer Gestalt komprimier- bzw. expandierbar und zwischen Kompressionsund Expansionskammer ein von der komprimierten Luft durchflossener Wärmetauscher vorgesehen ist, und wobei von der Mantelfläche der Rotoren in gleichmässigen Abständen Flügel abstehen, deren freie Aussenkanten an den Innenseiten der Kammern anliegen und hierdurch zwischen den Flügeln jeweils abgeschlossene Räume bil-

   . den, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   (a) die Achse (30) der Rotoren. (31,32) ist gegenüber der Achse (28) der inwendig ebenfalls zylindrisch, jedoch mit grösserem Durchmesser als die Rotoren ausgebildeten Kammern (26,27) derart versetzt, dass die Rotoren an einer Stelle bis dicht an die Kammerinnenwand heranreichen und zwischen den Rotoren und der Kammerinnenwand konvergierende und divergierende, seitlich vom Rotor gelegene Bereiche entstehen;

   (b) die Kompressionskammer (26) weist eine relativ weite, sich über den größeren Teil des divergierenden Kammerbereiches (54,55,56) erstreckende Einlassöffnung (57) für Luft sowie eine relativ enge, am Ende des konvergierenden

   - 32 -

   609832/0858

   A 41 583 m

   m - 163

   26. Januar 1976 - 32 -

   Bereiches (51,52,53) gelegene, mit dem Einlass (81) des Wärmetauschers (80) verbundene Auslassöffnung (58) für komprimierte, erwärmte·Luft auf;

   (c) die Expansionskammer (27) weist eine relativ enge, am Anfang des divergierenden Bereiches (74,75,76) gelegene, mit dem Auslass (82) des Wärmetauschers (80) verbundene Einlassöffnung für komprimierte, im Wärmetauscher gekühlte Luft sowie eine relativ weite, sich über den größeren Teil des konvergierenden Kammerbereiches (71,72,73) erstreckende Auslassöffnung (78) für expandierte und hierdurch weiterhin gekühlte Luft auf;

   (d) die geometrische Anordnung und die Abmessungen der Kammern (26,27), der Rotoren (31,32) und der relativ engen Öffnungen (58,77) sind so getroffen und aufeinander abgestimmt, dass pro Zeiteinheit gleiche Luftmassen den Wärmetauscher (80) durchdringen und letzterer bei im wesentlichen konstantem Druck arbeitet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressoreinlass- und die Expanderauslassöffnungen (57,78) durch seitlich am Gehäuse angeordnete Öffnungen gebildet sind, denen zur Erweiterung ihrer wirksamen Länge gekrümmte Nuten in den Wänden der Kammern (26,27) zugeordnet sind, die mit den Öffnungen in Verbindung stehen.

   - 33 -

   609832/0858

   A 41 583 m

   m - 163

   26. Januar 1976 - 33 -
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (142,166) ein gekrümmtes Profil aufweisen, gelenkig mit dem Rotor (31,32) verbunden und in Richtung gegen den Druck gewölbt sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (31,32) koaxial auf ein und derselben Welle (29) angeordnet und die Rotorflügel nach entgegengesetzten Richtungen hin gekehrt sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (131,132) aus flexiblem Kunststoff bestehen und die Flügel (142,166) einstückig mit dem Rotor sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (142,166) frei abstehend aus dem Material des Rotors (131,132) herausgearbeitet sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel eine sich in Richtung auf ihre freie Kante hin verringernde Dicke besitzen.
8. 8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (131, 132) in der Nähe jedes Flügels (142,166) eine den Flügel aufnehmende, an die Flügelform angepasste Ausnehmung aufweist.

   - 34 -

   6098 3 2/0bb8

   A 41 583 m

   m - 163

   26. Januar 1976 - 34 -
9. 9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (142,166) im nicht vorgespanntem Zustand radial vom Rotor abstehen, wobei ihre freien Kanten auf einem Kreis liegen, dessen Durchmesser grosser als der Durchmesser der Kammer (126, 127) ist, und dass die Flügel nach dem Einsetzen des Rotors in die Kammer elastisch an der Kammerinnenwand anliegen.
10. 10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel aus insbesondere elastischem Kunststoffmaterial hergestellt sind, welches Selbstschmiereigenschaften aufweist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerinnenseite mit Antxfriktionsmaterial ausgekleidet ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (142,166) in ihrem nicht vorgespannten Zustand eine leichte Krümmung besitzen, die ihrer Wölbung im Betriebszustand entgegengesetzt ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (241,261) einen zylindrischen Wulst (290) aufweisen, mit dem sie schwenkbar in eine hinterschnittene Ausnehmung (291) des Rotors (231,232) derart eingesetzt sind, dass sie zwischen einer nach auswärts gerichteten-Lage und einer an der Fläche des Rotors anliegenden Lage beweglich sind.

    - 35 -

    6098 3 2/08b8

    A 41 583 m

    m - 163

    26. Januar 1976 - 35 -
14. 14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor (31,32) Schlitze ausgebildet sind, in denen die Flügel (41,61) in Richtungen gleitbar sind, welche symmetrisch angeordnete Sekanten des Rotorquerschnitts darstellen.
15. 15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrkante wenigstens einer mit dem Wärmetauscher (80) verbundenen Öffnungen (58,77) entgegen der Umlaufrichtung des Rotors (31,32) derart versetzt ist, dass jeweils zwischen benachbarten Flügeln (41,42; 61,62) in der Absperrphase an der Expander-Einlassöffnung (77) ein kleineres Volumen als an der Kompressor-Auslassöffnung (58) eingeschlossen ist.
16. 16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei koaxial angeordneten Rotoren (31 ,32) die Rotorachse (30) gegenüber der Achse (28) der Kammer (26,27) derart seitlich versetzt ist, dass jeweils zwischen benachbarten Flügeln (41,42; 61,62) in der Absperrphase an der Expander-Einlassöffnung (77) ein kleineres Volumen als an der Kompressor-Auslassöffnung (58) eingeschlossen ist.
17. 17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei koaxial angeordneten Kammern (26,27) die Expansionskammer (27) eine geringere axiale Ausdehnung als die Kompressionskammer (26) aufweist, so dass jeweils zwischen benachbarten Flügeln (41,42; 61,62) in der Absperrphase an der Expander-

    - 36 -

    609832/08S8

    A 41 583 m

    m - 163

    26. Januar 1976 - 36 -

    Einlassöffnung (77) ein kleineres Volumen als an der Kompressor-Auslassöffnung (58) eingeschlossen ist.
18. 18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Wärmedämmung zwischen den Kammern (26,27) eine wärmeisolierende Schicht (310) angeordnet ist.
19. 19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (26,27) unter Zwischenschaltung einer Trennplatte (25) koaxial dicht zusammengepackt sind und an gegenüberliegenden Stirnseiten durch Platten (23,24) abgeschlossen sind, in denen Lager für die Rotorwelle (29) angeordnet sind.
20. 20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (25) aus thermisch isolierendem Material besteht und Mittel (23a) vorgesehen sind, um die Kammern (26,27) dicht zusammenzuspannen.
21. 21. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einstückiges, zylindrisches Gehäuse (320) vorgesehen ist, in dem die Kammern (333,334) zwischen den Stirn- und Endplatten (321,322,340) ausgebildet sind, wobei die Trennplatte (340) als wärmeisolierende Scheibe abgedichtet in das Gehäuse eingeschoben ist.
22. 22.· Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Rotorwelle

    - 37 -

    609832/0858

    A 41 583 m

    m - 163

    26. Januar 1976 - 37 -

    (29) mit einem Motor (300) verbunden ist, dass der Wärmetauscher (302) in Form eines mit Rippen versehenen Rohres an der dem Motor abgekehrten Seite der Vorrichtung angeordnet ist, und dass dem Wärmetauscher

    (302) ein Gebläse (304) zugeordnet ist.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Motor abgekehrte Stirnseite eines Gehäuses von im wesentlichen quadratischen Querschnitt in einer Ecke die Kompressor-Auslassöffnung (158) aufweist, die gleichzeitig den Einlass (81) des Wärmetauschers (302) bildet, dass der Auslass (82) des Wärmetauschers (302) in einer anderen Ecke der Stirnseite über eine Leitung

    (303) mit der Expander-Einlassöffnung (177) verbunden ist, und dass der Wärmetauscher (302) dicht an der Stirnseite (301) angeordnet ist.

    609Ö32/08b8