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Kompressor zum Verdichten von gasförmigen Medien
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Die Erfindung betrifft einen Kompressor, bestehend aus einer in einem
Gehäuse angeordneten Verdichtungskammer mit zugeordnetem Ein- und Auslaßventil und
einem in einem Zylinder geführten Verdichterkolben.
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Es ist bereits bekannt, bei Wärmepumpen, die nach dem Verdichtungsprinzip
arbeiten, mit einem den Verdichtungskolben betätigenden Antrieb zu versehen. Als
Antriebe können Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren verwendet werden, die über
einen Exzenter mit Pleuel den Verdichtungskolben betätigen. Auch können von einem
Drehantrieb her Schraubenverdichter direkt angetrieben werden.
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Diese Verdichter haben einen hohen mechanischen Aufwand mit Verschleißanfälligkeit,
hohen Herstellungskosten und Dichtungsproblemen des Kältemittels gegenüber dem Verdichterkolben
sowie der Schmierung bei hermetisch abgedichteten Kompressoren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichter vorzuschlagen, der
sich durch einen einfachen Aufbau, günstige Schmier- und Dichtungsverhältnisse sowie
einen geringen Verschleiß und hohe Dichtigkeit des Verdichterkolbens gegenüber dem
Verdichtungsmedium auszeichnet.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, die eigentliche
Verdichtungskammer kolbenseitig mittels einer elastischen Membrane von dem übrigen
Kammerraum abzutrennen und den Kammerraum zwischen Membrane und der wirksamen Kolbenfläche
des Verdichterkolbens in seiner unteren Totlage mit einer Flüssigkeit als Druckmedium
zu füllen, wobei das Füllvolumen des Druckmediums so bemessen ist, daß bei in oberer
Totlage befindlicher wirksamer Kolbenfläche die Membrane unter der Wirkung des Druckmediums
das Volumen der Verdichtungskammer verdrängt.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das Gehäuse der eigentlichen
Verdichtungskammer vorzugsweise schalenförmig nach Art einer Seilkurve im Querschnitt
ausgebildet. Die Druckmediumkammer ist bevorzugt als leicht tellerförmig gewölbter
Flansch mit Zylinderkammer ausgebildet. Der Umfang der Membrane ist dichtend zwischen
dem Ober- und Unterteil des Gehäuses eingespannt, und deren Oberfläche beträgt ein
Mehrfaches der wirksamen Kolbenfläche. Die Membrane ist in ihrer Ausgangslage vorzugsweise
zur Verdichtungskammer hin leicht auf gewölbt. Das Gehäuse der Verdichtungskammer
ist von Kühlschlangen durchsetzt bzw. umgeben. Die Oberfläche dem Membrane ist vorteilhafterweise
größer als die wirksame Kolben fläche.
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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Verdichters können mehrere Verdichterkolben
von mehreren Verdichtern auf einem gemeinsamen heb- und senkbaren Joch parallel
angeordnet werden und bei Bedarf um 1800 phasenverschoben arbeiten.
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Auch können mehrstufige Verdichter in Kaskadenschaltung mit verschiedenen
Verdampfungsmitteln zur Erzielung höherer Temperaturen an dem Wärmeaustauscher verwendet
werden.
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Vorteil der vorgeschlagenen Bauweise ist, daß durch den Einbau der
Membrane eine Trennung des meist sehr aggressiven Verdichtungsmediums wie Alkohol,
Chlorfluorkohlenstoff oder dergleichen gegenüber dem Verdichtungskolben erreicht
wird.
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Damit entfallen auch die Schmier- und Dichtungsprobleme des Kolbens
gegenüber den Verdichtungsmedien. Der Kolben wird jetzt durch Verwendung von Hydrauliköl
als Druckmittel zur Ubertragung des Kolbenhubes auf die Membrane gleichzeitig geschmiert.
Außerdem kann der schädliche Raum in der Verdichtungskammer sehr klein gehalten
werden, da bei ausreichendem Volumen des Druckmediums die Membrane praktisch bei
dem vollen Kolbenhub soweit gedehnt werden kann, daß diese das Volumen der eigentlichen
Verdichtungskammer voll ausfüllt. Es können infolge Fortfalles der Schmier- und
Dichtungsprobleme bei niedrigen Temperaturen verdampfende Kältemittel eingesetzt
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Zeichnung dar. Es
zeigen: Fig. 1 einen Wärmepumpenkompressor in der Seitenansicht im Schnitt, Fig.
2 mehrere Wärmekompressoren mit Kolbenantrieb über ein Joch, Fig. 3 eine Kaskadenschaltung
von Kompressoren im Prinzip, Fig.4 zwei Kompressoren in Boxeranordnung im Prinzip.
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In der Fig. 1 ist mit 1 ein oberer.Gehäuseteil bezeichnet, der mit
einem unteren flanschartig ausgebildeten Gehäuseteil 2 unter Einspannen einer elastischen
Membrane 3 mittels Schraubenbolzen 4 verbunden ist. In dem oberen Gehäuseteil 1
sind mit dem Einlaßventil VE verbundene Kanäle 5 und mit dem Auslaßventil VA verbundene
Kanäle 6 vorgesehen. Der obere Gehäuseteil 1 weist einen inneren Hohlraum auf, der
die eigentliche Verdichtungskammer 1a bildet, die im Querschnitt vorteilhafterweise
als Seilkurve S ausgebildet ist. Die Verdichtungskammer 1a wird nach unten von der
Membrane 3 begrenzt. Der untere flanschartig ausgebildete Gehäuseteil 2 weist eine
sogenannte Verdrängungskammer 2a auf, die beispielsweise bei in seiner unteren Totlage
befindlichen, in einem Zylinder 7 geführten Kolben 7a über den Einfüllstutzen 13
und den Kanal 13a mit einem Druckmedium, beispielsweise Hydraulikölsoweit angefüllt
ist, daß die Membrane 3 vorteilhafterweise ganz leicht zur Verdichtungskammer 1a
hin aufgewölbt ist. Das Hydrauliköl schmiert gleichzeitig die Zylinderwandung während
der Kolbenbewegung. Der in dem Zylinstarr oder der 7 geführte Kolben 7a ist mit
seiner Kolbenstange 7bHgelenkig, beispielsweise auf einer Kurbel 10 befestigt, die
von einem nicht weiter dargestellten Motor über eine Welle 11 angetrieben wird.
Auch ist es möglich, die Kolbenbewegung zwischen unterem Totpunkt UT und oberem
Totpunkt OT über einen Verbrennungsmotor, beispielsweise Stelzer-Motor oder Huf-Motor
zu bewirken.
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Sobald sich der Kolben 7a vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt
OT hin bewegt, wird das sich in der Verdrängungskammer 2a befindliche Druckmedium
9 unter Aufwölben der elastischen Membrane 3 in die -Verdichtungskammer 1a
hinein
aus der Zylinderkammer verdrängt und verdichtet das vorher über das Einlaßventil
VE und den Elnlaßkanal 5 eingeströmte gasförmige Medium 8 auf den im Kondensator
eingestellten Druck. Während der Kolbenbewegung zum oberen Totpunkt OT hin wird
das gesamte Druckmedium 9 aus dem Zylinderraum verdrängt und wölbt die elastische
Membrane 3 soweit auf, daß das gesamte Verdichtungsmedium 8 komprimiert und über
das Auslaßventil VA und den Auslaßkanal 6 verdrängt wird, sobald sich die Membrane
3 mit ihrer Oberfläche an die innere Wandung des Gehäuseteils 1 anlegt und dadurch
keinen oder nur ganz geringfügig "schädlichen Raum" entstehen läßt. Das Verdichtungsmedium
8 wird einem Kondensator zugeführt, in welchem das Verdichtungsmedium 8 unter Abgabe
der Wärmeenergie und Kondensationswärme über einen Wärmeaustauscher sich verflüssigt,
sich bei Passieren eines Drosselventils entspannt, in einem Verdampfer unter Wärmezufuhr
in den gasförmigen Zustand überführt wird und erneut in die Verdichtungskammer la
gelangt. Um die beim Verdichten des Verdichtungsmediums 8 unter Einwirkung des Druckmediums
9 in der Verdichtungskammer 1a entstehende Wärme abzuführen, sind um das Gehäuseteil
1 und 2 bzw. um den Gehäuseteil 1 von Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durchflossene
Kühlrohre 12 angeordnet.
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Anstelle der Kühlrohre 12 können auch Kühlrippen an den Gehäuseteilen
1 und 2 angeordnet sein, die zur Kühlung des Verdichtungsmediums 8 dienen, damit
die Verdichtung entlang der Sättigungskurve erfolgt und die erforderliche Verdichtungsarbeit
vermindert wird.
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Mit der entgegengesetzten Bewegung des Kolbens 7a vom oberen Totpunkt
OT zum unteren Totpunkt UT federt die elastische Membrane 3 ebenfalls aus dem Bereich
der Verdichtungskammer 1a in ihre Ausgangslage zurück und saugt dabei über das Einlaßventil
VE Kältemitteldampf als Verdichtungsmedium 8 in die Verdichtungskammer 1a ein, worauf
sich der Arbeitszyklus des Verdichtungskolbens 7a fortlaufend wiederholt.
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Da die elastische Membrane 3 unter Einwirkung der auf das Druckmittel
9 durch den Kolbenhub ausgeübten hydraulischen Kraft sich etwa entlang einer Seilkurve
S verformt, soll die räumlich .-Begrenzung aer veralcntungsammer lavvorteilharterwelse
entsprechend der entstehenden Durchbiegungskurve geformt werden die abhängig ist
von der Dicke und Elastizität des verwendeten Membranematerials. Dadurch wird erreicht,
daß der"schädliche Raum" sehr klein gehalten werden kann. Weiter wird damit erreicht,
daß die-elastische Membrane 3 an der Einspannung an ihrem Umfang keinen abrupten
Knickbelastungen unterworfen wird, was für die Lebensdauer der Membrane 3 nachteilig
wäre.
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Die beiden Gehäusehälften 1 und 2 können, die Membrane 3 dichtend
zwischen sich einspannend, mittels Schraubenbolzen 4 verspannt oder auch verklebt
werden, wobei entsprechende Maßnahmen zur Befestigung des Hydraulikzylinders 7 und
der Ventile VE und VA vorgesehen werden.
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Weiter soll die Lage des Verdichterkolbens 7a derart einstellbar sein,
daß bei dem durch den Antrieb bewirkten Kolbenhub
die Membrane
3 bei Ausdehnung in die Verdichtungskammer 1a den "schädlichen Raum" nahezu vollständig
ausfüllt.
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Dazu kann beispielsweise die Kolbenstange 7a über eine Gewindestange
18 mit Kontermuttern 18a längenverstellbar sein.
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Die Fläche der elastischen Membrane 3 ist vorteilhafterweise wesentlich
größer als die wirksame Kolbenfläche des Verdichterkolbens 7a. Das Füllvolumen von
als Druckmedium 9 beispielsweise verwendetem Hydrauliköl in der Verdrängungskammer
2a ist so bemessen, daß bei in seinem unteren Totpunkt UT befindlichem Verdichterkolben
7a die elastische Membrane 3 leicht zur Verdichtungskammer 1a hin aufgewölbt ist
und die Gehäuseteile 1 und 2 mit ihren die Verdichtungskammer 1a und die Verdrängungskammer
2a bildenden Innenflächen zu den die Membrane 3 einspannenden Befestigungsflanschen
hin einen.
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sanften Übergang bilden und damit die Membrane 3 beim Ausdehnen in
die Verdichtungskammer 1a nicht an ihrem Außenumfang scharf abgeknickt und damit
zu stark beansprucht wird.
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Die Membrane 3 besteht aus einem stark elastischen Material, beispielsweise-Silikonkautschuk.
Als Verdichtungsmedium 8 wird vorzugsweise je nach Siedepunkt Chlorfluorkohlenstoff,
Alkohol, Wasserdampf oder andere Medien mit hoher Kondensationswärme verwendet.
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Der in der Fig. 1 abgebildete Kompressor eignet sich auch in sehr
einfacher Weise zur Herstellung leistungsfähigerer Wärmepumpen. In dem in der Fig.
2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verwendung mehrerer parallel angeordneter
Kompressoren nach der Fig. 1 dargestellt. Dabei sind die Kolbenstangen 7b der Verdichtungskolben
7a auf einer von einem Antrieb 15 angetriebenen Kurbelwelle 14 drehbeweglich und
um 1800 phasenverschoben auf den Kurbeln der Kurbelwelle 14
gelagert.
Die Kurbelwelle 14 stützt sich über Lagerstellen 16 gegenüber dem Fundament ab.
Mit dieser Anordnung ist eine Erhöhung der Leistung der Kompressoren erzielbar,
indem eine Gruppe von Verdichterkolben 7a das Verdichtungsmedium 8 in der Verdichtungskammer
la verdichtet und über die Auslaßventile VA ausstößt, während die andere Gruppe
von Verdichterkolben 7a das Verdichtungsmedium 8 über die Einlaßventile VE in die
Verdichtungskammer 1a ansaugt.
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Auch ist ein Parallelbetrieb nach Fig. 2b möglich, bei dem von mehreren
Kompressoren die Kolbenstangen 7b der Verdichterkolben 7a gemeinsam an einem Joch
17 befestigt sind und über einen Hubmotor 1 9 gleichzeitig von der unteren Totlage
UT in die obere Totlage OT und umgekehrt bewegt werden.
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Dieser Kompressor nach der Fig. 1 eignet sich auch in sehr einfacher
Weise zur Herstellung mehrstufiger Wärmepumpen in Kaskadenschaltung, wobei in an
sich bekannter Weise mehrere Kompressoren mit jeweils geeigneten Kältemitteln eingesetzt
werden. Hierzu wird nach Fig. 3 beispielsweise von einem Antrieb 19 ein Joch 17
bewegt, mit welchem die Kolbenstangen 7b der Verdichterkolben 7a von Kompressoren
20, 21 betätigt werden. Als Verdichtungsmedium 8 für den höheren Temperaturbereich
ist beispielsweise Alkohol oder Wasser sehr geeignet und beide können mit dem vorgeschlagenen
Kompressor verdichtet werden, da keinerlei Probleme mit der Schmierung und Dichtung
des Verdichterkolbens 7 auftreten können. Wegen der hohen Verdampfungswärme der
genannten Kältemittel kann außerdem eine wesentlich höhere Leistung erreicht werden
als mit den gängigen Kältemitteln auf der Basis von Chlorfluorkohlenstoff.
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In der Fig. 3 ist mit 25 ein erster Verdampfer eines ersten Wärmepumpenkreises
I bezeichnet, in welchem ein Kältemittel, beispielsweise Chlorfluorkohlenstoff unter
Aufnahme von Wärme verdampft und eine ersten Kompressor 20 der in Fig. 1 dargestellten
Bauform über das Einlaßventil VE in die Verdichtungskammer 1a einströmt, mittels
der Membrane 3 durch die Hubbewegung des Kolbens 7a verdichtet und über das Auslaßventil
VA ausgestoßen und einem Kondensator 26 zugeführt wird. In dem Kondensator 26 wird
durch Kondensation des.Verdichtungsmediums Wärme abgegeben, die über einen Verdampfer
28 in einem weiteren WärmePumPenkreis II zum Verdampfen
eines anderen Kältemittels, beispielsweise Alkohol4feinew weiteren Kompressor 21
der in Fig. 1 dargestellten Bauform, über das Einlaßventil VE in die Verdichtungskammer
1a einströmt, mittels der Membrane 3 durch die Hubbewegung des Kolbens 7a verdichtet
und über das Auslaßventil einem Kondensator 29 zugeführt, in dem unter Abgabe von
Kondensationswärme das gasförmige Kältemittel sich wieder verflüssigt und über ein
Drossel- oder Entspannungsventil 31 dem Verdampf er 28 zugeführt wird. Die Betätigung
der Kolben 7a erfolgt beispielsweise über die Kolbenstangen 7b, die über ein gemeinsames
Joch 17 von einem Antrieb 19 betätigt werden.
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Ebenso wird das gasförmige Kältemittel des ersten Wärmepumpenkreises
I im Kondensator 26 unter Abgabe von Kondensationswärme verflüssigt und im Drossel-
oder Entspannungsventil 27 hinsichtlich des Druckes entspannt und wieder dem Verdampfer
25 zugeführt. So wiederholt sich der Kühlmittelumlauf fortlaufend in beiden Wärmepumpenkreisen
I und II, wobei die transportierte Wärmemenge durch günstige Auswahl
der
Kühlmedien hinsichtlich Siedepunkt und Druckverhältnissen gewissermaßen hochtransformiert
wird.
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In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Ausgleich der
unsymmetrischen Last beim Betrieb des KompreS-.
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Cors 1 in sogen. Boxeranordnung im Prinzip dargestellt. Aus der Überlegung,
daß zum Verdichten des Kühlmediums im Kompressor 1 beim Verdichtungshub eine größere
Leistung benötigt wird als für den Ansaughub des Kolbens 7a bzw. mittelbar über
die Membrane 3, werden beispielsweise zwei Kompressoren 30, 31 der Bauart nach Fig.
1 derart über ein Joch 37 miteinander verbunden, daß bei der Hubbewegung des Antriebes
der gegeneinander geschalteten Kolben 7a ein Ausgleich der unsymmetrischen Last
erfolgt, da jeweils bei einer Hubbewegung an einem Kolben Kompressionsarbeit und
an dem anderen Kolben 7a Ansaugarbeit gleichzeitig geleistet wird. Der Antrieb des
Joches 37 kann beispielsweise von einem Elektromotor 33 über eine Welle 34 mit darauf
aufsitzenden Exzen-
terscheiben,zauf deren Zapfen Pleuelstangen 35 drehbeweglich aufsitzen, deren freie
Enden in Führungslagern 36 geführt, beiderends mit dem Joch 37 verbunden sind, so
daß die mit dem Joch 37 verbundenen Kolbenstangen 7b der Kompressoren 30, 31 eine
horizontale, gleichgerichtete Hubbewegung ausführen.
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Der vorbeschriebene Kompressor ist, abgesehen von dem Einsatz als
Verdichter in Wärmepumpenkreisen auch anderweitig für Aufgaben des Verdichtens von
Medien verwendbar.
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- L e e r s e i t e -