DE3425864A1

DE3425864A1 - Maschinenaggregat fuer eine waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE3425864A1
Application number: DE19843425864
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Wankel GmbH
Current assignee: Wankel GmbH
Priority date: 1984-07-13
Filing date: 1984-07-13
Publication date: 1986-01-23
Also published as: US4822253A

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenaggregat

eines Antriebsmotors der Kreiskolbentrochoidenbauart mit einem Gehäuse, bestehend aus einem Mittelteil mit zweibogiger trochoidenförmiger Mantellaufbahn und zwei Seitenteilen, die von einer Exzenterwelle senkrecht durchsetzt sind, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben umläuft, und eines Verdichters der gleichen Bauart.

Bekannt sind Aggregate von kraftabgebenden und kraftaufnehmenden Maschinen der vorgenannten Bauart mit zwei- bzw. dreibogiger Mantellaufbahn und drei- bzw. viereckigen Kolben, die auf gemeinsamer Exzenterwelle und mit gerneinsamen. Kreislauf eines flüssigen Kühlmittels arbeiten. Mit derartigen Maschinenaggregaten ist eine sehr komplette Konstruktion möglich, wobei sich die Kolben und Exzenter der beiden Maschinen bei entsprechender Versetzung der Kolbenstellung gegenseitig auswuchten, so daß eine erhebliche Verkürzung der axialen Baulänge zu erreichen ist, sowie eine Verbesserung

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der bei der Bauweise dieser' Maschinen ohnehin gegebenen Laufruhe. Beispiele derartiger Maschinen sind in DE-AS 1 144 052 (Fröde) und in US-PS 3 546 878 (Joshimura et al), in DE-OS 3 688 74 9 (Wankel) und DE-OS 22 23 014 (Eiermann) beschrieben, jedoch nicht in einer spezifischen Verwendung für Wärmepumpen. DE-AS 26 35 971 (Eiermann) beschreibt dagegen ein Maschinenaggregat für eine Wärmepumpe/ das aus zwei auf gemeinsamer Welle arbeitenden Epitrochoiden - (Stern) - (Maschinen) besteht, die jedoch Verdichter und Expansionsmaschine sind. Eine Wärmepumpenanordnung mit einem Aggregat bestehend aus Motor und Verdichter der Trochoidenbauart ist jedoch bisher nicht beschrieben oder benutzt worden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Maschinenkombination den Bedingungen einer Wärmepumpenanlage anzupassen, die eine Laufruhe und eine so geringe Geräüscherzeugung aufweisen, daß sie in Einfamilienhäusern oder kleinen Wohnanlagen benutzt werden können und die ihren gesamten Anfall an Wärmeenergie, soweit dies technisch möglich ist, an den Primärkreislauf abgeben. Vor allem aber sollen solche "Wärmepumpenanlagen bei geringster Baugröße und geringer Wärmespreizung zwischen Wärmespeicherein- und ausgang große Wärmemengen je Zeiteinheit durchsetzen, aber auch bei niedrigem Teillastbetrieb wirtschaftlich arbeiten können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Ansprüchen.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit

dem erfindungsgemäßen Motor-Verdichter-Aggregat arbeitende Wärmepumpenanlage; ^;

Fig. 2, einen axialen Schnitt durch ein erfindungs

gemäßes Motor-Verdichter-Aggregat in Ebene
II-II in den Fig. 3,4,5,6;

Fig. 3 einen radialen Schnitt durch den Motor

des gleichen Maschinenaggregates wie in
Fig. 2 in der Ebene III-III in Fig. 2; »

Fig. 4 einen radialen Schnitt durch die Zwischen- *;

scheibe zwischen Motor und Verdichter des |

gleichen Maschinenaggregates wie in Fig. 2 ■ _.- . in Ebene IV-IV in Fig. 2;

Fig. 5 einen weiteren Schnitt durch die gleiche

Zwischenscheibe wie in Fig. 4 in Ebene V-V
' in Fig. 2; ;'

Fig. 6 einen radialen Schnitt durch den Verdichter ·

des gleichen Maschinenaggregates wie in Fig. i 2 in Ebene VI-VI in Fig. 2. -|

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Zunächst sei anhand von Fig. 1 das Schema einer mit dem erfindungsgemäßen Maschinenaggregat arbeitenden Wärmepumpenanlage beschrieben: Der Antriebsmotor 1 ist eine Trochoidenmaschine mit zweibogiger Mantellaufbahn und einem dreieckigen Kolben, der auf einem Exzenter der die Seitenwände der Maschine senkrecht durchsetzenden Exzenterwelle in planetenartiger Bewegung umläuft. Der Verdichter 2 weist die gleiche Bauweise auf. Beide Maschinen 1 und 2 laufen auf einer gemeinsamen Exzenterwelle, wobei sie sich gegenseitig auswuchten, und bilden als kompakte Baueinheit das erfindungsgemäße Maschinenaggregat 3. Der Wasser als Arbeitsmedium aufweisende Primärkreislauf 4 ist durch das Gehäuse des Verdichters 2 geführt und von dort nacheinander durch den Kondensor 5,den Motorkühlwasser-Wärmetauscher 6 und den Motorabgas - Wärmetauscher 7 zum Wärmespeicher 8 und von diesem wieder zurück zum Gehäuse des Verdichters 2. Er nimmt dabei zunächst die Abwärme des· Verdichters 2·, : die Verdichtungswärme des Kreislaufes 9 des Arbeitsmittels des-Verdichters 2, die Kühlwasser- und dann die Abgaswärme des Motors 1 auf und gibt sie im Wärmespeicher 8 an den durch die Heizkörper 10 führenden Sekundärkreislauf 11 ab. Im Kreislauf 9 des Arbeitsmittels sind nach dessen Durchgang durch den Kondensor 5 ein Expansionsventil 12 und ein Verdampfer 13 vorgesehen. Der Primärkreislauf -4 wird durch die Umwälzpumpe 14 in Gang gehalten, der Sekundärkreislauf durch die Umwälzpumpe 15. Auf diese Weise wird nicht nur die vom Verdichter 2 erzeugte Kompressionswärme, sondern auch neben dem Restwärmeniveau des Sekundärkreislaufes auch die Abwärme des Maschinenaggregates/

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Das im praktischen Versuch ermittelte Warmetemperaturprofil ist in Fig. 1 als Beispiel in ⁰C angegeben und zwar ab Ausgang Wärmespeicher.8 und bei Eingang des Gehäuses des Verdichters 2 mit 46°, nach diesem bei Eingang Kondensor 5 mit 48°, bei Ausgang Kondensor 5 mit 51°, bei Ausgang Motorkühlwasser-Wärmetauscher 6 mit 55°, bei Ausgang Motor-Abgas-Wärmetauscher 7 mit 58°. Der Kreislauf 9 des Arbeitsmittels des Verdichters weist nach dem Verdampfer 13 bei 2,4 bar -7° auf, im Kondensor 5 bei 13 bar 52,5°. Es werden also zwischen Ausgang Wärmespeicher 8 und dessen Eingang aus Arbeitsleistung und Abwärme des Maschinenaggregates 3 im System 12° im Anstieg von 46° auf 58° gewonnen, wobei mit den verwendeten Maschinen ein sehr großer Durchsatz an Wärmemenge ermöglicht ist. .

Der Axialschnitt in Fig. 2 durch das Maschinenaggregat 3 zeigt rechts den Motor 1, links den Verdichter 2, die eine gemeinsame Exzenterwelle 16 aufweisen, auf deren . · Exzenter 17 der Kolben 18 des Motors 1 und auf deren Exzenter 1S der Kolben 20 des Verdichters 2 umlaufen. Der Motor 1 erhält Frischluft über den Ansaugstutzen 21 und Seiteneinlaßöffnungen 22. Der Auslaßkanal ist bei 23 .(in Fig. 3) dargestellt, von dem die Abgase in den Wärmetauscher 7 gelangen. Die Kühlwasserräume im Mantelteil 24 des Motors 1 sind mit 25, diejenigen in dessen rechten Seitenteil 26 mit 27 bezeichnet. Das Kühlwasser tritt, vom Wärmetauscher■6 zurückkommend bei der Eintrittsöffnung 28 in das Mantelteil ein und aus diesem bei der Austrittsöffnung 29 (Fig. 3) aus tfnd gelangt von dort wieder in den. Wärmetauscher 6. ^:' ·

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Der Primärkreislauf 4 tritt beim Einlaß 30 in das Mantelteil 31 des Verdichters 2 vom Wärmespeicher 8 kommend ein und aus diesem durch den Auslaß 3 2 aus, von dem er zum Kondensor 5 führt. Das Wasser dieses Kreislaufes durchströmt die Hohlräume 33 im Mantelteil 31, die Hohlräume 34 im Seitenteil 35 und weitere Hohlräume 36 im Mittelteil 37. Diese Hohlräume 33, 34, 36 umgeben die Einlaßkanäle 38 für das Arbeitsmittel: des Verdichters 2, das bei den Seiteneinlässen 39 in dessen Arbeitsräume eintritt.

Im Mittelteil 37 ist um die gemeinsame Exzenterwelle eine Dichtung 40 vorgesehen, die den Arbeitsmittelkreislauf 9 von den Arbeits- und Gasführungsräumen des Motors

1 abtrennt und die gegen ein Mittellager 41 der Exzenterwelle 16 anläuft. Motorseitig (Fig. .4) weist das Mittelteil 37 einen Ringraum 42 auf, der vom Kühlwasser des Motors durchströmt ist und der einen Ringraum 43 für die Ansaugluft des Motors 1 umgibt. Verdichterseitig (Fig. 5} ist im Mittelteil 37 ein Ringraum 44 angeordnet, der \ den Zuführungskanal 45 für das Arbeitsmittel des Verdichters

2 und dessen Einlaßkanäle 38 umgibt. Die beiden

Ringräume ,42 und 44 verlaufen im wesentlichen parallel mit einer dünnen sie trennenden Zwischenwand , so daß das Mittelteil 31 neben seiner Kühlfunktion für beicla Maschinen als Wärmetauscher wirkt, wobei der Ringraurr; 44 für den Primärkreislauf bis in die Nähe des Mittellagers 41 und an den vom Kolben 18 des Motors 1 überstrichenen Wandbereich des Mittelteils 37 herangeführt ist. Durch den hierdurch ermöglichten--Wärmetauschprczeß

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kann Wärme aus dem Kühlwasser des Motors in den Primärkreislauf überführt werden, während das restliche Wärmegefälle zwischen diesen beiden Medien nachfolgend im
Wärmetauscher 6 ausgeglichen wird.

Zu Fig. 3:

Der Motor 1 läuft im Betrieb einer solchen Wärmepumpenanlage im wesentlichen im Teillastbereich· Um hierbei
den besten Wirkungsgrad zu erzielen, sind zwei Zündkerzen 46 und,47 vorgesehen, von denen die in Drehrichtung
rückwärtige 4 7 25° bis 30° Exzenterwellenwinkel vor der kurzen Gehäuseachse angeordnet ist. Dies hat den Zweck, den Übertritt von Gasen von der Expansionskammer 48 in die Verdichtungskammer 49 über den Zündkanal 50 der
zurückliegenden Kerze 47 zu vermeiden. Die Lage dieser Kerze 47 wird also bestimmt von der Stellung eines . jeweiligen Ecks des Kolbens 18 in dem Zeitpunkt, in dem kein Druckunterschied zwischen den beiden von diesem
Kolbeneck getrennten Arbeitskammern 48 und 49 b.esteht. *, Andererseits soll der Zündkanal der im Drehsinn vorderen Kerze 46 eine möglichst kleine öffnung mit einem Durchmesser von weniger als 4 mm aufweisen, um den Gasübertritt an dieser Stelle zu verringern.

Der Verdichter 2 ist ein Kurzhuber mit einem r:e-Verhältnis von 10, um einen möglichst kleinen Todraum zu erhalten. Bei einem solchen r:e-Verhältnis ergeben sich sehr langgestreckte Seiteneinlaßöffnungen, in die sich die radialen Dichtstreifen unter dem Nutgasdruck einbiegen und die
Steuerkanten der Seiteneinlaßöffnungen rundschleifen.
Daher ist es zweckmäßig, diese Seiteneinlaßöffnungen durch

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quer zu ihrer Längserstreckung verlaufende Querstege zu unterteilen. Strömungstechnisch besser ist es jedoch, wie in Fig. 6 dargestellt, die üblichen Seiteneinlaßöffnungen durch jeweils eine Reihe von Bohrungen 51 zu unterteilen.

Es ist bei derartigen Maschinen nicht zweckmäßig, zur Vermeidung eines bei Durchgang der Kolbenflanke durch die Todpunktstellung auftretenden negativen Drehmoments Überströmkanäle in den Gehäusewandungen vorzusehen, die das nachlaufende Eck der die Todpunktstellung überfahrende Kolbenflanke umgehen', um das Restdruckgas in die nachlaufende Kammer zu überschieben. Das nachlaufende vom vorderen Kammerteil abgetrennte Teil der Kolbenflanke würde dabei mit einem zu hohen Druck beaufschlagt werden, bevor ein Überschieben der unter Restdruck stehenden Gase abgelaufen ist. Es ist daher in jeder der Flanken 52 des Kolbens 20 eine in Drehrichtung verlaufende Nut 53 von nicht mehr als 1mm Tiefe und 5 mm Breite vorgesehen, die die Engstelle zwischen der achsnahen Zone 54 und der Kolbenflanke 53 überbrückt und einen Druckausgleich zwischen den beiden Kammerteilen bewirkt (Fig. 2).

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Bezugszeichenverzeichnis:

Fig. 1:

1 Motor

2 Verdichter

3 Maschinenaggregat

4 Primärkreislauf

5 Kondensor

6 Motorkühlwasser-Wärmetauscher

7 Motorabgas-Wärmetauscher

8 Wärmespeicher

9 Kreislauf des Arbeitsmittels des Verdichters

10 .. Heizkörper

11 Sekundärkreislauf ■-..·■

12 - Expansionsventil

13 Verdampfer <

14 Umwälzpumpe Primärkreislauf

15 Umwälzpumpe Sekundärkreislauf ·

Fig. 2:

16 Exzenterwelle . . ■ -. -

17 Exzenter zu 1

18 -- Kolben zu 1 -■-■'" 19. Exzenter zu 2

20 ' Kolben zu 2

21 Ansaugstutzen Frischluft

22 Seiteneinlaßöffnung zu 2

Fig. 3:

23 Auslaßkanal zu 1

24 Mantelteil zu 1

25 Kühlwasserräume zu 24

26 rechtes Seitenteil zu 3

27 Kühlwasserräume in 26 .

28 Kühlwassereintrittsöffnung

29 Kühlwasseraustrittsöffnung

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Fig. 2;

30 Einlaß Primärkreislauf

31 Mantelteil zu 2

32 Auslaß Primärkreislauf

33 Hohlräume in 31

34 Hohlräume in 35

35 linkes Seitenteil

36 Hohlräume in 37 =

37 Mittelteil zu 3

38 Einlaßkanäle für Arbeitsmittel in

3 9 Seiteneinlaßöffnung von

40 .- Dichtung in 37

Fig. 2 und Fig. 4:

41 Mittellager

42 Ringraum für Kühlwasser

43 Ringraum für Ansaugluft ·

Fig. 2 und Fig. 5; "

44 Ringraum für Primärkreislauf

45 Zuführungskanal für Arbeitsmittel für

Fig. 3:

46 Leadingkerze

47 Trailingkerze

4 8 Expansionskammer

49 . Verdichtungskammer

50 Zündkanal zu 4 7

51 Seateneinlaßbohrungen

52 Flanke zu Kolben

53 Nut in 52

54 .achsnahe Zone

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- Leerseite -

Claims

Patentansprüche :

1.) Maschinenaggregat eines .Äntriebsmotors der Trochoiden-

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bauart mit einem Gehäuse, bestehend aus einem'Mittelteil mit zweibogiger trochoidenförmiger Mähtellaufbahn und zwei Seitenteilen, die von einer Exzenterwelle senkrecht ; durchsetzt sind, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben umlauft,und eines Verdichters der gleichen Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Motor (1) und Verdichter (2) ein Zwischenteil (37) vorgesehen ist, das ' zwei parallele axial nebeneinander angeordnete Ringräume aufweist, von denen der dem Motor (1) zuliegende Ringraum

(42) zwischen Ein- und Ausgang eines vom Primärkreislauf (4) durchströmten Wärmetauschers (6) im Kühlwasserkreislauf und der dem Verdichter (2) zuliegende Ringraum (34) im Primärkreislauf (4) zwischen dem Ausgang des Wärmespeichers ,

(8) und dem Eingang eines Wärmetauschers (5) des Arbeits- ^ä mittels des Verdichters (2) liegen und daß der Auslaßkanal

(23) des Motors (1) zu einem Wärmetauscher (7) für die Motorabgase führt, der vom Primärkreislauf (4)nach Durchgang durch den Wärmetauscher (5) für das Arbeitsmittel des Verdichters

(2) und dann des Wärmetauschers für das Kühlwasser des Motors (1) durchströmt'ist, wobei der Ausgang dieses

Wärmetauschers (7) für den Primärkreislauf zum Eingang des Wärmespeicher (8) führt.

2. Maschinenaggregat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) zwei in Drehrichtung hintereinander liegende Zündkerzen aufweist, wobei die Lage der in Drehrichtung zurückliegenden Zündkerze (47) durch ein jeweiliges der Expansionskammer (48) nachlaufendes Eck des Kolbens (18) in dem Zeitpunkt bestimmt ist, in dem in den beiden durch dieses Eck des Kolbens (18) getrennten Kammern (48,49) Druckgleichheit herrscht und daß der Zündkanal (50) der vorderen Zündkerze (46) einen Durchmesser von weniger als 4 mm aufweist.

3. Maschirienaggregat nach Anspruch 1,2, · ■ dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) ein r:e-Verhältnis von 10 aufweist und daß in den Flanken (54) seines Kolbens (20) in Drehrichtung verlaufende. Nuten (52) von 1 mm Tiefe und 5 mm Breite vorgesehen sind.

4. Maschinenaggregat nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Seiteneinlaßöffnungen (39) des Verdichters (2) für dessen Arbeitsmittel eine Reihe von Bohrungen (51) sind. ·

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