DE3711519A1 - Geregelter drehschieber-verdichter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen geregelten Drehschieber-Verdichter mit je einer Öffnung zum Ansaugen bzw. zum Ausschieben des Mediums, einem im Gehäuse exzentrisch zur Gehäusebohrung gelagerten Rotor und einem innerhalb des feststehenden Gehäuses angeordnetem um dessen Achse drehbares eine Steuerkante aufweisendes Gehäuse, an dem ein Stellglied befestigt ist.

Bei Verdichtern ist fast immer eine Regelung erforderlich, da nur in wenigen Fällen der erzeugte Volumenstrom der Entnahmemenge bzw. das innere Druckverhältnis dem äußeren Druckverhältnis entspricht. Im Falle der Regelung des Volumenstromes kann in einfacher Weise die überschüssige Menge in die Atmosphäre abgeblasen oder über eine Bypass-Leitung mit einem dazwischen geschalteten Drosselventil verlustbehaftet der Saugseite wieder zugeführt werden. Bei der Anpassung des Verdichterenddruckes an den Entnahmedruck gibt es zum einen die Möglichkeit, daß der Überdruck zur Auslaßseite expandiert oder im Falle eines zu kleinen Enddruckes eine Unterverdichtung in Kauf zu nehmen ist. Beide Fälle sind mit thermodynamischen Verlusten behaftet und es treten erhöhte Gasschwingungen (Maschinengeräusche) auf. Für die Regelung des Volumenstromes gibt es außerdem die Möglichkeit, in Kenntnis der Abhängigkeit der erzeugten Menge von der Drehzahl durch Regelung der Verdichterdrehzahl eine Mengenregelung zu erreichen. Diese Art der Regelung beschränkt sich aber in der Praxis auf Verdichter, die durch drehzahlgesteuerte Antriebsmotoren angetrieben werden. Für die mit konstanter Drehzahl angetriebenen Verdichter sind zur kontinuierlichen Änderung des Volumenstromes verschiedenartige Steuereinrichtungen vorgeschlagen worden.

Aus der DE 31 44 712 ist ein Lamellenmotor mit einer Steuereinrichtung be­ kannt, bei dem ein im feststehenden Gehäuse um dessen Achse drehbares Wandsegment angeordnet ist, das eine parallel zur Lamellenachse sich er­ streckende Steuerkante im Ansaugbereich aufweist. Durch diese verschiebbare Steuerkante im Gaseintrittsbereich kann die geförderte Menge geregelt wer­ den. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, daß das drehbare Wandseg­ ment sich über einen so großen Winkelbereich erstreckt, daß sein der Steuerkante im Gaseintrittsbereich gegenüberliegendes Ende als Steuerkante für den Gasaustrittsbereich wirkt. Damit wird in nicht zu regelnder Weise nicht nur der Volumenstrom, sondern auch das innere Druckverhältnis des Lamellenmotors verändert. Des weiteren entstehen durch das stellenweise nicht bündige Anliegen des Wandsegmentes an der Gehäusebohrung tote Zonen, die zu nicht erwünschten Wirbelverlusten führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen konstruktiv einfachen Drehschieber-Verdichter zu schaffen, mit nahezu verlustfreier Regelung des Volumenstromes und/oder des inneren Druckverhältnisses.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unter­ ansprüchen dargelegt.

Bei einem erfindungsgemäßen Drehschieber-Verdichter weist das feststehende Gehäuse mindestens eine auf der Einlaßseite und/oder auf der Auslaßseite zusätzlich zur fest eingebauten unveränderbaren Öffnung von dieser getrennt angeordnete durch das drehbare Gehäuseteil verschließbare Öffnung auf. Dabei ist die Anordnung des drehbaren Gehäuseteiles im feststehenden Gehäuse axial sowie umfangsmäßig und der Schwenkbereich des drehbaren Ge­ häuseteiles bzw. die Kreisbogenlänge der verschließbaren Öffnung so aufein­ ander abgestimmt, daß die Steuerkante der fest eingebauten unveränderbaren Öffnung bzw. die Steuerkanten der fest eingebauten unveränderbaren Öffnungen nicht beeinflußt werden. Das drehbare Gehäuseteil ist eine im feststehenden Gehäuse gelagerte zylindrische Steuerbüchse, die eine Ver­ breiterung in Form eines Kreisbogensegmentes aufweist und die Breite dieses Segmentes der Breite der verschließbaren Öffnung entspricht. Beim Verstel­ len der Steuerbüchse in Richtung Schließen der Öffnung bildet sich korres­ pondierend zur verschließbaren Öffnung versetzt um die Kreisbogenlänge des Segmentes der Steuerbüchse eine Tasche im feststehenden Gehäuse. Beim völ­ ligen Schließen der Öffnung hat die Tasche ihre größtmögliche Erstreckung in Umfangsrichtung erreicht. Die sich dabei bildende Kante ist so angeord­ net, daß die Steuerkante der fest eingebauten unveränderbaren Öffnung nicht beeinflußt wird.

Der Erfindungsgedanke ermöglicht es, nahezu verlustfrei den Volumenstrom oder das innere Druckverhältnis oder den Volumenstrom und das innere Druckverhältnis unabhängig voneinander zu regeln. Im Falle der Volumen-Regelung besteht die Wirkungsweise der erfinderischen Steuerbüchse darin, daß durch die Verstellung der Steuerbüchse die Steuerkante auf der Einlaßseite entgegen der Drehrichtung des Rotors in Richtung zum unteren Totpunkt verschoben wird. Bei konstanter Drehzahl des Antriebes ist der Volumenstrom des Verdichters von der Lage dieser Steuerkante abhängig. Das Volumen der Zelle wird bestimmt durch das Überfahren dieser Steuerkante durch den nacheilenden Trennschieber, wobei das größtmögliche Zellvolumen dann erreicht wird, wenn diese Steuerkante etwa einen halben Zellenwinkel vor dem oberen Totpunkt des Verdichters angeordnet wird. Wird nun die Steuerkante der verschließbaren Öffnung entgegen der Drehrichtung des Rotors in Richtung unterer Totpunkt verschoben, dann verkleinert sich kontinuierlich und etwa linear mit dem Verstellweg das den Volumenstrom bestimmende Zellvolumen.

Wenn für einen bestimmten Anwendungsfall die Regelung des Volumenstromes in einem begrenzten Umfang ausreichend ist, dann genügt es, nur eine Steuerbüchse im feststehenden Gehäuse anzuordnen. Das gleiche gilt auch für die Regelung des inneren Druckverhältnisses, da die Querschnittsöffnungen im Druckbereich kleiner sind als im Ansaugbereich. Ist dagegen eine Regelung des Volumenstromes in einem erheblichen Umfang erforderlich, dann müssen zwei verstellbare Steuerbüchsen angeordnet werden, um die große Querschnittsöffnung auf der Einlaßseite in zwei separate zu schließende Öffnungen aufzuteilen, damit der erfinderische Gedanke der Nichtbeeinflussung der Steuerkante der fest eingebauten unveränderbaren Öffnung erhalten bleibt. Die gleichen Überlegungen gelten auch für die kombinierte Regelung von Volumenstrom und innerem Druckverhältnis. Auch hierfür sind zwei verstellbare Steuerbüchsen erforderlich, wobei der Vorteil darin besteht, daß sie unabhängig voneinander geregelt werden können.

Die zweite verschließbare Öffnung wird zur ersten axial und in Umfangsrichtung versetzt angeordnet. Um die Konstruktion einfach zu gestalten, werden die fest eingebauten unveränderbaren Öffnungen des Einlaß- und Auslaßbereiches symmetrisch in der Mitte des Gehäuses und die verschließbaren Öffnungen jeweils rechts und links im axialen Abstand dazu angeordnet. Die Führung und Lagerung des Kreisbogensegmentes übernimmt die zentrisch zum Gehäuse angeordnete zylindrische Steuerbüchse, die zusammen mit dem Segment eine Einheit bildet. Diese Steuerbüchse weist am Außenumfang eine Wälzlagerung auf, die in vorteilhafter Weise aus parallel zur Gehäuseachse liegenden zylindrischen Wälzkörpern besteht. Diese gleich langen Wälzkörper sind umfangsmäßig zum überwiegenden Teil in entsprechenden Ausnehmungen in der Wandung der Steuerbüchse eingebettet. Sie erstrecken sich von der dem jeweiligen Deckel zugewandten Stirnfläche der Steuerbüchse bis zum Kreisbogensegment der Steuerbüchse. Durch das bündige Anliegen des Wandsegmentes im Gehäuse entlang des gesamten Stellweges bilden sich keine toten Zonen und es werden die nicht erwünschten Wirbelbildungen vermieden. Das an der Steuerbüchse angebrachte Stellglied kann in verschiedenartiger Weise mit einem Betätigungselement verbunden werden, z. B. mit einem Bowdenzug, der in Umfangsrichtung entlang in einer entsprechenden Ausnehmung in der Gehäusewandung geführt ist. Dabei entspricht die Anderung des Verdrehwinkels der Steuerbüchse etwa einer linearen Zu- bzw. Abnahme des Volumenstromes. Dieser Zusammenhang gilt in gleicher Weise auch für die Anderung des inneren Druckverhältnisses.

Der erfinderische Gedanke ist sowohl bei trockenlaufenden als auch bei eingespritzten Drehschieber-Verdichtern anwendbar.

Die konstruktive Ausführung dieses erfinderischen Drehschieber-Verdichters ist einfach, da die Steuerbüchsen zylindrische Drehteile sind und die Ausarbeitung des Segmentes keine Schwierigkeiten bereitet. Durch die symmetrische Anordnung der Steuerbüchsen im Gehäuse wird erreicht, daß auch die Herstellung des Gehäuses keine besondere zu überwindende Hürde bedeutet. Die einfache geometrische Form der Steuerbüchse erlaubt es, auf schwierig anzubringende Dichtungen zu verzichten.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung näher erläutert, dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Drehschieber-Verdichter mit einer Regelung des Volumenstromes

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-B in Fig. 1

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie C-D in Fig. 1

Fig. 4 eine Abwicklung der Gehäusebohrung

Fig. 5-7 eine perspektivische Darstellung der Verstellfunktion der Steuerbüchse

Fig. 5 eine Stellung - alle verschließbaren Öffnungen auf der Einlaßseite offen (größter Volumenstrom)

Fig. 6 eine Stellung - eine verschließbare Öffnung geschlossen (mittlerer Volumenstrom)

Fig. 7 eine Stellung - beide verschließbaren Öffnungen geschlossen (kleiner Volumenstrom)

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles eines erfinderischen Drehschieber-Verdichters mit einer Regelung des Volumenstromes. Er besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1 und jeweils rechts und links an den Stirnseiten des Gehäuses angebrachter Deckel 2, 3. Der Deckel 2 auf der Antriebsseite weist eine Durchgangsbohrung auf, während der gegenüberliegende Deckel 3 geschlossen ist. Ein zur Gehäusebohrung 28 exzentrisch auf Wälzlagern 6, 7 drehender Rotor 4 bildet zusammen mit der Gehäusebohrung 28 einen sichelförmigen Arbeitsraum 29 (Fig. 2), welcher durch Trennschieber 8 in einzelne Zellen unterteilt ist. Die Trennschieber 8 sind über zwei Nadellager 10, 10′ und einer Laufbüchse 11 auf einer zentrisch zur Gehäusebohrung 28 starr befestigten Welle 9 geführt und drehen mit geringem Spiel zur Wandung des Gehäuses 1. Der Antrieb des Rotors 4 erfolgt über das nach außen geführte Wellenende 5. Die Trennschieber 8 werden über den Rotor 4 in Drehung versetzt.

Die Querschnitte entlang der Linie A-B (Fig. 2) und C-D (Fig. 3) in Fig. 1 sowie die Abwicklung der Gehäusebohrung 28 (Fig. 4) verdeutlichen die Wirkungsweise der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Volumenstrom-Regelung. Betrachtet man beginnend beim unteren Totpunkt 30 die Drehung des Rotors 4 in Pfeilrichtung 20, dann vergrößert sich das Zellvolumen auf der Einlaßseite 18, so daß das gasförmige Medium angesaugt wird. Beim Überschreiten des oberen Totpunktes 31 wird das Zellvolumen verkleinert, so daß das Medium verdichtet wird. Erreicht der voreilende Trennschieber 8 die Steuerkante 27 der Auslaßseite 38, öffnet sich die jeweilige Zelle und das verdichtete Medium wird ausgeschoben. Der Volumenstrom ist bei konstanter Drehzahl des Antriebes abhängig von der Lage der Steuerkante 25 auf der Einlaßseite 18. Das Volumen der Zelle wird bestimmt durch das Überfahren der Steuerkante 25 durch den nacheilenden Trennschieber 8, wobei das größtmögliche Zellvolumen dann erreicht wird, wenn die Steuerkante 25 etwa einen halben Zellenwinkel vor dem oberen Totpunkt 31 angeordnet wird. Wenn die Steuerkante 25 der verschließbaren Öffnung 16 entgegen der Drehrichtung 20 des Rotors 4 in Richtung unterer Totpunkt 30 verschoben wird, z. B. nach der Steuerkante 26 der zweiten verschließbaren Öffnung 17 oder weiter nach der Steuerkante 24 der fest eingebauten unveränderbaren Öffnung 15, verkleinert sich kontinuierlich und etwa linear mit dem Verstellweg das den Volumenstrom bestimmende Zellvolumen, ohne daß die Steuerkante 27 auf der Auslaßseite 38 beeinflußt wird. Diese Nichtbeeinflussung der Steuerkante 27 wird dadurch erreicht, daß der gesamte für die Volumenstrom-Regelung erforderliche zu öffnende bzw. zu schließende Querschnitt auf der Einlaßseite 18 in die in der Abwicklung (Fig. 4) dargestellten schraffierten Flächen 16 und 17 aufgeteilt wird. Dabei wird die Kreisbogenlänge 32 bzw. 33 der Öffnung 16 bzw. 17 und die Anordnung der beiden Öffnungen 16, 17 im Gehäuse 1 so gewählt, daß sich beim Schließen der beiden Öffnungen 16, 17 auf der Auslaßseite 38 Taschen 23, 39 bilden, ohne die Steuerkante 27 der Auslaßseite 38 zu beeinflussen. Das Verschließen der beiden Öffnungen 16, 17 erfolgt durch die Drehung der beiden Steuerbüchsen 12, 13 entgegen der Drehrichtung 20 des Rotors 4 in Pfeilrichtung 21. In vorteilhafter Weise und um die Konstruktion zu vereinfachen, sind die fest eingebauten Öffnungen 15, 19 des Einlaß 18- und Auslaßbereiches 38 symmetrisch in der Mitte des Gehäuses 1 und die verschließbaren Öffnungen 16, 17 jeweils rechts und links im axialen Abstand dazu angeordnet.

In den perspektivischen Darstellungen in Fig. 5 bis 7 werden die Einzel­ heiten der Funktionsweise der beiden verstellbaren Steuerbüchsen 12 und 13 näher erläutert.

Die zentrisch zum Gehäuse 1 angeordneten zylindrischen Steuerbüchsen 12, 13 übernehmen die Führung und Lagerung der Kreisbogensegmente.

Am Außenumfang dieser Steuerbüchsen sind dafür parallel zur Gehäuseachse 34 liegende gleich lange zylindrische Wälzkörper 14 angebracht, die umfangsmäßig zum überwiegenden Teil in entsprechenden Ausnehmungen in der Wandung der Steuerbüchsen 12, 13 eingebettet sind. Sie erstrecken sich von der dem jeweiligen Deckel 2, 3 zugewandten Stirnfläche 35, 36 der Steuerbüchsen 12, 13 bis mindestens zur Hälfte der größten Breite der Steuerbüchsen. Durch das bündige Anliegen der Steuerbüchsen 12, 13 im Gehäuse 1 entlang des gesamten Stellweges bilden sich keine toten Zonen und die nicht erwünschten Wirbelbindungen werden vermieden (Fig. 3).

In Fig. 5 sind beide verschließbare Öffnungen 16, 17 in Offen-Position und der Verdichter arbeitet in der Stellung größter Volumenstrom. Die für den Volumenstrom bestimmende Steuerkante ist die Steuerkante 25 der Steuerbüchse 12, die so gewählt ist, daß sie einen halben Zellenwinkel vor dem oberen Totpunkt 31 angeordnet ist (Fig. 3).

In Fig. 6 ist die Öffnung 16 durch das Verstellen der Steuerbüchse 12 geschlossen worden. Die Verstellmöglichkeiten der Steuerbüchsen 12, 13 sind durch die Pfeile 37 angedeutet. Dadurch hat sich die ursprüngliche für das Zellvolumen bestimmende Steuerkante 25 entgegen der Drehrichtung 20 des Rotors 4 verschoben, so daß die neue Steuerkante 26 durch die zweite Steuerbüchse 13 gebildet wird. Der Verdichter arbeitet jetzt in der Stellung mittlerer Volumenstrom.

In Fig. 7 wird durch die Steuerbüchse 13 auch die zweite Öffnung 17 verschlossen. Die jetzt bestimmende Steuerkante 24 wird durch die fest eingebaute Öffnung 15 gebildet. Der Verdichter arbeitet jetzt in der Stellung kleiner Volumenstrom.

Gleichzeitig mit dem Verstellen 37 der Steuerbüchsen 12, 13 bilden sich auf der Auslaßseite 38 Taschen 23, 39, welche jedoch den Bereich der fest eingebauten Öffnung 19 auf der Auslaßseite 38 und dessen Steuerkante 27 nicht überschreiten und somit die Öffnung der Zelle an unveränderter Stelle belassen. Am Außenumfang der verstellbaren Steuerbüchsen 12, 13 sind hier vereinfacht dargestellte Stellglieder 22 angebracht, die in verschiedenartiger Weise mit hier nicht dargestellten Betätigungselementen verbunden werden können.

Bei der Umkehrung des Prinzips, d. h. Regelung des inneren Druckverhältnisses bei konstantem Volumenstrom werden mit den gleichen erfinderischen verstellbaren Steuerbüchsen 12, 13 die verschließbaren Öffnungen 16, 17 mit den sich bildenden Taschen 23, 39 vertauscht. In diesem Falle bildet die vormalige Tasche 39 (Fig. 4) eine verschließbare Öffnung auf der Auslaßseite 38 und die ehemalige Öffnung 17 wird die dazu korrespondierende Tasche. Die fest eingebauten Öffnungen 15 und 19 würden im Hinblick auf den Öffnungsquerschnitt dementsprechend angepaßt werden. Mit dem gleichen Prinzip ist auch eine kombinierte Regelung, d. h. eine Regelung des inneren Druckverhältnisses und eine unabhängig davon einstellbare Volumenstrom-Regelung möglich. Dafür wird eine verstellbare Steuerbüchse, z. B. 13 für die Volumenstromregelung verwendet, während die andere Steuerbüchse 12 für die Regelung des inneren Druckverhältnisses eingesetzt wird. Bei einer solchen kombinierten Regelung ist die Volumenstrom-Regelung aber eingeschränkt, da durch die Begrenzung der Kreisbogenlänge 33 der Steuerbüchse 13 die den Volumenstrom bestimmende Steuerkante 26 nicht an der optimalen Stelle im Verdichtergehäuse angeordnet werden kann.

Claims (7)

1. Geregelter Drehschieber-Verdichter mit je einer Öffnung zum Ansaugen bzw. zum Ausschieben des Mediums, einem im Gehäuse exzentrisch zur Gehäusebohrung gelagerten Rotor und einem innerhalb des feststehenden Gehäuses angeordnetem um dessen Achse drehbares eine Steuerkante aufweisendes Gehäuseteil, an dem ein Stellglied befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Gehäuse (1) mindestens eine auf der Einlaßseite (18) und/oder Auslaßseite (38) zusätzlich zur fest eingebauten unveränderbaren Öffnung (15, 19) von dieser getrennt durch das drehbare Gehäuseteil verschließbare Öffnung aufweist, wobei zum Zwecke einer

• a) Volumenstromregelung die unveränderbare Öffnung (15) mit mindestens einer verschließbaren Öffnung (16, 17) auf der Einlaßseite (18) zusammenwirkt oder
• b) zur Regelung des inneren Druckverhältnisses die unveränderbare Öffnung (19) mit einer verschließbaren Öffnung auf der Auslaßseite zusammenwirkt oder
• c) zur unabhängigen Regelung von Volumenstrom und innerem Druckverhältnis die unveränderbare Öffnung (15, 19) mit der verschließbaren Öffnung auf der Einlaßseite (18) und Auslaßseite (38) zusammenwirken und die Anordnung des drehbaren Gehäuseteiles im feststehenden Gehäuse (1) axial sowie umfangsmäßig und der Schwenkbereich des drehbaren Gehäuseteiles bzw. die Kreisbogenlänge der verschließbaren Öffnung so aufeinander abgestimmt sind, daß die Steuerkante (24, 27) der fest eingebauten unveränderbaren Öffnung (15, 19) nicht beeinflußt wird.

2. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Gehäuseteil eine im feststehenden Gehäuse (1) gelagerte zylindrische Steuerbüchse (12, 13) ist, die eine Verbreiterung in Form eines Kreisbogensegmentes aufweist und die Breite dieses Segmentes der Breite der verschließbaren Öffnung entspricht.

3. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Gehäuse (1) durch die Drehung der Steuerbüchse (12, 13) korrespondierend zur verschließbaren Öffnung versetzt um die Kreisbogenlänge des Segmentes der Steuerbüchse (12, 13) eine sich bildende Tasche aufweist.

4. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer Volumenstromregelung das feststehende Gehäuse (1) auf der Einlaßseite (18) eine zweite verschließbare Öffnung (17) aufweist, die zur ersten (16) axial und in Umfangsrichtung versetzt angeordnet und der eine zweite Steuerbüchse (13) zugeordnet ist.

5. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Steuerbüchse (12, 13) am Außenumfang eine Wälzlagerung aufweist.

6. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlagerung aus am Außenumfang verteilt angeordneten parallel zur Gehäuseachse (34) liegenden gleich langen Wälzkörpern (Nadeln) (14) besteht, die umfangsmässig zum überwiegenden Teil in entsprechenden Ausnehmungen in der Wandung der Steuerbüchse (12, 13) eingebettet sind und sich von der dem jeweiligen Deckel (2, 3) zugewandten Stirnfläche (35, 36) der Steuerbüchse (12, 13) bis zum Kreisbogensegment der Steuerbüchse (12, 13) erstrecken.

7. Geregelter Drehschieber-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von zwei Steuerbuchsen (12, 13) die senkrecht zur Gehäuseachse (34) liegende Symmetrieebene des feststehenden Gehäuses (1) auch die Symmetrieebene der fest eingebauten unveränderbaren Öffnungen (15, 19) ist und die verschließbaren Öffnungen jeweils rechts und links im axialen Abstand davon angeordnet sind.