DE4238166A1 - Rotationskompressor oder -verdränger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskompressor oder -verdränger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so­ wie dessen Verwendung als Gaskältemaschine nach dem Stir­ ling- oder Vuilleumierprinzip.

Kompressoren oder Verdränger der vorgenannten Art arbeiten überwiegend nach dem Drehschieber oder Flügelzellenprin­ zip. Die Ein- bzw. Auslässe sind dabei am Stator ortsfest in der Weise angeordnet, daß an ihnen ein weitgehend kon­ stanter Druck bzw. Unterdruck ansteht. Die Verwendung für Gaskältemaschinen ist daher nur bedingt möglich.

So werden für regenerative Gaskältemaschinen, die nach dem Stirling- oder Giffort-McMahon-Prinzip arbeiten, überwiegend Kolbenpumpen eingesetzt.

Der Einsatz solcher regenerativer Gaskältemaschinen ist bis heute auf den kryogenen Temperaturbereich (<-100°C) beschränkt, weil im Bereich der höheren-Temperaturen (100°C-0°C) die Konkurrenzfähigkeit gegenüber dem in diesem Temperaturbereich verbreitet angewandten Kaltdampf­ prinzip in Frage gestellt wird. Als Begründung wird der vergleichsweise hohe maschinentechnische Aufwand regenera­ tiver Gaskältemaschinen angeführt.

Das Maschinenschema einer Gaskältemaschine, die nach dem Stirling Prinzip arbeitet, ist in den Fig. 1 und 2 dar­ gestellt.

Es besteht aus dem Kompressor 1, einem Verdrängerkolben 2, einem wärmeabgebenden Wärmetauschers 3, einem Regenerator 4 und einem wärmeaufnehmenden Wärmetauschers 5. Der Ver­ drängerkolben 2 trennt den Zylinder 6 in den Kaltraum 7 und den Warmraum 8. Entsprechend Fig. 1 stehen die Kompo­ nenten über einen Gaskanal miteinander in Verbindung, der, wie auch die Arbeitsräume, mit einem gasförmigen Medium, dem sogenannten Arbeitsgas gefüllt ist. Zur Realisierung des kälteerzeugenden Kreisprozesses müssen Kompressorkol­ ben 1 und Verdrängerkolben 2 in einen koordinierte Bewe­ gung versetzt werden, wobei aufgrund technischer Randbe­ dingungen in der Regel harmonische Bewegungen gewählt werden und der Phasenversatz in den Bewegungsabläufen der beiden Kolben ein Viertel eines Zyklus beträgt, wie Fig. 2 zeigt. Hier ist der zeitliche Verlauf des Kompressions­ raums (Kurve 9), des Kaltraums (Kurve 11) und des Warm­ raums (Kurve (10) dargestellt.

Der mechanische Antrieb der Kolben erfolgt bei den her­ kömmlichen Bauarten über einen relativ aufwendigen Kurbel­ mechanismus und eine gemeinsame Antriebswelle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen neuartigen Rotationskompressor oder -verdränger der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfacher Bauart verbesserte Druckverhältnisse zu erzielen gestattet und der insbesondere eine Verwendung als regenerative Gaskältema­ schine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gegenüber den bekannten Bauarten von regenerativen Gaskäl­ temaschinen bietet der Einsatz der erfindungsgemäßen Rota­ tionskolbenverdränger bzw. -verdichter den Vorteil einer kompakten vibrationsarmen Bauweise.

Ein weiterer und entscheidender Vorteil liegt im großen Oberflächen/Volumenverhältnis der Verdichter- bzw. Verdrängerräume. Es begünstigt, zusammen mit den intensi­ ven Gasbewegungen in diesen Räumen, einen guten Wärmeaus­ tausch mit der Statorwandung, so daß diese zusätzlich als Wärmetauscher dienen kann. Die für den Stirling-Prozeß idealen isothermen Zustandsänderungen können so eher an­ genähert werden.

Anhand der in den Fig. 3 bis 5 schematisch dargestell­ ten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Die Maschine besteht aus einem Kompressor 12, einem warmen Verdränger 13 und einem kalten Verdränger 14, wobei alle drei Komponenten als Flügelzellen- oder Drehschieberpumpen ausgeführt und sinnvollerweise auf einer gemeinsamen An­ triebswelle angeordnet sind.

Die Darstellung in Fig. 3 und die folgende Beschreibung legen exemplarisch eine zweizellige Bauweise zugrunde, ob­ wohl auch eine mehrzellige Bauweise möglich ist und auch sinnvoll sein kann.

Der Kompressionsraum 15 ist über den Strömungskanal 16 mit der Leitung 18 verbunden. Die Leitung 18 führt über den Wärmetauscher 19 und den Strömungskanal 20 zum Warmraum 22. Eine weitere Verbindung führt über den Wärmetauscher 23, den Regenerator 24, den Wärmetauscher 25 und den Strö­ mungskanal 26 zum Kaltraum 27.

Die in den jeweiligen Rotoren 17, 21, 28 angeordneten Strömungskanäle 16, 20, 26 werden jeweils so im Nabenbe­ reich nach außen geführt, daß ein vom Drehwinkel unabhän­ giger Strömungsquerschnitt sichergestellt ist. Eine mögli­ che Kanalführung ist in Fig. 4 exemplarisch für den Kom­ pressor 12 dargestellt.

Bei einer synchronen Umdrehung der Rotoren 17, 21 und 28 wird dem Kompressionsraum 15, dem Warmraum 22 und dem Kaltraum 27 jeweils eine Änderung aufgezwungen, deren zeitliche Verläufe den Kurven 9, 10 und 11 in Fig. 2 ent­ sprechen. Die richtige Phasenlage von Kurve 10 bzw. 11 zu Kurve 9 ergibt sich aus der um 90° bzw. 270° versetzten Drehwinkellage der beiden Verdrängerrotoren 21 bzw. 28.

Es bietet sich vorteilhaft an, die jeweils zweiten Zellen des Kompressors 12 und der beiden Verdränger 13 und 14 für einen zweiten Gaskältemaschinenprozeß, der analog aber um 180° phasenversetzt abläuft, zu nutzen. Die dafür notwen­ dige Erweiterung der Anlage ist in Fig. 3 gestrichelt dar­ gestellt, wobei die Komponenten mit "a" gekennzeichnet sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenprinzip können auch Gaskältemaschinen, die nach dem Vuilleumierprinzip (einem erweiteren Stirlingprinzip) arbeiten, realisiert werden. Das Maschinenschema ist in Fig. 5 dargestellt.

Anstelle des Kompressors 12 in Fig. 3 werden 2 Verdränger 29 und 30 in der erfindungsgemäßen Bauart eingesetzt, die zusammen mit den Wärmetauschern 31 und 31a, den Regenera­ toren 32 und 32a und den Wärmetauschern 33 und 33a eine thermische Kompressoreinheit zur Erzeugung eines sinoi­ dalen Druckverlaufs bilden und in der dargestellten Weise mit der bereits aus Fig. 3 bekannten Regenerator­ /Verdrängereinheit in Verbindung steht.

Die vier Verdränger 29, 30, 13 und 14 werden auch in die­ sem Fall sinnvollerweise auf einer gemeinsamen Antriebs­ welle angeordnet.

Wegen des bereits genannten großen Oberflä­ chen/Volumenverhältnisses der Verdichter- bzw.- Verdrän­ gerräume kann auf die separaten Wärmetauscher 19, 19a, 23, 23a und 25, 25a bei der Maschine gemäß Fig. 3 sowie die Wärmetauscher 31, 31a und 33, 33a bei der Maschine gemäß Fig. 5 teilweise oder ganz verzichtet werden, was den ma­ schinentechnischen Aufwand noch weiter reduziert.

Durch die Anordnung der Warmräume 22, 22a, und der Kalträume 27, 27a in jeweils eigenen, dem Temperaturniveau zugeordneten Verdrängern 13 und 14 werden Temperaturwech­ selverluste minimiert.

Claims (6)

1. Rotationskompressor oder -verdränger mit einem Sta­ tor, der Arbeitsräume einschließt und Lager für eine An­ triebswelle aufweist, auf der ein- Rotor nach dem Dreh­ schieber- oder Flügelprinzip befestigt ist, wobei der Ro­ tor so ausgebildet ist, daß der Arbeitsraum in wenigstens zwei Zellen aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen über jeweils einen im Rotor ortsfest angeordne­ ten Strömungskanal, der im Lagerbereich nach außen geführt ist, mit einem am Stator ortsfest angeordneten Ein- bzw. Auslaß verbunden ist.

2. Rotationskompressor oder -verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen in dessen Wandung integrierten Wärmetauscher aufweist und die den Arbeitsraum bildende Innenwandung des Stators gleichzeitig die innere Austauschfläche des Wärmetauschers darstellt.

3. Verwendung eines Rotationskompressors oder -verdrän­ gers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als Gaskältemaschine nach dem Stirlingprinzip zur Erzeugung einer sinoidalen Veränderung von Kompressionsraum, Warmraum und Kaltraum.

4. Gaskältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Rotationskompressor und ein Rota­ tionsverdänger auf einer gemeinsamen Antriebswelle ange­ ordnet sind.

5. Verwendung eines Rotationsverdrängers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als Gaskältemaschine nach dem Vuilleumier­ prinzips zur Erzeugung einer sinoidalen Änderung des Sy­ stemdrucks, des Warmraums und des Kaltraums.

6. Gaskältemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens zwei Rotationsverdränger auf einer ge­ meinsamen Antriebswelle angeordnet sind.