DE4318737A1 - Drehkolbenkompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenkompressor mit einem Zylinder aus einem Gehäuse mit darin drehbar gelagertem Kolben, der mit einer Innenwand des Gehäuses bei seiner Drehung um eine Achse einen in seinem Volumen veränderbaren Arbeitsraum ausbildet, der sich zwischen einem Einlaß und einem Auslaß für ein Medium erstreckt.

Derartige Drehkolbenkompressoren sind beispielsweise unter dem Namen Rotationsverdichtung bekannt. Hierbei dreht in einem Gehäuse ein exzentrisch gelagerter Rotor, in dessen Nuten Schieberlagern, welche durch ihre Fliehkraft nach außen gedrückt werden. In sichelförmigen Räumen zwischen Rotor und Gehäuse teilen die Schieber veränderliche, trapezartige Zellen ab. Jede Zelle vergrößert ihr Volumen zur Rückexpansion und zum Ansaugen bei der Drehung des Rotors und verringert es zum Verdichten und Ausschieben. Auf diese Weise wird ein Medium von einem Saugkanal in einen Förderkanal gefördert. Bei derartigen Rotationsver­ dichtern wird aber das Medium selbst nur bei der Drehung dieses einen Kolbens verdichtet, so daß im Förderkanal die Verdichtung wieder aufgehoben ist. Die Anwendungsmöglich­ keit für derartige Rotationsverdichter ist beschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolbenkompressor der o.g. Art zu schaffen, mittels welchem die Verdichtung über einen geringen Zeitraum aufrecht erhalten werden kann, so daß die Verdichtung des Mediums für verschiedene Verwendungen nutzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Arbeitsraum des Zylinders über seinen Auslaß in einen Kanal einmündet, der über einen Einlaß mit einem Arbeitsraum eines weiteren Zylinders in Verbindung steht, wobei das Volumen des Arbeitsraumes des ersten Zylinders größer ist als das Volumen des Arbeitsraumes des zweiten Zylinders.

Das bedeutet, daß die Verdichtung nicht in dem ersten Zylinder stattfindet, sondern dadurch, daß das Medium durch den Kolben des ersten Zylinders in den Arbeitsraum eines zweiten Zylinders gefördert wird, der ein geringeres Volumen aufweist. In diesem zweiten Zylinder kann dann das verdichtete Medium einer weiteren Anwendung oder Behandlung unterzogen werden. Dabei geschieht eine Kompression zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder ohne eine Drosselung. Das Medium muß weder beim Ansaugvorgang noch beim Ausstoßen durch Verengungen strömen, wie dies bei Kolbenverdichtern durch Ein- und Auslaßventile unvermeidlich ist. Ein derartiger Drehkolbenkompressor benötigt nur wenige Teile, keine Ventile und ist von einfacher Bauart. Aus diesem Grunde ist auch die Dichtung der Arbeitsräume zueinander wesentlich vereinfacht.

Der einzige Raum, in dem sich ein schädliches Volumen aufbauen kann, ist der erwähnte Verbindungskanal zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder. Bei üblichen Kolbenverdichtern beträgt dieses schädliche Volumen 1% bis 2%. Mit dem Drehkolbenkompressor der vorliegenden Art sind Werte unter 0,5% erreichbar.

Der Drehkolbenkompressor arbeitet ferner im Eintaktver­ fahren, d. h., bei jeder Umdrehung wird einmal verdichtet. Jede Umdrehung bedeutet einen Arbeitstakt. Wird beispielsweise dem verdichteten Medium Wärme zugeführt, so erfolgt die Wärmezufuhr über eine volle Umdrehung hinweg, die etwa viermal länger ist als bei bekannten Hubkolbenmotoren.

Durch den Übergang in den oben erwähnten Kanal zwischen den beiden Zylindern besteht auch die Möglichkeit, daß in diesem Bereich das zu verdichtende Medium einer Zwischenkühlung unterworfen wird. Auch dies ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Innenwand des Gehäuses in etwa kreiszylindrisch mit einem bestimmten Radius ausgebildet und erstreckt sich von einer Steuerkante des Einlasses zu einer Steuerkante des Auslasses. Der Kolben wiederum ist insgesamt exzentrisch ausgestaltet. Er weist eine der Innenwand zugewandte Oberfläche auf, die zum einen einen Bogen mit einem Radius ausbildet, der dem Radius der Innenwand etwa entspricht. Dieser Bogen erstreckt sich in seiner Länge zwischen zwei Endpunkten, welche weiter auseinanderliegen als der Abstand zwischen den beiden oben erwähnten Steuerkanten. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß bei einer bestimmten Arbeitslage sowohl Einlaß als auch Auslaß geschlossen sind. In dieser Arbeitslage hat der Arbeitsraum sein größtes Volumen und ist ebenfalls geschlossen.

Die Oberfläche des Kolbens geht dann beidseits der Endpunkte in einen halbkreisförmigen Bogenabschnitt über, dessen Radius jedoch kleiner ist als der Radius der Innenwand. Hierdurch wird der oben erwähnte Arbeitsraum ausgebildet. Der Radius könnte auch gleich bleiben, jedoch der Zylinder eine geringer Breite bzw. Tiefe aufweisen.

Es versteht sich von selbst, daß zwischen Einlaß und Auslaß eine Dichteinrichtung vorgesehen ist. Hierbei sind viele Möglichkeiten denkbar, die von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein sollen.

Bei der Anordnung von zwei Kolben mit unterschiedlichen Volumina nacheinander, die durch einen Kanal verbunden sind, sollte bevorzugt der Kolben des zweiten Zylinders dem Kolben des ersten Zylinders vorlaufen. Dies bedeutet, daß der Kolben des zweiten Zylinders bereits den Arbeitsraum öffnet, bevor der Kolben des ersten Zylinders den Arbeitsraum zum Auslaß hin öffnet. Dadurch wird bewirkt, daß zuerst das schädliche Volumen aus dem Kanalbereich durch das Öffnen des zweiten Kolbens unter Arbeitsgewinn entspannt wird.

Durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Zylinder mit abnehmendem Volumen, kann eine immer höhere Verdichtung des Mediums erfolgen, falls dies gewünscht wird. Die Anordnung der Zylinder im Raum ist beliebig. Beispielsweise können alle Zylinder auf einer Welle liegen.

Ein anderer Anwendungsbereich ist jedoch die Ausgestaltung des vorliegenden Drehkolbenkompressors als Wärmekraftma­ schine. Zu diesem Zweck erfolgt zuerst eine ein- oder mehrstufige Verdichtung des Arbeitsmediums. Der letzte Zylinder der Verdichterreihe fördert das Arbeitsmedium in einen weiteren Zylinder unter Erhaltung bzw. Vergrößerung des Volumens bei gleichzeitiger Wärmezufuhr. Dadurch lassen sich Idealprozesse wie Isochore, isobare Wärmezufuhr oder isotherme Entspannung gut verwirklichen.

Diese Wärmezufuhr kann ebenfalls mehrstufig erfolgen (Seiliger Prozeß). Für die Wärmezufuhr steht dabei die Zeit einer bzw. mehrerer Umdrehungen zur Verfügung.

Anschließend folgt eine ein- oder mehrstufige Entspannung in umgekehrt arbeitenden Drehkolbenkompressoren. Die Entspannung kann bis auf den Umgebungsdruck erfolgen, wodurch ein Auspuffknallen vermindert oder vermieden wird.

Herkömmliche Verbrennungsmotoren verlieren etwa 30% der zugeführten Wärme durch Kühlung. Findet Verdichtung und Entspannung in einem einzigen Zylinder statt, so läßt sich auch durch Herabsetzung bzw. Verzicht auf Kühlung der thermische Wirkungsgrad nicht steigern (bei 4-, 2-Takt- Motoren oder dem Wankelmotor).

Dazu ist es erforderlich in verschiedenen Zylindern möglichst mehrstufig zu verdichten bzw. zu entspannen. Der beschriebene Motor läßt also eine beträchtliche Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erwarten, wenn er als wärmedichter Motor ausgeführt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Drehkolbenkompressors;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Zylinder gemäß Fig. 1 in einer weiteren Gebrauchslage;

Fig. 3 einen Querschnitt durch zwei Zylinder eines erfin­ dungsgemäßen Drehkolbenkompressors;

Fig. 4 eine schematische Anordnung von hintereinanderge­ schalteten Zylindern von einem Drehkolbenkompressor.

Gemäß Fig. 1 rotiert in einem Gehäuse 1 eines Zylinders R ein Kolben 2 um eine Achse A. Während eine Innenwand 3 des Gehäuses 1 in etwa kreiszylindrisch um die Achse A mit einem Radius r ausgebildet ist, weist der Kolben 2 eine exzentrische Ausgestaltung auf. Ein Bogen 4 eines gestrichelt eingegrenzten Segmentes 5 des Kolbens 2 weist einen Radius auf, der in etwa dem Radius r der Innenwand 3 entspricht. Seine Länge ist auf jeden Fall größer als ein Abstand a zwischen zwei Steuerkanten 6 und 7, wobei die Steuerkante 6 einen Übergang von einem Einlaß 8 für ein Medium in einen Arbeitsraum 9 und die Steuerkante 7 einen Übergang von dem Arbeitsraum 9 in einen Auslaß 10 ausbildet.

Der Arbeitsraum 9 wird dadurch innerhalb des Gehäuses 1 ausgeformt, daß der Bogen 4 beidseits in einen halbkreisförmigen Bogenabschnitt 11 übergeht, welcher einen Radius r₁ aufweist, der geringer ist als der Radius r.

Zwischen dem Einlaß 8 und dem Auslaß 10 befindet sich ferner eine Dichteinrichtung 12. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese Dichteinrichtung 12 zwei Schieber 13 und 14 auf, welche als Winkel ausgebildet sind und sich jeweils mit einer Dichtkante 15 auf einer Oberfläche 16 des Kolbens 2 abstützen.

Um den unterschiedlichen Radien r und r₁ des Kolbens 2 Rechnung tragen zu können, sind die Schieber 13 und 14 auf einer Achse 17 gelagert, wobei sie um diese Achse 17 drehen können. Hierbei sind sie in einer Aufnahme 18 geführt. Bevorzugt erfolgt die Drehung gegen nicht näher gezeigte Federn bzw. mittels einer Nockensteuerung.

In Fig. 2 ist erkennbar, daß bei einer Drehung des Kolbens 2 um die Achse A in Richtung z eine Veränderung des Arbeitsraumes 9 stattfindet. Sobald ein Endpunkt 19 des Bogens 4 die Steuerkante 6 überschritten hat, öffnet sich zum Einlaß 8 hin ein Raum R₁, der nur gestrichelt angedeutet ist. Das Volumen des Raumes R₁ vergrößert sich bei einer weiteren Drehung des Kolbens 2 in Drehrichtung z. Hierdurch wird ein Medium durch den Einlaß 8 angesaugt.

Gleichzeitig wird das Volumen eines Raumes R₂ zwischen einem vorderen Endpunkt 20 des Bogens 4 und dem Auslaß 10 verringert, d. h., ein Medium, welches sich in diesem Raum R₂ befindet, wird durch den Auslaß 10 ausgestoßen.

Somit kann durch den Zylinder R ein Medium von einem Einlaß 8 zu einem Auslaß 10 durch die veränderbaren Räume R₁ und R₂ transportiert werden. In einem Raum R₃ zwischen den Schiebern 13 und 14 befindet sich bevorzugt ein Schmiermittel, wodurch der Lauf des Kolbens 2 begünstigt wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Drehkolbenkompressor K gemäß Fig. 3 sind zwei Zylinder R₁ und R₂ miteinander über einen Kanal 20 verbunden. In diesem Kanal 20 ist ein Raum R₄ ausgebildet, der dem schädlichen Volumen V₅ von Hubkolben­ kompressoren entspricht. Dieser Raum R₄ erstreckt sich von der Steuerkante 7.1 des Auslasses 10.1 des Zylinders R_a bis zur Steuerkante 6.2 des Einlasses 8.2 des Zylinders R₁. Ferner weist der Zylinder R₁ einen Einlaß 8.1 und der Zylinder R₂ einen Auslaß 10.2 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung etwas anders ausgebildet als in den Fig. 1 und 2. Die Schieber 13.1, 13.2 und 14.1, 14.2 sind hier in entsprechenden Ausnehmungen einer Aufnahme 18 gegen Feder 21 gelagert.

Wesentlich ist, daß der Radius r_a der Innenwand 3.1 des Zylinders R_a und der Radius r_1a des Bogenabschnittes 11.1 größer sind als der Radis r_b und der Radius r_1b der Innenwand 3.2 und des Bogenabschnittes 11.2 des Zylinders R_b. Aus diesem Grunde ist das Volumen V₁ des Arbeitsraumes 9.1 größer als das Volumen V₂ des Arbeitsraumes 9.2.

Werden beide Kolben 2.1 und 2.2 in Drehrichtung Z₁ und Z₂ versetzt, so wird das höhere Volumen V₁ des Arbeitsraumes 9.1 in dem Zylinder R_b durch den Kanal 20 hindurchgepumpt, so daß im Zylinder R_b eine Verdichtung stattfindet. Das Verdichtungsverhältnis ist dabei ε = V₁ / V₁ + V_S. Ferner ist wesentlich, daß der Kolben 2.2 dem Kolben 2.1 vorläuft. Dabei soll der Endpunkt 19.2 des Kolbens 2.2 die Steuerkante 6.2 bereits überschritten haben, ehe der Endpunkt 19.1 des Kolbens 2.1 die Steuerkante 7.1 überschreitet. Hierdurch wird bewirkt, daß der Raum R₂ des Zylinders R_a zu dem Kanal 20 hin erst dann geöffnet wird, wenn sich in dem Zylinder R_b bereits ein Raum R₁ gebildet hat, in den sich das schädliche Volumen aus dem Raum R₄ entspannen konnte.

In Fig. 4 ist ein Drehkolbenkompressor K angedeutet, der als Wärmekraftmaschine arbeiten kann. Hierbei wird ein Medium von einem Zylinder R_a zu einem Zylinder R_b und einen Zylinder R_c hin verdichtet. Die Verdichtung erfolgt von dem Gasstrom-Volumen V_a zu dem Volumen V_b und zu dem Volumen V_c.

Zwischen dem Zylinder R_c und einem weiteren Zylinder R_d findet eine Wärmezufuhr ΔQ statt. Zwischen dem Zylinder R_d und einem fünften und sechsten Zylinder R_e und R_f erfolgt dann eine adiabate Entspannung des Volumens auf ein Volumen V_f bzw. V_g, welches wieder in etwa dem Volumen V_a entspricht, so daß ein Umgebungsdruck erreicht wird.

Alle Zylinder R_a bis R_f sitzen in dem Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Welle 22.

Hierbei ist erkennbar, daß eine Wärmezufuhr ΔQ während einer vollen Umdrehung der Kolben, d. h., etwa viermal länger als bei bekannten Hubkolbenmotoren erfolgt. Hierdurch wird eine kontrollierte Verbrennung ermöglicht.

Der im Vergleich mit üblichen Verbrennungskraftmaschinen lange Aufenthalt des Arbeitsmediums im Motor läßt eine sehr geringe Emission von NO_x, CO₂ sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffen erwarten. Die Entspannung des Volumens V_g im letzten Zylinder R_f auch Umgebungsdruck führt dazu, daß keine oder nur geringe Auspuffgeräusche entstehen.

Weder wird an die Wahl eines Brennstoffes besondere Anforderungen gestellt, noch sind Ventile oder damit verbundene Teile zu ihrer Ansteuerung notwendig.

Dieser erfindungsgemäße Drehkolbenkompressor verspricht in einer Ausführung als wärmedichter Motor eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades, beispielsweise im Gegensatz zu Motoren, die Verdichtung und Entspannung in ein und demselben Raum ausführen müssen, wie beispielsweise 4-Takt, 2-Takt- oder Wankelmotoren.

Claims (8)

1. Drehkolbenkompressor mit einem Zylinder (R) aus einem Gehäuse (1) mit darin drehbar gelagertem Kolben (2), der mit einer Innenwand (3) des Gehäuses (1) bei seiner Drehung um eine Achse (A) einen in seinem Volumen (V) veränderbaren Arbeitsraum (9) ausbildet, der sich zwischen einem Einlaß (8) und einem Auslaß (10) für eine Medium erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (9.1) des Zylinders (R_a) über seinen Auslaß (10.1) in einem Kanal (20) einmündet, der über einen Einlaß (8.2) mit einem Arbeitsraum (9.2) eines weiteren Zylinders (R_b) in Verbindung steht, wobei das Volumen (V_a) des Arbeitsraumes (9.1) des ersten Zylinders (R_a) größer ist als das Volumen (V_b) des Arbeitsraumes (9.2) des zweiten Zylinders (R_b).

2. Drehkolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenwand (3) des Gehäuses (1) in etwa kreiszylindrisch mit einem Radius (r) ausgebildet ist und sich von einer Steuerkante (6) des Einlasses (8) zu einer Steuerkante (7) des Auslasses (10) erstreckt.

3. Drehkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (2) eine der Innenwand zugewandte Oberfläche (16) aufweist, die einen Bogen (4) mit einem Radius ausbildet, welcher dem Radius (r) entspricht und eine Länge zwischen zwei Endpunkten (19a und 19b) aufweist, welche größer ist, als der Abstand (a) zwischen den beiden Steuerkanten (6 und 7).

4. Drehkolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche (16) beiderseits der Endpunkte (19a, 19b) in einen halbkreisförmigen Bogenabschnitt (11) übergehen, dessen Radius (r₁) kleiner ist als der Radius (r) der Innenwand (3).

5. Drehkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaß (8) und dem Auslaß (10) eine Dichteinrichtung (12) vorgesehen ist.

6. Drehkolbenkompressor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2.2) des Zylinders (R_b) dem Kolben (2.1) des Zylinders (R_a) vorläuft.

7. Drehkolbenkompressor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Zylinder (R_b) ein Zylinder (R_c) mit einem größeren Arbeitsraumvolumen (V_c) folgt, wobei zwischen beiden Zylindern (R_b und R_c) eine Entspannung unter wärmezufuhr (ΔQ) stattfindet.

8. Drehkolbenkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf den Zylinder (R_c) ein Zylinder (R_d) folgt und zwischen beiden Zylindern eine adiabate Entspannung des Volumens (V_d) auf Umgebungsdruck stattfindet.