DE60034089T2

DE60034089T2 - Entspanner-Verdichter als Ersatz eines Drosselventils einer zwei-phasigen Strömung

Info

Publication number: DE60034089T2
Application number: DE60034089T
Authority: DE
Inventors: Joost J. Fayetteville Brasz
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: EP1067342A3; JP2001050182A; KR20010015238A; EP1067342B1; DE60034089D1; BR0002550B1; CN1144952C; KR100355967B1; JP3799220B2; BR0002550A; CN1283748A; US6185956B1; ES2282077T3; EP1067342A2

Description

Die Erfindung bezieht auf das Gebiet der Kühltechnik und insbesondere auf eine einzelne Druckbeaufschlagungsmaschine (Expressor), die sowohl die Expansion als auch die Kompression einer Zweiphasenströmungsmischung ermöglicht, wie sie in Kühler-, Klimatisierungs-, Wärmepump- oder Kühlsystemen verwendet wird.
Zuerst und mit Bezug auf 1 ist ein bekanntes Kühlsystem 10 für ein Wärmepumpe, einen Kühler oder eine Klimaanlage gezeigt, um einen Hintergrund zu schaffen. Das bekannte Kühlsystem 10 weist einen von einem Elektromotor 12 oder mit anderen bekannten Mitteln angetriebenen Kompressor 11 auf, der Dampf komprimiert. Der Kompressor 11 gibt komprimierten Dampf bei hohem Druck und hoher Temperatur in einen Kondensator 13 ab, wo Wärme aus dem Arbeitsfluid extrahiert wird, wodurch die Kondensation des Dampfs mit hohem Druck in eine Flüssigkeit mit hohem Druck bewirkt wird. Die Flüssigkeit mit hohem Druck strömt dann von dem Kondensator 13 in ein Drosselventil 14, das den Druck der Flüssigkeit reduziert, wodurch eine Teilentspannungsverdampfung bewirkt wird. Dieses Fluid mit niedrigem Druck wird dann in einen Verdampfer 15 geleitet, in dem das Fluid Wärme absorbiert, wobei das Arbeitsfluid von dem Flüssigkeits- in den Dampfzustand umgewandelt wird. Der Dampf von dem Verdampfer gelangt an der Einlassseite zurück in den Kompressor 11.
2 zeigt ein Dampfkompressionskreislauf-PH-Diagramm (pressure v. enthalpy; Druck in Abhängigkeit von Enthalpie) für das in 1 gezeigte herkömmliche Kühlsystem, wobei der Druck (P) entlang der Ordinate dargestellt ist und die Enthalphie (H) entlang der Abszisse erscheint. Der Dampf/Kompressionskreislauf zeigt eine adiabatische Kompression von Dampf entlang Linie A, eine Kühlung des überhitzten Dampfs, die entlang Linie B1 erfolgt, gefolgt von einer isothermen Zweiphasen-Kondensation entlang Linie B2 und einer Unterkühlung der Flüssigkeit entlang Linie B3. Wenn das Arbeitsfluid durch ein Drosselventil gelangt, erfährt das Arbeitsfluid eine isoenthalpische Expansion, wie von. der senkrechten Linie C gezeigt. Eine isobare Verdampfung der Flüssigkeit in dem Verdampfer wird von der waagerechten Linie D gezeigt.
Wie aus dem vorhergehenden Diagramm ersichtlich werden sollte und bei einer isoenthalpischen Expansion wird die Qualität des expandierten Kühlmittels erhöht, da ein Teil der Kompressionsenergie des kondensierten Arbeitsfluids bei dem Umwandeln der Flüssigkeit in Dampf an der Tiefdruckseite des Systems verbraucht wird. Für einen effizienten Betrieb sollte die Qualität des Arbeitsfluids, das heißt, der Dampfanteil das expandierten Kühlmittels, so klein wie möglich sein.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Es wurde ein verbessertes System entwickelt, wie in dem US-Patent mit der Nummer 5 467 613 mit gleichem Inhaber beschrieben, in dem die Drosselventilexpansionsvorrichtung durch eine Turbinenexpansionsvorrichtung 17 ersetzt wird. Die Turbinenexpansionsvorrichtung 17 nimmt die Flüssigkeit mit hohem Druck von dem Kondensator auf und treibt einen Turbinenrotor mit der kinetischen Energie des expandierenden Arbeitsfluids an. Mit anderen Worten wird ein Teil der von dem Kompressor an das Arbeitsfluid abgegebene Energie in der Expansionsvorrichtung als mechanische Energie zurückgewonnen. Deshalb entlastet die Turbinenexpansionsvorrichtung einen Teil der Kompressorlast an dem Antriebsmotor, so dass der Kühlungskreislauf wirksamer arbeitet als es mit einer Expansionsvorrichtung vom Drosseltyp möglich ist.
Typischerweise ist die Turbinenexpansionsvorrichtung entweder mechanisch oder elektrisch mit dem Hauptkompressor verbunden. Eine typische mechanische Anordnung ist in 3 dargestellt. Ein Nachteil der Anordnung mit direkter Kopplung besteht darin, dass die Turbine/die Expansionsvorrichtung in enger Nähe zu dem Hauptkompressor platziert werden muss. Dies führt zu dem Bedarf nach einem zusätzlichen Leitungssystem in dem System und erhöht dementsprechend die Realisierungskosten der Expansionsvorrichtung mit Zweiphasenströmung.
Eine andere mögliche in 4 gezeigte Lösung für das oben genannte Problem besteht darin, eine allein stehende Turbine/Expansionsvorrichtung vorzusehen, die ihre zurückgewonnene mechanische Energie unter Verwendung eines Generators 18 lokal in elektrische Energie umsetzt. Diese umgesetzte elektrische Energie liefert einen Teil der elektrischen Energie, die für das Antreiben des Motors 12 des Kompressors 11 erforderlich ist. Die Nachteile dieses Systems sind der Bedarf nach dem zusätzlichen elektrischen Generator als auch die mit dem Generator verbundenen zusätzlichen Verluste.
Außerdem erfordert jedes der in 3 und 4 gezeigten Systeme Turbinen/Expansionsvorrichtungen, die mit festgelegten Drehzahlen laufen. In gegenwärtigen Systemanwendungen erfordert ein Betrieb mit festgelegter Drehzahl jedoch zusätzliche Hardware, um eine Heißgasumgehung von dem Kondensator zu dem Verdampfer unter Teillastbedingungen zu verhindern. Demzufolge verschlechtert sich die Effizienz von vorhandenen Drosselverlustrückgewinnungssystemen unter Teillastbedingungen. Zum Beispiel hat man herausgefunden, dass bei einem System, das bei oder unter 50% Kapazität mit reduzierter Temperaturanhebung läuft, die Energie-Rückgewinnung der Turbine/der Expansionsvorrichtung typischerweise auf fast zu vernachlässigende Mengen reduziert wird.
Ferner beschreibt US 5 192 199 einen mit einer Expansionsvorrichtung betriebenen Kompressor für ein gasförmiges Medium.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung von Drosselverlustrückgewinnungssystemen des Standes der Technik.
Deshalb ist gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Maschine für positive Verlagerung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Vorzugsweise ist eine Druckbeaufschlagungsmaschine bzw. eine Maschine für positive Verlagerung (Expressor) mit Zwillingsschraube mit einem Paar Rotoren, die ohne Motoren durch ein Fluid-Kühlmittel, das durch die Rotoren gelangt, angetrieben werden kann, vorgesehen, obwohl die Maschine bei Bedarf einen Motorantrieb aufweisen kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Einzel-Fluid-Kompressions-/Expansionskühlvorrichtung nach Anspruch 14 vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für das Expandieren und das Komprimieren eines Kühlmittels nach Anspruch 16 vorgesehen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine wie beschriebene (nachstehend auch als Expressor bezeichnete) Mehrfachverlagerungsmaschine an einer einströmenden unterkühlten Flüssigkeit oder Zwei-Phasen-Fluidmischung sowohl Expansion als auch Kompression geeignet ausführen kann.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Expansionsvorrichtung/der Kompressor (nachstehend auch als ein Expressor bezeichnet) nicht direkt mit einer Vorrichtung mit festgelegter Drehzahl (wie z.B. einem elektrischen Generator oder dem Hauptkompressor oder seinem Motor) gekoppelt ist, wodurch seine Drehzahl variabel ist. Die Fähigkeit zu variabler Drehzahl ermöglicht einen Betrieb mit reduzierter Drehzahl unter Teillastbedingungen, wenn die Strömungsrate der flüssigen Masse, die in die Expansionsvorrichtung gelangt, reduziert wird. Auf diese Weise kann die Drehzahl des Expressors selbstregulierend sein.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Expressor eine für sich allein stehende Vorrichtung ist und keine separate mechanische Verbindung mit dem Hauptkompressor erfordert. Deshalb kann der Expressor an vorhandenem HVAC-Equipment nachgerüstet werden.
Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die während des Expansionsprozesses zurückgewonnene mechanische Energie direkt verwendet werden kann, um einen Kompressionsprozess zu betreiben. Deshalb ist die vorliegende Vorrichtung effizienter als für sich alleine stehende Vorrichtungen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Noch ein anderer Vorteil besteht darin, dass, da ein Kompressionsprozess unter Verwendung des völlig von dem Hauptkompressor getrennten Expressors ausgeführt wird, die Gesamtsystemkapazität erhöht wird.
Noch ein anderer Vorteil besteht darin, dass eine Einzel-Schrauben-Mehrfachrotorverlagerungsmaschine wirksam expandieren und dann einen Teil einer eintretenden Zweiphasenmischung komprimieren kann, ohne ein Paar Maschinen für das separate Expandieren und Komprimieren der Zweiphasenmischung zu erfordern.
Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es keine Größenbeschränkung bei den Anwendungen gibt. Deshalb können große langsame Expressoren oder kleine schnelle Expressoren vorgesehen sein.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen werden sollte, ersichtlich.
1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Kühlersystems ohne Drosselverlustenergierückgewinnung;
2 ist eine Darstellung eines Kühlmittel-Kompressions-/Expansionskreislaufs für das Kühlersystem aus 1;
3 ist eine schematische Darstellung des bekannten Kühlersystems aus 1, in der das Drosselexpansionsventil durch einem Turboexpansionsvorrichtung ersetzt ist, der mechanisch mit dem Hauptkompressor gekoppelt ist;
4 ist eine schematische Darstellung der bekannten Systeme der 1 und 3 unter Verwendung eines Turboexpansionsvorrichtungs, der elektrisch mit dem Hauptkompressor gekoppelt ist;
5 ist eine Teilperspektivansicht von oben auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Maschine für positive Verlagerung, die in einer ersten Zone expandiert und in einer zweiten Zone komprimiert;
6 ist eine Perspektivansicht von oben auf die Maschine für positive Verlagerung aus 5, die die Einlassöffnung zeigt;
7 ist eine Teilperspektivansicht von unten auf die Maschine für positive Verlagerung aus 5;
8 ist eine Perspektivenansicht von unten auf die Maschine für positive Verlagerung aus 5, die die Einlass-, Zwischen- und Auslassöffnung zeigt;
9 ist eine Seitenansicht der Maschine für positive Verlagerung aus 5, die relative volumetrische Bereiche der kanalisierten Volumen und der Einlass-, Zwischen- und Auslassöffnung zeigt;
10 ist eine schematische Darstellung eines Kühlersystems, das die Maschine für positive Verlagerung aus 5 verwendet;
11 ist ein Diagramm eines Kühlmittel-Kompressions-/Expansionskreislaufs für ein System, das einen Expressor, wie z.B. das Kühlersystem aus 10, verwendet;
12 ist eine Teilseitenansicht einer Maschine für positive Verlagerung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
13 ist eine Teil-Endansicht eines Drehflügel-Expressors gemäß einer Anordnung, die nicht in den Umfang der Ansprüche fällt.
Die folgende Diskussion bezieht sich auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Im Verlauf der Diskussion werden Begriffe wie "vorne" "hinten" "seitlich" "oben" und "unten" verwendet um einen Referenzrahmen bezüglich der begleitenden Zeichnungen zu schaffen. Diese Begriffe sollten jedoch hinsichtlich der vermittelten erfinderischen Konzepte nicht als einschränkend ausgelegt werden.
Es wird Bezug auf 5-9 genommen. Darin wird eine nachstehend als ein Expressor 30 bezeichnete Maschine für positive Verlagerung mit einem Paar zusammenwirkender Rotoren, nämlich einem ersten Rotor 32 und einem zweiten Rotor 34, die in dem Inneren eines im Wesentlichen abgedichteten Gehäuse 36 mit einem Volumen, das im Wesentlichen durch das sich Überkreuzen eines ersten und eines zweiten Zylinders 38, 40 definiert ist, angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform weist der erste Rotor 32 eine Mehrzahl von um seinen Umfang angeordnete spiralförmigen Ausbauchungen 42 auf, die durch eine entsprechende Mehrzahl von Nuten 44 getrennt sind. Die Ausbauchungen 42 sind so bemessen, dass sie grob dem Durchmesser des ersten Zylinders 38 entsprechen, während sie es noch zulassen, dass sich der erste Rotor 32 in dem Gehäuse 36 dreht. Der zweite Rotor 34 weist eine Mehrzahl von spiralförmigen Nuten 46 auf, die um seinen Umfang angeordnet und so bemessen sind, dass sie die spiralförmigen Ausbauchungen 42 des ersten Rotors 32 aufnehmen. Zwischen jeder der spiralförmigen Nuten 46 befindet sich eine entsprechende Anzahl von Flächen 48, die so bemessen sind, dass sie grob dem Durchmesser des zweiten Zylinders 40 entsprechen, aber noch die Drehung des zweiten Rotors 34 um eine parallele Drehachse zulassen, wie bei dem ersten Rotor 32. Da jeder der Rotoren in eine entgegengesetzte Richtung dreht, greifen die spiralförmigen Ausbauchungen 42 des ersten Rotors 32 in die spiralförmigen Nuten 46 des zweiten Rotors 34 ein.
Die Nuten 44, 46 der ineinandergreifenden Rotoren 32, 34 und die Innenwand des Gehäuses 36 definieren kanalisierte Volumen 50, 50A, 51, 51A, durch die Fluid-Kühlmittel eintritt und anschließend hindurchgelangt. Zwei benachbarte Zonen 52, 54 sind entlang der Achse des Expressors 30 definiert. Die erste Zone ist eine wirksam geschlossene Expansions-Arbeitskammer oder eine Expansionszone 52, die durch kleine kanalisierte Volumen 50A, 50 definiert ist, die sich spiralförmig von einer Einlassöffnung 56 des Expressors 30 erstrecken und entlang der Achse bis zu dem Ende der Expansionszone 52 zunehmen. Die zweite Zone ist eine wirksam geschlossene Kontraktions-Arbeitskammer oder eine Rekompressionszone 54 und ist durch das Abnehmen der Volumen der kanalisierten Volumen 51, 51A definiert. Am Anfang der Rekompressionszone 54 sind große kanalisierte Volumen 51, die dem Ende der Expansionszone 52 benachbart angeordnet sind, wobei die kanalisierten Volumen 51 der Rekompressionszone 54 zu der Auslassöffnung 60 des Expressors 30 (auch das Ende der Rekompressionszone) hin abnehmen. Deshalb sind die kanalisierten Volu men 50A, 51A an der Vorderseite und Rückseite des Expressors 30 kleiner als die kanalisierten Zwischenvolumen 50, 51 des Expressors 30, darstellend in 9 gezeigt.
Am oberen vorderen Teil des Expressors 30 ist die Einlassöffnung 56 für das Aufnehmen einer volumetrischen Strömung des Fluid-Kühlmittels, das sich normalerweise im Wesentlichen in der flüssigen Phase befindet, angeordnet. Wenn eintretendes Fluid-Kühlmittel durch die kanalisierten Volumen 50A, 50 der Expansionszone 52 gelangt, expandiert das Fluid auf Grund der Zunahme seines Volumens, was zu zusätzlichem Kühlmitteldampf führt. Die Expansion des Fluids verursacht auch eine Entspannungsverdampfung, die Arbeit an den Rotoren 32, 34 verrichtet, wenn das gefangene Volumen an Größe zunimmt. Ein Zwischenöffnung 58 ist an der Unterseite des Expressors 30 angeordnet, durch die im Wesentlichen das ganze flüssige Kühlmittel durch Zentrifugalkräfte und Schwerkraft entfernt wird. Das verbleibende Fluid gelangt dann in die zweite Zone 54, wo es auf Grund der abnehmenden Größe der kanalisierten Volumen 51, 51A in einen Dampf mit hohem Druck rekomprimiert wird. Entstehender Dampf mit hohem Druck verlässt dann den Expressor 30 durch eine in dem unteren rückseitigen Teil des Expressors 30 angeordnete Auslassöffnung 60. Deshalb werden sowohl die Expansion als auch die Kompression unter Verwendung der gleichen Maschine erreicht. Die Energie, die während des Expansionsprozesses als Energie für die Drehwelle zurückgewonnen wird, wird direkt verwendet, um einen Teil des Dampfs in der Rekompressionszone des Expressors 30 zu komprimieren. Die von dem Expressor 30 ausgeführte Kompression erfordert keine externe Energiezufuhr und geschieht zusätzlich zu der von dem Hauptkompressor ausgeführten Kompression. Deshalb verbessert der Expressor 30 sowohl die Effizienz als auch die Kapazität eines gegebenen Dampfkompressionssystems.
Es ist wichtig, dass die axiale Gesamtlänge des Expressors 30 lang genug ist, um im Wesentlichen das gesamte flüssige Kühlmittel durch die Zwischenöffnung 58 zu entfernen, aber nicht so lang, dass die Unterschiede zwischen den kanalisierten Volumen 50, 50A, 51, 51A zunichte gemacht werden, was zu wenig Rekompression in der zweiten Zone 54 führen würden. Es ist auch wichtig, dass die Ausbauchungen 42 so gebildet und konfiguriert sind, dass sie eine Fluid-Leckage zwischen den Kanälen, wie z.B. durch (nicht gezeigte) Blasöffnungen, reduzieren, damit das Fluid-Kühlmittel effizient expandiert und/oder komprimiert wird.
Jetzt wird Bezug auf 10 und 11 genommen, in denen ein Kühlersystem 31 mit dem beschriebenen Expressor 30, der zwischen einem Kondensator 13 und einem Verdampfer 15 angeordnet ist, gezeigt ist. Der Klarheit halber werden die Teile, die Bezugszahlen wie die in 1-9 beschriebenen haben, mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Ein Dampfkühlmittel mit niedrigem Druck (P₁) gelangt in einen Kompressor 11, wo es zu einem Dampfkühlmittel mit hohem Druck (P₃) komprimiert wird, wie von Linie A aus 11 dargestellt. Das Dampfkühlmittel mit hohem Druck gelangt dann von dem Kompressor 11 in den Kondensator 13, wo es durch Wärmeaustausch mit Flüssigkeit in einem Kühlkreis 27 abgekühlt und zu Flüssigkeit komprimiert wird, wie von den Linien B, C und D aus 11 dargestellt. Linie C zeigt, dass, sobald das Kühlmittel in dem Kondensator 13 eine vollständige isobare Dampf-zu-Flüssigkeit-Phasenänderung (Linie B) erfährt, das Kühlmittel dann einen isoenthalpischen Druckabfall von P₃ zu P₂ erfährt, der bewirkt, dass das Kühlmittel wieder eine Zweiphasenmischung mit dem Druck P₂ wird. Während es noch in dem Kondensator 13 ist, erfährt das Kühlmittel eine weitere isobare Phasenänderung, um im Wesentlichen in die flüssige Phase mit einer Enthalpie von H₂ überzugehen, wie von Linie D dargestellt. Von dem Kondensator 13 gelangt das Kühlmittel durch die Einlassöffnung 56 in den Expressor 30. Wie zuvor beschrieben, expandiert das Kühlmittel und bildet auf diese Art eine Zweiphasen-Fluidmischung. Es wird im Wesentlichen das ganze flüssige Kühlmittel von dem Expressor 30 durch die Zwischenöffnung 58 gezwungen und gelangt weiter zu dem Verdampfer 15, wie von Linie E dargestellt. Das in dem Expressor 30 verbleibende Kühlmittel wird in der Rekompressionszone 54 (zu dem Kondensatordruck) rekomprimiert und verlässt dann den Expressor 30 durch die Auslassöffnung 60 in der Form eines Dampfs mit hohem Druck, der dann zu dem Kondensator 13 zurückgeführt wird.
Es wird immer noch Bezug auf 10 und 11 genommen. Linie F beschreibt das thermodynamische Ergebnis eines (nicht gezeigten) Drosselven tils, während Linie E das thermodynamische Ergebnis der Expansionszone 52 des Expressors 30 zeigt. Man sollte erkennen, dass es als eine Folge des anstatt in einem Drosselventil in dem Expressor 30 expandierten Fluids einen höheren Prozentsatz an Flüssigkeit in dem in den Verdampfer 15 hineingelangenden Kühlmittel gibt. Der Unterschied in der Enthalpie (H₂ – H₁) auf Grund einer höheren Flüssigkeitskonzentration in dem Kühlmittel ist die mechanische Energie, die während der Expansion zurückgewonnen wird und die während der Rekompression von den Drehwellen des Expressors 30 verwendet werden soll. An dem Verdampfer entfernt das im Wesentlichen flüssige Kühlmittel mit niedrigem Druck Wärme aus einem Kühlerkreis 29 und ändert seine Phase in ein im Wesentlichen dampfförmiges Kühlmittel mit niedrigem Druck, das in den Kompressor 11 zurückzuführen ist, dargestellt von der Linie G. Durch das Erhöhen des Flüssigkeitsprozentsatzes des Kühlmittels in dem Verdampfer wird die Gesamteffizienz des Kühlersystems 31 erhöht, da mehr Wärme aus der Umgebung erforderlich ist, um die Phase und die Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer zu ändern als dafür, einfach die Temperatur des Kühlmittels zu ändern. Demzufolge dient der Expressor 30 dazu, das Verhältnis von Flüssigkeit zu Dampf in dem Kühlmittel in dem Verdampfer 15 zu erhöhen, und dient auch dazu, den Kompressor 11 durch das Bereitstellen von zusätzlichem Dampf mit hohem Druck zu unterstützen, der in dem Kondensator 13 kondensiert werden soll.
12 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Maschine für positive Verlagerung 73 gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen ersten Rotor 75 mit einer Drehachse aufweist, die relativ zu einem Paar Pfortenrotoren 77, 78 in Eingriff rechtwinklig angeordnet ist. Fluid-Kühlmittel, das durch eine Einlassöffnung 76 in die Mehrfachverlagerungsmaschine 73 gelangt, expandiert in dem ersten Rotor 75 und wird eine Zweiphasenmischung. Nach der Expansion in dem ersten Rotor 75 verlässt der flüssige Teil des expandierten Kühlmittels den ersten Rotor 75 über eine Zwischenöffnung 80. Der verbleibende Kühlmitteldampf wird dann komprimiert und verlässt den Rotor 75 durch eine Auslassöffnung 82.
Eine Anordnung, die nicht in den Umfang der Ansprüche fällt, ist in 13 gezeigt, in der ein Drehflügel-Expressor 99 einen zentralen Rotor 93 aufweist, der exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse 95 montiert ist. Eine Mehrzahl von Gleitflügeln 91 ist radial an der äußeren Oberfläche des zentralen Rotors 93 angeordnet. Wenn sich der zentrale Rotor 93 entlang der Innenoberfläche des Gehäuses 95 dreht, bewegen sich die Gleitflügel 91 radial in umfangsmäßig beabstandete Passagen 100, die in dem Gehäuse 95 angeordnet sind, und aus ihnen heraus, wodurch sich das Volumen des Kühlmittels ändert. Ein flüssiges Kühlmittel mit hohem Druck mit einem Volumen V1 gelangt durch eine Einlassöffnung 90 in den Drehflügel-Expressor 99. Wenn sich der Rotor 93 dreht, expandiert das Volumen des Kühlmittels bis zu dem Volumen V3, in dem das Kühlmittel jetzt als ein Zweiphasenmischung mit niedrigem Druck exisiert. An einer Zwischenöffnung 92 wird eine wesentliche Menge der in der Zweiphasenmischung mit niedrigem Druck vorhandenen Flüssigkeit aus dem Expressor 99 entfernt. Das restliche Kühlmittel erfährt dann eine Kompression zu einem Volumen V5, wo es zuletzt durch eine Auslassöffnung 94 als ein Dampf mit hohem Druck entfernt wird.
Andere Variationen sind möglich. Zum Beispiel können drei oder mehr Rotoren in einer (nicht gezeigten) parallelen Konfiguration platziert werden, so dass abwechselnde spiralförmige Ausbauchungen in abwechselnde spiralförmige Nuten greifen. In dieser Anordnung kann eine Mehrzahl von Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen vorgesehen sein, so dass das Kühlmittel gleichmäßig expandiert und komprimiert wird.

Claims

Mehrfachrotorverlagerungsmaschine zum Expandieren und Komprimieren eines Kühlmittels, wobei die Maschine aufweist: einen ersten Rotor (32) mit einer Mehrzahl von spiralförmigen Ausbauchungen (42), die um einen Rotorumfang angeordnet sind; mindestens einen zweiten Rotor (42) in eingreifendem Kontakt mit dem erstem Rotor (32) und mit einer Mehrzahl von spiralförmigen Nuten (46), die um mindestens einen zweite Rotorumfang angeordnet sind, um die Ausbauchungen (42) des ersten Rotors (32) aufzunehmen, während sich die Rotoren in entgegengesetzte Richtungen drehen; und ein Gehäuse (36), das eine Kammer definiert, die die Rotoren umgibt, und an einem Ende eine Einlassöffnung (56) und an einem entgegengesetzten Ende eine erste Auslassöffnung (60) hat, wobei das Gehäuse (36) ferner eine zweite Zwischenauslassöffnung (58) aufweist, die in einer Seitenwand der Kammer zwischen der Einlassöffnung (56) und der ersten Auslassöffnung (60) gebildet ist; und wobei die Rotoren (32, 34) und das Gehäuse (36) während des Drehens des ersten Rotors (32) in eine Richtung eine wirksam geschlossene Expansions-Arbeitskammer (52) zwischen der Einlassöffnung (56) und der Zwischenauslassöffnung (58) und eine wirksam geschlossene Kontraktions-Arbeitskammer (54) zwischen der ersten Auslassöffnung (60) und der Zwischenauslassöffnung (58) definieren; wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Zwischenauslassöffnung (58) in einem unteren Teil des Gehäuses (36) angeordnet ist, um eine Flüssigkühlmittelphase einer Flüssig-Dampf-Zwei-Phasen-Fluid-Mischung aus der Maschine zu entfernen.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Expansions-Arbeitskammer (52) eine ausreichende Länge hat, um die Expansion des Kühlmittels und die Entfernung von im Wesentlichen der ganzen Flüs sigkühlmittelphase aus der Maschine zu ermöglichen.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einlassöffnung (56) in einem oberen Teil des Gehäuses (36) angeordnet ist.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Auslassöffnung (60) in einem unteren Teil des Gehäuses (36) angeordnet ist.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoren (32, 34) von der Aufnahme einer Fluid-Mischung in die Einlassöffnung (56) zum Drehen veranlasst werden, ohne einen Motor zu verwenden.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend einen Motor, um das Drehen von mindestens einem Rotor (32, 34) zu veranlassen.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Rotor (32) und der mindestens eine zweite (34) Rotor in einer zueinander parallelen Beziehung angeordnet sind, wobei jeder der Rotoren eine entsprechende Drehachse hat und diese zueinander parallel sind.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Rotor (32, 34) eine Drehachse hat, die gegenüber den Drehachsen der übrigen Rotoren mit einem Winkel angeordnet ist.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Expansions-Arbeitskammer (52) mindestens ein kanalisiertes Volumen (50A, 50) aufweist.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine kanalisierte Volumen (50A, 50) der Expansions-Arbeitskammer (52) entlang der Achse der Expansions-Arbeitskammer im Volumen zunimmt.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontraktions-Arbeitskammer (54) mindestens ein kanalisiertes Volumen (51, 51A) aufweist.
Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach Anspruch 11, wobei das mindestens eine kanalisierte Volumen (51, 51A) der Kontraktions-Arbeitskammer (54) entlang der Achse der Kontraktions-Arbeitskammer im Volumen abnimmt.
Die Mehrfachrotorverlagerungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Rotor (32) und der zweite Rotor (34) eine ausreichende Länge aufweisen, um sowohl eine Expansion als auch eine Kompression des Kühlmittels auszuführen.
Einzel-Fluid-Kompressions-/Expansionskühlvorrichtung, aufweisend: eine Füllung von Fluid-Kühlmittel, das in der Vorrichtung in Form von Flüssigkeit und von Dampf vorhanden ist; einen Kompressor (11) für das Komprimieren des Fluid-Kühlmittels, wobei dem Kühlmittel-Fluid Kompressionsenergie hinzufügt wird, wobei der Kompressor einen Einlass, um das Fluid mit einem vorbestimmten reduzierten Druck aufzunehmen, und einen Auslass, von dem das Fluid mit einem erhöhten Druck geliefert wird, hat; einen mit dem Hauptkompressor (11) gekoppelten Antriebsmotor (12) für das Antreiben des Hauptkompressors; eine Kondensatoreinrichtung (13) für das Extrahieren von Wärme aus dem Kühlmittel, wobei der aus dem Hauptkompressor herauskommende verdichtete Dampf in eine Flüssigkeit umgewandelt wird; eine Verdampfereinrichtung (15) für das Absorbieren von externer Wärme in das Kühlmittel und für das Umwandeln von flüssigem Kühlmittel in Dampf; und eine Mehrfachrotorverlagerungsmaschine (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zwischen der Kondensatoreinrichtung (13) und einem Eingang zu der Verdampfereinrichtung (15) angeordnet ist.
Einzel-Fluid-Kompressions-/Expansionskühlvorrichtung nach Anspruch 14, wobei: die Einlassöffnung (56) der Mehrfachrotorverlagerungsmaschine (30) in Fluidverbindung mit einem Auslass der Kondensatoreinrichtung (13) steht; die Zwischenauslassöffnung (58) der Mehrfachrotorverlagerungsmaschine (30) in Fluidverbindung mit einem Einlass der Verdampfereinrichtung (15) steht; und die Ausgangsöffnung (60) der Mehrfachrotorverlagerungsmaschine (30) in Fluidverbindung mit einem Einlass der Kondensatoreinrichtung (13) steht;
Verfahren für das Expandieren und Komprimieren eines Kühlmittels, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Mehrfachrotorverlagerungsmaschine (30), wobei die Maschine aufweist: einen ersten Rotor (32) mit einer Mehrzahl von spiralförmigen Ausbauchungen (42), die um einen Rotorumfang angeordnet sind; mindestens einen zweiten Rotor (42) in eingreifendem Kontakt mit dem erstem Rotor (32) und mit einer Mehrzahl von spiralförmigen Nuten (46), die um mindestens einen zweiten Rotorumfang angeordnet sind, um die Ausbauchungen (42) des ersten Rotors (32) aufzunehmen, während sich die Rotoren in entgegengesetzte Richtungen drehen; und ein Gehäuse (36), das eine Kammer definiert, die die Rotoren umgibt, und an einem Ende eine Einlassöffnung (56) und an einem entgegengesetzten Ende eine erste Auslassöffnung (60) hat, wobei das Gehäuse (36) ferner eine zweite Zwischenauslassöffnung (58) aufweist, die in einer Seitenwand der Kammer zwischen der Einlassöffnung (56) und der ersten Auslassöffnung (60) gebildet ist; Einbringen des Kühlmittels in die Einlassöffnung (56) der Maschine (30); Expandierenlassen des Kühlmittels in einer wirksam geschlossenen Expansions-Arbeitskammer (52), die durch die Rotoren (32, 34) und das Gehäuse (36) zwischen der Einlassöffnung (56) und der Zwischenauslassöffnung (58) definiert ist; Komprimieren des verbleibenden Kühlmittels in einer wirksam geschlossenen Kontraktions-Arbeitskammer (54), die durch die Rotoren (32, 34) und das Gehäuse (36) zwischen der ersten Auslassöffnung (60) und der Zwischenauslassöffnung (58) definiert ist; und Entfernen des verbleibenden Kühlmittels durch die Auslassöffnung (60); wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner folgenden Schritt aufweist: Entfernen der Flüssigkühlmittelphase einer Flüssig-Dampf-Zwei-Phasen-Fluid-Mischung aus der Maschine (30) durch die Zwischenauslassöffnung (58), wobei die Zwischenauslassöffnung (58) in einem unteren Teil des Gehäuses (36) angeordnet ist.
Verfahren für das Ausdehnen und Verdichten eines Kühlmittels nach Anspruch 16, ferner aufweisend den Schritt des Bereitstellens der Expansions-Arbeitskammer (52) mit einer ausreichenden Länge, um das Expandieren des Kühlmittels und das Entfernen von im Wesentlichen der gesamten Flüssigkühlmittelphase aus der Maschine (30) zu ermöglichen.