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Alle
geschlossenen Kühlsysteme
beinhalten in Reihe einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionseinrichtung
und einen Verdampfer. Expansionseinrichtungen umfassen feste Drosseln,
Kapillargefäße, thermische
und elektronische Expansionsventile, Turbinen und Expansions-Kompressoren oder
Expressoren. In jeder der Expansionseinrichtungen wird flüssiges Kältemittel,
das einen hohen Druck hat, verdunstet bzw. verdampft, wenn es einen Druckverlust
durchläuft,
wobei wenigstens ein Teil des flüssigen
Kältemittels
zu Dampf wird, was eine Vergrößerung des
spezifischen Volumens bewirkt. In einem Expressor wird die Volumenvergrößerung benutzt,
um einen Co-Kompressor anzutreiben, der Kältemittel mit hohem Druck an
den Ausgang des Systemkompressors liefert, wodurch die Kapazität des Systems
erhöht
wird. Da der Kompressionsvorgang, der in dem Expressor stattfindet,
nicht von einem elektrischen Motor, sondern von dem verdunstenden
flüssigen
Kältemittel
angetrieben wird, nimmt die Gesamt-Kühleffizienz um den gleichen
Betrag zu wie die Systemkapazität.
EP 0 787 891 offenbart eine Vorrichtung,
um mechanische Energie aus der Expansion eines Arbeitsfluids, wie
z. B. Kältemittel
in einem Kühlsystem,
zu gewinnen. Anspruch 1 ist gegenüber dieser Offenbarung gekennzeichnet.
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Schraubenkompressoren
und -expansionseinrichtungen sind sowohl axial als auch radial grundsätzlich nicht
ausbalanciert. Schraubenexpressoren mit drei Öffnungen mit einer einzelnen
Niederdrucköffnung,
wie beispielhaft durch das gemeinsam angemeldete
US-Patent Nr. 6,185,956 beispielhaft gezeigt,
sind immer noch radial nicht ausbalanciert.
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Eine ölfreie Schrauben-Expansions-Kompressions-
oder Expressor-Einheit wird für
phasenverändernde
Klimaanlagen und Kühlsysteme
benutzt. Die Expansionseinrichtung funktioniert als Steuergetriebe
bzw. Getriebe zur zeitlichen Abstimmung, in dem sie die relativen
Winkelpositionen des männlichen
und weiblichen Rotors steuert und den Co-Kompressor des Expressors
antreibt. Dies ist möglich,
da die Expansionseinrichtung einen flüssigen Kältemittel-Bestandteil von wenigstens
70% hat, der einen stabilen dynamischen Flüssigkeitsfilm bildet, um den
männlichen
und den weiblichen Rotor zu trennen. Die durch das Kältemittel
geschmierten Rotoren der Expansionseinrichtung werden zu einem Paar
von Steuerzahnrädern
bzw. Zahnrädern
zur zeitlichen Abstimmung, genauso wie konventionelle Steuerzahnräder bzw.
Zahnräder
zur zeitlichen Abstimmung in einem trockenen Schraubenkompressor.
Der männliche
und der weibliche Rotor des Kompressorbereichs des Expressors haben
einen größeren Abstand
und berühren
daher einander nicht. Diese Eigenschaft erlaubt einen ölfreien,
trockenen Kompressorbetrieb des Kompressorbereichs des Expressors,
genauso wie ein Getriebe zur zeitlichen Abstimmung einen ölfreien
Betrieb konventioneller Kompressoren erlaubt. Der Unterschied zwischen den
Zahnrädern
zur zeitlichen Abstimmung eines konventionellen trockenen Kompressors
und der Zweiphasenfluss-Schraubenexpansionseinrichtung in dem Expressor
ist, dass Erstere ein konventionelles Getriebe sind, das Drehmoment
von einem mechanischen Antrieb überträgt, während Zweitere selbst
eine Expansionseinrichtung ist. Die Rotoren der Expansionseinrichtung
und des Kompressors des Expressors sind ölfrei, wobei die Rotoren der
Expansionseinrichtung vom flüssigen
Anteil des zweiphasigen Arbeitsfluids geschmiert werden und ein dynamischer
Flüssigkeitsfilm
den männlichen
und den weiblichen Rotor der Expansionseinrichtung trennt.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, in einer bevorzugten Ausführungsform
wenigstens die radialen und axialen Gaskräfte in einem Expressor auszubalancieren.
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Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, in einer bevorzugten
Ausführungsform
eine Rotorverformung wenigstens zu begrenzen und dadurch eine Verringerung
des Abstands zwischen den Rotoren des Expressors zu erlauben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung,
die Belastung der Lager in einem Expressor wenigstens zu reduzieren.
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Es
ist eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wenigstens
die Leistung eines Expressors zu verbessern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform dieser Erfindung,
wenigstens die Rotoren der Expansionseinrichtung in Bezug auf die
Rotoren des Kom pressors des Expressors als Zahnräder zur zeitlichen Abstimmung
zu verwenden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein geschlossenes Kühlsystem
bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird. Grundsätzlich ist
die Expansionseinrichtung in einem Kühlsystem oder einer Klimaanlage
wenigstens in den bevorzugten Ausführungsformen ein Expressor.
Der Expressor besteht aus einer Doppelschrauben-Expansionseinrichtung
und einem Doppelschrauben-Kompressor, wobei die Rotoren der Expansionseinrichtung
als Zahnräder
zur zeitlichen Abstimmung arbeiten.
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr auf die folgende ausführliche
Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen,
wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kühlsystems
oder einer Klimaanlage ist, in dem bzw. in der die vorliegende Erfindung
benutzt wird;
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2 eine
vereinfachte Darstellung des Expressors des Systems aus 1 ist;
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3 eine
vereinfachte Ansicht parallel zu den Achsen des Rotors des Expressors
aus 2 ist;
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4 eine
Schnittansicht des Expansionsbereiches des Expressors entlang der
Linie 4-4 in 3 ist;
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5 eine
Schnittansicht des Kompressionsbereiches des Expressors entlang
der Linie 5-5 in 3 ist; und
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6 eine
schematische Darstellung eines Kühlsystems
oder einer Klimaanlage ist, in dem bzw. in der eine Abwandlung der
vorliegenden Erfindung benutzt wird; und
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7 eine
vereinfachte Darstellung des Expressors aus dem in 6 gezeigten
System ist.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 allgemein ein Kühlsystem oder eine Klimaanlage. Beginnend
mit dem Kompressor 12 beinhaltet das System 10 in
Reihe eine Druckleitung 14, einen Kondensator 16,
eine Leitung 18, eine Expansionseinrichtung in Form eines
Expressors 20, eine Leitung 22, einen Verdampfer 24 und
eine Saugleitung 26, wodurch der Kreis geschlossen wird.
Bezug nehmend auf die 2 bis 5 beinhaltet
der Expressor 20 zwei Paare von Schraubenrotoren, wobei
jeder Rotor jeden Paares auf einer gemeinsamen Welle mit einem Rotor
des anderen Paares ist. Nimmt man die 1 und 2 zusammen,
erkennt man, dass flüssiges
Kältemittel
mit hohem Druck von dem Kondensator 16 über die Leitung 18 zum
Einlass 120-1 der Expansionseinrichtung 120 des
Expressors 20 geliefert wird. Wie am besten in den 3 und 4 gezeigt,
hat die Expansionseinrichtung 120 ein Paar von Schraubenrotoren 121 und 122. Das
flüssige
Kältemittel
mit hohem Druck, das an den Einlass 120-1 der Expansionseinrichtung 120 geliefert
wird, bewirkt, dass die Rotoren 121 und 122 rotieren.
Wenn die Rotoren 121 und 122 rotieren, wirken
sie als Expansionseinrichtung zusammen, die den Druck der eingeschlossenen
Volumina des Kältemittels
abfallen lässt
und bewirkt, dass sie verdunsten. Da der Phasenübergang von Flüssigkeit
zu Gas eine Energieübertragung
erfordert, verdunstet ein Teil des flüssigen Kältemittels. Typischerweise
verdunsten 15% des flüssigen
Kältemittels,
aber unter geeigneten Bedingungen sind bis zu 30% möglich. Die
Niederdruckmischung aus gasförmigem
und flüssigem
Kältemittel
strömt
nun, nominal bei Verdampferdruck, vom Auslass 120-2 der
Expansionseinrichtung durch die Leitung 130 in den Separator 140.
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Der
Separator 140 kann, wie gezeigt, innerhalb des Expressors 20 angeordnet
sein oder kann sich außerhalb
von diesem befinden. Der Separator 140 trennt die flüssige und
die Dampf-Phase des Kältemittels
und liefert die flüssige
Phase und einen Teil der Dampf-Phase über die Leitung 22 an
den Verdampfer 24. Der Anteil der Dampf-Phase des Kältemittels,
der durch die Leitung 141 von dem Separator 140 geliefert
ist, wird durch das spezifische Kältemittel, den Kreis und die
Systemkonfiguration vorgegeben. Z. B. ist für das Kältemittel 134a der
Dampfanteil 6% für
einen wassergekühlten
Kühler
und 10% für
einen luftgekühlten
Kühler.
Typischerweise ist der Dampfanteil wenigstens 5%. Unter der Annahme
des Kältemittels 134a und
eines wassergekühlten Kühlers wird
ein Teil des Kältemittels
in der Größenordnung
von 6% in der dampfförmigen
Phase des abgetrennten Kältemittels
durch die Leitung 141 von dem Separator 140 zum
Kompressorsaugeinlass 220-1 des Kompressors 220 geliefert.
Bezug nehmend auf 3 bewirkt die Rotation des Schraubenrotors 121 der
Expansionseinrichtung 120 durch die gemeinsame Welle 121-1 die
Rotation des Schraubenrotors 221 des Kompressors 220.
Genauso bewirkt die Rotation des Schraubenrotors 122 der
Expansionseinrichtung 120 durch die gemeinsame Welle 122-1 die Rotation
des Schraubenrotors 222 des Kompressors 220. Dadurch,
dass die Rotoren 221 und 222 des Kompressors 220 jeweils
durch die Rotoren 121 und 122 der Expansionseinrichtung 120 angetrieben
werden, wird das gasförmige
Niederdruckkältemittel,
das an den Kompressorsaugeinlass 220-1 geliefert wird, durch
das Zusammenwirken der Rotoren 221 und 222 komprimiert.
Hochdruckkältemitteldampf
wird, nominal beim Entladedruck des Kompressors 12, an den
Auslass 220-2 des Kompressors geliefert und strömt durch
Leitung 150 zur Druckleitung 14, wo es sich mit
dem Hochdruck-Kältemittelgas
vereinigt, das von dem Hauptkompressor 12 geliefert wird.
Dementsprechend wird in dem gegebenen Beispiel in der Größenordnung
von 106% der Ausgabe des Kompressors 12 an den Kondensator 16 geliefert.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist der Schraubenrotor 221 integral mit dem Schraubenrotor 121 und
rotiert mit diesem als eine Einheit und der Schraubenrotor 222 ist
integral mit dem Schraubenrotor 122 und rotiert mit diesem
als eine Einheit. Beim Vergleich der 4 und 5 ist
zu erkennen, dass die Rotoren 121 und 122 der
Expansionseinrichtung 120 in Kontakt miteinander stehen,
wogegen die Rotoren 221 und 222 des Kompressors 220 einen
Abstand haben, der in 5 übertrieben ist. Daraus folgt,
dass sich die Schraubenrotoren 221 und 222 nicht
in der Art und Weise wie in ölgefluteten
Schraubenkompressoren, wie sie in der Kühlindustrie benutzt werden,
berühren,
wobei ein Schraubenrotor im Kontakt mit dem anderen Rotor steht
und diesen antreibt. Dementsprechend ist das Zusammenwirken der
Rotoren 121 und 122 das von Zahnrädern zur
zeitlichen Abstimmung relativ zu den Schraubenrotoren 221 und 222. Da
sich die Rotoren 221 und 222 nicht berühren, benötigen sie
keine Schmierung. Da auf die Rotoren 121 und 122 im
Wesentlichen flüssiges
Kältemittel einwirkt,
stellt das flüssige
Kältemittel
die Abdicht- und Schmierfunktion zur Verfügung, die normalerweise von
Schmiermitteln geliefert wird. Da sich die Rotoren 221 und 222 nicht
berühren,
sind die Profile der Rotoren mehr für ihre Abdichtfunktion als
für eine
Beziehung zum Antreiben/Angetriebenwerden ausgestaltet. Die Rotoren 121 und 122 haben
beim Ineinandergreifen einen engeren Abstand als die Rotoren 221 und 222.
Die Rotoren 121 und 122 werden durch das flüssige Kältemittel
in dem Zwei-Phasen-Arbeitsfluid geschmiert und ein dynamischer Flüssigkeitsfilm trennt
die Rotoren 121 und 122 und dichtet sie ab. Die
Rotorprofile der Rotoren 121, 122, 221 und 222 sind
so ausgestaltet, dass das resultierende Drehmoment zwischen den
Rotorpaaren sowohl in der Expansionseinrichtung 120 als
auch im Kompressor 220 gleichgerichtet ist. Zusätzlich haben
die Rotorprofile der Rotoren 121 und 122 der Expansionseinrichtung 120 im
Antriebsbereich einen hohen relativen Radius, um die Kontaktspannungen
zwischen den Rotoren zu minimieren. Die Rotoren 121, 122, 221 und 222 haben
im Vergleich zu konventionellen Schrauben-Kompressoren und -Expansionseinrichtungen
oder Expressorbauarten mit drei Öffnungen, wie
sie im Stand der Technik gezeigt sind, geringere Verformungen, was
die Verringerung des Abstandes zwischen den Enden bzw. Spitzen erlaubt,
wodurch die Leistung verbessert wird.
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Der
Kondensator 16 ist nominell auf dem gleichen Druck wie
der Ausstoß des
Kompressors 12, der über
die Druckleitung 14 an den Kondensator geliefert wird.
Der Ausstoßdruck
des Kompressors 220 ist nominell der gleiche wie der des
Kompressors 12. Dementsprechend sind der Druck, der durch
die Leitung 18 an der Öffnung 120-1 bereitgestellt
wird, und der Druck an der Ausslassöffnung 220-2, der durch
die Leitung 150 an der Auslassleitung 14 bereit gestellt
wird, gleich. Die Drücke
an den Öffnungen 120-1 und 220-2 wirken
in entgegengesetzten Richtungen auf die integralen Rotoren 121 und 221 sowie auf
die integralen Rotoren 122 und 222 und werden dadurch
ausbalanciert. Der Auslass 120-2 ist über die Leitung 130,
den Separator 140 und die Leitung 141 strömungsmäßig mit
dem Einlass 220-1 verbunden und ist nominell auf dem selben
Druck. Die Drücke
an den Auslassöffnungen 120-2 und
an der Saugeinlassöffnung 220-1 wirken
in entgegengesetzten Richtungen auf die integralen Rotoren 121 und 221 sowie
auf die integralen Rotoren 122 und 222 und werden
dadurch ausbalanciert. Als eine Folge wird die axiale Belastung
auf die Rotoren 121 und 221 und die Rotoren 122 und 222 stark
reduziert, wenn nicht gar eliminiert.
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Wenn
die Ansaug- und Auslassöffnungen
so wie beschrieben und gezeigt angeordnet sind, werden die axialen
und radialen Gaskräfte
auf die Expansionseinrichtung 120 und den Kompressor 220 des
Expressors 20 minimiert. Da eine Belastung der Lager vor
allem von nicht ausbalancierten Paaren verursacht wird, reduziert
das zuvor beschriebene Anordnen der Öffnungen die radiale und axiale
Belastung der Lager.
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Im
Betrieb wird heißer
Kältemitteldampf
mit hohem Druck von dem Kompressor 12 über die Druckleitung 14 an
den Kondensator 16 geliefert, wo das Kältemittelgas zu einer Flüssigkeit
kondensiert, die durch die Leitung 18 an den Expressor 20 geliefert
wird. Das flüssige
Hochdruck-Kältemittel
wird durch die Leitung 18 an eine Doppelschrauben-Expansionseinrichtung 120 geliefert,
welche bewirkt, dass das Kältemittel
verdunstet und sich sein Druck reduziert, während es die Rotoren 121 und 122 der Expansionseinrichtung 120 sowie
die Doppelschraubenrotoren 221 und 222 des Kompressors 220 antreibt.
Die Niederdruck-Dampf-/Flüssigkeits-Kältemittelmischung
strömt
von der Expansionseinrichtung 120 zum Separator 140,
der durch die Leitung 141 reinen Dampf an den Kompressorbereich
des Expressors 20 liefert und eine feuchtere zwei-phasige Flussmischung
durch Leitung 22 an den Verdampfer 24 liefert,
wo das flüssige
Kältemittel
verdampft, und das sich daraus ergebende gasförmige Kältemittel wird durch die Leitung 26 an
den Kompressor 12 geliefert, um den Kreis zu schließen. Der
Kältemitteldampf
von dem Separator 140 wird zum Saugeinlass 220-1 des
Doppelschraubenkompressors 220 geliefert. Der Rotor 121 der
Expansionseinrichtung 120 ist integral mit dem Rotor 221 des
Kompressors 220 und bewegt sich mit diesem als eine Einheit.
Genauso ist der Rotor 122 der Expansionseinrichtung 120 integral
mit dem Rotor 222 der Kompressionsvorrichtung 220 und
bewegt sich mit diesem als eine Einheit. Dementsprechend wird gasförmiges Kältemittel,
das an den Saugeinlass 220-1 geliefert wird, durch die zusammenwirkenden
Rotoren 221 und 222 komprimiert und das sich daraus
ergebende, komprimierte gasförmige
Kältemittel,
das nominell auf dem gleichen Druck wie der Entladedruck des Kompressors 12 ist,
wird von dem Kompressor 220 durch den Auslass 220-2 und
Leitung 150 zur Leitung 14 geliefert, wo es effektiv
die Menge von heißem
Kältemittel
bei hohem Druck vegrößert, die
an den Kondensator 16 geliefert wird und dadurch die Kapazität des Systems 10 erhöht.
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Bezug
nehmend auf die 6 und 7 unterscheiden
sich das System 10' und
der Expressor 20' von
dem System 10 und dem Expressor 20 der 1 bis 5 durch
das Weglassen des Separators 140 und der Leitungen 130 und 141.
Da der Separator 140 entfernt worden ist, wird der Saugeinlass 220-1 entweder
vom Verdampfer 24 oder über
die Leitung 141' aus
der Leitung 26 direkt unterhalb des Verdampfers 24 gespeist.
Sowohl Leitung 141 als auch Leitung 141' liefern Kältemitteldampf
bei nominalem Verdampferdruck. Bis auf das Entfernen des Separators 40 und
seiner Funktion ist der Betrieb der Systeme 10 und 10' und der Expressoren 20 und 20' im Wesentlichen
identisch.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, werden
andere Abänderungen
dem Fachmann offensichtlich sein. Es ist daher beabsichtigt, dass
der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nur durch den Schutzbereich
der beigefügten Ansprüche beschränkt wird.