DE69912436T2 - Klimaanlage mit verdampfung und dampfkompressionskreislauf - Google Patents

Klimaanlage mit verdampfung und dampfkompressionskreislauf Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Kühlsysteme mit Dampfkompression und Verdampfung, welche Wasser verwenden als Kältemittel in einem offenen System, und insbesondere Kühlsysteme mit Dampfkompression und Verdampfung, welche geeignet sind zur Verarbeitung großer Durchflussmengen von Wasserdampf und zum Entfernen von nichtkondensierbaren Bestandteilen aus dem System und Verfahren, welche solche Systeme verwenden. Diese Erfindung betrifft außerdem positive Verdrängungskompressoren (positive displacement compressors) mit niedriger Reibung, welche nützlich sind für solche Kühlsysteme und Vorrichtungen zum Entfernen nichtkondensierbarer Bestandteile aus solchen Kühlsystemen.
  • Herkömmliche Klimaanlagensysteme mit Dampfkompression verwenden ein Arbeitsmedium wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Flüssiges FCKW wird eingebracht in einen Niedrigdruckwärmeaustauscher, wo es Wärme bei einer niedrigen Temperatur absorbiert und verdampft. Ein Kompressor verdichtet die Dämpfe, welche eingebracht werden in einen Hochdruckwärmeaustauscher, wo Wärme abgegeben wird an die Umgebung und die Dämpfe kondensieren. Das Kondensat wird wieder eingebracht in den Niedrigdruckwärmeaustauscher, womit such der Kreislauf schließt.
  • Die Verwendung von FCKWs wirft zwei wichtige, die umweltbetreffende, Bedenken auf. Zum einen sind FCKWs stabil genug, um in die Stratosphäre zu gelangen, wo sie zerfallen in freie Chlorradikale, welche die Zerstörung von Ozon katalysieren. Dies ist nachteilig, weil Ozon ultraviolette Strahlung absor biert, welche die DNS in Pflanzen und Tieren schädigt. Zweitens absorbieren FCKWs infrarote Strahlung, was zur globalen Erwärmung beiträgt.
  • Weil FCKWs nicht in die Umgebung freigesetzt werden können, müssen sie eingeschlossen bleiben im Klimaanlagensystem. Die Verdampfungs- und Kondensierungswärmeaustauscher weisen einen erheblichen Temperaturunterschied auf zwischen der Umgebung und dem Arbeitsmedium (ca. 10 bis ca. 15°C), was den Carnotschen Wirkungsgrad stark reduziert. Des Weiteren wird der Wirkungsgrad beschränkt durch die Tatsache, dass der Kondensator Wärme abgibt bei der Trockentemperatur. Die Feuchttemperatur ist typischerweise ca. 5 bis ca. 30°C niedriger als die Trockentemperatur. Folglich könnte, falls Wärme abgegeben würde bei der Feuchttemperatur, der Carnot'sche Wirkungsgrad noch weiter verbessert werden.
  • Hinzu kommt, dass Kompressoren, welche in herkömmlichen Systemen verwendet werden, typischerweise komprimierende Komponenten aufweisen, welche im direktem Kontakt miteinander stehen. Die enge Passung zwischen den Komponenten war vordem nötig gewesen, um ein Vorbeiströmen der hochdruckverdichteten Dämpfe zu verhindern. Jedoch verringert die Reibung, welche sich aus dem engen Kontakt zwischen den Komponenten ergibt, den Wirkungsgrad, erzeugt Wärme und verursacht Abrieb an den Komponenten.
  • Obwohl die Verwendung von Wasser anstelle von FCKWs als Arbeitsmedium für Klimaanlagen erwägt worden ist, waren vorgeschlagene Systeme im allgemeinen nicht realisierbar, weil die Dampfdichte sehr niedrig ist und große Volumina von Wasserdampf komprimiert werden müssen.
  • Eine Studie des Thermal Storage Applications Research Centers der Universität von Wisconsin, "The Use of Water as Refrigerant", Bericht Nr. TSARC92-1, März 1992, untersucht die Verwendung von Wasser als Kältemittel. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass für wasserbasierende Klimaanlagen positive Verdrängungskompressoren nicht geeignet sind zur Verwendung in solchen Systemen. Vielmehr sind nur dynamische Kompressoren geeignet.
  • Obwohl "Sumpfkühler"("swamp cooler")-Klimaanlagen verwendet werden in trockenen Gegenden der Vereinigten Staaten, welche niedrige Feuchttemperaturen haben, sind sie von begrenzter Nützlichkeit. In Sumpfkühlern wird Umgebungsluft in Kontakt gebracht mit Wasser, welches verdampft und die Luft abkühlt. Es wird keine externe Energie benötigt außer für die luftbewegenden Gebläse. Bedauerlicherweise sind diese einfachen Geräte beschränkt auf Gebiete mit niedriger Luftfeuchtigkeit (z. B. Arizona, New Mexiko) und sind nicht geeignet für viele Regionen der Welt. Des Weiteren weist die Luft, obwohl sie kühler ist, eine erhöhte Luftfeuchtigkeit auf, weshalb sich die Luft "klamm" anfühlen kann.
  • Es besteht deshalb das Bedürfnis nach einer umweltfreundlichen, effizienten und wirtschaftlichen Vorrichtung für Klimaanlagen für alle Arten von Klimata. Die vorliegende Erfindung überwindet die oben genannten Nachteile im Stand der Technik durch Bereitstellen von Klimaanlagensystemen, welche Wasser verwenden als Arbeitsmedium anstelle von FCKWs, wodurch mögli che FCKW-Emissionen ausgeschlossen werden. Diese Systeme sind nicht begrenzt auf Regionen mit niedriger Luftfeuchtigkeit. Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf Kühlsysteme, welche ca. 1,7 bis ca. 3,9 mal wirksamer sind als herkömmliche Klimaanlagensysteme und welche Herstellungskosten besitzen, welche niedriger sind als, oder wettbewerbsfähig mit, herkömmlichen Klimaanlagensystemen.
  • Hinzu kommt, entgegen der Lehre aus dem Stand der Technik, dass herausgefunden worden ist, dass positive Verdrängungskompressoren mit großem Volumen und niedrigen Drücken verwendet werden können in Kühlsystemen, welche Wasser verwenden als das Arbeitsmedium. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass wegen der relativ niedrigen Drücke (z. B. ca. 0,2 bis ca. 0,7 psia, 1 psia = 6894,8 Pa) in den Kompressoren der Kühlsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung, die Zwischenräume zwischen den komprimierenden Komponenten vergleichbar groß sein können, und das solche großen Zwischenräume nicht nur akzeptabel, sondern sogar von Vorteil sein können sowohl bezüglich des Wirkungsgrades als auch bezüglich der Abnutzung. Wegen der niedrigen Reibung können die neuen Kompressoren vergrößert werden bis zur benötigten Größe. Z. B. kann ein solcher Zwischenraumaufweisender, positiver Verdrängungskompressor ca. 1400 f3/min (1 f3/min = 1,699 m3/h) Niedrigdruck-Wasserdampf umsetzen, was benötigt wird, um 3 Tonnen Kühlmittel zu erzeugen.
  • Außerdem ist herausgefunden worden, dass Wasser, mit oder ohne geeignetem Dochtmaterial, verwendet werden kann, um die Zwischenräume zwischen den Komponenten zu füllen und dass dadurch eine effiziente Dichtung, aber mit niedriger Reibung, zwischen den komprimierenden Komponenten erzeugt wird.
  • Aus der EP-A-140 014 ist eine Wärmepumpe bekannt, welche Wasser als Kältemittel verwendet. Diese Wärmepumpe weist auf einen Verdampfer, ausgerüstet mit einem Speisewasserkontrollgerät und einer Ablaufvorrichtung, einem Kompressor und einem Kondensator, welcher ausgerüstet ist mit einer vakuumerzeugenden Vorrichtung.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Klimaanlagensystem bereitzustellen, wie auch verbesserte Verfahren zum Kühlen von Luft. Diese Aufgaben werden erfüllt durch den Gegenstand der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
  • Demnach stellt die vorliegende Erfindung positive Verdrängungskompressoren bereit, welche nützlich sind in Klimaanlagensystemen, welche Wasser als das Arbeitsmedium verwenden. Diese Kompressoren schließen ein Kompressoren, welche nützlich sind für die offenbarten Systemen, wie auch für andere Anwendungen. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird ein Klimaanlagensystem mit Verdampfung und Dampfkompression bereitgestellt, welches aufweist: einen Verdampfer, einen Raumluftaustauscher für direkten Wärmeaustausch zwischen Raumluft und einer Menge von Wasser aus dem Verdampfer, Vorrichtung zum Komprimieren eines Volumens von Wasserdampf, wodurch ein Vakuum erzeugt wird über dem Wasser in dem Verdampfer; die Vorrichtung zum Komprimieren weist einen positiven Verdrängungskompressor auf, der Kompressor weist einen Einlass und eine Auslass auf, wobei Niedrigdruckwasserdämpfe aus dem Verdampfer eintreten in den Einlass und komprimierte Wasserdämpfe austreten aus dem Auslass; einen Kondensator zur Aufnahme der komprimierten Wasserdämpfe, eine Vorrichtung zum Reduzieren des Wassergehalts der Dämpfe, die aus dem Kondensator austreten; Vorrichtung zum Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Verdampfer, und ein Umgebungsluftumtauscher zum direkten Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser aus dem Kondensator. Der positive Verdrängungskompressor ist vorzugsweise ein Kompressor mit niedriger Reibung, welcher zumindest zwei komprimierende Komponenten aufweist, die nicht wesentlich im Kontakt miteinander stehen. Die Vorteile dieses Systems beinhalten, dass dies ein effizientes System mit niedriger Reibung ist, welches zum Arbeiten in feuchten Umgebungen geeignet ist.
  • Die komprimierenden Komponenten können aufweisen: einen inneren Rotor, einen äußeren Rotor und ein Gehäuse; eine Umlaufrolle (oder bewegliche Rolle), eine stationäre (oder fixierte) Rolle und ein Gehäuse; ein Gehäuse und einen Kolben; ein Gehäuse, einen Rotor, und eine Klappe; eine innere Trommel, eine äußere Trommel, und einen schwingenden Flügel; oder ein Gehäuse, einen Rotor und einen gleitenden Flügel. In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es einen Zwischenraum zwischen zumindest zwei der komprimierenden Komponenten. Wasser oder Wasser und ein Docht können verwendet werden als Dichtung in dem Zwischenraum.
  • Gemäß einer Ausführungsform dieses Systems weist die Vorrichtung zum Komprimieren des Wasserdampfs auf einen Rotorkompressor mit einem inneren Rotor und einem äußeren Rotor, der innere Rotor ist angeordnet innerhalb des äußeren Rotors, jeder Rotor weist eine Vielzahl von Zähnen auf. Der innere Rotor weist einen Zahn weniger auf als der äußere Rotor, wodurch ein Hohlraumvolumen erzeugt wird zwischen dem inneren Rotor und dem äußeren Rotor. Eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung stehen mit dem Hohlraumvolumen in Verbindung. Die Ausströmöffnung kann einen veränderbaren Öffnungsmechanismusaufweisen, der die Position der Vorderkante der Ausströmöffnung ändert. Dieser veränderbare Öffnungsmechanismus kann positioniert werden unter Verwendung einer elektrisch betriebenen Vorrichtung, welche durch ein Thermoelementsignal gesteuert wird.
  • Der veränderbare Öffnungsmechanismus kann aufweisen einen elektrisch gesteuerten Servomotor, wobei der Motor eine Gewindestange, einen Faltenbalg und eine nicht-rotierende Mutter, die mit dem Faltenbalg verbunden ist, rotieren lässt, wobei die Stange mittig auf der nicht-rotierende Mutter positioniert ist. Alternativ kann der veränderbare Öffnungsmechanismus eine Vielzahl von Platten aufweisen, welche neben dem Öffnungsmechanismus angeordnet sind und eine Vorrichtung für das fortlaufende Bewegen der Platten, um die Vorderkante der Ausströmöffnung zu verändern. Der veränderbare Öffnungsmechanismus kann positioniert werden unter Verwendung eines Faltenbalgs, welcher betrieben wird durch einen Kolben mit Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit in dem Kolben einen Dampfdruck proportional zu der Kondensatortemperatur aufweist, welcher den Faltenbalg bewegt.
  • Der Rotorkompressor kann des Weiteren aufweisen einen elektrischen Motor zum Betreiben des Rotorkompressors, eine erste Pumpe zum Pumpen gekühlten Wassers aus dem Verdampfer zu einer Packung in dem Raumluftaustauscher, einen Filter, angeordnet zwischen dem Raumluftaustauscher und dem Verdampfer, wobei Wasser von dem Raumluftaustauscher durch den Filter und zu dem Verdampfer fliest, eine zweite Pumpe zum Pumpen von Wasser aus dem Kondensator zu einer Packung in dem Umgebungsluftaustauscher, und ein Ventilator, um die Entgegnungsluft entgegen dem Strom gegen die Packung zu treiben.
  • Wegen den niedrigen Reibung zwischen den komprimierenden Komponenten des Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung, verwendet der Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung eine neuen Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Rotoren.
  • Beispielsweise verwendet eine Ausführungsform einen Rotorkompressor mit niedriger Reibung, bei welchem eine erste Antriebswelle einen äußeren Rotor antreibt, und die Antriebsvorrichtung aufweist ein inneres Getriebe, welches eine Vielzahl von Stirnrädern aufweist, wobei die Vielzahl eine ungerade Zahl ist. Eines der Stirnräder ist gekoppelt mit der ersten Antriebswelle und ein anderes der Stirnräder ist gekoppelt mit einer zweiten Antriebswelle, wobei die zweite Antriebswelle versetzt ist von der ersten Antriebswelle, wodurch das Getriebe aufgehängt ist zwischen der ersten Antriebswelle und der zweiten Antriebswelle. Die erste Antriebswelle ist gekoppelt mit dem äußeren Rotor durch eine Platte, welche eine Vielzahl von Zähnen aufweist, welche in Kontakt stehen mit einer Vielzahl von Löchern in dem äußeren Rotor. Die zweite Antriebswelle ist gekoppelt mit dem inneren Rotor.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein anders betriebener Rotorkompressor verwendet. Bei diesem Kompressor treibt eine erste Welle den äußeren Rotor an und die Antriebsvorrichtung weist einen Satz von Stirnrädern auf, welcher aufweist ein großes Zahnrad, gekoppelt mit dem äußeren Rotor, das große Zahnrad weist eine Vielzahl von Zähnen an seinem Innendurchmesser auf, und ein kleines Zahnrad, gekoppelt mit dem inneren Rotor, das kleine Zahnrad weist eine Vielzahl von Zähnen an seinem Außendurchmesser auf; das große Zahnrad greift ein in das kleine Zahnrad, und des Weiteren aufweisend eine zweite Welle, um welche sich der innere Rotor dreht, wobei die zweite Welle eine Kröpfung aufweist, die einen Versatz zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle bildet. Vorzugsweise sind zu Kühl- und Schmierzwecken die Zahnräder eingetaucht in flüssiges Wasser. Ein Getriebesatz kann befestigt sein an einem unteren Ende des inneren Rotors, so dass ein Abgreifen von Strom ermöglicht wird.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein weiterer betriebener Rotorkompressor verwendet; die Antriebsvorrichtung kann aufweisen eine Vielzahl von Rollen, welche befestigt sind an dem inneren Rotor, wobei sich die Rollen erstrecken über eine Vielzahl von Wänden des inneren Rotors und in Kontakt stehen mit dem äußeren Rotor, und wobei der äußere Rotor den inneren Rotor durch die Rollen antreibt. Gemäß dieser Ausführungsform kann der innere Rotor befestigt sein an einer drehenden Welle und die drehende Welle erstreckt sich aus dem Kompressorgehäuse heraus.
  • Eine andere Ausführungsform verwendet einen betriebenen Rotorkompressor; die Antriebsvorrichtung weist auf ein großes Zahnrad, gekoppelt mit dem äußeren Rotor, das große Zahnrad weist eine Vielzahl von Zähnen an seinem Innendurchmesser auf, und ein kleines Zahnrad, gekoppelt mit dem inneren Rotor, das kleine Zahnrad weist eine Vielzahl von Zähnen an seinem Außen durchmesser auf, das große Zahnrad greift ein in das kleine Zahnrad, und eine stationäre zentrale Welle, wobei die stationäre zentrale Welle zwei Kröpfungen aufweist, die eine Versetzung bilden zwischen einer Achse des inneren Rotors und einer Achse des äußeren Rotors, und wobei die stationäre Welle ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das Ende der stationären Welle befestigt ist an einer ersten perforierten Gehäuseendplatte durch ein Drehgelenk, das ein Rotieren der stationären Welle verhindert und wobei das zweite Ende der stationären Welle angeordnet ist in einem Umlaufstützlager, das an den äußeren Rotor gekoppelt ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Rotorkompressor des Weiteren aufweisen eine zweite perforierte Gehäuseplatte, eine erste perforierte rotierende Platte und eine zweite perforierte rotierende Platte, so dass beide rotierenden Platten verbunden sind mit dem äußeren Rotor, und eine erste stationäre Platte und eine zweite stationäre Platte, welche anliegen an beiden Rotoren, wobei die erste stationäre Platte eine Einströmöffnung aufweist und die zweite stationäre Platte eine Ausströmöffnung aufweist. Alternativ können Einströmöffnung und Ausströmöffnung angeordnet sein auf einer der Platten. Vorzugsweise sind die Zahnräder eingetaucht in flüssiges Wasser, um Kühlung und Schmierung bereitzustellen.
  • Bei dem hier offenbarten, neuen Klimaanlagensystem kann das System des Weiteren aufweisen eine Vorrichtung zum Hemmen von Mikroorganismen in dem Wasser in dem Raumluftaustauscher, wie ein Ozongenerator oder UV-Strahlung. Zusätzlich kann die Vorrichtung zum Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile aufweisen ein Sauggebläse oder eine Vakuumpumpe wie die neuen Pumpen, welche im Folgenden offenbart sind.
  • Gemäß anderer Ausführungsformen des offenbarten Systems kann die Kompressorvorrichtung einen Rollenkompressor mit niedriger Reibung aufweisen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des offenbarten Systems kann die Kompressorvorrichtung einen Kompressor mit betriebener Klappe aufweisen. Dieser Kompressor weist auf: ein Kompressorgehäuse, wobei das Gehäuse eine innere Wand aufweist, einen Einlass und einen Auslass; ein Rotor, welcher in dem Gehäuse angeordnet ist; eine Klappe, wobei die Klappe ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit dem Rotor gekoppelt ist und das zweite Ende während der Rotation des Rotors nach außen getrieben wird; und eine Vorrichtung, um zu verhindern, dass das zweite Ende der Klappe die innere Wand berührt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kompressorvorrichtung einen Kompressor mit betriebener Klappe und mehreren Flügeln auf. Dieser Kompressor weist vorzugsweise auf: eine äußere Trommel mit einer Achse; eine innere Trommel, welche drehbar angeordnet in der äußeren Trommel; eine Vielzahl von Flügeln, wobei jeder Flügel ein erstes Ende und ein zweites Ende gegenüberliegend dem ersten Ende aufweist, die Flügel sind schwenkbar angebracht an der inneren Trommel an dem ersten Ende und weisen eine Flügelspitze auf an dem zweiten Ende, wobei die Flügelspitzen radial nach außen getrieben werden während der Rotation der inneren Trommel; eine Kurbelstange, welche an jede Flügelspitze gekoppelt ist, wobei die Stangen einen Zwischenraum aufrecht erhalten zwischen den Flügelspitzen und der äußeren Trommel; und eine Kupplungsvorrichtung, um die Kurbelstangen um die äußere Achse der äußeren Trommel drehen zu lassen.
  • Alternativ kann die Kompressorvorrichtung einen Kolbenkompressor mit niedriger Reibung aufweisen, welcher aufweist: ein Kompressorgehäuse; eine schwingende Zentralwelle, welche teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, die Welle weist auf ein oberes Ende und ein unteres Ende, das obere Ende weist einen Vorsprung auf, welcher in einer sinusförmigen Nut läuft in einer rotierenden Nocke, welche durch einen Motor angetrieben wird; und zumindest eine Platte angeordnet in dem Gehäuse und befestigt an der Welle und mit dieser schwingend, wobei zumindest eine Platte eine Nut aufweist, durch welche Wasser fliest, um eine Dichtung zu bilden zwischen dem Kompressorgehäuse und den Platten. Gemäß einer Ausführungsform des Kolbenkompressors weist die Nocke eine Vielzahl von sinusförmigen Nuten auf.
  • Gemäß dem hier offenbarten neuen Klimaanlagensystem können die Komponenten in drei konzentrischen Kammern angeordnet sein. Gemäß einer solchen Ausführungsform ist der Umgebungsluftaustauscher angeordnet in der äußersten Kammer der konzentrischen Kammern, die Kompressorvorrichtung und die Verdampfer sind angeordnet in der innersten Kammer der konzentrischen Kammern und der Kondensator ist angeordnet in der mittleren konzentrischen Kammer. In einem anderen System, welches zwei konzentrische Kammern aufweist, ist der Umgebungsluftaustauscher in der äußersten Kammer der konzentrischen Kammern angeordnet, und die Kompressorvorrichtung, der Verdampfer und der Kondensator sind angeordnet in der innersten konzentrischen Kammer.
  • Die hier offenbarten neuen Systeme können des Weiteren aufweisen eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Auffüllwasser für den Verdampfer und den Kondensator, was vorzugsweise erreicht wird durch Verwenden einer oder mehrerer Schimmerventile. Zusätzlich kann der Raumluftaustauscher aufweisen einen Sprüher, um Wasser aus dem Verdampfer in direkten Kontakt mit der Raumluft zu bringen. Der Raumluftaustauscher kann eine Packung aufweisen, so dass das Wasser aus dem Verdampfer über die Packung läuft, und die Raumluft streicht über die Packung. Die Packung weist vorzugsweise gewellte chlorinierte Polyvinylchloride auf. In den offenbarten Ausführungsformen kann der Kondensator einen Sprühkondensator, einen Einspritzkondensator oder er kann eine Packung aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung ist außerdem gerichtet auf ein neues Verfahren zum Kühlen von Luft, welches aufweist die Schritte der Komprimierung eines großen Volumens von Wasserdampf mit niedrigem Druck mit einem Kompressor, wodurch ein Vakuum über einer Menge von Wasser in einem Verdampfer erzeugt wird und was ein Verdampfung und Abkühlen des Wassers verursacht; Pumpen des gekühlten Wassers aus dem Verdampfer und in Kontakt Bringen des gekühlten Wassers entgegen dem Strom mit der Raumluft in einem Raumluftaustauscher, wodurch die Raumluft gekühlt wird; Leiten des Wassers aus dem Raumluftaustauscher zu dem Verdampfer, wodurch das Wasser verdunstet und abkühlt; Befördern komprimierte Wasserdämpfe, welche aus dem Kompressor austreten zu einem Kondensator zur Kondensation; gegen den Strom in direkten Kontakt Bringen der Wasserdämpfe, welche aus dem Kondensator austreten, mit einem Strom gekühlten Wassers aus dem Kondensator, um den Wassergehalt der Luft zu reduzieren; Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Kondensator, Leiten flüssigen Wassers aus dem Kondensator zu einem Umgebungsluftaustauscher, wo Umgebungsluft in Kontakt gebracht wird gegen den Strom mit flüssigem Wasser, welches aus dem Kondensator gepumpt wird; Bereitstellen von Auffüllwasser, um verdampftes Wasser zu ersetzen, und Ableiten von Salzwasser.
  • Vorzugsweise weist der Kompressor einen positiver Verdrängungskompressor auf. Insbesondere weist der Kompressor einen positiven Verdrängungskompressor mit niedriger Reibung auf, welcher aufweist zumindest zwei komprimierende Komponenten, wobei sich die komprimierenden Komponenten nicht wesentlich berühren, das heißt, obwohl ein gewisser Kontakt auftreten kann, ohne von dem Grundgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, sind typischerweise Zwischenräume zwischen den Komponenten vorhanden, welche vorzugsweise ca. ein paar Tausendstel eines Inches sein können. Das Verfahren kann des Weiteren aufweisen den Schritt des Sprühens von Wasser in den Kompressor, um ein Ansteigen der Temperatur während der Komprimierungsphase zu verhindern.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann Wasser aus dem Raumluftaustauscher fließen gegen den Strom durch eine Vielzahl von Verdampfern. Alternativ kann die Kondensation in einer Vielzahl von Stufen erfolgen. in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können sowohl Verdampfung, als auch Kondensation in mehreren Stufen stattfinden. Nichtkondensierbare Bestandteile können entfernt werden durch einen oder eine Vielzahl von Kompressoren.
  • Die vorliegende Erfindung ist außerdem gerichtet auf neue Verfahren zum Kühlen von Luft unter Verwendung mehrstufiger Systeme. Ein solches Verfahren weist die Schritte auf: Komprimieren eines großen Volumens von Niedrigdruckwasserdampf in einer Vielzahl von Kompressorstufen, wodurch ein Vakuum über einer Menge von Wasser erzeugt wird in einer Vielzahl von Verdampfern und eine Abkühlung des Wassers bewirkt wird; Pumpen gekühlten Wassers aus den Verdampfern und in Kontakt Bringen des gekühlten Wassers gegen den Strom mit Raumluft in einem Raumluftaustauscher, wodurch die Raumluft gekühlt wird; Leiten des Wassers aus dem Raumluftaustauscher zu den Verdampfern, wodurch ein Verdunsten und Abkühlen des Wassers bewirkt wird, Senden der komprimierten Wasserdämpfe, welche die letzte Kompressorstufe verlassen, zu einem Kondensator zur Kondensation, gegen den Strom direkt in Kontakt Bringen der Wasserdämpfe, welche den Kondensator verlassen, mit einem Strom von gekühltem Wasser von zumindest einem der Verdampfer, um den Wassergehalt der Luft zu reduzieren; Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Kondensator; Leiten von Flüssigkeit aus dem Kondensator zu einem Umgebungsluftaustauscher, wobei Umgebungsluft in Kontakt gebracht wird gegen den Strom mit flüssigem Wasser, welches aus dem Kondensator gepumpt wird; Bereitstellen von Auffüllwasser zum Ersetzen verdampften Wassers; und Ableiten von Salzwasser. Kondensation kann stattfinden in einer einzigen Stufe oder in mehreren Stufen. Die Kompressorstufen weisen vorzugsweise einen oder mehrere positive Verdrängungskompressoren auf oder einen oder mehrere dynamische Kompressoren. Jedoch können bei dem hier offenbarten mehrstufigen System die Kompressorstufen entweder positive Verdrängungskompressoren oder dynamische Kompressoren oder eine Mischung aus beidem aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung schließt ein positive Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, welche nützlich sind für Kühlsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung, wie auch für andere Anwendungen. Sie haben den Vorteil niedriger Reibung und hoher Effizienz. Diese Kompressoren weisen auf zumindest zwei komprimierende Komponenten, wobei sich die komprimierenden Komponenten nicht wesentlich berühren. Die komprimierenden Komponenten können aufweisen: Einen inneren Rotor, einen äußeren Rotor und ein Gehäuse; eine Umlaufrolle, eine stationäre Rolle und ein Gehäuse; ein Gehäuse und einen Kolben; ein Gehäuse, einen Rotor und einen gleitenden Flügel; ein Gehäuse, einen Rotor und eine Klappe; oder eine innere Trommel, eine äußere Trommel und einen schwingenden Flügel, und es besteht ein Zwischenraum zwischen zumindest zwei der komprimierenden Komponenten. Wasser, oder Wasser und ein Docht können verwendet werden als Dichtung in dem Zwischenraum.
  • Ein derartiger Kompressor weist auf einen Rotorkompressor, welcher aufweist einen inneren Rotor und einen äußeren Rotor, der innere Rotor ist angeordnet innerhalb des äußeren Rotors, jeder Rotor weist auf eine Vielzahl von Zähnen. Der innere Rotor hat einen Zahn weniger als der äußere Rotor, wodurch ein Hohlraumvolumen erzeugt wird zwischen dem inneren Rotor und dem äußeren Rotor. Zusätzlich besteht ein Zwischenraum zwischen dem inneren Rotor und dem äußeren Rotor. Der Rotorkompressor weist des Weiteren auf eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung; die Öffnungen stehen in Verbindung mit dem Hohlraum.
  • Die Auslassöffnung kann einen veränderbaren Öffnungsmechanismus aufweisen, welcher die Position der Vorderkante der Ausströmöffnung ändert. Gemäß einer Ausführungsform weist der veränderbare Öffnungsmechanismus einen elektrisch gesteuerten Servomotor auf, wobei der Motor eine Gewindestange rotieren lässt, einen Faltenbalg, und eine nicht-rotierende Mutter, die an dem Faltenbalg angebracht ist, wobei die Gewindestange mittig auf der nicht-rotierenden Mutter positioniert ist. Der veränderbare Öffnungsmechanismus kann positioniert werden unter Verwendung einer elektrisch betriebenen Vorrichtung. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann er positioniert werden unter Verwendung eines Faltenbalgs, wobei der Faltenbalg betrieben wird durch einen Kolben, welcher eine Flüssigkeit aufweist, wobei die Flüssigkeit in dem Kolben einen Dampfdruck proportional zu der Kondensatortemperatur aufweist, welcher den Faltenbalg betreibt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der veränderbare Öffnungsmechanismus eine Vielzahl von Platten auf, welche an der Ausströmöffnung anliegend angeordnet sind und eine Vorrichtung zum sequentiellen Bewegen der Platten, um die Vorderkante der Ausströmöffnung zu verändern.
  • Die vorliegende Erfindung ist außerdem gerichtet auf Rotorkompressoren mit niedriger Reibung, welche Antriebsgeräte verwendet, um die Rotoren zu betreiben, was reduzierte Reibung ermöglicht. Gemäß einer solchen Ausführungsform treibt eine erste Antriebswelle einen äußeren Rotor and und die Antriebsvorrichtung weist ein inneres Getriebe auf mit einer Vielzahl von Stirnrädern, wobei die Vielzahl eine ungerade Zahl ist und wobei eines der Stirnräder gekoppelt ist mit der ersten Antriebswelle und ein anderes der Stirnräder ist gekoppelt mit einer zweiten Antriebswelle, wobei die zweite Antriebswelle versetzt ist von der ersten Antriebswelle, wodurch das Getriebe aufgehängt ist zwischen der ersten Antriebswelle und der zweiten Antriebswelle, und die erste Antriebswelle ist gekoppelt an dem äußeren Rotor durch eine Platte, welche eine Vielzahl von Zähnen aufweist, die in Verbindung stehen mit einer Vielzahl von Löchern in dem äußeren Rotor. Eine zweite Antriebswelle ist gekoppelt an den inneren Rotor.
  • Bei einem anderen betriebenen Rotorkompressor treibt eine erste Antriebswelle den äußeren Rotor an und die Antriebsvorrichtung weist auf eine Reihe von Stirnrädern mit einem großen Zahnrad, gekoppelt an den äußeren Rotor, wobei das große Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Innendurchmesser, und ein kleines Zahnrad, gekoppelt an den inneren Rotor, wobei das kleine Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Außendurchmesser. Gemäß dieser Ausführungsform greift das große Zahnrad in das kleine Zahnrad, und es gibt eine zweite Welle, um welche sich der innere Rotor dreht. Diese zweite Welle weist eine Kröpfung auf, die einen Versatz zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle bildet.
  • Bei einem anderen betriebenen Rotorkompressor weist die Antriebsvorrichtung auf eine Vielzahl von Rollen, die angebracht sind am inneren Rotor, wobei sich die Rollen erstrecken über eine Vielzahl von Wänden des inneren Rotors hinaus und in Verbindung stehen mit dem äußeren Rotor, und wobei der äußere Rotor den inneren Rotor durch die Rollen antreibt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform sind der innere Rotor und der äußere Rotor angeordnet in einem Gehäuse, eine erste Antriebswelle treibt den äußeren Rotor an, und die Antriebsvor richtung weist eine Reihe von Stirnrädern auf, mit einem großen Zahnrad, welches gekoppelt ist an den äußeren Rotor, wobei das große Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Innendurchmesser, und ein kleines Zahnrad, welches gekoppelt ist mit dem inneren Rotor, wobei das kleines Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Außendurchmesser. Gemäß dieser Ausführungsform greift das große Zahnrad in das kleine Zahnrad, und es gibt eine zweite Welle, welche befestigt ist an dem inneren Rotor, der sich auf einer Lagervorrichtung dreht, wie z. B. Lagern, die an dem Gehäuse befestigt sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform treibt eine erste Antriebswelle den inneren Rotor an, und die Antriebsvorrichtung weist auf eine Reihe von Stirnrädern mit einem großen Zahnrad, welches an den äußeren Rotor gekoppelt ist, wobei das große Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Innendurchmesser und ein kleines Zahnrad, welches gekoppelt ist an den inneren Rotor, wobei das kleine Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Außendurchmesser, wobei das große Zahnrad in das kleine Zahnrad greift, und des Weiteren aufweist eine zweite nicht rotierende Welle, um welche sich der äußere Rotor dreht, wobei die zweite Welle eine Kröpfung aufweist, die einen Versatz zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle bildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Antriebsgerät ein großes Zahnrad auf, welches gekoppelt ist an den äußeren Rotor, wobei das große Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Innendurchmesser, ein kleines Zahnrad, welches gekoppelt ist an den inneren Rotor, wobei das kleine Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen aufweist an seinem Außendurchmesser, wobei das große Zahnrad in das kleine Zahnrad greift, und eine stationäre zentrale Welle, wobei die stationäre zentrale Welle zwei Kröpfungen aufweist, welche einen Versatz bilden zwischen einer Achse des inneren Rotors und einer Achse des äußeren Rotors, und wobei die stationäre Welle ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der stationären Welle befestigt ist an einer perforierten Gehäuseendplatte durch ein Drehgelenk, welches eine Rotation der stationären Welle verhindert und ein zweites Ende der stationären Welle, welches angebracht ist in einem Umlaufstützlager, welches gekoppelt ist an den äußeren Rotor. Vorzugsweise hindert das Drehgelenk die stationäre Welle am Rotieren, aber es ermöglicht schräge und axiale Abweichung.
  • Gemäß dieser Ausführungsform kann das Drehgelenk aufweisen einen Ring, Speichen und eine Nabe, welche gekoppelt sind an die Welle. Der Ring weist einen kugelförmigen Außendurchmesser auf, welcher angeordnet ist innerhalb eines Einlasses der ersten perforierten Gehäuseendplatte. Zusätzlich kann der Rotorkompressor des Weiteren aufweisen eine zweite perforierte Gehäuseplatte, eine erste perforierte rotierende Platte und eine zweite perforierte rotierende Platte, wobei beide rotierende Platten verbunden sind mit dem äußeren Rotor, und eine erste stationäre Platte und eine zweite stationäre Platte, welche anliegen an den inneren Rotor und den äußeren Rotor, wobei die erste stationäre Platte eine Einströmöffnung aufweist und die zweite stationäre Platte eine Rusströmöffnung aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung schließt außerdem ein Rollenkompressoren mit niedriger Reibung. Ein solcher Kompressor weist auf eine stationäre Rolle mit Nuten und eine Umlaufrolle mit Nuten, wobei die Umlaufrolle um die stationäre Rolle läuft. Die Nuten der Rollen sind getrennt durch einen Zwischenraum.
  • Der Rollenkompressor kann aufweisen eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Umlaufbewegung. Dieser Kompressor weist auf eine stationäre Rolle, eine Umlaufrolle und eine Vorrichtung, um die Umlaufrolle um die stationäre Rolle zu bewegen, wobei die Vorrichtung aufweist ein erstes Zahnrad, welches befestigt ist an der stationären Rolle, einen umlaufenden Arm, welcher befestigt ist an dem ersten Zahnrad, ein zweites dazwischen liegendes Zahnrad, welches befestigt ist an dem umlaufenden Arm, und ein drittes Zahnrad, welches befestigt ist an der Umlaufrolle, wobei das zweite, dazwischen liegende Zahnrad das dritte Zahnrad antreibt.
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen ein Kompressoren mit gleitenden Flügeln, welche einen Rotor, einen gleitenden Flügel und ein Gehäuse aufweisen; und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Reibung zwischen dem Flügel, dem Rotor und dem Gehäuse. Gemäß einer solchen Ausführungsform weist der Kompressor auf: Ein Kompressorgehäuse, wobei das Gehäuse aufweist eine innere Wand, einen Einlass und einen Auslass; ein Rotor angeordnet in dem Gehäuse; eine Klappe, wobei die Klappe aufweist ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende gekoppelt ist an den Rotor und das zweite Ende nach außen getrieben wird während der Rotation des Rotors; und eine Vorrichtung, um zu verhindern, dass das zweite Ende der Klappe die innere Wand des Gehäuses berührt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Kompressor mit mehreren Flügeln auf: Eine äußere Trommel mit einer Achse, eine innere Trommel, welche drehbar angeordnet ist in der äußeren Trommel; eine Vielzahl von Flügeln, wobei jeder Flügel ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, welches gegenüber dem ersten Ende angeordnet ist, wobei die Flügel schwenkbar angeordnet sind an der ersten Trommel mit dem ersten Ende und eine Flügelspitze an dem zweiten Ende aufweisen, wobei die Flügelspitzen radial nach außen getrieben werden während der Rotation der inneren Trommel; eine Kurbelstange, gekoppelt an jede Flügelspitze, wobei die Stangen einen Zwischenraum aufrechterhalten zwischen den Flügelspitzen und der äußeren Trommel; und eine Kupplungsvorrichtung, um die Kurbelstangen um die Achse der äußeren Trommel drehen zu lassen. Gemäß dieser Ausführungsform wird die innere Trommel vorzugsweise gedreht durch eine erste Welle, und die Kupplungsvorrichtung weist auf eine abgesetzte Welle, an welche die Kurbelstange gekoppelt ist, wobei die abgesetzte Welle koaxial mit der Achse der äußeren Trommel angeordnet ist, und einen Drehkraftkoppler zur Übertragung der Rotationskraft auf die abgesetzte Welle. Vorzugsweise wird Wasser verwendet als Dichtungsmittel in den Zwischenräumen.
  • Eine andere Ausführungsform ist gerichtet auf einen Kolbenkompressor mit niedriger Reibung, welcher folgendes aufweist: Ein Kompressorgehäuse; eine schwingende Zentralwelle, welche teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Welle aufweist ein oberes Ende und ein unteres Ende; und zumindest eine Platte, angeordnet in dem Gehäuse und befestigt an der Welle und welche dazwischen schwingt, wobei zumindest eine Platte eine Nut aufweist, durch welche Wasser fließt, um eine Dichtung zu bilden zwischen dem Kompressorgehäuse und den Platten. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das obere Ende der Welle einen Vorsprung auf, der in einer sinusförmigen Nut in einer rotierenden Nocke läuft, welche durch einen Motor angetrieben wird. Alternativ kann die Nocke eine Vielzahl von sinusförmigen Nuten aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung schließt außerdem ein Pumpen, welche nützlich sind zum Entfernen nichtkondensierbarer Bestandteile. Mögliche Verfahren zum Entfernen nichtkondensierbarer Bestandteile sind z. B.:
    • 1. Regelmäßiges Fluten des Kondensators mit flüssigem Wasser, um die angesammelten nichtkondensierbaren Bestandteile herauszudrücken,
    • 2. Verwenden eines Sauggebläses, bei welchem das Vakuum am Venturi-Rohr die nichtkondensierbaren Bestandteile herauszieht, und
    • 3. Verwendung einer mechanischen Vakuumpumpe.
  • Eine solche Ausführungsform weist auf eine Vakuumpumpe, welche aufweist einen Zylinder, einen Kolben, angeordnet in dem Zylinder, ein Einströmventil, welches angeordnet ist in dem Zylinder, ein Zerstäuber, welcher Wasser in den Zylinder zieht, und ein Ventil, angeordnet in dem Zylinder, zum Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile und überschüssigen Wassers. Die Vakuumpumpe ist angetrieben von einem Zahnrad, welches an einer Hauptantriebswelle befestigt ist, das Zahnrad ist verbunden mit einer Vielzahl von Untersetzungen, wobei eine erste Nockenoberfläche und eine zweite Nockenoberfläche befestigt sind auf einer der Untersetzungen, eine erste Rolle läuft auf der ersten Nockenoberfläche und eine zweite Rolle läuft auf der zweiten Nockenoberfläche, und die erste Rolle treibt den Kolben und die zweite Rolle das Einlassventil an.
  • Eine andere Vakuumpumpe weist auf einen Zylinder, einen Kolben angeordnet in dem Zylinder, eine Kurbel, ein Kontrollventil, welches angeordnet ist in dem Zylinder, und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Wasser in dem Zylinder der Vakuumpumpe, wobei der Kolben angetrieben wird von der Kurbel in einer ersten und in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung, wobei der Kolben ein erstes Ende aufweist, ein zweites Ende, eine Vielzahl von Nuten, eine Vielzahl von Perforationen, welche sich erstrecken vom ersten Ende bis zum zweiten Ende, und eine flexible Klappe, welche angebracht ist an dem zweiten Ende des Kolbens und welche eine oder mehrere der Perforationen bedeckt, wobei sich die Klappe öffnet, wenn sich der Kolben in die erste Richtung bewegt und sich schließt, wenn sich der Kolben in die zweite Richtung bewegt.
  • Eine weitere Vakuumpumpe weist auf: Eine erste Säule und eine zweite Säule, wobei die Säulen teilweise gefüllt sind mit Flüssigkeit, und einen Dampfraum aufweisen, eine Vorrichtung, um die Flüssigkeit in den Säulen zum Schwingen zu bringen, eine Einlassvorrichtung, die es nicht komprimiertem Gas ermöglicht, in jede der Säulen einzuströmen, eine Auslassvorrichtung zum Ausströmen von komprimiertem Gas aus jeder der Säulen, und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von einem feinen Flüssigkeitsnebel in den Dampfraum der ersten und der zweiten Säule. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Anregung der Schwingung eine Kammer auf, welche die erste und die zweite Säule verbindet, und einen in der Kammer angeordneten Kolben.
  • Die Auslassvorrichtung für jede Säule weist vorzugsweise ein Kontrollventil auf. Diese schwingende Pumpe besitzt die Fähigkeit, eine Mischung aus nichtkondensierbaren und kondensierbaren Gasen isotherm zu komprimieren bis zu einem sehr hohen Kompressionsverhältnis.
  • Eine andere Vakuumpumpe ist eine Rotorvakuumpumpe, welche aufweist einen äußeren Rotor und einen zentralen Rotor, welcher angeordnet ist innerhalb des äußeren Rotors, wobei der zentrale Rotor befestigt ist an der Hauptantriebswelle und der äußere Rotor positioniert wird durch eine Vielzahl von Führungsrollen. Alternativ ist der zentrale Rotor befestigt an einer Hauptantriebswelle und der äußere Rotor ist befestigt innerhalb eines einzelnen Kugellagers.
  • Die volumetrische Last an dem Sauggebläse oder der Vakuumpumpe kann stark reduziert werden durch Kondensieren des größten Teils des Wassers und durch Erhöhen des Partialdrucks der nichtkondensierbaren Bestandteile. Die vorliegende Erfindung wendet ein neues Verfahren an zum Entfernen von Wasserdampf von den nichtkondensierbaren Bestandteilen aus einem Luftstrom und Wasserdampf, welches aufweist das Überleiten des Stroms durch eine mit gekühltem Wasser gefüllte Säule, welches gegen den Strom läuft. Vorzugsweise weist die gefüllte Säule auf strukturierte Packungen (z. B. gewelltes Polyvinylchlorid) oder geschüttete Packungen (z. B. keramische Sättel).
  • Eine weitere Vorrichtung weist auf ein neue drehbare Halterung zur Befestigung einer stationären Welle an einem Gehäuse, welche ein Rotieren der Welle verhindert, aber welche schiefe ("angular") und axiale Veränderungen erlaubt. Diese Vorrich tung weist auf einen Ring, Speichen und eine Nabe, welche an den Schaft gekoppelt sind. Der Ring weist auf einen kugelförmigen äußeren Umfang, welcher angeordnet ist innerhalb einer zylinderförmigen Öffnung in dem Gehäuse.
  • Eine weitere Ausführungsform weist auf eine neue Dichtung mit niedriger Reibung für eine rotierende Welle, welche aufweist: Ein Lager zur Aufnahme einer rotierenden Welle, wobei das Lager ausgelegt ist, um einen Zwischenraum zu bilden zwischen der Welle und dem Lager, das Lager weist des Weiteren auf eine Lageroberseite, eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser in den Zwischenraum, und eine Faltenbalgdichtung, wobei die Dichtung auf der Lageroberseite ruht, wenn die Welle stillsteht und sich von der Oberseite abhebt, wenn sich die Welle dreht.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 Schematisch Darstellung einer Kühlung mit Verdampfung und Dampfkompression 100.
  • 2 Schematisch Darstellung einer Kühlung mit Dampfkompression und Verdampfung 101.
  • 3 Darstellung des Faktors der Leistung eines Kühlers 101 unter verschiedenen Bedingungen.
  • 4 Darstellung des Faktors der Leistung für einen R-12-Dampfkompressionskühler.
  • 5 Schematischer Querschnitt eines Kompressors 230 eingebaut in einen Kühler 200.
  • 6(a–f) Schematische Draufsichten eines Kompressors 3300 mit gleitendem Flügel an verschiedenen Stufen seines Rotationszyklus.
  • 7 Dreidimensionale schematische Darstellung eines Kompressors 3300 mit gleitendem Flügel.
  • 8 Explosionsseitenansicht eines Rotors 3302 von einem Kompressor 3300.
  • 9 Schematischer Querschnitt einer Nute 3342 im Detail von einem Rotor zu Kompressor 3300.
  • 10(a) Draufsicht eines Gleitrings 3326 von einem Rotor 3302 aus einem Kompressor 3300;
    (b) Draufsicht eines Gegengewichts 3328 eines Rotors 3302,
    (c) Draufsicht eines Deckels 3320 eines Rotors 3302, und
    (d) Unteransicht eines unteren Deckels 3330 eines Rotors 3302.
  • 11(a) Seitenansicht eines gleitenden Flügels 3351 von einem Kompressor 3300,
    (b) Querschnitt eines gleitenden Flügels 3351 entlang der Ebene A-A aus (a),
    (c) Querschnitt eines gleitenden Flügels 3351 entlang der Ebene B-B aus (a).
  • 12 Draufsicht eines Kompressorgehäuses 3301 eines Kompressors 3300.
  • 13 Seitenansicht eines Kompressorgehäuses 3301 entlang der Ebene A-A aus 12.
  • 14(a) Draufsicht einer oberen Gehäuseendplatte 3303 eines Kompressors 3300, und
    (b) Seitenansicht einer oberen Gehäuseendplatte 3303 entlang der Ebene A-A aus (a).
  • 15(a) Draufsicht einer unteren Gehäuseendplatte 3305 eines Kompressors 3300, und
    (b) Seitenansicht einer Gehäuseendplatte 3305 entlang der Ebene B-B aus (a).
  • 16 Schematischer Querschnitt eines Kompressors 3300, eingebaut in den Kühler 3200.
  • 17(a–f) Schematische Draufsichten eines Kompressors 4300 mit gleitendem Flügel in verschiedenen Phasen seines Rotationszyklus.
  • 18 Dreidimensionale schematische Darstellung von Kompressor 4300.
  • 19 Explosionsseitenansicht von Rotor 4302 von Kompressor 4300.
  • 20 Perspektivische Ansicht einer Seitenwand 4340 und eines gleitenden Flügels 4308 zum Kompressor 4300.
  • 21 Seitenansicht eines Kompressorgehäuses 4301 zu Kompressor 4300.
  • 22 Seitenansicht eines Kompressorgehäuses 4301 entlang der Ebene A-A aus 21.
  • 23(a) Draufsicht einer oberen Gehäuseendplatte 4303 eines Kompressors 4300, und
    (b) Seitenansicht einer oberen Gehäuseendplatte 4303 entlang der Ebene A-A von (a).
  • 24(a) Draufsicht einer unteren Gehäuseendplatte 4305 eines Kompressors 4300, und
    (b) Seitenansicht einer unteren Gehäuseendplatte 4305 entlang der Ebene B-B von (a).
  • 25(a–f) Schematische Draufsichten eines bewegten gleitenden Flügelkompressors 5300 in verschiedenen Phasen seines Rotationszyklus.
  • 26 Explosionsseitenansicht eines Rotors 5302 eines Kompressors 5300.
  • 27(a) Draufsicht eines Gleitrings 5326 eines Rotors 5302,
    (b) Draufsicht eines oberen Deckels 5320 von einem Rotor 5302, und
    (c) Unteransicht eines unteren Deckels 5330 von einem Rotor 5302.
  • 28 Perspektivische Ansicht einer Seitenwand 5340 und eines gleitenden Flügels 5308 eines Kompressors 5300.
  • 29(a) Seitenansicht eines gleitenden Flügels 5308 eines Kompressors 5300,
    (b) Querschnitt eines gleitenden Flügels 5308 entlang der Ebene A-A von (a), und
    (c) Querschnitt eines gleitenden Flügels 5308 entlang der Ebene B-B von (a).
  • 30(a) Draufsicht einer oberen Gehäuseendplatte 5303 von einem Kompressor 5300, und
    (b) Seitenansicht einer oberen Gehäuseendplatte 5303 entlang der Ebene A-A von (a).
  • 31(a) Draufsicht einer unteren Gehäuseendplatte 5305 eines Kompressors 5300, und
    (b) Seitenansicht einer unteren Gehäuseendplatte 5305 entlang der Ebene B-B von (a).
  • 32(a–f) Schematische Draufsichten eines bewegten Klappenkompressors 6300 zu verschiedenen Phasen seines Rotationszyklus.
  • 33 Dreidimensionale schematische Darstellung eines bewegten Klappenkompressors 6300.
  • 34 Explosionsseitenansicht eines Rotors 6302 eines Kompressors 6300.
  • 35(a) Draufsicht eines Gleitrings 6326 von einem Rotor 6302,
    (b) Draufsicht eines oberen Deckels 6320 eines Rotors 6302, und
    (c) Untenansicht eines unteren Deckels 6330 eines Rotors 6302.
  • 36 Perspektivische Ansicht einer Seitenwand 6340 und Klappen 6308 eines Rotors 6302 eines Kompressors 6300.
  • 37 Seitenansicht einer Klappe 6308.
  • 38 Draufsicht einer Klappe 6308.
  • 39 Draufsicht eines Kompressorgehäuses 6301 eines Kompressors 6300.
  • 40 Seitenansicht eines Kompressorgehäuses 6301 entlang der Ebene A-A aus 39.
  • 41(a) Draufsicht einer oberen Gehäuseendplatte 6303 eines Kompressors 6300, und
    (b) Seitenansicht einer oberen Gehäuseendplatte 6303 entlang der Ebene A-A aus (a).
  • 42(a) Draufsicht einer unteren Gehäuseendplatte 6305 eines Kompressors 6300, und
    (b) Seitenansicht einer unteren Gehäuseendplatte 6305 entlang der Ebene B-B von (a).
  • 43(a–j) Schematische Draufsichten eines Kompressors 7300 mit bewegter Klappe in verschiedenen Phasen seines Rotationszyklus.
  • 44 Draufsicht einer inneren Trommel 7302 und einer Flügelkurbelstange 7370 eines Kompressors 7300.
  • 45 Seitenansicht einer Wellenanordnung, welche zwei Rotationsachsen erlaubt von Kompressor 7300.
  • 46 Perspektivische Ansicht eines Stangenschutzbleches 7390 von einem Kompressor 7300.
  • 47(a–p) Schematische Ansichten von Umlaufrollen eines Kompressors 8000 zu verschiedenen Phasen ihrer Umlaufzyklen.
  • 48 Schematischer Querschnitt eines Rollenkompressors 8000 eingebaut in die Kühlung 8800.
  • 49 Schematischer Querschnitt eines Rollenkompressors 8400 eingebaut in die Kühlung 8801.
  • 50 Schematische perspektivische Ansicht einer Getriebeanordnung zur Erzeugung von umlaufender Bewegung.
  • 51 Querschnitt der Getriebeanordnung aus 50.
  • 52 Schematischer Querschnitt eines Kompressors 8500, eingebaut in einen Kühler 8802.
  • 53(a–j) Schematische Draufsichten eines Rotorkompressors 9300 zu verschiedenen Phasen seines Rotationszyklus.
  • 54 Draufsicht einer oberen Einlassendplatte 9303 eines Kompressors 9300.
  • 55 Draufsicht einer unteren Auslassendplatte 9305 eines Kompressors 9300.
  • 56 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 9300 (mit Getriebe).
  • 57 Draufsicht eines äußeren Rotors 9308 und Platte 9320.
  • 58 Perspektivische Ansicht eines veränderlichen Öffnungsmechanismus 9359.
  • 59 Perspektivische Ansicht eines veränderlichen Öffnungsmechanismus 9369.
  • 60 Perspektivische Ansicht eines veränderlichen Öffnungsmechanismus 9379.
  • 61 Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines veränderlichen Ausströmmechanismus.
  • 62 Draufsicht eines veränderlichen Ausströmmechanismus von 61, angetrieben durch einen Servomotor.
  • 63 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 9400.
  • 64 Draufsicht von Getrieben 9461 und 9460 und Rotoren 9402 und 9408.
  • 65 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 9500.
  • 66 Draufsicht eines äußeren Rotors 9508 und einer verbindenden Platte 9320.
  • 67 Draufsicht eines inneren Rotors 9502.
  • 68 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 10300.
  • 69 Querschnitt einer Vakuumpumpe 10060.
  • 70 Perspektivische Ansicht eines Kolben 10610 einer Vakuumpumpe 10060.
  • 71 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 10300, eingebaut in einen Kühler 10000.
  • 72 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 10400.
  • 73 Schematischer Querschnitt eines Rotorkompressors 11400, eingebaut in einen Kühler 11000.
  • 74(a) Schematischer Querschnitt eines Drehgelenks 11490,
    (b) perspektivische Ansicht von oben einer oberen Gehäuseplatte 11403 zur Verwendung mit dem Drehgelenk 11490,
    (c) perspektivische Ansicht von oben einer rotierenden Platte 11480 zur Verwendung mit dem Drehgelenk 11490, und
    (d) perspektivische Ansicht von oben eines Ringes 11491, einer Nabe 11492 und Speichen 11493 des Drehgelenks 11490.
  • 75 Schematischer Querschnitt einer veränderlichen Ausströmöffnung, angetrieben durch einen Faltenbalg.
  • 76 Draufsicht der Öffnung aus 75.
  • 77 Querschnitt eines Austrittskontrollmechanismus, welcher eine Flüssigkeitsaufweisende Birne enthält.
  • 78 Darstellung der Entfernung von nichtkondensierbaren Bestandteilen unter Verwendung einer Packung und gekühlten Wassers.
  • 79 Schematischer Querschnitt eines Kompressors 11400 und einer Vakuumpumpe 12060, eingebaut in einen Kühler 12000.
  • 80(a) Draufsicht einer Rotorvakuumpumpe 12060, und
    (b) Seitenansicht einer Rotorvakuumpumpe 12060.
  • 81(a) Schematische Darstellung einer Vakuumpumpe 12402, und
    (b) schematische Darstellung einer Vakuumpumpe 12403.
  • 83 Schematische Darstellung einer Kühlung 13000 mit mehrstufiger Dampfkompression und Verdampfung.
  • 84 Analyse des Energieverbrauchs eines mehrstufigen Verdampfungskühlers ohne Turbinen.
  • 85 Analyse des Energieverbrauchs eines mehrstufigen Verdampfungskühlers mit Turbinen.
  • 86 Übersicht über verschiedene Kompressoren.
  • 87 Tabelle zur Darstellung der Ergebnisse der Analyse eines Kreiselverdichters.
  • 88 Schematische Darstellung eines Kühlers mit Dampfkompression und Verdampfung 13100, welcher mehrstufige Verdampfer verwendet.
  • 89 Schematische Darstellung eines Kühlers mit Dampfkompression und Verdampfung 13200, welcher mehrstufige Verdampfer und Kondensatoren verwendet.
  • Diese Erfindung ist gerichtet auf hocheffiziente und wirtschaftliche Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung welche Wasser statt Fluorchlorkohlenwasserstoffen als Kühlmittel verwenden. Solche Kühler können verschiedene Ausführungsformen annehmen, wie die folgenden Kühlsysteme, welche hier beschrieben sind:
    • 1. Die beiden Kühlsysteme, dargestellt in den 1 und 2, welche einen Kompressor verwenden, um die Wasserdämpfe unter Druck zu setzen, gefolgt von einem Einspritzkondensator oder einem Sprühkondensator,
    • 2. Kühlsysteme mit drei konzentrischen Kammern, wie Kühler 200, dargestellt in 5 und Kühler 3200, dargestellt in 16,
    • 3. Kühlsysteme wie Kühler 8800, 8801 und 8802, dargestellt in den 48, 49 und 52, mit oben angeordnetem Kondensator und einer oben angeordneten Kompressorausströmöffnung,
    • 4. Kühlsysteme wie Kühler 10000, 11000 und 12000, dargestellt in den 71, 73 und 79, mit unten angeordnetem Kondensator und einer unten angeordneten Kompressorausströmöffnung, und
    • 5. mehrstufige Systeme, wie die drei Systeme 13000, 13100 und 13200, dargestellt in den 83, 88 und 89.
  • Die Erfindung schließt ein positive Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, welche eingebaut werden können in eine oder mehrere der oben genannten Kühlsysteme, einschließlich Systeme mit drei konzentrischen Kammern, wie Kühler 3200 oder Kühler 200. Diese Kompressoren schließen ein:
    • 1. Den Kolbenkompressor 230, dargestellt in 5,
    • 2. den Kompressor 330 mit gleitendem Flügel, dargestellt in den 6 bis 16,
    • 3. den Kompressor 4300 mit gleitendem Flügel, dargestellt in den 17 bis 24,
    • 4. den Kompressor 5300 mit betriebenem gleitendem Flügel, dargestellt in den 25 bis 31,
    • 5. den Kompressor 6300 mit betriebener Klappe, dargestellt in den 32 bis 42, und
    • 6. den Kompressor mit betriebener Klappe, in mehrflügeliger Ausführung 7300, dargestellt in den 43 bis 46.
  • Diese Erfindung schließt außerdem ein positive Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, in einem oder mehreren der oben genannten Kühlsysteme, einschließlich von Systemen, welche zwei konzentrische Kammern aufweisen, wie Kühler 8800, dargestellt in 48. Diese Kompressoren schließen ein:
    • 1. Rollenkompressoren, wie die drei Ausführungsformen dargestellt in den 48, 49 und 52 (8000, 8400 und 8500), und
    • 2. Rotorkompressoren, wie die drei Ausführungsformen dargestellt in den 56, 63 und 65 (9300, 9400 und 9500).
  • Diese Erfindung schließt außerdem ein neue positiven Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, welche verwendet werden können für eines oder mehrere der oben beschriebenen Kühlsysteme, wie Kühler 10000, 11000 und 12000. Diese Kompressoren schließen ein Rotorkompressoren mit neuen Vorrichtungen zum Betreiben der besagten Kompressoren, wie:
    • 1. Rotorkompressor 10300, dargestellt in den 68 und 71,
    • 2. Rotorkompressor 10400, dargestellt in 72 und
    • 3. Rotorkompressor 11400, dargestellt in 73.
  • Die vorliegende Erfindung schließt außerdem ein eine Vorrichtung zum Entfernen nichtkondensierbarer Bestandteile aus Kühlern mit Verdampfung und Dampfkompression. Diese Vorrichtung schließt ein die Verwendung einer Vakuumpumpe wie:
    • 1. Vakuumpumpe 10060, dargestellt in den 69 und 70, welche die nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Kondensator entfernt,
    • 2. Rotorvakuumpumpe 12060, dargestellt in 80a,
    • 3. die nichtkondensierenden Vakuumpumpen 12402 und 12403, dargestellt in den 81 und 82, und
    • 4. Pumpe 8060, dargestellt in 48.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind dargestellt in den 1 bis 89, wobei gleiche Bezeichnungen verwendet werden, um gleiche Elemente zu kennzeichnen.
  • 1 zeigt einen Kühler 100 mit Verdampfung und Dampfkompression. Dieser Kühler kann verwendet werden in jeder Gegend des Landes unabhängig von der Luftfeuchtigkeit, seine Leistung ist jedoch verbessert in Gegenden mit besonders niedriger Luftfeuchtigkeit.
  • Wie dargestellt in 1, tritt Raumluft (ca. 25°C Trockentemperatur, 55% relative Luftfeuchtigkeit, 15°C Taupunkt) in den Raumluftaustauscher 102 ein durch den Raumlufteinlass 103. Kaltes Wasser 104 (ca. 13°C) wird zerstäubt innerhalb des Raumluftaustauschers 102. Raumluftaustauscher 102 weist einen Raumluftaustauscherauslass 105 auf. Die Raumluft wird gekühlt durch den direkten Kontakt mit dem kalten Wassersprühstrahl 104. Des Weiteren wird die Raumluft außerdem entfeuchtet, da die Temperatur des kalten. Wassers niedriger ist als der Taupunkt der Luft. 1 zeigt die Raumluft in Kontakt mit Wasser in einem Sprüher 106, jedoch könnte der Kontakt auch erreicht werden durch Blasen der Raumluft durch einen gefüllten Turm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine strukturierter Packung verwendet, welcher gewellte chlorinierte Polyvinylchlorid(CPVC)-Blätter aufweist, welche angeordnet sind mit offenen Kanälen, welche es dem gekühlten Wasser ermöglichen, nach unten zu fließen, und der Raumluft, nach oben zu steigen. CPVC ist ein bevorzugtes Material, weil es billig ist, leicht und der Zersetzung durch Ozon widersteht, welches eingesetzt werden kann, um mögliche Mikroorganismen zu töten. Alternativ kann eine faserige Matte verwendet werden, wobei kaltes Wasser über die Fasern tropft, oder jedes andere geeignete Mittel kann verwendet werden, wie z. B. ungeordnete Packungen aus Keramik, Metall oder Plastik.
  • Verdampfer 120 aus 1 wird vorzugsweise bei einem niedrigen Druck (vorzugsweise ca. 0,015 atm) gehalten unter Verwendung eines Kompressors 130, oder eines beliebigen positiven Verdrängungskompressors. Wasser aus dem Raumluftaustauscher 102 wird gezogen in den Verdampfer 120, wo es verdunstet und abkühlt. Dieses kalte Wasser wird gepumpt aus dem Verdampfer 120 in den Raumluftaustauscher 102 unter Verwendung einer Pumpe 110.
  • Kompressor 130 setzt die Wasserdämpfe unter Druck und entlässt sie in einen Kondensator, wie in einen Einspritzkondensator 140. Wenn komprimiert, überhitzen sich die Wasserdämpfe, was die benötigte Arbeit erhöht. Dies kann umgangen werden durch das Zerstäuben von flüssigem Wasser 131 direkt in den Kompressor 130, wie beschrieben in der US 5,097,677 der Texas A&M Universität, und hier durch Referenz mit eingeschlossen. Da es Zeit braucht, das Wasser zu verdampfen und die Dämpfe abzukühlen, ist es am besten, die Komprimierung in einer Reihe von kleinen Schritten durchzuführen, oder den Kompressor langsam zu betreiben, oder sehr feine Wassertropfen zu verwenden. Die Komprimierung wird vorzugsweise ausgeführt unter Verwendung eines positiven Verdrängungskompressors mit niedriger Reibung (Kolben, Flügel, Klappe, Rolle, Rotor), wie die hier offenbarten, oder einer beliebigen geeigneten Vorrichtungen. Wegen des großen Volumens des zu komprimierenden Wasserdampfes muss der Kompressor notwendigerweise groß sein. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, ist es notwendig, dass der Kompressor eine niedrige Reibung aufweist.
  • Die komprimierten Wasserdämpfe, welche den Kompressor 130 verlassen, werden zu dem Einspritzkondensator 140 geleitet. Per Einspritzkondensator 140 funktioniert wie ein Venturi. Flüssiges Wasser mit hohem Druck tritt in den Einspritzkondensator 140 ein. Der Hals des Einspritzkondensators 140 verengt sich, was dazu führt, dass sich die Wassergeschwindigkeit erhöht. Die kinetische Energie, welche benötigt wird, um das Wasser zu beschleunigen, wird erzeugt auf Kosten der Druckenergie, so dass ein Vakuum entsteht. Das Wasser mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck ist kälter als die Wasserdämpfe, welche den Kompressor 130 verlassen. Wenn diese Dämpfe auf den Wasserstrom mit hoher Geschwindigkeit treffen, kondensieren sie auf dem Wasserstrom und werden mit dem Wasser herausgespült. Der Durchmesser der unteren Verengung 142 der Leitung, welche den Einspritzkondensator 140 verlässt, vergrößert sich, so dass sich die Wassergeschwindigkeit erniedrigt. Dies wandelt die kinetische Energie zurück in Druckenergie, so dass das Wasser mit Atmosphärendruck austreten kann. Jegliche nichtkondensierbaren Bestandteile werden ebenfalls mit aus dem System herausgespült.
  • Die Flüssigkeit, welche den Einspritzkondensator 140 verlässt, wird geleitet zum Umgebungsluftaustauscher 150. Umgebungsluftaustauscher 150 weist auf eine Umgebungslufteinströmöffnung 152 und eine Umgebungsluftausströmöffnung 153. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist er einen Salzwasserauslass 158 auf. Wenn Wasser in die Umgebungsluft verdampft, kühlt es ab und erreicht die Feuchttemperatur. Weil die Feuchttemperatur üblicherweise bedeutend niedriger ist als die Trockentemperatur, wird Wärme abgegeben bei viel niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen Dampfkompressionsklimaanlagen. Hinzu kommt, da Wärmeaustausch durch direkten Kontakt verwendet wird, dass das ΔT viel kleiner ist. Gekühltes Wasser wird zurück geschickt zurück aus dem Umgebungsluftaustauscher zum Kondensator über die Pumpe 112.
  • Weil Wärme letztendlich abgegeben wird durch Verdampfung des Wassers, wird Auffüllwasser benötigt. Auffüllwasser 131, 145 und 125 kann jeweils zugegeben werden zu dem Kompressor 130, zu dem Einspritzkondensator 140 und zu dem Verdampfer 120, wie es benötigt wird.
  • Ein Teil des Wassers wird aus der Raumluft kondensiert, aber dies ist nicht ausreichend, um dem gesamten Wasserbedarf zu decken. Falls einfaches Trinkwasser verwendet wird, werden sich Salze ansammeln, deshalb wird Salzwasserauslass 108 verwendet. Wie in 1 gezeigt, kann der Salzwasserauslass 108 angeordnet sein am unteren Ende des Raumluftaustauschers 102. Hinzu kommt, dass Vorrichtungen zum Entfernen von Mikroorganismen aus dem Wasser des Systems, insbesondere dem Raumluftaustauscher, verwendet werden können, wie ein Ozongenerator, eine UV-Strahlungsquelle, antimikrobielle Chemikalien oder andere Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen dieser Ausführungsform beziehen sich auf gleiche Elemente oder Ausbildungen wie in der Ausführungsform gemäß 1, so dass deswegen auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird. Kühler 101 mit Dampfkompression und Verdampfung ist identisch mit dem Kühler in 1, mit der Ausnahme, dass ein Sprühkondensator 160 verwendet wird anstelle des Einspritzkondensators. Auffüllwasser 165 kann zu dem Sprühkondensator hinzu gegeben werden. Hinzu kommt ein kleines Sauggebläse 170, welches als Venturi funktioniert; der reduzierte Druck an dem Venturi-Rohr zieht die nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Kondensator.
  • Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist einfacher zu analysieren, als die in 1 gezeigte, da wirkliche Leistungsdaten benötigt werden für den Einspritzkondensator. Deshalb gilt die folgende Auswertung für 2.
  • Der Faktor der Leistung, COP (Coefficient of Performance) wird definiert als entzogene Wärme in dem Verdampfer geteilt durch die gesamte Arbeit nötig, um das System zu betreiben.
    Figure 00410001
    wobei
    Qevap = Wärme entfernt im Verdampfer
    Wcomp = Arbeit des Kompressors
    WP1 = Arbeit der Pumpe 1
    WP2 = Arbeit der Pumpe 2
  • Dieser Ausdruck kann invertiert werden:
  • Figure 00410002
  • Der COP des Kompressors ist:
    Figure 00410003
    wobei
    ηref = Effizienz der Kühlung relativ zur Carnot'schen Effizienz ist (21, "Reducing Energy Costs in Vapor-Compression Refrigeration and Air Conditioning Using Liquid Recycle – Part II: Performance", Mark Holtzapple, ASHRAE Transactions, Band 95, Teil 1, 187–198 (1989)).
    ηcomp = Kompressoreffizienz (ca. 60 – ca. 70%, gemäß 86)
    ηmotor = Motoreffizienz (ca. 80%, kann auch höher sein)
    Figure 00410004
    TE1 = Wassertemperatur beim Austritt aus dem Verdampfer (absolute Temperatur)
    TE2 = Wassertemperatur beim Austritt aus dem Sprühkondensator (absolute Temperatur)
  • Der Koeffizient der Pumpenleistung, COPP1 ist gegeben durch:
  • Figure 00420001
  • Die Pumpenarbeit ist
    Figure 00420002
    wobei
    m1 = Massenfluss Wasser durch Pumpe 1
    ΔP1 = Druckanstieg von Pumpe 1
    ρ = Dichte des Wassers
    ηPumpe = Pumpeneffizienz (es wird ca. 50% angenommen, wobei Motorverluste eingeschlossen sind)
  • Der Massenfluss des Wassers wird bestimmt durch Durchführung eines Energievergleichs: m1CP(TE2 – TE1) = Qevap (7)
    Figure 00420003
    wobei
    CP =Wärmekapazität von flüssigem Wasser
    TE2 =Wassertemperatur beim Austritt aus dem Raumluftaustauscher (absolute Temperatur)
  • Gleichung (8) kann in Gleichung (6) eingesetzt werden, welche wiederum in Gleichung (5) eingesetzt wird, um den Koeffizienten der Leistung der Pumpe zu erhalten:
  • Figure 00430001
  • Ein ähnlicher Ausdruck kann abgeleitet werden für den Koeffizienten de Leistung der Pumpe 2:
    Figure 00430002
    wobei
    TC1 =Wassertemperatur beim Austritt aus dem Umgebungsluftaustauscher
  • Gleichungen 3, 9 und 10 können in Gleichung 2 eingesetzt werden, um den Koeffizienten der Leistung für das gesamte System zu bestimmen:
  • Figure 00430003
  • Es wird angenommen, dass die Raumluft folgende Eigenschaften aufweist:
    Trockentemperatur = 25°C
    relative Luftfeuchtigkeit = 55%
    Taupunkt = 15°C
  • Die folgenden Parameter wurden verwendet, um den COP gemäß Gleichung 11 zu bestimmen:
    ηcomp = 0.7, aus 86
    ηMotor = 0.8
    ηPumpe = 0.5
    Cp = 4188 J/(kg·°C)
    ρ = 1000 kg/m3
    ΔP1 = 1 bar = 105N/m2
    ΔP2 = 1bar = 105 N/m2
    TE1 = 13°C = 286.15 K
    TE2 – TE1 = ΔT, zur Vereinfachung
    TC2 – TC1 = ΔT, zur Vereinfachung
    TC2 = TC1 + ΔT
  • 3 zeigt den COP bei verschiedenen Umweltbedingungen. Die x-Achse zeigt die Umgebungsfeuchttemperatur (°C). Die y-Achse zeigt den Faktor der Leistung berechnet nach Gleichung 11. Das ΔT, für welches sich die größte Systemeffizienz ergibt, ist 4°C.
  • Der Koeffizient der Leistung für ein herkömmliches r-12 Klimaanlagensystem ist
    Figure 00440001
    wobei ηcomp die Kompressoreffizienz (angenommener Wert ca. 0,7), ηmotor die Motoreffizienz (angenommener Wert ca. 0, 8), TE die Verdampfungstemperatur, TC die Kondensationstemperatur ist und ηref ist gegeben durch 2 der Veröffentlichung „Reducing Energy Costs in Vapor-compression Refrigeration and Air Conditioning Using Liquid Recycle – Part 1: Comparison of Ammonia and R-12", Mark Holtzapple, ASHRAE Transactions, Band 95, Teil 1, 179–189 (1989).
  • Es wird angenommen, dass die Verdampfungstemperatur bei ca. 10°C liegt, was 5°C kühler ist als der Raumtaupunkt und 15°C kühler als die Raumlufttrockentemperatur. 4 zeigt den COP für eine R-12 Dampfkompressionskühlung unter Verwendung verschiedener Trockentemperaturen und Kondensator ΔTs. Die x-Achse zeigt die Umgebungstrockentemperatur (°C). Die y-Achse zeigt den Faktor der Leistung berechnet nach Gleichung 12.
  • Tabelle 1 vergleicht die erwartete Leistung eines Kühlers mit Verdampfung und Dampfkompression und eines herkömmlichen R-12 Dampfkompressionssystems in einer Vielzahl von Städten in den Vereinigten Staaten. Die Trockentemperaturen und Feuchttemperaturen sind „2,5 Werte", was bedeutet, dass nur für 2,5 der Stunden zwischen Juni und September diese Werte überschritten werden. Basierend auf dieser Auswertung wird erwartet, dass ein Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression ca. 1,7 bis 3,9 mal energieeffizienter ist als eine herkömmliche Dampfkompressionsklimaanlage. Dieser Energievergleich schließt nicht ein die benötigte Energie für den Umgebungsluftventilator oder den Raumluftgebläse.
  • Figure 00450001
  • Figure 00460001
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist gerichtet auf Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression, welche drei konzentrische Kammern aufweisen. Ein derartiger Kühler ist Kühler 200, dargestellt in 5. Die innerste Kammer 210 des Kühlers 200 mit Verdampfung und Dampfkompression weist den niedrigsten Druck auf, der der mittleren Kammer 211 ist etwas höher, und die äußerste Kammer 212 weist Atmosphärendruck auf. Der äußere Durchmesser der äußersten Kammer ist vorzugsweise ca. 2 bis 3 Fuß für eine 3-Tonnen Wohnungsklimaanlageneinheit und ist vorzugsweise ca. 3 bis 4 Fuß hoch. Auf der Oberseite der äußeren und mittleren Kammer und unterhalb des Kompressors 230 in der innersten Kammer 210 sind Rohre 214 (innen), 216 (Mitte) und 218 (außen) aufgebracht, durch welche Wasser tropft. Falls gewünscht, kann Packung 220 und 221 eingebracht werden in die mittlere und äußere Kammer, um den Wasserrückstau zu erhöhen.
  • Einer oder mehrere Kompressoren 230 werden vorzugsweise angeordnet in der innersten Kammer 210, um ein Vakuum in der Kammer zu erzeugen. Dies führt dazu, dass Wasser in der innersten Kammer 210 verdampft und sich abkühlt. Dieses gekühlte Wasser 224 wird gepumpt in den Raumluftaustauscher 1000, welcher angebracht ist im Haus oder dem zu kühlenden Raum, wo er im Gegenstrom auf warme Luft trifft, so dass die Luft sich dann abkühlt. Die Temperatur des gekühlten Wassers ist ausreichend niedrig, so dass die Feuchtigkeit der Hausluft sogar kondensiert, so dass die Hausluft nicht nur gekühlt, sondern außerdem entfeuchtet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Hausluft im wahrsten Sinne des Wortes gewaschen wird, was Staub und Allergene entfernt.
  • Weil Wasser in der innersten Kammer verdampft, muss es nachgefüllt werden. Dies wird vorzugsweise erreicht durch einen Schwimmer 226, welcher ein Ventil 227 öffnet, was dem Leitungswasser ermöglicht, einzutreten und das verdampfte Wasser wieder aufzufüllen. Weil Leitungswasser Salze enthält, wird ein Reinigungsstrom 228 verwendet, um die Salze zu entfernen, wenn sie sich anreichern. Dies kann erreicht werden durch Öffnen des Ventils 229, wenn die Salzkonzentration einen vorgegebenen Stand überschreitet. Das Ventil kann geöffnet werden durch eine Zeitschaltuhr, ein Wasserleitfähigkeitsmessgerät, durch Spülen mit einer kontinuierlichen Flussmenge, welche angepasst ist an den Salzgehalt des Leitungswassers, oder durch andere geeignete Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik. Alternativ könnte destilliertes Wasser oder Regenwasser verwendet werden als Systemwasser und als Auffüllwasser, so dass das Spülen überflüssig wird. In einem derartigen System muss das Wasser jedoch absolut salzfrei sein.
  • Der Druck in der innersten Kammer wird niedrig gehalten durch Verwendung eines oder mehrerer Kompressoren 230. Obwohl in 5 zwei Kolbenkompressoren dargestellt sind, welche parallel arbeiten, sollte es verstanden werden, dass jeder geeignete Kompressor verwendet werden kann. Insbesondere sind geeignet positive Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, wie der offenbarte Kolbenkompressor (5), Kompressoren mit gleitendem Flügel (6 bis 11, 16 und 25 bis 31) und Kompressoren mit angetriebener Klappe (32 bis 42 und 43 bis 46).
  • In der in 5 dargestellten Ausführungsform wird ein Kolbenkompressor 230 verwendet. Da die Dampfdichte sehr niedrig ist, kann der Kompressor viele Stufen aufweisen. Z. B. sind in 5 zwei gezeigt, welche parallel arbeiten. Alternativ können mehrere Kompressoren hintereinander geschaltet sein, wie in den 83, 88 und 89 gezeigt ist. In 5 schwingt die zentrale Welle 232 des Kompressors vertikal. Das obere Ende der Welle weist einen Vorsprung 234 auf, welcher in einer sinusförmigen Nut 237 in einer rotierenden Nocke 236 läuft. Eine einzelne Sinuskurve in Nut 237 führt dazu, dass die zentrale Welle einen Durchlauf pro Motorrotation macht. Durch Verwenden einer Nut mit zwei Sinuskurven in der Nocke 236, wird die zentrale Welle zweimal pro Motorrotation schwingen. Dadurch werden sehr schnelle Schwingungen der zentralen Welle möglich unter Verwendung eines herkömmlichen Motors 238 mit niedriger Geschwindigkeit.
  • Das obere Ende des Faltenbalgs 240 ist befestigt an der schwingenden Welle 232 und das andere Ende ist befestigt an dem Gehäuse 242, wodurch eine vakuumdichte Abdichtung aufrechterhalten wird. Die zentrale Welle 232 hat Platten 244 daran befestigt, welche ebenfalls vertikal innerhalb des Kompressorgehäuses 290 schwingen.
  • Es wurde herausgefunden, dass wegen der niedrigen Drücke, welche in Kühlsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten, es nicht nötig ist, dass enger Kontakt besteht zwischen den Kompressorkomponenten wie den Platten 244 und dem Gehäuse 290. Deswegen weist die vorliegende Ausführungsform vorzugsweise einen großen Zwischenraum 245 (ein paar Tausendstel eines Inches) zwischen den Platten 244 und dem Gehäuse 290 auf, so dass sie das Gehäuse nicht berühren, was zu vernachlässigbarer Reibung führt. Stattdessen wird Wasser als Dichtung verwendet. Insbesondere weisen die Ränder der Platten eine Nut 246 auf, durch welche Leitungswasser fließt. Da das Leitungswasser unter höherem Druck steht als der Kompressor, fließt das flüssige Wasser eher in das Kompressorgehäuse 290, als das Dämpfe austreten. Dieses Wasser dient nicht nur als Dichtung, sondern es kühlt außerdem die komprimierten Dämpfe. Falls das Wasser nicht ausreicht, um die komprimierten Dämpfe zu kühlen, können zusätzliche Wassersprüher 248 angeordnet werden an den Oberseiten der Platten 244. Die Quelle des Leitungswassers kommt durch die zentrale Welle 232, welche hohl ist und einen flexiblen Schlauch 233 an der Unterseite aufweist. Der Kompressor weist eine Ausströmöffnung 249 zur mittleren Kammer hin auf, welche durch das Ausströmventil 250 reguliert wird. Der Kompressor weist außerdem eine Einströmöffnung 251 auf, welche durch das Einströmventil 252 reguliert wird. Weil die Drücke zu niedrig sind, ist es nicht möglich, die Ventile 250 und 252 zu öffnen unter Verwendung der Druckdifferenzen zwischen dem Kompressorinneren und dem Äußeren. Stattdessen sind Einströmventil 252 und Ausströmventil 250 aktiv, d. h. betrieben durch elektrische Magnetspulen oder hydraulische Kolben. Das Kompressorgehäuse 290 weist vorzugsweise eine leicht konische Unterseite 243 auf, so dass überschüssige Flüssigkeit gesammelt werden kann an dem Ausströmventil 250, um entfernt zu werden, wenn sich das Ventil öffnet. Die Ausströmöffnung 249 des Kompressors ist auf die mittlere Kammer 211 gerichtet.
  • In der mittleren Kammer 211 kondensieren die Dämpfe direkt in dem Wassersprühstrahl 217 aus dem runden Rohr 216. Wenn sich zuviel Flüssigkeit ansammelt an dem Boden der mittleren Kammer, wird ein elektrischer Schalter 256 aktiviert durch einen Schwimmer 254, welcher eine Pumpe 258 anschaltet, um die Flüssigkeit zu entfernen. Wenn der Wasserstand zu niedrig wird, schaltet der Schwimmer 254 den Schalter 256 aus. Weil sich nichtkondensierbare Gase ansammeln werden in der mittleren Kammer 211, können diese durch das Sauggebläse 270 entfernt werden.
  • Die Flüssigkeit, welche gepumpt wird aus der mittleren Kammer 211 gelangt in die äußere Kammer 212, wo sie in Kontakt kommt mit der Umgebungsluft und abgekühlt wird in etwa auf Feucht temperatur. Die Luft wird geblasen durch einen Ventilator 272, welcher angeordnet ist am oberen Ende der Einheit. Der Ventilator 272 und der Kompressor 230 werden vorzugsweise beide angetrieben durch den gleichen Motor 238, was Kosten reduziert und die Effizienz erhöht. Des Weiteren fungiert der Ventilator 272 als Schwungrad. Schwimmer 274 betreibt ein Ventil 275, welches Auffüllwasser in die äußere Kammer 212 einbringt, je nach Bedarf. Um konzentrierte Salze auszuspülen, öffnet sich das Ventil 276 periodisch, um einen Teil der Flüssigkeit aus der äußeren Kammer 212 herauszuspülen. Ein Ozongenerator oder andere Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik können verwendet werden, um das Wachstum von Mikroorganismen in dem System zu begrenzen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die folgenden Parameter verwendet:
    • 1. Motorgeschwindigkeit = 1725 U/min,
    • 2. die Nocke verursacht eine Schwingung des zentralen Schafts pro Motorumdrehung,
    • 3. der Kompressor hat einen 80%ige volumetrische Effizienz, 4. drei Stufen arbeiten parallel,
    • 5. 3-Inch Hub,
    • 6. eine 3-Tonneneinheit muss 1400 ft3/min von Dämpfen mit niedrigem Druck komprimieren.
  • In der Ausführungsform, welche dargestellt ist in 5, wäre der Durchmesser der Platte 244 ca. 1,3 ft. Kleinere Durchmesser sind möglich durch Verwendung eines Motors mit höherer Geschwindigkeit, durch Ändern der Nocke um mehrere Schwingungen der zentralen Welle pro Motorumdrehung zu ermöglichen, durch Erhöhen des Hubes, oder durch Erhöhen der Anzahl der Stufen.
  • Eine Regulierung des Systems kann erreicht werden durch eine An/Aus-Steuerung, wie es gemacht wird bei herkömmlichen Klimaanlagen. Alternativ kann ein Motor mit variabler Geschwindigkeit verwendet werden, um den Kompressor effizienter zu betreiben, wenn die Last niedrig ist, läuft er langsamer und wenn die Last hoch ist, läuft er schneller.
  • Da die Druckunterschiede über alle Wände sehr gering sind (maximal ca. 15 psi), können beinahe alle Komponenten aus Plastik hergestellt werden, wodurch die Kosten reduziert werden. Jedoch kann jedes geeignete Material verwendet werden, um die einzelnen Komponenten herzustellen. Da keine der Kammern komplett mit flüssigem Wasser gefüllt ist, können ca. 10% an Volumenzunahme durch das Eis kompensiert werden durch den Dampfraum, falls das Wasser im Winter gefriert. Falls gewünscht, kann das Wasser aus der Einheit abgelassen werden, um sie zu überwintern.
  • Diese Ausführungsform kann außerdem angepasst werden für Anwendungen unterhalb des Gefrierpunktes, durch Hinzufügen von nicht verdampfendem Frostschutzmittel (z. B. Salz, Glyzerin) zu dem Wasser. Dies wird den Dampfdruck des Wassers reduzieren, weshalb ein größerer Kompressor benötigt wird. Hinzu kommt, falls ein Frostschutzmittel zu dem Wasser hinzugegeben wird, dass dann das gesamte Auffüllwasser destilliertes Wasser sein sollte, so dass keine Salze mehr herausgespült werden müssen. Alternativ können der Aufwand und die Kosten, welche verbunden sind mit der Zugabe von destilliertem Wasser, ausgeschlossen werden, wenn die Salze des Leitungswassers als Frostschutzmittel verwendet werden. Dies könnte auf einfache Weise erreicht werden durch Betreiben des Systems mit einer sehr niedrigen Ausstoßrate.
  • Andere Arten von positiven Verdrängungskompressoren können verwendet werden in Kühlern mit Dampfkompression und Verdampfung einschließlich Kühlern, welche drei konzentrische Kammern aufweisen. Kreiselkompressoren sind eine Art von Kompressor, welche in solchen Kühlern verwendet werden können. Eine Ausführungsform eines Kreiselkompressors, welche nützlich ist für Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression, Kreiselkühler 3300 mit gleitendem Flügel, ist dargestellt in den 6 bis 14. In den 6 bis 14 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Der neue Kreiselkompressor dieser und später offenbarter Ausführungsformen verwendet einen großen Zwischenraum, um die Reibung zwischen den komprimierenden Komponenten zu reduzieren und verwendet Wasser sowohl als Dichtung, als auch als Kühlmittel.
  • 6a bis f sind schematische Darstellungen eines Kreiselkompressors 3300 mit gleitendem Flügel in verschiedenen Phasen des Kreislaufs. Wenn sich der Rotor 3302 dreht, reißt er Dämpfe mit sich von der Niedrigdruckseite 3314 während der ersten Umdrehung und komprimiert diese während der zweiten Umdrehung. Um die Dämpfe während der Komprimierung zu kühlen und um eine Dichtung zu bilden, wird flüssiges Wasser 3306 in den Kompressor während der Komprimierung gesprüht. Wie in den 6a bis f gezeigt, berührt der gleitende Flügel 3308 den Rotor 3302 und trennt den Niedrigdruckbereich 3314 und den Hochdruckbereich 3315 des Kompressors. Alternativ, um die Reibung zu reduzieren, könnte der gleitende Flügel 3308 den Rotor 3302 berühren über eine Rolle, welche angeordnet ist an der Spitze des gleitenden Flügels 3308, oder der gleitende Flügel 3308 könnte bewegt werden durch einen externen Mechanismus, so dass der Rotor 3302 und der gleitende Flügel sich nicht berühren.
  • 7 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Kreiselkompressors 3300 mit gleitendem Flügel. Die Dämpfe mit niedrigem Druck treten ein in das Einströmloch oder die Öffnung 3310 an der Seite des Kompressorgehäuses 3301. Es wird kein Einströmkontrollventil benötigt. Die Hochdruckdämpfe treten aus durch die Ausströmöffnung oder den Ausgang 3312. Ausströmkontrollventile 3313 (13) sind an der Ausströmöffnung bereit gestellt.
  • 8 ist eine Seitenansicht des Rotors 3302. Wie dargestellt in 8, weist Rotor 3302 einen oberen Deckel 3320, einen unteren Deckel 3330 und eine Seitenwand 3340 auf, welche vorzugsweise zylindrisch ist. Obere Dichtnut 3322 und untere Dichtnut 3332, welche auf dem oberen und dem unteren Deckel angeordnet sind, sind gefüllt mit flüssigem Wasser, um eine rotierende Dichtung zu bilden gegen die Gehäuseendplatten 3303 (14a) und 3305 (15a). Eine vertikale Nut 3342 in der Seitenwand dichtet den Rotor 3302 gegen das Kompressorgehäuse 3301 ab. Die Nuten können vollständig frei sein, oder sie können einen Docht 3324 entlang des offenen Endes wie dargestellt in 9 aufweisen, eine Zeichnung eines Nutendetails mit einem Docht. Nuten 3322, 3332 und 3342 können aktiv versorgt werden mit Niedrigdruckwasser 3324 durch einen Gleitring 3326. Verteilungskanäle 3329 stellen sicher, dass Wasser verteilt wird in den dichtenden Nuten. Alternativ kann die Wasserquelle der Wassersprüher 3306 sein, welcher verwendet wird, um den Kompressor zu kühlen. Der Wasserstrahl wird die inneren Wände des Kompressorgehäuses benetzen und wird von dem Docht in die Nuten 3322, 3332 und 3342 gezogen, unter der Voraussetzung, dass ein Docht 3324 verwendet wird.
  • Weil der Rotor exzentrisch befestigt ist an der Welle, wird ein Gegengewicht 3328 benötigt, um die Rotation auszubalancieren. 8 zeigt, dass das Gegengewicht 3328 angeordnet sein kann in der Seitenwand 3340, um Platz zu sparen. Alternativ kann das Gegengewicht 3328 angeordnet sein auf der Welle außerhalb des Kompressorgehäuses.
  • 8 bis 10 zeigen Details der Komponenten von Rotor 3302. Oberer und unterer Deckel 3320 und 3330 weisen jeder ein großes Loch 3321 (oben) und 3331 (unten) auf, um die Masse zu reduzieren, die ausbalanciert werden muss.
  • 11a bis c zeigen Details des gleitenden Flügels 3351. Er weist Stifte 3352 auf, welche angeordnet sind an der Innenseite und welche auf den Linearlagern 3354 laufen. Der gleitende Flügel 3351 wird gegen den Rotor gepresst durch Verwendung von Federn 3356. Ein Abstreifer aus Filz 3358 wird mit Wasser getränkt von dem Kühlwasserstrahl 3306, so dass er gegen den Rotor abdichtet. Eine neue Eigenschaft dieser Ausführungsform sind die Vorrichtungen, welche verwendet werden, um den Zwischenraum zwischen dem Filzabstreifer 3358 und dem Rotor zu bilden. Insbesondere laufen die Kugellager 3360, welche weiter hervorragen als der Filzabstreifer, auf dem Rotor. Der Abstand zwischen dem Filzabstreifer und dem Rotor wird bestimmt durch die Distanz, welche die Kugellager 3360 über den Abstreifer 3358 hervorragen. Wie man aus dem Vorhergehenden sieht, besteht eine niedrige Reibung zwischen den komprimierenden Komponenten der offenbarten Ausführungsformen – dem Rotor, dem Gehäuse und dem gleitenden Flügel.
  • 12 bis 13 zeigen das Kompressorgehäuse 3301. Es weist einen Bereich 3361 für den gleitenden Flügel 3351 auf, dichtende Nuten 3362 an der Seite stellen eine Dichtung bereit.
  • Einströmöffnung 3310 ist vollständig geöffnet, aber Ausströmöffnung 3312 ist mit Kontrollventilen 3313 versehen. Weil der Druck, der durch den Kompressor erzeugt wird, nicht ausreicht, um die Kontrollventile zu betreiben, werden diese vorzugsweise betrieben durch Hubmagnete, hydraulische Kolben, oder andere Vorrichtungen. Überschüssiges Wasser wird sich sammeln im Wassersammelbecken 3363, welches entleert wird durch das Sammelbeckenkontrollventil 3364.
  • Die Gehäuseendplatten 3303 und 3305 sind dargestellt in den 14 und 15. Obere Endplatte 3303 und untere Endplatte 3305 weisen ein oberes Umlaufstützlager 3307 und ein unteres Umlaufstützlager 3309 auf. Untere Endplatte 3305 weist außerdem ein Abflussloch 3311 auf.
  • 16 zeigt einen Kreiselkompressor 3300 mit gleitendem Flügel, welcher integriert ist in einen Kühler 3200 mit Dampfkompression und Verdampfung. Wie Kühler 200 weist er drei konzentrische Kammern auf. Antriebsmotor 3238 kann angeordnet sein innerhalb oder außerhalb des Verdampfers. In einer bevorzugten Ausführungsform ist er außerhalb angeordnet. Anordnen des Antriebsmotors außerhalb des Verdampfers hat die folgenden Vorteile:
    • 1. Abwärme erzeugt keine Last für den Kompressor,
    • 2. ein Standardmotor kann verwendet werden anstelle eines speziell entworfenen zur Verwendung in einer Umgebung mit niedrigem Druck und Wasserdampf, und
    • 3. einfache Wartung.
  • Antriebsmotor 3238 ist verbunden mit dem Rotor 3302 durch die drehbare Welle 3232.
  • Es wird eine Dichtung 3233 für die rotierende Welle benötigt. Die vorliegende Erfindung ist außerdem gerichtet auf eine neuartige Dichtung für eine rotierende Welle, welche nützlich ist für den Kompressor 3300, wie auch für andere Anwendungen. Insbesondere, wie in 16 dargestellt, wird eine Dichtung bereitgestellt durch Versorgen des Lagers 3240 mit Wasser. Wasser wird in den Verdampfer 3341 gezogen, weil in diesem ein niedriger Druck herrscht. Unter der Voraussetzung, dass ein Übermaß an Wasser dem Lager 3240 zugeführt wird, wird keine Luft in den Verdampfer 3341 eindringen. Der Abstand zwischen Welle 3232 und Lager 3240 kann relativ groß sein, so dass die Reibung gering ist. Um Eindringen von Luft in den Verdampfer 3341 zu verhindern, wenn der Motor 3238 abgeschalten ist, wird eine Faltenbalgdichtung 3339 verwendet. Wegen der Zentrifugalkraft hebt sich die Faltenbalgdichtung 3339 von der Oberseite des Lagers 3241 ab, wenn sich die Welle 3232 dreht, sitzt aber auf der Lageroberseite 3241 auf, sobald die Welle aufhört, sich zu drehen. Mit dieser Anordnung ist die Reibung sehr gering wegen der (Art der) Dichtung der Welle. Obwohl Dichtung 3233 beschrieben wird in Verbindung mit dem Kompressor 3300, wird der Fachmann verstehen, dass sie auch für andere Anwendungen verwendet werden kann.
  • Der Kompressor 3300 mit gleitendem Flügel erzeugt ein Vakuum in dem Verdampfer 3341, was dazu führt, dass das flüssige Wasser verdampft. Orte zur Keimbildung (z. B. Siedesteinchen, „boiling chips") 3337 werden vorzugsweise bereitgestellt, um die Effizienz der Verdampfung zu erhöhen. Wenn das Wasser 3224 verdampft, kühlt es sich ab. Dieses gekühlte Wasser wird aus dem Verdampfer 3341 und in einen Raumluftaustauscher 3102 mittels einer Pumpe 3502 gepumpt. Hausluft kommt in direktem Kontakt mit dem gekühlten Wasser, welches sie abkühlt und Feuchtigkeit entfernt.
  • Die vom Kompressor 3300 ausgestoßenen Dämpfe treten in den Kondensator 3211 ein, in welchem Wasser über eine Kondensatorpackung 3220 tropft. Das einströmende Wasser ist in der Nähe der Feuchttemperatur der Umgebungsluft, was kälter ist als die Kompressoraustrittstemperatur, so dass die Dämpfe auf der Packung 3220 kondensieren. Die Packung kann eine strukturierte Packung sein, welche gewelltes Plastik oder Metallbleche aufweist, oder eine ungeordnete Packung wie Keramiksättel. Eine Pumpe 3503 entfernt das erwärmte Wasser aus dem Kondensator und leitet es in den Umgebungsluftaustauscher 3212. Feuchte verdampft durch das Abkühlen des Wassers, so dass es wieder eingeführt werden kann in den Kondensator 3211. Um den Kontakt zwischen der Umgebungsluft und dem warmen Wasser zu unterstützen, kann der Umgebungsluftaustauscher 3212 strukturierten oder eine ungeordnete Packung 3214 aufweisen.
  • Leitungswasser, welches verwendet werden kann, um den Kompressor 3300 zu kühlen, läuft durch einen Wärmeaustauscher 3221, welcher in Kontakt mit dem Wasser in dem Umgebungsluftaustauscher steht. Dieser Schritt ist nur dann notwendig, wenn die Temperatur des Leitungswassers im Allgemeinen über der Feuchttemperatur liegt.
  • Als Option kann eine Pumpe 3500 hinzugefügt werden, welche Wasser aus dem Umgebungsluftaustauscher 3212 pumpt und dieses zu der Kühlspirale des Hauskühlschrankes (nicht gezeigt) befördert. Dies wird die Effizienz des Kühlschranks erhöhen, weil:
    • 1. Wasser hat bessere Wärmeaustauscheigenschaften als Luft, und
    • 2. die Wassertemperatur wird im Allgemeinen niedriger sein als die Raumtemperatur.
  • Wasser, welches vom Kühlschrank zurückkommt, kann zurück in den Umgebungsluftaustauscher geleitet werden. Pumpe 3400 wird verwendet, um Wasser durch Sauggebläse 3270 fließen zu lassen, um nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem Kondensator 3211 zu entfernen.
  • Um die Wasserstände in den verschiedenen Tanks zu regulieren, können Schwimmventile 3227 (innen), 3275a (außen), 3275b (außen) und 3256 (Mitte) verwendet werden. Die Mehrzahl der Schwimmventile lassen Wasser in den Tank, wenn der Wasserstand zu niedrig wird. Eine Ausnahme ist das linke Schwimmventil 3275a im Umgebungsluftaustauscher 3212. Da kontinuierlich Wasser hinzu gegeben wird zu dem Umgebungsluftaustauscher, neigt er dazu, voll zu werden. Das linke Schwimmventil 3275a ist dafür ausgelegt, sich zu öffnen, wenn der Wasserstand zu hoch wird, so dass Wasser in den Kondensator 3211 gesaugt werden kann. Das rechte Schwimmventil 3275b im Umgebungsluftaustauscher 3212 wird nur dann benötigt, wenn Wasser zu dem Kühlschrank geschickt wird. Während des Winters würden die verschiedenen Auffüllwassersysteme nicht verwendet, weil der Raumluftaustauscher nicht benötigt wird. Jedoch wird wegen der Kühllast Wasser verdampfen aus dem Umgebungsluftaustauscher, so dass der Flüssigkeitspegel sinkt. Wenn der Wasserpegel sinkt, öffnet der rechte Schwimmer 3274b ein Ventil 3275b, was ein Einfließen von Ruffüllwasser erlaubt.
  • Weil sich nichtkondensierbare Gase ansammeln im Kondensator 3211, wird ein Sauggebläse 3270 verwendet, um die Gase herauszupumpen. Die Antriebskraft für Sauggebläse 3270 wird bereitgestellt durch eine Kreiselpumpe 3400. Alternativ könn te eine mechanische Vakuumpumpe verwendet werden. Z. B. könnten Vakuumpumpen 12060, 12402, 12403 und 10060, welche unten erörtert werden verwendet werden.
  • Weil der Verdampfer 3341 und der Kondensator 3211 bei sehr niedrigen Drücken betrieben werden, werden Pumpen 3502 (Verdampfer) und 3503 (Kondensator) bereitgestellt, um Flüssigkeit aus diesen Behältern zu entfernen. Jedoch benötigen Flüssigkeit, welche in diese Behälter eindringt, keine Pumpe, da sie einen niedrigen Druck aufweist. Möglicherweise können Turbinen verwendet werden, um die Energie des Wassers zu nutzen, wenn es in die Niedrigdruckbehälter fließt.
  • Wasser verdampft sowohl aus dem Verdampfer 3341 als auch aus dem Umgebungsluftaustauscher 3212, was die Salzkonzentration im Wasser erhöhen wird. Wasser wird gespült aus dem Raumluftaustauscher 3102 und kann hinzu gegeben werden zu dem Kondensator 3211 oder in den Ausguss gegossen werden. Zusätzlich wird Wasser aus dem Kondensator 3211 gespült und kann in den Ausguss geleitet werden. Die Rate, mit welcher das Wasser aus dem System gespült wird, kann reguliert werden durch ein vorab eingestelltes Ventil, ein Zeitschaltuhr-kontrolliertes Ventil, ein Salzgehaltmessgerät, oder durch andere Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik.
  • Weil der Verdampfer kalt ist relativ zur Umgebung, wird vorzugsweise eine Isolierung 3405 verwendet, um die Effizienz des Systems aufrechtzuerhalten.
  • Mit Ausnahme der schwingenden Masse des gleitenden Flügels ist der Kreiselkompressor 3300 praktisch vibrationsfrei. Im Gegensatz dazu erzeugt ein Kolbenkompressor viel Vibration. Hinzu kommt, dass ein Kolbenkompressor ein Einlasskontroll ventil benötigt, welches die Kosten erhöht und die Effizienz erniedrigt, wegen Flussverlusten durch das Ventil.
  • Ein Zentrifugal- oder Axialkompressor muss bei sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben werden, was entweder teure Hochgeschwindigkeitsmotoren oder Getriebe erfordert. Kompressor 3300 mit gleitendem Flügel kann betrieben werden unter Verwendung herkömmlicher Motoren. Außerdem ist es möglich, das Hochgeschwindigkeitszentrifugal- und Axialkompressoren Flüssigkeitstropfen nicht vertragen, welche benötigt werden, um den Kompressor zu kühlen. Ein Zentrifugal- oder Axialkompressor wird teurer sein, weil er viele Präzisionskomponenten aufweist und gut ausbalanciert sein muss.
  • Ein anderer Kompressor mit gleitendem Flügel und niedriger Reibung kann nützlich sein für einen Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung, wie Kühler 3200. Dieser Kompressor ist dargestellt in den 17 bis 24. Wie Kompressor 3300 mit gleitendem Flügel, verwendet dieser Kompressor Wasser sowohl als Dichtung, als auch als Kühlmittel.
  • 17a bis f zeigen eine schematische Darstellung eines Kompressors 4300 mit gleitendem Flügel in verschiedenen Zyklusphasen. Wenn sich der Rotor 4302 dreht, nimmt er Dämpfe mit von der Niedrigdruckseite 4314 während der ersten Umdrehung und komprimiert diese während der zweiten Umdrehung. Um die Dämpfe abzukühlen während der Komprimierung und Dichtungen zu bilden, wird flüssiges Wasser 4306 eingesprüht in den Kompressor 4300 während der Komprimierung. Der gleitende Flügel 4308 berührt beinahe das Kompressorgehäuse 4301 und trennt die Niedrigdruckseite 4314 und die Hochdruckseite 4315 des Kompressors.
  • 18 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Kompressors 4300 mit gleitendem Flügel. Die Niedrigdruckdämpfe treten ein in das Einströmloch oder Öffnung 4310 an der Seite des Kompressorgehäuses 4301. Es wird kein Einströmkontrollventil benötigt. Die Hochdruckdämpfe treten aus durch den Auslass oder Ausströmöffnung 4312. Auslasskontrollventile 4313 (22) werden an dem Auslass bereitgestellt.
  • 19 ist eine Seitenansicht des Rotors 4302. Wie in 19 dargestellt, weist der Rotor 4302 einen oberen Deckel 4320, einen unteren Deckel 4330, und eine Seitenwand 4340 auf, welche vorzugsweise zylindrisch ist. Oberer Deckel 4320 weist Abflussloch 4333 auf. Obere Dichtnut 4322 und untere Dichtnut 4332, welche angeordnet sind auf dem oberen und dem unteren Deckel, sind mit flüssigem Wasser gefüllt, um eine rotierende Dichtung zu bilden gegenüber den Gehäuseendplatten 4303 und 4305, welche dargestellt sind in den 23 bis 24. Außerdem weist, wie in 20 gezeigt, Seitenwand 4340 einen vertikalen Zwischenraum 4366 mit einer Nut 4368 auf, welche gegen den gleitenden Flügel abdichtet. Stecker 4361 sind eingesetzt in den vertikalen Schlitz 4366, um gegen die Oberseite und Unterseite des gleitenden Flügels 4308 abzudichten. Die Nuten 4322 und 4332, welche in 19 gezeigt sind, können vollständig frei sein, oder sie können einen Docht 4324 aufweisen, entlang des offenen Endes ähnlich dem, was in 9 dargestellt ist. Die Nuten können aktiv versorgt werden mit Niedrigdruckwasser 4327 durch einen Gleitring 4326. Verteilungskanäle 4329 stellen sicher, dass das Wasser in die Dichtnuten verteilt wird. Alternativ kann das Wasser vom Wassersprühstrahl 4306 stammen, welcher verwendet wird, um den Kompressor zu kühlen. Der Wassersprühstrahl wird die inneren Wände des Kompressorgehäuses benetzen und in die Nuten 4322 und 4332 gesaugt werden, unter der Voraussetzung, dass ein Docht 4324 verwendet wird.
  • Die Rotorkomponenten, insbesondere der gleitende Flügel, weisen Stifte 4352, Linearführungen 4354, Federn 4356, einen Filzwischer 4358 und Kugellager 4360 auf, ähnlich in Struktur und Betriebsweise denen der Elemente 3352, 3354, 3356, 3358 und 3360, welche dargestellt sind in den 11a bis c, so dass auf eine weitere Beschreibung hiervon verzichtet wird.
  • 21 bis 22 zeigen das Kompressorgehäuse 4301. Einströmöffnung 4310 ist vollständig geöffnet, aber Ausströmöffnung 4312 ist ausgestattet mit Kontrollventilen 4313. Überschüssiges Wasser wird sich ansammeln im Wassersammelbecken 4363, welches abläuft durch Sammelbeckenkontrollventil 4364. Dichtnut 4319 auf dem Gehäuse 4301 dichtet gegen die sich drehende Seitenwand 4340. Die Nut kann vollständig offen sein, oder sie kann einen Docht 4324 entlang des offenen Endes, ähnlich wie das in 9 dargestellte, aufweisen.
  • Die Gehäuseendplatten 4303 und 4305 sind dargestellt in den 23 bis 24. Obere Gehäuseendplatte 4303 und untere Gehäuseendplatte 4305 weisen auf ein oberes Umlaufstützlager 4307 und ein unteres Umlaufstützlager 4309. Untere Endplatte 4305 weist außerdem auf Ausflussöffnungen 4311.
  • Kompressor 4300 mit gleitendem Flügel kann integriert werden in einen Kühler 3200 mit Dampfkompression und Verdampfung anstelle des Kompressors 3300, wie dargestellt in 16. Mit Ausnahme der schwingenden Masse des gleitenden Flügels, wird der Kompressor 4300 mit gleitendem Flügel praktisch vibrationsfrei sein. Hinzu kommt, dass der Kompressor 4300 mit gleitendem Flügel kompakter ist als der Kompressor 4300.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist einen Kompressor mit betriebenem gleitendem Flügel auf, zur Verwendung in einem Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung, wie Kühler 3200. Dieser Kompressor ist dargestellt in den 25 bis 31. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, minimiert diese Kompressorauslegung Reibung und verwendet Wasser sowohl als Kühlmittel, als auch als Dichtung.
  • 25a bis f zeigen eine schematische Darstellung eines Kompressors 5300 mit betriebenem gleitendem Flügel in verschiedenen Zyklusphasen. Wenn sich der Rotor 5302 dreht, wird der gleitende Flügel 5308 positioniert neben dem Gehäuse 5301 durch Kugellager 5360, welche in den Nuten 5316 laufen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf die 25 bis 31. Der Kompressor 5300 mit betriebenem gleitendem Flügel weist einen Rotor 5302 auf, welcher innen angeordnet ist und welcher im Kompressorgehäuse 5301 rotiert in ähnlicher Weise wie Rotor 4302 und Kompressorgehäuse 4301, welche dargestellt sind in den 17 bis 18.
  • 25 bis 29 zeigen die Details der Rotorkomponenten eines Kompressors 5300 mit betriebenem gleitendem Flügel. Rotor 5302 weist einen oberen Deckel 5320, einen unteren Deckel 5330 und eine Seitenwand 5340 auf, welche vorzugsweise zylindrisch ist. Die Rotordeckel weisen Nuten 5322 und 5332 auf. Wie in 28 dargestellt, weist Seitenwand 5340 vertikale Nuten 5368 und einen vertikalen Spalt 5366 auf, ähnlich in Struktur und Funktion den Nuten 4368 und Spalt 4366 der vorhergehenden Ausführungsform. Stecker 5361 sind einge setzt in den vertikalen Spalt 5366, um gegen die Oberseite und die Unterseite des gleitenden Flügels 5308 abzudichten. Wasser 5327 kann geleitet werden zu den Nuten über den Gleitring 5326. Verteilungskanäle 5329 stellen sicher, dass Wasser verteilt wird in die Dichtnuten. Wie in 27 gezeigt, ermöglicht es Schlitz 5321 im oberen Deckel 5320 und Schlitz 5331 im unteren Deckel 5330 den Kugellagern 5360 auf dem gleitenden Flügel 5308, hervorzuragen über die Enddeckel 5320 und 5330. 29a bis c stellen einige der Komponenten des gleitenden Flügels 5308 dar, einschließlich der Stifte 5352, welche an der Innenseite angeordnet und welche auf Linearlagern 5354 laufen. Wie dargestellt in den 29 bis 31, laufen Kugellager 5360 des gleitenden Flügels 5308 in Nuten 5316, welche angeordnet sind an den Gehäuseendplatten 5303 und 5305. Die Federn 5356, welche gezeigt sind in 29, können vorgespannt sein, so dass die Kugellager 5360 des gleitenden Flügels 5308 an der Außenseite der Nuten 5316 laufen. Nuten 5316 können einen runden oder anderen Querschnitt aufweisen und fungieren als eine Nocke, um die Position des gleitenden Flügels sorgfältig zu regeln. Gehäuseendplatten 5303 und 5305 weisen jeweils Umlaufstützlager 5307 und 5309 auf, um die Welle 5370 zu stützen. Untere Gehäuseendplatte 5305 weist einen Auslass 5318 auf, um überflüssiges Wasser ablaufen zu lassen. Ein gesintertes Metall, oder alternativ ein Filzwischer 5358 saugt sich voll Wasser aus dem Kühlwassersprühstrahl, so dass es gegen das Gehäuse 5301 dichtet.
  • Das Kompressorgehäuse der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich dem Aufbau von Gehäuse 4301, welches dargestellt ist in den 21 bis 22 der vorhergehenden Ausführungsform, so dass eine weitere Beschreibung hiervon übergangen werden kann. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ist die Einströmöffnung vollständig offen, aber die Ausströmöffnung ist mit Kontrollventilen versehen. Überschüssiges Wasser wird sich in einem Wassersammelbehälter ansammeln, welcher abgelassen wird durch ein Kontrollventil.
  • Der Kompressor 5300 mit betriebenem gleitenden Flügel kann integriert werden in einen Kühler 3200 mit Dampfkompression und Verdampfung, dargestellt in 16, anstelle eines Kreiselkompressors 3300 oder 4300.
  • Um die Kosten zu reduzieren, welche verbunden sind mit dem Kauf verschiedener Motoren für jede Pumpe, und um die Effizienz zu erhöhen (ein großer Motor ist effizienter als viele kleine Motoren) können die Pumpen (und Turbinen, falls verwendet) befestigt werden auf der gleichen Welle, welche den Kompressor 5300 antreibt. Die Pumpen benötigen keine dichten Dichtungen, weil Wasser in den Verdampfer eindringen wird ohne größere Nachteile. Die losen Dichtungen werden die Reibung reduzieren und die Pumpeneffizienz erhöhen.
  • Der Kompressor 5300 mit betriebenem gleitendem Flügel weist einen Vorteil auf gegenüber dem Kompressor 4300 mit gleitendem Flügel, nämlich, dass sich die Kugellager 5360 des gleitenden Flügels 5308 tatsächlich sehr langsam drehen werden. Im Gegensatz dazu muss sich Kugellager 4360 sehr schnell drehen, was die Verwendung von teuren Hochgeschwindigkeitskugellagern bedingen kann.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist einen Kompressor mit betriebener Klappe auf, welcher verwendet werden kann für Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung, wie Kühler 3200. Dieser Kompressor ist dargestellt in den 32 bis 42. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, weist dieser Kompressor niedrige Reibung auf und verwendet Wasser sowohl als Dichtung, als auch als Kühlmittel.
  • 32a bis f zeigen eine schematische Darstellung eines Kompressors 6300 mit betriebener Klappe in verschiedenen Zyklusphasen. Wenn sich der Rotor 6302 dreht, nimmt er Dämpfe mit von der Niedrigdruckseite 6314 während der ersten Drehung und komprimiert diese dann während der zweiten Drehung. Um die Dämpfe während der Komprimierung zu kühlen und um Dichtungen zu bilden, wird flüssiges Wasser 6306 gesprüht in den Kompressor 6300 während der Komprimierung. Eine betriebene Klappe 6308 berührt beinahe das Innere des Kompressorgehäuses 6301 und trennt die Niedrigdruckseite 6314 und die Hochdruckseite 6315 des Kompressors.
  • 33 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Kompressors 6300 mit betriebener Klappe. Die Niedrigdruckdämpfe treten ein in das Einströmloch oder Öffnung 6310 an der Seite des Gehäuses 6301. Kein Einströmkontrollventil wird benötigt. Die Hochdruckdämpfe treten aus durch den Auslass oder Ausströmöffnung 6312. Ausströmkontrollventile 6313 (40) werden bereitgestellt an dem Auslass.
  • 34 ist eine Seitenansicht des Rotors 6302. Wie dargestellt in 34, weist Rotor 6302 einen oberen Deckel 6320, einen unteren Deckel 6330 und eine Seitenwand 6340 auf, welche vorzugsweise zylindrisch ist. Schlitze 6321 und 6331 ermöglichen es den Kugellagern 6360 (36), hervorzuragen über die Enddeckel 6320 und 6330. Obere Dichtnut 6322 und untere Dichtnut 6332, welche angeordnet sind an dem oberen und dem unteren Deckel, sind gefüllt mit flüssigem Wasser, um eine rotierende Dichtung zu erzeugen gegenüber den Gehäuseendplatten 6303 und 6305 (41 und 42). Die Nuten kön nen vollständig frei sein, oder sie können einen Docht entlang des offenen Endes aufweisen, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben. Die Nuten können aktiv versorgt werden mit Niedrigdruckwasser 6327 durch den Gleitring 6326. Verteilkanäle 6329 stellen sicher, dass Wasser verteilt wird in die Dichtnuten. Alternativ kann das Wasser stammen vom Wassersprühstrahl, welcher verwendet wird, um den Kompressor zu kühlen. Der Wassersprühstrahl wird die inneren Wände des Kompressorgehäuses benetzen und wird in die Nuten 6322 und 6332 gesaugt werden, unter der Voraussetzung, dass ein Docht 6324 verwendet wird.
  • 35 bis 38 zeigen weitere Details der Rotorkomponenten. Es wird Bezug genommen auf die 35 bis 38. Die betriebene Klappe 6308 weist Scharnierstifte 6352 auf, welche in Scharnieröffnungen 6354 und 6356 im oberen Rotordeckel 6320 und im unteren Deckel 6330 passen. Klappe 6308 wird nach außen gezwungen durch die Zentrifugalkraft. Wie in den 37 bis 38 und 41 bis 42 dargestellt, laufen die Kugellager 6360 in einer oberen Führungsschiene 6362 auf der oberen Endplatte 6303 und in einer unteren Führungsschiene 6364 in der unteren Endplatte 6305 des Kompressorgehäuses 6301, was die Klappe daran hindert, dass Kompressorgehäuse 6301 zu berühren, wodurch ein kleiner Spalt von einigen Tausendstel eines Inches aufrechterhalten wird. Die äußere Oberfläche 6304 der Klappe 6308 kann bedeckt sein mit einem Tuch oder mit Filz, so dass Wasser gesaugt wird zwischen die Klappe und das Kompressorgehäuse, wodurch eine Dichtung geformt wird. Führungssäulen 6359 passen durch Führungsöffnungen 6358, so dass die Klappe 6308 bewegt wird, wenn die Kugellager 6360, welche befestigt sind an einer Achse 6366, in den Führungsschienen 6362 und 6364 laufen. Rotor 6302 berührt beinahe das Gehäuse 6301 an der Dichtnut 6365, welche frei sein kann, oder einen Docht aufweist, wie dargestellt in 9. Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, weist die vorliegende Ausführungsform minimale Reibung auf zwischen den Kompressorkomponenten – dem Rotor, der Klappe und dem Gehäuse.
  • 39 bis 42 zeigen das Kompressorgehäuse 6301. Einströmöffnung 6310 ist vollständig offen, aber die Ausströmöffnung 6312 ist ausgestattet mit Kontrollventilen 6313. Überschüssiges Wasser wird sich ansammeln im Wassersammelbehälter 6363, welcher entleert wird durch Sammelbehälterkontrollventil 6364. Die Gehäuseendplatten 6303 und 6305 sind gezeigt in 41 bis 42. Obere Endplatte 6303 weist ein oberes Kugellager 6307 und eine Führschiene 6362 auf. Untere Endplatte 6305 weist ein unteres Kugellager 6309 und eine Führschiene 6364 auf.
  • Weil der endgültige Kompressionsdruck nicht groß genug ist, um die Kontrollventile zu öffnen, können sie aktiv geöffnet werden, vorzugsweise mit einem Hubmagnet oder mit einem hydraulischen Kolben. Die Zeitvorgabe für das Öffnen und Schließen kann gestützt werden auf Messungen der Verdampfer- und Kondensatortemperaturen. Eine Vergleichstabelle ("look-up table") auf einem Computerchip kann verwendet werden, um die Ventile zu öffnen bei dem optimalen Drehwinkel. Der optimale Drehwinkel kann experimentell bestimmt werden durch Verändern des Öffnungswinkels und Messen derjenigen, welche den maximalen Faktor für die Leistung unter einer Vielzahl von Verdampfer-/Kondensatortemperaturen ergeben.
  • Wie bei den vorher offenbarten Kompressoren 3300, 4300 und 5300, kann der Kompressor 6300 mit betriebener Klappe integriert werden in einen Kühler 3200 mit Verdampfung und Dampfkompression, wie dargestellt in 16.
  • Die vorliegende Ausführungsform weist mehrere Vorteile auf gegenüber anderen Kompressoren. Mit Ausnahme der schwingenden Masse der Klappe wird Kompressor 6300 praktisch vibrationsfrei sein. Im Gegensatz dazu wird ein Kolbenkompressor viel Vibration aufweisen. Hinzu kommt, dass ein Kolbenkompressor ein Einströmkontrollventil benötigt, was Kosten hinzufügt und die Effizienz erniedrigt, wegen Flussverlusten durch das Ventil. Ein Kompressor 6300 mit betriebener Klappe ist außerdem kompakter als ein Kreiselkompressor 3300.
  • Des Weiteren muss ein dynamischer Kompressor (zentrifugal oder axial) betrieben werden bei sehr hohen Geschwindigkeiten, so dass entweder teure Hochgeschwindigkeitsmotoren oder Getriebe benötigt werden. Ein Kompressor 6300 mit betriebener Klappe kann angetrieben werden unter Verwendung herkömmlicher Motoren. Außerdem kann es sein, dass Hochgeschwindigkeitszentrifugal- und Axialkompressoren Flüssigkeitstropfen nicht vertragen, welche benötigt werden, um den Kompressor zu kühlen. Ein Zentrifugal- oder Axialkompressor kann außerdem teurer sein, weil sie viele Präzisionskomponenten aufweisen und gut ausbalanciert sein müssen.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist gerichtet auf einen einfachen, ventillosen, kostengünstigen Wasserdampfkompressor mit einem variablen Kompressionsverhältnis, welcher verwendet werden kann für Kühlsysteme mit Verdampfung und Dampfkompression, wie Kühler 3200. Dieser Kompressor mit niedriger Reibung, dargestellt in den Figuren bis 46, verwendet mehrere schwingende Flügel.
  • Wie dargestellt in 43 bis 46, weist ein Kompressor 7300 mit betriebener Klappe einen schwingenden Flügel 7308 auf, eine starre Kurbelstange 7370 zur Steuerung des Flügelwinkels, eine Anordnung mit einer Vielzahl von Flügeln, welche ein Ausströmventil überflüssig macht und eine anpassbare Ausströmöffnung 7312, zur Änderung des Kompressionsverhältnisses.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Vielzahl von Flügeln 7308 angetrieben in radialer Weise durch eine innere Trommel 7302, so dass die Flügelspitzen 7372 dichten gegen eine äußere Trommel 7301, wodurch ein Hohlraum mit bei Drehung abnehmenden Volumen ausgebildet wird. Die Hochdruckseite des Flügels kann geschwungen sein mit einem Bogen mit dem gleichen Radius wie die äußere Trommel, um einen kompletten Ausstoß bei minimiertem Totvolumen sicherzustellen. Eine Antriebsvorrichtung schließt Reibungsverluste aus, welche verursacht sind durch den Kontakt zwischen den Flügelspitzen 7372 und der äußeren Trommel 7301.
  • 43a bis j zeigen die Folge der Komprimierungs- und Ausstoßschritte einer willkürlich gewählten Kavität. Man beachte, dass die Flügel 7308 die äußere Trommel 7301 nicht wirklich berühren. Zur Vereinfachung ist die Vorrichtung zum Erreichen dieses Antriebs in dieser Figur nicht gezeigt. Die Kompression geschieht durch Kolabieren des eingeschlossenen Volumens 7374 (schraffierte Fläche in den 43a bis j) zwischen zwei aufeinander folgende Flügeln 7308 und beginnt direkt nachdem der hintere Flügel die letzte Einströmöffnung 7310 passiert hat. Komprimierung endet und Ausstoß beginnt, wenn der führende Flügel die Öffnung der Ausströmöffnung 7312 passiert, was es dem komprimierten Dampf erlaubt, ausgestoßen zu werden durch ein fortschreitendes Kolabieren des Volumens ohne weitere Komprimierung. Obwohl nur eine Kavität beschrieben worden ist, erfüllen alle Kavitäten dieselbe Aufgabe, deshalb treten vier Prozesse, wie oben beschrieben, auf pro Umdrehung. Ein veränderbares Komprimierungsverhältnis wird erreicht durch Anpassen der Stellung der Vorderkante der Ausströmöffnung 7312 an der äußere Trommel 7301 herum (was die Auslassöffnungszeit bestimmt und somit das Komprimierungsverhältnis). Wie vorher erwähnt, können bei dieser Ausführungsform die Öffnungen ohne Ventil sein.
  • 44 zeigt die Anordnung der Flügelkurbelstange 7370. Wenn sich die quadratische innere Trommel 7302 um ihre Achse 7378 dreht, kann ein sehr schmaler Abstand oder Zwischenraum 7380 zwischen der Flügelspitze 7372 und der äußeren Trommel 7301 aufrechterhalten werden durch Rotieren der Flügelkurbelstange 7370 um die Achse der äußeren Trommel 7382.
  • 45 zeigt das Verfahren, durch welches die beiden Rotationsachsen bereitgestellt werden können. Der Drehkraftkoppler 7384 wird betrieben durch eine Stromquelle (wie einen elektrischen Motor) und überträgt das Drehmoment auf die innere Trommel 7302. Es stellt außerdem geeignete Übertragungsbeschränkungen dar für die versetzte Welle 7386, welche koaxial mit der äußeren Trommel 7301 angeordnet ist. Alle Freiheitsgrade der versetzten Welle 7386 sind beschränkt durch richtiges Stützen der Welle und eine Rotationsbeschränkung am Fuß 7388. Ein Ende der Flügelkurbelstange 7370 ist befestigt an dem Teil der versetzten Welle 7386, welcher koaxial angeordnet ist mit der äußeren Trommel 7301.
  • Das Zentrum der inneren Trommel 7302 ist nicht Teil des eingeschlossenen Kompressionsvolumens, so dass das Durchdringen der Flügelkurbelstange 7370 durch die Wand der inneren Trommel 7302 keinen Fluss von komprimiertem Wasserdampf erlauben sollte. Eine Barriere wird bereitgestellt durch ein Abdeck blech 7390, wie in 46 gezeigt. Dieses Abdeckblech 7390 ist befestigt an der Innenseite des schwingenden Flügels 7308, und bewegt sich in und aus der inneren Trommelwand 7392, wie vorgegeben durch den Winkel zwischen dem Flügel 7308 und der inneren Trommel 7302.
  • Antrieb des schwingenden Flügels 7308 ist einfach und kann erreicht werden ohne Trockenreibungsverluste, welche verursacht werden durch einen Kontakt zwischen Flügel 7308 und der äußeren Trommel 7301. Herkömmliche Kompressoren mit gleitendem Flügel sind sehr klein, was diese Reibungsverluste akzeptabel macht. Die Anwendung zur Dampfkompression für ein Klimaanlagensystem verlangt sehr große Flussraten und deshalb einen Kompressor mit großer Geometrie, was den dynamischen Kontakt zwischen den Flügeln und der äußeren Trommel unakzeptierbar ineffizient macht. Bei dem Kompressor mit schwingendem Flügel kann ein sehr enger Spalt 7380 aufrechterhalten werden zwischen den Flügelspitzen und der äußeren Trommel durch eine einfache Kurbelstange wie oben beschrieben, wodurch Kontaktreibungsverluste ausgeschlossen werden. Des Weiteren werden keine Kontrollventile benötigt, was die Auslegung stark vereinfacht.
  • Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist gerichtet auf Kühlsysteme, welche zwei konzentrische Kammern aufweisen. Die äußere Kammer weist einen Umgebungsluftaustauscher auf. Die innere Kammer ist unterteilt in eine Komprimierungs- und eine Kondensationskammer, wobei der Kompressor dazwischen angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die Kondensatorkammer im oberen Ende angeordnet und die Verdampfungskammer im unteren Ende. Die vorliegende Erfindung ist auch gerichtet an Kompressoren mit positiver Verdrängung und niedriger Reibung, welche für solche Kühler nützlich sind.
  • Diese schließen ein Rollenkompressoren und Kreiselkompressoren, wie Rotorkompressoren. Ein solcher Rollenkompressor ist dargestellt in den 47 bis 48. Diese Ausführungsform ist integriert in einen Kühler, welcher sehr große Volumenflussraten von Wasserdampf verarbeiten kann und zusätzlich wird eine neue Vorrichtung bereitgestellt, um die nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem System zu entfernen. Hinzu kommt, dass der Rollenkompressor der beschriebenen Ausführungsform keine Ventile benötigt, was die Auslegung stark vereinfacht.
  • Rollenkompressor 8000 ist dargestellt in den 47 bis 48. 47a bis p zeigen eine Sequenz von Bildern, welche die Änderungen in einem Gasvolumen aufzeigen, während sich die bewegliche Rolle 8004 um die stationäre Rolle 8003 bewegt. Während der ersten paar Schritte wird Gas aufgenommen mit niedrigem Druck. Sobald es abgedichtet ist, wird das Volumen reduziert und der Druck steigt. Das Hochdruckgas wird dann entlassen durch ein Loch 8011 wie in der stationären Rolle 8003.
  • 48 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Rollenkompressors 8000, welcher integriert ist in einen Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression 8800. Kühler 8800 verwendet den Rollenkompressor 8000, um den Wasserdampf unter Druck zu setzen. Ein elektrischer Motor 8001 treibt den Rollenkompressor 8000 durch eine flexible Kupplung 8002 an. Der Rollenkompressor 8000 weist zwei Stufen auf, welche hintereinander geschaltet sind: Erste Stufe 8000a und zweite Stufe 8000b. Wie dargestellt in 48, weist die stationäre Rolle 8003 der zweiten Kompressorstufe 8000b eine Antriebswelle 8007 auf, welche angeordnet ist an der zentralen Achse mit Kurbel 8009, welche die bewegliche Rolle 8004 in einer umlaufenden Bewegung antreibt. Gewebe 8010 verleiht der stationären Rolle 8003 Steifigkeit. Es besteht eine lose Passung zwischen der Kurbel 8009 und der beweglichen Rolle 8004. Präzise Positionierung der beweglichen Rolle 8004 relativ zur stationären Rolle 8003 wird erreicht durch Rotoren 8003. Obwohl 48 zwei Rotoren 8003 pro Rolle zeigt, werden vorzugsweise drei verwendet. Die drei Rotoren 8008 beschränken die mobile Rolle 8004 auf einer Umlaufbahn. Die Rotoren können so ausbalanciert werden, dass keine Vibration bei den umlaufenden Rollen auftritt.
  • Bezug genommen wird wieder auf 48. Kompressor 8000a der ersten Stufe weist eine stationäre Rolle 8005 und eine bewegliche Rolle 8006 auf, welche in ähnlicher Weise wie Rollen 8003 und 8004 umläuft. Kompressor 8000a der ersten Stufe erzeugt ein Vakuum über dem Wasser 8015 im Verdampfer 8041 der ersten Stufe, was ein Verdampfen und Abkühlen verursacht. Die komprimierten Dämpfe, welche Stufe 1 verlassen werden abgekühlt durch die Packung 8020, über welchen Wasser tropft. Die Dämpfe, welche in den Kompressor 8000b der zweiten Stufe aus dem Verdampfer 8038 der zweiten Stufe eintreten, sind komprimiert und treten ein in die Kondensatorkammer 8020, wo sie auf der Packung 8030 kondensieren.
  • Unter Verwendung der Pumpe 8031 wird gekühltes Wasser 8015 gepumpt zur Packung 8035, welches gegen dem Strom in Kontakt steht mit der Hausluft, wodurch die Luft gekühlt wird. Das gewärmte Wasser 8036 wird gesaugt durch einen Filter 8039 in den Verdampfer der zweiten Stufe 8038, wo ein Teil verdunstet, so dass sich das Wasser abkühlt. Die Flussrate wird reguliert durch das Schwimmventil 8037. Schwimmventil 8040 reguliert die Zugabe von Wasser zu dem Verdampfer 8041 der ersten Stufe, wo ein Teil des zugegebenen Wassers verdunstet, wodurch das Wasser weiter abgekühlt wird. Dieses gekühlte Wasser 8015 wird entfernt durch die Pumpe 8031 und wird in Kontakt gebracht mit der Hausluft, wodurch der Kreis geschlossen wird.
  • Wasser 8045 aus dem Kondensator 8025 wird entfernt durch die Pumpe 8032 und geleitet zum Tropfen über die Packung des Kühlturms 8050, über welche Umgebungsluft fließt gegen den Strom, getrieben durch den Ventilator 8054. Wie dargestellt in 48, wird der Ventilator vorzugsweise betrieben durch eine magnetische Kupplung 8055. Alternativ kann er durch einen unabhängigen elektrischen Motor. Während das Wasser über die Packung 8050 fließt, wird es abgekühlt und erreicht ungefähr die Feuchttemperatur der Umgebungsluft. Das gekühlte Wasser 8051 wird gesaugt durch den Filter 8052 und wird gezogen in den Kondensator 8025. Die Wasserflussrate wird reguliert durch das Schwimmventil 8053, welches das hereinkommende Wasser leitet, um über die Packung 8030 zu tropfen.
  • Weil der endgültige Kompressionsdruck nicht groß genug ist, um die Kontrollventile zu öffnen, können sie aktiv geöffnet werden, vorzugsweise mit einem Hubmagnet oder mit einem hydraulischen Kolben. Die Zeitvorgabe für das Öffnen und Schließen kann gestützt werden auf Messungen der Verdampfer- und Kondensatortemperaturen. Eine Vergleichstabelle ("look-up table") auf einem Computerchip kann verwendet werden, um die Ventile zu öffnen bei dem optimalen Drehwinkel. Der optimale Drehwinkel kann experimentell bestimmt werden durch Verändern des Öffnungswinkels und Messen derjenigen, welche den maximalen Faktor für die Leistung unter einer Vielzahl von Verdampfer-/Kondensatortemperaturen ergeben.
  • Wie bei den vorher offenbarten Kompressoren 3300, 4300 und 5300, kann der Kompressor 6300 mit betriebener Klappe integriert werden in einen Kühler 3200 mit Verdampfung und Dampfkompression, wie dargestellt in 16.
  • Die vorliegende Ausführungsform weist mehrere Vorteile auf gegenüber anderen Kompressoren. Mit Ausnahme der schwingenden Masse der Klappe wird Kompressor 6300 praktisch vibrationsfrei sein. Im Gegensatz dazu wird ein Kolbenkompressor viel Vibration aufweisen. Hinzu kommt, dass ein Kolbenkompressor ein Einströmkontrollventil benötigt, was Kosten hinzufügt und die Effizienz erniedrigt, wegen Flussverlusten durch das Ventil. Ein Kompressor 6300 mit betriebener Klappe ist außerdem kompakter als ein Kreiselkompressor 3300.
  • Des Weiteren muss ein dynamischer Kompressor (zentrifugal oder axial) betrieben werden bei sehr hohen Geschwindigkeiten, so dass entweder teure Hochgeschwindigkeitsmotoren oder Getriebe benötigt werden. Ein Kompressor 6300 mit betriebener Klappe kann angetrieben werden unter Verwendung herkömmlicher Motoren. Außerdem kann es sein, dass Hochgeschwindigkeitszentrifugal- und Axialkompressoren Flüssigkeitstropfen nicht vertragen, welche benötigt werden, um den Kompressor zu kühlen. Ein Zentrifugal- oder Axialkompressor kann außerdem teurer sein, weil sie viele Präzisionskomponenten aufweisen und gut ausbalanciert sein müssen.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist gerichtet auf einen einfachen, ventillosen, kostengünstigen Wasserdampfkompressor mit einem variablen Kompressionsverhältnis, welcher verwendet werden kann für Kühlsysteme mit Verdampfung und Dampfkompression, wie Kühler 3200. Dieser Kompressor mit niedriger Reibung, dargestellt in den Figuren bis 46, verwendet mehrere schwingende Flügel.
  • Wie dargestellt in 43 bis 46, weist ein Kompressor 7300 mit betriebener Klappe einen schwingenden Flügel 7308 auf, eine starre Kurbelstange 7370 zur Steuerung des Flügelwinkels, eine Anordnung mit einer Vielzahl von Flügeln, welche ein Ausströmventil überflüssig macht und eine anpassbare Ausströmöffnung 7312, zur Änderung des Kompressionsverhältnisses.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Vielzahl von Flügeln 7308 angetrieben in radialer Weise durch eine innere Trommel 7302, so dass die Flügelspitzen 7372 dichten gegen eine äußere Trommel 7301, wodurch ein Hohlraum mit bei Drehung abnehmenden Volumen ausgebildet wird. Die Hochdruckseite des Flügels kann geschwungen sein mit einem Bogen mit dem gleichen Radius wie die äußere Trommel, um einen kompletten Ausstoß bei minimiertem Totvolumen sicherzustellen. Eine Antriebsvorrichtung schließt Reibungsverluste aus, welche verursacht sind durch den Kontakt zwischen den Flügelspitzen 7372 und der äußeren Trommel 7301.
  • 43a bis j zeigen die Folge der Komprimierungs- und Ausstoßschritte einer willkürlich gewählten Kavität. Man beachte, dass die Flügel 7308 die äußere Trommel 7301 nicht wirklich berühren. Zur Vereinfachung ist die Vorrichtung zum Erreichen dieses Antriebs in dieser Figur nicht gezeigt. Die Kompression geschieht durch Kolabieren des eingeschlossenen Volumens 7374 (schraffierte Fläche in den 43a bis j) zwischen zwei aufeinander folgende Flügeln 7308 und beginnt direkt nachdem der hintere Flügel die letzte Einströmöffnung 7310 passiert hat. Komprimierung endet und Ausstoß beginnt, wenn der führende Flügel die Öffnung der Ausströmöffnung 7312 passiert, was es dem komprimierten Dampf erlaubt, ausgestoßen zu werden durch ein fortschreitendes Kolabieren des Volumens ohne weitere Komprimierung. Obwohl nur eine Kavität beschrieben worden ist, erfüllen alle Kavitäten dieselbe Aufgabe, deshalb treten vier Prozesse, wie oben beschrieben, auf pro Umdrehung. Ein veränderbares Komprimierungsverhältnis wird erreicht durch Anpassen der Stellung der Vorderkante der Ausströmöffnung 7312 an der äußere Trommel 7301 herum (was die Auslassöffnungszeit bestimmt und somit das Komprimierungsverhältnis). Wie vorher erwähnt, können bei dieser Ausführungsform die Öffnungen ohne Ventil sein.
  • 44 zeigt die Anordnung der Flügelkurbelstange 7370. Wenn sich die quadratische innere Trommel 7302 um ihre Achse 7378 dreht, kann ein sehr schmaler Abstand oder Zwischenraum 7380 zwischen der Flügelspitze 7372 und der äußeren Trommel 7301 aufrechterhalten werden durch Rotieren der Flügelkurbelstange 7370 um die Achse der äußeren Trommel 7382.
  • 45 zeigt das Verfahren, durch welches die beiden Rotationsachsen bereitgestellt werden können. Der Drehkraftkoppler 7384 wird betrieben durch eine Stromquelle (wie einen elektrischen Motor) und überträgt das Drehmoment auf die innere Trommel 7302. Es stellt außerdem geeignete Übertragungsbeschränkungen dar für die versetzte Welle 7386, welche koaxial mit der äußeren Trommel 7301 angeordnet ist. Alle Freiheitsgrade der versetzten Welle 7386 sind beschränkt durch richtiges Stützen der Welle und eine Rotationsbeschränkung am Fuß 7388. Ein Ende der Flügelkurbelstange 7370 ist befestigt an dem Teil der versetzten Welle 7386, welcher koaxial angeordnet ist mit der äußeren Trommel 7301.
  • Das Zentrum der inneren Trommel 7302 ist nicht Teil des eingeschlossenen Kompressionsvolumens, so dass das Durchdringen der Flügelkurbelstange 7370 durch die Wand der inneren Trommel 7302 keinen Fluss von komprimiertem Wasserdampf erlauben sollte. Eine Barriere wird bereitgestellt durch ein Abdeckblech 7390, wie in 46 gezeigt. Dieses Abdeckblech 7390 ist befestigt an der Innenseite des schwingenden Flügels 7308, und bewegt sich in und aus der inneren Trommelwand 7392, wie vorgegeben durch den Winkel zwischen dem Flügel 7308 und der inneren Trommel 7302.
  • Antrieb des schwingenden Flügels 7308 ist einfach und kann erreicht werden ohne Trockenreibungsverluste, welche verursacht werden durch einen Kontakt zwischen Flügel 7308 und der äußeren Trommel 7301. Herkömmliche Kompressoren mit gleitendem Flügel sind sehr klein, was diese Reibungsverluste akzeptabel macht. Die Anwendung zur Dampfkompression für ein Klimaanlagensystem verlangt sehr große Flussraten und deshalb einen Kompressor mit großer Geometrie, was den dynamischen Kontakt zwischen den Flügeln und der äußeren Trommel unakzeptierbar ineffizient macht. Bei dem Kompressor mit schwingendem Flügel kann ein sehr enger Spalt 7380 aufrechterhalten werden zwischen den Flügelspitzen und der äußeren Trommel durch eine einfache Kurbelstange wie oben beschrieben, wodurch Kontaktreibungsverluste ausgeschlossen werden. Des Weiteren werden keine Kontrollventile benötigt, was die Auslegung stark vereinfacht.
  • Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist gerichtet auf Kühlsysteme, welche zwei konzentrische Kammern aufweisen. Die äußere Kammer weist einen Umgebungsluftaustauscher auf. Die innere Kammer ist unterteilt in eine Komprimierungs- und eine Kondensationskammer, wobei der Kompressor dazwischen angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die Kondensatorkammer im oberen Ende angeordnet und die Verdampfungskammer im unteren Ende. Die vorliegende Erfindung ist auch gerichtet an Kompressoren mit positiver Verdrängung und niedriger Reibung, welche für solche Kühler nützlich sind. Diese schließen ein Rollenkompressoren und Kreiselkompressoren, wie Rotorkompressoren. Ein solcher Rollenkompressor ist dargestellt in den 47 bis 48. Diese Ausführungsform ist integriert in einen Kühler, welcher sehr große Volumenflussraten von Wasserdampf verarbeiten kann und zusätzlich wird eine neue Vorrichtung bereitgestellt, um die nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem System zu entfernen. Hinzu kommt, dass der Rollenkompressor der beschriebenen Ausführungsform keine Ventile benötigt, was die Auslegung stark vereinfacht.
  • Rollenkompressor 8000 ist dargestellt in den 47 bis 48. 47a bis p zeigen eine Sequenz von Bildern, welche die Änderungen in einem Gasvolumen aufzeigen, während sich die bewegliche Rolle 8004 um die stationäre Rolle 8003 bewegt. Während der ersten paar Schritte wird Gas aufgenommen mit niedrigem Druck. Sobald es abgedichtet ist, wird das Volumen reduziert und der Druck steigt. Das Hochdruckgas wird dann entlassen durch ein Loch 8011 wie in der stationären Rolle 8003.
  • 48 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Rollenkompressors 8000, welcher integriert ist in einen Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression 8800. Kühler 8800 verwendet den Rollenkompressor 8000, um den Wasserdampf unter Druck zu setzen. Ein elektrischer Motor 8001 treibt den Rollenkompressor 8000 durch eine flexible Kupplung 8002 an. Der Rollenkompressor 8000 weist zwei Stufen auf, welche hintereinander geschaltet sind: Erste Stufe 8000a und zweite Stufe 8000b. Wie dargestellt in 48, weist die stationäre Rolle 8003 der zweiten Kompressorstufe 8000b eine Antriebswelle 8007 auf, welche angeordnet ist an der zentralen Achse mit Kurbel 8009, welche die bewegliche Rolle 8004 in einer umlaufenden Bewegung antreibt. Gewebe 8010 verleiht der stationären Rolle 8003 Steifigkeit. Es besteht eine lose Passung zwischen der Kurbel 8009 und der beweglichen Rolle 8004. Präzise Positionierung der beweglichen Rolle 8004 relativ zur stationären Rolle 8003 wird erreicht durch Rotoren 8003. Obwohl 48 zwei Rotoren 8003 pro Rolle zeigt, werden vorzugsweise drei verwendet. Die drei Rotoren 8008 beschränken die mobile Rolle 8004 auf einer Umlaufbahn. Die Rotoren können so ausbalanciert werden, dass keine Vibration bei den umlaufenden Rollen auftritt.
  • Bezug genommen wird wieder auf 48. Kompressor 8000a der ersten Stufe weist eine stationäre Rolle 8005 und eine bewegliche Rolle 8006 auf, welche in ähnlicher Weise wie Rollen 8003 und 8004 umläuft. Kompressor 8000a der ersten Stufe erzeugt ein Vakuum über dem Wasser 8015 im Verdampfer 8041 der ersten Stufe, was ein Verdampfen und Abkühlen verursacht. Die komprimierten Dämpfe, welche Stufe 1 verlassen werden abgekühlt durch die Packung 8020, über welchen Wasser tropft. Die Dämpfe, welche in den Kompressor 8000b der zweiten Stufe aus dem Verdampfer 8038 der zweiten Stufe eintreten, sind komprimiert und treten ein in die Kondensatorkammer 8020, wo sie auf der Packung 8030 kondensieren.
  • Unter Verwendung der Pumpe 8031 wird gekühltes Wasser 8015 gepumpt zur Packung 8035, welches gegen dem Strom in Kontakt steht mit der Hausluft, wodurch die Luft gekühlt wird. Das gewärmte Wasser 8036 wird gesaugt durch einen Filter 8039 in den Verdampfer der zweiten Stufe 8038, wo ein Teil verdunstet, so dass sich das Wasser abkühlt. Die Flussrate wird reguliert durch das Schwimmventil 8037. Schwimmventil 8040 reguliert die Zugabe von Wasser zu dem Verdampfer 8041 der ersten Stufe, wo ein Teil des zugegebenen Wassers verdunstet, wodurch das Wasser weiter abgekühlt wird. Dieses gekühlte Wasser 8015 wird entfernt durch die Pumpe 8031 und wird in Kontakt gebracht mit der Hausluft, wodurch der Kreis geschlossen wird.
  • Wasser 8045 aus dem Kondensator 8025 wird entfernt durch die Pumpe 8032 und geleitet zum Tropfen über die Packung des Kühlturms 8050, über welche Umgebungsluft fließt gegen den Strom, getrieben durch den Ventilator 8054. Wie dargestellt in 48, wird der Ventilator vorzugsweise betrieben durch eine magnetische Kupplung 8055. Alternativ kann er durch einen unabhängigen elektrischen Motor. Während das Wasser über die Packung 8050 fließt, wird es abgekühlt und erreicht ungefähr die Feuchttemperatur der Umgebungsluft. Das gekühlte Wasser 8051 wird gesaugt durch den Filter 8052 und wird gezogen in den Kondensator 8025. Die Wasserflussrate wird reguliert durch das Schwimmventil 8053, welches das hereinkommende Wasser leitet, um über die Packung 8030 zu tropfen.
  • Weil sowohl gekühltes Wasser 815, als auch kondensiertes Wasser 8045 in direktem Kontakt mit der Luft stehen, werden gelöste Gase im Vakuum des Verdampfers 8038 und 8041 und des Kondensators 8025 freigesetzt. Die nicht kondensierbaren Gase sammeln sich an im Kondensator 8025, weswegen eine Vakuumpumpe oder ein Sauggebläse benötigt wird. Entsprechend wird eine neue Vakuumpumpe 8060 bereitgestellt. Insbesondere, wie in 48 dargestellt, wird die neue Vakuumpumpe 8060 angetrieben durch Zahnrad 8065, welches angeordnet ist auf der Hauptantriebswelle 8007. Zwei Untersetzungen 8066 und 8067 verlangsamen die Rotationsrate drastisch. Zwei mit Nocken versehene Oberflächen 8073a und 8073b sind angeordnet auf dem langsamsten Zahnrad 8067. Rolle 8070 läuft auf der Nocke 8073b und treibt den Kolben 8071 an. Rolle 8072 läuft auf der Nocke 8073a und treibt das Einströmventil 8075 an. Wasser 8051 wird gezogen in den Zylinder von 8062 der Vakuumpumpe 8062 durch den Sprüher 8077. Wenn sich der Kolben 8071 aufwärts bewegt, werden die eingeschlossenen Dämpfe komprimiert, was ein Kondensieren des Wasserdampfes verursacht. Die komprimierten nichtkondensierbaren Gase und überschüssiges Wasser wird gesprüht in den Auslass der Vakuumpumpe, durch Öffnung 8080. Um einen besseren Kontakt zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser sicherzustellen, kann eine Packung 8078 angeordnet werden im Kopfraum der Vakuumpumpe 8060. Pumpe 8060 arbeitet geflutet mit Flüssigkeit, welche den Kompressor kühlt und welche es dem Wasserdampf ermöglicht, zu kondensieren. Außerdem dichtet das Wasser und schmiert den Kolben. Des Weiteren kann das Wasser das Todvolumen auffüllen, was es dieser Pumpe ermöglicht, ein außergewöhnliches Komprimierungsverhältnis von ca. 400 : 1 zu erreichen. Obwohl diese Ausführungsform eine Art von Vakuumpumpe darstellt, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass man diese Vakuumpumpen, welche in den anderen Ausführungsformen offenbart sind, austauschen könnte durch, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Pumpen 10060 (68 bis 70), 12060 (80a bis b), 12402 (81) und 12403 (82).
  • Weil Wasser verdampft in den Verdampfern 8040 und 8038 und auf der Packung 8050 des Kühlturms, wird Leitungswasser 8012 und 8013 zum Auffüllen hinzugegeben zu dem Umgebungsluftaustauscher (8012) und dem Raumluftaustauscher (8013). Um Salze herauszuspülen, welche sich ansammeln würden in dem System, werden Überflusswehre 8085 und 8086 bereitgestellt.
  • Die Verwendung eines mehrstufigen Kompressors, wie in 48 dargestellt, stellt die folgenden Vorteile bereit:
    • – Mehrfachkomprimierung ist energieeffizienter als einstufige Komprimierung,
    • – eine einzelne Kompressorstufe ist kleiner, als wie wenn die gesamte Komprimierung in einem einzigen Kompressor durchgeführt würde, und
    • – die Energieeffizienz wird nicht so stark reduziert durch Unterschiede zwischen dem festgelegten Komprimierungsverhältnis des Rollenkompressors und dem benötigten Komprimierungsverhältnis der Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen, welche sich mit der Umgebungstemperatur ändern. Durch die Verwendung von zwei Stufen resultiert schlechtes zeitliches Abstimmen des Dampfausstoßes in weniger Extraarbeit verglichen mit einem einstufigen Kompressor.
  • Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie keine Ventile aufweist. Weil die Drücke so gering sind, ist es nicht möglich, herkömmliche Kontrollventile zu verwenden, welche geöffnet werden durch einen leichten Überdruck. Stattdessen würden angetriebene Ventile benötigt, was zusätzliche Mechanismen und ein Steuerungsproblem bedingt. Der Rollenkompressor schließt die Schwierigkeiten, welche mit Kompressorventilen verbunden sind, aus. Mehrfachstufen reduzieren die energetischen Nachteile, welche verbunden sind mit Unausgeglichenheiten im Komprimierungsverhältnis.
  • Eine weitere Ausführungsform eines Rollenkompressors ist dargestellt in 49, welches einen Zweistufenrollenkompressor 8400 zeigt, welcher integriert ist in einen Kühler 8801, bei welchem die beiden Kompressoren durch die gleiche Kurbel 8409 angetrieben werden. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass weniger Lager benötigt werden.
  • Bezugszeichen in 49 entsprechen gleichen Elementen der vorher beschriebenen Komponenten aus 48, so dass eine weitere Beschreibung übergangen wird. In 49 sind die meisten Komponenten analog zu denen aus 48, jedoch sind sie leicht anders angeordnet. Der Verdampfer der ersten Stufe 8441 ist konzentrisch angeordnet mit dem Verdampfer der zweiten Stufe 8438. Leitungen 8100 führen radial vom Verdampfer 8438 der zweiten Stufe weg und verbinden sich mit dem Kanal 8110, welcher die Niedrigstromdämpfe zu der Einlassöffnung des Kompressors der zweiten Stufe leitet. Gleitende Dichtung 8105 trennt die Einströmöffnungen der beiden Kompressoren.
  • 50 bis 51 zeigen eine weitere Vorrichtung zum Bewegen der beweglichen Rolle 8004 in einer Umlaufbahn. Stationäre Rolle 8003 weist ein daran befestigtes Zahnrad 8200 auf. (Zur Erläuterung sind Nuten an allen Rollen entfernt, um den inneren Mechanismus darzulegen. Außerdem sind die Zähne des Zahnrads entfernt, um die Zeichnung zu vereinfachen.) Umlaufarm 8205 weist ein Zwischenwahnrad 8210 auf, dass Zahnrad 8220 antreibt, welches befestigt ist an der beweglichen Rolle 8004.
  • 52 zeigt eine weitere Ausführungsform: Ein einstufiger, Rücken an Rücken angeordneter Rollenkompressor 8500, integriert in Kühler 8802. Der Vorteil dieses Kompressors liegt darin, dass der Rollendurchmesser kleiner sein kann, um den gleichen Fluss zu erreichen. Wegen der Druckdifferenz müssen die stationären Rollen eine Last unterstützen. Um sie zu versteifen, wird eine Verstärkung benötigt. Kleinere Durchmesser benötigen weniger Verstärkung, weil weniger Last auftritt und weil die Spannweite geringer ist. Ein anderer Vorteil der Rücken an Rücken angeordneten Rollen ist, dass die Nuten einer jeden Rolle um 180° zueinander rotiert werden können, so dass das Drehmoment einförmiger ist über die ganze Drehung hinweg.
  • Bezugszeichen in 52 korrespondieren mit den vorher beschriebenen Komponenten, so dass eine weitere Beschreibung übergangen werden kann. Erste stationäre Rolle 8301 und zweite stationäre Rolle 8303 sind verbunden durch einen Abstandhalter 8300, welcher axiale, radiale und Winkelausrichtung bereitstellt. Bewegliche Rolle 8305 weist Löcher 8306 auf, so dass die komprimierten Dämpfe in der unteren Kammer austreten können. Zur Vereinfachung zeigt 2 nur eine einzige Stufe, es können jedoch auch mehrere Stufen verwendet werden.
  • Um die Reibung zu reduzieren, weisen alle Rollenkompressoren 8000a und 8000b (48), 8400 (49) und 8500 (52) einen Spalt von einem Tausendstel eines Inches auf zwischen den überlappenden Flächen der Nuten. Zum Beispiel trennen Spalte 8550, wie in 52 dargestellt, die Nuten. Falls gewünscht, kann ein feiner Nebel aus flüssigem Wasser gesprüht werden in die Kompressoreinströmöffnung, um die Oberflächen zu benetzen und sowohl eine Dichtung, als auch Kühlung bereitzustellen.
  • Zusätzliche Ausführungsformen sind gerichtet auf Rotorkompressoren mit niedriger Reibung 9300, 9400 und 9500, wie dargestellt in den 53 bis 67, welche nützlich sind für Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression, wie auch für andere Anwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Rotoren, bei welchen ein Rotor direkt den anderen antreibt durch die Rotorzähne, weisen diese Rotoren mit niedriger Reibung Zwischenräume zwischen den Rotoren auf, und schließen ein eine neue Vorrichtung zum Stützen und zum Antreiben der Rotoren. Diese Kompressoren können integriert werden in Systeme wie Kühler 8800, dargestellt in 48, oder in andere Ausführungsformen wie Kühler 10000, dargestellt in 71. Diese Rotorkompressoren benötigen keine Ventile, was ihre Auslegung stark vereinfacht. Hinzu kommt, dass alles Bewegung reine Drehungen sind, was leichter zu erreichen ist als die Umlaufbewegung, welche bei den Rollenkompressoren benötigt wird. Hinzu kommt, dass die relative Bewegung der zwei Rotoren sehr langsam ist, so dass jegliche Reibung minimiert wird im nassen Inneren der Komponenten. Im Gegensatz zu den Rollenkompressoren kann das Komprimierungsverhältnis eines Rotorkompressors, während des Betriebes, angepasst werden an die sich verändernden Komprimierungsbedürfnisse des Klimaanlagensystems, wodurch Energieverschwendung ausgeschlossen wird, welche verbunden ist mit zu hoher oder zu niedriger Komprimierung der Hochdruckdämpfe.
  • Eine Ausführungsform eines Rotorkompressors weist Antriebsvorrichtungen auf wie dargestellt in den 53 bis 57. 53a bis j stellen eine Sequenz von Bildern dar, wie sich die Komponenten des Rotorkompressors 9300 um ihre jeweiligen Achsen bewegen. Der innere Rotor 9302 weist einen Zahn weniger auf als der äußere Rotor 9308, was zum Auftreten eines Hohlraumvolumens zwischen den beiden Rotoren führt. Das rechteste Volumen expandiert und zieht Niedrigdruckdämpfe in den Rotor und das linkeste Volumen kontrahiert, wodurch Hochdruckdämpfe ausgestoßen werden. Obere Einlassendplatte 9309 und untere Auslassendplatte 9305 des Rotorgehäuses 9301 weisen eine Einströmöffnung 9312 und eine Ausströmöffnung 9310 auf, welche es den Niedrigdruckdämpfen ermöglicht, am oberen Ende einzutreten und den Hochdruckdämpfen, am unteren Ende auszutreten.
  • 56 zeigt einen schematischen Querschnitt von Rotorkompressors 9300. Weil der Rotorkompressor groß sein muss, um große Volumina von Wasserdampf zu komprimieren, sind Reibungsverluste und Abrieb, welche sich aus dem Berühren der Rotorzähne ergeben nicht akzeptabel, deswegen ist es notwendig, die Rotoren anzutreiben. Die vorliegende Erfindung verwendet eine neue Vorrichtung zum Betreiben und Stützen der Rotoren. Insbesondere, wie in 56 gezeigt, wird ein Antrieb bereitgestellt durch ein inneres Getriebe 9350, welches die geeignete Getriebeübersetzung aufweist (z. B. wird in den 53 bis 57 eine Getriebeübersetzung von 5 : 4 verwendet). Das Getriebe 9350 ist aufgehängt zwischen zwei Wellen, Antriebswelle 9351 und Abgangswelle 9352. Weil die beiden Wellen kein gemeinsames Zentrum aufweisen, wird das Gehäuse des Getriebes 9353 nicht rotieren, wenn sich die Wellen drehen. Die Antriebswelle 9351 und die Abgangswelle 9352 des Getriebes 9350 drehen sich in die gleiche Richtung, weil eine ungerade Anzahl von Stirnrädern anwesend ist; ein Laufrad 9353 verbindet das Antriebsgetriebe 9354 und das Abganggetriebe 9355.
  • Wie in 57 dargestellt, weist die Platte 9320, welche die obere Welle 9351 mit dem äußeren Rotor 9308 verbindet, vorzugsweise fünf Zacken 9321 auf, welche zurückgesetzt sind im äußeren Rotor 9308. Weil die Zacken 9321 zurückgesetzt sind, ermöglicht dies den beiden Rotoren, bündig angeordnet zu sein mit der oberen Platte 9303 des Gehäuses 9301, was mögliches Todvolumen ausschließt, welches verbunden ist mit der Einströmöffnung 9412.
  • Wie dargestellt in 56, kann die Gehäuseausströmöffnung 9310 eine feste Öffnung aufweisen, wodurch das Kompressionsverhältnis des Rotorkompressors festgelegt wird. Alternativ kann die Ausströmöffnung 9310 einen änderbaren Schließmechanismus aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ausströmöffnung einen änderbaren Schließmechanismus auf, wie dargestellt in den 58 bis 60, welche drei mögliche und neue änderbare Schließmechanismen zeigt.
  • 58 zeigt einen änderbaren Schließmechanismus 9359, welcher Platten 9360 aufweist, die geführt werden von Stiften 9631. Federn 9632 drücken Platten 9360 in die geschlossene (abwärts) Position. Wenn der Antrieb 9363 nach rechts geschoben ist, zwingt die Rampe 9364 die Führungen 9365 dazu, die Platten 9630 eine nach dem anderen zu heben, wodurch Ausströmöffnung 9312 eine änderbare Öffnung bekommt. Alternativ, anstatt einen Antrieb 9363 zum Öffnen der Platten 9360 zu verwenden, könnte jede Platte 9360 einzeln geöffnet werden durch einen Hubmagnet, oder durch einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb.
  • Weil sowohl gekühltes Wasser 815, als auch kondensiertes Wasser 8045 in direktem Kontakt mit der Luft stehen, werden gelöste Gase im Vakuum des Verdampfers 8038 und 8041 und des Kondensators 8025 freigesetzt. Die nicht kondensierbaren Gase sammeln sich an im Kondensator 8025, weswegen eine Vakuumpumpe oder ein Sauggebläse benötigt wird. Entsprechend wird eine neue Vakuumpumpe 8060 bereitgestellt. Insbesondere, wie in 48 dargestellt, wird die neue Vakuumpumpe 8060 angetrieben durch Zahnrad 8065, welches angeordnet ist auf der Hauptantriebswelle 8007. Zwei Untersetzungen 8066 und 8067 verlangsamen die Rotationsrate drastisch. Zwei mit Nocken versehene Oberflächen 8073a und 8073b sind angeordnet auf dem langsamsten Zahnrad 8067. Rolle 8070 läuft auf der Nocke 8073b und treibt den Kolben 8071 an. Rolle 8072 läuft auf der Nocke 8073a und treibt das Einströmventil 8075 an. Wasser 8051 wird gezogen in den Zylinder von 8062 der Vakuumpumpe 8062 durch den Sprüher 8077. Wenn sich der Kolben 8071 aufwärts bewegt, werden die eingeschlossenen Dämpfe komprimiert, was ein Kondensieren des Wasserdampfes verursacht. Die komprimierten nichtkondensierbaren Gase und überschüssiges Wasser wird gesprüht in den Auslass der Vakuumpumpe, durch Öffnung 8080. Um einen besseren Kontakt zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser sicherzustellen, kann eine Packung 8078 angeordnet werden im Kopfraum der Vakuumpumpe 8060. Pumpe 8060 arbeitet geflutet mit Flüssigkeit, welche den Kompressor kühlt und welche es dem Wasserdampf ermöglicht, zu kondensieren. Außerdem dichtet das Wasser und schmiert den Kolben. Des Weiteren kann das Wasser das Todvolumen auffüllen, was es dieser Pumpe ermöglicht, ein außergewöhnliches Komprimierungsverhältnis von ca. 400 : 1 zu erreichen. Obwohl diese Ausführungsform eine Art von Vakuumpumpe darstellt, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass man diese Vakuumpumpen, welche in den anderen Ausführungsformen offenbart sind, austauschen könnte durch, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Pumpen 10060 (68 bis 70), 12060 (80a bis b), 12402 (81) und 12403 (82).
  • Weil Wasser verdampft in den Verdampfern 8040 und 8038 und auf der Packung 8050 des Kühlturms, wird Leitungswasser 8012 und 8013 zum Auffüllen hinzugegeben zu dem Umgebungsluftaustauscher (8012) und dem Raumluftaustauscher (8013). Um Salze herauszuspülen, welche sich ansammeln würden in dem System, werden Überflusswehre 8085 und 8086 bereitgestellt.
  • Die Verwendung eines mehrstufigen Kompressors, wie in 48 dargestellt, stellt die folgenden Vorteile bereit:
    • – Mehrfachkomprimierung ist energieeffizienter als einstufige Komprimierung,
    • – eine einzelne Kompressorstufe ist kleiner, als wie wenn die gesamte Komprimierung in einem einzigen Kompressor durchgeführt würde, und
    • – die Energieeffizienz wird nicht so stark reduziert durch Unterschiede zwischen dem festgelegten Komprimierungsverhältnis des Rollenkompressors und dem benötigten Komprimierungsverhältnis der Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen, welche sich mit der Umgebungstemperatur ändern. Durch die Verwendung von zwei Stufen resultiert schlechtes zeitliches Abstimmen des Dampfausstoßes in weniger Extraarbeit verglichen mit einem einstufigen Kompressor.
  • Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie keine Ventile aufweist. Weil die Drücke so gering sind, ist es nicht möglich, herkömmliche Kontrollventile zu verwenden, welche geöffnet werden durch einen leichten Überdruck. Stattdessen würden angetriebene Ventile benötigt, was zusätzliche Mechanismen und ein Steuerungsproblem bedingt. Der Rollenkompressor schließt die Schwierigkeiten, welche mit Kompressorventilen verbunden sind, aus. Mehrfachstufen reduzieren die energetischen Nachteile, welche verbunden sind mit Unausgeglichenheiten im Komprimierungsverhältnis.
  • Eine weitere Ausführungsform eines Rollenkompressors ist dargestellt in 49, welches einen Zweistufenrollenkompressor 8400 zeigt, welcher integriert ist in einen Kühler 8801, bei welchem die beiden Kompressoren durch die gleiche Kurbel 8409 angetrieben werden. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass weniger Lager benötigt werden.
  • Bezugszeichen in 49 entsprechen gleichen Elementen der vorher beschriebenen Komponenten aus 48, so dass eine weitere Beschreibung übergangen wird. In 49 sind die meisten Komponenten analog zu denen aus 48, jedoch sind sie leicht anders angeordnet. Der Verdampfer der ersten Stufe 8441 ist konzentrisch angeordnet mit dem Verdampfer der zweiten Stufe 8438. Leitungen 8100 führen radial vom Verdampfer 8438 der zweiten Stufe weg und verbinden sich mit dem Kanal 8110, welcher die Niedrigstromdämpfe zu der Einlassöffnung des Kompressors der zweiten Stufe leitet. Gleitende Dichtung 8105 trennt die Einströmöffnungen der beiden Kompressoren.
  • 50 bis 51 zeigen eine weitere Vorrichtung zum Bewegen der beweglichen Rolle 8004 in einer Umlaufbahn. Stationäre Rolle 8003 weist ein daran befestigtes Zahnrad 8200 auf. (Zur Erläuterung sind Nuten an allen Rollen entfernt, um den inneren Mechanismus darzulegen. Außerdem sind die Zähne des Zahnrads entfernt, um die Zeichnung zu vereinfachen.) Umlaufarm 8205 weist ein Zwischenwahnrad 8210 auf, dass Zahnrad 8220 antreibt, welches befestigt ist an der beweglichen Rolle 8004.
  • 52 zeigt eine weitere Ausführungsform: Ein einstufiger, Rücken an Rücken angeordneter Rollenkompressor 8500, integriert in Kühler 8802. Der Vorteil dieses Kompressors liegt darin, dass der Rollendurchmesser kleiner sein kann, um den gleichen Fluss zu erreichen. Wegen der Druckdifferenz müssen die stationären Rollen eine Last unterstützen. Um sie zu versteifen, wird eine Verstärkung benötigt. Kleinere Durchmesser benötigen weniger Verstärkung, weil weniger Last auftritt und weil die Spannweite geringer ist. Ein anderer Vorteil der Rücken an Rücken angeordneten Rollen ist, dass die Nuten einer jeden Rolle um 180° zueinander rotiert werden können, so dass das Drehmoment einförmiger ist über die ganze Drehung hinweg.
  • Bezugszeichen in 52 korrespondieren mit den vorher beschriebenen Komponenten, so dass eine weitere Beschreibung übergangen werden kann. Erste stationäre Rolle 8301 und zweite stationäre Rolle 8303 sind verbunden durch einen Abstandhalter 8300, welcher axiale, radiale und Winkelausrichtung bereitstellt. Bewegliche Rolle 8305 weist Löcher 8306 auf, so dass die komprimierten Dämpfe in der unteren Kammer austreten können. Zur Vereinfachung zeigt 2 nur eine einzige Stufe, es können jedoch auch mehrere Stufen verwendet werden.
  • Um die Reibung zu reduzieren, weisen alle Rollenkompressoren 8000a und 8000b (48), 8400 (49) und 8500 (52) einen Spalt von einem Tausendstel eines Inches auf zwischen den überlappenden Flächen der Nuten. Zum Beispiel trennen Spalte 8550, wie in 52 dargestellt, die Nuten. Falls gewünscht, kann ein feiner Nebel aus flüssigem Wasser gesprüht werden in die Kompressoreinströmöffnung, um die Oberflächen zu benetzen und sowohl eine Dichtung, als auch Kühlung bereitzustellen.
  • Zusätzliche Ausführungsformen sind gerichtet auf Rotorkompressoren mit niedriger Reibung 9300, 9400 und 9500, wie dargestellt in den 53 bis 67, welche nützlich sind für Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression, wie auch für andere Anwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Rotoren, bei welchen ein Rotor direkt den anderen antreibt durch die Rotorzähne, weisen diese Rotoren mit niedriger Reibung Zwischenräume zwischen den Rotoren auf, und schließen ein eine neue Vorrichtung zum Stützen und zum Antreiben der Rotoren. Diese Kompressoren können integriert werden in Systeme wie Kühler 8800, dargestellt in 48, oder in andere Ausführungsformen wie Kühler 10000, dargestellt in 71. Diese Rotorkompressoren benötigen keine Ventile, was ihre Auslegung stark vereinfacht. Hinzu kommt, dass alles Bewegung reine Drehungen sind, was leichter zu erreichen ist als die Umlaufbewegung, welche bei den Rollenkompressoren benötigt wird. Hinzu kommt, dass die relative Bewegung der zwei Rotoren sehr langsam ist, so dass jegliche Reibung minimiert wird im nassen Inneren der Komponenten. Im Gegensatz zu den Rollenkompressoren kann das Komprimierungsverhältnis eines Rotorkompressors, während des Betriebes, angepasst werden an die sich verändernden Komprimierungsbedürfnisse des Klimaanlagensystems, wodurch Energieverschwendung ausgeschlossen wird, welche verbunden ist mit zu hoher oder zu niedriger Komprimierung der Hochdruckdämpfe.
  • Eine Ausführungsform eines Rotorkompressors weist Antriebsvorrichtungen auf wie dargestellt in den 53 bis 57. 53a bis j stellen eine Sequenz von Bildern dar, wie sich die Komponenten des Rotorkompressors 9300 um ihre jeweiligen Achsen bewegen. Der innere Rotor 9302 weist einen Zahn weniger auf als der äußere Rotor 9308, was zum Auftreten eines Hohlraumvolumens zwischen den beiden Rotoren führt. Das rechteste Volumen expandiert und zieht Niedrigdruckdämpfe in den Rotor und das linkeste Volumen kontrahiert, wodurch Hochdruckdämpfe ausgestoßen werden. Obere Einlassendplatte 9309 und untere Auslassendplatte 9305 des Rotorgehäuses 9301 weisen eine Einströmöffnung 9312 und eine Ausströmöffnung 9310 auf, welche es den Niedrigdruckdämpfen ermöglicht, am oberen Ende einzutreten und den Hochdruckdämpfen, am unteren Ende auszutreten.
  • 56 zeigt einen schematischen Querschnitt von Rotorkompressors 9300. Weil der Rotorkompressor groß sein muss, um große Volumina von Wasserdampf zu komprimieren, sind Reibungsverluste und Abrieb, welche sich aus dem Berühren der Rotorzähne ergeben nicht akzeptabel, deswegen ist es notwendig, die Rotoren anzutreiben. Die vorliegende Erfindung verwendet eine neue Vorrichtung zum Betreiben und Stützen der Rotoren. Insbesondere, wie in 56 gezeigt, wird ein Antrieb bereitgestellt durch ein inneres Getriebe 9350, welches die geeignete Getriebeübersetzung aufweist (z. B. wird in den 53 bis 57 eine Getriebeübersetzung von 5 : 4 verwendet). Das Getriebe 9350 ist aufgehängt zwischen zwei Wellen, Antriebswelle 9351 und Abgangswelle 9352. Weil die beiden Wellen kein gemeinsames Zentrum aufweisen, wird das Gehäuse des Getriebes 9353 nicht rotieren, wenn sich die Wellen drehen. Die Antriebswelle 9351 und die Abgangswelle 9352 des Getriebes 9350 drehen sich in die gleiche Richtung, weil eine ungerade Anzahl von Stirnrädern anwesend ist; ein Laufrad 9353 verbindet das Antriebsgetriebe 9354 und das Abganggetriebe 9355.
  • Wie in 57 dargestellt, weist die Platte 9320, welche die obere Welle 9351 mit dem äußeren Rotor 9308 verbindet, vorzugsweise fünf Zacken 9321 auf, welche zurückgesetzt sind im äußeren Rotor 9308. Weil die Zacken 9321 zurückgesetzt sind, ermöglicht dies den beiden Rotoren, bündig angeordnet zu sein mit der oberen Platte 9303 des Gehäuses 9301, was mögliches Todvolumen ausschließt, welches verbunden ist mit der Einströmöffnung 9412.
  • Wie dargestellt in 56, kann die Gehäuseausströmöffnung 9310 eine feste Öffnung aufweisen, wodurch das Kompressionsverhältnis des Rotorkompressors festgelegt wird. Alternativ kann die Ausströmöffnung 9310 einen änderbaren Schließmechanismus aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ausströmöffnung einen änderbaren Schließmechanismus auf, wie dargestellt in den 58 bis 60, welche drei mögliche und neue änderbare Schließmechanismen zeigt.
  • 58 zeigt einen änderbaren Schließmechanismus 9359, welcher Platten 9360 aufweist, die geführt werden von Stiften 9631. Federn 9632 drücken Platten 9360 in die geschlossene (abwärts) Position. Wenn der Antrieb 9363 nach rechts geschoben ist, zwingt die Rampe 9364 die Führungen 9365 dazu, die Platten 9630 eine nach dem anderen zu heben, wodurch Ausströmöffnung 9312 eine änderbare Öffnung bekommt. Alternativ, anstatt einen Antrieb 9363 zum Öffnen der Platten 9360 zu verwenden, könnte jede Platte 9360 einzeln geöffnet werden durch einen Hubmagnet, oder durch einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb.
  • 59 zeigt einen änderbaren Öffnungsmechanismus 9369, welcher eine Vielzahl von festen Platten 9370 verwendet, auf welchen oben Führungsringe 9371 aufgebracht sind. Jeder Führungsring 9371 weist auf, einen mittig angeordneten Stift 9372 und zwei Verbindungsstücke 9373 und 9774. Diese Anordnung ermöglicht es den festen Platten 9730, miteinander verbunden zu sein, ähnlich wie bei einer Fahrradkette. Ein Schieber 9375 bewegt sich nach links, schließt die Ausströmöffnung 9312 und wenn er sich nach rechts bewegt, öffnet er die Ausströmöffnung 9312. Feder 9376 drückt die verbundenen Platten 9370 fest gegen den Schieber 9375.
  • 60 zeigt einen veränderbaren Öffnungsmechanismus 9379, welcher einen Elastomerblock 9380 verwendet, der eine Vielzahl von Schlitzen 9381 aufweist, welche den Block in Platten 9382 aufteilen. Wenn sich der Schieber 9385 nach links bewegt, schließt er die Ausströmöffnung 9312 und wenn er sich nach rechts bewegt, öffnet er die Ausströmöffnung 9312. Feder 9386 drückt den Block 9380 eng gegen den Schieber 9385. Rollen 9383 reduzieren die Reibung des Blocks 9380 gegenüber dem Schieber 9385. Diese Mechanismen (9359, 9369 und 9379) können bündig angeordnet werden mit der Endplatte 9305. Außerdem können, wenn in die später offenbarten Ausführungsformen wie Kompressor 10300, dargestellt in 68, integriert, welcher antreibende Stirnräder 10360 und 10361 aufweist, Nuten hinzugefügt werden zu den Platten 9360, 9370 und 9382, um die antreibenden Zahnräder aufzunehmen.
  • Alternativ kann die Ausströmöffnung 9310 einen veränderbaren Schließmechanismus aufweisen, wie den Gleitmechanismus 9313, dargestellt in den 61 bis 62, welcher die Position der Vorderkante der Ausströmöffnung ändert, wodurch es ermöglicht wird, das Komprimierungsverhältnis zu steuern. Gleitmechanismus 9313 weist eine gleitende Abdeckung 9314, eine dünne Metallplatte 9315 und eine veränderbare Öffnung 9316 auf. Der Gleitmechanismus kann angetrieben werden durch einen Servomotor 9317.
  • In weiteren Ausführungsformen kann der veränderbare Schließmechanismus gesteuert werden durch verschiedene andere Mechanismen, welche hier offenbart sind.
  • Rotorkompressor 9300 kann integriert werden in verschiedene Arten von Kühlern, wie Kühler 8800, dargestellt in 48, anstelle eines Rollenkompressors 8000. Hinzu kommt, dass dieser neue Rotorkompressor verwendet werden könnte für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. als Luftkompressor, Kompressor für industrielle Gase, Kompressor für eine Maschine (z. B. Brayton-Zyklus) oder rückwärts betrieben als ein Expander oder Luftmotor.
  • Ein wichtiger Vorteil des Rotorkompressors 9300 ist, dass er keine Ventile aufweist. Weil die Drücke so gering sind, ist es nicht möglich, herkömmliche Kontrollventile zu verwenden, welche geöffnet werden durch einen leichten Überdruck. Stattdessen würden angetriebene Ventile benötigt, welche zusätzliche Mechanismen zum sofortigen Öffnen und Schließen des Ventils zu einem genau bestimmten Zeitpunkt im Kompressorzyklus benötigen, was ein herausragendes Steuerproblem darstellt. Rotorkompressor 9300 schließt die Schwierigkeiten, welche verbunden sind mit dem sofortigen Betreiben der Kompressorventile, aus. Der variable Schließmechanismus, gezeigt in den 58 bis 60, oder Gleitmechanismus oder Ventil 9313, gezeigt in den 61 bis 62, kann angepasst werden, um das Kompressionsverhältnis des Rotorkompressors zu ändern, aber dieses Ventil benötigt keine sofortige Bewegung. Im Gegenteil, es kann langsam bewegt werden (während ein paar Sekunden) bis an die gewünschte Position. Die Stellung dieses Ventils kann gesteuert werden durch Thermofühler, welche die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen bestimmen. Diese Temperaturinformation würde an einen Computer geleitet werden, welcher das benötigte Komprimierungsverhältnis bestimmt und elektrisch den gleitenden Flügel bewegt unter Verwendung eines Servomotors 9317, eines Steppermotors oder anderer Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik.
  • 63 bis 64 zeigen den Rotor 9400, welcher eine alternative Ausführungsform eines betriebenen Rotorkompressors mit niedriger Reibung darstellt. In dieser Ausführungsform wird die relative Drehung der beiden Rotoren erzeugt durch zwei Stirnräder, anstatt durch Kontakt der Rotorzähne. Das kleinere Zahnrad 9460 weist Zähne auf an seinem äußeren Durchmesser und das größere Zahnrad 9461 weist Zähne auf an seinem inneren Durchmesser. Die Übersetzung dieser beiden Stirnräder ist die gleiche wie das Verhältnis der Anzahl der Zähne auf dem Rotor (in diesem Fall 5 : 4). Der Zahnradsatz kann angeordnet sein am oberen Ende des Rotor, wie dargestellt in 63 oder am unteren Ende. Außer das er nützlich ist für die hier offenbarten Kühlsysteme, kann der neue Rotor 9400 auch verwendet werden für andere Anwendungen, wie für einen Luftkompressor, einen Kompressor für industrielle Gase, einen Kompressor für eine Maschine (z. B. Brayton-Zyklus) oder er kann rückwärts betrieben werden, als ein Expander oder Luftmotor.
  • Wie dargestellt in 63, dreht sich die obere Welle 9462 und treibt die Nabe 9463, welche verbunden ist mit dem äußeren Rotor 9408. Während sich der äußere Rotor dreht, treibt das große Zahnrad 9461 das kleine innere Zahnrad 9460 an, was dazu führt, dass sich der innere Rotor 9402 dreht. Der innere Rotor dreht sich um eine feste, nicht rotierende zentrale Welle 9464. Die zentrale Welle weist eine Kröpfung 9465 auf, welche den benötigten Versatz bildet zwischen den Rotationsachsen der beiden Rotoren. Falls gewünscht kann ein Zahnrad 9466 befestigt werden am unteren Ende des inneren Rotors, was es ermöglicht, Strom abzunehmen für zusätzliche Vorrichtungen, wie z. B. die Pumpen.
  • Die obere feste Ausstoßplatte 9467 mit der Ausstoßöffnung 9468 ist angeordnet direkt neben den beiden Rotoren. Die ausgestoßenen Hochdruckdämpfe müssen also durch Perforationen 9469 im unteren Teil des äußeren Rotors und Perforationen 9412 in der oberen Platte 9403 des Gehäuses treten. Der Boden des Gehäuses 9401 weist eine Einströmöffnung 9410 auf.
  • 65 bis 67 zeigen eine weitere Ausführungsform mit niedriger Reibung, Rotorkompressor 9500, bei welchem der äußere Rotor 9508 angetrieben wird durch die obere Welle 9562. Der innere Rotor 9502 weist Rollen 9561 an den Enden 9563 auf, welche sich gerade über die Wände 9504 des inneren Rotors hinweg erstrecken, so dass die Rollen 9561 den äußeren Rotor 9508 berühren, aber nicht die Wände 9504 des inneren Rotors 9502. Der Abstand zwischen den Wänden des inneren und äußeren Rotors wird bestimmt durch die Distanz, welche die Rollen 9561 über die innere Rotorwand hervorstehen (vielleicht ca. 0,005 Inch). Der äußere Rotor 9508 treibt den inneren Rotor 9502 an durch Berührung der Rollen. Der innere Rotor 9502 ist befestigt an einer drehenden Welle 9564, welche sich erstreckt aus dem Gehäuse heraus, was es ermöglicht, Hilfsgeräte (z. B. Pumpen) anzutreiben durch die drehende Welle. Weil die relative Geschwindigkeit des inneren und äußeren Rotors relativ klein ist (z. B. ca. 300 U/min), ist die Rotationsgeschwindigkeit der Rollen nicht extrem (z. B. ca. 2000 bis ca. 3000 U/min).
  • Wie festgestellt, richtet sich die vorliegende Erfindung an Kühlsysteme mit zwei konzentrischen Kammern. Der Umgebungsluftaustauscher ist angeordnet in der äußeren Kammer. Die innere Kammer ist geteilt in zwei Kammern, welche den Kondensator und den Verdampfer aufweisen, wobei der Kompressor dazwischen angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungs form dieses Kühlers sind der Kondensator unten und der Verdampfer oben angeordnet. Diese Ausführungsform verwendet vorzugsweise Rotorkompressor 10300 mit niedriger Reibung und Vakuumpumpe 10060, integriert in Kühler 10000 mit Verdampfung und Dampfkompression, wie dargestellt in den 68 bis 71. Verglichen mit den vorher beschriebenen Kühlern, ermöglicht der in dieser Ausführungsform beschriebene Kühler, einen Wassersprühstrahl ablaufen zu lassen von dem Kompressor durch Anordnen des Verdampfers über dem Kondensator. Wasser wird eingesprüht in die Kompressoreinströmöffnung, um Überhitzung während der Komprimierung abzuführen und eine Dichtung bereitzustellen.
  • Hinzu kommt, dass die hier offenbarte Vakuumpumpe 10060 bei höheren Frequenzen betrieben werden kann, weil kein flüssiges Wasser schwingt. Die höhere Frequenz ermöglicht eine kompaktere Größe und reduziert außerdem die Kräfte im Antrieb.
  • 68 zeigt den Rotorkompressor 10300 und Figur 71 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Rotorkompressors 10300, integriert in Kühler 10000. Weil der Rotorkompressor groß sein muss, um große Volumina von Wasserdampf zu komprimieren, sind Reibungsverluste und Abrieb, welche resultieren aus dem Berühren der Rotorzähne, nicht akzeptabel, deswegen ist es notwendig, die Rotoren anzutreiben. Rotorkompressor 10300 wird angetrieben auf eine neue Art, ähnlich der in den 63 bis 64 dargestellten Ausführungsform unter Verwendung eines großen Zahnrades 10361 mit innen angeordneten Zähnen und mit einem kleinen Zahnrad 10360 mit außen angeordneten Zähnen, außer dass die Zahnräder angeordnet sind am unteren Ende des Kompressors.
  • Wie bei dem in den 56 bis 57 dargestellten Rotorkompressor, weist die Platte 10320, welche die obere Welle 10351 mit dem äußeren Rotor 10308 verbindet, fünf Zähne 10321 auf, welche zurückgesetzt sind in den äußeren Rotor 10308. Weil die Zähne 10321 zurückgesetzt sind, ermöglicht dies dem inneren Rotor 10302, bündig angeordnet zu sein mit der Platte 10320 und dem äußeren Rotor 10308, bündig angeordnet zu sein mit dem Gehäuse 10301, was ein mögliches Todvolumen ausschließt. Kugellager 10370 erlauben es den Wellen 10351 und 10375, sich innerhalb des Gehäuses 10301 zu drehen.
  • Die Ausströmöffnung 10310, welche unten im Gehäuse angeordnet ist, kann eine feste Öffnung aufweisen, wodurch das Komprimierungsverhältnis des Rotorkompressors festgelegt ist. Alternativ kann die Ausströmöffnung 10310 einen variablen Schließmechanismus aufweisen, welcher die Stellung der Vorderkante der Ausströmöffnung verändert, wodurch es ermöglicht wird, das Komprimierungsverhältnis zu steuern. Der variable Schließmechanismus kann eine der Formen, welche hier offenbart sind aufweisen, so wie die in den 58 bis 62 dargestellten, oder die Öffnung kann gesteuert werden durch jede andere Vorrichtung, welche dem Fachmann bekannt ist. In 68 ist ein Servomotor 9317 gezeigt, um die mögliche Verwendung eines variablen Schließmechanismus, wie vorher beschrieben, aufzuzeigen. Obwohl Rotorkompressor 10300 beschrieben worden ist in Verbindung mit den hier offenbarten Kühlsystemen, kann er verwendet werden für andere Anwendungen, die ein Luftkompressor, ein Kompressor für industrielle Gase, ein Kompressor für eine Maschine (z. B. Brayton-Zyklus), oder er kann rückwärts betrieben werden als Expander oder Luftmotor.
  • 69 bis 70 zeigen eine Vakuumpumpe 10060, welche nichtkondensierbare Bestandteile aus dem Kondensator entfernt. Der Kolben 10610 wird getrieben durch eine Kurbel 10601. Der Kolben 10610 weist zahlreiche Perforationen 10611 an seinem oberen Ende auf, welche es ermöglichen, dass Dampf in den Zylinder 10615 fließt. Eine flexible Klappe 10612 ist angeordnet an dem unteren Ende des Kolbens 10610, welche sich öffnet, wenn sich der Kolben 10610 nach oben bewegt und sich schließt, wenn sich der Kolben 10610 nach unten bewegt. Das Öffnen und Schließen der Klappe 10612 ist getrieben sowohl durch die Trägheit, als auch die Druckdifferenzen über der Klappe 10612. Während des gesamten Betriebes der Vakuumpumpe wird Wasser 10602 gesprüht in die Kammer, welche Wasserdampf kondensiert, während sich das Volumen reduziert. Nuten 10613 im Kolben 10610 ermöglichen es Flüssigkeit und komprimierten nichtkondensierbaren Bestandteilen, das Kontrollventil 10614 zu erreichen und das System zu verlassen. Obwohl in Verbindung mit dieser speziellen Ausführungsform beschrieben, kann die Vakuumpumpe 10060 integriert sein anstelle der Vakuumpumpen oder Sauggebläse der anderen Kühlerausführungsformen, welche hier beschrieben sind.
  • 71 ist eine schematische Darstellung des Rotors 10300, integriert in einen Kühler mit Dampfkompression und Verdampfern 10000. Ein elektrischer Motor 10001 treibt den Rotorkompressor 10003 an durch eine flexible Kupplung 10002. Der Rotorkompressor erzeugt ein Vakuum über dem Wasser 10015, was dazu führt, das es verdampft und abkühlt. Unter Verwendung der Pumpe 10031, wird das gekühlte Wasser 10015 gepumpt zur Packung 10035, welcher im Gegenstrom in Kontakt gebracht wird mit der Hausluft, wodurch die Luft gekühlt wird. Das erwärmte Wasser 10036 wird gesaugt durch den Filter 10039 in den Verdampfer 10038, wo ein Teil davon verdunstet auf der Packung 10100, wodurch das Wasser gekühlt wird; die Flussrate wird reguliert durch ein Schwimmventil 10037.
  • Kühler 10000 arbeitet ähnlich wie vorhergehende Ausführungsformen. Wasser 10045 aus dem Kondensator 10025 wird entfernt durch Pumpe 10032 und geleitet, um über den Kühlturmpackung 10050 zu tropfen, über welchen im Gegenstrom Umgebungsluft strömt, angetrieben durch einen Ventilator 10054. Während das Wasser durch die Packung strömt, wird es abgekühlt in die Nähe der Feuchttemperatur der Umgebungsluft. Das gekühlte Wasser 10051 wird gesaugt durch Filter 10052 und wird gezogen in den Kondensator 10025. Die Wasserflussrate wird geregelt durch ein Schwimmerventil 10053, welche das hereinkommende Wasser leitet, um über die Packung 10030 zu tropfen.
  • Weil sowohl gekühltes Wasser 10015 und Kondensatorwasser 10045 in direktem Kontakt mit Luft stehen, werden gelöste Gase entlassen in das Vakuum des Verdampfers 10038 und des Kondensators 10025. Die nichtkondensierbaren Gase werden sich ansammeln im Kondensator 10025, deswegen ist eine Vorrichtung zum Entfernen dieser, wie eine Vakuumpumpe 10060, bereitgestellt. Vakuumpumpe 10060 wird angetrieben durch Zahnrad 10065, welches angeordnet ist auf der Hauptantriebswelle 10007. Unter Verwendung von Zerstäubern 10602 wird Wasser 10051 gezogen in die Vakuumpumpe 10060 durch das Vakuum. Des Weiteren, während der Kolben 10610 nach oben getrieben wird durch eine Kurbel 10601, öffnet sich die Elastomerenklappe 10612 wegen ihrer Trägheit. Die offene Klappe ermöglicht es nichtkondensierbaren Bestandteilen und Wasserdampf, durch die Perforationen 10611 einzutreten. Während Kolben 10610 nach unten getrieben wird durch die Kurbel 10601, schließt sich die Elastomerenklappe 10612 wegen der Trägheit, wodurch Wasserdampf und nicht kondensierbare Bestandteile innen einge schlossen werden. Während der Kolben 10610 weiter komprimiert, kondensiert Wasserdampf auf dem flüssigen Wassersprühstrahl, was nichtkondensierbare Gase und kondensiertes Wasser durch Kontrollventil 10614 austreten lässt, in dem Kühlturm 10050. Gruben oder Nuten 10613 stellen sicher, dass das Kontrollventil 10614 nicht blockiert wird, wenn der Kolben 10610 vollständig unten ist.
  • Weil Wasser verdampft im Verdampfer 10038 und der Kühlturmpackung 10050, wird Auffüllwasser 10012 und 10013, wie Leitungswasser, hinzugegeben. Um Salze auszuspülen, welche sich in dem System ansammeln würden, sind Überflusswehre 10085 und 10086 bereitgestellt.
  • Wie bei den vorherigen Rotorausführungsformen, ist es ein großer Vorteil von Rotorkompressor 10300, dass dieser keine Ventile aufweist. In dieser Ausführungsform wird flüssiges Wasser gesprüht in den Kompressor, um Überhitzung auszuschließen. Der Rotorkompressor in dieser Offenbarung weist Dämpfe mit niedrigem Druck auf, welche am oberen Ende eintreten und Dämpfe mit hohem Druck, welche im unteren Ende austreten. Diese Anordnung ermöglicht es, flüssiges Wasser aus dem Kompressor ablaufen zu lassen.
  • 72 zeigt eine alternative Ausführungsform des Rotorkompressors, welche ebenso verwendet werden kann im Kühler 10000 wie auch in den vorher beschriebenen Anwendungen. Dieser Kompressor 10400 weist Rotoren auf, bei denen die relative Rotation der beiden Rotoren außerdem erzeugt wird durch zwei Stirnräder, das kleinere 10460 mit Zähnen an seinem äußeren Durchmesser und das größere 10461 mit Zähnen an seinem inneren Durchmesser. Die Übersetzung dieser beiden Stirnräder ist die gleiche, wie das Verhältnis der Zahl der Zähne auf dem Rotor (in diesem Fall 5 : 4).
  • Wie dargestellt in 72, dreht sich die untere Welle 10462 und treibt die Nabe 10463, welche verbunden ist mit dem inneren Rotor 10402. Während sich der innere Rotor 10402 dreht, treibt das kleine Zahnrad 10460 das große Zahnrad 10461, was dazu führt, dass sich der äußere Rotor 10408 dreht. Der äußere Rotor dreht sich um eine feste, nicht-rotierende zentrale Welle 10464. Die zentrale Welle weist eine „Kröpfung" 10465 auf, die den benötigten Versatz zwischen den Achsen der Rotation der beiden Rotoren bildet.
  • Die obere stationäre Einströmplatte 10467 mit der Einströmöffnung 10468 ist angeordnet direkt auf den beiden Rotoren. Die einströmenden Niedrigdruckdämpfe müssen außerdem passieren durch Perforationen 10469 in der verbindenden Platte 10475 zu dem äußeren Rotor 10408, und Perforationen 10470 in der oberen Platte 10403 des Gehäuses. Hochdruckdämpfe treten aus durch Ausströmöffnung 10480. Die Ausströmöffnung 10480 kann fest sein oder eine variable Öffnung aufweisen, unter Verwendung der vorher beschriebenen Mechanismen. Servomotor 9317 ist dargestellt, als Vertreter einer Antriebsvorrichtung zur Anpassung der Auslassöffnung. Wellenstütze 10481 weist Kugellager 10482 auf, welche die rotierende Welle 10483 unterstützen.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist auf einen Rotorkompressor mit niedriger Reibung und ohne Ausläufer, stattdessen werden beide Rotoren unterstützt an zwei Stellen an entgegengesetzten Enden des Rotors. Dieser Rotor kann aufweisen eine neue Vorrichtung zur Befestigung einer stationären Welle (74a bis d), was eine schrä ge und axiale Änderung ermöglicht. Wie dargestellt in 73, kann Rotorkompressor 11400 integriert werden in Kühlsysteme, wie Kühler 11000, welcher ähnlich ist dem Kühler 10000, dargestellt in 71.
  • Der äußere Rotor 11408 und der innere Rotor 11402 des Kompressors 11403 drehen sich, komprimieren Dämpfe, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, wie dargestellt in den 53a bis j, so dass eine weitere Beschreibung übergangen werden kann. Wie angezeigt in 73, ist der Rotor angetrieben durch Ineinandergreifen eines großen inneren Zahnrades 11461 und eines kleinen äußeren Zahnrades 11460 mit der gleichen Getriebeübersetzung wie die Rotoren (in diesem Fall 4 : 5). Wie des Weiteren dargestellt in 73 weist Rotorkompressor 11400 eine stationäre zentrale Welle 11464 mit zwei Kröpfungen 11465 und 11466 auf. Ein Ende der stationären Welle 11464 ist befestigt an einem Drehgelenk 11470, welches die Welle 11464 am Rotieren hindert, aber schiefe ("angular") Änderungen ermöglicht. Das Drehgelenk könnte einfach einen befestigten Gummiblock 11470 (73) aufweisen, mit einer Öffnung im Zentrum, mit welcher die stationäre Welle verbunden ist.
  • Bezug genommen wird wieder auf Kompressor 11400, dargestellt in 73. Das andere Ende der stationären Welle 11464 ist angeordnet in einem sich drehenden Umlaufstützlager 11472. Das obere Ende des Kompressors weist eine stationäre Einströmplatte 11467 mit einer Einströmöffnung 11468 auf. Das untere Ende des Kompressors weist eine stationäre Ausströmplatte 11477 mit einer Ausströmöffnung 11478 auf wie gezeigt in 73. Auf jeder Seite der stationären Platten 11467 und 11477 sind rotierende, perforierte Platten 11480 und 11482 angeordnet, welche verbunden sind mit dem äußeren Rotor 11408. Obere rotierende perforierte Platte 11480 weist einen Einlass 11484 auf. Untere rotierende perforierte Platte 11482 weist einen Auslass 11486 auf. Jede Seite der rotierenden perforierten Platten 11480 und 11482 weist perforierte Gehäuseplatten 11403 und 11405 auf, welche es den Dämpfen erlauben, durch den oberen Einlass 11487 und den unteren Auslass 11410 herein- und herauszuströmen.
  • In einer weiteren Ausführungsform können die Gehäuseseitenwand 11430 und perforierte Gehäuseplatte 11405 weggelassen werden, durch Befestigen des Motors 10001 auf einem zusätzlichen Rahmen. Des Weiteren kann Gummiblock 11470 ersetzt werden durch den Mechanismus, welcher in den 74a bis d gezeigt ist.
  • 74a bis d zeigt ein Drehgelenk 11490, welches aufweist einen Ring 11491 mit zentraler Nabe 11492, welche verbunden ist durch Speichen 11493. Die äußere Oberfläche des Rings 11491 weist einen Teil einer Kugelfläche auf, welche es dem Ring ermöglicht, schräg zu rotieren innerhalb der Einströmöffnung 11487a der oberen Gehäuseplatte 11403. Stationäre Welle 11464 ist starr befestigt an der zentralen Nabe 11492. Um eine Rotation der stationären Welle 11464 zu verhindern, ist ein Stift 11494 eingesetzt in den Schlitz 11495 in der oberen Gehäuseplatte 11403. Bezug genommen wird wieder auf 73. Ein feiner Dampf aus Leitungswasser kann bereitgestellt werden durch die Gehäuseeinströmöffnung 11487, um den Kompressor zu kühlen und um die rotierenden Komponenten abzudichten. Überdruckventile 11488 sind vorzugsweise angeordnet, um große Druckdifferenzen zwischen dem Verdampfer 10038 und dem Kondensator 10025 auszugleichen. Große Druckdifferenzen könnten auftreten während des Starts, wenn der Verdampfer 10038 eine große Anzahl von nichtkondensierbaren Bestandtei len (z. B. Luft) aufweist. Dieses einzigartige Gelenk ermöglicht Änderungen sowohl in axialer, als auch in schräger Ausrichtung, während die Welle 11464 am Rotieren gehindert wird. Obwohl beschrieben in Verbindung mit der vorliegenden Ausführungsform, könnte dieses Gelenk verwendet werden für andere Anwendungen. Z. B. könnte das Flügelrad einer Kreiselpumpe angeordnet sein auf einer Welle, welche befestigt ist an dem Gehäuse unter Verwendung der Vorrichtungen, welche in den 74a bis d gezeigt sind.
  • Alternativ kann, wie in 77 dargestellt, ein Temperatursensor konstruiert werden aus dem flüssigkeitsenthaltenen Kolben 11322. Bei höheren Temperaturen erhöht sich der Dampfdruck der Flüssigkeit, was dazu führt, dass sich Faltenbalg 11320 ausdehnt und bewegt den gleitenden Ausströmöffnungsdeckel 9314 oder 11314 (61 bis 62 und 75 bis 76), Antrieb 9363 (58), Schieber 9375 (59) oder Schieber 9385 (60). Diese Bewegung wird ein Widerstand entgegengebracht durch Feder 11324, welcher den funktionellen Zusammenhang bestimmt zwischen Temperatur und Schieberposition.
  • 73 zeigt eine schematische Darstellung des Rotorkompressors 11400, welcher integriert ist in einen Kühler mit Verdampfung und Dampfkompression 11000. Bezugszeichen für Elemente in 73 beziehen sich auf entsprechende Elemente in 71, so dass eine weitere Beschreibung hiervon übergangen wird. Kühler 11000 arbeitet in ähnlicher Weise wie Kühler 10000, dargestellt in 71, mit der Ausnahme, dass ein elektrischer Motor 10001 direkt den Rotorkompressor antreibt. Keine flexible Kupplung wird benötigt, weil das Drehgelenk 11470 oder 11490 kleine Auslenkungen kompensiert. Diese Auslegung hat den Vorteil, dass beide Rotoren unterstützt sind an jedem Ende, im Gegensatz zu den anderen Ausle gungen, bei welchen einer oder mehrere der Rotoren freitragend waren. Des Weiteren sind die meisten Präzisionskomponenten (z. B. Kröpfungen 11465 und 11466) klein, so dass die Präzision relativ einfach erreicht werden kann. Im Gegensatz dazu benötigen viele andere Auslegungen präzise Gehäuse, welche teuer sein können, wegen ihrer Größe. Die in 73 gezeigte Auslegung ist tolerant gegenüber Ungenauigkeiten, wegen der Wellenbefestigungen 11470 oder 11490, welche Fehlausrichtungen erlauben.
  • Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, ist es ein wichtiger Vorteil des Rotorkompressors 11400, dass dieser keine Ventile aufweist und flüssiges Wasser gesprüht werden kann in den Kompressor, um Überhitzung auszuschließen. Der Rotorkompressor dieser Ausführungsform weist Dämpfe mit niedrigem Druck auf, welche am oberen Ende eintreten und Dämpfe mit hohem Druck, welche am unteren Ende austreten. Diese Anordnung ermöglicht es, flüssiges Wasser aus dem Kompressor abzuführen.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung weisen auf integrierte Systeme, welche Vorrichtungen verwenden, um Wasserdampf von den nichtkondensierbaren Bestandteilen zu trennen. In diesen Ausführungsformen wird durch direkten Kontakt mit gekühltem Wasser ein großer Teil des Wasserdampfes von den nichtkondensierbaren Strömen getrennt, wodurch der Partialdruck der nichtkondensierbaren Bestandteile erhöht wird, ohne Verwendung eines Kompressors. Diese Neuheit kann verwendet werden in einer einstufigen Einheit, welche geeignet ist für den Hausgerätemarkt oder sie kann verwendet werden in mehrstufigen Einheiten für große Gebäude.
  • Die Verwendung von gekühltem Wasser, um Wasserdampf zu kondensieren aus den nichtkondensierbaren Bestandteilen wurde vorgeschlagen in einer Untersuchung von der „Thermal Storage Applications Research Center" der Universität von Wisconsin, „The Use of Water as a Refrigerant", Bericht Nr. TSARC 92-1, März 1992. Jedoch schlug der Autor an dieser Stelle die Verwendung eines metallenen Wärmeaustauschers mit gekühltem Wasser auf einer Seite und kondensiertem Wasserdampf auf der anderen Seite vor. Dieser Einsatz weist schwere Nachteile auf, weil Temperaturdifferenzen benötigt werden für den Wärmetransport. Das hat zur Folge, dass ein Großteil des Wasserdampfes nichtkondensiert, weil die Temperatur nicht niedrig genug ist. Im Gegensatz dazu steht bei der Ausführungsform, dargestellt in 78, der Wasserdampf in direktem Kontakt mit gekühltem Wasser, was sehr kleine Temperaturgradienten erlaubt und sehr viel mehr Wasser abscheidet von den nichtkondensierbaren Bestandteilen.
  • Wie in 78 gezeigt, kann ein Abtrennen der nichtkondensierbaren Bestandteile erreicht werden durch ein Leiten des kondensierten Dampfes durch einen Abscheider oder eine gefüllte Säule, wobei gekühltes Wasser gegen den Strom fließt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Säule strukturierte Packungen auf, welche aus dünnen Lagen von PVC, wie CPVC, gefaltet in einem gewellten Muster, besteht. Alternativ kann eine ungeordnete Packung verwendet werden, wie Keramiksättel.
  • Das gekühlte Wasser kondensiert den Wasserdampf, was den Dampfdruck der nichtkondensierbaren Bestandteile erhöht. Z. B. wie in 78 gezeigt, wird angenommen, dass am unteren Ende der Säule die nichtkondensierbaren Bestandteile einen Partialdruck von ca. 0,04 psia aufweisen und der Wasserdampf druck im Kondensator ca. 0,616 psia (ca. 68°F) ist. Des Weiteren wird angenommen, dass am oberen Ende der Säule das gekühlte Wasser aus dem Verdampfer einen Dampfdruck von ca. 0,178 psia. (ca. 50°F) aufweist; unter der Annahme eines vernachlässigbaren Druckverlustes über die Säule weist der Gesamtdruck ca. 0,656 psia sowohl am oberen, als auch am unteren Ende der Säule auf. Deswegen ist der Partialdruck der nichtkondensierbaren Bestandteile am oberen Ende der Säule ca. 0,478 psia. Am unteren Ende der gepackten Säule ist das Verhältnis der Partialdrücke
  • Figure 01130001
  • Am oberen Ende der gepackten Säule ist das Verhältnis der Partialdrücke
  • Figure 01130002
  • Deswegen kann unter Verwendung dieser sehr einfachen Vorrichtung das Druckverhältnis der nichtkondensierbaren Bestandteile erhöht werden um einen Faktor von ca. 12, während gleichzeitig fast 98% des Wasserdampfes entfernt werden. Unter der Annahme, dass die Packung in der Lage ist, nahe des Gleichgewichts zu arbeiten, ist die benötigte Menge gekühlten Wassers
  • Figure 01130003
  • Basierend auf der Löslichkeit von Luft sowohl in gekühltem Wasser, als auch in Kondensatorwasser, ist die Massenflussrate der nichtkondensierbaren Bestandteile ca. 0,051 lb/h für eine Eintonnen(12000 Btu/h)-Klimaanlage. Deswegen ist die Flussrate des gekühlten Wassers für einen Wasserabscheider in einer Eintonnenklimaanlage
  • Figure 01140001
  • Untersuchungen zur Optimierung (siehe 3) zeigen, dass der beste Temperaturtausch für gekühltes Wasser, welches durch das Haus zirkuliert, bei 4°C (7°F) liegt; deswegen ist die benötigte Wasserflussrate für eine Eintonnenklimaanlage
  • Figure 01140002
  • Deswegen ist die Menge des gekühlten Wassers, welche durch den Abscheider fließt, nur ca. 0,8% des gekühlten Wassers, welches durch das Haus zirkuliert, was eine beinahe zu vernachlässigende Auswirkung auf die Kompressorleistungsanforderungen hat.
  • Eine Vielzahl von Kühlern kann gekühltes Wasser verwenden, um die nichtkondensierbaren Bestandteile zu entfernen, einschließlich des Systems, welches dargestellt ist in 73. Z. B. zeigt 79 ein Kühlsystem 12000 mit einstufigem Verdampfer, welcher einen Rotorkompressor verwendet, wie Rotorkompressor 11400, dargestellt in 73. Kühlsystem 12000 ist ähnlich dem Kühlsystem 11000 in 73, mit der Ausnahme, dass eine Rotorvakuumpumpe 12060 verwendet wird anstelle einer Vakuumpumpe 10060, um die nichtkondensierbaren Bestandteile zu entfernen.
  • 79 bis 81 zeigen eine Rotorvakuumpumpe 12060, welche ähnlich arbeitet wie der Hauptkompressor, jedoch sehr viel kleiner ist. Zum Beispiel weist der Hauptkompressor einer Eintonnenklimaanlage einen volumetrischen Fluss von ca. 470 ft3/min auf, während die Vakuumpumpe nur ca. 0,24 ft3/min umsetzen muss für eine identische Klimaanlage. Der zentrale Rotor 12003 ist befestigt am unteren Teil der Hauptantriebswelle 12004, während der äußere Rotor 12005 positioniert wird durch Führungsrollen 12006. Alternativ kann der äußere Rotor befestigt sein mit einem großen Kugellager. Ein Zahnrad am zentralen Rotor 12003 kann ein Zahnrad antreiben am äußeren Rotor 12005 – wie beim Hauptkompressor – oder der innere Rotor kann den äußeren Rotor direkt antreiben ohne zwischenliegendes Zahnrad. Weil das Kompressionsverhältnis relativ hoch ist (ca. 22 : 1), kann der Temperaturanstieg des Abgases drastisch sein; deswegen ist es von Vorteil, flüssiges Wasser 12220 in die Vakuumpumpe einzubringen. Die optimale Anordnung ist, flüssiges Wasser hinzuzugeben sofort nach dem Ansaugschritt des Zyklus. Genügend flüssiges Wasser kann hinzugegeben werden, um Hohlraumvolumen im Rotor aufzufüllen, wodurch es ermöglicht wird, sehr hohe Komprimierungsverhältnisse zu erreichen. Sowohl Luft mit Atmosphärendruck als auch flüssiges Wasser werden ausgestoßen von der Klimaanlage. Ein Kontrollventil 1230 ist vorzugsweise angeordnet in der Ausströmlinie, um ein Ausströmen von Atmosphärenluft in die Klimaanlage zu verhindern. Es besteht die Möglichkeit, einen Druckspeicher anzuordnen zwischen der Rotorvakuumpumpe und dem Kontrollventil, so dass das Kontrollventil nicht so schnell umschalten muss.
  • 79 zeigt eine schematische Darstellung des Rotorkompressors 11400 und der Rotorvakuumpumpe 12060, integriert in einen einstufigen Kühler 12000 mit Dampfkompression und Verdampfung. Elektrischer Motor 12001 treibt direkt Rotorkompressor 11400 an. Es wird keine flexible Kupplung benötigt, da das Drehgelenk 11470 leichte Fehlausrichtungen kompensiert. Der Rotorkompressor 11400 erzeugt ein Vakuum über dem Wasser 12015, welches es dazu bringt, zu verdampfen und abzukühlen. Unter Verwendung der Pumpe 12031 wird gekühltes Wasser 12015 gepumpt zur Packung 12035, welcher gegen den Strom in direktem Kontakt mit Hausluft steht, wodurch die Luft gekühlt wird. Das erwärmte Wasser 12036 wird gesaugt durch den Filter 12039 in den Verdampfer 12038, wo ein Teil davon verdunstet auf der Packung 12100, wodurch das Wasser gekühlt wird; die Flussrate ist reguliert durch Schwimmerventil 12037.
  • Wie gezeigt in 79, treibt Faltenbalg 12300 eine variable Ausströmöffnung 12011 an. In einer bevorzugten Ausführungsform treibt Motor 12310, welcher vorzugsweise ein Servomotor ist, eine nicht-rotierende Mutter 12320, welche den Faltenbalg 12331 bewegt, welcher wiederum Faltenblag 12300 antreibt, welcher die variable Ausströmöffnung 12011 anpasst. Alternativ könnte das in 77 gezeigte flüssigkeitsaufweisende Kolbensystem den Faltenbalg 12300 antreiben.
  • Wasser 12045 aus dem Kondensator 12025 wird entfernt durch Pumpe 12032 und geleitet, um über die Packung des Umgebungsluftaustauschers 12050 zu tropfen, in welchem Umgebungsluft entgegen dem Strom strömt, angetrieben durch Ventilator 12054. Während das Wasser durch die Packung fließt, wird es abgekühlt und nähert sich der Feuchttemperatur der Umgebungsluft. Das gekühlte Wasser 12051 wird gesaugt durch Filter 12052 und wird gezogen in den Kondensator 12025. Die Wasserflussrate wird reguliert durchs Schwimmventil 12053, welche das hereinkommende Wasser leitet, um über die Packung 12030 zu tropfen.
  • Weil sowohl gekühltes Wasser 12015 und Kondensatorwasser 12045 in direktem Kontakt mit Luft stehen, werden gelöste Gase entlassen in das Vakuum des Verdampfers 12038 und des Kondensators 12025. Die nichtkondensierbaren Gase werden sich ansammeln in Kondensator 12025; deswegen wird eine Vakuumpumpe oder ein Sauggebläse bereitgestellt. Wie in der Ausführungsform, welche in 47 gezeigt ist, aufgezeigt, wird vorzugsweise Rotorvakuumpumpe 12060 verwendet. Gekühltes Wasser 12210 fließt über die Packung 12200, um nichtkondensierbare Bestandteile zu entfernen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dies eine strukturierter Packung, welcher gewellte PVC-Blätter aufweist. Alternativ könnte es eine ungeordneter Packung mit Keramiksätteln sein. Ein Teil des Wassers 12220 kann gesprüht werden in Rotorvakuumpumpe 12060 zur Kühlung und zum Abdichten. Hinzu kommt, dass das Volumen des Wassers groß genug sein wird, um Hohlräume zu füllen im Rotor, was es ermöglicht, sehr hohe Komprimierungsverhältnisse zu erreichen. Ausstoß aus der Rotorvakuumpumpe 12060 ist gerichtet durch Kontrollventil 12230 und letztendlich in den Umgebungsaustausch 12050 geleitet.
  • Weil Wasser verdampft im Verdampfer 12038 und im Umgebungsluftaustauscher 12050, wird Auffüllwasser, wie Leitungswasser 12012 und 12013 hinzugegeben. Um Salze herauszuspülen, welche sich in dem System ansammeln würden, sind Überströmwehre 12085 und 12086 bereitgestellt.
  • Flüssiges Wasser wird vorzugsweise gesprüht in den Kompressor 11400, um Überhitzung auszuschließen. Der Rotorkompressor in dieser Offenbarung weist auf Dämpfe mit niedrigem Druck, welche am oberen Ende eintreten und Dämpfe mit hohem Druck, welche am unteren Ende austreten. Diese Anordnung erlaubt es, flüssiges Wasser aus dem Kompressor abzuführen. Der Rotor in dieser Ausführungsform weist keine Ausleger auf, was einen zuverlässigeren Betrieb ermöglicht.
  • Das Verfahren, welches verwendet wird, um die nichtkondensierbaren Bestandteile aus dem System zu entfernen, erlaubt die Verwendung eines Sauggebläses oder einer kleinen Vakuumpumpe, wie Pumpe 12060 und die anderen, die hier offenbart sind, weil der Wasserdampf zum größten Teil entfernt worden ist. Außerdem, weil es nicht notwendig ist, die Wasserdämpfe innerhalb der Vakuumpumpe zu kondensieren, kann sie mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden, was die Notwendigkeit einer Untersetzung ausschließt, ein mögliches Wartungsproblem.
  • Zusätzlich zur Vakuumpumpe 12060 ist diese Erfindung außerdem gerichtet auf andere einfache, effiziente und neue Vakuumpumpen, welche nichtkondensierbare Bestandteile entfernen können aus einem Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung oder verwendet werden können für andere Anwendungen, welche eine Vakuumpumpe benötigen. Diese neuen Vakuumpumpen weisen die ungewöhnliche Fähigkeit auf, isotherm eine Mischung aus nichtkondensierbaren und kondensierbaren Gasen zu komprimieren bis zu einem sehr hohen Komprimierungsverhältnis.
  • 81 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Vakuumpumpe. Wie dargestellt in 81, weist Vakuumpumpe 12402 zwei Säulen 12404a und 12404b auf, welche partiell gefüllt sind mit Flüssigkeit und verbunden sind durch eine untere verbindende Kammer 12405. Die beiden Säulen weisen Kontrollventile 12414a und 12414b und Einströmventile 12415a und 12415b an ihren oberen Enden auf. Die Flüssigkeit in jeder Säule wird zur Schwingung gebracht durch einen Kolben 12406, welcher angeordnet ist in der unteren verbindenden Kammer 12405, zwischen dem unteren Ende der Säulen 12404a und 12404b. In 81 ist der Kolben 12406 magnetisch und wird angetrieben durch ein magnetisches Feld, welches induziert wird durch elektrische Spule 12408. Federn 12410a und 12410b an jedem Ende 12407a und 12407b der unteren verbindenden Kammer 12405 fungieren als Haltepunkte. Wenn für den Kühler mit Dampfkompression und Verdampfung verwendet, ist die bevorzugte Flüssigkeit Wasser. Jedoch können für andere Vakuumpumpen Anwendungen nichtflüchtige Flüssigkeiten (z. B. Vakuumpumpenöl) verwendet werden, um ein hohes Vakuum zu erreichen.
  • Die Gas- und Dampfmischung wird eingeführt in den zentralen verbindenden Einströmkanal 12412. Ein Hubventil 12413 öffnet ein Einströmventil 12415a und schließt das andere Einströmventil 12415b, so dass das Gas/der Dampf geleitet wird zu der Säule, d. h., 12404a, in welcher sich die Flüssigkeit nach unten bewegt. Wasser wird kontinuierlich gesprüht durch Zerstäuber 12417a und 12417b in jede Wassersäule, was die Wassersprühstrahlen 12419a und 12419b erzeugt. In der Wassersäule, welche ansteigt (in diesem Beispiel, Säule 12404b), kondensieren Wasserdämpfe auf dem Wasserstrahl 12419b und die nichtkondensierbaren Gase werden komprimiert. Wenn das Wasser das obere Ende der Säule erreicht, öffnet das entsprechend Ventil 12414b und lässt überschüssiges Wasser und komprimierte nichtkondensierbare Gase austreten.
  • Eine andere Ausführungsform einer Vakuumpumpe, welche nützlich ist zur Entfernung nichtkondensierbarer Bestandteile oder für andere Anwendungen, ist dargestellt in 82. In dieser Ausführungsform verweisen gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente, welche in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben worden sind, so dass eine weitere Beschreibung übergangen werden kann. Wie in 82 gezeigt, ist Vakuumpumpe 12403 ähnlich im Aufbau und Betrieb dem vorhergehenden Kompressor 12402, mit der Ausnahme des Kolbens und der unteren verbindenden Kammer. Kolben 12422 ist angeordnet in der unteren verbindenden Kammer 12423 und ist verbunden mit Kolbenhubmagnet 12420 durch eine Welle 12424. Beim Kompressor 12403 ist Kolbenhubmagnet 12420 angebracht an einer festen Position und treibt Kolben 12422 vorwärts und rückwärts. Alternativ könnte Kolben 12422 verbunden sein mit einem Motor, welcher die Richtung wechselt, durch eine Gewindestange. In dieser dritten und ebenfalls neuen Ausführungsform wird Kolben 12422 vorwärts und rückwärts getrieben, wenn der Motor die Richtung ändert.
  • Die hier beschriebenen Kühler sind relativ einfach und geeignet für den Hausgebrauch. Um hohe Nebenkostenrechnungen zu reduzieren, können große Klimaanlagen noch komplexere Systeme verwenden, um eine größere Energieeffizienz zu erreichen. Folglich ist diese Erfindung auch gerichtet auf hocheffiziente mehrstufige Kühler, welche die neue Eigenschaft der mehrstufigen Kondensation zusammen mit der mehrstufigen Verdampfung verwendet. Obwohl ein mehrstufiges Drosseln bekannt ist bei herkömmlichen Klimaanlagensystemen, werden mehrstufige Verdampfer selten verwendet. Kompressoren, welche nützlich sind in mehrstufigen Kühlern schließen ein sowohl die neuen positiven Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, wie zuvor beschrieben, als auch herkömmliche dynamische Kompressoren. Diese Kühler verwenden außerdem neue Vorrichtungen zum Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile.
  • 83 zeigt ein solches energieeffizientes System, welches eine Vielzahl von Verdampferstufen verwendet. Verglichen mit einem einstufigen System, bei welchem das gesamte Wasser verdampft bei niedrigstem Druck, erlaubt der mehrstufige Verdampfer in einem Kühler 13000 mit Dampfkompression und Verdampfung, dass ein Teil des Wassers verdampft bei höheren Drücken, was die Komprimierungsenergie reduziert.
  • Es wird Bezug genommen auf 83. In einem Kühler 13000 mit Dampfkompression und Verdampfung steht gekühltes Wasser gegen den Strom in direktem Kontakt mit Luft aus dem Gebäude in einem Raumluftaustauscher 13110. Weil das Wasser kalt ist, kühlt es gleichzeitig die Luft und kondensiert Feuchtigkeit aus der Luft. Das erwärmte Wasser aus dem Raumluftaustauscher 13110 fließt gegen den Strom durch eine Reihe von Verdampfern 13120. Wasser verdampft in jedem Verdampfer, was dazu, dass die Flüssigkeit kälter wird in jeder nächstfolgenden Stufe. Sobald das Wasser vollständig gekühlt ist, kehrt es zurück zum Raumluftaustauscher 13110, mittels einer kalten Pumpe 13121.
  • Eine Vielzahl von Kompressoren 13130 werden so verwendet, dass Dämpfe gezogen werden können aus jedem Verdampfer. Um ein Überhitzen des Wassers zu reduzieren, kann Flüssigkeit direkt eingespritzt werden in die Kompressoren 13130, wie bei früheren Ausführungsformen beschrieben. Zentrifugale oder axiale Kompressoren vertragen im Allgemeinen keine Flüssig keitstropfen, so dass ein Zwischenkühlen erreicht werden kann durch Sprühen von Flüssigkeit 13125 in den Dampfraum des Verdampfers 13120. In diesem Fall dient die Verdampferkammer zweier Ziele. Sie ist ein Verdampfer und ein „Ent-Überhitzer". Als Flüssigkeit kann verwendet werden Leitungswasser oder Kühlturmwasser, was auch immer kälter ist.
  • Der Dampfausstoß aus dem letzten Kompressor 13130 ist gerichtet auf einen Kondensator 13160, wo er mit Wasser in Kontakt kommt, welches nahe der Feuchttemperatur der Umgebung ist. Während die Dämpfe auf dem Wasser kondensieren, steigt die Temperatur. Dieses heiße Wasser wird gepumpt aus dem Kondensator mittels Pumpe 13161 in einen Umgebungsluftaustauscher 13150 (Kühlturm).
  • Weil Wasser verdampft sowohl in den Verdampfern, als auch dem Umgebungsluftaustauscher, wird Auffüllwasser 13154 und 13155 bereitgestellt. Einfaches Leitungswasser ist vorgesehen als Auffüllwasser. Behandeltes Wasser sollte nicht notwendig sein, da keine Wärmeaustauschoberflächen bestehen. Salze werden sich ansammeln während der Verdampfung, so dass Salzwasserauslässe 13116 und 13117 bereitgestellt werden.
  • Nichtkondensierbare Gase werden gelöst im Wasser sowohl im Raumluftaustauscher 13110, als auch im Umgebungsluftaustauscher 13150. Diese Gase werden jeweils entlassen in die Niedrigdruckverdampfer 13120 und dem Kondensator 13160. Ein kleiner Kompressorkolonne 13170 wird Dämpfe ziehen aus dem Kondensator 13160, um die nichtkondensierbaren Gase zu entfernen. Zwischenkühlung wird bereitgestellt durch Sprühen von Wasser 13140 aus dem Raumluftaustauscher 13150 zwischen die Kompressorstufen, um die Wasserdämpfe zu kondensieren. Der Partialdruck der nichtkondensierbaren Bestandteile steigt mit jeder Stufe, bis er ca. 1 Atmosphäre erreicht und direkt in die Umgebungsluft ausgestoßen werden kann.
  • Die folgende Untersuchung beschreibt die Energieeffizienz des Systems in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Stufen.
  • Eine Stufe
  • Die Kompressorarbeit Wcomp pro Einheit absorbierter Wärme ist er Kehrwert des Koeffizienten der Leistung COP (coeffizient of performance)
    Figure 01230001
    wobei Temperaturen in 83 definiert sind und
    Wcomp = Arbeit des Kompressors
    Qevap = gesamte vom Verdampfer absorbierte Wärme
    COP = Koeffizient der Leistung
    T4 =Wassertemperatur beim Austritt aus dem Kondensator
    T1 =Wassertemperatur beim Austritt aus dem kältesten Verdampfer
    ηmotor = Effizienz des Motors
    ηcomp = Effizienz des Kompressors
    ηcycle = thermodynamische Effizienz des Zyklus relativ zum Carnot'schen Zyklus
    ΔThot : T4 – T5 = Temperaturdifferenz zwischen Wasser, welches aus dem Kondensator austritt und Wasser, welches aus dem Umgebungsluftaustauscher austritt
  • Die Arbeit der Kalten Pumpe ist:
    Figure 01240001
    wobei
    Wcold = Arbeit der Kaltwasserpumpe
    V = volumetrische Flussrate des Wassers durch die kalte Pumpe
    ΔP = durch die Pumpe erzeugte Druckdifferenzen
    ηp ump = Effizienz der Pumpe
    ρ = Dichte des Wassers
    CP =Wärmekapazität des Wassers
    ΔTcold = T6 – T1 = Temperaturdifferenz zwischen Wasser, welches aus dem Raumluftaustauscher austritt und Wasser, welches aus dem kältesten Verdampfer austritt
  • Wenn eine Turbine verwendet wird, um die Pumpenergieanforderungen zu senken, ist die Arbeit der kalten Pumpe
    Figure 01240002
    wobei
    ηturbine = Effizienz der Turbine
  • Die Arbeit der heißen Pumpe ist:
    Figure 01250001
    wobei 1/COP aus Gleichung 18 stammt. Wenn eine Turbine verwendet wird, um die Pumpenergieanforderungen zu senken, ist die Arbeit der heißen Pumpe:
  • Figure 01250002
  • Die gesamte Arbeit ist:
  • Figure 01250003
  • Zwei Stufen
  • Im Falle eines Zweistufenkompressors, unter der Annahme, dass jede Stufe die Hälfte der Last trägt, ist die Komprimierungsarbeit:
  • Figure 01250004
  • Wenn die gesamte Arbeit mit Gleichung 24 gestimmt wird, wird Gleichung 26 verwendet, um die Kompressor arbeit zu berechnen. Gleichung 21 für die kalte Pumpe wird die gleiche sein. Gleichung 23 für die heiße Pumpe ist die gleiche, mit Ausnahme, dass Gleichung 26 für 1/COP verwendet wird.
  • Drei Stufen
  • Im Fall eines Dreistufenkompressors (wie in 83 gezeigt), ist die Arbeit des Kompressors
  • Figure 01260001
  • Alle anderen Gleichungen und Vorgehensweisen sind die gleichen.
  • N Stufen
  • Man kann für einen n-Stufenkompressor wie folgt verallgemeinern:
  • Figure 01260002
  • Analyse
  • Dieses System wurde analysiert unter folgenden Annahmen:
    ηmotor = 0, 9 (große Effizienz wegen großem Maßstab)
    ηcomp = 0,8 (große Effizienz wegen großem Maßstab
    ηcycle = 0.97 (aus 21, "Reducing Energy Costs in Vapor-Compression Refrigeration and Air Conditioning Using Liquid Cycle – Part II: Performance", Mark Holtzapple, ASHRAE Transactions, Band 95, Teil 1, 187–198 (1989))
    ηpump = ηturbine = 0,5
    T1 = 285.4 K = 12°C = 54°F
    ΔTcold = 11 K = 20 F°
    ΔThot, = 4 K = 7 F°
    ρ = 1000 kg/m3
    Cp = 4189 J/(kg·K)
    ΔP = 101,330 Pa = 1 atm
  • 84 zeigt das Ergebnis der Untersuchung ohne Turbinen und 85 zeigt die Ergebnisse mit Turbinen. Zum Vergleich steht ein Wasserkühler gemäß dem Stand der Technik bereit von Trane (CFCs: "Today There Are Answers", 18, CFC-AR-TICLE-1, The Trane Company, 3600 Pammel Creek Rd., La Crosse W1, 54601–7599), welcher ca. 0,50 kW/t bei Standard-ARI-Bedingungen (kühle Seite ca. 44°F, am Verdampfer austretend, ca. 54°F am Verdampfer eintretend; heiße Seite ist ca. 85°F, am Kondensator eintretend (unsere T5), ca. 95°F aus dem Kondensator austretend; Kühlturm ist ca. 7°F genäherte Temperatur (ca. 78°F Feuchttemperatur). Gemäß 84 (keine Turbinen, drei Stufen), benötigt das offenbarte System mit T5 ca. 85°F (ca. 29,4°C) nur ca. 0,37 kW/t. Gemäß 85 (mit Turbinen, drei Stufen), benötigt das offenbarte System mit T5 ca. 85°F (ca. 29,4°C) nur ca. 0,35 kW/t. Deshalb liegt der Energieverbrauch eines mehrstufigen Kühlers mit Dampfkompres sion und Verdampfung bei ca. 70% des Energieverbrauchs eines Systems gemäß dem Stand der Technik.
  • Eine wichtige Überlegung ist die Auswirkung der nichtkondensierbaren Bestandteile auf das System. Eine Eintonneneinheit weist eine Last von nichtkondensierbaren Bestandteilen von ca. 0,0023 lb mol/h. auf. Wenn dessen Partialdruck in dem Kondensator ca. 0,05 psia ist, dann ist die theoretische benötigte Arbeit (unter der Annahme isothermer Komprimierung)
    Figure 01280001
    wobei
    Wpurge = benötigte Kompressorarbeit, um nichtkondensierbare Bestandteile zu entfernen
    n = Molzahl nichtkondensierbarer Bestandteile
    R = universelle Gaskonstante
    P2 = endgültiger Ausstoßdruck (Umgebungsdruck)
    P1 = Partialdruck der aufgenommenen nichtkondensierbaren Bestandteile
  • Wenn der Partialdruck der nichtkondensierbaren Bestandteile in dem Kondensator um ca. 0,01 psia reduziert wird, dann steigt die benötigte Arbeit um ca. 5,32 Watt/t. Unter der Annahme, dass der Kompressor mit ca. 50%iger Effizienz arbeitet, dann ist die benötigte Arbeit zum Ausstoßen der nichtkondensierbaren Bestandteile nur ca. 10 Watt/t, was innerhalb das „Rauschen" fällt.
  • Für einen sehr großen Kühler (ca. 300 bis ca. 2500 t), ist der Kompressor wahrscheinlich ein Kreiselkompressor. Um ein Gefühl für die Größenordnung zu bekommen, wird ein Kompressor mit niedrigem Druck ausgelegt, unter der Annahme einer 3-Kompressoren-500t-Einheit. Der Kompressor mit niedrigem Druck kann sogar mehrere Stufen aufweisen. Der benötigte Kopf pro Stufe ist:
    Figure 01290001
    wobei
    H = Kopf, ft·lbf/lbm
    MW = Molekülgewicht, 18 lbm/lb mol
    r = Kompressionsverhältnis, dimensionslos
    k = 1,323 für Wasser
    T1 = Einströmöffnung = 54°F = 514°R
  • Das Kompressionsverhältnis jeder Stufe in dem Niedrigdruckkompressor kann berechnet werden aus
    Figure 01290002
    wobei
    P2 = Ausstoßdruck des Niedrigdruckkompressors = 0,311 psia (geschätzt)
    P1 = Einströmdruck des Niedrigdruckkompressors = 0,202 psia (geschätzt)
    n = Anzahl Stufen im Niedrigdruckkompressor
  • Der Ausstoßdruck, P2, wurde berechnet als
    Figure 01300001
    wobei 0,744 psia der Druck in einem 92°F Kondensator ist.
  • 86 zeigt ein verallgemeinertes Kompressordiagramm, welches die Gebiete anzeigt, für welche Kolben-, Zentrifugal, Axial- und "Drag"-Kompressoren geeignet sind. Der verallgemeinerte Zusammenhang für einen Einstufenniedrigdruckkompressor wird aufgestellt in Abhängigkeit eines bestimmten Bedarfs Ns und eines spezifischen Durchmessers, DS, welche wie folgt definiert sind:
    Figure 01300002
    wobei
    N = Rotationsgeschwindigkeit, U/min
    Q = volumetrische Einströmrate, ft3/s
    n = Anzahl Stufen im Niedrigdruckkompressor
    H = Kopf, ft·lbf/lbm
    D = Durchmesser, ft
  • Der Volumenfluss am Einlass des Niedrigdruckkompressors für ein 3-Kompressoren-500t-System ist
  • Figure 01310001
  • Der Faktor von 1/3 ergibt sich, da der Niedrigdruckkompressor nur ein Drittel der Last trägt.
  • 86 zeigt, dass ein Zentrifugalkompressor mit NS = 60 und DS = 2 zu ca. 80% effizient ist. Unter Verwendung der Gleichungen 33 und 34, kann die korrespondierende Geschwindigkeit und Durchmesser berechnet werden.
  • Figure 01310002
  • Die Spitzengeschwindigkeit, ν, ist
    Figure 01310003
    wobei ν in ft/s angegeben ist.
  • 87 zeigt das Ergebnis der Kompressoranalyse. Die Spitzengeschwindigkeit für eine einzelne Stufe ist akzeptabel, da es eine Rotationsgeschwindigkeit ist, so dass eine einzige Stufe ausreichend sein sollte für den Niedrigdruckkompressor.
  • Vorteile dieses Systems schließen Effizienz ein. Hinzu kommt, dass die Wasserzusammensetzung nicht so wichtig ist, da keine wärmeaustauschenden Oberflächen vorhanden sind.
  • 88 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen mehrstufigen Kühlers, mehrstufiger Verdampfungskühler 13100.
  • Dieser Kühler ist ähnlich Kühler 13000, mit der Ausnahme, dass gefüllte Säulen 13180 verwendet werden, um Überhitzung auszuschließen. Bezugszeichen in 88 beziehen sich auf korrespondierende Elemente in 83, so dass eine weitere Beschreibung hiervon übergangen wird.
  • Bezug genommen wird nun auf 88. Um Überhitzung auszuschließen nach jeder Kompressorstufe, werden die aus dem Kompressor austretenden Dämpfe 13130 geleitet gegen den Strom durch eine gefüllte Säule 13100, durch welche flüssiges Wasser nach unten fließt. Obwohl Zentrifugalkompressoren verwendet werden können in diesen großskaligen Systemen, ist es außerdem möglich, große Rotorkompressoren zu verwenden. Die nichtkondensierbaren Bestandteile, welche sich ansammeln in dem Kondensator, werden gegen den Strom geleitet durch die gefüllte Säule 13180, in welcher gekühltes Wasser nach unten fließt, welches in direktem Kontakt mit dem Wasserdampf steht, welches den größten Teil des Wasserdampfes kondensiert, wie vorher beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform, wird eine strukturierter Packung aus gewählten PVC-Blättern, wie vorher beschrieben, verwendet. Die nichtkondensierbaren Bestandteile werden dann entfernt durch eine Vakuumpumpe, welche hier als mehrstufiger Kompressorzug 13170 gezeigt ist.
  • Ein noch effizienteres Klimaanlagensystem, Kühler 13200 mit Dampfkompression und Verdampfer ist gezeigt in 89. Bezugszeichen in 89 beziehen sich auf korrespondierende Elemente in 83, so dass eine weitere Beschreibung übergangen wird. Im Kühler 13200 werden sowohl mehrstufige Verdampfer 13120 und mehrstufige Kondensatoren 13160 verwendet. Hinzu kommt, dass mehrstufige gefüllte Säulen 13180 verwendet werden. Das Kühlwasser in den Kondensatoren 13160 fließt gegen den Strom zu dem Wasser in den Verdampfer 13120. Dies minimiert die Druckdifferenz zwischen den Verdampfern und den Kondensatoren, wodurch die höchste Energieeffizienz erzielt wird. Um ein Überhitzen in jedem Kompressor zu vermeiden und um Energieeffizienz zu fördern, kann flüssiges Wasser 13135 direkt gesprüht werden in den Kompressor 13130. Weil Hochgeschwindigkeitszentrifugalkompressoren durch flüssiges Wasser beschädigt werden können, wird vorzugsweise ein Rotorkompressor verwendet.
  • Die bevorzugten hier offenbarten Ausführungsformen schließen ein eine Zahl von Kühlsystemen, welche Wasser verwenden als Arbeitsflüssigkeit, eine Vielzahl von neuen positiven Verdrängungskompressoren mit niedriger Reibung, welche nützlich sind in den offenbarten Kühlern und für andere Anwendungen, und eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Entfernen nichtkondensierbarer Bestandteile; jedoch sind die speziellen Ausführungsformen und Eigenschaften, hier nur offenbart als Beispiel und sind nicht gedacht als Beschränkung für die Anwendung der Erfindung. Dem Fachmann ist bekannt, dass die verschiedenen Kompressoren angepasst werden können an die Verwendung in den verschiedenen offenbarten Kühlsystemen, wie auch für andere Anwendungen und dass sie in keiner Weise beschränkt sind auf die spezifischen Kühlsysteme, mit welchen sie dargestellt sind. Hinzu kommt, wie dem Fachmann bekannt ist, dass der veränderliche Schließmechanismus, die Dichtungen, die Montierungen und andere neue Komponenten der verschiedenen, hier offenbarten Kompressoren einfach untereinander ausgetauscht werden können durch einen Fachmann, wie auch die verschiedenen neuen Vakuumpumpen und Kompressoren, welche nützlich sind zum Entfernen der nichtkondensierbaren Bestandteile. Hinzu kommt, dass Vorrichtungen zum Begrenzen von Mikroorganismen, wie ein Ozongenerator in jedes der offenbar ten Systeme eingebaut werden kann. Es wird vom Durchschnittsfachmann leicht verstanden, dass Änderungen und Abwandlungen jeder der offenbarten Ausführungsformen einfach gemacht werden kann, innerhalb der Gültigkeit dieser Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche beschrieben.

Claims (59)

  1. Eine Klimaanlage (100; 101) mit Verdampfung und Dampfkompression mit: einem Verdampfer (120); einem Raumluftaustauscher (102), um direkt Wärme zwischen der Raumluft und einer Wassermenge von dem Verdampfer auszutauschen (120); einer Vorrichtung zum Komprimieren eines Wasserdampfwolumens (130), wobei ein Vakuum über dem Wasser in dem Verdampfer (120) erzeugt wird, wobei diese Vorrichtung zum Komprimieren (130) einen positiven Verdrängungskompressor aufweist, wobei der Kompressor (130) eine Einström- und Ausströmöffnung besitzt, und wobei Wasserdampf mit niedrigem Druck von dem Verdampfer in die Einsströmöffnung eindringt und komprimierter Wasserdampf aus der Ausströmöffnung austritt; einen Kondensator (140; 160), der den komprimierten Wasserdampf aufnimmt; einer Vorrichtung, welche den Wassergehalt des Dampfes reduziert, der aus dem Kondensator ausströmt; einer Vorrichtung, welche die nicht kondensierbaren Bestandteile von dem Kondensator (170) entfernt; und einem Umgebungsluftaustauscher (150) zum direkten Austausch der Wärme zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser von dem Kondensator (140; 160).
  2. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei der positive Verdrängungskompressor (130) ein Kompressor mit geringer Reibung ist, der mindestens zwei komprimierende Komponenten aufweist, wobei die komprimierenden Komponenten einander nicht berühren.
  3. Anlage gemäß Anspruch 2, wobei die komprimierenden Komponenten aufweisen: einen inneren Rotor (9302), einen äußeren Rotor (9308) und ein Gehäuse (9301); eine Umlaufrolle (8004), eine stationäre Rolle (8003) und ein Gehäuse; ein Gehäuse (10615) und einen Kolben (10610); ein Gehäuse, einen Rotor und eine Klappe; eine innere Trommel (7302), eine äußere Trommel (7301) und einen schwingenden Flügel (7308); oder ein Gehäuse (6301), einen Rotor (6307) und einen gleitenden Flügel (6308), und wobei es einen Zwischenraum zwischen mindestens zwei der komprimierenden Komponenten gibt.
  4. Anlage gemäß Anspruch 3, wobei Wasser als Abdichtung in dem Zwischenraum benutzt wird.
  5. Anlage gemäß Anspruch 3, wobei Wasser und ein Docht (3324) als Abdichtung benutzt wird.
  6. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Komprimieren von Wasserdampf einen Rotorkompressor (9400) aufweist, der Kompressor einen inneren (9402) und einen äußeren Rotor (9408) aufweist, der innere Rotor (9402) sich innerhalb des äußeren Rotors (9408) befindet und jeder Rotor (9402; 9408) eine Vielzahl von Zähnen aufweist, wobei der innere Rotor (9402) einen Zahn weniger als der äußere Rotor (9408) aufweist, und wobei ein Hohlraumvolumen zwischen dem inneren (9402) und dem äußeren Rotor (9408) erzeugt wird.
  7. Anlage gemäß Anspruch 6, wobei der Rotorkompressor überdies eine Einströmöffnung (9410) und eine Ausströmöff nung (9468) aufweist und die Öffnungen mit dem Hohlraumvolumen in Verbindung stehen.
  8. Anlage gemäß Anspruch 7, wobei die Ausströmöffnung (9468) einen veränderlichen Öffnungsmechanismus aufweist, der die Position der Vorderkante der Ausströmöffnung verändert.
  9. Anlage gemäß Anspruch 8, wobei der veränderliche Öffnungsmechanismus durch eine elektrisch gesteuerte Vorrichtung positioniert wird.
  10. Anlage gemäß Anspruch 9, wobei die elektrisch gesteuerte Vorrichtung durch ein Thermoelementsignal gesteuert wird.
  11. Anlage gemäß Anspruch 7, wobei der veränderliche Öffnungsmechanismus einen elektrisch gesteuerten Servomotor (11310) aufweist, der Motor (11310) eine Gewindestange (11318), einen Faltenbalg (11321) und eine nicht rotierende Mutter (11319), die an dem Faltenbalg (11321) angebracht ist, rotieren lässt und die Gewindestange (11318) mittig auf der nicht rotierenden Mutter (11319) positioniert ist.
  12. Anlage gemäß Anspruch 7, wobei der veränderliche Öffnungsmechanismus eine Vielzahl von Platten (9360) aufweist, die sich nebeneinanderliegend an der Ausströmöffnung und an der Vorrichtung für das fortlaufende Bewegen der Platten befinden, um die Vorderkante der Ausströmöffnung zu verändern.
  13. Anlage gemäß Anspruch 7, wobei der veränderliche Öffnungsmechanismus durch einen Faltenbalg (12300) positioniert wird und der Faltenbalg (12300) durch einen Kolben (11322) mit Flüssigkeit bewegt wird und sich in der Kolbenflüssigkeit Dampfdruck befindet, der den Faltenbalg bewegt.
  14. Anlage gemäß Anspruch 6, wobei das Wasser in den Rotorkompressor gesprüht wird.
  15. Anlage gemäß Anspruch 6, die weiterhin aufweist: einen elektrischen Motor (10001) für den Antrieb des Rotorkompressors, eine erste Pumpe (10060), um gekühltes Wasser von dem Verdampfer zu einer Packung (10050) in dem Raumluftaustauscher zu pumpen, ein Filter (10052), der zwischen dem Raumluftaustauscher und dem Verdampfer angeordnet ist, wobei Wasser von dem Raumluftaustauscher durch den Filter zum Verdampfer fließt, eine zweite Pumpe (10032), um Wasser von dem Kondensator (10025) zu einer Packung in dem Umgebungsluftaustauscher zu pumpen und ein Ventilator (10059), um die Umgebungsluft entgegen dem Strom gegen die Packung (10050) zu treiben.
  16. Anlage gemäß Anspruch 6, wobei der Rotorkompressor (10000) ein Antriebsgerät aufweist, um die Reibung zu vermindern.
  17. Anlage gemäß Anspruch 16, wobei eine erste Antriebswelle (9351) den äußeren Rotor (9308) in Bewegung setzt und wobei das Antriebsgerät ein inneres Schaltgetriebe (9350) mit einer Vielzahl von Stirnrädern (9353; 9354; 9355) aufweist, und die Stirnräder aus einer ungeraden Zahl bestehen, wobei eines der Stirnräder (9355) an die erste Antriebswelle (9352) und ein anderes Stirnrad (9354) an eine zweite Antriebswelle (9352) gekoppelt ist und die zweite Antriebswelle (9352) seitlich zur ersten Antriebswelle (9351) versetzt ist, wobei das Schaltgetriebe (9350) zwischen der ersten Antriebswelle (9351) und der zweiten Antriebswelle (9352) schwebend gehalten wird und wobei die erste Antriebswelle (9351) an den äußeren Rotor (9308) durch eine Platte (9320) gekoppelt ist, die eine Vielzahl von Zähnen (9321) in Verbindung mit einer Vielzahl von Löchern in dem äußeren Rotor (9308) aufweist, und wobei die zweite Antriebswelle (9352) an den inneren Rotor (9302) gekoppelt ist.
  18. Anlage gemäß Anspruch 16, wobei eine erste Antriebswelle (10351) den äußeren Rotor (10308) antreibt und wobei das Antriebsgerät eine Reihe von Stirnrädern eines großen Getriebes (10361) hat, das an den äußeren Rotor (10308) gekoppelt ist, und das große Getriebe (10361) eine Vielzahl von Zähnen Innendurchmesser aufweist und ein kleines Getriebe (10360), das an den inneren Rotor (10302) gekoppelt ist, wobei das kleine Getriebe (10360) eine Vielzahl von Zähnen Außendurchmesser aufweist, wobei das große Getriebe (10261) mit dem kleinen Getriebe (10360) ineinander greift, und überdies eine zweite Welle hat, um die sich der innere Rotor (10302) dreht, wobei die zweite Welle (10375) eine Kröpfung aufweist, die einen Versatz zwischen der ersten Welle (10351) und der zweiten Welle (10375) bildet.
  19. Anlage gemäß Anspruch 18, wobei die Getriebe in Wasser eingetaucht sind.
  20. Anlage gemäß Anspruch 18, die überdies ein Getriebe aufweist, das an einem unteren Abschnitt des inneren Rotors angebracht ist und das einen Leistungsantrieb erlaubt.
  21. Anlage gemäß Anspruch 16, wobei das Antriebsgerät eine Vielzahl von Rollen (9561) aufweist, die inneren Rotor (9502) angebracht sind, wobei die Rollen (9561) sich über mehrere Wände des inneren Rotors (9502) ausbreiten und mit dem äußeren Rotor (9508) in Verbindung stehen, und wobei der äußere Rotor (9508) den inneren Rotor (9502) durch die Rollen (9561) antreibt.
  22. Anlage gemäß Anspruch 21, wobei der innere Rotor (9502) an einer drehbaren Welle (9564) angebracht ist und sich die drehbare Welle bis außerhalb des Kompressorgehäuses erstreckt.
  23. Anlage gemäß Anspruch 16, wobei das Antriebsgerät aufweist: ein großes Getriebe (9461), das an den äußeren Rotor (9408) gekoppelt ist, wobei das große Getriebe (9461) eine Vielzahl von Zähnen an einem Innendurchmesser aufweist, und ein kleines Getriebe (9460), das an den inneren Rotor (9402) gekoppelt ist, wobei das kleine Getriebe (9460) eine Vielzahl von Zähnen an einem Außendurchmesser aufweist, und wobei das große Getriebe mit dem kleinen Getriebe ineinander greift, und eine stationäre zentrale Welle (9464), wobei die stationäre zentrale Welle (9464) zwei Kröpfungen (9465) aufweist, die eine Versetzung zwischen einer Achse des inneren Rotors (9402) und einer Achse des äußeren Rotors (9408) erzeugen, und wobei die stationäre Welle (9464) eine erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der stationären Welle (9464) an einer ersten perforierten Gehäuseendplatte durch ein Drehgelenk, das die Rotation der stationären Welle (9464) verhindert, angebracht ist und wobei das zweite Ende der stationären Welle (9464) in einem Umlaufstützlager, das an dem äußeren Rotor (9408) gekoppelt ist, angeordnet ist.
  24. Anlage gemäß Anspruch 23, wobei der Rotorkompressor (9400) überdies aufweist: eine zweite perforierte Gehäuseplatte (9403), eine erste perforierte Rotationsplatte und eine zweite perforierte Rotationsplatte, wobei beide Rotationsplatten mit dem äußeren Rotor (9408) verbunden sind, und eine erste stationäre Platte (9467) und zweite stationäre Platte, die beide an den äußeren und dem inneren Rotor anliegen, und wobei die erste stationäre Platte eine Einsströmöffnung (9410) und die zweite stationäre Platte (9467) eine Ausströmöffnung (9468) aufweist.
  25. Anlage gemäß Anspruch 23, wobei die Getriebe in Wasser eingetaucht sind.
  26. Anlage gemäß Anspruch 1, die weiterhin eine Vorrichtung aufweist, die verhindert, dass Mikroorganismen in das Wasser in dem Raumluftaustauscher (102) gelangen.
  27. Anlage gemäß Anspruch 26, wobei die Vorrichtung gegen das Eindringen von Mikroorganismen einen Ozongenerator oder eine UV-Strahlung aufweist.
  28. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Entfernen von nicht kondensierbaren Bestandteilen ein Sauggebläse (170) aufweist.
  29. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Entfernen von nicht kondensierbaren Bestandteilen eine Vakuumpumpe (10060) aufweist.
  30. Anlage gemäß Anspruch 29, wobei die Vakuumpumpe (10060) aufweist: einen Zylinder (10615), einen Kolben (10610), der sich in dem Zylinder befindet (10615), ein Einlassventil (10615), das sich in dem Zylinder befindet, einen Zerstäuber (10602), der Wasser in den Zylinder (10615) der Vakuumpumpe (10060) zieht, und eine Entlüftung, die sich in dem Zylinder für das Entfernen von nicht kondensierbaren Bestandteilen und überschüssigem Wasser befindet, wobei die Vakuumpumpe von einem Getriebe (8065), das an einer Hauptantriebswelle (8007) befestigt ist, angetrieben wird, und wobei das Getriebe (8065) mit einer Vielzahl von Untersetzungsgetrieben (8066; 8067) verbunden ist, wobei eine erste Nockenoberfläche (8073a) und eine zweite Nockenoberfläche (8073b) auf einem der Untersetzungsgetrieben (8066) befestigt sind, und wobei eine erste Rolle (8070) über die erste Nockenoberfläche (8073b) und eine zweite Rolle über eine zweite Nockenoberfläche abrollen, und wobei die erste Rolle (8070) den Kolben (8071) und die zweite Rolle das Einlassventil (8075) antreibt.
  31. Anlage gemäß 29, wobei die Vakuumpumpe (10060) aufweist: einen Zylinder (10615), einen Kolben (10610) im Zylinder (10615), eine Kurbel (10601), ein Kontrollventil (10614), das in dem Zylinder (10615) angeordnet ist, und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Wasser (10602) in dem Zylinder (10615) der Vakuumpumpe (10060), wobei der Kolben (10610) von der Kurbel (10601) in eine erste und eine zweite Richtung angetrieben wird, und wobei der Kolben (10610) aufweist: ein erstes Ende, ein zweites Ende, eine Vielzahl von Nuten (10613), eine Vielzahl von Perforationen (10611), die sich von dem ersten Ende bis zu dem zweiten Ende erstrecken, und eine flexible Klappe (10612), die an dem zweiten Ende des Kolbens (10610) angebracht ist und eine oder mehrere Perforationen (10611) abdeckt, wobei die Klappe (10612) sich öffnet, wenn sich der Kolben (10610) in die erste Richtung bewegt und schließt wenn sich der Kolben (10610) in die zweite Richtung bewegt.
  32. Anlage gemäß Anspruch 29, wobei die Vakuumpumpe eine Rotorvakuumpumpe (12060) ist, die einen äußeren (12005) und einen zentralen Rotor (12003), der innerhalb des äußeren Rotors (12005) angeordnet ist, aufweist, wobei der zentrale Rotor (12003) an einer Hauptantriebswelle (12004) befestigt ist und der äußere Rotor (12005) durch eine Vielzahl von Führungsrollen (12006) positioniert ist.
  33. Anlage gemäß Anspruch 29, wobei die Vakuumpumpe eine Rotorvakuumpumpe ist, die einen äußeren (12005) und einen zentralen Rotor (12003), der innerhalb des äußeren Rotors (12005) angeordnet ist, aufweist, wobei der zentrale Rotor (12003) an einer Hauptantriebswelle befestigt ist und der äußere Rotor (12005) innerhalb eines einzelnen Kugellagers befestigt ist.
  34. Anlage gemäß Anspruch 29, wobei die Vakuumpumpe folgendes aufweist: eine erste Säule (12404a) und eine zweite Säule (12404b), wobei die Säulen (12404a; 12404b) teilweise mit Flüssigkeit gefüllt sind und einen Verdampfungsraum aufweisen; eine Vorrichtung, welche die Flüssigkeit in den Säulen (12404a; 12404b) zum Schwingen (12406; 12408) bringt; eine Einlassvorrichtung (12412), um nicht komprimiertes Gas in jede der Säulen (12404a; 12404b) einströmen zu lassen; eine Auslassvorrichtung (12414a; 12414b), um komprimiertes Gas von jeder der Säulen (12404a; 12404b) ausströmen zu lassen; und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von feinen Flüssigkeitspartikeln (12417a; 12417b) in den Verdampfungsraum der ersten und der zweiten Säule (12404a; 12404b).
  35. Anlage gemäß Anspruch 3, wobei die Kompressorvorrichtung einen Rollenkompressor (8000) aufweist.
  36. Anlage gemäß Anspruch 3, wobei die Kompressorvorrichtung aufweist: eine äußere Trommel (7301) mit einer Achse (7382); eine innere rotierbare Trommel (7308), die in der äußeren Trommel (7301) angeordnet ist; eine Vielzahl von Flügeln (7302), wobei jeder Flügel (7308) ein erstes Ende und ein zweites Ende, das entgegengesetzt zum ersten Ende ist, aufweist, und die Flügel (7308) an der inneren Trommel (7302) schwenkbar um das erste Ende angebracht sind und eine Flügelspitze (7372) zweiten Ende aufweisen, wobei die Flügelspitzen (7372) während der Rotation der inneren Trommel (7302) radial nach außen geschwungen werden; eine Kurbelstange (7370), welche an die Flügelspitze (7372) gekoppelt ist, wobei die Stangen (7370) einen Zwischenraum zwischen den Flügelspitzen und der äußeren Trommel (7301) halten; und eine Kupplungsvorrichtung, um die Kurbelstangen um die Achse der äußeren Trommel drehen zu lassen.
  37. Anlage gemäß Anspruch 2, wobei die Kompressorvorrichtung aufweist: ein Kompressorgehäuse (6301) mit einer inneren Wand, einer Einström- und Ausströmöffnung; einen Rotor (6302), der in dem Gehäuse (6301) angeordnet ist; eine Klappe (6308), wobei die Klappe (6308) ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende an den Rotor gekoppelt ist und das zweite Ende während der Rotation des Rotors (6302) nach außen geschwungen wird; und eine Vorrichtung, die verhindert, dass das zweite Ende der Klappe die innere Wand des Gehäuses berührt.
  38. Anlage gemäß Anspruch 2, wobei die Kompressorvorrichtung ein Kolbenkompressor (230) ist und folgendes aufweist: ein Kompressorgehäuse (290); eine schwingende Zentralwelle (232), die sich teilweise in dem Gehäuse (230) befindet, wobei die Welle (232) eine oberes und unteres Ende aufweist und, wobei das obere Ende einen Vorsprung aufweist, der in einer sinusförmigen Nut in einer rotierenden Nocke, die durch einen Motor (238) angetrieben wird, läuft; und wenigstens eine Platte (244), die sich in dem Gehäuse (290) befindet und an der Welle (232) befestigt ist und dit schwingt, und wenigstens eine Platte (244) mit einer Nut (246) durch die Wasser fließt, um den Zwischenraum zwischen dem Kompressorgehäuse (290) und den Platten (244) abzudichten.
  39. Anlage gemäß Anspruch 38, wobei die Nocke eine Vielzahl von sinusförmigen Nuten (237) aufweist.
  40. Anlage gemäß Anspruch 1, welche drei konzentrische Kammern (210; 211; 212) aufweist, wobei der Umgebungsluftaustauscher in der äußersten Kammer (212) der konzentrischen Kammern, und die Kompressorvorrichtung und der Verdampfer in der innersten Kammer (210) der konzentrischen Kammern und der Kondensator in einer mittleren konzentrischen Kammer (211) angeordnet sind.
  41. Anlage gemäß Anspruch 1, welche zwei konzentrische Kammern aufweist, wobei der Umgebungsluftaustauscher (150) in der äußersten Kammer der konzentrischen Kammern und die Kompressorvorrichtung (130), der Verdampfer (120) und der Kondensator (140; 160) in der innersten konzentrischen Kammer angeordnet sind.
  42. Anlage gemäß Anspruch 1, welche weiterhin eine Vorrichtung zum Bereitstellen von zusätzlichem Wasser (10012; 10013) für den Verdampfer (120) und den Kondensator (140; 160) aufweist.
  43. Anlage gemäß Anspruch 42, wobei die Vorrichtung zum Bereitstellen von zusätzlichem Wasser (10012; 10013) ein oder mehrere Schwimmerventile (3227) aufweist.
  44. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei der Raumluftaustauscher (102) einen Sprüher (106) aufweist, um Wasser von dem Verdampfer in Kontakt mit der Raumluft zu versprühen.
  45. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei der Raumluftaustauscher (102) eine Packung (8035) enthält und das Wasser von dem Verdampfer über die Packung geleitet wird, und die Raumluft durch die Packung (8035) geleitet wird.
  46. Anlage gemäß Anspruch 45, wobei die Packung (8035) gewellte chlorinierte Polyvinylchloride aufweist.
  47. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator ein Sprühkondensator (160) ist.
  48. Anlage gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator ein Einspritzkondensator (140) ist.
  49. Verfahren zur Luftabkühlung, das folgende Schritte aufweist: Komprimieren einer großen Menge von Niederdruckwasserdampf mit einem Kompressor (130), wobei ein Vakuum über einer Wassermenge in einem Verdampfer (120) erzeugt wird und dadurch eine Verdampfung und Abkühlung des Wassers erfolgt; Abpumpen von gekühltem Wasser aus dem Verdampfer und Austauschen des gekühlten Wassers mit der Raumluft in einem Raumluftaustauscher (102) gegen den Strom, wobei eine Abkühlung der Raumluft erfolgt; Weiterleiten von Wasser aus dem Raumluftaustauscher (102) an den Verdampfer (120), wodurch Wasser versprüht und abgekühlt wird; Weiterleiten von komprimiertem Wasserdampf aus dem Kompressor (130) zu dem Kondensator (140; 160) zur Kondensation; Direkter Austausch von Wasserdampf aus dem Kondensator mit einem Strom von abgekühltem Wasser aus dem Verdampfer (120) entgegen den Strom, um die Luftfeuchtigkeit zu vermindern; Entfernen von nicht kondensierbaren Bestandteilen aus dem Kondensator (140; 160); Weiterleiten von flüssigem Wasser aus dem Kondensator (140; 160) an einen Umgebungsluftaustauscher (150), wobei Umgebungsluft sich gegen den Strom mit flüssigem Wasser aus dem Kondensator (140; 160) austauscht; Bereitstellen von zusätzlichem Wasser (10012); 10013), um verdampftes Wasser zu ersetzen und Salzwasser zu entfernen.
  50. Verfahren gemäß Anspruch 49, wobei der Kompressor ein positiver Verdrängungskompressor (130) ist.
  51. Verfahren gemäß Anspruch 50, wobei der positive Verdrängungskompressor (130) ein Kompressor mit niedriger Reibung ist und wenigstens zwei komprimierende Komponenten hat, wobei die komprimierenden Komponenten einander nicht berühren.
  52. Verfahren gemäß Anspruch 49, das weiterhin den Schritt aufweist, bei welchem Wasser in den Kompressor (130) gesprüht wird, um einen Temperaturanstieg während der Kompression zu verhindern.
  53. Verfahren gemäß Anspruch 49, wobei die Kondensation in mehreren Schritten abläuft.
  54. Verfahren gemäß Anspruch 49, wobei Wasser aus dem Raumluftaustauscher entgegen den Strom durch eine Vielzahl von Verdampfern fließt.
  55. Verfahren gemäß Anspruch 49, wobei sowohl die Verdampfung als auch die Kondensation in vielen Schritten abläuft.
  56. Verfahren gemäß Anspruch 49, wobei nicht kondensierbare Bestandteile von einer Vielzahl von Kompressoren entfernt werden.
  57. Verfahren zur Luftabkühlung das folgende Schritte aufweist: Komprimieren einer großen Menge von Niederdruckwasserdampf in einer Mehrzahl von Kompressorstufen, wobei ein Vakuum über einer Wassermenge in einer Mehrzahl von Verdampfern (13120) erzeugt wird, wodurch eine Abkühlung des Wassers erfolgt; Abpumpen von abgekühltem Wasser aus den Verdampfern und Austausch von abgekühltem Wasser mit Raumluft in einem Raumluftaustauscher (13110) entgegen dem Strom, wobei die Raumluft abkühlt; Weiterleiten von Wasser aus dem Raumluftaustauscher an die Verdampfer (13120), wodurch Wasser versprüht und abgekühlt wird; Weiterleiten von komprimiertem Wasserdampf, der aus der letzten Kompressionsstufe austritt, an einen Kondensator (13160) zur Kondensation; Direkter Gegenstromaustausch von Wasserdampf aus dem Kondensator (13160) mit einem Strom abgekühlten Wassers aus wenigsten einem Verdampfer (13120), um die Luftfeuchtigkeit zu vermindern; Entfernen von nicht kondensierbaren Bestandteilen aus dem Kondensator (13160); Weiterleiten von Flüssigkeit aus dem Kondensator an den Umgebungsluftaustauscher (13110), wobei sich Umgebungsluft entgegen den Strom mit Wasser aus dem Kondensator (13160) austauscht; Bereitstellen von zusätzlichem Wasser (10012; 10013), um verdampftes Wasser zu ersetzen und Salzwasser zu entfernen.
  58. Verfahren gemäß Anspruch 57, wobei die Kondensation in mehreren Stufen stattfindet.
  59. Verfahren gemäß Anspruch 57, wobei die Kompressionsstufen einen positiven Verdrängungskompressor oder einen dynamischen Kompressor aufweisen.
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