EP3152441A1 - Kompressionskältemaschine mit spindelverdichter - Google Patents

Kompressionskältemaschine mit spindelverdichter

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Publication number
EP3152441A1
EP3152441A1 EP15727635.3A EP15727635A EP3152441A1 EP 3152441 A1 EP3152441 A1 EP 3152441A1 EP 15727635 A EP15727635 A EP 15727635A EP 3152441 A1 EP3152441 A1 EP 3152441A1
Authority
EP
European Patent Office
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refrigerant
spindle
compressor
rotor
inlet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15727635.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Steffens
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3152441A1 publication Critical patent/EP3152441A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/48—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F04C18/54—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C18/56—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/565—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C28/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
    • F04C28/08—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by varying the rotational speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/19—Temperature

Definitions

  • Drying compressors are gaining in importance in industrial compressor technology, because of increasing obligations in environmental regulations and rising operating and disposal costs and increased demands on the purity of the medium, the known wet-running compressor, such as liquid ring machines, rotary vane pumps and oil or water-injected screw compressors, more and more replaced by dry compacting machines. These machines include dry screw compressors, claw pumps, diaphragm pumps, piston pumps, scroll machines and Roots pumps. However, these machines have in common that they still do not meet today's demands in terms of reliability and robustness and size and weight while maintaining low price level and satisfactory efficiency.
  • dry-compacting spindle machines can be used both for applications in vacuum and for overpressure, the power requirement in the overpressure is naturally significantly higher, because in the overpressure range with final pressures well above 2 bar (absolute) up to 15 bar and even higher significantly greater pressure differences to be overcome.
  • the object of the present invention is to operate the refrigerant compressor without operating fluid in the working space with improved efficiency for a compression refrigeration machine at the same time increased reliability even for high network working pressures with only one compressor machine at the same time highly flexible and easy power adjustment and at least partially hermetically sealed construction and at the same time the lowest possible noise.
  • the refrigerant compressor is designed as a multistage screw compressor machine (1), which transports preferably non-parallel axes of rotation, the gaseous refrigerant without operating fluid in the working space from the inlet (10) to the outlet collecting space (13), wherein the spindle rotors (2) and (3) as well as the surrounding compressor housing (8) by means of their own refrigerant evaporator (6) and (7) and (9) via respective regulatory organs (16), (17), (18.1 and 18.2) , (21), (22) and (23) in terms of pressure level and flow rate via a partial flow branch (25) of liquid refrigerant are each selectively cooled so that the clearance distances between the spindle rotors (2 and 3) and the compressor housing (8) remain unchanged for all operating conditions within desired limits, wherein the height of the network working pressures over the executed number of stages as a series connection ng of working chambers between the 2-toothed rotor (2) and the 3-toothed rotor (3) is realized
  • the spindle compressor works without own operating fluid in the working space, which is a significant advance over the prior art, because in the comparable screw compressors, an oil is needed as operating fluid in the working space.
  • the spindle compressor achieves the desired compression values by virtue of its multi-stage design in only one machine, so that, compared to the state of the art, it is no longer necessary to use two compressor machines at higher pressure values.
  • the spindle compressor is directly executable by its proposed design as a hermetically sealed machine and is thermodynamically always on the safe side.
  • Fig. 1 shows an example of the present invention, the schematic representation of the refrigerant circuit of a compression refrigeration machine with the screw compressor as a working machine.
  • both the flow direction of the refrigerant including the different aggregate states are entered.
  • the screw compressor machine (1) is shown only schematically, wherein the structural design in the following illustration of FIG. 2 is shown by way of example.
  • FIG. 2 shows, by way of example for the present invention, a sectional view through the screw compressor machine as a core element in the circuit of the compression refrigerating machine, as shown in FIG.
  • the preceding explanations are already so meaningful that a repetition is certainly unnecessary here.
  • Fig. 3 shows an example of the present invention is an enlarged view of a detailed version for internal rotor cooling via the refrigerant with regard to a possible design of said parking pockets (34) and the overflow ramps (35) to be designed such that on the one hand, the heat transfer to Refrigerant optimally and on the other hand also an efficient distribution of the refrigerant in the rotor longitudinal axis direction is achieved within the cooling bore surface.
  • the heat transfer to the refrigerant is significantly affected by the design of this cooling bore surface, which is exemplified here as a jagged line to show the wetted surfaces of the rotor inner holes as roughened in the sense of "non-smooth", grooved and grooved, for example, in Shape of an internal thread.
  • the invention proposes that a multi-stage screw compressor (1) is used, the compressor housing (8) and its spindle rotors (2 and 3) via a partial flow branch (25) of liquid refrigerant (39) are cooled from the main refrigerant circuit (24), wherein the compressor housing (8) is cooled in a controlled manner via refrigerant evaporation (9) with subsequent supply of the refrigerant vapor to the inlet (10) and that it is adapted to match the intake Feed (11) still post-inlet feeds (12) in the working space as well as next to the outlet-discharge (14) from the outlet chamber (13) still pre-outlet discharges (15), each with its own regulatory body.
  • Multi-stage screw compressor machine with preferably non-parallel spindle rotor axes of rotation
  • the internal rotor cooling (6) for the 2-tooth spindle rotor (2) is carried out as a heat exchanger according to DE 10 2013 009 040.7,
  • the 3-toothed spindle rotor (3) preferably as a refrigerant evaporator, if under the spindle rotor conditions (such as diameter and speed), the properties of the selected refrigerant as well as the heat transfer amounts (33) for an evaporation of the refrigerant in the cooling hole of the 3-toothed spindle rotor (3) suffice,
  • regulator for forwarding the 2z rotor internal refrigerant vapor passage with regulating member for forwarding the 3z rotor internal refrigerant vapor main flow circuit for the refrigerant with representation of the flow direction diverted partial flow of liquid refrigerant for cooling the screw compressor condenser for the refrigerant in the main flow circuit
  • Evaporator for the refrigerant in the main flow circuit drive power for the screw compressor heat transfer to the housing cooling (9) heat dissipation in the refrigerant condenser (26) heat absorption in the Kä Refrigerant evaporator (27) Heat transfer to 2z rotor internal cooling (6) Heat transfer to 3z rotor internal cooling (7) Parking pockets for the
  • liquid refrigerant shown in hexagonal hatching, as closed hexa-rings

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Spindelverdichter ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum mit einem 2-zähnigen Spindelrotor (2) und einem 3-zähnigen Spindelrotor (3) in einem umgebenden Verdichtergehäuse (8) mit vorzugsweise nicht-parallelen Drehachsen beider Spindelrotore insbesondere für den Einsatz in Kompressionskältemaschinen. Um den Wirkungsgrad zu verbessern bei flexibler Leistungsanpassung, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Kältemittelkompressor ein mehrstufiger Spindelverdichter (1) eingesetzt wird, dessen Verdichtergehäuse (8) und dessen Spindelrotore (2 und 3) über eine Teilstrom- Abzweigung (25) von Flüssig-Kältemittel (39) aus dem Kältemittel-Hauptstromkreislauf (24) gekühlt werden, wobei das Verdichtergehäuse (8) über Kältemittel-Verdampfung (9) kontrolliert gekühlt wird mit anschließender Zuführung des Kältemitteldampfes zum Einlass (10), und dass es zur Leistungsanpassung neben der Einlass-Zuführung (11) noch Nach-Einlass-Zuführungen (12) in den Arbeitsraum ebenso gibt wie neben der Auslass-Abführung (14) aus dem Auslassraum (13) noch Vor-Auslass-Abführungen (15)mit jeweils mit eigenem Regulierungsorgan.

Description

Kompressionskältemaschine mit Spindelverdichter Stand der Technik:
Trockenverdichtende Kompressoren gewinnen in der industriellen Verdichtertechnik verstärkt an Bedeutung, denn durch zunehmende Verpflichtungen bei Umweltschutzvorschriften und steigende Betriebs- und Entsorgungskosten sowie erhöhte Ansprüche an die Reinheit des Fördermediums werden die bekannten nasslaufenden Verdichter, wie Flüssigkeitsringmaschinen, Drehschieberpumpen und öl- oder Wassereingespritzte Schraubenkompressoren, immer häufiger durch trockenverdichtende Maschinen ersetzt. Zu diesen Maschinen gehören trockene Schraubenverdichter, Klauenpumpen, Membranpumpen, Kolbenpumpen, Scroll-Maschinen sowie Wälzkolbenpumpen. Diesen Maschinen ist jedoch gemeinsam, dass sie die heutigen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Baugröße und Gewicht bei gleichzeitig niedrigem Preisniveau und befriedigendem Wirkungsgrad immer noch nicht erreichen.
Zur Verbesserung dieser Situation bieten sich die bekannten trockenverdichtenden Spindelkompressoren an, weil sie als typische 2-Wellenverdrängermaschinen ein hohes Kompressionsvermögen einfach dadurch realisieren, dass sie die nötige Mehrstufigkeit als sogen. "Fördergewinde" durch Hintereinanderschaltung mehrerer abgeschlossener Arbeitskammern über die Anzahl der Umschlingungen je Verdrängerrotor äußerst unkompliziert erreichen, ohne jedoch ein Betriebsfluid im Arbeitsraum zu benötigen. Außerdem wird durch die berührungslose Abwälzung der beiden gegensinnig drehenden Spindelrotore eine erhöhte Rotordrehzahl ermöglicht, so dass bezogen auf die Baugröße gleichzeitig Nennsaugvermögen sowie Liefergrad ansteigen. Dabei können trockenverdichtende Spindelmaschinen sowohl für Anwendungen im Vakuum als auch für Überdruck eingesetzt werden, wobei der Leistungsbedarf im Überdruck naturgemäß signifikant höher ist, weil im Überdruck-Bereich mit Enddrücken deutlich über 2 bar (absolut) bis auf 15 bar und noch höher deutlich größere Druckdifferenzen zu überwinden sind.
In dem Schutzrecht DE 10 2013 009 040.7 wird für einen trockenverdichtenden Spindelkompressor beschrieben, wie über nicht-parallele Drehachsen der beiden Spindelrotore sowohl ein großes inneres Verdichtungsverhältnis als auch eine hohe Stufenanzahl bei gleichzeitiger Minimierung der inneren Leckage zwischen den vielfach hintereinandergeschalteten Arbeitskammern zwischen Fördergas-Einlass und -Auslass erreicht wird. Bei Kompressionskältemaschinen wird die Verdichtertechnik für diesen Leistungsbereich noch von Schraubenkompressoren beherrscht, die im Arbeitsraum ein Betriebsfluid benötigen, wobei die gewünschte Leistungsanpassung zumeist über aufwändige Steuerschieber erfolgt. Außerdem werden für höhere Netzarbeitsdrücke oftmals 2 hintereinandergeschaltete Verdichter benötigt, und der Wirkungsgrad ist eher mäßig befriedigend.
Diese Situation gilt es zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine Kompressionskältemaschine den Kältemittelverdichter ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum mit verbessertem Wirkungsgrad zu betreiben bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit auch für hohe Netzarbeitsdrücke mit nur einer Verdichtermaschine bei gleichzeitig hoch flexibler und einfacher Leistungsanpassung sowie zumindest teil-hermetisch dichter Bauweise und zugleich möglichst geringem Geräusch.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kältemittelkompressor als mehrstufige Spindelverdichtermaschine (1) ausgeführt wird, die mit vorzugsweise nicht-parallelen Drehachsen das gasförmige Kältemittel ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum vom Einlass (10) zum Auslass-Sammelraum (13) transportiert und verdichtet, wobei die Spindelrotore (2) und (3) ebenso wie das umgebende Verdichtergehäuse (8) mittels eigener Kältemittel-Verdampfer (6) und (7) sowie (9) über jeweilige Regulierungsorgane (16), (17), (18.1 bzw. 18.2), (21), (22) und (23) hinsichtlich Druckniveau und Durchflussmenge über eine Teilstrom-Abzweigung (25) von Flüssig-Kältemittel jeweils derart gezielt gekühlt werden, dass die Spiel-Abstände zwischen den Spindelrotoren (2 und 3) sowie zum Verdichtergehäuse (8) für alle Betriebszustände innerhalb gewünschter Grenzen unverändert erhalten bleiben, wobei die Höhe der Netzarbeitsdrücke über die ausgeführte Stufenzahl als Hintereinanderschaltung von Arbeitskammern zwischen dem 2-zähnigen Rotor (2) und dem 3-zähnigen Rotor (3) im Verdichter-Arbeitsraum zwischen Einlass (10) und Auslass (13) realisiert wird, und die anforderungsgemäß hoch flexible Anpassung der Verdichterleistung dadurch erreicht wird, dass es neben der Einlass-Zuführung (1 ) zum Einlass (10) in Rotorlängsachsrichtung noch Nach-Einlass-Zuführungen (12) in den Arbeitsraum ebenso gibt wie neben der Auslass-Abführung (14) aus dem Auslass-Sammelraum (13) noch Vor-Auslass-Abführungen (15), wobei sowohl die Einlass-Zuführungen (1 1 und 12) als auch die Auslass-Abführungen (14 und 15) jeweils mit eigenem Regulierungsorgan ausgestattet sind, so dass das tatsächlich geförderte Kältemittel sowohl hinsichtlich Volumenstrom als auch hinsichtlich Druckanstieg für den jeweiligen Betriebszustand zwecks Leistungsanpassung gezielt durch jedwede Kombination einschließlich folgegerechter Teilstrommengen der einzelnen Einlass-Zuführungen (11 und 12) und Auslass-Abführungen (14 und 15) gezielt einstellbar wird, wobei zudem optional noch die Einspritzung (40) von Flüssig-Kältemittel mit eigenem Regulierungsorgan (41 ) zur Leistungsanpassung ebenso vorgeschlagen wird wie die Möglichkeit den Antriebsmotor des Spindelverdichters mit einem Frequenz-Umrichter (38) zu betreiben zur Drehzahl-Variation zwecks gezielter Leistungsanpassung; fernerhin wird für Anwendungen, bei denen die Eigenschaften des Kältemittels (39) und/oder die Wärmetransfermengen (32) bzw. (33) zur jeweiligen Rotorinnenkühlung nicht ausreichen, um das Kältemittel zur Verdampfung zu bringen, erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass dann die jeweilige Rotorinnenkühlung (6) bzw. (7) als Wärmetauscher gemäß DE 10 2013 009 040.7 für das Flüssig-Kältemittel ausgeführt wird, wobei dieses Flüssig-Kältemittel dann je Spindelrotor beispielsweise über Staurohrpumpe gemäß DE 10 2013 009 040.7 abgeführt wird und dann erfindungsgemäß neuartig zur Verdampferkühlung (9) für das Verdichtergehäuse geführt wird, wobei applikationsspezifisch für die Rotorkühlungen (6) und (7) auch Mischformen aus Wärmetauscher und Verdampfer möglich sind; zudem wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, dass die innere Rotorbohrungsfläche zur Rotorinnenkühlung derart ausgestaltet wird, dass Parktaschen (34) und Überlauframpen (35) zum verbesserten Wärmetransfer vorgesehen werden, die entsprechend den jeweiligen Wärmetransfer-Bedingungen in Rotorlängsachsrichtung unterschiedlich groß ausgeführt werden und dass die vom Kältemittel benetzten Oberflächen der Rotorinnenbohrungen aufgeraut im Sinne von "nicht-glatt", geriffelt und gerillt sind, auch gewindeförmig ausführbar. Gegenüber dem Stand der Technik bei Verdichtern in Kompressionskältemaschinen wird durch die genannten Erfindungsmerkmale ein sprunghafter Fortschritt erreicht durch folgende erfindungsgemäße Vorteile:
1 ) So wird der Kompressor-Wirkungsgrad durch die effiziente Wärmeabführung während der mehrstufigen Verdichtung verbessert.
2) Die effiziente Wärmeabführung während der Verdichtung wird durch Nutzung des sowieso vorhandenen Kältemittels erreicht, so dass für die Verdichtermaschine keine eigene Kühlungseinrichtungen erforderlich sind.
3) Außerdem arbeitet der Spindelverdichter ohne eigenes Betriebsfluid im Arbeitsraum, was gegenüber dem Stand der Technik ein signifikanter Fortschritt ist, weil bei den vergleichbaren Schraubenverdichtern ein öl als Betriebsfluid im Arbeitsraum benötigt wird.
4) Gleichzeitig erreicht der Spindelverdichter durch seine mehrstufige Ausführung in nur einer Maschine die gewünschten Kompressionswerte, so dass gegenüber dem Stand der Technik bei höheren Druckwerten nicht mehr wie bisher zwei Verdichtermaschinen erforderlich sind.
5) Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Kompressors verbessert, weil beim Spindelverdichter wegen der geringeren Radial- und Axialkräfte die Lagerbelastung geringer ist mit direkt positiven Auswirkungen auf die Lagerung hinsichtlich Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer und damit auf den Verdichter und folglich auf die gesamte Kompressionskältemaschine.
6) Für die gewünschte Leistungsanpassung kann auf die bisher aufwändigen und kritischen Steuerschieber verzichtet werden, indem über Nach-Einlass und Vor-Auslass auslegungskonform praktisch jeder Volumenstrom und jede Druckstufe mit dem erfindungsgemäßen Spindelverdichter umgesetzt werden kann.
7) Der Spindelverdichter ist durch seine vorgeschlagene Ausführung direkt als hermetisch dichte Maschine ausführbar und ist dabei thermodynamisch immer auf der sicheren Seite.
8) Wegen der hohen Mehrstufigkeit sind die Druckpulsationen am Auslass sehr viel geringer als bei heutigen Schraubenverdichtern, so dass der Spindelverdichter deutlich geräuschärmer ist.
Über die nachfolgenden Darstellungen wird die vorliegende Erfindung noch weiter erläutert:
Fig. 1 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung die Schema-Darstellung zum Kältemittelkreislauf einer Kompressionskältemaschine mit dem Spindelverdichter als Arbeitsmaschine. Dabei sind sowohl die Strömungsrichtung des Kältemittels einschließlich der unterschiedlichen Aggregat-Zustände eingetragen. Ebenfalls gut erkennbar ist die erfindungsgemäße Abzweigung von Flüssig-Kältemittel zur effizienten Kühlung der Verdichterbauteile, nämlich Spindelrotorpaar und Verdichtergehäuse. Außerdem sind für die gewünschte Leistungsanpassung verschiedene Nach-Einlass-Zuführungen (12) sowie Vor-Auslass- Abführungen (15) dargestellt, welche durch jedwede Kombinationen auch mit der Einlass-Zuführung (11 ) sowie der Auslass-Abführung (14) über die jeweiligen Regulierungsorgane auslegungskonform praktisch jeden gewünschten Volumenstrom und Druckwert ermöglichen.
Die Spindelverdichtermaschine (1 ) ist nur schematisch dargestellt, wobei deren konstruktive Ausführung in der nachfolgenden Darstellung der Fig. 2 beispielhaft gezeigt ist.
Fig. 2 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung eine Schnittdarstellung durch die Spindelverdichtermaschine als ein Kern-Element im Kreislauf der Kompressionskältemaschine, wie es in der Fig. 1 gezeigt wurde. Die vorangegangen Erläuterungen sind schon derart aussagekräftig, dass eine Wiederholung hier sicherlich unnötig ist.
Fig. 3 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung eine vergrößerte Darstellung zu einer Detail- Ausführung zur Rotorinnenkühlung über das Kältemittel hinsichtlich einer möglichen Gestaltung der genannten Parktaschen (34) und den Überlauframpen (35), die derart zu gestalten sind, dass einerseits der Wärmetransfer zum Kältemittel optimal erfolgt und andererseits auch noch eine effiziente Verteilung des Kältemittels in Rotorlängsachsrichtung innerhalb der Kühlbohrungsoberfläche erreicht wird. Außerdem wird der Wärmetransfer zum Kältemittel durch die Gestaltung dieser Kühlbohrungsoberfläche wesentlich beeinflusst, was hier beispielhaft als gezackte Linie dargestellt ist, um die vom Kältemittel benetzten Oberflächen der Rotorinnenbohrungen als aufgeraut im Sinne von "nicht-glatt", geriffelt und gerillt aufzuzeigen, beispielsweise auch in Form eines Innengewindes.
Spindelverdichter ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum mit einem 2-zähnigen Spindelrotor (2) und einem 3-zähnigen Spindelrotor (3) in einem umgebenden Verdichtergehäuse (8) mit vorzugsweise nicht¬ parallelen Drehachsen beider Spindelrotore insbesondere für den Einsatz in Kompressionskältemaschinen. Um den Wirkungsgrad zu verbessern bei flexibler Leistungsanpassung, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Kältemittelkompressor ein mehrstufiger Spindelverdichter (1) eingesetzt wird, dessen Verdichtergehäuse (8) und dessen Spindelrotore (2 und 3) über eine Teilstrom- Abzweigung (25) von Flüssig-Kältemittel (39) aus dem Kältemittel-Hauptstromkreislauf (24) gekühlt werden, wobei das Verdichtergehäuse (8) über Kältemittel-Verdampfung (9) kontrolliert gekühlt wird mit anschließender Zuführung des Kältemitteldampfes zum Einlass (10), und dass es zur Leistungsanpassung neben der Einlass-Zuführung (11) noch Nach-Einlass-Zuführungen (12) in den Arbeitsraum ebenso gibt wie neben der Auslass-Abführung (14) aus dem Auslassraum (13) noch Vor-Auslass-Abführungen (15) mit jeweils mit eigenem Regulierungsorgan.
Bezugszeichenliste:
1. mehrstufige Spindelverdichtermaschine mit vorzugsweise nicht-parallelen Spindelrotor-Drehachsen
2. 2-zähniger Spindelrotor 3-zähniger Spindelrotor Trägerwelle für den 2-zähnigen Spindelrotor (2) mit beidseitiger Spindelrotorlagerung, Arbeitsraum- wellenabdichtung, Kühlfluid-Zuführung und Synchronisationszahnrad Trägerwelle für den 3-zähnigen Spindelrotor (3) mit beidseitiger Spindelrotorlagerung, Arbeitsraum- wellenabdichtung, Kühlfluid-Zuführung und Synchronisationszahnrad Rotorinnenkühlung für den 2-zähnigen Spindelrotor (2), vorzugsweise als Kältemittel-Verdampfer, wenn unter den Spindelrotorbedingungen (wie Durchmesser und Drehzahl) die Eigenschaften des gewählten Kältemittels ebenso wie die Wärmetransfermengen (32) für eine Verdampfung des Kältemittels in der Kühlbohrung des 2-zähnigen Spindelrotors (2) ausreichen,
andernfalls wird die Rotorinnenkühlung (6) für den 2-zähnigen Spindelrotor (2) als Wärmetauscher gemäß DE 10 2013 009 040.7 ausgeführt,
oder applikationsspezifisch auch als Mischform aus Verdampfer und Wärmetauscher gleichzeitig Rotorinnenkühlung für den 3-zähnigen Spindelrotor (3) , vorzugsweise als Kältemittel-Verdampfer, wenn unter den Spindelrotorbedingungen (wie Durchmesser und Drehzahl) die Eigenschaften des gewählten Kältemittels ebenso wie die Wärmetransfermengen (33) für eine Verdampfung des Kältemittels in der Kühlbohrung des 3-zähnigen Spindelrotors (3) ausreichen,
andernfalls wird die Rotorinnenkühlung (7) für den 3-zähnigen Spindelrotor (3) als Wärmetauscher gemäß DE 10 2013 009 040.7 ausgeführt,
oder applikationsspezifisch auch als Mischform aus Verdampfer und Wärmetauscher gleichzeitig Verdichtergehäuse mit einem umhüllenden Blechmantel ähnlich DE 0 2012 011 823.6 Kältemittel-Verdampferkühlung für die vorzugsweise verrippte Oberfläche des Verdichtergehäuses Einlass-Sammelraum des Spindelverdichters für das gasförmige Kältemittel Einlass-Zuführung mit Regulierungsorgan für das gasförmige Kältemittel Nach-Einlass-Zuführungen mit jeweiligen Regulierungsorganen für das gasförmige Kältemittel Auslass-Sammelraum des Spindelverdichters für das gasförmige Kältemittel Auslass-Abführung mit Regulierungsorgan für das gasförmige Kältemittel Vor-Auslass-Abführungen mit jeweiligen Regulierungsorganen für das gasförmige Kältemittel Flüssig-Kältemittel-Zuführung zur 2z-Rotorinnen-Verdampfer-Kühlung mit Regulierungsorgan Flüssig-Kältemittel-Zuführung zur 3z-Rotorinnen-Verdampfer-Kühlung mit Regulierungsorgan Flüssig-Kältemittel-Zuführungen zur Verdichtergehäuse-Verdampfer-Kühlung mit
18.1 einem zentralem Regulierungsorgan für kleinere Kältemittel-Spindelverdichter
18.2 jeweils einzeln eigenem Regulierungsorgan für große Kältemittel-Spindelverdichter Verdampfer-Öffnungen in dem das Verdichtergehäuse umhüllenden Blechmantel für die Verdichtergehäuse-Verdampfer-Kühlung (9) nach außen hermetisch dichter Sammelraum für das verdampfte Gehäuse-Kältemittel Durchgang mit Regulierungsorgan zur Weiterleitung des Gehäuse-Kältemitteldampfes Durchgang mit Regulierungsorgan zur Weiterleitung des 2z-Rotorinnen-Kältemitteldampfes Durchgang mit Regulierungsorgan zur Weiterleitung des 3z-Rotorinnen-Kältemitteldampfes Hauptstrom-Kreislauf für das Kältemittel, mit Darstellung der Strömungsrichtung abgezweigter Teilstrom von Flüssig-Kältemittel zur Kühlung des Spindelverdichters Kondensator für das Kältemittel im Hauptstrom-Kreislauf Verdampfer für das Kältemittel im Hauptstrom-Kreislauf Antriebsleistung für den Spindelverdichter Wärmetransfer zur Gehäusekühlung (9) Wärmeabführung im Kältemittel-Kondensator (26) Wärmeaufnahme im Kältemittel-Verdampfer (27) Wärmetransfer zur 2z-Rotorinnenkühlung (6) Wärmetransfer zur 3z-Rotorinnenkühlung (7) Parktaschen für das Flüssig-Kältemittel zur Rotorinnenkühlung Überlauframpen zwischen den Parktaschen (34) zur Rotorinnenkühlung Expansionsventil als Drossel für das Flüssig-Kältemittel im Hauptstrom-Kreislauf bzweigung für das Flüssig-Kältemittel zwecks Kühlung der Spindelverdichter-Bauteile Frequenz-Umrichter für den Antriebsmotor Kältemittel, das im Kältemittel-Kreislauf ständig 2 Aggregatzustände durchläuft:
• als Flüssig-Kältemittel (dargstellt in Hexa-Schraffur, als geschlossene Hexa-Ringe)
• als gasförmiges Kältemittel (dargestellt in gepunkteter Schraffur) Einspritzung von Flüssig-Kältemittel in den Verdichter-Arbeitsraum Regulierungsorgan zur Kältemittel-Einspritzung in den Verdichter-Arbeitsraum

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kompressionskältemaschine, die einen Kältemittel-Hauptstromkreislauf (24), in dem sich Kältemittel (39) befindet, und einen Spindelverdichter aufweist, der als im Arbeitsraum ohne Betriebsfluid arbeitende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien ausgebildet ist, wobei der Spindelverdichter einen 2-zähnigen Spindelrotor (2), einen 3-zähnigen Spindelrotor (3) und ein die Spindelrotoren (2, 3) umgebendes Verdichtergehäuse (8) aufweist, das einen Einlassraum (10) und einen Auslass-Sammelraum (13) hat,
wo ei
der Spindelverdichter (1) ein mehrstufiger Spindelverdichter (1) ist, der Kältemittel- Hauptstromkreislauf (24) eine Teilstrom-Abzweigung (25) aufweist, und das Verdichtergehäuse (8) und die Spindelrotore (2 und 3) über die Teilstrom-Abzweigung (25) mit Flüssig-Kältemittel (39) aus dem Kältemittel-Hauptstromkreislauf (24) gekühlt werden.
2. Kompressionskältemaschine mit Spindelverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kompressionswärme vom Verdichtergehäuse (8) über Kältemittel-Verdampfung (9) abgeführt wird, wobei Flüssig-Kältemittel mittels der Teilstrom-Abzweigung (25) über ein Regulierungsorgan (18) zu einer Gehäuse-Kältemittel-Verdampfung (9) geführt wird und der über die Öffnungen (19) aus der Kältemittel-Verdampfung (9) austretende Kältemitteldampf in einen Sammelraum (20) gelangt, und dass dieser Kältemitteldampf danach durch einen Durchgang (21), in dem sich das Regulierungsorgan (18) befindet, in den Einlassraum (10) der Spindelverdichtermaschine (1) strömt.
3. Kompressionskältemaschine mit Spindelverdichter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spindelrotoren (2 und 3) jeweils eine große Kühlbohrung aufweisen, dass die Kompressionswärme von den Spindelrotoren (2 und 3) jeweils in deren Kühlbohrung über Kältemittel-Verdampfung (6 und 7) abgeführt wird, wenn unter den Spindelrotorbedingungen (wie Durchmesser und Drehzahl) die Eigenschaften des gewählten Kältemittels ebenso wie die Wärmetransfermengen (32 und 33) für eine Verdampfung des jeweils zugeführten Kältemittels ausreichen, wobei Flüssig-Kältemittel mittels der Teilstrom-Abzweigung (25) gezielt jeweils per Regulierungsorgan (16 und 17) zur jeweiligen Rotor-Kältemittel-Verdampfung (6 und 7) in jede Spindelrotorkühlbohrung geführt wird und der über die jeweiligen Öffnungen (22 und 23) mit Regulierungsorgan (18) aus der jeweiligen Spindelrotor-Kältemittel-Verdampfung (6 und 7) austretende Kältemitteldampf in den Einlassraum (10) geführt wird.
4. Kompressionskältemaschine mit Spindelverdichter nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen der beiden Spindelrotore (2 und 3) nicht parallel verlaufen.
5. Spindelverdichter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kompressionswärme von den Spindelrotoren (2 und 3) jeweils in deren großen Kühlbohrung über Flüssig-Kältemittel als bekannter Wärmetauscher gemäß DE 2013009040 abgeführt wird, wenn unter den Spindelrotorbedingungen (wie Durchmesser und Drehzahl) die Eigenschaften des gewählten Kältemittels ebenso wie die Wärmetransfermengen (32 und 33) für eine Verdampfung nicht ausreichen, wobei dieses Flüssig-Kältemittel dann je Spindelrotor beispielsweise über Staurohrpumpe gemäß DE 102013009040 abgeführt wird und dann erfindungsgemäß neuartig zur Verdampferkühlung (9) für das Verdichtergehäuse geführt wird, wo dieses dann gemäß Anspruch 2 ebenfalls in den Einlassraum (10) der Spindelverdichtermaschine (1) gelangt.
6. Spindelverdichter nach Anspruch 1 und 2 und 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
applikationsspezifisch für die Rotorkühlungen (6) und (7) auch Mischformen als Wärmetauscher gemäß Anspruch 4 und als Verdampfer gemäß Anspruch 2 kombiniert und zusammen wirken.
7. Spindelverdichter nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch ekennzeichnet, dass
die genannten Kühlungen (6 und 7 sowie 9) für die Spindelverdichter-Bauteile (2 und 3 sowie 8) über die jeweiligen Regulierungsorgane (16), (17), (18.1 bzw.18.2), (21), (22) und (23) hinsichtlich Druckniveau und Durchflussmenge jeweils derart gezielt eingesetzt werden, dass die Spiel-Abstände zwischen den Spindelrotoren (2 und 3) sowie zum Verdichtergehäuse (8) für alle Betriebszustände innerhalb gewünschter Grenzen unverändert erhalten bleiben.
8. Spindelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
es neben der Einlass-Zuführung (11) zum Einlassraum (10) in Rotorlängsachsrichtung noch Nach- Einlass-Zuführungen (12) in den Arbeitsraum ebenso gibt wie neben der Auslass-Abführung (14) aus dem Auslass-Sammelraum (13) noch Vor-Auslass-Abführungen (15), wobei sowohl die Einlass- Zuführungen ( und 12) als auch die Auslass-Abführungen (14 und 15) jeweils mit eigenem Regulierungsorgan ausgestattet sind, so dass das tatsächlich geförderte Kältemittel sowohl hinsichtlich Volumenstrom als auch hinsichtlich Druckanstieg zur Leistungsanpassung an den jeweiligen Betriebszustand gezielt durch jedwede Kombination einschließlich folgegerechter Teilstrommengen der einzelnen Einlass-Zuführungen (11 und 12) und Auslass-Abführungen (14 und 15) gezielt einstellbar wird.
9. Spindelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur gezielten Leistungsanpassung an unterschiedliche Betriebszustände über ein Regulierungsorgan (41) noch die Einspritzung (40) von Flüssig-Kältemittel in den Arbeitsraum vorgesehen ist und/oder die Möglichkeit den Antriebsmotor des Spindelverdichters mit einem Frequenz-Umrichter (38) zu betreiben zur Drehzahl-Variation zwecks gezielter Leistungsanpassung.
10. Spindelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Spindelrotorbohrungsfläche zur Rotorinnenkühlung derart ausgestaltet wird, dass Parktaschen (34) und Überlauframpen (35) zum verbesserten Wärmetransfer vorgesehen werden, die entsprechend den jeweiligen Wärmetransfer-Bedingungen in Rotorlängsachsrichtung unterschiedlich groß ausgeführt werden, um sowohl die jeweils geeignete Verweildauer des Kältemittels zur Wärmeaufnahme als auch die umfassende Verteilung des Kältemittels auf der gesamten Kühlbohrungsoberfläche zu gewährleisten.
11. Spindelverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
dass die vom Kältemittel benetzten Oberflächen der Rotorinnenbohrungen aufgeraut im Sinne von "nicht-glatt", geriffelt und gerillt sind, auch gewindeförmig ausgeführt sind zwecks Erhöhung der vom Kältemittel benetzten Wärmetransfer-Oberfläche sowie zur gezielten Manipulation der Strömungsbewegung des Kältemittels.
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