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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ein-Schraubenmaschine zur Kompression und/oder Expansion eines Gases gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein-Schraubenmaschinen sind heutzutage Stand der Technik in Industriebereichen, in denen gasförmige Medien komprimiert und/oder expandiert werden müssen. Hierbei sind eine zentrale Schraube und ein oder zwei Sternrotoren in einem Gehäuse untergebracht und stehen derart im Eingriff, dass ein mit jeder Drehwinkeländerung variierendes Volumen und damit ein kontinuierlicher Kompressions- bzw. Expansionszyklus erzeugt wird. Die zentrale Schraube hat beispielsweise eine annähernd zylindrische oder konische Form und weist auf ihrem Umfang mehrere Spiralnuten auf. Die Sternrotoren sind so angeordnet, dass ihre Drehachse rechtwinklig zur Drehachse der zentralen Schraube verläuft, und weisen auf deren Umfang mehrere plattenartige Zähne auf, die mit den Spiralnuten des Schraubenrotors in Eingriff gebracht werden. Die Geometrien der Spiralnuten und der Zähne sind aneinander genau angepasst, um eine gute Abdichtung zwischen den Zähnen und den Innenwandflächen der Spiralnuten zu gewährleisten. Jede Spiralnut hat ein offenes Ende, durch welches zu komprimierendes Gas in die Spiralnut oder expandiertes Gas aus der Spiralnut gelangt, und ein geschlossenes Ende, an welchem die Tiefe der Spiralnut immer kleiner wird und am zylindrischen Umfang der zentralen Schraube ausläuft. Ein Zahn eines Sternrotors greift in eine Spiralnut ein und schliesst somit das darin enthaltene Gas ein, sodass die Spiralnut, der darin eingreifende Zahn und eine Innenwandfläche des Gehäuses eine allseitig geschlossene Kompressions- und Expansionskammer definieren. Bei der Kompression wird die zentrale Schraube rotierend angetrieben und es drehen dann auch die Sternrotoren, die mit den Spiralnuten im Eingriff stehen. Die Drehrichtung der zentralen Schraube ist so, dass die Zähne der Sternrotoren sich entlang der Spiralnuten in Richtung deren geschlossenen Ende bewegen und das Innenvolumen der Kompressions- und Expansionskammern verringern. Dadurch wird das sich darin befindende Gas komprimiert. Ein derartiger Ein-Schraubenkompressor ist beispielsweise in der
US2011070117A1 beschrieben. Bei der Expansion wird unter Druck stehendes Gas in die Kompressions- und Expansionskammern eingeführt und drückt gegen die Zähne der Sternrotoren, wenn es sich darin expandiert. Da die Sternrotoren mit den Spiralnuten der zentralen Schraube in Eingriff stehen, wird dann auch die zentrale Schraube rotierend angetrieben.
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Das Kompressionsverfahren in einer Kompressions- und Expansionskammer endet, wenn sich der Zahn des Sternrotors dem geschlossenen Ende der Spiralnut annähert. Umgekehrt startet das Expansionsverfahren in einer Kompressions- und Expansionskammer, wenn der Zahn des Sternrotors in das geschlossene Ende der Spiralnut eingreift und in Richtung des offenen Endes bewegt wird. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Kompressions- und Expansionskammer, die aufgrund der Drehung der zentralen Schraube über die Innenwandfläche des Gehäuses bewegt wird, eine Gasöffnung, die auf der Innenwandfläche des Gehäuses positioniert ist und durch welche das komprimierte Gas bei der Kompression von der Kompressions- und Expansionskammer entweicht und bei der Expansion in die Kompressions- und Expansionskammer eintritt. Um bei der Kompression das maximale Druckverhältnis zu erreichen, muss das Innenvolumen der Kompressions- und Expansionskammer so klein wie möglich sein (oder nur so klein wie nötig, wenn das zu erzielende Druckverhältnis kleiner als das maximale Druckverhältnis ist), wenn die Gasöffnung erreicht wird. Dafür wird die Gasöffnung im letzten Bereich der Innenwandfläche des Gehäuses positioniert, über den die Kompressions- und Expansionskammer im Kompressionsverfahren bewegt wird, kurz bevor der Zahn des Sternrotors das geschlossene Ende der Spiralnut erreicht. Die Gasöffnung befindet sich somit in unmittelbarer Nähe der Sternrotor-Öffnung, durch welche der Sternrotor in das Gehäuse hineinragt. Die Gasöffnung und die Sternrotor-Öffnung müssen aber unbedingt voneinander beabstandet und durch eine Trennwand getrennt sein, weil ansonsten Gas unter Hochdruck von der Gasöffnung zur Sternrotor-Öffnung auf die Niederdruckseite entweichen würde.
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Bei der Kompression wird der Zahn des Sternrotors aufgrund der Weiterdrehung der zentralen Schraube weiter entlang der Spiralnut bewegt und die Kompressions- und Expansionskammer wird so klein, dass zwischen dem Zahn des Sternrotors und dem Ende der Spiralnut nur noch die Trennwand vorhanden ist und die Kompressionskammer keinen Kontakt mehr zur Gasöffnung hat. Die Kompressions- und Expansionskammer ist ab diesem Zeitpunkt wieder allseitig geschlossen und das darin enthaltene restliche Gas stellt ein Totraumvolumen von Gas in der Kompressions- und Expansionskammer dar, welches zwar komprimiert, aber nicht durch die Gasöffnung hinausbefördert werden kann und bei der Öffnung der Kompressions- und Expansionskammer auf der Niederdruckseite sich dann expandiert. Die für die Kompression dieses Totraumvolumens aufgebrachte Energie geht also verloren, was sich auf die Effizienz des Kompressors negativ auswirkt. Zur Minimierung dieses Energieverlusts muss das Totraumvolumen, d.h das Innenvolumen der Spiralnut zwischen ihrem geschlossenen Ende und dem Zahn des Sternrotors, so klein wie möglich sein. Ein weiteres Problem dieses Totraumvolumens ist, dass das darin enthaltene Gas auf extreme Drücke überkomprimiert wird, wenn der Zahn des Sternrotors das Ende der Spiralnut erreicht und das Innenvolumen der Kompressions- und Expansionskammer auf quasi null reduziert wird. Diese Überkompression verursacht nicht nur einen bedeutsamen überflüssigen Energieverbrauch, der sich auf die Effizienz des Kompressors wiederum negativ auswirkt, sondern kann aufgrund der extremen Drücke auch den Kompressor beschädigen und dessen normale Abnützung beschleunigen.
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Am Anfang der Expansionszyklus stellt sich das umgekehrte Problem: Bevor die Spiralnut die Gasöffnung erreicht, ist die Kompressions- und Expansionskammer allseitig geschlossen. Das Innenvolumen der Kompressions- und Expansionskammer wird durch Bewegung des Zahns des Sternrotors vom geschlossenen Ende der Spiralnut weg vergrössert, ohne jedoch, dass Gas darin eintreten kann. In der Kompressions- und Expansionskammer entsteht also ein Vakuum und die dafür aufgebrachte Energie geht verloren, was sich auf die Effizienz des Expanders negativ auswirkt.
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Im Stand der Technik werden beim Kompressionsverfahren das Totraumvolumen und gleichzeitig die Überkompression des darin enthaltenen Gases minimiert, indem die Gasöffnung in der Trennwand in Richtung der Sternrotor-Öffnung vergrössert wird. Damit das komprimierte Gas durch diese Erweiterung möglichst vollständig in die Gasöffnung entweichen kann, ist die Trennwand in diesem Bereich sehr dünn, so dass das Volumen der Kompressions- und Expansionskammer im letzten Moment, bevor der Zahn des Sternrotors das Ende der Spiralnut erreicht und durch die Trennwand allseitig geschlossen wird, möglichst klein ist. Das Innenvolumen der Kompressions- und Expansionskammer, welches am Schluss maximal komprimiert wird, ist also deutlich kleiner, aber wird nicht vollständig eliminiert, so dass am Ende jedes Kompressionszyklus weiterhin eine Überkompression stattfindet. Ein-Schraubenkompressoren mit einer derartigen Erweiterung der Gasöffnung in der Trennwand zur Sternrotor-Öffnung werden beispielsweise in der
EP2359006B1 und in der
EP2246572B1 offenbart, wobei die Erweiterung in der Figur 7 der
EP2246572B1 mit dem Bezugszeichen 18a und in den Figuren 12 und 13 der
EP2359006B1 mit dem Bezugszeichen 715 gut ersichtlich ist.
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Es wurde bei Versuchen festgestellt, dass im Bereich der Erweiterung der Gasöffnung aufgrund der sehr dünnen Trennwand keine gute Abdichtung gegenüber der Sternrotor-Öffnung besteht. Die Erfinder haben sowohl bei der Kompression wie bei der Expansion eine Leckage von unter Hochdruck stehendem Gas von der Erweiterung der Gasöffnung über die verdünnte Trennwand zur Sternrotor-Öffnung identifiziert. Dort herrscht der kürzeste Leckagepfad mit maximaler Druckdifferenz. Diese Leckage stellt einen nicht unerheblichen Effizienzverlust der Ein-Schraubenmaschine dar. Ausserdem wird die Überkompression des Gases im Totraumvolumen (bei der Kompression) und das Vakuum (bei der Expansion) durch die Verdünnung der Trennwand zwischen der Gasöffnung und der Sternrotor-Öffnung im Bereich der Kerbe zwar minimiert, aber nicht komplett vermieden.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Ein-Schraubenmaschine zur Kompression und/oder Expansion eines Gases bereitzustellen, bei welcher eine Überkompression des Gases in der Kompressions- und Expansionskammer am Ende des Kompressionsverfahrens und/oder eine Erzeugung eines Vakuums in der Kompressions- und Expansionskammer am Anfang des Expansionsverfahrens vermindert und gleichzeitig eine bessere Abdichtung gegen Leckagen zur Sternrotor-Öffnung gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Ein-Schraubenmaschine gemäss Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Merkmale und Ausführungsbeispiele gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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Der Kern der Erfindung ist die Gestaltung einer Aussparung in der zentralen Schraube am geschlossenen Ende der Spiralnut, in welche der Zahn des Sternrotors nicht eingreifen kann. Diese Aussparung verleiht der Kompressions- und Expansionskammer ein zusätzliches Volumen, welches am Ende der Kompression und am Anfang der Expansion, wenn der Zahn des Sternrotors das Ende der Spiralnut erreicht bzw. sich davon weg bewegt, auch das Minimalvolumen der Kompressions- und Expansionskammer darstellt. Die Aussparung nimmt am Ende des Kompressionsverfahrens das Gas auf, welches zwischen dem Zahn des Sternrotors, dem Ende der Spiralnut und der Trennwand zwischen der Gasöffnung und der Sternrotor-Öffnung gefangen bleibt, wenn der Zahn bis zum Ende der Spiralnut bewegt wird. Dadurch wird eine Überkompression des Gases in der Kompressions- und Expansionskammer am Ende des Kompressionsverfahrens vollständig vermieden. Die aus dem Stand der Technik bekannte Erweiterung der Gasöffnung in der Trennwand in Richtung der Sternrotor-Öffnung ist also nur noch teilweise oder gar nicht mehr nötig, und die Trennwand muss gar keine Verdünnung oder nur noch eine leichtere Verdünnung aufweisen. Dadurch wird eine bessere Abdichtung gegen Leckagen zur Sternrotor-Öffnung gewährleistet. Da der Zahn des Sternrotors in der Aussparung nicht eingreifen kann, schafft die Aussparung ein Totraumvolumen von Gas, welches zwar komprimiert, aber nicht durch die Gasöffnung hinausbefördert werden kann und bei der Öffnung der Kompressionskammer auf der Niederdruckseite sich wieder expandiert. Die Gestaltung einer Aussparung in der zentralen Schraube ist also a priori nachteilig, da die für die Kompression dieses Totraumvolumens aufgebrachte Energie verloren geht. Versuche haben allerdings gezeigt, dass die erfindungsgemässe Aussparung so dimensioniert und auf der zentralen Schraube so positioniert werden kann, dass der durch das Totraumvolumen verursachte Energieverlust durch die Kombination der Effizienzgewinne, die durch die vollständige Vermeidung der Überkompression und durch die bessere Abdichtung gegen Leckagen zur Sternrotor-Öffnung erzielt werden, mehr als kompensiert wird, sodass der allgemeine Effizienzgrad der Ein-Schraubenmaschine verbessert wird.
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Bei der Expansion wird das Vakuum, das in der Kompressions- und Expansionskammer erzeugt wird, durch die erfindungsgemässe Aussparung stark gemindert, weil die Kompressions- und Expansionskammer von Anfang an bereits das durch die Aussparung geschaffte Minimalvolumen aufweist, und die Aussparung ausserdem eine frühere Verbindung zur Einlassöffnung herstellen kann. Das Verhältnis zwischen dem vergrösserten Volumen zum Zeitpunkt der Öffnung des Zugangs zur Gasöffnung und dem Ausgangsvolumen der Kompressions- und Expansionskammer ist also deutlich kleiner als im Stand der Technik, wo das Ausgangsvolumen der Kompressions- und Expansionskammer quasi Null war.
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Die erfindungsgemässe Ein-Schraubenmaschine kann unidirektional ausschliesslich zur Kompression oder ausschliesslich zur Expansion eines Gases oder bidirektional zur Kompression und Expansion eines Gases geeignet sein. In der vorliegenden Patentschrift gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Kompression eines Gases sinngemäss auch für die Expansion eines Gases, auch wenn die Expansion nicht explizit erwähnt ist, und umgekehrt.
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Die Figuren zeigen:
- Figur 1a
- Innenwandfläche des Gehäuses ohne Erweiterung der Gasöffnung in der Trennwand zur Sternrotor-Öffnung
- Figur 1b
- Innenwandfläche des Gehäuses mit Erweiterung der Gasöffnung in der Trennwand zur Sternrotor-Öffnung
- Figuren 2-3
- Ausführungsvarianten der Aussparung in der zentralen Schraube
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Die erfindungsgemässe Ein-Schraubenmaschine umfasst ein Gehäuse, in welchem eine zentrale Schraube 2 mit Spiralnuten 21 auf ihrem Umfang 22 und mindestens ein Sternrotor 3 mit Zähnen 31, vorzugsweise zwei Sternrotoren 3, untergebracht sind, wie dies aus dem eingangs geschilderten Stand der Technik bekannt ist (s. Figuren 2 und 3, links). Die zentrale Schraube 2 ist durch eine Innenwandfläche 11 des Gehäuses umgeben, auf welcher sich eine Gasöffnung 12 für den Ein- und/oder Austritt von Druckgas (Ausritt von komprimiertem Gas - Eintritt von zu expandierendem Gas) befindet (s. Figuren 1a-b). Jede Spiralnut 21 hat ein geschlossenes Ende 211 in einem Endbereich der zentralen Schraube, welches sich in der Nähe der Gasöffnung 12 befindet, und ein offenes Ende 212 am gegenüberliegenden Ende der zentralen Schraube. Die Zähne 31 des Sternrotors 3 ragen durch eine Sternrotor-Öffnung 13 des Gehäuses in die Spiralnuten 21 der zentralen Schraube 2 hinein. Die zentrale Schraube 2 und der Sternrotor 3 sind am Gehäuse drehbar verbunden. Bei der Drehung der zentralen Schraube 2 greift mindestens ein Zahn 31 jedes Sternrotors 3 in eine Spiralnut 21 der zentralen Schraube 2 ein und schliesst dadurch mindestens eine Kompressions- und Expansionskammer, welche durch den Zahn 31, die Spiralnut 21 und die Innenwandfläche 11 des Gehäuses umgrenzt ist, ab. Bei der Kompression werden durch die Drehung der zentralen Schraube 2 die Zähne 31 des Sternrotors 3 entlang der Spiralnut 21 bewegt und das Volumen jeder Kompressionskammer wird dadurch verkleinert, bis die Spiralnut 21 über die Gasöffnung 12 fährt. Dadurch wird die Kompressionskammer mit der Gasöffnung 12 verbunden und das komprimierte Gas kann durch die Gasöffnung 12 von der Kompressionskammer entweichen. Bei der Expansion gelangt komprimiertes Gas durch die Gasöffnung 12 in die Kompressions- und Expansionskammer und expandiert sich darin. Dadurch wird der Zahn 31 des Sternrotors 3 entlang der Spiralnut 21 in Richtung des offenen Endes gedrückt und die zentrale Schraube rotierend angetrieben. Erfindungsgemäss ist in der zentralen Schraube 2 am geschlossenen Ende 211 mindestens einer Spiralnut 21, vorzugsweise jeder Spiralnut 21, eine Aussparung 23 gestaltet, in welche die Zähne 31 des Sternrotors 3 bei ihrer Bewegung entlang der Spiralnut 21 nicht hineinragen. Diese Aussparung 23 verleiht der Kompressions- und Expansionskammer ein zusätzliches Volumen, welches am Ende der Kompression, wenn der Zahn 31 des Sternrotors 3 das Ende der Spiralnut 21 erreicht, auch das Minimalvolumen der Kompressions- und Expansionskammer darstellt und nicht weiter verkleinert werden kann. Die Aussparung 23 nimmt das Gas auf, welches zwischen dem Zahn 31 des Sternrotors 3 und dem Ende der Spiralnut 21 gefangen bleibt, wenn der Zahn 31 bis zum Ende der Spiralnut 21 bewegt wird. Dadurch wird eine Überkompression des Gases in der Kompressionskammer am Ende des Kompressionsverfahrens vollständig vermieden. Bei der Expansion verleiht das zusätzliche Volumen der Aussparung 23 der Kompressions- und Expansionskammer ein minimales Ausgangsvolumen grösser als Null, wodurch ein zu starkes Vakuum in der Kompressions- und Expansionskammer vermieden wird. Die Spiralnut 21 hat im Bereich ihres geschlossenen Endes 211 meist ein im wesentlichen V-förmiges Profil mit einer ersten Seitenfläche 213 und einer zweiten Seitenfläche 214 beiderseits einer Innenkante 215.
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Das geschlossene Ende 211 der Spiralnut 21 ist die Spitze, wo die Innenkante 215 der Spiralnut 21 den Umfang 22 der zentralen Schraube trifft und die Tiefe der Spiralnut 21 Null wird. Die erfindungsgemässe Aussparung 23 wird ausgehend von einer herkömmlichen zentralen Schraube 2 mit herkömmlichen Spiralnuten 21 durch Materialabtragung hergestellt und erstreckt sich bis oder umfasst den Punkt, wo die Innenkante 215 der Spiralnut 21 den Umfang 22 der zentralen Schraube trifft und die Tiefe der Spiralnut 21 Null wird.
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Die Aussparung 23 kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie aufweisen und sich in beliebigen Richtungen um das geschlossene Ende 211 der Spiralnut 21 erstrecken. Die Aussparung 23 kann:
- ausschliesslich in der ersten Seitenfläche 213,
- ausschliesslich in der zweiten Seitenfläche 214,
- in der ersten und in der zweiten Seitenfläche 213, 214,
- in der ersten Seitenfläche 213 und im Umfang 22 der zentralen Schraube,
- in der zweiten Seitenfläche 214 und im Umfang 22 der zentralen Schraube, oder
- in der ersten und in der zweiten Seitenfläche 213,
214 und im Umfang 22 der zentralen Schraube gestaltet werden.
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In der Ausführungsvariante gemäss Figur 2 ist die Aussparung 23 hauptsächlich in der ersten Seitenfläche 213 gestaltet. Sie erstreckt sich auch leicht im Umfang 22 der zentralen Schraube und macht die Spiralnut 21 dadurch breiter (in einer Richtung parallel zur Drehachse A der zentralen Schraube und in Richtung des geschlossenen Endes der Spiralnut 21).
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In der Ausführungsvariante gemäss Figur 3 ist die Aussparung 23 in der zweiten Seitenfläche 214 gestaltet und erstreckt sich auch im Umfang 22 der zentralen Schraube. Die Aussparung 23 macht die Spiralnut 21 dadurch länger (in einer Richtung tangential zur Drehachse A der zentralen Schraube).
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Die oben erwähnten Geometrien der Aussparung 23 erfüllen alle grundsätzlich die gleiche Funktion. Je nach den vorhandenen Werkzeugen können gewisse Geometrien allerdings einfacher zu fertigen sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aussparung 23 so wie bei der Ausführungsvariante gemäss Figur 3 die Spiralnut 21 an ihrem geschlossenen Ende 211 verlängert, d.h., dass die Aussparung 23 in einer Richtung tangential zur Drehachse A der zentralen Schraube und gegen die Drehrichtung der zentralen Schraube 2 sich über den Punkt erstreckt, wo ohne Aussparung 23 die Innenkante 215 der Spiralnut 21 den Umfang 22 der zentralen Schrauben treffen würde. Die Aussparung 23 bildet in diesem Fall einen Durchgang, durch welchen Gas am Ende des Kompressionszyklus aus der Kompressions- und Expansionskammer länger zur Gasöffnung 12 entweichen kann, nachdem aufgrund der Drehung der zentralen Schraube die Spiralnut 21 die Gasöffnung 12 nicht mehr direkt überlappt. Ein Teil des Gases, das am Ende der Kompression zwischen der Spiralnut 21, dem Zahn 31 des Sternrotors 3 und der Trennwand 14 gefangen bleibt, kann also weiterhin zur Gasöffnung 12 entweichen und das Totraumvolumen wird dadurch minimiert. Am Anfang des Expansionszyklus kann Gas von der Gasöffnung 12 durch die Aussparung 23 früher in die Kompressions- und Expansionskammer gelangen und das darin erzeugte Vakuum somit ausgleichen.
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Die Länge, um welche die Spiralnut 21 durch die Aussparung 23 in einer Richtung tangential zur Drehachse A der zentralen Schraube verlängert wird, kann kleiner, gleich gross oder grösser sein als die Dicke der Trennwand 14 im Gehäuse zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13:
- Wenn diese Länge kleiner ist als die Dicke der Trennwand 14 im Gehäuse zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13, wird sichergestellt, dass die Aussparung 23 die Trennwand 14 nicht überbrückt und keine direkte Verbindung zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13 herstellt, wenn sie durch Drehen der zentralen Schraube über die Trennwand 14 bewegt wird. Es kann also kein Druckgas von der Gasöffnung 12 zur Sternrotor-Öffnung 13 entweichen, aber dafür bleibt immer ein gewisses Totraumvolumen von Gas in der Kompressions- und Expansionskammer gefangen.
- Wenn diese Länge gleich gross ist als die Dicke der Trennwand 14 im Gehäuse zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13, wird eine direkte Verbindung zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13 vermieden, und das Totraumvolumen von Gas in der Kompressions- und Expansionskammer wird gleichzeitig minimiert.
- Wenn diese Länge grösser ist als die Dicke der Trennwand 14 im Gehäuse zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13, wird vorübergehend eine direkte Verbindung zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13 hergestellt, durch welche Druckgas von der Gasöffnung 12 zur Sternrotor-Öffnung 13 entweicht. Dafür gibt es aber kein Totraumvolumen von Gas in der Kompressions- und Expansionskammer.
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Die drei oben erwähnten Längen, um welche die Spiralnut 21 durch die Aussparung 23 in einer Richtung tangential zur Drehachse A der zentralen Schraube verlängert wird, haben alle ihre Vor- und Nachteile und können je nach der gewünschten Wirkung sinnvoll sein. Eine Leckage von Druckgas von der Gasöffnung 12 zur Sternrotor-Öffnung 13 aufgrund einer vorübergehenden direkten Verbindung zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung 13 stellt ein gewisser Effizienzverlust der Ein-Schraubenmaschine dar. Ein Totraumvolumen in der Kompressions- und Expansionskammer verursacht eine Überkompression des Gases in der Kompressions- und Expansionskammer am Ende des Kompressionsverfahrens und zu starkes Vakuum in der Kompressions- und Expansionskammer am Anfang des Expansionsverfahrens und stellt somit ebenfalls ein gewisser Effizienzverlust der Ein-Schraubenmaschine dar. Je nach dem konkreten Aufbau der Ein-Schraubenmaschine kann der Effizienzverlust aufgrund der Leckage oder der Effizienzverlust aufgrund des Totraumvolumens grösser sein. Die optimale Länge, um welche die Spiralnut 21 durch die Aussparung 23 in einer Richtung tangential zur Drehachse A der zentralen Schraube verlängert wird, kann für eine konkrete Ein-Schraubenmaschine durch einfache Versuche und Messung der Effizienz der Ein-Schraubenmaschine bei jedem Versuch ermittelt werden. Es kann beispielsweise von einer zentralen Schraube 2 ohne Aussparung 23 ausgegangen werden, die dann mit einer immer längeren Aussparung 23 versehen wird. Dabei kann immer die gleiche zentrale Schraube 2 verwendet werden, bei welcher die Aussparung 23 einfach inkrementell vergrössert wird. Die Effizienz sollte ausgehend von einer zentralen Schraube 2 ohne Aussparung mit der zunehmenden Länge der Aussparung 23 steigern, aufgrund der graduellen Verkleinerung des Totraumvolumens, bis die maximale Effizienz erreicht wird und diese aufgrund der zunehmenden Verluste durch die zunehmende Leckage wieder senkt.
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Ähnlich wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Verdünnung der Trennwand 14, stellt sich bei der Ausführungsvariante der Aussparung 23, die über einen Teil der Trennwand 14 ragt und einen verlängerten Zugang zur Gasöffnung 12 herstellt, das Problem, dass die Funktion der Trennwand 14 als Abdichtung zwischen der Gasöffnung 12 und der Sternrotor-Öffnung beeinträchtigt wird, weil die effektive Trenndicke zwischen der Sternrotor-Öffnung 13 und dem Zugang zur Gasöffnung 12 verkleinert wird. Es besteht also auch mit der vorliegenden Aussparung 23 eine Leckage von Druckgas von der Gasöffnung 12 durch die Aussparung 23 über die Trennwand 14 und zur Sternrotor-Öffnung 13. Mit der vorliegenden Aussparung 23 in der zentralen Schraube 2 wird die effektive Trenndicke zwischen der Sternrotor-Öffnung 13 und der Gasöffnung 12 aber nur genau einmal pro Kompressions- bzw. Expansionszyklus verkleinert, und dies ganz vorübergehend am Ende der Kompression bzw. am Anfang der Expansion, wenn die Aussparung 23 über die Trennwand 14 gedreht wird. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verdünnung der Trennwand 14 dar, weil die Leckage von der Kompressions- und Expansionskammer über die verdünnte Trennwand 14 zur Sternrotor-Öffnung durchgehend während des gesamten Kompressions- und Expansionsverfahrens stattfindet und nicht nur vorübergehend am Ende der Kompression bzw. am Anfang der Expansion. Die vorliegende Aussparung 23 gewährleistet daher eine bessere Abdichtung gegen Leckagen über die Trennwand 14 zur Sternrotor-Öffnung.
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Die erfindungsgemässe Aussparung 23 in der zentralen Schraube am geschlossenen Ende der Spiralnut vermeidet eine Überkompression des Gases in der Kompressions- und Expansionskammer am Ende des Kompressionsverfahrens und ein zu starkes Vakuum in der Kompressions- und Expansionskammer am Anfang des Expansionsverfahrens. Die aus dem Stand der Technik bekannte Erweiterung 15 der Gasöffnung in der Trennwand 14 in Richtung der Sternrotor-Öffnung ist also nur noch teilweise (s. Figur 1b) oder gar nicht mehr (s. Figur 1a) nötig, und die Trennwand 14 muss gar keine Verdünnung oder nur noch eine leichtere Verdünnung aufweisen. Dadurch wird eine bessere Abdichtung gegen Leckagen zur Sternrotor-Öffnung gewährleistet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Stärkung der Trennwand 14, was sich auf die Lebensdauer des Kompressors positiv auswirkt. Zwischen der Kompressions- und Expansionskammer, in welcher Gas auf Hochdruck komprimiert wird, und der Sternrotor-Öffnung, in welcher der Druck der Niederdruckseite herrscht, besteht ein erheblicher Druckunterschied. Eine gestärkte Trennwand 14 ohne Verdünnung oder mit leichterer Verdünnung kann diesem Druckunterschied besser standhalten und ist für unerwünschte Verformungen weniger anfällig.