SE520801C2 - Fluidvärmningsförfaranden och -anordningar - Google Patents

Description

30 35 , . - - ~ ß 520 801 turligtvis att minskas när reglerventilen begränsar flödet av trycksatt fluid.

Sammanfattning av uppfinningen Det är följaktligen ett ändamål med föreliggande upp- finning att visa förbättrade pumpar av turbintyp som kan utnyttjas som fluidvärmningsanordningar. kan flu- innefatta en sugöppning och I en utföringsform av föreliggande lärdomar, idvärmningsanordningar (pumpar) en utmatningsöppning åtskiljda av en skiljevägg placerad inuti ett hus. En rotor eller skovel är roterbart placerad inuti huset och innefattar företrädesvis ett flertal blad eller skovelvingar (dvs. radiellt utsträckta väggar) på båda sidoytorna. Skiljeväggen förhindrar företrädesvis di- rekt fluidflöde från sugöppningen till utmatningsöppningen när ett blad är i linje med skiljeväggen. En fluidregulator står valbart i förbindelse med utmatningsöppningen. När fluidvärmningsanordningen arbetar reglerar fluidregulatorn fluidtrycket och begränsar flödet av trycksatt fluid utma- tad från fluidvärmningsanordningen. Som ett resultat ökar fluidens inre energi och således ökar också fluidtemperatu- ren.

Vid en föredragen aspekt av föreliggande lärdomar, (W) och avståndet (L) (radiellt utsträckta väggar) kan skiljeväggens bredd mellan rotor- bladen tivt värma fluiden. Exempelvis faller förhållandet justeras för att effek- (W/L) företrädesvis inom intervallet på cza 0,07 - 0,36. Mera fö- (W/L) 0,11 - 0,30 och mest föredraget är förhållandet c:a 0,20. redraget faller förhållandet inom intervallet cza Fluiden kan vara ett kylmedel, såsom kylvatten, smörjolja eller annan motsvarande vätskesubstans och/eller en hyd- raulvätska.

I själva verket kan vilken typ av fluid, som helst som kan överföra värme, utnyttjas med föreliggande lärdomar. Dessutom definieras "skiljeväggens bredd" före- trädesvis som skiljeväggens minsta bredd, om skiljeväggens bredd inte är enhetlig. 10 15 20 25 30 35 i. U.. 520 801 Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig. l visar en schematisk vy över en representativ cirkulationskrets för kylmedel utnyttjad i en bils luftkon- ditioneringssystem.

Fig. 2 är en tvärsnittsvy över en representativ vär- mepump (fluidvärmningsanordning).

Fig. 3 är en snittvy tagen längs linjen III-III visad i fig. 2.

Fig. 4 är ett diagram som visar sambandet mellan (Q)/Qmax) och (W/L).

Fig. 5 är en tvärsnittsvy över en känd värmepump.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Representativa fluidvärmningsanordningar har företrä- (W/L) (L) mellan skovel- eller rotorbladen längs en desvis ett förhållande mellan skiljeväggens bredd (W) och avståndet cirkelbåge som är cza 0,07 till 0,36. Mera föredraget är förhållandet cza 0,11 till 0,30 och mest föredraget är för- hållandet cza 0,20.

Representativa fluidvärmningsanordningar kan exempel- vis innefatta ett hus som avgränsar en sugöppning och en utmatningsöppning. En skiljevägg är företrädesvis placerad inuti den inre del hos huset mellan sugöppningen och utmat- ningsöppningen och har en förutbestämd bredd (W). En rotor eller skovel kan vara roterbart placerad inuti höljet och kan innefatta ett flertal blad (skovelvingar) eller radi- ellt utsträckta väggar som är placerade på rotorns perife- riyta. Valbart kan en regulator placeras på ett sätt att den står i förbindelse med den trycksatta fluiden som matas ut från utmatningsöppningen.

Representativa förfaranden för att värma en fluid kan utformas, exempelvis genom att utnyttja representativa flu- idvärmningsanordningar, även om naturligtvis också andra fluidvärmningsanordningar kan utnyttjas. Exempelvis kan re- presentativa förfaranden för att värma en fluid innefatta 20 25 30 35 520 801 att rotera en rotor eller skovel i förhållande till en flu- id. Rotorn kan innefatta blad eller radiellt utsträckta väggar som är åtskiljda längs en cirkelbåge av ett avstånd L. Bladen kan passera en skiljevägg som har en bredd W och (W/L) c=a 0,07 till 0,36.

Fluidens tryck ökas av rotorns arbete och en fluidtrycksre- företrädesvis är förhållandet gulator kan reglera fluiden. Exempelvis kan tryckregulatorn begränsa flödet av trycksatt fluid som matas ut från ro- torn. Följaktligen kan fluidtemperaturen ökas.

Vid mera föredragna förfaranden kan förhållandet (W/L) vara cza 0,11 till 0,30 och mest föredraget är för- hällandet (W/L) cza 0,20.

Ytterliggare representativa exempel av föreliggande lärdomar kommer att beskrivas mera detaljerat med hänvis- ning till bifogade ritningar. Denna detaljerade beskrivning är endast avsedd för att lära en fackman ytterligare detal- jer för att praktisera föredragna aspekter av föreliggande lärdomar och är inte avsedd att begränsa uppfinningens om- fàng. Det är endast kraven som anger omfånget för den pa- tentsökta uppfinningen. Därför behöver inte kombinationer av särdrag och steg visade i den detaljerade beskrivningen vara nödvändiga för att utöva uppfinningen i dess bredaste omfattning och visas i stället endast för att speciellt be- skriva vissa representativa exempel av uppfinningen. Dess- utom kan naturligtvis föreliggande lärdomar kombineras på sätt som inte specifikt räknas upp för att ge ytterligare användbara utföringsformer av föreliggande lärdomar.

Som visat i fig. 1 kan en bilmotor E innefatta en vattenpump 52 som matar ett kylmedel medel) till en vattenmantel 50. Kylmedlet är företrädesvis frostskyddat, (egentligen motorkyl- exempelvis en blandning av vatten och etylen- glykol, även om naturligtvis andra fluider kan utnyttjas med föreliggande lärdomar. En cirkulationskrets för kylme- del kan innefatta motorn E, en termostatven- til 7, en radiator 6, ett värmeelement 8, en elektromagnetisk ventil 8a, Ü 20 25 35 520 801 en backventil 9, en fluidvärmningsanordning H samt ett flertal rör 1-5 som förbinder respektive delar. Vid denna utföringsform är tre rör 1, 2, 3 placerade nedströms vat- tenmanteln 50 och två rör 4, 5 är placerade uppströms vat- tenmanteln 50. Röret 4 bildar en returbana till vattenpum- Röret 5 bildar en returbana till vattenpumpen 52 via den elektro- Röret l bildar en bana fràn vattenmanteln 50 till termostatventilen 7, pen 52 via radiatorn 6 och termostatventilen 7. magnetiska ventilen 8a och värmeelementet 8. som är anordnad vid förgreningspunkten mellan rör 1 och rör 4.

Rör 2 bildar en bana som förbinder vattenmanteln 50 med de båda rören 4, 5 via backventilen 9. Rören 2 och 3 är anord- nade i ett parallellt förhållande mellan vattenmanteln 50 och rören 4, 5.

Vattenpumpen 52 är förbunden med en vevaxel (utgående axel) hos motorn E via en V-rem eller annan energiöverfö- rande anordning och drivs av motorn E. Vattenpumpen 52 är anordnad i närheten av vattenmantelns 50 inloppsöppning och ökar trycket hos kylmedlet som har kommit tillbaka via rö- ren 1, 4, 5 in i vattenmanteln 50. Kylmedlet gär genom cir- kulationskretsen som ett resultat av tryck påfört av vat- tenpumpen 52.

Radiatorn 6 verkar som en värmeväxlare för att avge värme från kylmedlet till luften utanför. Termostatventilen 7 avkänner temperaturen hos kylmedlet som går från motorn E via rören 1 eller 4 och förbinder antingen röret 1 eller röret 4 med Vattenpumpen 52 i enlighet med den avkända tem- peraturen. Om kylmedelstemperaturen avkànd av termostatven- tilen 7 är lägre än en förvald temperatur (exempelvis 80°C) förbinds röret 1 med vattenpumpen 52. Därigenom förkortas cirkulationskretsen för kylmedel och överskottsvärmen från motorn kommer att öka kylmedelstemperaturen. Om å andra si- dan kylmedelstemperaturen avkänd av termostatventilen 7 är högre än den förvalda temperaturen, förbinds röret 4 med Vattenpumpen 52. Därigenom stoppas kylmedelscirkulation via 20 25 35 520 801 ,., , . . . , . - -. rör 1 och kylmedelstemperaturen minskar genom att passera genom radiatorn 6. Således utnyttjas radiatorn 6, termosta- ten 7, röret 4 och andra kretselement och andra rör för att valbart kyla kylmedlet.

Värmeelementet 8 verkar som en värmeväxlare och vär- mer upp luften inuti fordonskupén genom att utnyttja värmen från kylmedlet som matas via röret 5. Den elektromagnetiska ventilen 8a är en ventil av typen PÅ/AV (öppen/stängd ven- til) som styr kylmedelsmatningen från motorn E till värme- elementet 8 enligt kylnings-/värmningsförhållanden för bi- lens luftkonditioneringssystem. En representativ värmnings- krets kan innefatta värmeelementet 8, den elektromagnetiska ventilen 8a, röret 5 och andra kretselement och andra rör.

Backventilen 9 tillåter enkelriktat kylmedelsflöde fràn vattenmanteln 50 till rören 4 och 5, men tillåter inte kylmedel att gå i den motsatta riktningen. Om kylmedelsflö- (dvs. öppnas backventilen 9 och upp- det via röret 1 är blockerat av termostatventilen 7 radiatorn är i funktion), rätthåller ett konstant kylmedelsflöde till röret 4 och/eller röret 5.

Som visat i fig. 1, innefattar pumpen av turbintyp eller regenerativa pumpen (fluidvärmningsanordningen) H en värmepump 10 placerad i serie med röret 3 och en reglerven- til 40, som kan vara en fluidregleringsanordning. Värmepum- pen 10 och reglerventilen 40 arbetar tillsammans så att (el- samtidigt som man bibehåller en balans för både pumpnings- och värmningsfunktioner ges samtidigt ler selektivt), båda funktionerna.

Som visat i fig. 2 och 3, innefattar värmepumpen 10 företrädesvis en rotor (skovel) 20 roterbart placerad inuti huset 11. Huset 11 bildar en sugöppning 13 som är anpassad för att dra kylmedlet in i huset 11 och en utmatningsöpp- ning 14 som är anpassad för att mata ut kylmedel från huset 11. En skiljevägg 15 separerar sugöppningen 13 från utmat- ningsöppningen 14. Företrädesvis har skiljeväggen 15 en en- 10 20 25 30 35 520 801 hetlig, eller huvudsakligen enhetlig, bredd (W) i förhål- lande till rotorn 20. Dessutom hindrar skiljeväggen 15 fö- reträdesvis direktflöde av kylmedel mellan sugöppningen 13 och utmatningsöppningen 14. I stället, som visat i fig. 2, kommer kylmedlet att gå moturs inuti den huvudsakligen cy- lindriska kammaren 25 från sugöppningen 13 till utmatnings- Kammaren 25 är förbunden med öppningen 14. (kommunicerar med) rörets 3 uppströms del via sugöppningen 13 och är för- bunden med (kommunicerar med) rörets 3 nedströms del (eller reglerventil 40) via utmatningsöppningen 14. Rotorn 20 in- nefattar företrädesvis en integrerat formad drivaxel 22 och båda är roterbart placerade inuti kammaren 25. En remskiva 16 är fixerat monterad på drivaxelns ände utanför huset 11.

Remskivan 16 är verksamt förbunden med motorns E vevaxel (utgående axel) via en V-rem (se fig. 1) eller annan ener- giöverförande anordning.

Rotorn 20 har företrädesvis en skivliknande form och innefattar ett flertal blad (radiellt utsträckta väggar) 21 som är placerade på samma avstånd från varandra på rotor- kroppens 24 båda sidoytor (perifera ytor). Exempelvis kan 14 blad 21 utnyttjas. Bladen 21 kan vara huvudsakligen rek- tangelformade delar som har en längd t i den radiella rikt- ningen och bladen 21 kan vara utsträckta radiellt från ro- torkroppens 24 rotationsaxel. Konkava kanaler 23 bildas mellan bladen 21, vilka kanaler 23 har ett huvudsakligen halvcirkulärt tvärsnitt. Kanalerna 23 kan exempelvis också vara urgröpningar eller fördjupningar. Om bladen 21 är an- ordnade på rotorkroppens 24 båda sidor, kan antalet blad 21 reduceras.

När värmepumpens drivaxel 22 och rotor roterar pga. motorns E drivkraft, dras kylmedlet genom sugöppningen 13, flödar inuti kammaren 25 och matas ut från utmatningsöpp- ningen 14. Eftersom rotorn 20 roterar alstras ett virvel- flöde området bildat av kanalen 11a, (sekundär virvel), som visat av pilarna i fig. 3, i som har ett halvcirkulärt 10 U 20 25 30 F K » « n 520 801 tvärsnitt i huset 11 och som är motsatt rotorn 20 och ro- torns 20 kanaler 23. Kylmedelstrycket ökar stegvis genom att upprepat förbinda eller konvergera virvelflödet alstrat i kanalerna 23 och huvudflödet inuti kammaren 25. Värmepum- pen 10 ger således en fluidtransportfunktion som motsvarar vattenpumpen 52 och kan utnyttjas som en hjälppump för att stödja vattenpumpen 52.

När skiljeväggen 15 är i linje med en kanal 23 vid värmepumpens 10 drift, bildas ett avstånd S mellan skilje- väggens 15 inre yta och kanalens 23 yta, som visat i fig. 3. De rörliga bladen 21 verkar på kylmedlet för att orsaka ett fullbordat varv för kylmedlet. Kylmedlet avleds sedan till utmatningsöppningen 14 via skiljeväggen 15. Som ett resultat av denna åtgärd ökar värmepumpen 10 kylmedels- trycket. Som ett resultat av utrymmet S kan kylmedlet läcka direkt från utmatningsöppningen 14 med relativt högt tryck till sugöppningen 13 med relativt lågt tryck via utrymmet S när skiljeväggen 15 är i linje med en kanal 23.

Som noterat ovan ger värmepumpen 10 också en fluid- värmningsfunktion utöver fluidtransportfunktionen. Som vi- sat i fig. 2 bildas en smal spalt G mellan rotorns 20 peri- fera kant och kammarens 25 inre yta. Trycksatt fluid går längs denna spalt G från sugöppningen 13 till utmatnings- öppningen 14. När rotorn 20 roterar verkar pumpens 10 ener- gi på kylmedlet i kammaren 25 och kylmedelstemperaturen ökar tack vare kylmedlets ökade inre energi. Därför omvand- las kraften påförd drivaxeln 22 och rotorn 20 via remskivan 16 till både tryckarbete för rotorn 20 och värmen alstrad som ett resultat av kraftförlusten.

Reglerventilen 40 kan begränsa kylmedelsflödet från utmatningsöppningen 14. Reglerventilen ger en bromskraft som verkar på det trycksatta kylmedlet matat via rotorn 20 och ökar därigenom kylmedelstemperaturen. Därför kan värme- pumpen 10 värma kylmedlet. 15 20 25 30 35 520 801 Eftersom fluidtransportsfunktionen och fluidvärm- ningsfunktionen är motsatta varandra, kan kylmedlet värmas till en högre temperatur om reglerventilen 40 kraftigt be- gränsar kylmedelsflödet från utmatningsöppningen 14. I det- ta fall ökar emellertid mängden kylmedel som matas ut fràn utmatningsöppningen 14. Om, å andra sidan, reglerventilen 40 justeras för att tillåta en större mängd kylmedel att matas ut från utmatningsöppningen 14, kan naturligtvis mer I detta fall ökar emellertid kylmedels- temperaturen mindre. kylmedel matas ut.

Uppfinnarna har fastslagit att värmen alstrad av vär- mepumpen 10 påverkas av formen av internt läckage av kylme- del från utmatningsöppningen 14 till sugöppningen 13 via utrymmet S mellan skiljeväggen 15 och rotorns 20 kanaler (W/L) och cirkelbågslängden 23. I synnerhet finns ett samband mellan förhållandet avseende skiljeväggens 15 bredd (W) (L) mellan bladen 21 i det mellanliggande läget 21a längs Som visat bladens 21 radiella riktning, som visat i fig. 2. i fig. 4, påverkas mängden värme (Q) alstrad när kylfluid- (w/L). terar "Qmax" den maximala värmemängden alstrad av pumpen 10. Förhållandet (Q/Qmax) lande för värmemängden alstrad vid varje mätpunkt W/L i förhållande till Qmax. temperaturen höjs av förhållande I fig. 4 represen- representerar således ett förhål- Som visat i fig. 4 når, när (W/L) sätts inom interva- let O~1, värmemängden alstrad av kylmedlet ett maximum (W/L) = 0,20. (Q/Qmax) 1 när (W/L) är (W/L) ökas eller minskas i förhållande till denna referenspunkt, (Q/Qmax).

(W/L) sätts inom intervallet 0,07~O,36, är än eller lika med 0,92. (W/L) tervallet O,1~0,30 är (Q/Qmax) 0,95.

(Qmax) vid Således är 0,20. När När emellertid (Q/Qmax) dessutom sätts inom in- minskar värdet större När större än eller lika med I motsats till detta har uppfinnarna fastställt att förhållandet (W/L) för pumpen visad i US-patent nr 520 801 3 Vf ï%,å ï“jí lO 3,720,372, som visas i fig. 5, är c:a 0,41. Föreliggande lärdomar ger således värmepumpar som kan alstra värme myck- et effektivare.

Naturligtvis kan ovan beskrivna utföringsformer modi- fieras på mànga sätt utan att avvika från föreliggande upp- (w/L) utföringsformen ovan ställas in på olika värden inom inter- vallet 0,07~O,36. skrivits placerade pà rotorkroppens 24 båda sidoytor, bla- finnings omfång. Exempelvis kan förhållandet enligt Dessutom kan, fastän bladen 21 har be- den 21 också vara placerade endast pà en sidoyta hos rotor- kroppen 24. Dessutom kan, fastän ett kylmedel som innefat- tar vatten och etylenglykol utnyttjas i den representativa utföringsformen, olika andra fluider som kan överföra värme användas i stället för detta kylmedel.

Claims (12)

10 20 25 30 35 520 801 ll PATENTKRAV

1. Fluidvärmningsanordning innefattande: ett hus som bildar ett inre, en sugöppning och en ut- matningsöppning, en rotor roterbart placerad inuti husets inre, där rotorn innefattar ett flertal radiellt utsträckta blad pla- cerade på rotorns perifera yta och ett flertal kanaler pla- cerade mellan flertalet blad, där respektive blad är inbör- des åtskiljda med en sträcka L som definieras som en cir- kelbågslängd mellan intilliggande blad, tagen vid ett mel- lanliggande läge längs bladens radiella riktning och en skiljevägg radiellt placerad längs husets inre mellan sugöppningen och utmatningsöppningen och som har en bredd W, där skiljeväggen förhindrar ett direkt fluidflöde mellan sugöppningen och utmatningsöppningen när ett rotor- blad är i linje med skiljeväggen, kännetecknad av att förhållandet W/L ligger inom ett intervall på cza 0,07~O,36.

2. Fluidvärmningsanordning enligt krav 1, där för- hållandet W/L ligger inom ett intervall på cza O,1l~0,30.

3. Fluidvärmningsanordning enligt krav 1, där för- hållandet W/L är cza 0,20.

4. Fluidvärmningsanordning enligt något av kraven 1 till 3, ytterligare innefattande en fluidregulator som står i förbindelse med utmatningsöppningen där fluidregulatorn är arrangerad och konstruerad för att begränsa ett fluid- flöde som går ut från utmatningsöppningen.

5. Fluidvärmningsanordning enligt något av kraven 1 till 4, där kanalerna har ett huvudsakligen halvcirkulärt tvärsnitt. 25 30 35 UH HJ CD OO CD _» 12

6. Fluidvärmningsanordning enligt något av kraven 1 till 5, som ytterligare innefattar en motor som avger rota- tionskraft till rotorn och ett värmesystem, där fluid som matas ut från utmatningsöppningen utnyttjas för att värma värmesystemet.

7. Regenerativ pump innefattande: ett hus som avgränsar ett inre, en sugöppning och en utmatningsöppning, en skovel roterbart placerad inuti husets inre, där skoveln innefattar ett flertal radiellt utsträckta skovel- blad placerade pä skovelns perifera yta och en fördjupning bildad mellan varje två intilliggande skovelvingar, där skovelvingarna ätskiljs med en sträcka L och sträckan L de- finieras som en cirkelbåglängd mellan intilliggande skovel- blad, tagen vid ett mittläge för skovelbladet längs skovel- bladets radiella riktning och en skiljevägg placerad längs husets inre mellan sug- öppningen och utmatningsöppningen och som har en bredd W, där skiljeväggen hindrar ett direkt fluidflöde mellan sug- öppningen och utmatningsöppningen när en skovelvinge är i linje med skiljeväggen, kännetecknad av att förhållandet W/L ligger inom ett intervall på 0,07~O,36.

8. Regenerativ pump enligt krav 7, där förhållandet W/L ligger inom ett intervall på O,ll~O,30.

9. Regenerativ pump enligt krav 7, där förhållandet W/L är 0,20.

10. Förfarande för att värma en fluid innefattande: att rotera en skovel hos en regenerativ pump för att dra in fluiden i den regenerativa pumpen, där skoveln inne- fattar ett flertal radiellt utsträckta skovelblad placerade 'S20 801 13 på skovelns perifera yta, varvid skovelbladen åtskiljs av en sträcka L och där sträckan L definieras som en cirkel~ båglängd mellan intilliggande skovelblad tagen vid ett mittläge för skovelbladet längs skovelbladets radiella riktning och där en skiljevägg hos den regenerativa pumpen har en bredd W och ett förhållande W/L som är inom ett in- tervall på 0,07~0,36 och att reglera fluidtrycket inuti den regenerativa pum- pen för att begränsa ett flöde av trycksatt fluid från den regenerativa pumpen, varvid fluiden värms.

11. ll. Förfarande enligt krav 10, där förhållandet W/L ligger inom ett intervall på 0,ll~O,30.

12. Förfarande enligt krav 10, är 0,20. där förhållandet W/L