DE4318737C2 - Drehkolbenkompressor - Google Patents
DrehkolbenkompressorInfo
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- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenkompressor mit
zumindest zwei in einem Gehäuse angeordneten Zylindern mit
darin drehbar gelagerten Kolben, die mit Innenwänden des
Gehäuses bei ihrer Drehung um Achsen in ihrem Volumen ver
änderbare Arbeitsräume ausbilden, die sich jeweils zwischen
einem Einlaß und einem Auslaß erstrecken, wobei Einlaß und
Auslaß jeweils durch eine Dichteinrichtung voneinander ge
trennt sind, wobei der Arbeitsraum des ersten Zylinders
über einen Auslaß in einen Kanal einmündet, der über den
Einlaß des zweiten Zylinders mit dessen Arbeitsraum in Ver
bindung steht und wobei das Volumen des Arbeitsraumes des
ersten Zylinders größer ist als das Volumen des Arbeitsrau
mes des zweiten Zylinders.
Drehkolbenkompressoren sind
bekannt. Verwiesen wird
hierbei auf die DE-AS 10 18 580. Dort dreht sich in einem
Gehäuse ein exzentrisch gelagerter Rotor.
Jede Zelle vergrößert ihr Volumen zur Rückexpansion und zum
Ansaugen bei der Drehung des Rotors und verringert es zum
Verdichten und Ausschieben. Auf diese Weise wird ein Medium
von einem Saugkanal in einen Förderkanal gefördert, sobald
ein zwingend notwendiges Auslaßventil betätigt wird.
Ferner ist aus der US-A-4 202 657 eine Pumpe für Flüssig
keit bekannt, bei der in zwei parallel zueinander angeord
neten Zylindern Kolben exzentrisch drehen. Jeder Zylinder
hat einen separaten Eingang und einen separaten Ausgang für
das zu fördernde Medium, wobei jeder Zylinder für sich
allein benutzt, ein Auslaß des einen Zylinders aber auch
mit einem Einlaß des anderen Zylinders verbunden werden
kann.
Sollte versucht werden, die als Flüssigkeitspumpe
beschriebene Erfindung in der Weise als Kompressor zu
betreiben, daß der Auslaß des ersten Zylinders in den
Einlaß des zweiten (zwingend kleineren) Zylinders über
einen Kanal verbunden wird, verschließt der erste Kolben
gerade den Auslaß und es befindet sich im Kanal und im
Ansaugvolumen des zweiten Zylinders Gas unter einem höheren
Druck als am Einlaß des ersten Zylinders. Hat der erste
Kolben den Auslaß gerade passiert, expandiert dieses Gas
schlagartig in das Ansaugvolumen und durch den Einlaß des
ersten Zylinders.
Ein Drehkolbenkompressor der o.g. Art ist aus der US-A 3 617 158
bekannt. Dabei sind nebeneinander in einem Gehäuse
zwei Zylinder angeordnet, wobei der eine Zylinder ein grö
ßeres Volumen als der andere Zylinder aufweist. In beiden
Zylindern rotiert jeweils ein Kolben, wobei die beiden Kol
ben an einer gemeinsamen Achswelle angeordnet sind. In den
Niederdruckzylinder mit dem größeren Volumen wird durch die
Drehung des Kolbens Gas eingesaugt und durch ein Ventil in
einem Auslaß ausgepreßt. Nach dem Ventil gelangt dieses Gas
in einen Kühler, wird gekühlt und über einen Einlaß von dem
benachbarten Hochdruckzylinder wieder angesaugt. Aus diesem
Hochdruckzylinder wird das Gas dann wieder durch ein Aus
laßventil ausgepreßt. Dieser Drehkolbenkompressor ist nur
mit den entsprechend beschriebenen Ventilen funktionsfähig.
Ferner ist hier ein großes, schädliches Volumen gegeben,
dessen Kompressionsarbeit nicht zurückgewonnen werden kann.
Diese Arbeit verpufft durch den Aus- bzw. Einlaß. Das wie
derum bedeutet einen erheblichen Verlust und eine hohe Ge
räuschentwicklung. Im übrigen ist dieses Verfahren nur mit
Zwischenkühlung sinnvoll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ei
nen Drehkolbenkompressor der o.g. Art zu schaffen, mittels
welchem das schädliche Volumen vermindert und der Verdich
tungswirkungsgrad durch Vermeiden der Rückexpansion des
schädlichen Volumens verbessert werden soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Kolben den Innen
wänden der Zylinder zugewandte Oberflächen aufweisen, deren
Radien den Radien der Innenwände entsprechen und deren
Länge zwischen zwei Endpunkten größer bemessen ist als ein
Abstand zwischen zwei durch den jeweiligen Einlaß und Aus
laß gebildeten Steuerkanten der Innenwände und daß der
Kolben des zweiten Zylinders dem Kolben des ersten Zylin
ders in der Weise vorläuft, daß der Arbeitsraum des ersten
Zylinders durch den Endpunkt der Oberfläche des Kolbens an
der Steuerkante des in den Kanal einmündenden Auslasses
erst dann geöffnet wird, wenn der Endpunkt der Oberfläche
des Kolbens des zweiten Zylinders die durch den Kanal am
Einlaß gebildete Steuerkante bereits überschritten und
hierdurch die Bildung des Arbeitsraumes des zweiten Zylin
ders bereits begonnen hat, so daß sich ein schädliches
Volumen des Kanals in den sich bildenden Arbeitsraum des
zweiten Zylinders entspannt.
Das bedeutet, daß die Verdichtung nicht in dem ersten
Zylinder stattfindet, sondern dadurch, daß das Medium durch
den Kolben des ersten Zylinders in den Arbeitsraum eines
zweiten Zylinders gefördert wird, der ein geringeres Volu
men aufweist.
In diesem zweiten Zylinder kann dann das verdichtete Medium
einer weiteren Anwendung oder Behandlung unterzogen werden.
Dabei geschieht eine Kompression zwischen dem ersten und
dem zweiten Zylinder ohne eine Drosselung. Das Medium muß
weder beim Ansaugvorgang noch beim Ausstoßen durch Vereng
ungen strömen, wie dies bei Kolbenverdichtern durch Ein- und
Auslaßventile unvermeidlich ist. Ein derartiger Dreh
kolbenkompressor benötigt nur wenige Teile, keine Ventile
und ist von einfacher Bauart. Aus diesem Grunde ist auch
die Dichtung der Arbeitsräume zueinander wesentlich ver
einfacht.
Der einzige Raum, in dem sich ein schädliches Volumen auf
bauen kann, ist der erwähnte Verbindungskanal zwischen
dem ersten und dem zweiten Zylinder. Bei üblichen
Kolbenverdichtern beträgt dieses schädliche Volumen 1% bis
2%. Mit dem Drehkolbenkompressor der vorliegenden Art sind
Werte unter 0,5% erreichbar.
Der Drehkolbenkompressor arbeitet ferner im Eintaktver
fahren, d. h., bei jeder Umdrehung wird einmal verdichtet.
Jede Umdrehung bedeutet einen Arbeitstakt. Wird
beispielsweise dem verdichteten Medium Wärme zugeführt, so
erfolgt die Wärmezufuhr über eine volle Umdrehung hinweg,
die etwa viermal länger ist als bei bekannten
Hubkolbenmotoren.
Durch den Übergang in den oben erwähnten Kanal zwischen den
beiden Zylindern besteht auch die Möglichkeit, daß in
diesem Bereich das zu verdichtende Medium einer
Zwischenkühlung unterworfen wird. Auch dies ist ein
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Innenwand des Gehäuses
in etwa kreiszylindrisch mit einem bestimmten Radius
ausgebildet und erstreckt sich von einer Steuerkante des
Einlasses zu einer Steuerkante des Auslasses. Der Kolben
wiederum ist insgesamt exzentrisch ausgestaltet. Er weist
eine der Innenwand zugewandte Oberfläche auf, die zum einen
einen Bogen mit einem Radius ausbildet, der dem Radius der
Innenwand etwa entspricht. Dieser Bogen erstreckt sich in
seiner Länge zwischen zwei Endpunkten, welche weiter
auseinanderliegen als der Abstand zwischen den beiden oben
erwähnten Steuerkanten. Durch diese Anordnung wird
gewährleistet, daß bei einer bestimmten Arbeitslage sowohl
Einlaß als auch Auslaß geschlossen sind. In dieser
Arbeitslage hat der Arbeitsraum sein größtes Volumen und
ist ebenfalls geschlossen.
Die Oberfläche des Kolbens geht dann beidseits der
Endpunkte in einen halbkreisförmigen Bogenabschnitt über,
dessen Radius jedoch kleiner ist als der Radius der
Innenwand. Hierdurch wird der oben erwähnte Arbeitsraum
ausgebildet. Der Radius könnte auch gleich bleiben, jedoch
der Zylinder eine geringer Breite bzw. Tiefe aufweisen.
Es versteht sich von selbst, daß zwischen Einlaß und Auslaß
eine Dichteinrichtung vorgesehen ist. Hierbei sind viele
Möglichkeiten denkbar, die von der vorliegenden Erfindung
umfaßt sein sollen.
Bei der Anordnung von zwei Kolben mit unterschiedlichen
Volumina nacheinander, die durch einen Kanal verbunden
sind, läuft der Kolben des zweiten Zylinders dem Kolben des
ersten Zylinders vor. Dies bedeutet, daß der Kolben des
zweiten Zylinders bereits den Arbeitsraum öffnet, bevor der
Kolben des ersten Zylinders den Arbeitsraum zum Auslaß hin
öffnet. Dadurch wird bewirkt, daß zuerst das schädliche
Volumen aus dem Kanalbereich durch das Öffnen des zweiten
Kolbens unter Arbeitsgewinn entspannt wird.
Durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Zylinder mit
abnehmendem Volumen, kann eine immer höhere Verdichtung des
Mediums erfolgen, falls dies gewünscht wird. Die Anordnung
der Zylinder im Raum ist beliebig. Beispielsweise können
alle Zylinder auf einer Welle liegen.
Ein anderer Anwendungsbereich ist jedoch die Ausgestaltung
des vorliegenden Drehkolbenkompressors als Wärmekraftma
schine. Zu diesem Zweck erfolgt zuerst eine ein- oder
mehrstufige Verdichtung des Arbeitsmediums. Der letzte
Zylinder der Verdichterreihe fördert das Arbeitsmedium in
einen weiteren Zylinder unter Erhaltung bzw. Vergrößerung
des Volumens bei gleichzeitiger Wärmezufuhr. Dadurch lassen
sich Idealprozesse wie isochore, isobare Wärmezufuhr oder
isotherme Entspannung gut verwirklichen.
Diese Wärmezufuhr kann ebenfalls mehrstufig erfolgen
(Seiliger Prozeß). Für die Wärmezufuhr steht dabei die Zeit
einer bzw. mehrerer Umdrehungen zur Verfügung.
Anschließend folgt eine ein- oder mehrstufige Entspannung
in umgekehrt arbeitenden Drehkolbenkompressoren. Die
Entspannung kann bis auf den Umgebungsdruck erfolgen,
wodurch ein Auspuffknallen vermindert oder vermieden wird.
Herkömmliche Verbrennungsmotoren verlieren etwa 30% der
zugeführten Wärme durch Kühlung. Findet Verdichtung und
Entspannung in einem einzigen Zylinder statt, so läßt sich
auch durch Herabsetzung bzw. Verzicht auf Kühlung der
thermische Wirkungsgrad nicht steigern (bei 4-, 2-Takt-
Motoren oder dem Wankelmotor).
Dazu ist es erforderlich in verschiedenen Zylindern
möglichst mehrstufig zu verdichten bzw. zu entspannen. Der
beschriebene Motor läßt also eine beträchtliche Steigerung
des thermischen Wirkungsgrades erwarten, wenn er als
wärmedichter Motor ausgeführt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese
zeigt in
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinder eines
erfindungsgemäßen Drehkolbenkompressors;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Zylinder gemäß Fig. 1
in einer weiteren Gebrauchslage;
Fig. 3 einen Querschnitt durch zwei Zylinder eines erfin
dungsgemäßen Drehkolbenkompressors;
Fig. 4 eine schematische Anordnung von hintereinanderge
schalteten Zylindern von einem Drehkolbenkompressor.
Gemäß Fig. 1 rotiert in einem Gehäuse 1 eines Zylinders R
ein Kolben 2 um eine Achse A. Während eine Innenwand 3 des
Gehäuses 1 in etwa kreiszylindrisch um die Achse A mit
einem Radius r ausgebildet ist, weist der Kolben 2 eine
exzentrische Ausgestaltung auf. Ein Bogen 4 eines
gestrichelt eingegrenzten Segmentes 5 des Kolbens 2 weist
einen Radius auf, der in etwa dem Radius r der Innenwand 3
entspricht. Seine Länge ist auf jeden Fall größer als ein
Abstand a zwischen zwei Steuerkanten 6 und 7, wobei die
Steuerkante 6 einen Übergang von einem Einlaß 8 für ein
Medium in einen Arbeitsraum 9 und die Steuerkante 7 einen
Übergang von dem Arbeitsraum 9 in einen Auslaß 10
ausbildet.
Der Arbeitsraum 9 wird dadurch innerhalb des Gehäuses 1
ausgeformt, daß der Bogen 4 beidseits in einen
halbkreisförmigen Bogenabschnitt 11 übergeht, welcher einen
Radius r₁ aufweist, der geringer ist als der Radius r.
Zwischen dem Einlaß 8 und dem Auslaß 10 befindet sich
ferner eine Dichteinrichtung 12. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel weist diese Dichteinrichtung 12 zwei
Schieber 13 und 14 auf, welche als Winkel ausgebildet sind
und sich jeweils mit einer Dichtkante 15 auf einer
Oberfläche 16 des Kolbens 2 abstützen.
Um den unterschiedlichen Radien r und r₁ des Kolbens 2
Rechnung tragen zu können, sind die Schieber 13 und 14 auf
einer Achse 17 gelagert, wobei sie um diese Achse 17 drehen
können. Hierbei sind sie in einer Aufnahme 18 geführt.
Bevorzugt erfolgt die Drehung gegen nicht näher gezeigte
Federn bzw. mittels einer Nockensteuerung.
In Fig. 2 ist erkennbar, daß bei einer Drehung des Kolbens
2 um die Achse A in Richtung z eine Veränderung des
Arbeitsraumes 9 stattfindet. Sobald ein Endpunkt 19 des
Bogens 4 die Steuerkante 6 überschritten hat, öffnet sich
zum Einlaß 8 hin ein Raum R₁, der nur gestrichelt
angedeutet ist. Das Volumen des Raumes R₁ vergrößert sich
bei einer weiteren Drehung des Kolbens 2 in Drehrichtung z.
Hierdurch wird ein Medium durch den Einlaß 8 angesaugt.
Gleichzeitig wird das Volumen eines Raumes R₂ zwischen
einem vorderen Endpunkt 20 des Bogens 4 und dem Auslaß 10
verringert, d. h., ein Medium, welches sich in diesem Raum
R₂ befindet, wird durch den Auslaß 10 ausgestoßen.
Somit kann durch den Zylinder R ein Medium von einem Einlaß
8 zu einem Auslaß 10 durch die veränderbaren Räume R₁ und
R₂ transportiert werden. In einem Raum R₃ zwischen den
Schiebern 13 und 14 befindet sich bevorzugt ein
Schmiermittel, wodurch der Lauf des Kolbens 2 begünstigt
wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Drehkolbenkompressor K gemäß
Fig. 3 sind zwei Zylinder R₁ und R₂ miteinander über einen
Kanal 20 verbunden. In diesem Kanal 20 ist ein Raum R₄
ausgebildet, der dem schädlichen Volumen VS von Hubkolben
kompressoren entspricht. Dieser Raum R₄ erstreckt sich von
der Steuerkante 7.1 des Auslasses 10.1 des Zylinders Ra bis
zur Steuerkante 6.2 des Einlasses 8.2 des Zylinders R₁.
Ferner weist der Zylinder R₁ einen Einlaß 8.1 und der
Zylinder R₂ einen Auslaß 10.2 auf. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung etwas anders
ausgebildet als in den Fig. 1 und 2. Die Schieber 13.1,
13.2 und 14.1, 14.2 sind hier in entsprechenden
Ausnehmungen einer Aufnahme 18 gegen Feder 21 gelagert.
Wesentlich ist, daß der Radius ra der Innenwand 3.1 des
Zylinders Ra und der Radius r1a des Bogenabschnittes 11.1
größer sind als der Radis rb und der Radius r1b der
Innenwand 3.2 und des Bogenabschnittes 11.2 des Zylinders
Rb. Aus diesem Grunde ist das Volumen V₁ des Arbeitsraumes
9.1 größer als das Volumen V₂ des Arbeitsraumes 9.2.
Werden beide Kolben 2.1 und 2.2 in Drehrichtung Z₁ und Z₂
versetzt, so wird das höhere Volumen V₁ des Arbeitsraumes
9.1 in dem Zylinder Rb durch den Kanal 20 hindurchgepumpt,
so daß im Zylinder Rb eine Verdichtung stattfindet. Das
Verdichtungsverhältnis ist dabei ε = V₁/V₁ + VS. Ferner
ist wesentlich, daß der Kolben 2.2 dem Kolben 2.1 vorläuft.
Dabei soll der Endpunkt 19.2 des Kolbens 2.2 die
Steuerkante 6.2 bereits überschritten haben, ehe der
Endpunkt 19.1 des Kolbens 2.1 die Steuerkante 7.1
überschreitet. Hierdurch wird bewirkt, daß der Raum R₂ des
Zylinders Ra zu dem Kanal 20 hin erst dann geöffnet wird,
wenn sich in dem Zylinder Rb bereits ein Raum R₁ gebildet
hat, in den sich das schädliche Volumen aus dem Raum R₄
entspannen konnte.
In Fig. 4 ist ein Drehkolbenkompressor K angedeutet, der
als Wärmekraftmaschine arbeiten kann. Hierbei wird ein
Medium von einem Zylinder Ra zu einem Zylinder Rb und einen
Zylinder Rc hin verdichtet. Die Verdichtung erfolgt von dem
Gasstrom-Volumen Va zu dem Volumen Vb und zu dem Volumen
Vc.
Zwischen dem Zylinder Rc und einem weiteren Zylinder Rd
findet eine Wärmezufuhr ΔQ statt. Zwischen dem Zylinder Rd
und einem fünften und sechsten Zylinder Re und Rf erfolgt
dann eine adiabate Entspannung des Volumens auf ein Volumen
Vf bzw. Vg, welches wieder in etwa dem Volumen Va
entspricht, so daß ein Umgebungsdruck erreicht wird.
Alle Zylinder Ra bis Rf sitzen in dem Ausführungsbeispiel
auf einer gemeinsamen Welle 22.
Hierbei ist erkennbar, daß eine Wärmezufuhr ΔQ während
einer vollen Umdrehung der Kolben, d. h., etwa viermal
länger als bei bekannten Hubkolbenmotoren erfolgt.
Hierdurch wird eine kontrollierte Verbrennung ermöglicht.
Der im Vergleich mit üblichen Verbrennungskraftmaschinen
lange Aufenthalt des Arbeitsmediums im Motor läßt eine sehr
geringe Emission von NOx, CO₂ sowie unverbrannten
Kohlenwasserstoffen erwarten. Die Entspannung des Volumens
Vg im letzten Zylinder Rf auf Umgebungsdruck führt dazu,
daß keine oder nur geringe Auspuffgeräusche entstehen.
Weder wird an die Wahl eines Brennstoffes besondere
Anforderungen gestellt, noch sind Ventile oder damit
verbundene Teile zu ihrer Ansteuerung notwendig.
Dieser erfindungsgemäße Drehkolbenkompressor verspricht in
einer Ausführung als wärmedichter Motor eine Steigerung des
thermischen Wirkungsgrades, beispielsweise im Gegensatz zu
Motoren, die Verdichtung und Entspannung in ein und
demselben Raum ausführen müssen, wie beispielsweise 4-Takt,
2-Takt oder Wankelmotoren.
Claims (1)
- Drehkolbenkompressor mit zumindest zwei in einem Gehäuse (1) angeordneten Zylindern (Ra, Rb) mit darin drehbar gela gerten Kolben (2.1, 2.2), die mit Innenwänden (3.1, 3.2) des Gehäuses (1) bei ihrer Drehung um Achsen (A₁, A₂) in ihrem Volumen (Va, Vb) veränderbare Arbeitsräume (9.1, 9.2) ausbilden, die sich jeweils zwischen einem Einlaß (8.1, 8.2) und einem Auslaß (10.1, 10.2) erstrecken, wobei Einlaß (8.1, 8.2,) und Auslaß (10.1, 10.2) jeweils durch eine Dichteinrichtung (12) voneinander getrennt sind, wobei der Arbeitsraum (9.1) des ersten Zylinders (Ra) über einen Auslaß (10.1) in einen Kanal (20) einmündet, der über den Einlaß (8.2) des zweiten Zylinders (Rb) mit dessen Arbeits raum (9.2) in Verbindung steht und wobei das Volumen (Va) des Arbeitsraumes (9.1) des ersten Zylinders (Ra) größer ist als das Volumen (Vb) des Arbeitsraumes (9.2) des zwei ten Zylinders (Rb), dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2.1, 2.2) den Innenwänden (3.1, 3.2) der Zylinder (Ra und Rb) zugewandte Oberflächen aufweisen, deren Radien den Radien (ra und rb) der Innenwände (3.1, 3.2) entsprechen und deren Länge zwischen zwei Endpunkten (19 a und 19b) größer bemessen ist als ein Abstand (a) zwi schen zwei durch den jeweiligen Einlaß (8.1, 8.2) und Aus laß (10.1, 10.2) gebildeten Steuerkanten der Innenwände (3.1, 3.2) und daß der Kolben (2.2) des zweiten Zylinders (Rb) dem Kolben (2.1) des ersten Zylinders (Ra) in der Wei se vorläuft, daß der Arbeitsraum (9.1) des ersten Zylinders (Ra) durch den Endpunkt (19.1) der Oberfläche des Kolbens (2.1) an der Steuerkante (7.1) des in den Kanal (20) ein mündenden Auslasses (10.1) erst dann geöffnet wird, wenn der Endpunkt (19.2) der Oberfläche des Kolbens (2.2) des zweiten Zylinders (Rb) die durch den Kanal (20) am Einlaß (8.2) gebildete Steuerkante (6.2) bereits überschritten und hierdurch die Bildung des Arbeitsraumes (9.2) des zweiten Zylinders (Rb) bereits begonnen hat, so daß sich ein schäd liches Volumen des Kanals (20) in den sich bildenden Ar beitsraum (9.2) des zweiten Zylinders (Rb) entspannt.
Priority Applications (1)
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Publications (2)
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US3617158A (en) * | 1969-02-08 | 1971-11-02 | Mitsui Shipbuilding Eng | Multistage rotary compressor |
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