DE69228616T2

DE69228616T2 - Steuerung von einem verdichter-schieberventil

Info

Publication number: DE69228616T2
Application number: DE69228616T
Authority: DE
Inventors: Luc Muskego Wi 53150-3243 Langouet
Original assignee: Vilter Manufacturing LLC
Current assignee: Copeland Industrial LP
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2012-11-10
Also published as: JPH07504253A; WO1993018307A1; EP0630445A1; EP0630445A4; CA2131181C; JP2588364B2; DE69228616D1; US5183395A; EP0630445B1; CA2131181A1

Description

Die Erfindung betrifft Schraubenverdichter des Typs mit einem Schieberventil und insbesondere eine Steuerung für ein axial verschiebbares Schieberventil zur Regulierung des Volumenverhältnisses und der Kapazität des Verdichters.
Es sind Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität bekannt, in deren Gehäuse ein Paar Schraubenrotoren angeordnet sind, zum Verdichten von Fluid, das aus einem Eintritt mit Ansaugdruck gezogen wird, und zum Befördern des verdichteten Fluids durch einen Austritt mit einem höheren Enddruck. Bekanntlich wird auch ein Schieberventil verwendet, das in einer Aussparung im Verdichtergehäuse axial verschiebbar ist, um das Volumenverhältnis (mitunter vom Fachmann als Verdichtungsverhältnis bezeichnet) und die Kapazität des Verdichters zu steuern. US-A-4 516 914 offenbart einen Rotationsschraubenverdichter des oben beschriebenen Typs mit einer zweistückigen Schieberventilanordnung, die ein Schieberventil und einen Schieberanschlag aufweist, die zur axialen Gleitbewegung aufeinander zu und voneinander weg koaxial angeordnet sind. Das Schieberventil und der Schieberanschlag haben jeweils ein Innenflächenende, wobei die Innenflächen einander gegenüberliegen, um eine Öffnung bereitzustellen, die in Größe und axialer Position veränderlich ist. Sowohl das Schieberventil als auch de Schieberanschlag sind insofern "aktiv", als ihre Positionen durch Hydraulikkolben reguliert werden. Ein erster doppeltwirkender Kolben ist mit dem Schieberventil verbunden, um eine positive Regulierung seiner Position durchzuführen, und die Position des Schieberanschlags wird unabhängig vom Schieberanschlag durch einen zweiten und getrennten doppeltwirkenden Kolben gesteuert. Beide Kolben werden durch Schmieröldruck, der von Hydraulikventilen gesteuert wird, aktiviert. Eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung er fassen den Druck an der Austritts- bzw. Eintrittsöffnung. Eine dritte und eine vierte getrennte und unabhängige Erfassungseinrichtung erfassen die Position des Schieberventil- bzw. des Schieberanschlagteils. Ein Mikrocomputer spricht auf die vier Erfassungseinrichtungen an, um den ersten und zweiten Kolben unabhängig voneinander konstant zu aktivieren, um die Positionen des Schieberventils und des Schieberanschlags zu regulieren, um das Volumenverhältnis und die Kapazität des Verdichters zu steuern.
Die Hauptaufgabe solcher Verdichteranordnungen ist es, einen Verdichtersystemzustand zu steuern, der beispielsweise die Kühlgasmenge sein könnte, die normalerweise in pound (Pfund) angegeben wird und die durch den Verdichter strömt die Temperatur bestimmt, auf der die mit dem Verdichter verbundene Kühleinheit gehalten wird. In vielen verarbeitenden Industriezweigen muß die Prozeßtemperatur innerhalb extrem enger Toleranzen gehalten werden, um eine Prozeßstörung oder eine Minderung der Qualität des Enderzeugnisses zu vermeiden. Der Sollzustand wird in den Mikrocomputer einprogrammiert. Der Mikrocomputer erfaßt dann den Istzustand des Systems, vergleicht ihn mit dem Sollzustand und reguliert die Positionen sowohl des Schieberventils als auch des Schieberanschlags aktiv als Antwort auf ein in ihm installiertes Programm, um den Istzustand so nah wie möglich am Sollzustand zu halten.
Ein Problem bekannter Systeme, das sich bei der genauen Steuerung des Systemzustands auswirkt, ist die Ansprechzeitverzögerung vieler mechanischer und hydraulischer Komponenten, z. B. der Ventile oder doppeltwirkenden Kolben, die auf die Aktivierung durch den Öldruck ansprechen müssen. Die Ansprechzeitverzögerung führt zu einem Pendeln um den Sollwert des Verdichters, d. h. der Verdichter spricht weiterhin an, obwohl Sollzustandsparameter erreicht sind, und dies führt zu einer weniger genauen Steuerung des Systemzustands, z. B. der Temperatursteuerung. Ferner erhöht das Pendeln die Frequenz der Kolbenaktivierung deutlich, was zu einem schnelleren Verschleiß der mechanischen Komponenten, z. B. der Kolbenringe und des Zylinders, führt. Ein solcher Verschleiß führt letztlich zu Undichtigkeiten, und jedes Entweichen des Schmieröls von einer Seite eines Kolbens zur anderen bewirkt, daß die Position des Kolbens von seinem eingestellten Sollpunkt abdriftet, und dies führt zu einem schlimmeren Pendeln.
Das oben beschriebene System gemäß US-A-4 516 914 erzeugt insgesamt vier Erfassungssignale, die vom Mikrocomputer verwendet werden, um eine positive unabhängige Betätigung der beiden doppeltwirkenden Hydraulikkolben zu bewirken. Dies führt zu einer komplexen Anordnung, deren Herstellung und Montage teurer ist. Die Notwendigkeit einer konstanten aktiven Regulierung jedes doppeltwirkenden Kolbens erhöht die Auswirkung der Ansprechzeit und des Verschleißes.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Schieberventilsteuerung mit vereinfachter Konstruktion mit einer verringerten Anzahl von Komponenten und einer geringeren Anzahl von Erfassungssignalen bereit, um dadurch die Ansprechzeit zu verringern und eine genauere Steuerung eines Verdichterzustands zu ermöglichen, während gleichzeitig der Verschleiß der Steuerkomponenten minimiert wird. Der Verdichter ist mit einem zweistückigen Schieberventil versehen, das ein passives Schieberventil und ein aktives Schieberventil aufweist. Eine passive Schieberventilausgleichseinrichtung mit einem Kolben ist mit dem passiven Schieber verbunden, wobei eine Seite dauerhaft dem Ansaugdruck ausgesetzt ist, und eine aktive Schieberventilausgleichseinrichtung mit einem Kolben ist mit dem aktiven Schieber verbunden, wobei eine Seite dauerhaft dem Enddruck ausgesetzt ist. Die Verdichtersteuerung verbindet beide Ausgleichskolben entweder mit dem Ansaugdruck oder mit dem Enddruck. Die beiden Ausgleichskolben regulieren oder verändern die Position des passiven und des aktiven Schieberventils nicht aktiv, sondern gleichen statt dessen die Axiallast aus, die auf das aktive Schieberventil wirkt. Eine Antriebseinrichtung ist nur mit dem aktiven Schieberventil verbunden, um eine aktive oder positive Regulierung der Position des aktiven Schieberventils durchzuführen. Es gibt keine aktive oder positive Regulierung der Position des passiven Schieberventils. Aufgrund meiner neuartigen Schieberventilanordnung muß der Mikrocomputer nur drei Betriebsparameter erfassen, nämlich den Ansaugdruck, den Enddruck und die Position des aktiven Schieberventils.
Insbesondere weist der erfindungsgemäße Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität auf: ein Rotorgehäuse, das eine Bohrungseinrichtung mit einem Eintritt mit einem Ansaugdruck aufweist, eine Austrittsbohrung mit einem Austritt mit einem Enddruck, einen inneren und einen äußeren passiven Schieberventilraum, einen äußeren aktiven Schieberventilraum und eine Schieberventilaussparung in Fluidkommunikation zwischen der Bohrungseinrichtung und dem Eintritt. Eine Rotoreinrichtung ist zur Drehung in der Bohrungseinrichtung angeordnet, um aus dem Eintritt aufgenommenes Fluid zu verdichten und das Fluid mit einem höheren Druck durch den Austritt zu befördern. Eine passive Schieberventileinrichtung und eine aktive Schieberventileinrichtung sind zur axialen Bewegung in der Schieberventilaussparung angeordnet und so verbunden, daß sie entweder in dichtender Position, um Fluidkommunikation durch die Aussparung zu verhindern, oder in Positionen sind, die eine veränderliche Volumenöffnung zwischen ihnen definieren und dabei die Bohrung und den Eintritt in Fluidkommunikation versetzen. Eine passive Schieberventilausgleichseinrichtung ist zwischen dem äußeren und dem äußeren passiven Schieberventilraum angeordnet und mit der passiven Schieberventileinrichtung verbunden. Eine aktive Schieberventilausgleichseinrichtung ist zwischen der Austrittsbohrung und dem äußeren aktiven Schieberventilraum angeordnet und mit der aktiven Schieberventileinrichtung verbunden. Eine Kanaleinrichtung verbindet den inneren passiven Schieberventilraum in dauerhaft offener Fluidkommunikation mit dem Ansaugdruck. Eine Antriebseinrichtung ist so verbunden, daß die Position der aktiven Schieberventileinrichtung selektiv reguliert wird. Eine Leitungseinrichtung mit einer Ventileinrichtung ist vorgesehen zum selektiven Verbinden des passiven und des aktiven Schieberventilausgleichsraums in Kommunikation entweder mit dem Ansaug- oder dem Enddruck. Eine Steuereinrichtung ist betriebsfähig verbunden mit der Ventileinrichtung, um sowohl den äußeren passiven Schieberventilraum als auch den äußeren aktiven Schieberventilraum in Fluidkommunikation entweder mit dem An saug- oder mit dem Enddruck zu versetzen, um den Axialschub auszugleichen, der auf das aktive Schieberventil entweder mit dem Ansaug- oder mit dem Enddruck wirkt, und um die Antriebseinrichtung zu betätigen, um die Position des aktiven Schieberventils zu regulieren.
Insbesondere hat die Ventileinrichtung ein erstes und ein zweites Ventil, und die Steuereinrichtung stellt einen ersten und einen zweiten Steuerausgang bereit, die mit der ersten und der zweiten Ventileinrichtung verbunden sind, um entweder die erste oder die zweite Ventileinrichtung zu öffnen. Wenn die erste Ventileinrichtung offen ist, sind beide Ausgleichseinrichtungen in Kommunikation mit dem Eintritt, um die auf dem aktiven Schieber lastende Axiallast unter Verwendung des Ansaugdrucks auszugleichen. Wenn das zweite Schieberventil offen ist, sind beide Ausgleichseinrichtungen in Kommunikation mit dem Austritt, um die auf dem aktiven Schieber lastende Axiallast unter Verwendung des Enddrucks auszugleichen. Die Steuereinrichtung stellt auch einen dritten Steuerausgang bereit, der mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, zum Regulieren der Position der aktiven Schieberventileinrichtung.

Die Zeichnungen zeigen folgendes:

Fig. 1 eine horizontale Schnittansicht eines Rotationsschraubenverdichters mit bestimmten, schematisch dargestellten Komponenten;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1; und
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Verdichters und der zugehörigen Steuerschaltung.
In Fig. 1 und 2 ist der Rotationsschraubenverdichter 10 dargestellt, der aufweist: ein Rotorgehäuse 12, das sich schneidende Bohrungseinrichtungen 14, 16 aufweist, ein Niederdruckende mit einem Ansaugendabschnitt oder -gehäuse 18 mit einem Eintritt 19 und ein Hochdruckende mit einem Enddruckendabschnitt oder -gehäuse 20 mit einer Austrittsbohrung 49 irgendeiner geeigneten Form und einem Austritt 21. Ein männlicher und ein weiblicher Rotor 22 und 24, die ineinandergreifen, sind mit Lagern (nicht dargestellt) auf parallelen Achsen in den sich schneidenden Bohrungen 14 und 16 auf bekannte Wei se drehbar angeordnet. Die Rotoren 22 und 24 werden von einem Motor 26 angetrieben. Ein Fluid, z. B. ein Gas, ist in Verdichtungsräumen, die durch Nuten der ineinandergreifenden Rotoren gebildet werden, eingeschlossen und wird verdichtet, wenn sich die Rotoren drehen, um die Größe der Verdichtungsräume auf bekannte Weise allmählich zu verringern. Das Gehäuse 12 weist auch eine sich axial erstreckende Schieberventilaufnahmeaussparung 25, 25A, die in Fluidkommunikation ist, zwischen den Bohrungen 14, 16 und dem Eintritt 19 auf.
Das Ansaugendgehäuse 18 ist am Gehäuse 12 durch Bolzen 23 fest angeordnet und weist einen Teil der Schieberventilaussparung 25, die eine äußere Bohrung 27 mit einem ersten Durchmesser und eine innere Zylindersenkbohrung 28 mit einem zweiten Durchmesser aufweist, der größer ist als der erste Durchmesser, und einen äußeren und einen inneren passiven Schieberventilraum 32, 38 auf. Die Aussparung 25 hat eine Öffnung 25A, die in Kommunikation mit dem Eintritt 19 ist. Ein erster Kolben 29 ist in der äußeren Bohrung 27 gleitfähig angeordnet. Die äußeren Bohrung 27 ist durch eine Endkappe 31 verschlossen, die den äußeren passiven Schieberraum 32 zwischen sich und dem Kolben 29 bildet. Der Kolben 29 ist Teil einer ersten druckbetätigten Einrichtung und hat eine erste Innenseite 29B, die dem inneren Raum 38 gegenüberliegt, der über den Kanal 39 dem Ansaugdruck dauerhaft ausgesetzt ist, und eine erste Außenseite 29A, die dem äußeren Raum 32 gegenüberliegt. Die Endkappe 31 weist einen ersten Anschluß 33 auf, der Teil einer ersten Leitungseinrichtung 40 (Fig. 3) ist. Die erste Leitungseinrichtung 40 ist über den ersten Anschluß 33 in offener Kommunikation mit dem äußeren Raum 32. Das Ansaugendgehäuse 18 weist ferner einen zweiten Anschluß 41 auf, der sich zum Eintritt 19 öffnet. Der zweite Anschluß 41 ist auch Teil der ersten Leitungseinrichtung 40, die nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Eine passive Schieberventileinrichtung 34 mit einem passiven Schieberventilsteuerkolben 35 ist in den Bohrungen 27, 28 gleitfähig angeordnet. Der passive Schieberventilsteuerkolben 35 weist ein erstes inneres Stirnflächenende 36 und einen Umfangsabschnitt 37 in dichtender Beziehung mit den Ro toren 22, 24 und einen reduzierten-Abschnitt 34A auf. Der Steuerkolben 35 hat auch einen Eintrittsendabschnitt oder Eintrittsendfläche 35A, der bzw. die mit einem reduzierten Abschnitt 34A des passiven Ventils 34 zusammenpaßt und mit der Bohrung 27 zusammenwirkt, um den inneren passiven Schieberventilraum 38 zu bilden. Da die Kanaleinrichtung 39 den inneren Raum 38 in offener Fluidkommunikation mit dem Eintritt 19 verbindet, sind der inneren Raum 38, die Innenfläche 29A des Kolbens 29, der dem Raum 38 gegenüberliegt, und die Fläche 35A dauerhaft dem Ansaugdruck ausgesetzt. Das passive Schieberventil 34 ist mit dem Kolben 29 verbunden, wobei der Kolben 29 in eine wechselseitigen dichtenden Beziehung zwischen dem äußeren und dem inneren Raum 32, 38 des passiven Schieberventils versetzt wird. Die Endkappe 31, die Räume 32, 38 und der Kolben 29 bilden eine passive Schieberventilausgleichseinrichtung.
Das Austrittsendgehäuse 20 ist mittels Bolzen 48 fest am Gehäuse 12 angeordnet und weist die Austrittsbohrung 49 auf, die ein offenes inneres und äußeres Ende 52, 52A, den Austritt 21 und den dritten Anschluß 50 hat. Das Austrittsendgehäuse 20 ist auch mit einer Endkappe 53 versehen, die durch Kappenschrauben 56 in einer umgebenden Beziehung zum offenen äußeren Ende 52A der Austrittsbohrung 49 fest angeordnet ist. Das offene innere Ende 52A liegt den Rotorbohrungen 14, 16 gegenüber, um verdichtetes Fluid aus den Rotoren 22, 24 in die Endgehäuseaustrittsbohrung 49 zum Ausstoßen durch den Austritt 21 strömen zu lassen. Die Endkappe 53 hat einen Zylinder 57, der ein offenes Ende 58 aufweist, das zur Austrittsbohrung 49 gewandt ist, und ein geschlossenes Ende 55 mit einem vierten Anschluß 59. Der dritte und der vierte Anschluß 50 und 59 sind Teil einer zweiten Leitungseinrichtung 80 (Fig. 3), die nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Eine aktive Schieberventileinrichtung 61 ist in der Aussparung 25 gleitfähig angeordnet, um sich zum passiven Schieberventil 34 hin oder von diesem weg zu bewegen. Das aktive Schieberventil 61 weist einen aktiven Schieberventilsteuerkolben 65 mit einem zweiten inneren Stirnflächenende 66 in gegenüberliegender Beziehung zum ersten inneren Stirnflächenende 36 und einen Umfangsabschnitt 68 in dichtender Beziehung mit den Rotoren 22, 24 auf. Eine Feder 71 kann zwischen den inneren Stirnflächenenden 36, 66 angeordnet sein. Im Betrieb bewegen sich die Enden 36, 66 aufeinander zu und voneinander weg, um einen in seiner Größe veränderlichen Spalt 69 zu erzeugen, der in Größe und axialer Position veränderlich ist und die Bohrungen 14, 16 über die Öffnung 25A in Fluidkommunikation mit dem Eintritt 19 versetzt. Wenn die inneren Stirnflächenenden 36, 66 in Kontakt miteinander sind, bilden sie eine Dichtung, die Fluidkommunikation über die Aussparung 25, 25A zum Eintritt 19 verhindert. Das äußere Ende des Steuerkolbens 65 hat einen Austrittsendabschnitt oder Austrittsendfläche 72, die in offener direkter Kommunikation mit der Austrittsbohrung 49 ist und sich auf den Rand 73 des Austrittsgehäuses 20 zu oder von diesem weg bewegt, wenn sich das aktive Ventil 61 bewegt. Daher ist die Endfläche 72 der aktiven Schieberventileinrichtung 61 dem Enddruck dauerhaft ausgesetzt.
Eine aktive Schieberventilausgleichseinrichtung in Form eines zweiten Kolbens 63 ist zur Hubbewegung im Zylinder 57 angeordnet. Der zweite Kolben 63 wirkt mit dem Zylinder 57 zusammen, um einen äußeren aktiven Schieberventilraum 62 zu bilden. Der Kolben 63 ist eine zweite druckbetätigte Einrichtung, die zwischen der Austrittsbohrung 49 und dem äußeren Raum 62 angeordnet ist. Der Kolben 63 ist mit dem aktiven Schieberventil 61 durch eine Kolbenstange 64 verbunden. Vorzugsweise ist die Kolbenstange 64 mit dem aktiven Ventilsteuerkolben 65 und dem zweiten Kolben 63 einstückig verbunden. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Ventilsteuerkolben 65, die Kolbenstange 64 und der Kolben 63 eine dreistückige Anordnung aus einzelnen Komponenten sein könnten. Der Kolben 63 hat den gleichen Querschnitt wie das aktive Schieberventil 61. Der zweite Kolben 63 hat eine erste Innenseite 63A, die der Austrittsbohrung 49 gegenüberliegt und dem Enddruck dauerhaft ausgesetzt ist, und eine zweite Außenseite 63B, die dem äußeren Raum 62 gegenüberliegt.
Die Kolbenstange 64 weist eine Zahnstange 76 auf, die nach unten gewandt ist, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Ein Zahnrad 78 ist auf einer Zahnradantriebswelle 77 fest angeordnet und steht in Eingriff mit der Zahnstange 76. Eine Antriebsein richtung, z. B. ein umsteuerbarer Drehbewegungsmotor 79, ist über einen Getriebezug 81 in Antriebsbeziehung mit der Welle 77.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, ist zu beachten, daß die beiden Ausgleichskolben 38, 63 die Position des passiven und des aktiven Schieberventils 34, 61 nicht aktiv regulieren. Statt dessen gleichen die Kolben 38, 63 die Axiallast aus, die durch den Enddruck in der Austrittsbohrung 49 während des Betriebs auf das aktive Schieberventil wirkt.
Die erste und die zweite Leitungseinrichtung 40 und 80 sind eine Leitungseinrichtung, die nachstehend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird. Die erste Leitungseinrichtung 40 weist ein erstes Ansaugleitungssegment 42 auf, das den zweiten Anschluß 41 (unter Ansaugdruck stehend) in Fluidkommunikation mit einem Ansaugdruckwandler 101 einer Steuereinrichtung 100, die nachstehend beschrieben wird, und mit einer Eingangsseite einer ersten Ventileinrichtung 45 verbindet, die von einem Servomotor 47 betrieben wird. Die erste Leitungseinrichtung 40 weist auch ein erstes Ventildoppeldruckleitungssegment 46 und eine gemeinsame Leitung 88 auf, die eine Ausgangsseite des Ventils 45 in Fluidkommunikation mit dem ersten Anschluß 33 und dem vierten Anschluß 59 verbindet. Wenn das Ventil 45 offen ist, sind der erste und der vierte Anschluß 33 und 59 beide mit dem zweiten Anschluß 41 verbunden und sind somit beide auf Ansaugdruck.
Die zweite Leitungseinrichtung 80 weist ein erstes Austrittsleitungssegment 82 auf, das der dritte Anschluß 50 (unter Enddruck stehend) in Fluidkommunikation mit einem Enddruckwandler 102 der Steuereinrichtung 100 und mit einer Eingangsseite einer zweiten Ventileinrichtung 85 verbindet, die von einem Servomotor 87 betätigt wird. Die zweite Leitungseinrichtung 80 weist auch ein zweites Doppeldruckleitungssegment 86 und eine gemeinsame Leitung 88 auf, die eine Ausgangsseite des Ventils 85 in Fluidkommunikation mit dem ersten und dem vierten Anschluß 33 und 59 verbindet. Die erste und die zweite Ventildoppeldruckleitung 46, 48 sind auf irgendeine geeignete Weise in offener Fluidkommunikation miteinander verbunden.
Wenn das Ventil 85 offen ist, sind der erste und der vierte Anschluß 33 und 59 beide mit dem dritten Anschluß 50 verbunden und sind somit auf Enddruck. Daher sind je nachdem, welches Ventil (45 oder 85) offen ist, die Doppeldruckleitungssegmente 46, 48 und die gemeinsame Leitung 88 entweder auf Ansaug- oder auf Enddruck.
Der Ansaugdruckwandler 101, der mit der ersten Leitungseinrichtung 40 verbunden ist, erzeugt ein erstes Signal 104, das dem Ansaugdruck im Anschluß 41 proportional ist; der Enddruckwandler 102, der mit der zweiten Leitungseinrichtung 80 verbunden ist, erzeugt ein zweites Signal 106, das dem Enddruck im Anschluß 50 proportional ist; und ein Schieberventilpotentiometer 107 ist mit der Welle 77 verbunden, um ein drittes Signals 108 zu erzeugen, das auf die Position des aktiven Schieberventils 61 anspricht.
Die Steuereinrichtung 100 wird nachstehend beschrieben. Die Steuereinrichtung 100 weist auf: eine Mikrocomputereinheit 103, die einen programmierbaren Mikrocomputer 103A aufweist, eine Analogeingabe 103B, eine Binärausgabe 103C und eine Anzeige 103D. Eine geeignete Mikrocomputereinheit 103 kann von Micrometics International Inc. in Greendale, Visconsin, erworben werden, Teilnummer 110-6019-00. Die Steuereinrichtung 100 weist ferner auf: eine Kapazitätssteuerung 111 mit einem ersten Steuerausgang 112, der so verbunden ist, daß der Servomotor 47 betätigt wird, um das Ventil 45 entweder zu öffnen oder zu schließen; eine Volumensteuerung 113 mit einem zweiten Steuerausgang 114, der so verbunden ist, daß der Servomotor 87 betätigt wird, um das Ventil 85 entweder zu öffnen oder zu schließen; eine aktive Schieberventilsteuerung nach rechts 116 mit einem Ausgang 117, der bei Aktivierung tätig wird, um zu bewirken, daß der Motor 79 die aktive Schieberventilendfläche 72 auf den Rand 73 zu bewegt; und eine aktive Schieberventilsteuerung nach links 118 mit einem Ausgang 119, der bei Aktivierung tätig wird, um zu bewirken, daß der Motor 79 die aktive Schieberventilendfläche 72 vom Rand 73 weg bewegt. Die Ausgänge 117 und 119 bilden einen dritten Steuerausgang der Steuereinrichtung 100.
Ein Flußdiagramm für ein typisches Programm 120 zum Betrieb der Steuereinrichtung 100 wäre folgendes. Die Abkürzungen, die im Text des Flußdiagramms verwendet werden, sind im Flußdiagramm definiert. Was den Ausdruck "VR = Steuermodus" in dem folgenden Programm betrifft, so ist dies so zu verstehen, daß "Steuermodus" einen von beiden Zuständen bezeichnet, d. h. das passive und das aktive Schieberventil 34, 61 werden aufgrund des Enddrucks in den Räumen 32, 62 als Einheit zusammengehalten, oder das passive und das aktive Schieberventil 34, 61 können sich aufgrund des Ansaugdrucks in den Räumen 32, 62 voneinander trennen. Was den Ausdruck "Druckverhältnis" betrifft, so ist dieser so zu verstehen, daß es in der tatsächlichen Praxis ein "Druck" ist, der gemessen wird, und daher wird der Ausdruck "Druckverhältnis" in dem Programm verwendet. Das Druckverhältnis wird verwendet, um das Volumenverhältnis des Verdichters nach der folgenden Formel zu ermitteln:
Volumenverhältnis = [Druckverhältnis]1/K
wobei K eine Konstante ist, die für jedes verdichtbare Fluid definiert ist.
Die Steuereinrichtung 100 steuert das Volumenverhältnis und die Kapazität des Verdichters. Im Hinblick auf das Volumenverhältnis wird das Gas, wenn die Endfläche 72 des aktiven Schieberventils 61 nach rechts auf den Austrittsrand 73 zu bewegt wird, in den Rotornutenräumen für einen längere Zeitdauer eingeschlossen, und das Gasvolumen verringert sich, wenn sein Druck steigt. Die Bewegungsrichtung des aktiven Schieberventils 61 nach rechts bewirkt eine Erhöhung des Volumenverhältnisses. Wie bereits erwähnt, wird dies bisher mitunter als Verdichtungsverhältnis bezeichnet. Wenn dagegen die aktive Schieberventilendfläche 72 nach links weg vom Austrittsrand 73 bewegt wird, bleibt das Gas für einen kürzeren Zeitraum eingeschlossen. Sein Volumen verringert sich nicht so sehr, und daher wird sein Druck zur Zeit des Austritts geringer. Diese Bewegungsrichtung des aktiven Schieberventils 61 bewirkt eine Verringerung des Volumenverhältnisses.
Wenn der Verdichter in der Praxis bei Vollast betrieben wird, schließt die Steuereinrichtung 100 das Ventil 45 und öffnet das Ventil 85. Der äußere passive Schieberventilraum 30 und der äußere aktive Schieberventilraum 62 sind beide auf Austrittsdruck, der die inneren Stirnflächenenden 36, 66 in einen dichtenden Berührungseingriff drückt. In diesem Betriebsmodus sind beide Seiten 63A, 63B des Kolbens 63 dem Austrittsdruck ausgesetzt und gleichen sich daher einander aus. Die Endfläche 72 ist dem Austrittsdruck ausgesetzt. Was jedoch den Kolben 29 betrifft, so ist die Seite 29A, die dem äußeren Raum 32 zugewandt ist, auf Austrittsdruck, wogegen die Seite 29B, die dem inneren Raum 38 zugewandt ist, auf Ansaugdruck ist, und daher wird die auf der Fläche 72 wirkende Axialkraft durch eine entgegengesetzte gleiche Kraft ausgeglichen, die vom Austrittsdruck im äußeren Raum 32 erzeugt wird. Wenn die Position des aktiven Schieberventils 61 vom Motor 79 reguliert wird, bewegt sich das passive Schieberventil 34 automatisch mit. Wenn sich die Endfläche 72 näher an den Austrittsrand 73 heranbewegt oder weiter von diesem wegbewegt, wird das Volumenverhältnis reguliert, d. h. es wird erhöht oder verringert, aber die Kapazität des Verdichters ändert sich nicht.
Nachstehend wird die Verdichterkapazität beschrieben. Wenn, wie bereits erläutert, die Endfläche 36 des passiven Schieberventils 34 und die Endfläche 66 des aktiven Schieberventils 61 in dichtender Beziehung zueinander gehalten werden, kann kein Gas über die Öffnung 25A in den Eintritt 19 zurückgeführt werden, und der Verdichter arbeitet mit maximaler Kapazität. Wenn sich die Endflächen 36, 66 auseinanderbewegen können, um zwischen sich einen Spalt 69 zu erzeugen, kann ein Teil des in den Rotorverdichterräumen eingeschlossenen Gases entweichen und über die Öffnung 25A in den Eintritt 19 zurückgeführt werden, um die Kapazität zu verringern. Durch Vergrößerung oder Verringerung des Spaltes 69 zwischen den Endflächen 36, 66 kann die Kapazität erhöht oder verringert werden.
Wenn beispielsweise der Verdichter mit Teillast arbeiten soll, öffnet die Steuereinrichtung 100 das Ventil 45 und schließt das Ventil 85. Der passive äußere Schieberventilraum 32 und der aktive äußere Schieberventilraum 62 sind dann beide auf Ansaugdruck. Daher werden das passive Schieberventil 34 und das aktive Schieberventil 61 nicht mehr zusammengedrückt, und eine positive Regulierung der aktiven Schieberventilposition durch den Motor 79 wird vom passiven Schieberventil nachvollzogen. In diesem Betriebsmodus sind beide Seiten des Kolbens 29 dem Ansaugdruck ausgesetzt und gleichen einander aus. Die Endfläche 72 ist dem Austrittsdruck ausgesetzt. Was jedoch den Kolben 63 betrifft, so ist die Seite 63B, die dem äußeren Raum 62 zugewandt ist, nunmehr auf Ansaugdruck, wogegen die Seite 63A, die der Austrittsbohrung 49 zugewandt ist, auf Austrittsdruck ist, und daher wird die auf die Fläche 72 wirkende Axialkraft durch eine entgegengesetzte Kraft ausgeglichen, die durch den auf der Seite 63A des Kolbens 63 wirkenden Austrittsdruck erzeugt wird. Der Druck des Gases in den Rotorräumen drückt das passive und das aktive Schieberventil auseinander, und wenn eine Verdichterfeder 71 verwendet wird, trägt sie zu diesem Auseinanderbewegen bei. Durch das Auseinanderbewegen wird der veränderliche Spalt 69 zwischen den inneren Stirnflächenenden 36, 66 geöffnet, wodurch mehr oder weniger Gas in den Eintritt 19 zurückgeführt wird, um die Kapazität zu steuern.
Durch Bereitstellung einer Anordnung, bei der der passive Schieberraum 32 und der aktive Schieberraum 62 beide entweder auf Ansaug- oder auf Austrittsdruck sind, ist es lediglich notwendig, für eine positive Regelung der Position des aktiven Schieberventils 61 zu sorgen. Daher muß die Steuereinrichtung 100 nur drei Betriebsparameter erfassen: Ansaugdruck, Austrittsdruck und die Position des aktiven Schieberventils 61. Dies wiederum vereinfacht das Steuersystem und ermöglicht eine schnellere Ansprechzeit, die das Pendeln des Verdichters i minimiert, damit der Verdichtersystemzustand genauer gesteuert werden kann, während gleichzeitig ständig eine auf das aktive Schieberventil 63 wirkende Kraft bereitgestellt wird, die der Axialkraft entgegenwirkt, die durch den Austrittsdruck in der Austrittsbohrung 49 verursacht wird.

Claims

1. Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität, mit:

a) einem Rotorgehäuse (12) mit einer Bohrungseinrichtung (14, 16) mit einem Eintritt (19) mit einem Ansaugdruck, einem Austritt (21) mit einem Enddruck und einer Schieberventilaussparung (25, 25A) in Fluidkommunikation zwischen der Bohrungseinrichtung (14, 16) und dem Eintritt (19);

b) einer Rotoreinrichtung (22, 24), die zur Drehung in der Bohrungseinrichtung angeordnet ist, um ein Fluid, das aus dem Eintritt (19) aufgenommen wird, zu komprimieren und das Fluid mit einem höheren Druck in den Austritt (21) zu befördern;

c) einer passiven Schieberventileinrichtung (34) und einer aktiven Schieberventileinrichtung (61), die zur Bewegung in der Aussparung (25, 25A) angeordnet sind, entweder in eine Dichtposition, um Fluidkommunikation über die Aussparung zu verhindern, oder in Positionen, die eine veränderliche Volumenöffnung definieren, die die Bohrungseinrichtung (14, 16) und den Eintritt (19) in Fluidkommunikation versetzt;

d) einer passiven Schieberventilausgleichseinrichtung (29), die mit der passiven Schieberventileinrichtung (34) verbunden ist und eine erste druckbetätigte Einrichtung mit einem inneren und äußeren druckempfindlichen Abschnitt aufweist, wobei der innere Abschnitt dauerhaft in offener Kommunikation mit dem Ansaugdruck verbunden ist;

gekennzeichnet durch

e) eine aktive Schieberventilausgleichseinrichtung (63), die mit der aktiven Schieberventileinrichtung (61) verbunden ist, die eine zweite druckbetätigte Einrichtung mit einem inneren und äußeren druckempfindlichen Abschnitt aufweist, wobei der innere Abschnitt dauerhaft in offener Kommunikation mit dem Enddruck verbunden ist;

f) eine Antriebsvorrichtung (79), die verbunden ist, um die Position der aktiven Schieberventileinrichtung (61) zu regulieren; und

g) eine Steuereinrichtung (100), die betriebsfähig ist, um sowohl die äußeren Abschnitte der ersten und zweiten druckbetätigten Einrichtung in Fluidkommunikation entweder mit dem Ansaugdruck oder mit dem Enddruck zu verbinden, um einen Axialschub auf die aktive Schieberventileinrichtung (61) entweder unter Verwendung des Saug- oder Enddrucks auszugleichen und die Antriebsvorrichtung (79) zu aktivieren, die Position der aktiven Schieberventileinrichtung zu regulieren.

2. Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität nach Anspruch 1, wobei

a) die erste druckbetätigte Einrichtung einen äußeren passiven Schieberventilraum (32) und einen inneren passiven Schieberventilraum (38) aufweist und die zweite druckbetätigte Einrichtung einen äußeren aktiven Schieberventilraum (62) aufweist,

b) die passive Schieberventilausgleichseinrichtung (29) zwischen dem äußeren und inneren passiven Schieberventilraum (32, 38) angeordnet ist,

c) die aktive Schieberventilausgleichseinrichtung (63) zwischen der Austrittsbohrung (19) und dem äußeren aktiven Schieberventilraum (62) angeordnet ist;

d) Kanaleinrichtungen (39) zum Verbinden des inneren passiven Schieberventilraums (35) in dauerhafter offener Fluidkommunikation mit dem Ansaugdruck vorgesehen sind,

e) eine Leitungseinrichtung (40, 80) vorgesehen ist, die eine Ventileinrichtung zum selektiven Verbinden des äußeren passiven und äußeren aktiven Schieberventilraums (32, 62) in Fluidkommunikation entweder mit dem Ansaug- oder dem Enddruck aufweist; und

f) die Steuereinrichtung (100) mit der Ventileinrichtung betriebsfähig verbunden ist, um sowohl den äußeren passiven Schieberventilraum als auch den äußeren aktiven Schieber ventilraum (32, 62) in Fluidkommunikation entweder mit dem Ansaugdruck oder mit dem Enddruck zu versetzen.

3. Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität nach Anspruch 2, wobei

- die Leitungseinrichtung aufweist:

- - eine erste Leitungseinrichtung (40) in Fluidkommunikation zwischen dem Eintritt (19) und dem äußeren passiven und aktiven Schieberventilraum (32, 62) und einer ersten Ventileinrichtung (45), die selektiv betriebsfähig ist, um entweder die erste Leitungseinrichtung zu schließen oder die erste Leitungseinrichtung zu öffnen und sowohl die äußere passive als auch aktive Schieberventilkammer in Kommunikation mit dem Saugdruck zu versetzen, und

- - eine zweite Leitungseinrichtung (80) in Fluidkommunikation zwischen dem Austritt (21) und dem äußeren passiven und aktiven Schieberventilraum (32, 62) und mit einer zweiten Ventileinrichtung (85), die selektiv betriebsfähig ist, um entweder die zweite Leitungseinrichtung (80) zu schließen oder die zweite Leitungseinrichtung zu öffnen und sowohl den äußeren passiven als auch aktiven Schieberventilraum in Kommunikation mit dem Enddruck zu versetzen;

- der Kompressor ferner aufweist:

- - eine erste Erfassungseinrichtung (101), die den Eintrittsansaugdruck erfaßt und ein erstes zu diesem proportionales Signal bereitstellt;

- - eine zweite Erfassungseinrichtung (102), die den Austrittsenddruck erfaßt und ein zweites zu diesem proportionales Signal bereitstellt;

- - eine dritte Erfassungseinrichtung (107) zum Erfassen der Position der aktiven Schieberventileinrichtung (61) und Bereitstellen eines dritten zu diesem proportionalen Signals; und

- die Steuereinrichtung (100) betriebsfähig verbunden ist, um das erste, zweite und dritte Signal vor den Erfassungseinrichtungen zu empfangen und einen ersten und zweiten Steuerausgang bereitzustellen, die mit der ersten und zweiten Ventileinrichtung (45 bzw. 85) verbunden sind, um entweder die erste oder zweite Ventileinrichtung zu öffnen und sowohl den äußeren passiven als auch aktiven Schieberventilraum (32, 62) in Kommunikation mit dem Eintritt (19) oder dem Austritt (21) zu versetzen, um die aktive Schieberventileinrichtung (61) entweder mit einem Ansaug- oder Enddruck auszugleichen und um einen dritten Steuerausgang bereitzustellen, der mit der Antriebsvorrichtung (79) verbunden ist, zum Regulieren der Position der aktiven Schieberventileinrichtung (61).

4. Rotationsschraubenverdichter mit variabler Kapazität nach Anspruch 3, wobei

- die erste Erfassungseinrichtung (101) einen ansaugdruckbetätigten Wandler in Fluidkommunikation mit der ersten Leitungseinrichtung (40) aufweist;

- die zweite Erfassungseinrichtung (102) einen enddruckbetätigten Wandler in Fluidkommunikation mit der zweiten Leitungseinrichtung (80) aufweist; und

- die dritte Erfassungseinrichtung (107) ein Schieberventilpotentiometer aufweist, das mit der Antriebsvorrichtung (79) verbunden ist.

5. Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität nach Anspruch 3, wobei

- die erste und zweite Ventileinrichtung (45, 85) einen ersten und zweiten Servomotor (47, 87) aufweist; und

- der erste und zweite Steuerausgang (112, 114) mit dem ersten bzw. zweiten Servomotor verbunden sind, um entweder die erste Ventileinrichtung (45) zu öffnen und die zweite Ventileinrichtung (85) zu schließen oder die erste Ventileinrichtung zu schließen und die zweite Ventileinrichtung zu öffnen.

6. Rotationsschraubenverdichter mit variabler Kapazität nach Anspruch 3, wobei

- das Rotorgehäuse (12) einen Ansaugendabschnitt mit dem inneren und äußeren passiven Schieberventilraum (38, 32) aufweist;

- die passive Schieberventileinrichtung (34) einen passiven Schieberventilsteuerkolben (35) mit einem Eintrittsendabschnitt (35A) in dauerhaft offener Fluidkommunikation mit dem inneren passiven Schieberventilraum (38) aufweist; und

- die passive Schieberventilausgleichseinrichtung einen ersten Kolben (29) mit einer ersten Innen- und ersten Außen seite (29B, 29A) aufweist, die zwischen dem inneren und äußeren passiven Schieberventilraum (38, 32) angeordnet sind und mit dem passiven Schieberventilsteuerkolben (35) verbunden sind, wobei die erste Innenseite (29B) in Fluidkommunikation mit dem inneren passiven Schieberventilraum (38) ist und die erste Außenseite (29A) in Fluidkommunikation mit dem äußeren passiven Schieberventilraum (32) ist.

7. Rotationsschraubenverdichter mit variabler Kapazität nach Anspruch 3, wobei

- das Rotorgehäuse (12) aufweist: einen Austrittsendabschnitt, der die Austrittsbohrung (49) und den Austritt (21) aufweist, ein Innen- und Außenende und eine für komprimiertes Fluid bestimmte Einlaßöffnung in dem Innenende in offener Kommunikation mit der Bohrungseinrichtung;

- die aktive Schieberventileinrichtung (61) einen aktiven Schieberventilsteuerkolben (65) mit einem Austrittsendabschnitt (72) in dauerhaft offener Fluidkommunikation mit der Austrittsbohrung aufweist; und

- die aktive Schieberventilausgleichseinrichtung (63) aufweist: einen Zylinder (57), der den äußeren aktiven Schieberventilraum (62) mit einem offenen Ende bildet, das in die Austrittsbohrung (49) weist, einen zweiten Kolben (63), der gleitfähig in dem Zylinder angeordnet ist, wobei der Zylinder eine zweite Innenseite (63A) in Fluidkommunikation mit der Austrittsbohrung und eine zweite Außenseite (63B) in Fluidkommunikation mit dem äußeren aktiven Schieberventilraum (62) aufweist, und eine Kolbenverbindungsstange (64), die sich durch die Austrittsbohrung (49) erstreckt und zwischen dem aktiven Schieberventilsteuerkolben (65) und dem zweiten Kolben (63) angeordnet ist.

8. Rotationsschraubenverdichter mit veränderlicher Kapazität nach Anspruch 7, wobei

- die Kolbenverbindungsstange (64) eine Zahnstange (76) aufweist; und

- die Antriebsvorrichtung (79) ein drehbares Zahnrad (78), das mit der Zahnstange in Eingriff ist, und eine Motoreinrichtung aufweist, zum Drehen des Zahnrades, um die Ver bindungsstange hin- und herzubewegen, um die Position der aktiven Schieberventileinrichtung (61) zu regulieren.

9. Rotationsschraubenverdichter mit variabler Kapazität nach Anspruch 8, wobei der aktive Schieberventilsteuerkolben (65), die Kolbenverbindungsstange (64) und der Kolben (63) ein einstückiges einheitliches Teil ist.

10. Rotationsschraubenverdichter mit variabler Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei

- die passive Schieberventileinrichtung (34) ein erstes inneres Stirnflächenende (63) aufweist;

- die aktive Schieberventileinrichtung (61) ein zweites inneres Stirnflächenende (66) aufweist, wobei dieses mit entgegengesetzter Stirnfläche zu dem ersten inneren Stirnflächenende angeordnet ist; und

eine Federeinrichtung (71) zwischen dem ersten und zweiten inneren Stirnflächenende (36, 66) angeordnet ist.