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WO2000029793A1 - Piston compressor - Google Patents

Piston compressor Download PDF

Info

Publication number
WO2000029793A1
WO2000029793A1 PCT/DE1999/003675 DE9903675W WO0029793A1 WO 2000029793 A1 WO2000029793 A1 WO 2000029793A1 DE 9903675 W DE9903675 W DE 9903675W WO 0029793 A1 WO0029793 A1 WO 0029793A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
expansion
compressor
cylinder
compressor according
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/003675
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Horst Kruse
Original Assignee
FKW HANNOVER Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FKW HANNOVER Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen GmbH filed Critical FKW HANNOVER Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen GmbH
Publication of WO2000029793A1 publication Critical patent/WO2000029793A1/en

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/005Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders with two cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/10Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F04B27/12Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders having plural sets of cylinders or pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure

Definitions

  • the invention relates to a piston compressor, in particular for compressing a refrigerant according to the preamble of patent claim 1.
  • Piston compressors for example axial piston machines are u. a. used to compress a refrigerant in car air conditioning systems. Another area of application for such compressors is in heat pump technology, which has recently come into competition with conventional heating systems for buildings.
  • FIG. 1 shows a theoretical refrigeration process of a compression refrigeration system in a pressure-enthalpy diagram.
  • FIG. 2 shows a system diagram of a refrigeration system with which the ideal process shown in FIG. 1 can be carried out.
  • state 3 the compressed, heated refrigerant
  • state 3 the refrigerant is cooled in a heat exchanger 8 at constant pressure to a temperature of, for example, 30 ° C. (state 3) and then expanded isentropically to the pressure p in an expansion machine 10.
  • the refrigerant is in the wet steam area after expansion in the expansion machine 10 and has cooled to a temperature of, for example, -20 ° C.
  • the heat exchange with the room to be air-conditioned then takes place in an evaporator 12, in which the refrigerant (CO2) is brought to the initial state identified by 1 by supplying heat.
  • CO2 refrigerant
  • multi-cell compressors are often also used, in which two sickle-shaped work spaces are formed in an oval housing, one of which acts as a compressor and the other as an expansion machine.
  • the invention has for its object to provide a piston compressor by means of which compression is possible with a minimum of device technology and energy expenditure.
  • Compressor pistons and pistons of the expansion part are operatively connected to a common drive, an extremely compact unit can be realized in which the mechanical work of the compressor pistons and the pistons of the expansion part can reduce the compression work compared to conventional solutions.
  • Another advantage of this solution is that the device complexity is comparatively low due to the common components of the compressor and the expansion part compared to the known solutions with separate compressors and expansion machines.
  • the concept according to the invention can be implemented particularly advantageously in a piston compressor with a crank mechanism and in a piston compressor with an axial piston design.
  • the operative connection of the compressor and expansion pistons according to the invention can also be used with other piston compressor designs via the common drive.
  • a common crankshaft is connected to both the compression piston and the expansion piston, so that the work gained during the expansion of the medium (refrigerant) can be used to compress the medium in the piston compressor.
  • the expansion part is designed with a slot control in which the inlet and outlet openings are opened and closed by the movement of the expansion piston.
  • the piston compressor is of particularly simple construction if the medium to be expanded is fed from a high-pressure connection into the associated expansion space through the expansion piston.
  • the expansion piston can be designed with the same diameter as the compressor piston or as a stepped piston.
  • crank drive concept it is preferred to connect the pistons to a common crankshaft using connecting rods.
  • the outlay in terms of device technology in the implementation of this variant is minimal if the cylinder bores are formed at least in the area of the connecting rod head with essentially identical dimensions, so that the motor housing can be produced in a simple manner and there is a possibility of retrofitting.
  • the piston compressor is designed in an axial piston design, the expansion and compression pistons being biased against a common lifting disc, the
  • Angle of attack determines the piston stroke.
  • the compressor pistons and the pistons of the expansion part act on the front or rear of the lifting disk, so that the lifting disk is loaded on both sides. Because of this symmetrical arrangement, there is a certain balance of forces between the effective piston forces, so that the mounting of the movable components is considerably simplified.
  • the regulation of the compression capacity depending on the parameters of the refrigeration process is particularly simple if the piston compressor is designed as a swash plate machine or as a swash plate machine, the capacity regulation being able to be carried out by adjusting the swash plate or the swash plate.
  • the compressor and the expansion part are designed symmetrically to one another, so that the same cylinders are formed in both sections. To reduce the geometric volume in the expansion part, some cylinders in this area are designed as idle cylinders, which do not contribute to the expansion of the refrigerant.
  • a variant preferred by the applicant provides that the compressor and the expansion part are each designed with 4 cylinders, 2 cylinders of the expansion part being designed as idle cylinders.
  • the inlet and outlet control to the expansion part and to the compressor takes place on the expansion side via a rotary valve-like control disk and on the compressor side via conventional inlet and outlet valve arrangements.
  • the piston compressor according to the invention is particularly well suited for a cycle with CO2 as the refrigerant. In principle, however, other refrigerants can also be used.
  • the geometric volume of the expansion part is made smaller than that of the compression part. This can be achieved, for example, by suitable design of the cylinder diameter or by a different number of cylinders in the expansion and in the compressor part.
  • FIG. 2 shows a system diagram for carrying out a cooling process according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a section through a first exemplary embodiment of a piston compressor as an axial piston unit
  • FIG. 4 shows a sectional view through an expansion control disk of the axial piston unit from FIG. 3;
  • Figure 5 shows an embodiment of a piston compressor with crank mechanism
  • Figure 6 shows a variant of the embodiment shown in Figure 4.
  • a piston compressor in an axial piston design Such a piston compressor is referred to below as an axial piston unit 14.
  • a piston compressor in an axial piston design.
  • Such a piston compressor is referred to below as an axial piston unit 14.
  • axial piston unit 14 shown in FIG. ter 6 and the expansion machine 10 from Figure 2 combined into a compact unit.
  • the axial piston unit 14 has a housing with an expansion cylinder block 16 and a compressor cylinder block 18, which are closed at the end by an expansion cylinder head 20 and a compressor cylinder head 22, respectively.
  • each cylinder block 16, 18, more than 1 cylinders 24a, b, c, d and 25a, b, c, d are distributed evenly on the circumference, two cylinders (24a, 25a; 24b, 25b, ...) are formed coaxially in the expansion cylinder block 16 and in the compressor cylinder block 18.
  • two cylinders 24a, 25a; 24b, 25b, ...) are formed coaxially in the expansion cylinder block 16 and in the compressor cylinder block 18.
  • the two other cylinders in each case are arranged in the central plane running through the central axis 26 perpendicular to the drawing planes.
  • a compressor piston 28a, b, c, d is guided in each of the four compressor cylinders 25a, b, c, d, while an expansion piston 30a, b, c, d is axially displaceable in each of the expansion cylinders 24a, b, c, d is arranged.
  • Each piston 28, 30 carries on its piston-bottom end section piston rings 32 for sealing the respective cylinder chamber 34 from a drive chamber 35 delimited by the two cylinder blocks 16, 18. Depending on the piston stroke, the piston foot-side sections of the pistons 28, 30 dip into this drive chamber 35 a.
  • the expansion cylinder block 16 and the compressor cylinder block 18 are penetrated by an axial bore 36, in which a drive shaft 38 out.
  • the lower end section 40 of the drive shaft 38 in FIG. 3 is radially set back and led out of the housing via a sealing arrangement 42 and connected to a drive motor.
  • the drive shaft 38 has a swivel bearing 48 for a swash plate 50 between two bearing sections 44, 46 which are radially enlarged relative to the end section 40 and whose angle of inclination ⁇ can be changed with respect to the central axis 26.
  • the swash plate 50 is rotatably connected to the drive shaft 38.
  • the end support of the drive shaft 38 takes place via two axial bearings 52 which are supported on the end faces of the cylinder blocks 16 and 18 and on the end face of the radially expanded pivot bearing section 48 of the drive shaft 38.
  • the pistons 28, 30 are each supported by a hydrostatic sliding shoe 54, 56 on the adjacent large surface of the swash plate 50.
  • Each slide shoe 54, 56 has a spherical body 58 which rests with a flat section on the swash plate 50 and is guided with its spherical section in a slide shoe bearing receptacle 60, so that the slide shoe 56 is always flat on the adjacent one during the wobble movement of the swash plate 50 Large area of the swash plate 50 is present.
  • the bearing seats 60 of the piston pairs in the axial direction 28a, 30a; 28b, 30b, ... are each connected to one another via a connecting element 62.
  • a suction channel 64 and a pressure channel 66 are formed in the compressor cylinder head 22, via which the suction ports and the pressure ports of the compressor cylinders 25 are connected to one another.
  • An intermediate plate 68 is arranged between the compressor cylinder head 22 and the compressor cylinder block 18. For each cylinder 25, this has a suction bore 70 and a pressure bore 72, which on the one hand open into the suction channel 64 or in the pressure channel 66 and on the other hand into the cylinder spaces 34.
  • a suction valve 74 is formed, which is designed in a conventional manner as a check valve.
  • the opening stroke of the suction valve 74 is limited by a suction stroke catcher 76.
  • a pressure valve 78 is formed in the parting plane between the compressor cylinder head 22 and the intermediate plate 68, the opening stroke of which is limited by a pressure stroke catcher 80.
  • valves 74, 78 are designed in such a way that they only permit a refrigerant flow in one direction (suction stroke, pressure stroke) and prevent the backflow in the opposite direction.
  • an intermediate plate 82 is likewise arranged between the expansion cylinder head 20 and the expansion cylinder 16, which is similar to the previously described exemplary embodiment for two of the four cylinders (24a, 24b) each have an inlet bore 84 and an outlet bore 86.
  • the geometric volume of the expansion machine 10 must be designed to be smaller than the geometric volume for the compressor 6.
  • the two cylinders (24c, 24d), not shown, which are arranged perpendicular to the plane of the drawing, are called idle cylinders performed that do not participate in the expansion of the refrigerant. That these cylinders do not reduce the enthalpy of CO2 through expansion work.
  • axial grooves 88 are formed in the cylinders 24c, d (perpendicular to the plane of the drawing), via which the associated cylinder space 34 is connected to the drive space 35.
  • the intermediate plate 82 in the area of these cylinders 24c, 24d (not shown) has no inlet or. Outlet bores so that the refrigerant cannot enter the cylinder space 34.
  • a pressure equalization takes place between the cylinder spaces 34 and the drive space 35 via the axial groove 88, so that practically no opposing forces are applied to the swash plate 50 through these cylinders 24c, 24d.
  • the upper end section of the drive shaft 38 in FIG. 3 dips with a fastening pin 90 into a receiving bore of the expansion cylinder head 20.
  • a control disk 92 is rotatably fixed, via which the intake and exhaust control of the two cylinders 24a, 24b takes place.
  • Expansion cylinder and control disc can also be on the drive side find, then the compressor unit is arranged on the opposite side.
  • a connection between the inlet bore 84 and a high-pressure duct 94 in the expansion cylinder head 20 or a connection between the outlet bore 86 and a low-pressure duct 96 can be opened or closed via the control disk 92.
  • FIG. 4 shows a section along the line A-A in FIG. 3.
  • control disk 92 has an approximately semicircular control slot 94 which is formed coaxially with the fastening pin 90.
  • the outlet bores 86 assigned to the cylinders 24a or 24b can be opened or closed via this control slot 94.
  • the control of the inlet bores 84 takes place via an inlet window 100 which opens towards the peripheral edge of the control disk 92 and via which a connection can be established with the high-pressure channel 94 surrounding the outer periphery of the control disk 92 and the inlet bore 84.
  • both expansion cylinders 24a, 24b can also be shut off by the control disk 92 with respect to the high-pressure duct 94 and the low-pressure duct 96.
  • FIG. 3 shows a state in which the piston 25a has reached its top dead center (TDC) and the opposite compressor piston 28b has accordingly reached its bottom dead center (TDC).
  • the two compressor pistons (not shown) arranged perpendicular to the plane of the drawing are in intermediate positions. That is, with a further rotation of the swash plate 50 with respect to the position shown in FIG.
  • the compression piston 28b in the compression cylinder 25b is moved downward, so that the refrigerant located in the cylinder space 34 compresses and into the pressure channel 66 via the pressure valve 78 that opens in the direction of pressure build-up flows in. Due to the fluid pressure, the suction valve 74 is closed, so that the connection to the suction channel 64 is shut off.
  • the other compressor piston 25a moves upwards in the illustration according to FIG. 3, so that the associated pressure valve 78 is in its closed position and the suction valve 74 is opened due to the negative pressure in the cylinder space 34 (or the pressure in the suction channel 64).
  • the refrigerant can then from The suction channel 64 flows into the cylinder space 34 via the suction bore 70.
  • the other two compressor pistons are in intermediate positions so that the refrigerant is compressed or sucked in accordingly.
  • the compressed refrigerant is led to the heat exchanger 8 via a connecting line connected to the pressure channel 66.
  • the refrigerant compressed to high pressure and cooled in the heat exchanger 8 is introduced into the high-pressure duct 94 of the expansion machine via a corresponding pressure line.
  • the filling of the two cylinder spaces 34 of the expansion machine is controlled by the control disk 92, which is non-rotatably connected to the drive shaft 38.
  • the connection between the high-pressure duct 94 and the expansion cylinder 24b is opened, while the cylinder space 34 of the other expansion cylinder 24a is connected to the low-pressure duct 96 via the control slot 98.
  • the expansion piston 30b is pressed against the inclined surface of the swash plate 50 via the slide shoe 58, so that a torque is exerted on the swash plate 50 - or more precisely on the drive shaft 38 - via a force component directed parallel to the inclined surface plane. That is, the rotation of the drive shaft 38 is supported by the compressed gas, so that the drive power of the motor for the compressor can be designed to be lower than is the case with conventional devices.
  • the sliding shoes are the pistons 28, 30 arranged coaxially to one another the expansion machine 10 and the compressor 6 connected to one another via the connecting element 62, so that a reliable contact with the inclined surface is always guaranteed.
  • the two idle cylinders do not contribute to the expansion of the refrigerant.
  • the pistons 30c, d (not shown) which are guided in these idling cylinders are likewise connected to the corresponding compressor pistons 28c, d in the manner shown.
  • This construction has the advantage that the pistons of the idle cylinders act as guide elements. Due to the reduced bearing forces, the service life of the axial piston unit is extended considerably compared to conventional solutions with swash plates loaded on one side, so that no premature wear is to be feared even under high pressure conditions.
  • the axial piston unit 14 is designed with a swash plate 50.
  • this concept according to the invention can also be realized with other constructions, for example in a swashplate construction.
  • control disk 92 with the expansion unit was arranged on the end section of the drive shaft 38; in deviation from this, the expansion unit could also be arranged on the drive side on the drive shaft 38, so that the compression unit is designed accordingly at the other end section.
  • FIGS. 5 and 6 show exemplary embodiments of a piston compressor 108, in which the compressor and expansion pistons are connected to one another via a crank mechanism 110.
  • the basic structure of the piston compressor 108 shown in FIG. 5 corresponds to that of a compressor, so that a detailed description of the basic components can be dispensed with.
  • the piston compressor 108 shown has a crankcase 112 in which a crankshaft 114 is mounted via shaft bearings 116, 118.
  • the left frontal cover of the crankcase 112 is provided by a housing cover 120.
  • the right end section of the crankshaft 114 in FIG. 5 passes through an end cover 122, the freely projecting end section 124 being able to be coupled to an output shaft of a drive motor, not shown.
  • shaft seals 116 are provided in the bearing area of the crankshaft 114.
  • An end plate 128 forms the foot-side end section of the crankcase 112.
  • a cylinder block 130 is flanged to the upper side of the crankcase 112, in which the expansion and compression part of the piston compressor 108 according to the invention is formed.
  • two connecting rods 132, 134 are mounted on the crankshaft 114, the connecting rod eye of which is connected to an expansion piston 136 or a compressor piston 138.
  • the sealing and the construction of the crankshaft 114 and the connection of the connecting rods 132, 134 to the crankshaft 114 and to the pistons 136 or 138 should be referred to the existing literature on compressors or internal combustion engines.
  • the two pistons 136, 138 are guided in cylinders 140 and 142 of the cylinder block 130. These cylinders 140, 142 are delimited on the end face by a cylinder head 144. A cylinder head gasket 145 is formed between the cylinder head 144 and the cylinder block 130. In this inlet and outlet channels 146, 148 are formed with the associated - not shown - inlet and outlet valves for the compressor cylinder 142.
  • the expansion part is designed in a different construction with slot control.
  • the expansion piston 136 is designed as a stepped piston, the diameter of the piston base in the connection area to the connecting rod 132 corresponding approximately to the diameter of the compressor piston 138.
  • the section of the expansion piston 136 adjoining the piston foot is reduced radially to an expansion section 150, so that the geometric volume of the expansion part is also less than that of the compression part, as in the exemplary embodiment described above.
  • the expansion section 150 of the expansion piston 136 is sealingly guided in an expansion cylinder 152 projecting upwards (illustration according to FIG. 5).
  • a high-pressure connection 154 and a low-pressure connection 156 are formed in the peripheral wall of the expansion cylinder 152, via which the medium to be expanded, for example as CO2 can be introduced into the expansion cylinder 152 or can be removed therefrom.
  • an inner bore 158 is formed in the expansion piston 136, which opens on the one hand in the end face and on the other hand in the peripheral wall of the expansion section 150 of the expansion piston 136. Accordingly, the inner bore 158 is made with an approximately axially extending part and an approximately obliquely extending part in the radial direction, the latter opening in the region of the high-pressure connection 154.
  • a few piston rings 160 are arranged on the outer circumference of the expansion section 150, so that the high-pressure connection 154 is sealed off from the low-pressure connection 156.
  • the expansion piston 136 is at its top dead center.
  • the geometry of the inner bore 158 is selected such that, in the area of the top dead center, the high-pressure connection 154 is connected via the inner bore 158 to the expansion space 162 delimited by the expansion cylinder 152 and the expansion piston 136.
  • the expansion space 162 is filled with the high-pressure refrigerant.
  • the high-pressure connection 154 is controlled by the peripheral edge of the inner bore 158 and the refrigerant located in the expansion space 162 is expanded.
  • the low-pressure connection 156 is opened by the control edge 164 formed by the peripheral edge of the end face, so that the expanded refrigerant can escape through the low-pressure connection 156.
  • the low-pressure connection 156 is first closed and the remaining refrigerant in expansion space 162 is compressed.
  • the high-pressure connection 154 is opened by the circumferential edge of the inner bore 158, so that high-pressure refrigerant is fed into the expansion space 162 - the cycle begins again.
  • the energy released during the expansion of the refrigerant is used according to the invention in addition to driving the crankshaft 114, so that the entire compression work does not have to be applied via the drive coupled to the crankshaft 114.
  • the expansion piston 136 is designed as a stepped piston, although considerable expenditure is required to guide the radially reduced expansion section 150.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment in which the outlay in terms of device technology is reduced in comparison with the previously described solution in that the expansion piston 136 is designed without a step and preferably essentially with the same dimensions as the compression piston 138.
  • the expansion cylinder 140 and the compressor cylinder 142 are - apart from the slot control of the expansion part and the valve control of the compressor - partly - identically constructed.
  • the cylinder head 144 can be made much simpler than in the exemplary embodiment described above, since it essentially only has to accommodate the intake and exhaust control for the compression cylinder 142.
  • the geometric volume of the expansion part can be reduced in that the expansion piston 136 is designed with a slightly smaller diameter than the compressor piston 138.
  • piston compressor 108 can also be designed with more than two cylinders, it being possible in principle for all piston compressor types with a crank mechanism to be used.
  • the geometric volume of the expansion part and the compressor part can then be determined, as in the exemplary embodiments described at the outset, by the number of cylinders in the compression or expansion part.
  • the expansion part of the piston compressor can thus be formed by modifying the cylinder block 130 or the cylinder head 144.
  • the expansion cylinder (s) can be identical or can be designed with different configurations.
  • FIG. 6 corresponds to that from FIG. 5, so that further explanations are unnecessary.
  • the heat output of the heat pump can be significantly improved compared to conventional solutions, so that this construction according to the invention can be used particularly well in heat pump systems with CO2 as the refrigerant For example, can replace conventional boilers for central heating systems with radiators.
  • Another application could be in a motor vehicle air conditioning system, since in these systems the recooling temperature in the air-cooled gas cooler is relatively high.
  • the cooling capacity can be significantly improved compared to conventional solutions with an expansion valve, since the recoverable work can be used to increase the coefficient of performance due to the high recooling temperatures at the gas cooler.
  • the applicant reserves the right to direct its own subordinate claim to this use.
  • a piston compressor with a compressor and an expansion part, the pistons of which are connected via a common drive unit. With this construction, the energy released during the expansion of a refrigerant can be used to compress it.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

The invention relates to a piston compressor, comprising a compressor and an expansion part whose pistons are connected by a common driving unit. This enables the energy that is liberated when a coolant expands to be used for its compression.

Description

Beschreibung description
KolbenverdichterPiston compressor
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, insbesondere zur Verdichtung eines Kältemittels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piston compressor, in particular for compressing a refrigerant according to the preamble of patent claim 1.
Kolbenverdichter, beispielsweise Axialkolbenmaschinen werden u. a. zur Verdichtung eines Kältemittels bei PKW- Klimaanlagen eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet derartiger Verdichter liegt in der Wärmepumpentechnik, die in jüngster Zeit immer mehr in Konkurrenz zu herkömmlichen Heizanlagen für Gebäude tritt.Piston compressors, for example axial piston machines are u. a. used to compress a refrigerant in car air conditioning systems. Another area of application for such compressors is in heat pump technology, which has recently come into competition with conventional heating systems for buildings.
Bisher wurden Wärmepumpensysteme häufig mit FCKW als Arbeitsmitteln betrieben. Aufgrund des erheblichen Treibhauspotentials derartiger Kältemittel ist man jedoch bestrebt, diese durch natürliche Stoffe zu ersetzen. In der europäischen Gemeinschaft sollen ab dem Jahr 2015 die FCKW-haltigen Kältemittel möglichst durch ungiftige, nicht brennbare Kältemittel mit geringem Treibhauspotential ersetzt werden. Die natürlichen Stoffe stellen dabei eine aussichtsreiche Alternative zu den FCKW-haltigen Ar- beitsmitteln dar.So far, heat pump systems have often been operated with CFCs as work equipment. Because of the considerable global warming potential of such refrigerants, efforts are being made to replace them with natural substances. As of 2015, the CFC-containing refrigerants in the European Community should be replaced with non-toxic, non-flammable refrigerants with a low global warming potential. The natural substances represent a promising alternative to the CFC-containing tools.
In dem Beitrag "Wärmepumpensysteme mit C02 als Arbeitsmittel" (Wärmepumpe - September 1998) wird dargelegt, daß CO2 aufgrund seiner Umweltverträglichkeit und einer außerordentlich hohen volumetrischen Kälteleistung besonders gut als Arbeitsmittel für derartige Wärmepumpen geeignet erscheint. Bei der Wärmeabgabe von CO2-Wärmepumpen im überkritischen Bereich können Temperaturen realisiert werden, die mit 60° bis 90° Grad Celsius deutlich oberhalb von denjenigen liegen, die mit konventionellen Wärmepumpen realisierbar sind. In Figur 1, auf die bereits hier Bezug genommen sei, ist ein theoretischer Kälteprozeß einer Kompressions-Kälteanlage in einem Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt. Figur 2 zeigt ein Anlagenschema einer Kälteanlage, mit der der in Figur 1 dargestellte Idealprozeß durchführbar ist.In the article "Heat pump systems with C0 2 as a working fluid" (heat pump - September 1998) it is shown that CO2 appears to be particularly suitable as a working fluid for such heat pumps due to its environmental compatibility and an extraordinarily high volumetric cooling capacity. When heat is given off by CO2 heat pumps in the supercritical range, temperatures can be achieved which, at 60 ° to 90 ° Celsius, are significantly higher than those that can be achieved with conventional heat pumps. FIG. 1, to which reference is already made here, shows a theoretical refrigeration process of a compression refrigeration system in a pressure-enthalpy diagram. FIG. 2 shows a system diagram of a refrigeration system with which the ideal process shown in FIG. 1 can be carried out.
Demgemäß wird das Kältemittel mit dem durch die Zif- fer 1 gekennzeichneten Zustand (Druck pι_, t = 0° C) vom Verdichter 6 angesaugt und isentrop auf den Zustand 2 verdichtet (P2^ t = 140° C). Das verdichtete, erwärmte Kältemittel wird in einem Wärmetauscher 8 bei konstantem Druck auf eine Temperatur von beispielsweise 30° C abge- kühlt (Zustand 3) und anschließend in einer Expansionsmaschine 10 isentrop auf den Druck p entspannt. Wie aus Figur 1 hervorgeht, befindet sich das Kältemittel nach der Expansion in der Expansionsmaschine 10 im Naßdampfbereich und ist auf eine Temperatur von beispielsweise -20° C abgekühlt. Der Wärmeaustausch mit dem zu klimatisierenden Raum erfolgt dann in einem Verdampfer 12, in dem das Kältemittel (CO2) durch Wärmezufuhr auf den mit 1 gekennzeichneten Ausgangszustand gebracht wird.Accordingly, the refrigerant with the state indicated by the number 1 (pressure pι_, t = 0 ° C) is sucked in by the compressor 6 and isentropically compressed to state 2 (P2 ^ t = 140 ° C). The compressed, heated refrigerant is cooled in a heat exchanger 8 at constant pressure to a temperature of, for example, 30 ° C. (state 3) and then expanded isentropically to the pressure p in an expansion machine 10. As can be seen from FIG. 1, the refrigerant is in the wet steam area after expansion in the expansion machine 10 and has cooled to a temperature of, for example, -20 ° C. The heat exchange with the room to be air-conditioned then takes place in an evaporator 12, in which the refrigerant (CO2) is brought to the initial state identified by 1 by supplying heat.
Für den Fall, daß man anstelle der Expansionsmaschine 10 ein Drosselventil zur Entspannung einsetzt, stellt sich anstelle des Zustandes 4 der Zustand 4' ein, da die Entspannung in einem Drosselventil entlang einer Isenthalpen erfolgt. Die bei der Verwendung einer Expan- sionsmaschine gewonnene Entspannungsarbeit entspricht der Strecke 4 4 ' in Figur 1. Zur Energieoptimierung ist man daher bestrebt, die Vorteile einer arbeitleistenden Expansion des Kältemittels durch geeignete vorrichtungstechnische Maßnahmen auszunutzen. Im Bereich der Kältetechnik gab es bereits einige Bestrebungen, die Kompression und die Expansion bei überkritischen Prozessen in einer gemeinsamen Maschineneinheit durchzuführen. Beim Einsatz von Luft als Kältemittel werden beispielsweise Turbomaschinen eingesetzt, bei denen 2 Laufräder von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Dabei erfolgt über ein Laufrad die Verdichtung der Luft, während über das andere Laufrad die Entspannung erfolgt.In the event that a throttle valve is used for relaxation instead of the expansion machine 10, the state 4 'is set instead of the state 4, since the relaxation takes place in a throttle valve along an isenthalpic. The relaxation work obtained when using an expansion machine corresponds to the distance 4 4 'in FIG. 1. For energy optimization, efforts are therefore made to exploit the advantages of a work-expanding expansion of the refrigerant by means of suitable device-technical measures. In the field of refrigeration technology, there have already been some efforts to carry out compression and expansion in supercritical processes in a common machine unit. When using air as the refrigerant, for example, turbomachines are used in which 2 impellers are driven by a common shaft. The air is compressed by one impeller, while the other impeller relaxes.
Bei mit Luft als Kältemittel arbeitenden Kälteprozessen werden häufig auch Vielzellenverdichter eingesetzt, bei denen in einem ovalen Gehäuse zwei sichelförmige Arbeitsräume ausgebildet sind, von denen einer als Verdich- ter und der andere als Expansionsmaschine wirkt.In refrigeration processes using air as the refrigerant, multi-cell compressors are often also used, in which two sickle-shaped work spaces are formed in an oval housing, one of which acts as a compressor and the other as an expansion machine.
Wegen der sehr hohen Druckdifferenz, die bei transkritischen Kälteprozessen, beispielsweise mit dem Kältemittel CO2 entstehen, sind die oben genannten Arbeitsma- schinen ungeeignet, da die Arbeitsräume des Expansionsund des Verdichterteils nicht zuverlässig gegen die hohen Druckdifferenzen abgedichtet werden können.Because of the very high pressure difference that occurs in transcritical refrigeration processes, for example with the refrigerant CO2, the above-mentioned working machines are unsuitable, since the working spaces of the expansion and the compressor part cannot be reliably sealed against the high pressure differences.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kol- benverdichter zu schaffen, durch den eine Verdichtung mit minimalem vorrichtungstechnischen und energetischen Aufwand möglich ist.The invention has for its object to provide a piston compressor by means of which compression is possible with a minimum of device technology and energy expenditure.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a piston compressor with the features of claim 1.
Durch die Maßnahme, den Kolbenverdichter mit einemBy the measure, the piston compressor with a
Verdichtungs- und einem Expansionsteil auszuführen, wobeiPerform compression and an expansion part, wherein
Verdichterkolben und Kolben des Expansionsteil mit einem gemeinsamen Antrieb in Wirkverbindung stehen, läßt sich eine äußerst kompakte Baueinheit realisieren, bei der durch die mechanische Kopplung der Verdichterkolben und der Kolben des Expansionsteils die Verdichtungsarbeit gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden kann.Compressor pistons and pistons of the expansion part are operatively connected to a common drive, an extremely compact unit can be realized in which the mechanical work of the compressor pistons and the pistons of the expansion part can reduce the compression work compared to conventional solutions.
Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der vorrichtungstechnische Aufwand aufgrund der gemeinsamen Bauelemente des Verdichters und des Expansionsteils gegenüber den bekannten Lösungen mit getrennten Verdichtern und Expansionsmaschinen vergleichsweise gering ist.Another advantage of this solution is that the device complexity is comparatively low due to the common components of the compressor and the expansion part compared to the known solutions with separate compressors and expansion machines.
Das erfindungsgemäße Konzept läßt sich besonders vorteilhaft bei einem Kolbenverdichter mit Kurbeltrieb und bei einem Kolbenverdichter in Axialkolbenbauweise realisieren. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Wirkverbin- düng der Verdichter- und Expansionskolben über den gemeinsamen Antrieb auch bei anderen Kolbenverdichterbauweisen einsetzbar.The concept according to the invention can be implemented particularly advantageously in a piston compressor with a crank mechanism and in a piston compressor with an axial piston design. In principle, the operative connection of the compressor and expansion pistons according to the invention can also be used with other piston compressor designs via the common drive.
Bei der Verwendung eines Kurbeltriebs wird erfin- dungsgemäß eine gemeinsame Kurbelwelle sowohl mit dem Verdichterkolben als auch mit dem Expansionskolben verbunden, so daß die bei der Expansion des Mediums (Kältemittel) gewonnene Arbeit zur Verdichtung des Mediums im Kolbenverdichter benutzt werden kann.When a crank mechanism is used, a common crankshaft is connected to both the compression piston and the expansion piston, so that the work gained during the expansion of the medium (refrigerant) can be used to compress the medium in the piston compressor.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Expansionsteil mit einer Schlitzsteuerung ausgeführt wird, bei der die Einlaß- und Auslaßöffnungen durch die Bewegung des Expansionskolbens auf- bzw. zugesteuert werden.It is particularly advantageous if the expansion part is designed with a slot control in which the inlet and outlet openings are opened and closed by the movement of the expansion piston.
Der Kolbenverdichter ist besonders einfach aufgebaut, wenn die Zuführung des zu expandierenden Mediums von einem Hochdruckanschluß in den zugeordneten Expansionsraum durch den Expansionskolben hindurch erfolgt. Der Expansionskolben kann mit dem gleichen Durchmesser wie der Verdichterkolben oder als Stufenkolben ausgeführt sein.The piston compressor is of particularly simple construction if the medium to be expanded is fed from a high-pressure connection into the associated expansion space through the expansion piston. The expansion piston can be designed with the same diameter as the compressor piston or as a stepped piston.
Bei dem Konzept mit Kurbeltrieb wird es bevorzugt, die Kolben über Pleueln mit einer gemeinsamen Kurbelwelle zu verbinden. Der vorrichtungstechnische Aufwand bei der Realisierung dieser Variante ist minimal, wenn die Zylinderbohrungen zumindest im Bereich des Pleuelkopfs mit im wesentlichen identischen Abmessungen ausgebildet werden, so daß das Motorgehäuse auf einfache Weise herstellbar ist und eine Umrüstungsmöglichkeit besteht.In the crank drive concept, it is preferred to connect the pistons to a common crankshaft using connecting rods. The outlay in terms of device technology in the implementation of this variant is minimal if the cylinder bores are formed at least in the area of the connecting rod head with essentially identical dimensions, so that the motor housing can be produced in a simple manner and there is a possibility of retrofitting.
Bei einem alternativen, bevorzugten Ausführungsbei- spiel wird der Kolbenverdichter in Axialkolbenbauweise ausgeführt, wobei die Expansions- und Verdichterkolben gegen eine gemeinsame Hubscheibe vorgespannt sind, derenIn an alternative, preferred embodiment, the piston compressor is designed in an axial piston design, the expansion and compression pistons being biased against a common lifting disc, the
Anstellwinkel den Kolbenhub bestimmt.Angle of attack determines the piston stroke.
Bei dieser Variante in Axialkolbenbauweise wird es besonders bevorzugt, wenn die Verdichterkolben und die Kolben des Expansionsteils an der Hubscheibenvorder- bzw. -rückseite angreifen, so daß die Hubscheibe beidseitig belastet ist. Aufgrund dieser symmetrischen Anordnung er- gibt sich ein gewisser Kräfteausgleich der wirksamen Kolbenkräfte, so daß die Lagerung der beweglichen Bauelemente wesentlich vereinfacht ist.In this variant in the axial piston design, it is particularly preferred if the compressor pistons and the pistons of the expansion part act on the front or rear of the lifting disk, so that the lifting disk is loaded on both sides. Because of this symmetrical arrangement, there is a certain balance of forces between the effective piston forces, so that the mounting of the movable components is considerably simplified.
Die Regelung der Verdichtungsleistung in Abhängigkeit von den Parametern des Kälteprozesses ist besonders einfach, wenn der Kolbenverdichter als Schrägscheibenmaschine oder als Taumelscheibenmaschine ausgeführt ist, wobei die Leistungsregelung über eine Verstellung der Schrägscheibe bzw. der Taumelscheibe erfolgen kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden der Verdichter- und der Expansionsteil symmetrisch zueinander ausgeführt, so daß in beiden Abschnitten gleiche Zylinder ausgebildet sind. Zur Verringerung des geo- metrischen Volumens im Expansionsteil sind einige Zylinder in diesem Bereich als Leerlaufzylinder ausgebildet, die nicht zur Expansion des Kältemittels beitragen.The regulation of the compression capacity depending on the parameters of the refrigeration process is particularly simple if the piston compressor is designed as a swash plate machine or as a swash plate machine, the capacity regulation being able to be carried out by adjusting the swash plate or the swash plate. In a particularly preferred embodiment, the compressor and the expansion part are designed symmetrically to one another, so that the same cylinders are formed in both sections. To reduce the geometric volume in the expansion part, some cylinders in this area are designed as idle cylinders, which do not contribute to the expansion of the refrigerant.
Eine vom Anmelder bevorzugte Variante sieht vor, daß der Verdichter und der Expansionsteil mit jeweils 4 Zylindern ausgeführt sind, wobei 2 Zylinder des Expansionsteils als Leerlaufzylinder ausgebildet sind.A variant preferred by the applicant provides that the compressor and the expansion part are each designed with 4 cylinders, 2 cylinders of the expansion part being designed as idle cylinders.
Bei dieser Variante wird es besonders bevorzugt, wenn diese Leerlaufzylinder gegenüber den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen über eine Zwischenplatte abgesperrt sind, wobei durch Auswechseln der Zwischenplatte das geometrische Volumen des Expansionsteils veränderbar ist.In this variant, it is particularly preferred if these idle cylinders are blocked off from the input and output connections via an intermediate plate, the geometric volume of the expansion part being changeable by exchanging the intermediate plate.
Die Einlaß- und Auslaßsteuerung zum Expansionsteil und zum Verdichter erfolgt expansionsseitig über eine drehschieberähnliche Steuerscheibe und verdichterseitig über herkömmliche Einlaß- und Auslaßventilanordnungen.The inlet and outlet control to the expansion part and to the compressor takes place on the expansion side via a rotary valve-like control disk and on the compressor side via conventional inlet and outlet valve arrangements.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter ist besonders gut für einen Kreisprozeß mit CO2 als Kältemittel geeignet. Prinzipiell können jedoch auch andere Kältemittel eingesetzt werden.The piston compressor according to the invention is particularly well suited for a cycle with CO2 as the refrigerant. In principle, however, other refrigerants can also be used.
Aufgrund der höheren Dichte des am Hochdruckanschluß des Expansionsteils anliegenden Kältemittels und des daraus resultierenden geringen Volumenstroms (im Vergleich zum Volumenstrom des vom Verdichter angesaugten Kältemittels) wird das geometrische Volumen des Expansionsteils geringer ausgeführt als dasjenige des Verdichtungsteils. Dies läßt sich beispielsweise durch geeignete Auslegung der Zylinderdurchmesser oder durch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern im Expansion- und im Verdichterteil realisieren.Because of the higher density of the refrigerant present at the high-pressure connection of the expansion part and the resulting low volume flow (compared to the volume flow of the refrigerant drawn in by the compressor), the geometric volume of the expansion part is made smaller than that of the compression part. This can be achieved, for example, by suitable design of the cylinder diameter or by a different number of cylinders in the expansion and in the compressor part.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are the subject of the further subclaims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with the aid of schematic drawings. Show it:
Figur 1 einen transkritischen Kälteprozeß in einem p/h-Diagramm;1 shows a transcritical cooling process in a p / h diagram;
Figur 2 ein Anlagenschema zur Durchführung eines Kälteprozesses gemäß Figur 1;FIG. 2 shows a system diagram for carrying out a cooling process according to FIG. 1;
Figur 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungs- beispiel eines Kolbenverdichters als Axialkolbeneinheit;FIG. 3 shows a section through a first exemplary embodiment of a piston compressor as an axial piston unit;
Figur 4 eine Schnittdarstellung durch eine Expansionssteuerscheibe der Axialkolbeneinheit aus Figur 3;FIG. 4 shows a sectional view through an expansion control disk of the axial piston unit from FIG. 3;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenverdichters mit Kurbeltrieb undFigure 5 shows an embodiment of a piston compressor with crank mechanism and
Figur 6 eine Variante des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels .Figure 6 shows a variant of the embodiment shown in Figure 4.
Die Erfindung sei zunächst anhand eines Kolbenverdichters in Axialkolbenbauweise erläutert. Ein derartiger Kolbenverdichter wird im folgenden als Axialkolbeneinheit 14 bezeichnet. Bei der in Figur 3 dargestellten Axialkol- beneinheit 14 in Taumelscheibenbauweise sind der Verdich- ter 6 und die Expansionsmaschine 10 aus Figur 2 zu einer kompakten Baueinheit zusammengefaßt.The invention will first be explained with reference to a piston compressor in an axial piston design. Such a piston compressor is referred to below as an axial piston unit 14. In the axial piston unit 14 shown in FIG. ter 6 and the expansion machine 10 from Figure 2 combined into a compact unit.
Die erfindungsgemäße Axialkolbeneinheit 14 hat ein Gehäuse mit einem Expansionszylinderblock 16 und einem Verdichterzylinderblock 18, die stirnseitig von einem Expansionszylinderkopf 20 bzw. einem Verdichterzylinderkopf 22 verschlossen sind.The axial piston unit 14 according to the invention has a housing with an expansion cylinder block 16 and a compressor cylinder block 18, which are closed at the end by an expansion cylinder head 20 and a compressor cylinder head 22, respectively.
In jedem Zylinderblock 16, 18 sind mehr als 1 gleichmäßig am Umfang verteilte Zylinder 24a, b, c, d bzw. 25a, b, c, d ausgebildet, wobei jeweils zwei Zylinder (24a, 25a; 24b, 25b, ... ) im Expansionszylinderblock 16 und im Verdichterzylinderblock 18 koaxial zueinander ausgebildet sind. In der Schnittdarstellung gemäß Figur 3 sind lediglich zwei der vier Zylinder in jedem Zylinderblock 16, 18 dargestellt, die beiden jeweils anderen Zylinder sind bei der Darstellung gemäß Figur 3 in der senkrecht zur Zeichenebenen durch die Mittelachse 26 verlaufenden Mittel- ebene angeordnet.In each cylinder block 16, 18, more than 1 cylinders 24a, b, c, d and 25a, b, c, d are distributed evenly on the circumference, two cylinders (24a, 25a; 24b, 25b, ...) are formed coaxially in the expansion cylinder block 16 and in the compressor cylinder block 18. In the sectional view according to FIG. 3, only two of the four cylinders in each cylinder block 16, 18 are shown; in the illustration according to FIG. 3, the two other cylinders in each case are arranged in the central plane running through the central axis 26 perpendicular to the drawing planes.
In den vier Verdichterzylindern 25a, b, c, d ist jeweils ein Verdichterkolben 28a, b, c, d geführt, während in den Expansionszylindern 24a, b, c, d entsprechend je- weils ein Expansionskolben 30a, b, c, d axial verschiebbar angeordnet ist.A compressor piston 28a, b, c, d is guided in each of the four compressor cylinders 25a, b, c, d, while an expansion piston 30a, b, c, d is axially displaceable in each of the expansion cylinders 24a, b, c, d is arranged.
Jeder Kolben 28, 30 trägt an seinem kolbenbodenseiti- gen Endabschnitt Kolbenringe 32 zur Abdichtung des jewei- ligen Zylinderraums 34 gegenüber einem durch die beiden Zylinderblöcke 16, 18 begrenzten Triebraum 35. Je nach Kolbenhub tauchen die kolbenfußseitigen Abschnitte der Kolben 28, 30 in diesen Triebraum 35 ein.Each piston 28, 30 carries on its piston-bottom end section piston rings 32 for sealing the respective cylinder chamber 34 from a drive chamber 35 delimited by the two cylinder blocks 16, 18. Depending on the piston stroke, the piston foot-side sections of the pistons 28, 30 dip into this drive chamber 35 a.
Der Expansionszylinderblock 16 und der Verdichterzylinderblock 18 sind von einer Axialbohrung 36 durchsetzt, in der eine Triebwelle 38 geführt. Der in Figur 3 untere Endabschnitt 40 der Triebwelle 38 ist radial zurückgesetzt und über eine Dichtungsanordnung 42 aus dem Gehäuse herausgeführt und mit einem Antriebsmotor verbunden. Die Triebwelle 38 hat zwischen zwei gegenüber dem Endabschnitt 40 radial erweiterten Lagerabschnitten 44, 46 ein Schwenklager 48 für eine Taumelscheibe 50, deren Anstellwinkel α mit Bezug zur Mittelachse 26 veränderbar ist. Die Taumelscheibe 50 ist drehfest mit der Triebwelle 38 verbunden.The expansion cylinder block 16 and the compressor cylinder block 18 are penetrated by an axial bore 36, in which a drive shaft 38 out. The lower end section 40 of the drive shaft 38 in FIG. 3 is radially set back and led out of the housing via a sealing arrangement 42 and connected to a drive motor. The drive shaft 38 has a swivel bearing 48 for a swash plate 50 between two bearing sections 44, 46 which are radially enlarged relative to the end section 40 and whose angle of inclination α can be changed with respect to the central axis 26. The swash plate 50 is rotatably connected to the drive shaft 38.
Die Lagerung der Taumelscheibe 50 und der Aufbau des Schwenklagers ist in der Darstellung nach Figur 3 nicht explizit dargestellt, da diese Bauelemente aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind.The bearing of the swash plate 50 and the structure of the pivot bearing is not explicitly shown in the illustration according to FIG. 3, since these components are sufficiently known from the prior art.
Die stirnseitige AbStützung der Triebwelle 38 erfolgt über zwei Axiallager 52, die an Stirnflächen der Zylinderblöcke 16 bzw. 18 und an der Stirnfläche des radial erweiterten Schwenklagerabschnittes 48 der Triebwelle 38 abgestützt sind.The end support of the drive shaft 38 takes place via two axial bearings 52 which are supported on the end faces of the cylinder blocks 16 and 18 and on the end face of the radially expanded pivot bearing section 48 of the drive shaft 38.
Die Kolben 28, 30 sind jeweils über einen hydrostatischen Gleitschuh 54, 56 auf der benachbarten Großfläche der Taumelscheibe 50 abgestützt. Jeder Gleitschuh 54, 56 hat einen Kugelkörper 58, der mit einem ebenen Abschnitt auf der Taumelscheibe 50 aufliegt und mit seinem kugelförmigen Abschnitt in einer Gleitschuhlageraufnahme 60 geführt ist, so daß der Gleitschuh 56 während der Taumel- bewegung der Taumelscheibe 50 stets flächig an der benachbarten Großfläche der Taumelscheibe 50 anliegt.The pistons 28, 30 are each supported by a hydrostatic sliding shoe 54, 56 on the adjacent large surface of the swash plate 50. Each slide shoe 54, 56 has a spherical body 58 which rests with a flat section on the swash plate 50 and is guided with its spherical section in a slide shoe bearing receptacle 60, so that the slide shoe 56 is always flat on the adjacent one during the wobble movement of the swash plate 50 Large area of the swash plate 50 is present.
Die Lageraufnahmen 60 der Kolbenpaare in Axialrichtung 28a, 30a; 28b, 30b, ... sind jeweils über ein Verbin- dungselement 62 miteinander verbunden. Im Verdichterzylinderkopf 22 ist ein Saugkanal 64 und ein Druckkanal 66 ausgebildet, über die die Sauganschlüsse bzw. die Druckanschlüsse der Verdichterzylinder 25 miteinander verbunden sind.The bearing seats 60 of the piston pairs in the axial direction 28a, 30a; 28b, 30b, ... are each connected to one another via a connecting element 62. A suction channel 64 and a pressure channel 66 are formed in the compressor cylinder head 22, via which the suction ports and the pressure ports of the compressor cylinders 25 are connected to one another.
Zwischen Verdichterzylinderkopf 22 und Verdichterzylinderblock 18 ist eine Zwischenplatte 68 angeordnet. Diese hat für jeden Zylinder 25 eine Saugbohrung 70 und eine Druckbohrung 72, die einerseits im Saugkanal 64 bzw. im Druckkanal 66 und andererseits in den Zylinderräumen 34 münden.An intermediate plate 68 is arranged between the compressor cylinder head 22 and the compressor cylinder block 18. For each cylinder 25, this has a suction bore 70 and a pressure bore 72, which on the one hand open into the suction channel 64 or in the pressure channel 66 and on the other hand into the cylinder spaces 34.
In der Trennebene zwischen der Zwischenplatte 68 und dem Verdichterzylinderkopf 18 ist ein Saugventil 74 aus- gebildet, das in herkömmlicher Weise als Rückschlagventil ausgeführt ist. Der Öffnungshub des Saugventils 74 ist über einen Saughubfänger 76 begrenzt. Entsprechend ist in der Trennebene zwischen dem Verdichterzylinderkopf 22 und der Zwischenplatte 68 ein Druckventil 78 ausgebildet, dessen Öffnungshub durch einen Druckhubfänger 80 begrenzt ist.In the parting plane between the intermediate plate 68 and the compressor cylinder head 18, a suction valve 74 is formed, which is designed in a conventional manner as a check valve. The opening stroke of the suction valve 74 is limited by a suction stroke catcher 76. Correspondingly, a pressure valve 78 is formed in the parting plane between the compressor cylinder head 22 and the intermediate plate 68, the opening stroke of which is limited by a pressure stroke catcher 80.
Die Ventile 74, 78 sind derart ausgebildet, daß sie eine Kältemittelströmung nur in einer Richtung (Saughub, Druckhub) zulassen und die Rückströmung in der Gegenrichtung unterbinden.The valves 74, 78 are designed in such a way that they only permit a refrigerant flow in one direction (suction stroke, pressure stroke) and prevent the backflow in the opposite direction.
Dieser Aufbau des Verdichterteils in Axialkolbenbauweise (Taumelscheibenpumpe) ist aus dem Stand der Technik per se bekannt, so daß weitere Ausführungen entbehrlich sind.This construction of the compressor part in the axial piston design (swash plate pump) is known per se from the prior art, so that further explanations are unnecessary.
Expansionsmaschinenseitig ist zwischen dem Expansionszylinderkopf 20 und dem Expansionszylinder 16 eben- falls eine Zwischenplatte 82 angeordnet, die ähnlich wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel für zwei der vier Zylinder (24a, 24b) jeweils eine Einlaßbohrung 84 und eine Auslaßbohrung 86 aufweist.On the expansion machine side, an intermediate plate 82 is likewise arranged between the expansion cylinder head 20 and the expansion cylinder 16, which is similar to the previously described exemplary embodiment for two of the four cylinders (24a, 24b) each have an inlet bore 84 and an outlet bore 86.
Auf den eingangs genannten Gründen muß das geometri- sehe Volumen der Expansionsmaschine 10 geringer ausgelegt werden als das geometrische Volumen für den Verdichter 6. Um dies zu erreichen, werden die beiden senkrecht zur Zeichenebene angeordneten, nicht dargestellten Zylinder (24c, 24d) als sogenannte Leerlaufzylinder ausgeführt, die nicht an der Expansion des Kältemittels mitwirken. D.h. durch diese Zylinder wird die Enthalpie des CO2 nicht durch Expansionsarbeit verringert.For the reasons mentioned at the outset, the geometric volume of the expansion machine 10 must be designed to be smaller than the geometric volume for the compressor 6. In order to achieve this, the two cylinders (24c, 24d), not shown, which are arranged perpendicular to the plane of the drawing, are called idle cylinders performed that do not participate in the expansion of the refrigerant. That these cylinders do not reduce the enthalpy of CO2 through expansion work.
Um diesen sogenannten Leerhub herbeizuführen, sind in den Zylinders 24c, d (senkrecht zur Zeichenebene) Axialnuten 88 (strichpunktiert in Figur 3) ausgebildet, über die der zugeordnete Zylinderraum 34 mit dem Triebraum 35 verbunden ist.In order to bring about this so-called idle stroke, axial grooves 88 (dash-dotted in FIG. 3) are formed in the cylinders 24c, d (perpendicular to the plane of the drawing), via which the associated cylinder space 34 is connected to the drive space 35.
Desweiteren hat die Zwischenplatte 82 im Bereich dieser Zylinder 24c, 24d (nicht dargestellt) keine Einlaßbzw. Auslaßbohrungen, so daß das Kältemittel nicht in den Zylinderraum 34 eintreten kann. Über die Axialnut 88 erfolgt ein Druckausgleich zwischen den Zylinderräumen 34 und dem Triebraum 35, so daß durch diese Zylinder 24c, 24d praktisch keine Gegenkräfte auf die Taumelscheibe 50 aufgebracht werden.Furthermore, the intermediate plate 82 in the area of these cylinders 24c, 24d (not shown) has no inlet or. Outlet bores so that the refrigerant cannot enter the cylinder space 34. A pressure equalization takes place between the cylinder spaces 34 and the drive space 35 via the axial groove 88, so that practically no opposing forces are applied to the swash plate 50 through these cylinders 24c, 24d.
Der in Figur 3 obere Endabschnitt der Triebwelle 38 taucht mit einem Befestigungszapfen 90 in eine Aufnahmebohrung des Expansionszylinderkopfs 20 ein. Auf diesem Befestigungszapfen 90 ist drehfest eine Steuerscheibe 92 befestigt, über die die Einlaß- und Auslaßsteuerung der beiden Zylinder 24a, 24b erfolgt. Expansionszylinder und Steuerscheibe können sich auch auf der Antriebsseite be- finden, wobei dann die Verdichtereinheit auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.The upper end section of the drive shaft 38 in FIG. 3 dips with a fastening pin 90 into a receiving bore of the expansion cylinder head 20. On this mounting pin 90 a control disk 92 is rotatably fixed, via which the intake and exhaust control of the two cylinders 24a, 24b takes place. Expansion cylinder and control disc can also be on the drive side find, then the compressor unit is arranged on the opposite side.
Wie im folgenden noch näher erläutert, kann über die Steuerscheibe 92 eine Verbindung zwischen der Einlaßbohrung 84 und einem Hochdruckkanal 94 im Expansionszylinderkopf 20 bzw. eine Verbindung zwischen der Auslaßbohrung 86 und einem Niederdruckkanal 96 auf- bzw. zugesteuert werden.As explained in more detail below, a connection between the inlet bore 84 and a high-pressure duct 94 in the expansion cylinder head 20 or a connection between the outlet bore 86 and a low-pressure duct 96 can be opened or closed via the control disk 92.
Der Aufbau dieser Steuerscheibe ist Figur 4 entnehmbar, die einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 3 zeigt.The structure of this control disc can be seen in FIG. 4, which shows a section along the line A-A in FIG. 3.
Demgemäß hat die Steuerscheibe 92 einen etwa halbkreisförmigen Steuerschlitz 94, der koaxial zum Befestigungszapfen 90 ausgebildet ist. Über diesen Steuerschlitz 94 lassen sich in Abhängigkeit von der Drehposition der Steuerscheibe 92 die den Zylindern 24a oder 24b zugeord- neten Auslaßbohrungen 86 auf- bzw. zusteuern.Accordingly, the control disk 92 has an approximately semicircular control slot 94 which is formed coaxially with the fastening pin 90. Depending on the rotational position of the control disk 92, the outlet bores 86 assigned to the cylinders 24a or 24b can be opened or closed via this control slot 94.
Die Ansteuerung der Einlaßbohrungen 84 erfolgt über ein sich zum Umfangsrand der Steuerscheibe 92 ein öffnendes Einlaßfenster 100, über das eine Verbindung mit dem den Außenumfang der Steuerscheibe 92 umgebenden Hochdruckkanal 94 und der Einlaßbohrung 84 herstellbar ist.The control of the inlet bores 84 takes place via an inlet window 100 which opens towards the peripheral edge of the control disk 92 and via which a connection can be established with the high-pressure channel 94 surrounding the outer periphery of the control disk 92 and the inlet bore 84.
Die Relativanordnung des radial außenliegenden Einlaßfensters 100 und des kreisbogenförmigen Steuerschlit- zes 98 zueinander und zu den Einlaß- und Auslaßbohrungen 84, 86 ist derart gewählt, daß das zu expandierende Kältemittel über das Einlaßfenster 100 und die Einlaßbohrung 84 in einen Expansionszylinder (24b) eingebracht wird, während das entspannte Arbeitsmittel im anderen Expan- sionszylinder 24 a, über die Auslaßbohrung 86, den Steuerschlitz 98 praktisch ohne Gegendruck dem Verdampfer zu- geführt wird. In einer Übergangsphase (siehe Figur 4) können auch beide Expansionszylinder 24a, 24b durch die Steuerscheibe 92 gegenüber dem Hochdruckkanal 94 und dem Niederdruckkanal 96 abgesperrt sein.The relative arrangement of the radially outer inlet window 100 and the arcuate control slot 98 with respect to one another and to the inlet and outlet bores 84, 86 is selected such that the refrigerant to be expanded is introduced into an expansion cylinder (24b) via the inlet window 100 and the inlet bore 84 , while the relaxed working fluid in the other expansion cylinder 24 a, via the outlet bore 86, the control slot 98 practically without counter pressure to the evaporator. to be led. In a transition phase (see FIG. 4), both expansion cylinders 24a, 24b can also be shut off by the control disk 92 with respect to the high-pressure duct 94 and the low-pressure duct 96.
Zum besseren Verständnis seien im folgenden nochmals die wesentlichen Funktionen der erfindungsgemäßen Axialkolbeneinheit 14 erläutert.For a better understanding, the essential functions of the axial piston unit 14 according to the invention are again explained below.
Die Triebwelle 38 wird von einem geeignetem Antriebsmotor in Umdrehung gesetzt. Die auf den gewünschten Winkel α eingestellte Taumelscheibe 50 ist drehfest mit der Triebwelle 38 verbunden, so daß die vier Verdichterkolben 28a, b, c, d aufgrund der Umlaufbewegung der Taumel- Scheibe 50 in Axialrichtung angetrieben werden. Figur 3 zeigt einen Zustand bei dem der Kolben 25a seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht hat und der gegenüberliegende Verdichterkolben 28b entsprechend seinen unteren Totpunkt (UT) erreicht hat. Die beiden senkrecht zur Zeichenebene angeordneten Verdichterkolben (nicht dargestellt) befinden sich in Zwischenpositionen. D.h., bei einer weiteren Drehung der Taumelscheibe 50 gegenüber der in Figur 3 dargestellten Position wird der Verdichterkolben 28b im Verdichterzylinder 25b nach unten bewegt, so daß das sich im Zylinderraum 34 befindliche Kältemittel verdichtet und über das sich in Druckaufbaurichtung öffnende Druckventil 78 in den Druckkanal 66 einströmt. Aufgrund des Fluid- druckes ist das Saugventil 74 geschlossen, so daß die Verbindung zum Saugkanal 64 abgesperrt ist.The drive shaft 38 is rotated by a suitable drive motor. The swash plate 50 set to the desired angle α is connected in a rotationally fixed manner to the drive shaft 38, so that the four compressor pistons 28a, b, c, d are driven in the axial direction due to the rotating movement of the swash plate 50. FIG. 3 shows a state in which the piston 25a has reached its top dead center (TDC) and the opposite compressor piston 28b has accordingly reached its bottom dead center (TDC). The two compressor pistons (not shown) arranged perpendicular to the plane of the drawing are in intermediate positions. That is, with a further rotation of the swash plate 50 with respect to the position shown in FIG. 3, the compression piston 28b in the compression cylinder 25b is moved downward, so that the refrigerant located in the cylinder space 34 compresses and into the pressure channel 66 via the pressure valve 78 that opens in the direction of pressure build-up flows in. Due to the fluid pressure, the suction valve 74 is closed, so that the connection to the suction channel 64 is shut off.
Gleichzeitig bewegt sich der andere Verdichterkolben 25a in der Darstellung nach Figur 3 nach oben, so daß sich das zugeordnete Druckventil 78 in seiner Schließstellung befindet und das Saugventil 74 aufgrund des Un- terdrucks im Zylinderraum 34 (oder des Drucks im Saugkanal 64) aufgesteuert wird. Das Kältemittel kann dann vom Saugkanal 64 über die Saugbohrung 70 in den Zylinderraum 34 einströmen. Wie bereits erwähnt, befinden sich die beiden anderen Verdichterkolben in Zwischenstellungen, so daß das Kältemittel entsprechend verdichtet bzw. ange- saugt wird.At the same time, the other compressor piston 25a moves upwards in the illustration according to FIG. 3, so that the associated pressure valve 78 is in its closed position and the suction valve 74 is opened due to the negative pressure in the cylinder space 34 (or the pressure in the suction channel 64). The refrigerant can then from The suction channel 64 flows into the cylinder space 34 via the suction bore 70. As already mentioned, the other two compressor pistons are in intermediate positions so that the refrigerant is compressed or sucked in accordingly.
Das verdichtete Kältemittel wird über einen an den Druckkanal 66 angeschlossene Verbindungsleitung zum Wärmetauscher 8 geführt.The compressed refrigerant is led to the heat exchanger 8 via a connecting line connected to the pressure channel 66.
Das auf hohen Druck verdichtete und im Wärmetauscher 8 abgekühlte Kältemittel wird über eine entsprechende Druckleitung in den Hochdruckkanal 94 der Expansionsmaschine eingeleitet. Die Füllung der beiden Zylinderräume 34 der Expansionsmaschine wird von der Steuerscheibe 92 gesteuert, die drehfest mit der Triebwelle 38 verbunden ist.The refrigerant compressed to high pressure and cooled in the heat exchanger 8 is introduced into the high-pressure duct 94 of the expansion machine via a corresponding pressure line. The filling of the two cylinder spaces 34 of the expansion machine is controlled by the control disk 92, which is non-rotatably connected to the drive shaft 38.
In der in Figur 3 dargestellten Position der Steuer- scheibe 92 ist die Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 94 und dem Expansionszylinder 24b aufgesteuert, während der Zylinderraum 34 des anderen Expansionszylinders 24a über den Steuerschlitz 98 mit dem Niederdruckkanal 96 verbunden ist. Durch das Druckgas wird der Expansionskol- ben 30b über den Gleitschuh 58 gegen die Schrägfläche der Taumelscheibe 50 gedrückt, so daß über eine parallel zur Schrägflächenebene gerichtete Kraftkomponente ein Drehmoment auf die Taumelscheibe 50 - oder genauer gesagt auf die Triebwelle 38 ausgeübt wird. D.h., die Rotation der Triebwelle 38 wird durch das Druckgas unterstützt, so daß die Antriebsleistung des Motors für den Verdichter geringer ausgelegt werden kann, als es bei herkömmlichen Einrichtungen der Fall ist.In the position of the control disk 92 shown in FIG. 3, the connection between the high-pressure duct 94 and the expansion cylinder 24b is opened, while the cylinder space 34 of the other expansion cylinder 24a is connected to the low-pressure duct 96 via the control slot 98. By means of the compressed gas, the expansion piston 30b is pressed against the inclined surface of the swash plate 50 via the slide shoe 58, so that a torque is exerted on the swash plate 50 - or more precisely on the drive shaft 38 - via a force component directed parallel to the inclined surface plane. That is, the rotation of the drive shaft 38 is supported by the compressed gas, so that the drive power of the motor for the compressor can be designed to be lower than is the case with conventional devices.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Gleitschuhe der koaxial zueinander angeordneten Kolben 28, 30 der Expansionsmaschine 10 und des Verdichters 6 über das Verbindungselement 62 miteinander verbunden, so daß stets eine zuverlässige Anlage an der Schrägfläche gewährleistet ist.In the exemplary embodiment shown, the sliding shoes are the pistons 28, 30 arranged coaxially to one another the expansion machine 10 and the compressor 6 connected to one another via the connecting element 62, so that a reliable contact with the inclined surface is always guaranteed.
Wie bereits eingangs erwähnt, tragen die beiden nicht dargestellten Leerlaufzylinder nicht zur Expansion des Kältemittels bei. Die in diesen LeerlaufZylindern geführten Kolben 30c, d (nicht dargestellt) sind jedoch ebenfalls in der dargestellten Weise mit den entsprechenden Verdichterkolben 28c, d verbunden. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die Kolben der Leerlaufzylinder als Führungselemente wirken. Aufgrund der verringerten Lagerkräfte wird die Lebensdauer der Axialkolbeneinheit gegen- über herkömmlichen Lösungen mit einseitig beaufschlagten Taumelscheiben wesentlich verlängert, so daß auch bei hohen Druckverhältnissen kein vorzeitiger Verschleiß zu befürchten ist.As already mentioned at the beginning, the two idle cylinders, not shown, do not contribute to the expansion of the refrigerant. However, the pistons 30c, d (not shown) which are guided in these idling cylinders are likewise connected to the corresponding compressor pistons 28c, d in the manner shown. This construction has the advantage that the pistons of the idle cylinders act as guide elements. Due to the reduced bearing forces, the service life of the axial piston unit is extended considerably compared to conventional solutions with swash plates loaded on one side, so that no premature wear is to be feared even under high pressure conditions.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Axialkolbeneinheit 14 mit einer Taumelscheibe 50 ausgeführt. Selbstverständlich läßt sich dieses erfindungsgemäß Konzept auch mit anderen Konstruktionen, beispielsweise in Schrägscheibenbauweise realisieren.In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the axial piston unit 14 is designed with a swash plate 50. Of course, this concept according to the invention can also be realized with other constructions, for example in a swashplate construction.
Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Steuerscheibe 92 mit der Expansionseinheit auf dem Endabschnitt der Triebwelle 38 angeordnet, abweichend davon könnte die Expansionseinheit auch antriebsseitig an der Antriebswelle 38 angeordnet sein, so daß die Verdichtungseinheit entsprechend am anderen Endabschnitt ausgebildet ist.In the exemplary embodiment described above, the control disk 92 with the expansion unit was arranged on the end section of the drive shaft 38; in deviation from this, the expansion unit could also be arranged on the drive side on the drive shaft 38, so that the compression unit is designed accordingly at the other end section.
Vorversuche zeigten, daß die Leistungsregelung durch die Variation des Taumelscheibenwinkels energetisch besonders vorteilhaft ist, so daß sich der Wirkungsgrad der Axialkolbeneinheit weiter steigern läßt. Bei einfachen Anwendungen ist es jedoch hinreichend, wenn die Taumelscheibe (Schrägscheibe) mit einem vorbestimmten Winkel α zur Triebwelle 38 angestellt ist.Preliminary tests showed that the power control is particularly advantageous in terms of energy by varying the swashplate angle, so that the efficiency of the Axial piston unit can be further increased. For simple applications, however, it is sufficient if the swash plate (swash plate) is set at a predetermined angle α to the drive shaft 38.
Die Figuren 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele eines Kolbenverdichters 108, bei dem die Verdichter- und Expansionskolben über einen Kurbeltrieb 110 miteinander verbunden sind. Der Grundaufbau des in Figur 5 dargestellten Kolbenverdichters 108 entspricht demjenigen eines Kompressors, so daß auf eine detaillierte Beschreibung der Grundbauelemente verzichtet werden kann.FIGS. 5 and 6 show exemplary embodiments of a piston compressor 108, in which the compressor and expansion pistons are connected to one another via a crank mechanism 110. The basic structure of the piston compressor 108 shown in FIG. 5 corresponds to that of a compressor, so that a detailed description of the basic components can be dispensed with.
Der dargestellte Kolbenverdichter 108 hat ein Kurbel- gehäuse 112, in dem eine Kurbelwelle 114 über Wellenlager 116, 118 gelagert ist. Die linke stirnseitige Abdeckung des Kurbelgehäuses 112 erfolgt durch einen Gehäusedeckel 120. Der in Figur 5 rechte Endabschnitt der Kurbelwelle 114 durchsetzt einen Stirndeckel 122, wobei der frei aus- kragende Endabschnitt 124 an eine Abtriebswelle eines nicht dargestellten Antriebsmotors angekoppelt werden kann. Zur Abdichtung des Kurbelgehäuses 112 sind im Lagerbereich der Kurbelwelle 114 Wellendichtungen 116 vorgesehen.The piston compressor 108 shown has a crankcase 112 in which a crankshaft 114 is mounted via shaft bearings 116, 118. The left frontal cover of the crankcase 112 is provided by a housing cover 120. The right end section of the crankshaft 114 in FIG. 5 passes through an end cover 122, the freely projecting end section 124 being able to be coupled to an output shaft of a drive motor, not shown. To seal the crankcase 112, shaft seals 116 are provided in the bearing area of the crankshaft 114.
Den fußseitigen Endabschnitt des Kurbelgehäuses 112 bildet eine Abschlußplatte 128. Auf der davon entfernten oberen Seite des Kurbelgehäuses 112 ist ein Zylinderblock 130 angeflanscht, in dem der Expansions- und Verdichter- teil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 108 ausgebildet ist. Hierzu sind auf der Kurbelwelle 114 zwei Pleueln 132, 134 gelagert, deren Pleuelauge mit einem Expansionskolben 136 bzw. einem Verdichterkolben 138 verbunden ist. Hinsichtlich der Lagerung, der Abdichtung und des Aufbaus der Kurbelwelle 114 sowie der Anbindung der Pleueln 132, 134 an die Kurbelwelle 114 und an die Kolben 136 bzw. 138 sei auf die vorhandene Fachliteratur zu Kompressoren bzw. Verbrennungskraftmaschinen verwiesen.An end plate 128 forms the foot-side end section of the crankcase 112. A cylinder block 130 is flanged to the upper side of the crankcase 112, in which the expansion and compression part of the piston compressor 108 according to the invention is formed. For this purpose, two connecting rods 132, 134 are mounted on the crankshaft 114, the connecting rod eye of which is connected to an expansion piston 136 or a compressor piston 138. With regard to the mounting, the sealing and the construction of the crankshaft 114 and the connection of the connecting rods 132, 134 to the crankshaft 114 and to the pistons 136 or 138 should be referred to the existing literature on compressors or internal combustion engines.
Die beiden Kolben 136, 138 sind in Zylindern 140 bzw. 142 des Zylinderblocks 130 geführt. Diese Zylinder 140, 142 sind stirnseitig über einen Zylinderkopf 144 begrenzt. Zwischen dem Zylinderkopf 144 und dem Zylinderblock 130 ist eine Zylinderkopfdichtung 145 ausgebildet. In dieser sind Einlaß- und Auslaßkanäle 146, 148 mit den dazugehörigen - nicht dargestellten - Einlaß- und Auslaßventilen für den Verdichterzylinder 142 ausgebildet.The two pistons 136, 138 are guided in cylinders 140 and 142 of the cylinder block 130. These cylinders 140, 142 are delimited on the end face by a cylinder head 144. A cylinder head gasket 145 is formed between the cylinder head 144 and the cylinder block 130. In this inlet and outlet channels 146, 148 are formed with the associated - not shown - inlet and outlet valves for the compressor cylinder 142.
Während der Verdichterteil mit dem Verdichterzylinder 142, dem Verdichterkolben 138 und dem Einlaß- und Auslaß- kanälen 146, 148 sowie den nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßventilen dem vorerwähnten Stand der Technik entspricht, wird der Expansionsteil in einer abweichenden Bauweise mit Schlitzsteuerung ausgeführt. Dazu ist bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ex- pansionskolben 136 als Stufenkolben ausgeführt, wobei der Durchmesser des Kolbenfußes im Anbindungsbereich an das Pleuel 132 etwa dem Durchmesser des Verdichterkolbens 138 entspricht. Der sich an den Kolbenfuß anschließende Abschnitt des Expansionskolbens 136 ist radial zu einem Ex- pansionsabschnitt 150 verringert, so daß ebenfalls wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel das geometrische Volumen des Expansionsteils geringer ist als dasjenige des Verdichungsteils.While the compressor part with the compressor cylinder 142, the compressor piston 138 and the inlet and outlet channels 146, 148 and the inlet and outlet valves (not shown) corresponds to the aforementioned state of the art, the expansion part is designed in a different construction with slot control. For this purpose, in the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the expansion piston 136 is designed as a stepped piston, the diameter of the piston base in the connection area to the connecting rod 132 corresponding approximately to the diameter of the compressor piston 138. The section of the expansion piston 136 adjoining the piston foot is reduced radially to an expansion section 150, so that the geometric volume of the expansion part is also less than that of the compression part, as in the exemplary embodiment described above.
Der Expansionsabschnitt 150 des Expansionskolbens 136 ist dichtend in einem nach oben (Darstellung nach Figur 5) vorspringenden Expansionszylinder 152 geführt. In der Umfangswandung des Expansionszylinders 152 sind ein Hochdruckanschluß 154 und ein Niederdruckanschluß 156 ausge- bildet, über die das zu expandierende Medium, beispiels- weise CO2 in den Expansionszylinder 152 einführbar bzw. aus diesem herausführbar ist.The expansion section 150 of the expansion piston 136 is sealingly guided in an expansion cylinder 152 projecting upwards (illustration according to FIG. 5). A high-pressure connection 154 and a low-pressure connection 156 are formed in the peripheral wall of the expansion cylinder 152, via which the medium to be expanded, for example as CO2 can be introduced into the expansion cylinder 152 or can be removed therefrom.
Gemäß Figur 5 ist im Expansionskolben 136 eine Innen- bohrung 158 ausgebildet, die einerseits in der Stirnfläche und andererseits in der Umfangswandung des Expansionsabschnittes 150 des Expansionskolbens 136 mündet. Demgemäß ist die Innenbohrung 158 mit einem etwa axial verlaufenden Teil und einem etwa in Radialrichtung schräg verlaufenden Teil ausgeführt, wobei letzterer im Bereich des Hochdruckanschlusses 154 mündet.According to FIG. 5, an inner bore 158 is formed in the expansion piston 136, which opens on the one hand in the end face and on the other hand in the peripheral wall of the expansion section 150 of the expansion piston 136. Accordingly, the inner bore 158 is made with an approximately axially extending part and an approximately obliquely extending part in the radial direction, the latter opening in the region of the high-pressure connection 154.
Am Außenumfang des Expansionsabschnittes 150 sind einige Kolbenringe 160 angeordnet, so daß der Hochdruckan- Schluß 154 gegenüber dem Niederdruckanschluß 156 abgedichtet ist.A few piston rings 160 are arranged on the outer circumference of the expansion section 150, so that the high-pressure connection 154 is sealed off from the low-pressure connection 156.
In der Darstellung gemäß Figur 5 befindet sich der Expansionskolben 136 in seinem oberen Totpunkt. Die Geo- metrie der Innenbohrung 158 ist so gewählt, daß im Bereich des oberen Totpunktes der Hochdruckanschluß 154 über die Innenbohrung 158 mit dem vom Expansionszylinder 152 und dem Expansionskolben 136 begrenzten Expansionsraum 162 verbunden ist. Demzufolge wird der Expansions- räum 162 mit dem den Hochdruck aufweisenden Kältemittel gefüllt. Bei der sich anschließenden Abwärtsbewegung des Expansionskolben 136 wird der Hochdruckanschluß 154 durch die Umfangskante der Innenbohrung 158 zugesteuert und das sich im Expansionsraum 162 befindliche Kältemittel expan- diert. Nach einem vorbestimmten Kolbenhub wird der Niederdruckanschluß 156 durch die durch die Umfangskante der Stirnfläche gebildete Steuerkante 164 aufgesteuert, so daß das expandierte Kältemittel durch den Niederdruckanschluß 156 austreten kann. Bei der anschließenden Rück- kehr des Expansionskolbens 136 zum oberen Totpunkt wird zunächst der Niederdruckanschluß 156 zugesteuert und der im Expansionsraum 162 verbliebene Kältemittelrest verdichtet. Nach einem vorbestimmten Hub wird der Hochdruckanschluß 154 durch die Umfangskante der Innenbohrung 158 aufgesteuert, so daß Kältemittel mit Hochdruck in den Ex- pansionsraum 162 eingespeist wird - der Zyklus beginnt von Neuem.In the illustration according to FIG. 5, the expansion piston 136 is at its top dead center. The geometry of the inner bore 158 is selected such that, in the area of the top dead center, the high-pressure connection 154 is connected via the inner bore 158 to the expansion space 162 delimited by the expansion cylinder 152 and the expansion piston 136. As a result, the expansion space 162 is filled with the high-pressure refrigerant. During the subsequent downward movement of the expansion piston 136, the high-pressure connection 154 is controlled by the peripheral edge of the inner bore 158 and the refrigerant located in the expansion space 162 is expanded. After a predetermined piston stroke, the low-pressure connection 156 is opened by the control edge 164 formed by the peripheral edge of the end face, so that the expanded refrigerant can escape through the low-pressure connection 156. On the subsequent return of the expansion piston 136 to the top dead center, the low-pressure connection 156 is first closed and the remaining refrigerant in expansion space 162 is compressed. After a predetermined stroke, the high-pressure connection 154 is opened by the circumferential edge of the inner bore 158, so that high-pressure refrigerant is fed into the expansion space 162 - the cycle begins again.
Der prinzipielle Aufbau einer derartigen Expansionsmaschine mit Schlitzsteuerung ist bereits aus der Druck- schrift Dr. R. Doll, Prof. F. X. Eder "Neuartige Expansionsmaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen"; Kältetechnik; 16. Jahrgang; Heft 1/1964 bekannt, so daß hinsichtlich der thermodynamischen Vorgänge während dieses Expansionsvorganges auf dieses Literaturzitat verwiesen sei.The basic structure of such an expansion machine with slot control can already be found in the printed publication Dr. R. Doll, Prof. F. X. Eder "Novel expansion machine for generating low temperatures"; Refrigeration technology; 16th year; Issue 1/1964 known, so that with regard to the thermodynamic processes during this expansion process reference is made to this reference.
Die bei der Expansion des Kältemittels freiwerdende Energie wird erfindungsgemäß zusätzlich zum Antrieb der Kurbelwelle 114 verwendet, so daß nicht die gesamte Ver- dichtungsarbeit über den an die Kurbelwelle 114 angekoppelten Antrieb aufgebracht werden muß.The energy released during the expansion of the refrigerant is used according to the invention in addition to driving the crankshaft 114, so that the entire compression work does not have to be applied via the drive coupled to the crankshaft 114.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Expansionskolben 136 als Stufenkolben ausgeführt, wobei allerdings erhebliche Aufwendungen zur Führung des radial verringerten Expansionsabschnitt 150 erforderlich sind.In the exemplary embodiment described above, the expansion piston 136 is designed as a stepped piston, although considerable expenditure is required to guide the radially reduced expansion section 150.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der vorrichtungstechnische Aufwand gegenüber der vorbeschrie- benen Lösung dadurch verringert ist, daß der Expansionskolben 136 ohne Stufe und vorzugsweise im wesentlichen mit den gleichen Abmessungen wie der Verdichtungskolben 138 ausgebildet wird. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel sind der Expansionszylinder 140 und der Verdich- terzylinder 142 - abgesehen von der Schlitzsteuerung des Expansionsteils und der Ventilsteuerung des Verdichter- teils - identisch aufgebaut. Dadurch kann der Zylinderkopf 144 wesentlich einfacher als beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet werden, da dieser im wesentlichen lediglich die Einlaß- und Auslaßsteuerung für den Verdichtungszylinder 142 aufnehmen muß. Die Verringerung des geometrischen Volumens des Expansionsteils kann bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erfolgen, daß der Expansionskolben 136 durchgängig mit einem etwas geringerem Durchmesser als der Verdich- terkolben 138 ausgeführt wird.FIG. 6 shows an exemplary embodiment in which the outlay in terms of device technology is reduced in comparison with the previously described solution in that the expansion piston 136 is designed without a step and preferably essentially with the same dimensions as the compression piston 138. In such an embodiment, the expansion cylinder 140 and the compressor cylinder 142 are - apart from the slot control of the expansion part and the valve control of the compressor - partly - identically constructed. As a result, the cylinder head 144 can be made much simpler than in the exemplary embodiment described above, since it essentially only has to accommodate the intake and exhaust control for the compression cylinder 142. In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, the geometric volume of the expansion part can be reduced in that the expansion piston 136 is designed with a slightly smaller diameter than the compressor piston 138.
Selbstverständlich kann der Kolbenverdichter 108 auch mit mehr als zwei Zylindern ausgeführt werden, wobei prinzipiell alle Kolbenverdichterbauarten mit Kurbeltrieb einsetzbar sind. Das geometrische Volumen des Expansionsteils und des Verdichterteils läßt sich dann wie bei den eingangs beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Anzahl der Zylinder im Verdichtungs- bzw. Expansionsteil bestimmen.Of course, the piston compressor 108 can also be designed with more than two cylinders, it being possible in principle for all piston compressor types with a crank mechanism to be used. The geometric volume of the expansion part and the compressor part can then be determined, as in the exemplary embodiments described at the outset, by the number of cylinders in the compression or expansion part.
Der Expansionsteil des Kolbenverdichters kann somit durch Modifikation des Zylinderblocks 130 oder des Zylinderkopfs 144 ausgebildet werden. Dabei können die oder der Expansionszylinder identisch oder mit unterschiedli- chen Konfigurationen ausgeführt sein.The expansion part of the piston compressor can thus be formed by modifying the cylinder block 130 or the cylinder head 144. The expansion cylinder (s) can be identical or can be designed with different configurations.
Im übrigen entspricht das in Figur 6 dargestellte Ausführungsbeispiel demjenigen aus Figur 5, so daß weitere Erläuterungen entbehrlich sind.Otherwise, the exemplary embodiment shown in FIG. 6 corresponds to that from FIG. 5, so that further explanations are unnecessary.
Durch die erfindungsgemäße Kopplung des Expansionsteils mit dem Verdichter einer Kältemittelanlage läßt sich die Heizleistungszahl der Wärmepumpe gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verbessern, so daß diese erfindungsgemäße Konstruktion besonders gut bei Wärmepumpensystemen mit CO2 als Kältemittel einsetzbar ist, die beispielsweise konventionelle Heizkessel für Zentralheizungssysteme mit Radiatoren ersetzen können.By coupling the expansion part according to the invention to the compressor of a refrigerant system, the heat output of the heat pump can be significantly improved compared to conventional solutions, so that this construction according to the invention can be used particularly well in heat pump systems with CO2 as the refrigerant For example, can replace conventional boilers for central heating systems with radiators.
Eine weitere Anwendung könnte bei einer Kraftfahr- zeugklimaanlage erfolgen, da bei diesen Anlagen die Rückkühltemperatur bei dem luftgekühlten Gaskühler relativ hoch ist. Dabei läßt sich die Kälteleistungszahl gegenüber herkömmlichen Lösungen mit Expansionsventil wesentlich verbessern, da die rückgewinnbare Arbeit bedingt durch die hohen Rückkühltemperaturen am Gaskühler für eine Erhöhung der Leistungszahl genutzt werden kann. Die Anmelderin behält sich vor, auf diese Verwendung einen eigenen nebengeordneten Patentanspruch zu richten.Another application could be in a motor vehicle air conditioning system, since in these systems the recooling temperature in the air-cooled gas cooler is relatively high. The cooling capacity can be significantly improved compared to conventional solutions with an expansion valve, since the recoverable work can be used to increase the coefficient of performance due to the high recooling temperatures at the gas cooler. The applicant reserves the right to direct its own subordinate claim to this use.
Offenbart ist ein Kolbenverdichter mit einem Verdichter und einem Expansionsteil, dessen Kolben über eine gemeinsame Antriebseinheit verbunden sind. Durch diese Konstruktion läßt sich bei der Expansion eines Kältemittels freiwerdende Energie für dessen Verdichtung nutzen. Disclosed is a piston compressor with a compressor and an expansion part, the pistons of which are connected via a common drive unit. With this construction, the energy released during the expansion of a refrigerant can be used to compress it.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Kolbenverdichter insbesondere zur Verdichtung eines Kältemittels, mit zumindest einem Verdichterkolben (28, 138), der in einem Verdichtungszylinder (18, 142) geführt und über einen Antrieb angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (50, 114) mit einem Expansionskolben (30, 136) eines Expansionsteils des Kolbenverdichters (108) zusammenwirkt, so daß die bei der Expansion gewonnene Arbeit zumindest teilweise zum Antrieb des Verdichterkolbens (28, 138) nutzbar ist.1. Piston compressor, in particular for compressing a refrigerant, with at least one compressor piston (28, 138) which is guided in a compression cylinder (18, 142) and is driven by a drive, characterized in that the drive (50, 114) with an expansion piston (30, 136) of an expansion part of the piston compressor (108) cooperates, so that the work gained during the expansion can be used at least in part to drive the compressor piston (28, 138).
2. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 1, wobei der Antrieb ein Kurbeltrieb (114) ist, und der Expan- sionskolben (138) während seines Kolbenhubs Hochdruck- und Niederdruckanschlüsse (154, 156) für das zu expandierende bzw. expandierte Medium auf- bzw. zusteuert.2. Piston compressor according to claim 1, wherein the drive is a crank drive (114), and the expansion piston (138) during its piston stroke high pressure and low pressure connections (154, 156) on or controls for the medium to be expanded or expanded .
3. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 2, wobei der Expansionskolben (136) eine Innenbohrung (158) hat, über die der Hochdruckanschluß (154) mit einem Zylinderraum (162) verbindbar ist.3. Piston compressor according to claim 2, wherein the expansion piston (136) has an inner bore (158) through which the high-pressure connection (154) can be connected to a cylinder space (162).
4. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei der Expansionskolben (136) ein Stufenkolben ist, dessen Abschnitt mit größerem Durchmesser in einem Zylinder (140) geführt ist, dessen Abmessungen etwa demjenigen des Verdichtungszylinders (142) entsprechen, und daß der Abschnitt (150) mit geringerem Durchmesser in einem koa- xial zum Zylinder (140) angeordneten Expansionszylinder (152) geführt ist.4. Piston compressor according to claim 2 or 3, wherein the expansion piston (136) is a stepped piston, the portion with a larger diameter is guided in a cylinder (140), the dimensions of which correspond approximately to that of the compression cylinder (142), and that the portion (150 ) with a smaller diameter is guided in an expansion cylinder (152) arranged coaxially to the cylinder (140).
5. Kolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, wobei der Kurbeltrieb eine Kurbelwelle (114) hat, die mittels Pleueln (132, 134) mit den Kolben (136, 138) verbunden ist. 5. Piston compressor according to one of claims 2 to 4, wherein the crank mechanism has a crankshaft (114) which is connected to the pistons (136, 138) by means of connecting rods (132, 134).
6. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 1 , wobei die Kolbenmaschine in Axialkolbenbauweise ausgeführt ist, bei der über eine Hubscheibe (50) zumindest ein Verdich- terkolben (28) angetrieben ist, dessen Hub von der Anstellung der Hubscheibe (50) abhängt, an der auch der Expansionskolben (30) des Expansionsteils abgestützt ist.6. Piston compressor according to claim 1, wherein the piston machine is designed in an axial piston design, in which at least one compressor piston (28) is driven via a lifting disc (50), the stroke of which depends on the position of the lifting disc (50), on which the Expansion piston (30) of the expansion part is supported.
7. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 6, wobei die Expansionskolben (30) des Expansionsteils an der von den Verdichterkolben (28) entfernten Rückseite der Hubscheibe (50) angeordnet und in einem Expansionszylinderblock (16) geführt sind, wobei die Kältemittel- Einlaß- und Auslaßsteuerung der Expansionszylinder (24) des Ex- pansionszylinderblocks (16) über eine Steuerscheibe (92) erfolgt.7. Piston compressor according to claim 6, wherein the expansion pistons (30) of the expansion part on the remote from the compressor pistons (28) rear side of the lifting plate (50) are arranged and guided in an expansion cylinder block (16), the refrigerant inlet and outlet controls Expansion cylinder (24) of the expansion cylinder block (16) via a control disc (92).
8. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 6 oder 7 , wobei die Hubscheibe eine Schrägscheibe einer Schräg- Scheibenmaschine oder eine Taumelscheibe (50) einer Taumelscheibenmaschine ist.8. Piston compressor according to claim 6 or 7, wherein the lifting plate is a swash plate of a swash plate machine or a swash plate (50) of a swash plate machine.
9. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 8, wobei das geometrische Volumen des Expansionsteils geringer als dasjenige des Verdichters (10) ist.9. Piston compressor according to claim 8, wherein the geometric volume of the expansion part is less than that of the compressor (10).
10. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 8 oder 9, wobei jedem Verdichterzylinder (25) ein Expansionszylinder (24) zugeordnet ist.10. Piston compressor according to claim 8 or 9, wherein each compressor cylinder (25) is assigned an expansion cylinder (24).
11. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 10, wobei ein Teil der Expansionszylinder (25) als Leerlaufzylinder ausgeführt ist und somit nicht zur Enthalpieabnahme des Kältemittels beiträgt. 11. Piston compressor according to claim 10, wherein a part of the expansion cylinder (25) is designed as an idle cylinder and thus does not contribute to the enthalpy decrease in the refrigerant.
12. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 7 und 11, wobei die Verbindung zwischen den LeerlaufZylindern des Expansionsteils und der Steuerscheibe (92) durch eine Zwischenplatte (82) abgesperrt ist.12. Piston compressor according to claims 7 and 11, wherein the connection between the idle cylinders of the expansion part and the control disc (92) is blocked by an intermediate plate (82).
13. Kolbenverdichter nach Patentanspruch 10 und 11, wobei vier Verdichterzylinder (25) koaxial zu jeweils einem Expansionszylinder (24) angeordnet sind, wobei zwei Expansionszylinder als Leerlaufzylinder ausgebildet sind.13. Piston compressor according to claim 10 and 11, wherein four compressor cylinders (25) are arranged coaxially with one expansion cylinder (24), two expansion cylinders being designed as idle cylinders.
14. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei jeder Verdichterzylinder (25) Einlaß- und Auslaßventile (74, 78) hat.14. Piston compressor according to one of the preceding claims, wherein each compressor cylinder (25) has inlet and outlet valves (74, 78).
15. Kolbenverdichter nach einem der Patentansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (28, 30) über Gleitschuhe (58) auf der Hubscheibe (50) abgestützt sind, wobei die Gleitschuhe (58) des Verdichterkolbens (28) mit denjenigen des zugeordneten Expansions- kolbens (30) über ein Verbindungselement (62) verbunden sind.15. Piston compressor according to one of the claims 10 to 14, characterized in that the pistons (28, 30) via sliding shoes (58) are supported on the lifting disc (50), the sliding shoes (58) of the compressor piston (28) with those of the associated expansion piston (30) are connected via a connecting element (62).
16. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Bohrungsdurchmesser der Expan- sionszylinder (24, 152) geringer als der Durchmesser der Verdichterzylinder (25, 142) ist.16. Piston compressor according to one of the preceding claims, wherein the bore diameter of the expansion cylinder (24, 152) is smaller than the diameter of the compressor cylinder (25, 142).
17. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Kältemittel CO2 ist. 17. Piston compressor according to one of the preceding claims, wherein the refrigerant is CO2.
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