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技術 R−718用容積コンプレッサシステム

出願人 ステファンラルフ
発明者 ステファンラルフ
出願日 2018年6月27日 (2年7ヶ月経過) 出願番号 2019-570036
公開日 2020年8月27日 (5ヶ月経過) 公開番号 2020-525697
状態 未査定
技術分野 回転型圧縮機 回転型圧縮機の応用細部
主要キーワード 内容積比 制御ボール 中央支持軸 遠心ディスク 歯プロファイル 重量荷重 縦回転軸 熱交換器パイプ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

本発明は、R718用容積コンプレッサシステムに関し、前記R718用容積コンプレッサシステムは、コンプレッサ機(41)と、蒸発器(35)と、凝縮器(36)とを含む。開放コンプレッサ機(41)は、気体媒体運搬及び圧縮のための2軸回転容積コンプレッサの形態であるスピンドルコンプレッサとして構成される。容積コンプレッサは、スピンドルロータペア(2及び3)を有し、前記スピンドルロータペアは、コンプレッサハウジング(1)内に配置され、モータペア/スピンドルロータの電子同期機能を有するように構成される。コンプレッサ機(41)は蒸発器(35)と凝縮器(36)との間に配置される。

概要

背景

冷凍市場は現在流動的であり、気候と環境に有害であることを理由に主要な冷媒であるHFCとHFOを減少させるために、フッ素温室効果ガスに関する規制(EC)No.842/2006及びNo.517/2014による、いわゆる「F−ガス規制」が話題になっている。したがって、冷凍技術の分野では自然冷媒が強く望まれており、特に水がその良好な熱力学的特性のため際立っている。

しかし、冷媒として広く実施されている水R−718(=水)は、例えば、同じ役割アンモニアと比較して、同じ性能のために約300倍大きい容積体積流が必要であるという事実によって失敗した。理想的には係数10を超える圧力比は非常に高いので、コンプレッサに対する要求は非常に大きくなり、それは同時にオイルフリーでなければならず、負圧、すなわち6mbarと200mbarの間、必要であればさらに高い圧力下で可能な限り効率的に作動しなければならない。

冷媒としての水の革新的な性質議論の余地がなく、現在の冷媒に関する既知の環境および気候問題に関して世界中で集中的に行われている議論が突然に終了するであろう。冷凍技術は、次の2つの領域で代表できる。

移動式冷凍/空調技術(つまり、電車トラック乗用車用など)
定置式冷凍技術(つまり、工業用冷凍、商業用冷凍およびビル用空調、ヒートポンプ

これまでターボコンプレッサによりこの課題に対応することが試みられてきたが、この機械中間冷却を有する2段構成であるにもかかわらず圧力比が6程度と低く、冷却回路では凝縮器において必要とされる熱伝達が不十分な程度にしか実現されていない。また、ターボ機械には、様々な作動点に対して安定した作動点を確保できるようにするために、そのソフト作動特性(つまり、体積流量を超える圧力値)において重大な欠点がある。

R718冷凍回路における水蒸気圧縮の課題を克服するためには、間違いなく水蒸気圧縮のための容積機がより良い解決策である。冷媒R−718として水蒸気圧縮するためには、以下の重大な課題を解決する必要がある。

・ 例えば、従来技術より60倍優れた35kWの冷凍能力で、5.000m3/hを優に超える高水蒸気体積流の運搬。従って、容積機の回転速度や幾何学的設計の面で新たな基盤破壊する必要がある。

蒸発器の温度が低く、凝縮器の温度が高い場合の、10を優に超える大きな圧力比の制御。水蒸気の場合の等エントロピー指数は、同時に1.32よりも大きいので(現在の冷媒は約1.1の指数を持ち、したがってほとんど温度ストレスを受けない)、冷媒R−718については、200°Cを優に超える最終圧縮温度が数学的に得られ、前記温度は、コンプレッサの有効性に悪影響を与えるだけでなく、特に、コンプレッサの高感度構造部品(特に出口側ローターマウント)に対してリスクをもたらす。

・ R−718(=水蒸気)の場合、冷媒回路は完全にオイルフリーでなければならず、それは、2軸回転容積機の場合の課題となる。なぜなら、作動流体(最近はほとんど石油である)が省略された場合、このタイプの機械では、高速回転するスピンドルロータ間の接触を避けるために、スピンドルロータペアの乾式同期化が必要となるためである。

概要

本発明は、R718用容積コンプレッサシステムに関し、前記R718用容積コンプレッサシステムは、コンプレッサ機(41)と、蒸発器(35)と、凝縮器(36)とを含む。開放コンプレッサ機(41)は、気体媒体の運搬及び圧縮のための2軸回転容積コンプレッサの形態であるスピンドルコンプレッサとして構成される。容積コンプレッサは、スピンドルロータペア(2及び3)を有し、前記スピンドルロータペアは、コンプレッサハウジング(1)内に配置され、モータペア/スピンドルロータの電子同期機能を有するように構成される。コンプレッサ機(41)は蒸発器(35)と凝縮器(36)との間に配置される。

目的

▲μ.2(z)の値は自由に選択することができるが、歯高h(z)の他に、残りのベース円の厚さが重要であり、各スピンドルロータの臨界曲げ速度を次式に従って実現することを目的とする

効果

実績

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請求項1

コンプレッサ機(41)と、蒸発器(35)と、凝縮器(36)とを備えたR718容積コンプレッサシステムであって、開放コンプレッサ機(41)は、気体媒体運搬及び圧縮のための2軸回転容積コンプレッサの形態であるスピンドルコンプレッサとして構成され、コンプレッサハウジング(1)内に、モータペアスピンドルロータ電子同期を有するスピンドルロータペア(2及び3)を含み、蒸発器(35)と凝縮器(36)との間に配置されることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項2

請求項1に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、スピンドルコンプレッサは、各スピンドルロータ(2、3)に対して一つ含み、2つの駆動モータ(2.3および3.3)は、前記スピンドルコンプレッサのガス入口側(11)に配置され、蒸発器(7)の空間内に全周にわたって突出しており、これは好ましくは、特に負荷に従い冷媒流体流K5(9.5)を介して、熱損失を十分に排出することを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項3

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、また、シールドガス供給(30)及びシールドガス排出(31)を介したパージシステムを含み、前記パージシステムにより、ロータ軸受及び駆動ユニットのような高感度構造部品が保護されることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項4

前記請求項のいずれか1項に記載の方法であって、前記方法は、また、遠心ディスク(22)を含み、前記遠心ディスク(22)は、好ましくは、各スピンドルロータ(2及び3)に対して設けられ、前記各スピンドルロータは、ガス入口側(11)において噴射冷却量K4(9.4)をガス流に導入することを特徴とする方法。

請求項5

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、前記2つのスピンドルロータ(2及び3)が、左右のプロファイル側面の間に歯面オフセットΔkvs(z)で構成された容積プロファイル側面を有し、前記歯面オフセットは、好ましくは、ロータ軸長軸方向zにおけるピッチ分布m(z)に関するΔ.be.2K(z)分布を介して表され生成されることを特徴とする、前記R718容積コンプレッサシステム。

請求項6

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、制御ボール(10)を含み、前記制御ボールは、好ましくは特定の用途に応じて内部圧縮比の選択適合を行うことを特徴とする、R718容積コンプレッサシステム。

請求項7

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、2歯スピンドルロータ(2)が中間支持体(17)を備えており、好ましくは、前記中間支持体により、特に、初期加速(及び減速)中のより低い質量慣性モーメントのためにも、同時に高い曲げ剛性をともない軽量化が達成され、前記中間支持体は、例えば、真空適合性繊維複合材料、例えばCFRP材料から作られることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項8

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、少なくとも一つの冷媒流体供給(9.2及び9.3)が設けられており、各スピンドルロータが円筒形蒸発器冷却ボア(6)を有し、前記円筒形蒸発器冷却ボアは冷媒−流体供給(9.2及び9.3)に接続されていることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項9

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、各駆動装置中空シャフトを有し、各駆動装置の円筒形蒸発器冷却ボア(6)への冷媒−流体供給(9.2及び9.3)が前記中空シャフトを介して行われ、好ましくは軸受(10)が寿命のために構成された軸受であり、特に寿命のために潤滑されたハイブリッド軸受、フルセラミック軸受または磁気軸受であることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項10

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムであって、前記R718容積コンプレッサシステムは、前記R718容積コンプレッサシステムが出口ギャップ−iV適合を有し、前記出口−ギャップ−iV適合により、圧縮不足が抑制されることを特徴とするR718容積コンプレッサシステム。

請求項11

前記請求項のいずれか1項に記載のR718容積コンプレッサシステムにおけるスピンドルコンプレッサであって、前記スピンドルコンプレッサが制御ユニット(15)を有し、前記制御ユニットは、制御ユニット(15)により作業/動作点毎に、運転パラメータの制御により、R718容積コンプレッサシステム(42)の効率を最適化することを特徴とするスピンドルコンプレッサ。

背景技術

0001

冷凍市場は現在流動的であり、気候と環境に有害であることを理由に主要な冷媒であるHFCとHFOを減少させるために、フッ素温室効果ガスに関する規制(EC)No.842/2006及びNo.517/2014による、いわゆる「F−ガス規制」が話題になっている。したがって、冷凍技術の分野では自然冷媒が強く望まれており、特に水がその良好な熱力学的特性のため際立っている。

0002

しかし、冷媒として広く実施されている水R−718(=水)は、例えば、同じ役割アンモニアと比較して、同じ性能のために約300倍大きい容積体積流が必要であるという事実によって失敗した。理想的には係数10を超える圧力比は非常に高いので、コンプレッサに対する要求は非常に大きくなり、それは同時にオイルフリーでなければならず、負圧、すなわち6mbarと200mbarの間、必要であればさらに高い圧力下で可能な限り効率的に作動しなければならない。

0003

冷媒としての水の革新的な性質議論の余地がなく、現在の冷媒に関する既知の環境および気候問題に関して世界中で集中的に行われている議論が突然に終了するであろう。冷凍技術は、次の2つの領域で代表できる。

0004

移動式冷凍/空調技術(つまり、電車トラック乗用車用など)
定置式冷凍技術(つまり、工業用冷凍、商業用冷凍およびビル用空調、ヒートポンプ

0005

これまでターボコンプレッサによりこの課題に対応することが試みられてきたが、この機械中間冷却を有する2段構成であるにもかかわらず圧力比が6程度と低く、冷却回路では凝縮器において必要とされる熱伝達が不十分な程度にしか実現されていない。また、ターボ機械には、様々な作動点に対して安定した作動点を確保できるようにするために、そのソフト作動特性(つまり、体積流量を超える圧力値)において重大な欠点がある。

0006

R718冷凍回路における水蒸気圧縮の課題を克服するためには、間違いなく水蒸気圧縮のための容積機がより良い解決策である。冷媒R−718として水蒸気圧縮するためには、以下の重大な課題を解決する必要がある。

0007

・ 例えば、従来技術より60倍優れた35kWの冷凍能力で、5.000m3/hを優に超える高水蒸気体積流の運搬。従って、容積機の回転速度や幾何学的設計の面で新たな基盤破壊する必要がある。

0008

蒸発器の温度が低く、凝縮器の温度が高い場合の、10を優に超える大きな圧力比の制御。水蒸気の場合の等エントロピー指数は、同時に1.32よりも大きいので(現在の冷媒は約1.1の指数を持ち、したがってほとんど温度ストレスを受けない)、冷媒R−718については、200°Cを優に超える最終圧縮温度が数学的に得られ、前記温度は、コンプレッサの有効性に悪影響を与えるだけでなく、特に、コンプレッサの高感度構造部品(特に出口側ローターマウント)に対してリスクをもたらす。

0009

・ R−718(=水蒸気)の場合、冷媒回路は完全にオイルフリーでなければならず、それは、2軸回転容積機の場合の課題となる。なぜなら、作動流体(最近はほとんど石油である)が省略された場合、このタイプの機械では、高速回転するスピンドルロータ間の接触を避けるために、スピンドルロータペアの乾式同期化が必要となるためである。

実施例

0010

R718容積コンプレッサシステム到達目標は以下の通りである。

0011

(1)コンプレッサの遊び消費を安全に回避する:
コンプレッサにおける遊びの消費は、作業空間構造部品の接触によりいわゆる「衝突」と呼ばれる破壊につながり、作業空間構造部品間のギャップ値は、たとえ全てではないとしても、大部分が熱膨張と様々な影響パラメータ間の回転誤差その他の偏差とが組み合わさって同じになり得る場合にのみ、標準ミリメートル分数から0に減少する。このような遊びの消費は、絶対的な必須の目的として、常に確実かつ完全な方法で、絶対的にすべての運転、作業及び周囲の条件に対して十分な安全域をもって避けるべきである。

0012

(2)R718容積コンプレッサシステムの可能な限り最高の効率、つまり最適な効率:
最適にされた動作パラメータによる動作に加えて、これは特にシステム損失を最小化することに関係し、この文脈においては、衝突回避の絶対的目標危険にさらすことなく、主に効率性に悪影響を及ぼす内部ギャップ漏れの影響に関する。

0013

(3)R718システムの最大の信頼性と高耐久性(長寿命):
この文脈では、保護する必要があるのは主に高感度な構造部品であり、特にローターマウント(特に出口側)と各装置を有する二つの駆動モータである。

0014

(4) 可能な限り*°*、R718の容積コンプレッサシステムは、最も変化する条件に自律的に適応するという意味で、外部操作条件とは独立である。
*°*ここで「可能な限り」とは、当該操作条件については、実質的に制限がないことである。

0015

(5)システムインテリジェンス
R718容積コンプレッサシステムは、いつでも、またどのような状況においても、上記の目的を達成することができなければならず、または、万一逸脱が発生した場合には、システム自身の有する調整メカニズム調整ツールを使用して、自律的な方法で、外部警告や表示を出すことを含む修正措置を適時に開始できなければならない。

0016

2軸回転容積機によって大気圧未満の圧力で水蒸気を圧縮するこの目的は、コア要素から構成される閉真空システムとしてR718容積コンプレッサシステム(42)を構成することにより、本発明によって達成される。
蒸発器ハウジング容器(29)付き蒸発器(7)
▲凝縮器ハウジング容器(28)付き凝縮器 (8)
▲コンプレッサ(41)

0017

ここで、このコンプレッサは本質的に次のものから成る。
コンプレッサハウジング(1)
・ FU制御ユニット(16)によるFU(2.4および3.4)を介したモータペア/スピンドルロータの電子同期を有する二つの自律回転ユニット(39および40)
・ および回転軸受(4.2)を受け入れる出口側の軸受支持ユニット(25)、および制御ボール(10)を介した出口開口と端部出口開口(27)を備えた出口(12)
また、すべてが制御ユニット(15)によって管理される。

0018

ここで本発明により、コンプレッサ(41)は、コンプレッサハウジング(1)によって蒸発器(7)と凝縮器(8)とを分ける開放機として構成されている。したがって、コンプレッサは、もはや面側においてコンプレッサを制限する側部(いわゆる「カバー」)を有しておらず、真空機として自動運転することはできず、接続された蒸発器(7)及びそれぞれのハウジング容器(28および29)と接続された凝縮器(8)と連動してのみ運転することができる。

0019

さらに、各スピンドルロータ回転ユニット(40および39)のための駆動モータ(2.3および3.3)は、コンプレッサ入口側(11)に配置され、蒸発器チャンバ(7) 内に直接懸架され、運転中に(つまり、公称荷重を超えて)性能要求が増大した場合に、これらの駆動モータ(2.3および3.3)の熱損失をそれぞれの冷媒流体流K5を介してパージすることによって、本発明による「無制限」運転のための電気駆動モータ(2.3および3.3)の最適な冷却が行われる。駆動モータ(2.3および3.3)のモニタリングは、駆動モータが損傷を受けず、要求される性能を提供できるように、それに応じて各冷媒流体流K5を適応させることができるように、モータ巻線の領域内の温度センサを介して行われることが好ましい。

0020

さらに、中間ウォータジャケット(5)は、冷媒流体流K1を介してコンプレッサハウジング(1)の選択的サーモスタット制御を作動させるために、R718容積コンプレッサシステムに対する本発明による熱バランス管理システムの一部であり、好ましくはそれ自体の冷却管コイル(6)を有する。冷媒流体流K2及びK3(9.2と9.3)によるロータ(2.2および3.2)の選択的内部冷却は、依然として同時に可能であるが、作業空間構造部品(すなわちコンプレッサハウジングとスピンドロータペア)間の遊びに関する状態が調整され、内部ギャップ漏れを介して、構造部品(これは、冷媒の流量(9)を調整するために制御ユニット(15)に保存される)のそれぞれの熱膨張挙動の結果として異なる動作/作業点体積効率が調整され、同時に衝突が確実に回避される(遊びの破壊的な消費としての衝突)。

0021

最適な効率と信頼性の高い衝突回避を同時に実現する「無制限」の運転を実行するために、本発明によるR718容積コンプレッサシステムの「最大」バージョン*°*における熱バランス管理は、制御ユニット(15)を介して選択的に調節される以下の冷媒流体流(9) から構成される。

0022

9.1冷却管コイル(6)を介した中間ウォータジャケット(5)への冷媒流体流(K1として図示される)

0023

9.2蒸発器冷却ボア(2.2)を介した2tロータ(2)への冷媒流体流(K2として図示される)

0024

9.3蒸発器冷却ボア(3.2)を介した3tロータ(3)への冷媒流体流(K3として図示される)

0025

9.4遠心ディスク(22)による注入冷却のための冷媒流体流(K4として図示される)

0026

9.5各駆動モータの冷却のための冷媒流体流(K5として図示される)

0027

*°*これらの実施態様は、特に大きな本願の範囲を有する 「最大」バージョンに関連している。つまり、いわゆる「温度上昇」(tcとtoの違いとして)が約40ケルビンを超えている場合であり、ここでは、より小さな機械(すなわち、定格速度で約5.000m3/h以下の容積体積流量で)ほど感度が低く、つまり、より大きな「温度上昇」ほどスムーズに管理される。

0028

入口と出口との間に圧力差を生じさせるが、まだ運搬しないか、または最小体積流量を運搬するだけの速度でコンプレッサが作動され、その結果、コンプレッサがそれ自体の(内部)漏れに対処するだけであるが、本発明に係る制御ユニット(15)によって管理される熱バランス管理システムにより確実に回避される電力注入のために高温になる場合である、いわゆるk0作動中の、特に作業空間構造部品にとってこの熱バランス管理システムは、極めて重要である。

0029

外部条件に実質的に依存しないこの熱バランス管理システムによって、コンプレッサ(41)は実質的に任意の圧力比、従って実質的に凝縮器内における対応する温度の任意の圧力値を同時に達成し、実質的に全ての周囲条件で熱量をパージすることができるので、本発明に従って前述の「無制限」動作が達成される。これは、従来技術には存在しない、いわゆる「無制限」運転であり、ここでは、例えば、ICE車両の空調システムが外部高温に対応できなかったために発生した、ICE車両の空調システムの故障について述べる。これは、本発明による溶液ではもはや起こり得ない。

0030

また、噴射冷媒量K4の導入速度を最適化するために、本発明により、スピンドルロータのガス入口側(11)に遠心ディスク(22)が配置されることが好ましく、そこでは、好ましくは遠心ディスクの粗い表面上で(23.1)又は(23.2)に従って供給される冷媒−流体−流れ−K4によって、速度を最適化した冷媒−流体−流れ−K4ミストが確保され、それはガス流と十分に均一に混合される。ここで、「速度最適化」とは、液体冷媒−流体−流れ−K4ミスト液滴速度ベクトルが、スピンドルロータ表面と同様に移動することを意味するものと理解され、それは各遠心ディスク(22)によって確認される。従って、速度が大きく異なることによるスピンドルロータ表面への強い衝撃、かつ、それに伴うスピンドル−ロータ表面の損傷による少なくとも不快なパターンノイズが確実に回避される。

0031

また、左右プロファイル側面の間には、2歯スピンドルロータのヘッドアークが、本発明に従いbe.2K(z)分布になるように、ロータ軸長軸方向zにおいて歯面オフセットΔkvs(z)が存在し、一方で、歯面オフセットがない場合、be.2K.stu(z)分布が対応する歯高さh(z)を有する選択分布μ.2(z)およびμ.3(z)に帰結する。be .2K.em(z)とbe.2K.stu(z)の違いを、ピッチ分布m(z)とロータ軸の長軸方向における歯高分布h(z)と併せて考えた、Δ.be.2K(z)分布として表現することにより、be.2K.em(z)分布及びΔ.be.2K(z)分布は、簡潔に表現すると、ピッチ分布m(z)の反対として構成されることが明らかである。

0032

m(z)が最大の場合、be.2K.em(z)分布及びΔ.be.2K(z)分布の両方が最小である。m(z)が増加すると、be.2K.em(z)分布及びΔ.be.2K(z)分布はともに減少するが、一方で、入口領域でm(z)が急激に減少する場合は、be.2K.em(z)分布及びΔ.be.2K(z)分布はともに急激に増加する。本発明によるこの特徴は、好ましくは±15%の精度で有効であり、入口側(11)において保証する。すなわち、ここで選択された表現の形でのより大きいz値を有する領域に対して、結果的により大きい容積体積流を吸い込むことができるように、入口側により大きい容積の作業室を保証する。

0033

この目的のために、コンプレッサ(41)の入口領域における0.6以上の値(例えば10%から15%高い)もまた吸引体積がさらに増加するようにμ.3(z)に対して提案される。

0034

さらに、特定の用途に応じて、つまり、特に、R718容積コンプレッサシステムの作動中に異なる作動点として凝縮器内が異なる圧力値である場合に、制御ボール(10)が、内部圧縮比を選択的に適合させるために設けられる。内部容積比は、最初は熱力学的効果を考慮することなく、スピンドルロータペアの製造時に決定される入口加工室容積と出口加工室容積の単純な比として、構成されたスピンドルロータペアの幾何学的形状に依存する。異なる圧力比(流出口の圧力p2を流入口の圧力p1で割った値)を有する様々な作動点が必要とされるので、圧縮中に流出口の圧力p2が特定の作動室内に達したときに生じる圧力差により制御ボールが上昇し、部分的なガス流が出口空間(12)の方向に作動室から流出して凝縮器(8)に至るという点で、制御ボール(10)は、効率を低下させる過圧縮が回避されることを確実にする。これは、図2に示される例示的な表現に従って、ロータ軸の長軸方向と、出口端の面側(12)との両方で発生することが好ましい。重量負荷されることが好ましい制御ボール(10)は、特定の作業室内流入圧力流出口圧力p2との間の圧力差によって上昇し、図8の例示的な表示に従った角度によって示される重力によって後退する。ここでgは重力の方向を示す。または、制御ボールに対する単純なばね係合を実施することも当然に可能である。

0035

図1及び図4の制御ボール(10)は、出口制御ディスク(12)の出口側において見られるとともに、図2においては、効率を損なう過圧縮及び圧縮不足を回避するためのΠiV調整のためにロータ軸の長軸方向において見られるとともに、軸方向上面図においては、出口制御ディスク(12)において見られ、実際に存在する特定の圧力比に対する特定の用途に応じて、いわゆる内部容積比ΠiVを適合させることができる。

0036

さらに、二歯スピンドルロータ(2)上の中間支持体(17)は、軽量化のために提案され、特に、例えば、真空適合性繊維複合材料、例えば、CFRP材料から作られた、同時に高い曲げ剛性をともなう、初期加速(及び減速)中のより低い質量慣性モーメントとしても提案される。

0037

さらに、一般に、様々な用途固有要件として、様々な「体積曲線」(すなわち、ロータ軸の長軸方向における入口と出口の間の作業室容積の分布)を有する様々な温度上昇範囲を有する様々な用途シナリオが存在し、そのため、特にエネルギー効率の良い動作モードに関して、様々なスピンドル−ロータペアの設計もまた有利かつ有用である。各コンプレッサを個々に完全に構成しなければならないことを回避するために、本発明に従って、様々なスピンドルロータペアを、図13に例示的に示される実質的に同一の*°*°コンプレッサハウジング内に挿入することができることが提案される。これは、「ロータ構成キット」と呼ばれ、様々な用途に対して、特定のユーザー要求に対する個々に最も効率的な適応が、スピンドル−ロータペアの単純かつ直接的な変更によって、複雑でない方法で達成されることを意味する。

0038

*°*「実質的に同一」であるによって理解されるのは、例えば、交差角α図13に示す)は同じままである一方で、ロータの長さ、及び場合によってはロータ軸の長軸方向における直径分布も、コンプレッサハウジングスリーブが同一である一方で、変化することができ、異なるスピンドルロータペアを介した様々な体積曲線を単純かつ迅速に実施することが、「ロータ構成キット」の中核機能であることである。スピンドルロータ(一般的に回転して)を単純かつ柔軟に製造することは、簡単に実現するための重要な特徴である。

0039

スピンドルロータペアの内部容積比(すなわち、入口での作業室容積を出口での作業室容積で割った単純な商)は、好ましくは2から最大20までの間のiV範囲に制限され、そこでは、実際の流体圧力比を有する特定の作業/動作点に対する適合は、特定の用途に応じて、前述の制御ボール(10)により行われる。さらに大きな温度では、より高い圧力比を伴う、
ΔTh=tc−t0
に従う、より高い温度上昇ΔThが必要であるならば、大部分は、運転中に、いわゆる圧縮不足が生じ(最終作業室の圧力が出口の圧力より低い)、最終作業室は、出口(12)におけるより高い圧力に対して等容的に押し出される。コンプレッサの効率を低下させるこのプロセスを抑制するために、本発明によれば、コンプレッサ出口領域における遊び値を約20だけ増加させて、少なくとも50%大きい平均ギャップクリアランスを増加させることが提案されており、これは、ロータ軸の長軸方向に沿って、ロータ軸の長軸方向における出口側の作業室の長さの0.3倍から2倍に相当するロータ軸の長軸方向の領域にわたって、ロータ外径を小さく製造することで簡単に実現することが好ましく、制御縁(27.S)上に軸受支持体(25)を有する面側出口プレートの場合には、これはまた、前記制御縁(27.S)を面取り(斜めにするという意味で)することによって実現される。

0040

スピンドルロータペアにおける内容積比範囲を、好ましくは前述のiV範囲に、同時に制限することを組み合わせた本発明によるこれらの手段は、以下のように呼ばれる。
出口ギャップ−iV適合」。
ロータペア上の外側ロータ直径/ギャップ適合は、好ましくは、ここで発生し、その結果、最初は出口方向にゆっくり進行するこの直径適合が徐々に大きな値まで増加し、平均ギャップクリアランスが平均として上記の増加に達する。この出口ギャップ−iV適合は、出口側の圧力脈動減衰するとき、特にノイズを低減するのに役立つ。

0041

適切な手段として、各スピンドルロータペアを有するR718容積コンプレッサシステム(42)に対して、好ましくは全ての作動/動作点に対して、「PIRSA」手順が提案されている。ここで、「PIRSA」は「圧力(Pressure)/内部比(Inner Ratio)/速度適合(Speed Adaptation)」を表す。異なる動作パラメータ(以下で例示的に言及される)により、様々な作業/動作点を実現できることが知られている。「PIRSA」により、運転パラメータは、制御ユニット(15)を介して調整され、それにより、R718容積コンプレッサシステム(42)への電力の入力が、特定の用途に応じて必要とされる特定の作業/動作点に対して最小となる。

0042

操作パラメータとしては、次の点で特に有効である。
・ 特に噴射量(9.4)に関する冷媒流体流(9)の制御
・ 一定の吸引容量に対するCU−FU(16)を介したスピンドルロータ速度の適合
・蒸発器(8)と凝縮器(9)の圧力値の設定

0043

ここで、制御ユニット(15)は、それ自身にデータバンクを内蔵しており、これらの動作パラメータを調整することにより適応させることができるが、この処理は、個々の値をわずかに変更し、システムの反応によって全体の効率が向上したか低下したかを判断することにより、特定の用途に応じた試行錯誤による自己学習によって行われる。このように、データバンクは、自己学習により、各動作点で常に拡張され、システムは、効率の改善という点において、よりインテリジェントになる。

0044

各プロファイル側面の歯面オフセットΔkVs(z)に関する簡単な説明:

0045

すなわち、回転角度位置φ毎に、各スピンドルロータの伝達比に対応して、z位置がz(φ)関数として存在し、以下の式により、各スピンドルロータのいわゆるピッチ分布m(φ)が導出され、本発明に従い、インデックスsにより左右プロファイル側面が区別される。

0046

0047

左右プロファイル側面の区別は困難であり、遠近観においても混乱を招くとともに、各ロータに対してピッチ方向(つまり、右または左手側)にも依存するため、スピンドルロータの回転軸が平行でないためにこの種の課題が三次元であるが、本発明による歯面オフセットは、平面図において最も簡略化した図9に従い、ヘッドアーク角度be.2K(z)により図示する。

0048

歯プロファイルの形成に関する簡単な説明:(平面による表現として単純化される)

0049

ロータ軸の長軸方向(一般にzで表される)における様々な歯高h(z)は、各ロータにおけるいわゆるμ値により算出されるが、これは、各スピンドルロータの先端半径に対して以下の式が有効であるためである。

0050

2tローターにおいて:

(式:1.1)

0051

3tローターにおいて:

(式:1.2)

0052

したがって、歯高さh(z)について、ロータ軸の長軸方向zにおいて、次式成立する。

0053

(式:1.3)

0054

μ.2(z)分布およびμ.3(z)分布は、特定の用途の要件が最も可能な程度に満たされるように選択されることが好ましく、例えば、作業室容積及びいわゆる「体積曲線」(すなわち、ロータ軸の長軸方向における作業室容積の分布であり、特にこれらの作業室容積の変動が重要である)に関する。ここでは、μ.3(z)に対して次のことが成り立つ。

0055



において、2tロータ(2)と3tロータ(3)のペアリングは、通気孔がない状態である。

0056

▲入口側の作業室容積を増加させるために、いくつかの用途に対して、この値0.6より上のμ.3(z)値を増加させることは、有用であり得る。

0057

▲μ.2(z)の値は自由に選択することができるが、歯高h(z)の他に、残りのベース円の厚さが重要であり、各スピンドルロータの臨界曲げ速度を次式に従って実現することを目的とする。

0058

0059

(簡略化)

0060

特にμ.2(z)およびμ.3(z)によるだけでなく、ロータ長とロータ質量に関しても、高速回転2tロータ(3)の臨界曲げ速度は、3tロータ(3)の1.5倍である。

0061

以上のように、本発明により前記目的を達成することができる。

0062

R718容積コンプレッサシステム(42)における作業空間の構造部品、すなわちハウジング(1)とスピンドルロータペア(2及び3)の熱バランスは、以下の目的がシステムによって常に、あらゆる条件で、かつインテリジェントに、同時に満たされるように管理され、調整される。

0063

(1)作業/動作点が異なる場合には、作業空間の構造部品の様々な熱膨張が、各作業/動作点において異なる温度レベルに対して制御ユニット(15)内に保存された作業空間構造部品の膨張挙動を伴う熱バランスのインテリジェントな管理によって、測定された基準温度値協働するという事実による遊びの消費(作業空間の構造部品の接触によるいわゆる「衝突」)の安全な回避。

0064

(2)ギャップ範囲、好ましくは±25%の範囲の遵守による内部ギャップ漏れの最小化。ここで、低い値は、ギャップ消費の回避に安全域を加えたものから得られ、約0.05mmから約0.1 mmの範囲にあり、対応する回転精度は、約100mmから約500mmの範囲の軸分離距離を有する機械に対して、好ましくは0.02 mm未満である(これより下では、値はそれに応じて小さくなり、これより上では、大きくなる)。

0065

(3)上述のパージガスシステム(30および31)による高感度な構造部品、特にロータマウント(特に出口側)及び二つの駆動モータの保護。

0066

(4)R718の容積コンプレッサシステムは、最も変化する条件に自律的に適応するという意味で、外部適用条件とは可能な限り*°*無関係である。*°*可能な限りとは、適用条件に関する制限が実質的にないことである。

0067

(5)R718容積コンプレッサシステムが、すべての動作ポイントにおいて、それぞれ必要なエネルギーが最も低くなるように、つまり最も効率よく動作し、同時に前記の目的を達成するように、特にPIRSAに準拠するとともに冷媒流体流の制御ユニット(15)によるインテリジェントな管理。

0068

インテリジェンスの意味で本発明に従ってこれらの目的を達成するために必要な能力は、制御ユニット(15)にある。その設計および動作はともに、イントロクションに記載された目的がいつでも確実に達成されるように、本発明に従って構成されなければならない。

0069

これらの目的を満たすために、以下の調整変数を使用できる。
K1.ハウジング熱バランス管理
K2. 2tスピンドルロータ熱バランス管理
K3. 3tスピンドルロータ熱バランス管理
K4.圧縮過程における蒸発冷却のための射出
K5.モータの冷却

0070

速度適応は、制御ユニット(15)と協働するFU−CU(16)によるモータペア/スピンドルロータの電子同期を介してFU(2.4および3.4)により行われる。

0071

CETはコンプレッサ端温度(Compressor End Temperature)の略で、コンプレッサのガス出口での温度である。

0072

射出冷却K4は、圧縮中の冷却の主要な部分を実行するが、作業空間部品の冷却は、特に、各作業空間部品の様々な熱膨張を補償するため、および/または、これを制御ユニット(15)のアルゴリズムに保存することによって高感度な部品(特にロータマウントおよび駆動モータ)を保護するために、制御ユニット(15)によって加えられる。

0073

容積コンプレッサ機の前にある(低い)圧力p1および温度t0を有する蒸発器(7)

0074

容積コンプレッサ機の後にある(高い)圧力p2および温度tcとを有し、冷媒R−718をp1からp2に圧縮し、冷媒R−718の温度がt0からtcに上昇する凝縮器(8)。

0075

基本的な説明:

0076

冷却水

は、通常、凝縮器(8)から熱Qabをパージし、一方、熱Qentは、容積コンプレッサシステムによって蒸発器(7)内の冷水「Ka」から引き出される。

0077

ここで、冷媒(略して「K」)として指定されるのは水であり、蒸発器(7)から冷媒流体流として、冷媒分離器(26)の制御ユニット(15)により制御されて分流され、主流HSと個々の冷媒流体流K1、K2、K3、K4、K5とに分離され、上記目的を達成する。

0078

(1)コンプレッサハウジング(1)の熱バランスは、本発明により、後述する特定の用途に応じて、制御ユニット(15)によって、中間ウォータジャケット(5)を介して、いわゆる「ハウジング熱バランス管理」として選択的に設定される。

0079

a) 具体的には、衝突(遊びの消費として)を確実に回避する一方で、内部ギャップ漏れに対する圧縮の最適な効率を確保するコンプレッサハウジング(1)とスピンドルロータペア(2及び3)との間の遊び設定を開始するために、特定の用途に応じて利用可能な冷却水温度がハウジングの熱バランスのために好ましい(ほとんどの場合十分に低いという意味において)ことを、制御ユニット(15)のデータバンクに格納された値と比較して、制御ユニット(15)が実際の現在の温度(特に

に対して)から判断する場合、中間ウォータジャケット(5) において外部冷却水

により冷却し 、具体的には、衝突回避のためのギャップ値は0.03から0.05 mmの範囲にあり、約30%から50%の安全域(例えば、回転偏差のために)が追加され、ΔSp.uとして示される、より低いギャップ値が得られる。ギャップ上限値ΔSp.oは、2より大きな要素により、ΔSp.uより大きくないことが好ましい。

0080

作業空間部品(すなわち、本質的にハウジングとロータペア)の様々な熱膨張挙動によって、いわゆる熱バランス管理システムは、制御ユニット(15)によって調節される冷媒流体流(9)を介して、特定の用途に応じて、ΔSp.u及びΔSp.o間の実際のギャップ値を維持しなければならない。

0081

b) 特定の用途に従って利用可能な冷却水温度がハウジングの熱バランスにとって好ましくない(ほとんどの場合、高すぎるという意味で)場合、制御ユニット(15)は、冷媒流体流9.1(K1として示される)を介して、例えば、特に出口領域において、調整オルガン(26)および単純な冷却管コイル(6)により、中間ウォータジャケット(5)内の上昇熱がパージされることを保証し、ここで、ロータ軸の長軸方向において延長するという意味においての上昇とは、中間媒体キャリアとしての中間ウォータジャケット内対流及び高すぎる温度差の補償に依存する。

0082

(2)外部条件および自己調整とは無関係に、運転中の内部冷却により無制限であり、すなわち5°Cおよび60°Cの周囲条件で=制限の表示はもはや必要ない=凝縮器温度は自動的に上昇し、内部冷却は自動的に適応し、すなわち、許容冷却水温度に関してこれ以上要求されることはない=本発明によれば、すべてが現在可能である。

0083

(3) 特に、適応可能な集中冷却のおかげで、電子モータは事実上自由に過負荷になる可能性がある

0084

(4)凝縮器(8)に面する絶縁ジャケット(20)を備えたコンプレッサハウジング(1)上の中間ウォータジャケット(5)

0085

(5) 入口(11)と出口(12)が開放されたコンプレッサでは、横方向のハウジング端部(「カバー」)がもはや存在せず、古典的な閉じた(オートリック)コンプレッサではなく、開放された機械である。

0086

(6) いわゆる「作業空間構造部品熱管理システム」としての、制御ユニットにより分流および分配される冷却機構

0087

HSは蒸発器での吸熱と凝縮器での放熱の間の基本的な目的を達成するための主流である。

0088

K1コンプレッサハウジングの冷却、好ましくは中間ウォータジャケット(また、最小化されたロータ冷却K2及びK3を介して得られたギャップ値が選択された範囲、例えば±25%以内に留まる程度)による蒸発器冷却

0089

K2 2歯スピンドルロータの構造部品冷却→主に軸受の保護のために最小化(!)

0090

K3 3歯スピンドルロータの構造部品冷却→主に軸受の保護のために最小化(!)

0091

K4冷媒注入による冷却→最も重要な変数(つまり、>80%)として影響を受ける

0092

K5各駆動モータの冷却→運転保守時のみ(好ましくはモータコイル内の、モータ熱要素によってモニターおよび管理される)

0093

(7) 2つの主要要件を実装するための構造部品冷却K1、K2、およびK3
→ 様々な熱膨張を補償することができるようにするための再生設定コマンドであって、再生値は好ましくは約±25%以内に留まるべきである。
→ k0動作および最小容積体積流の信頼性と持続性のある方法でのコマンド
→ 重要な構造部品、特に出口側の軸受にとって高すぎる温度の回避

0094

(8)圧縮中の蒸発による主冷却機構としての噴射K4
▲ 目的:圧縮中の熱伝達として効率的な蒸発のために可能な限り最大表面微細なミスト
▲ できる限り均一に分布するために、細流を避けるための粗い表面及び末端傾斜を有する遠心ディスク
滑りを減少させるために、適切な場合には半径方向排水孔を有する外側溝付き遠心ディスク
▲ 適当な場合には吸込み軸受支持体のための二重管又は支持アームを介した底部の排水孔または遠心ディスクへの供給
▲ 遠心ディスクの代わりに、入口の底部にある穴を介した射出(可能性は低い)
▲ 実際の内部圧縮の調節としての射出の使用:蒸発する液体は、対応する圧力の増加と共に、作業室内で急激な体積増加を引き起こす。

0095

(9) 入口(11)におけるスピンドルロータ軸間の距離は、出口(12)におけるよりも少なくとも10%大きいことが好ましい。

0096

(10)真空対応の制御ボール(10)を介した内部容積比ΠiVの適応であり、これらの制御ボールは、重量荷重を受け、ガス圧の差によって押しのけられることが好ましく、また、重力によって、Δρが再び下降するとき、角度γRで傾斜し、以下のように構成された(好ましくはエラストマーランプ(10.R)に戻る。
・ロータの長さ全体(図2に例示的に示される)
・ また、コントロールディスクとしてエンドプレート(12)上(図1に例示的に示される)

0097

(11)スピンドルロータ毎に個別にロータ端部とエンドプレートの面側ギャップの間の理想的な遊び調整のための剥離ディスクを介した制御ディスク(12)としての出口エンドプレート

0098

(12) iV適応(例えば制御ボールによる)への労力は、PIRSA=圧力/内部比/速度適応に従って、過圧縮または圧縮不足が回避される許容限界内に維持されるように、これら二つの圧力値の圧力比がコンプレッサの内部体積比ΠiVに対応するように、同時に体積流適応を伴う凝縮器と蒸発器の両方で、それぞれの圧力値を調整することによって、特定の用途に応じて劇的に低減することができる。

0099

(13) 歯面オフセットΔkvs(z)を介したピッチ分布を左右の歯面間で変化させることにより、各端部断面断面積、特に吸込み面積最大化することができる。右側に配置された2tスピンドルロータにおける右歯面は、図示される左歯面に関する分布を有するため、本発明に従う互いの関係において側面のうちの歯面オフセットとして示される吸引領域内の作業室のスクーピング表面の断面を最大化するために、2tスピンドルロータの歯幅は減少される。

0100

(14)スピンドルロータの円筒形内部冷却は、最終領域に限定することができる。すなわち、ロータ長さ全体(対応する流入口の底部壁厚の増加を伴う)ではない。

0101

(15) すべての冷却機構が実現されるので、最大バージョン(いわば 「メルセデス」)が示されているが−スリムダウンしたバージョン(いわば「VW」)もあり、これは、好ましくは/例えば、構造部品の冷却を省略し、射出冷却のみを介して圧縮中の温度を調整することによって行われる。つまり、これは、いくつかの用途において十分であるため、上記の目的は、限られた方法でのみ達成できる。

0102

(16) 入口側の駆動モータ(過負荷した場合の構造空間温度保護のため)

0103

(17) K0速度測定(例えば、沈着物の形成などの変化を決定するための自己診断として)

0104

(18) 軽量化のための二歯スピンドルロータ上のCFRP中間支持体(17)、特に同時に高い曲げ剛性を持つ始動加速)時の質量慣性モーメント

0105

(19) 各ロータマウント用のバイパスボアによる中間空間を介したパージのための構成

0106

(20) 図14の運転モードにおいて、ライザーパイプ(19)による閉回路代わるものとしての、最深部にある蒸発器とドレン周方向のオーバーフロー溝

0107

(21) 選択的温度調節のための選択肢としての混合タップおよび混合セクション

0108

(22)低温に対してはCO2カスケードシステムが好ましい

図面の簡単な説明

0109

図1は、本発明によるR718容積コンプレッサシステム(42)の縦断面図を立設構成で例示している。コンプレッサ機(41)は、圧力p1=p0および温度t0が低い方の値を有する蒸発器(7)を、圧力p2=pcおよび温度tcが高い方の値を有する凝縮器(8)から分離し、それぞれの蒸発器は、図5に従って、好ましくは円筒形であり、コンプレッサハウジング延長部(1.P)上に固定される、周囲の真空維持ハウジング容器(28および29)を有する。負圧を確保するための通常の真空ポンプは、図示されたR718容積コンプレッサシステム(42)には示されていないが、好ましくは図4に示されたシールドガス排出(31)を介してパージする際に、図4に従って十分に認知され、実施される。

0110

図3に本図の蒸発器(7)の入口領域拡大図、図4に凝縮器(8)の出口領域拡大図を示す。ロータヘッドとハウジングとの間の重要なギャップ値は、スピンドルロータユニット図13による39および40)のロータ軸の長軸方向の位置を介して入口側のディスク(18)を剥離することによって調整される。同様に、スピンドルロータの出口制御ディスク(12)に対する面側ギャップ値は、剥離ディスク(18)を介して調整される。

0111

図2図1に関連する例示的な断面図として、ハウジング容器の軸線(28)に垂直で、ロータの長軸線のほぼ中間に、出口(12)に向かって見た斜視図で、ロータの長軸線方向(制御ボールは、それに応じて、切断され、影が付けられて表示される)の両方に制御ボール(12)を備えたR718−容積コンプレッサシステムの円筒形冷却システム断面図として、また、出口制御ディスク(12)の上面図として、単純に円形制御ボール開口部として示されており、これは、図1において、出口(10)で断面化され、影が付けられて示されている。さらに、制御縁部 (27.S)を有する端部出口開口(27)は、制御ディスク(12)において明確に表示される。

0112

図3図1に示す吸入領域の一例として、熱伝達の中心的な目的を達成するための回路媒体R718の主流をHSとした各冷媒流K1、K2、K3、K4、およびK5を示す。冷媒−流体流供給の様々な可能性の他に、蒸発プロセスからの代表的な熱伝達Qentを確保するために、冷媒R−718が、例えば、オーバーフロー溝(37)を介して、十分に広い表面にわたってドレイン(37.a)まで流れるか、または別個熱交換器表面(38)を介して、例えば、収容容器(29)の床に埋め込まれた熱交換器パイプシステム(38)として流れることにより、蒸発器(7) 内で熱伝達するための様々な構成が同時に示されている(実際には、それらは別々に実現される)。ここで、望ましくない熱伝達を最小化するために、例えば、絶縁層図3の左側)を介して、または真空にされた中間空間(図3の右側)を介して、異なる絶縁手段(29.i)が示される。

0113

図4図1に示す出口領域の例として、冷却管コイル(6)を備えた中間ウォータジャケット(5) を介したハウジング冷却システムを示しており、さらに、示されているのは、出口制御ディスク(10)内の制御ボール(12)と、容積コンプレッサシステム内の所望の負圧のための吸引を生成する前述の真空ポンプを介した緩衝空間(13)による各シールドガス供給(30)および排出(31)に対するパージガス装置、さらに、冷媒流体流K1=1、K2=2、K3=3、K4=4およびK5=5(「KM−TS.Δ」として指定される)及び回路媒体R718メインフローとしてのHS=0(「KM−TS」として指定される)の分離を行う調整機関であり、前記分離は特定の用途に従い制御ユニット(15)により制御される。

0114

図5:好ましくは、円筒状の分割プレート(1.P)を介して蒸発器空間と凝縮器空間とを分離し、さらに好ましくは各軸受支持体(25)に対して三つの取付け軸受支持アーム(24)を有するコンプレッサハウジング(1) に対する例示的な3D表示である。この図では、二つのスピンドルロータ回転ユニット(39および40)がハウジング内に取り付けられているだけであり、特定の面側閉鎖部を有さずにコンプレッサ機(41)が実質的に完成していることから(従って、「開放」コンプレッサである)、「開放」コンプレッサの原理が明確になる。

0115

図6図1に示すコンプレッサ入口領域(11)の軸受支持アーム(24)を介した遠心ディスク(22)への噴射冷媒K4の供給(23.1)の拡大図である。これは、冷媒流体流K4が、例えば、遠心力によって均一に分配された遠心ディスク(22)の上側に達するようにすることによって行われる。ここで、遠心力によって均一に分配されたK4は、スピンドルロータに対して最適な速度プロファイルで入口(11)においてガス流に入る。

0116

図7:好ましくは、スリップを低減し、および冷媒流体流K4のより良好な分配のための粗い、コース表面を有する遠心ディスク(22)の例示的な表示であり、直径Φa.sおよび高さh、角度γsも、遠心ディスクからの冷媒流体流K4の噴霧に実質的に影響し、特定の用途に応じて構成される。

0117

図8:内部容積比を、対応する圧力差を有する様々な温度上昇に適合させるための制御ボール(10)の例示的表現であり、重力の方向gに対して角度γAおよびγRを介してランプ(10.R)上を転がるが、一方で、好ましくは、制御ボールにおける特定の作業室圧力と出口圧力との間の圧力差Δpによって、重力を受け、特別な材料を必ずしも必要とすることなく、圧力差が減少すると重力によって自動的に戻る。

0118

図9:スピンドル−ロータプロファイル対合の例示的表現であって、非平行回転軸のために実際には三次元であるが、課題が平面内で簡略化されて示されている。ヘッドアーク角be.2K(z)を示すスピンドルロータペアの端部を通る断面であり、ロータ軸間の距離に対するa(z)分布を有するロータヘッド円を介して各スピンドルロータに対して特定のμ値を有するとともに、各歯の左右のプロファイル側面に対して異なるz(φ)分布として歯面オフセットΔkvs(z)を生成する。

0119

図10:ロータプロファイル対合を決定するとき、ロータプロファイル長さL=376mmにおけるロータの回転軸間の交差角α=15°について、以下の機能分布が示され、それは、縦回転軸方向zのピッチ分布m(z)に関するΔ.be.2K(z)分布を介して歯面オフセットΔkvs(z)を示し、このz数列を常に横軸にとり、すなわち、値の範囲は0≦z≦Lである。ここで、出口(12)はz=0、入口(11)はz=Lにある。

0120

図10.1:「例示的な値のみ」
0°≦φ≦1320°の範囲における回転角拡張パラメータφと、z(φ)関数としてのz位置との相関から、以下の既知の方程式により、ピッチ分布m(φ)が得られる。

0121

0122

ロータ軸の長軸方向に適用した場合、表示されたピッチ分布m (z) は、z=0mmで28mmから始まり、急速に増大して入口(11)前で顕著な最大範囲に達し、z=Lで低下したピッチは急速に78mmに戻る。

0123

図10.2:「例示的な値のみ」
ロータ軸の長軸方向の歯高h(z)は、噛合するスピンドルロータヘッドを介した交差角度に応じた各軸離隔距離値a(z)となり、ロータヘッド半径値は各μ値を介して、次式から得られる。

0124

0125

図10.2に示すμ値は、特にk0運転中に各スピンドルロータの蒸発器冷却を可能にするために、ここでは図1に示す円筒形ロータマウントにつながる。

0126

図10.3:「例示的な値のみ」
図10.2の続きとして、2つの歯を持つスピンドルロータ上のヘッドアーク角度be.2K(z)に対して示されるμ値に関連する二つの構成は、次のように表される。

0127

・ 左右のプロファイル側面間に歯面オフセットがない場合は、破線点線の2K.stu(z)分布がヘッドアーク角に対して得られ、その分布はz=0での65°からz=Lでの53°まで連続的に下降する。
・ 本発明によるbe.2K.em(z)分布は、z=0で始まり、例えば65°においても始まり、次に、入口側のロータ長さの最後の3分の1に最小値があるので、非常に異なる分布を示し、その後、z=Lで70°まで急速に増加する。

0128

図10.4:「例示的な値のみ」
図10.3の続きとして、μ分布の代わりに、図10.1によるピッチm(z)が示されており、be.2K.em(z)とm(z)の間に反対の分布がはっきり見える。

0129

図10.5:「例示的な値のみ」
図10.3および図10.4を補完するため、be.2K.em(z)およびΔ.2K(z)としてのbe.2K.stu(z)の間の相違点は、さらに、ピッチ分布m(z)と併せて示され、左右プロファイル側面間の歯面オフセットΔkvs(z)に関する本発明の思想が明確となる。

0130

図11:例示的な表示として、ロータ構成キットのための三つの異なるスピンドルロータペアは、図11.1、図11.2および図11.3として表され、それらは、外側/接続形状に関して、同じコンプレッサハウジング(1)、少なくとも同じハウジングスリーブに適合し、以下の説明が適用される。

0131

図11.1は、重要な圧縮容量より少ないが、大きな体積流の用途のために適度な段数を有する大きな吸引容量を持ったスピンドル−ロータペアを例示的に示す。

0132

図11.2は、顕著な優先順位付けを伴わない、すなわち、より一般的な配向である用途のために中間程度の数を有する適度な吸引容量を持ったスピンドル−ロータペアを例示的に示す。

0133

図11.3は、大きな圧縮容量が体積流よりも重要である用途のために、非常に多数の層を有する、低い吸引容量を持ったスピンドル−ロータペアを例示的に示す。

0134

図12.1:制御ボール(10)を省略することができる出口制御ディスク(12)の代替設計の例示的表現であって、出口制御ディスクを、ピボット軸受(12.g)ならびに二歯スピンドルロータの端部の排出スロット(12.s)と共に回転可能(12.s)に構成する。

0135

図12.2:最小内部圧縮比が調整されたときに、外側に押し出された最終作業室が再び閉じることがないように、排出スロット(12.s)、および横方向出口ノッチ(12.k)を有する回転可能出口制御ディスク(12.d)の構成の例示的表現。これらのノッチが必要とされるのは、排出スロット(12.s)が、そうでなければ内部圧縮を増大させることができる要素が落ちるような、円の多くを占有することができないためである。最大内部圧縮比が設定されている場合、出口ノッチ(12.k)は、出口制御ディスク(12.d)なしで開くチャンバの上方にある。次いで、出口ノッチ(12.k)は、3tスピンドルロータを閉鎖する出口プレートおよびコンプレッサハウジング(1)によって横方向に閉鎖される。最終作業室が完全に空になる直前に、コンプレッサハウジング(1)が横方向に取り外され、3tスピンドルロータが開放される。

0136

図13:完成された完全にバランスのとれたスピンドルロータ回転ユニット(39および40)が例示的に示されており、これは、剥離ディスク(18)による更なる介入なしに、コンプレッサハウジング(1) を変更することなく正確なギャップ調整のために挿入することができ、したがって、開放コンプレッサ機(41)を形成する。

0137

図14:異なる冷却水(

)および冷水(「a」)温度レベルに対してR718容積コンプレッサシステムを運転するための3つの運転モードを例示的に示す。これらの運転モードは、上述のように「圧力/内部比/速度適合」であるPIRSAにより制御ユニット(15)によって特定の用途に従って最適に設定される。

0138

実質的に、好ましくは、および同様である、並びに、可能であるという用語は、不正確さの指標として、標準値からプラスマイナス5%、好ましくはプラス/マイナス2%、および特にプラス/マイナス1パーセントの偏差が可能であるという意味で理解されるべきである。出願人は、独立クレームの特徴を超えて、クレームの特徴及び/又はクレームの副特徴及び/又は明細書の文の部分的特徴を、他の特徴、副特徴又は部分的特徴と何らかの方法で組み合わせる権利留保する。

0139

異なる図において、それらの機能に関して等価である部分は、それらが一般に一度だけ記述されるように、常に同じ参照が与えられる。

0140

コンプレッサ(41)、蒸発器(35)及び凝縮器(36)を備えた冷媒R718用容積システムにおいて、開放コンプレッサ機(41)は、気体媒体を運搬及び圧縮するための2軸回転容積機の形態であるスピンドルロータコンプレッサとして構成される。それは、コンプレッサハウジング(1) 内に配置され、モータペア/スピンドルロータの電子同期で構成されるスピンドルロータペア(2及び3)を有する。コンプレッサ(41)は、蒸発器(35)と凝縮器(36)との間に配置される。

0141

実質的に、好ましくは、および同様である、並びに、可能であるという用語は、不正確さの指標として、標準値からプラス/マイナス5%、好ましくはプラス/マイナス2%、および特にプラス/マイナス1パーセントの偏差が可能であるという意味で理解されるべきである。出願人は、独立クレームの特徴を超えて、クレームの特徴及び/又はクレームの副特徴及び/又は明細書の文の部分的特徴を、他の特徴、副特徴又は部分的特徴と何らかの方法で組み合わせる権利を留保する。

0142

異なる図において、それらの機能に関して等価である部分は、それらが一般に一度だけ記述されるように、常に同じ参照が与えられる。

0143

1.コンプレッサハウジングは、好ましくは、蒸発器(7)と凝縮器(8)との間のΦ−分割プレート(1.P)と同時に、スピンドルロータを受ける孔の間の距離が出口側よりも入口側で少なくとも15%大きく、これらの孔軸は、好ましくは、交差(インターセクト)(つまり、垂直)または交差(クロス)(つまり、歪んでいる)するように構成される。

2. スピンドルロータは、好ましくは短く「2tロータ」と称される2歯のガス容積外側ねじを有するスピンドルロータを有し、好ましくは良好な熱伝導性(好ましくは150W/m/K以上)を有するアルミニウム合金からなり、内側に向けられ、かつ「FU.2」 と称される自身の周波数変換器(2.4)により、かつ、電子モータペア/スピンドルロータ同期化を介して「FU−CU」(16)としてのFU制御ユニットによって制御される自身の駆動モータ(2.3)によって入口側において直接駆動される円筒形蒸発器冷却ボア(2.2)を有する鋼製シャフト(2.1)上のブレース点を介して回転固定される。

3. スピンドルロータは、好ましくは短く「3tロータ」と称される3歯のガス容積外側ねじを有するスピンドルロータを有し、好ましくは良好な熱伝導性(好ましくは150W/m/K以上)を有するアルミニウム合金からなり、内側に向けられ、かつ「FU.3」 と称される自身の周波数変換器(3.4)により、かつ、電子モータペア/スピンドルロータ同期化を介して「FU−CU」(16)としてのFU制御ユニットによって制御される自身の駆動モータ(3.3)によって入口側において直接駆動される円筒形蒸発器冷却ボア(3.2)を有する鋼製シャフト(3.1)上のブレース点を介して回転固定される。

4. 両端に装着される各スピンドルロータ用のマウントであって、軸方向及び半径方向の力のための固定軸受(4.1)として入口側に、好ましくは緩衝する方法で係合する浮動軸受(4.2)として出口側において構成されることが好ましい。

5. 周囲の凝縮器(8)に向かう外部断熱(20)を備えたコンプレッサハウジング(1)の熱バランスを調整するための中間ウォータジャケット

6. 中間ウォータジャケット内の冷却管コイルであって、好ましくは出口側で接近し蒸発器(7)に向かって伸びるように導かれる冷却管コイル

7.コンプレッサの前の(低い)圧力p1〜p0および温度t0を有する蒸発器(41)

8. コンプレッサ(41)の後の(高い)圧力p2=pcおよび温度tcを有する凝縮器であって、冷媒R−718を圧力p1からp2に圧縮し、冷媒R−718は、基本的にt0からtcに温度上昇する。

9. 制御ユニット(15)によって調節される、作業空間の構造部品、すなわちハウジングおよびロータペアの熱バランスの完全な管理のための、ならびに以下に定義される圧縮プロセスのための、各冷媒流体流。

9.1 冷却管コイル(6)を介した中間ウォータジャケット(5)への冷媒流体流(K1として示される)

9.2 蒸発器冷却ボア(2.2)を介した2tロータ(2)への冷媒流体流(K2として図示される)

9.3 蒸発器冷却ボア(3.2)を介した3tロータ(3)への冷媒流体流(K3として図示される)

9.4遠心ディスク(22)を介した注入冷却のための冷媒流体流(K4として図示される)

9.5各駆動モータの冷却のための冷媒流体流(K5として図示される)

9.6熱伝達のための中心的な目的(例えば、ヒートポンプとして、または冷凍技術プロセスにおいて)を達成するための回路媒体R718のメインフローはHSで表される。

10.図8に従う重力方向「g」に対して角度γRで傾斜したランプ(10.R)を有する所望の応用分野に従って、ロータ軸の長軸方向および各制御ディスク(12)の両方において効率を低下させる過圧縮または圧縮不足を回避するために、様々な作動点に対して内部体積比ΠiVを適応させるための真空適合性を有する制御ボール

11.ガス圧p0を有する媒体のための開放収集空間としてのガス入口(簡略化のため、ライン圧力損失は当面無視される)

12.ガス圧力pcにおいて媒体に対して定義された出口開口を有する各スピンドルロータ用の制御ディスクとしてのガス出口(簡略化のため、ラインの圧力損失は当面無視される)

13. システムの圧力に対するガス圧力の減少を伴う作業空間シャフト通路に対する中立収集/緩衝空間であり、好ましくは、例えば、必要であれば、ロータ軸受をパージすることができるようにするために、つまり、不活性ガスによる保護ができるようにするために、負圧/真空ポンプによる、「パージ吸引室」として生成される中立な収集/緩衝空間であり、この不活性ガスは、各軸受位置に対して外部から供給され、その後、バイパス孔を介してこれらの軸受を通過し、この収集/緩衝空間で再び吸引除去される。

14. 例えば、発電機の動作による停電の場合のモータペア/スピンドル回転子の電子同期化のための機械的フォールバック保護装置としての同期歯車装置

15. 制御および調整ユニットとしての制御ユニットCUは、特定の流量測定値を評価し、これに基づいて、好ましくはCUメモリに記憶されているリンクおよびデータを有するスピンドルコンプレッサのインテリジェント動作のための調整信号に基づいて出力するとともに、受け取った各測定値とギャップ値との間の依存関係を、以前のシミュレーション、検証および連続した経験に従って連続的に学習し、制御ユニットはFU−CU(24)に接続されており、ユーザー側では「Industry 4.0」の意味での産業用制御システムだけでなく、アプリケーションシステムプロセス制御技術にも接続されている。

16. 二つの周波数変換器FU.2(2.4)及びFU.3(3.4)用の、「FU−CU」と称される、FU制御ユニットであって、FU−CUは、スピンドルコンプレッサの運転に関するデータを制御ユニット(15)と直接交換する。

17. 最小の厚さ(2.5g/cm3より小さい)でありながら高い曲げ剛性を有する二歯スピンドルロータ(2)上の中間支持体、好ましくは繊維複合材料、例えばCFRP真空適合性

18. 距離/スペーサディスクであり、好ましくは、2tロータ(2)のΔ2.1値及び3tロータ(3)のΔ3.1値としてギャップ値を選択的に調整するためのロータ軸の長軸方向に各スピンドルロータを個々に固定するための、いわゆる「剥離ディスク」として構成される。

19. 例えば、給水塔内の高度の測地差の利用、すなわち減圧のための重力の利用を介した閉鎖内部回路内の減圧機

20. 中間ウォータジャケット(5)の断熱

21. 制御ボールのためのアングルレスト

22. 冷媒流体が噴射冷却としてK4によるコンプレッサの吸込領域(11)に流入し、微細に分配されるための遠心ディスク(好ましくは、粗い/コース表面を有する)

23. 冷媒流体流K4の遠心ディスク(22)への供給であり、この供給は所望に応じて構成することができる。

23.1軸受支持体(25)のカンチレバー(24)を介した冷媒流体流K4の供給

23.2 各ロータ支持軸(2.1および3.1)内の中央ボアを介した冷媒流体流K4の供給

24. 軸受支持体のカンチレバーであり、好ましくは、各軸受支持体(25)に対して3つであり、流体的に有利である

25. ロータ軸受(4)を受けるための軸受支持体であって、同時に出口側において面側室境界設定を行う

26. 制御ユニット(15)によって管理される冷媒流体流(9)の分離を制御する機関

27. 特定の用途に応じて予め定められた内部容積比iVに関する値での制御ボール(10)の後の各ロータに対する制御縁部(27.S)を有する端部出口開口
28. ハウジングΦ−分割プレート(1.P)上の真空対応凝縮器ハウジング容器で、水平位置に取り付けられ密閉されている;垂直運転の場合、凝縮器ハウジング容器は直立している。

29. 真空対応蒸発器ハウジング容器は、Qent熱バランスを効率的に確保するために、絶縁体クロスハッチング又は中間真空空間として図示された29.i)を用いてハウジングΦ−分割プレート(1.P)に取り付けられることが好ましい。垂直運転の場合、蒸発器ハウジング容器は底部に位置する。

30. 軸受(4)及び、適当な場合には、駆動ユニットを保護するためのシールディングガス供給(いわゆる 「パージ」)であって、前記保護されるべき領域が直近のR718水蒸気周囲よりもわずかに(数mbarの圧力差、例えば3から10mbarで十分である)高い圧力を常に有するようにする。不活性遮蔽ガスとしては、ほとんどの用途において通常の空気で十分であるが、例えば、窒素も選択することができる。

31. 分離された真空バッキングポンプを介して発生されるシールディングガス放出であって、好ましくは、これも真空システムの圧力を確保する。このシールドガス放出システムでは、R718の蒸気の一部の流れも作業空間のシャフトシールを介して吸引されるため、このR718の損失を水としてシステムに再供給する必要がある。このR718の部分的な水蒸気損失を低減するためのシールとしては、例えばブラシシールを介して作業空間軸シールの流動抵抗を増加させる必要がある。

32. マウント(4)を通るガス流を回避するための軸受バイパスボア

33. 各スピンドルロータのロータ内部を冷却するための冷媒流体流の供給

33.1 各スピンドルロータ支持シャフト中央ボア内供給管

33.2 2tロータ内部を冷却するための冷媒流体流K2の供給管(33.1)を介した供給

33.3 3tロータ内部を冷却するための冷媒流体流K3の供給管(33.1)を介した供給

34. 冷媒流体の流出を阻止するための中央支持軸ボア内のリテーナブッシング

35.図1に従う本発明による凝縮器の記号

36.熱交換器



36.a冷水側の熱交換器

37.図13に従った運転モードの場合における、供給されたドレイン(37.a)を有する蒸発水蒸発器内円周方向のオーバーフロー溝であって、この場合、このドレン水は、冷媒流体流(9)となる。

38. 蒸発器(7)の内側に位置する伝熱用熱交換器(配管システムなど)Qent

39. 三歯スピンドルロータシステム用のスピンドルロータ回転ユニット

40. 2歯スピンドルロータシステム用のスピンドルロータ回転ユニット

41.開放型2軸回転容積機としての(完全)コンプレッサ機

42. (完全)R718容積コンプレッサシステム

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