DE3326268A1

DE3326268A1 - Elementierter motorkompressor mit rotationsventil zur pneumatischen kolbensteuerung insbesondere fuer waermepumpen

Info

Publication number: DE3326268A1
Application number: DE19833326268
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 3501 Zierenberg Borsdorf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-07-21
Filing date: 1983-07-21
Publication date: 1985-01-31

Description

Die Erfindung betrifft eien elementierten Motorkompress
für Wärmepumpen nach dem Oberhegriff des Anspruchs 1.
Der elementierte Motorkompressor soll vorzugsweise in Kleinwärmepumpen eingesetzt werden und gleichzeitig als Antriebsmotor und Kompressor in einem Maschinenelement dienen und einfach und wirtschaftlich herstellbar sein. ls Arbeitsmittel soll auf hochwertige Uergaser-und Dieselkraftstoffe verzichtet werden und für den Antrieb als Arbeitsmittel vorzugsweise Flourkohlenwasserstoffe eingesetzt werden'die in einem geschlossenen Antriebskreis über beliebige Brennstoffe erhitzt werden,bzw. anfallende Abwärme als Antriebsenergie nutzen.
Es ist bekannt,daß Motorwärmepumpen vorzugsweise in Großanlagen eingesetzt werden, und handelsübliche Dieselmotoren die Kompressoren von Wärmepumpen antreiben. Die Antriebsmotoren und die tJärmeDumpenkompressoren stellen in diesen Fällen im allgemeinen getrennte Maschinenelemente dar,die über entsprechende Getriebe verbunden sind.
In Kleinanlagen zur Beheizung von Einfamilienhäusern oder ähnlichen Bedarfsfällen konnten sich Motorwärmepumpen mit Rücksicht auf die ungünstigen Kosten-Nutzenverhältnisse noch nicht durchsetzen,obwohl bezüglich der Primärenergienutzung die Motoruärmepumpe der zur Zeit noch blichen Elektrowärmepumpe weit überlegen ist. Nachteile der derzeitigen Motorwärmepumpen besonders in Kleinanlagen sind deren Schwierigkeiten der Geräuschdämpfung und die Elimination der Schadstoffemissionen.Eine weitere Schwierigkeit stellt der häufige automatische motorstart bei unterbrochenen Betriebsweisen dar. Aus den vielen Einzelschwierigkeiten lässt sich erkennen, daß Verbrennungsmotore für den Einsatz in Wärmepumpenanlagen wenig geeignet erscheinen. Desgleichen ist es unzweckmässig den Antriebsmotor und den Wärmepumpenkompressor maschinentechnisch getrennt zu behandeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorzugsweise fiir Kleinuärmepumpen ein Antriebselement zu liefern,daß den Antriebsmotor und den Kompressor in einem Maschinelement vereinigt und der Antriebsmotor mit beliebigen Brennstoffen und mit Abwärmg oder solerenergie betrieben werden kann. Es ist weiter Aufgabe der Erfingung, daß der Motorkompressor aus wenigen einfachen Bauteilen zusammengesetzt werden kann und sich kostengünstig herstellen lässt. Die Steuerung der Antriebskolben sull so erfolgen, daß keine Anlasser erforderlich werden und keine Anlaufschwierigkeiten auch bei näufigen Startvorängen auftreten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Motorkompressor aus Leniqen Einzeltei]en besteht, din durch Spannschrauben über Kontaktkräfte zusammengehalten werden und der Arbeitskolben des Antriebsmntors gleichzeitig der Werdichterkolben des Kompressors ist. Die Steuerung der Kolbenbewegungen erfolgt über ein Rotationsventil, daß den finschub-und Auslaß des Arbeitsmittels Übernimmt und somit die Volumenströme ber eine einfache Drehbewoung steuert. Als Arbeitsmittel wird vorzugsweise Fluorkoblenwasserstoff verwendet und in der Regel wird sowohl auf der Antriebsseite wie auf der Verdichterseite das gleiche Arbeitsmittel eingesetzt, um aufwendige Dichtungsgaßnahmer zu umgehen. Da des antreibende Arbeitsmittel den Doppelkolben in jeder Arbeitsstellung erfassen kann, treten keine Anlaufschwierigkeiten ein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß Kleinußärmenumpen wirtschaftlich als Motorwärmepumpen ausgeführt werden einer und damit negeniibsr der Flektrowärmepumpe der Primürenergiebedarf erheblich gesenkt werden kann, Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist es,dan Für den Antrieb der Wärmepumpen beliebige Wärmequellen und Abwärme mit ausreichendem Temperaturniveau und Solarenergie genutzt werden kann,da der Motorkompressor das Antriebselement und das Herz einer Wärmepumpe darstellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Es zeigen Fig. 1den Längsschnitt des Plementierten Motor-Motorkompressors.
Fig. 2 Querschnitt mit der Ansicht des Rotationsventils, fig. 3 Endscheiben mit eingearbeiteter Dichtungsnut @@@ Bohrungen für die Spannschrauben.
Fig. 4 Mittelscheiben mit :t chtunqsnut und Lager der Kolbenstange.
Fig.5 Längsschnitt des Zylinderabschnittes mit tin-unt Auslaßöffnungen des Antriebs-und Verdichterkreises.
Fig. 6 Querschnitt des Zylinderabschnittes mjt Ein-und Auslaßöffnung des Antriebskreises.
Fig.7 Doppelkolben mit eingepassten Kolbenringen.
Fig. 8 Längsschnitt einer Kolbenmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie mit Rotationsventil.
Die Fig. 1 zeigt den Aufbau des Motorkompressors bestehend aus den Zylinderabschnitten(1),den Endscheiben (2) und den Mittels heiben (3) .Diese Konstruktionselemente werden über Kontaktkräfte von den Spannschrauben (4) zusammengehalten. Durch das Rotationsventil strömt ein gespanntes Arbeitsmittel, vorzugsweise Flourkohlenwasserstoff (FKW). $Wählt man z.B. Frigen R 22, hat dieses bei ca. 85°C einen Druck von 40 bar und ist geeignet auch bei geringen Erhitzungstemperaturen mechanische Arbeit zu leisten und die Kolben des Motorkompressors an zur treiben. Die Antriebsräume sind mit (7) bezelchnet. .ber die Kolben wird die Antriebsenergie unmittelbar in Verdichtungsarbeit umgesetzt,indem das im Raum 8 vorhandene Arbeitsmittel verdichtet und über das zugehörige Ventil ausgestossen wird.
In den Räumen (7) und (8) werden zweckmässig die gleichen Arbeitsmittel verwendet,um Dichtungsprobleme zu vermeiden.
Über den Durchbruch in der Ventilwelle des Rotationsventils (6) wird der Strom des gespannten Arbeitsmittels gesteuert und je nach der Kolbenstellung wechselnd der linken Antriebskammer und der rechten Antriebskammer (7) zugeführt.Die Öffnungen des Durchbruches werden erweitert oder verengt,um damit die Einschubzeit des Volumenstromes in den Zylinderraum (7) zu beeinflussen.Eine 90°Drehung der Ventilwelle entspricht einem Arbeitshub des Kolbens. Das im Arbeitsraum (8) verdichtete Arbeitsmittel verhindert, daß der Kolben gegen die Endscheiben (2) und (3) stosst. Die Drehgeschwindigkeit der ventilwelle bestimmt die Anzahl der Kolbenhübe pro Zeiteinheit. Das Rotationsventil (6) bewirkt damit eine pneumatische Steuerung des Doppelkolbens (3).
In einer parallelen Ebene ist ein weiterer Ventilvellendurchbruch angeordnet,der zum ersten um y00 versetzt ist und den Auslaß des Arbeitsmittels aus den Räumen (7) steuert,wie auch in der Fig.2 zu erkennen ist.
Die Zu-und AbFuhrleitungen des Arbeitsmittelstromes sind sowohl fur den Einlaß wie für den Auslaß gleich ausgebildet, wle in Fig. 1 dargestellt, (9).
die Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Motorkopressors durch den Arbeitsraum (7). Hierbei sind die Veintieiniaßöffnungen der Ebene (9) im Schnitt gezeigt und die Auslaßöfinungen der parallelen Ebene (10). Die Ventilwelle wird über einen Ausseren unabhängigen Hilfsantrieb in Drebhewegungen versetzt.
Die regelbare Drehgeschwindigkeit der Ventiluella des Rotationsventils bestimmt die Zahl der Kolbenhübe des Motorkompressors.
Die Figuren 3 bis 7 eioen die bereits benannten Einzel teile des Motorkompressors und bedir Fan keiner zusätzlichen Beschreibung.
nie Fiq.B zeigt den Einsatz des Rotationsventils zum Antrieb einer Kolbenmaschien, die nach den gleichen Konstruktionsprinzipien ausgeführt wurde wie der Motorkompressor. Unter Nutzung des Arbeitsmittels FKW dient diese Kolbenmaschine der rrzeugung mechanischer Energie aus beliebigen Wärmequellen, u a. auch aus Abwärme aus Industrieprozessen und aus Solarenergie. Der Arbeitsmittelstrom FKW fliesst hier wie bekannt in einem geschlossenen Kreislauf-Erhitzer-Motor- Regenerator-Kondensator- Förderpumpe - Erhitzer. Im Erhitzer wird die dem Antrieb der Kolbenmaschine dienende Wärmeenergie ausserhalb des Arbeitsraumes des Motors aufgenommen.
Zusammenfassung: er elementierte Motorkompressor mit Hotationsventil soll vorzugsweise in Kleinwärmepumpen als Wärmepumpenantrieb und ompressor eingesetzt werden und für Heizzwecke im Vergleich zur Elektrowärmepumpe zu einer wesantlich besseren primärenergieausnutzung fffihren. Daruberhinaus wird mit dem arfindunosgemässen Aggregat die Nutzung beliebiger Wärmequellen ,wie auch Abwärme und Solarenergie zur Umsetzung in mechanische Energie möglich, die der Verdichtungsarbeit des Wërmepumpenkompressors dient oder im Bedarfsfall auch für andere Arbeitsmaschinen eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz von Flourkohlenwasserstoff (Frigen) als Arbeitsmittel wird der Antrieb des Motors auch im niederen Temperaturbereich wirtschaftlich vertretbar möglich.
Die Einführung der Elementierten Baumethode und die Verwendung des Rotationsventils zur einfachen und pneumatischen Motorsteuerung soll zur wesentlichen Verbesserung des Kosten-Nutzenverhältnisses der motorgetriebenen Wärmepumpen führen. Gerausch-und Emissionsprobleme von Schadstoffen werden weitjehend vermieden.
- L e e r s e i t e -

Claims

"Elementierter Motorkompressor mit Rotationsventil zur pneumatischen KolbensteLerung insbesondere für Wärmepumpen." Patentansprüche: Elementierter Motorkompressor mit Rotationsventil zur pneumatischen Kolbensteuerung insbesonder fir Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet,daß Einzelteile de Motors, Zylinderabschnitte(1) End-und Mittelscheiben (2, 3) von Soannschrauben ('4) über Kontaktkräfte zusammengehalten werden und ein Doppelkolben (5) von Gas-oder Dampfströmen im geforderten Rythmus bewegt und gesteuert wird.
2 Elementierter Motorkompressor nach nspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die End-und Mittelscheiben des Motorkompressors vorzugsweise ebene Scheiben darstellen.
3 Elementierter Motorkompressor nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet,daß in die ebenen Scheiben nach Anspruch 2 Dichtungsnute für die Kontaktflächen oer Zylinderabschnitte eingearbeitet werden.
4 Elementierter Motorkompressornach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,daß jeder Zylinderraum von einem Kolben in einen Antriebsraum (7) und einen Verdichterraum (8) getrennt wird.
5 Elementisrter Motorkompressor nach Anspruche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben ebenflächjge Zylinderscheiben darstellen , die auf einer starren Achse befestiqt sind und von dieser im erforderlichen Abstand gehaiten werden.
b Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, das @as Rotatio vertil aus einem äusseren Hohlzylinder besteht, mit vier Einlaßöffnungen, die um ca. 90° versetzt und in einer Ebene angeordnet sind und vier entsprechenden Auslaßöffnungen, die in einer zweiten Parallelen Ebene angeordnet sind.
7 Elementierter Motorkompressor nach Ansprüchen 1 sind b dadurch gekennzeichnet, daß das Rotatlonsventil eine zylindrische Welle besitzt, die durch einen Hilfsantrieb in Drehbewgungen mit veränderlichen Drehzahlen versetzt wird und sich in dem Hohizylinder des Anspruches 6 drehend bewegt.
8 Elementierter Motorkompressor nach den Ansprüchen 1,6,7 dadurch gekennzeichnet,daß die zylindrische Welle des Anspruches 7 im abstand der Ebenen des Anspruches 6 Durchbrüche erhält, deren Achsen vorzugsweise einen Winkel von 10° bilden.

Nach den Ansprüchen 1, 6, 7, 8 jadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsventil dem Antrieb von Kolbenmaschinen ohne Kompressorraum dient. (Fig. 8).