-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Spiralverdichter mit mindestens
zwei relativ zueinander mit einer orbitierenden Bewegung geführten Verdrängungselementen,
die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende
Begrenzungsfläche
aufweisen, wobei die Verdrängungselemente mindestens
eine Kammer ausbilden, die im Verlauf der orbitierenden Bewegung über einen
Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase
ein veränderbares
Volumen aufweist, wobei die Kammer während der Ansaugphase einen Ansaugraum
mit mindestens einer Ansaugöffnung aufweist
und mindestens eines der Verdrängungselemente
einen Profilrücken
aufweist, in dessen Bereich die Profilstärke des Verdrängungselementes
unabhängig
von der Spiralform des Verdrängungselementes
aufgeweitet ist und der in den Ansaugraum hineinragt.
-
Ein
derartiger Verdichter ist aus
US 5318 424 A bekannt. Der dort dargestellte
Profilrücken
soll dazu dienen, das Volumenverhältnis von zwei Kompressionskammern
relativ zueinander festzulegen. Die Verdrängungselemente weisen eine
Länge von etwa
3 π im Bogenmaß auf.
-
US 4 781 549 zeigt einen
Spiralverdichter mit zwei orbitierenden Verdrängungselementen, die im Querschnitt
jeweils sowohl innenseitig als auch außenseitig durch jeweils eine
spiralförmige
Begrenzungsfläche
begrenzt werden. Beide Verdrängungselemente
weisen eine Länge
von etwa 2π im
Bogenmaß auf.
Außerdem
nehmen beide Verdrängungselemente
in einem inneren Profilendbereich kontinuierlich an Profilstärke zu.
Die Verdrängungselemente bilden
gemeinsam mindestens zwei Kammern. Jede Kammer durchläuft einen
Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase.
Dabei weist die Kammer während
der Ansaugphase eine Ansaugöffnung
auf, die am Ende der Ansaugphase wieder geschlossen wird. Hierauf
folgt die Kompressionsphase der Kammer. Kurz nach Beginn dieser
Kompressionsphase werden die Kammern zu einer Kammer verbunden.
Die Umlauflänge
für einen vollständigen Zyklus
einer Kammer beträgt
etwa 4π im
Bogenmaß.
-
In
US 4 527 964 ist ein Spiralverdichter
gezeigt, bei dem ein Verdrängungselement über eine Länge von
etwa 3π im
Bogenmaß spiralähnlich verläuft und
relativ zu einem zweiten Verdrängungselement
orbitiert wird. Beide Verdrängungselemente weisen
Begrenzungsflächen
auf, die von einer regelmäßigen Spiralform
abweichen. Dabei weist das bewegte Verdrängungselement einen langen äußeren Abschnitt
mit geringer Krümmung
auf. Aufgrund der Geometrie der Verdrängungselemente wird am Ende einer Ansaugphase
bei diesem Spiralverdichter eine relativ große Rückströmung zur Saugseite hin erzeugt.
-
In
US 6 099 279 A ist
ein Spiralverdichter gezeigt, dessen Verdrängungselemente mehrere spiralähnliche
Begrenzungsflächen
aufweisen. Auch diese verursachen am Ende einer Ansaugphase aufgrund
Ihrer Geometrie eine relativ große Rückströmung.
-
In
EP 0 069 531 B1 ist
ein Spiralverdichter mit zwei Verdrängungselementen gezeigt, die
eine Länge
von weniger als 3π im
Bogenmaß aufweisen. Auch
diese Verdrängungselemente
verursachen durch einen jeweils langen schwach gekrümmten äußeren Abschnitt
eine relativ große
Rückströmung.
-
Auch
in
DE 196 03 110 A1 ist
ein Spiralverdichter gezeigt, dessen Verdrängungselemente relativ lange,
schwach gekrümmte äußere Abschnitte aufweisen.
-
Ferner
sind beispielsweise aus
US
5 938 417 A ,
US
5 547 353 A ;
US
5 836 752 A ,
US 3 884
599 ,
DE 42
15 038 A1 sowie aus dem Artikel "Der Scroll von Bock" (H. Kaiser, Die Kälte und Klimatechnik, Heft
6/1993, Seiten 334 bis 342) Spiralverdichter bekannt, die durchweg
Verdrängungselemente
mit einer Länge
von etwa 3π im
Bogenmaß aufweisen.
Außerdem
weisen die Verdrängungselemente
relativ schwach gekrümmte
und regelmäßige äußere Abschnitte
auf.
-
DE 296 03 280 U1 zeigt
einen Spiralverdichter zur Aufladung von Verbrennungsmotoren. Dieser weist
ein Gehäuse
auf, in dem ein Verdrängungselement
orbitiert wird. Die Flächen
des Gehäuses
und die Flächen
des Verdrängungselementes,
die dabei zusammen wirken, setzen sich aus planen Flächen und
aus Viertelkreisbogenflächen
zusammen.
-
Der
Verlauf der spiralförmigen
Begrenzungsflächen
der Verdrängungselemente
eines derartigen Spiralverdichters basiert weitgehend auf fertigungstechnischen
Gesichtspunkten. Aufgrund der Geometrie der spiralförmigen Begrenzungsflächen wird
jedoch am Ende einer Ansaugphase eine relativ große Rückströmung aus
der Kammer durch die Ansaugöffnung
erzeugt. Hierdurch verliert der Spiralverdichter an Kapazität und Effizienz.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei der Verdichtung eines kompressiblen
Mediums die thermodynamischen Verhältnisse zu verbessern.
-
Vorrichtungsmäßig wird
die Aufgabe dadurch gelöst,
daß das
Kammervolumen während
der Ansaugphase mit Hilfe des Profilrückens an eine vorbestimmte
Volumenfunktion angepaßt
ist, bei der das Kammervolumen beim Schließen der Ansaugöffnung mindestens
90% eines während
der Ansaugphase auftretenden maximalen Volumens aufweist, daß der Profilrücken an
einen äußeren Profilendbereich
anlegbar ist, der an die Form des Profilrückens angepaßt ist,
und daß der äußere Profilendbereich
drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äußeren Ende her kommend ein
zweiter Abschnitt eine stärkere
Krümmung
aufweist als ein erster Abschnitt und ein dritter Abschnitt.
-
Der
Profilrücken
bildet also ein Volumenbegrenzungselement. Hierdurch weist jedes
Verdrängungselement
einen Abschnitt auf, der unabhängig von
einer Spiralform ausgebildet ist. Mit Hilfe dieses Abschnitts kann
das Volumen der Kammer an eine vorbestimmte proezßbedingt
ge wünschte
Volumenfunktion angepaßt
werden. Hierdurch kann beispielsweise ein günstiges Volumenverhältnis des
maximalen Kammervolumens zum Kammervolumen am Ende der Ansaugphase
geschaffen werden. Hieraus resultiert wiederum eine geringere Rückströmung beim
Schließen
der Ansaugöffnung.
Auf diese Weise kann eine höhere
Kapazität
und Effizienz des Spiralverdichters erreicht werden. Durch das Zusammenwirken
des Profilrückens
mit einem an ihn angepaßten
Gegenstück
während
einer Anlagephase wird für einen
stabilen Kontakt zwischen beiden betroffenen Verdrängungelementen
gesorgt. Außerdem
können hierdurch
innerhalb der Kammer gleichmäßige Strömungsverhältnisse
gewährleistet
werden. Wenn der äußere Profilendbereich
drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äußeren Ende her kommend ein
zweiter Abschnitt eine stärkere
Krümmung
aufweist als ein erster und ein dritter Abschnitt, dann sorgt der
schwach gekrümmte äußere Abschnitt
für ein
Schließen
der Ansaugöffnung
in der Nähe
des maximalen Kammervolumens. Durch den zwischen zwei schwach gekrümmten Abschnitten
liegenden stärker
gekrümmten
Abschnitt wird außerdem
der Rückfluß vermindert.
Somit erreicht man eine Verbesserung des Schließverhaltens der Ansaugöffnung.
-
Außerdem ist
von Vorteil, daß der
Profilrücken über einen
vorbestimmten Umlaufweg zu Beginn der Kompressionsphase in die Kammer
hineinragt. Auf diese Weise kann über die Ausbildung des Profilrückens auch
auf den Ablauf der Kompressionsphase Einfluß genommen werden. Hierdurch
kann in der Kompressionsphase eine vorbestimmte Veränderung
des Kammervolumens eingestellt werden. Beispielsweise ist es hierbei
möglich,
zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Volumenreduktion zu erzeugen
als am Ende der Kompressionsphase. Die Kompressionsphase kann dadurch
verkürzt
werden, was zu verminderten Leckageverlusten zwischen den Verdrängungselementen
führt.
-
Günstig ist,
daß der
vorbestimmte Umlaufweg ab Beginn der Kompressionsphase maximal 1 π im Bogenmaß beträgt. Auf
diese Weise kann am Ende der Kompressionsphase eine geringere Volumenreduktion,
sowie ein langsames Ausschieben des verdichteten Gases erzielt werden.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, daß der
erste und der zweite Abschnitt jeweils eine Länge von etwa π/3 im Bogenmaß aufweisen.
Durch diese relativ kurzen äußeren Abschnitte
wird der Kammerbereich, aus dem eine Rückströmung erfolgen kann, relativ
klein gehalten. Hierdurch kann die Rückströmung vermindert werden.
-
Günstig ist,
daß der
Profilrücken
an der äußeren Begrenzungsfläche eine
stärkere
Krümmung aufweist
als an der inneren Begrenzungsfläche.
Hierdurch ist es möglich,
daß über einen
Umlauf des Spiralverdichters ein Berührungspunkt an der äußeren Seite
des Profilrückens
sich auf einer anderen Bahn bewegt als ein Berührungspunkt an der inneren
Seite des Profilrückens.
Auf diese Weise ist eine bessere Anpassung verschiedener Kammern
in unterschiedlichen Phasen an eine vorbestimmte Volumenfunktion möglich.
-
Von
Vorteil ist, daß der
Profilrücken
eines der Verdrängungselemente über einen
vorbestimmten Umlaufweg an der inneren Begrenzungsfläche einen Berührungspunkt
mit einem inneren Ende des jeweils anderen Verdrängungselementes aufweist. Auf
diese Weise wird die stabile Ausbildung einer Kammer im Inneren
des Spiralverdichters ermöglicht.
-
Weiterhin
ist günstig,
daß mindestens
eines der Verdrängungselemente
im Querschnitt mindestens zwei Teilelemente aufweist, die relativ
zueinander unbeweglich sind. Hierdurch ist es möglich die Anzahl der Kammern
in einem Spiralverdichter zu erhöhen.
Auf diese Weise können
die Kompressionsabläufe
in verschiedenen Stadien in dem Spiralverdichter parallel verlaufen.
Dies führt
zu einer höheren Laufruhe
des Verdichters.
-
Weiterhin
ist von Vorteil, daß mindestens zwei
der Teilelemente miteinander verbunden sind. Hierdurch kann eine
gute Abstimmung der Kompressionsabläufe in verschiedenen Kammern
untereinander gewährleistet
werden.
-
Durch
das Volumenbegrenzungselement wird das Volumen der Kammer zusätzlich zu
den spiralähnlichen
Begrenzungsflächen
der Verdrängungselemente
beeinflußt.
Somit wird beispielsweise die Anpassung des Kammervolumens an eine
vorbestimmte Volumenfunktion ermöglicht.
Das Kammervolumen kann über
die Ansaugphase hinweg derart verändert werden, daß es beim
Schließen
der Ansaugöffnung
annähernd
sein maximales Volumen aufweist. Auf diese Weise erhält man ein
günstiges Volumenverhältnis zwischen
dem maximalen Kammervolumen und dem Kammervolumen zum Zeitpunkt
des Schließens
der Ansaugöffnung.
Dieses hat zur Folge, daß am
Ende der Ansaugphase lediglich eine geringe Rückströmung aus der Kammer erfolgt. Hieraus
resultieren gute thermodynamische Verhältnisse und somit eine hohe
Kapazität
bezogen auf die Baugröße und eine
hohe Effizienz des Verdichters, d.h. bei gegebener Baugröße ergibt
sich ein relativ großes
Saugvolumen und somit ein großer
Massenstrom durch den Verdichter.
-
Man
kann das Volumen der Kammer über
einen vorbestimmten Umlaufweg vom Beginn der Kompressionsphase ab
durch das Volumenbegrenzungselement reduzieren. Hierdurch ist das
Kammervolumen während
der Kompressionsphase steuerbar. Dabei kann das Kammervolumen über den Umlaufweg
an eine Volumenfunktion angepaßt
werden, die für
den vorgesehenen Betrieb besonders geeignet ist. Beispielsweise
wird hierdurch zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Reduzierung des
Volumens (relative Kompression) als am Ende der Kompressionsphase
ermöglicht.
-
Wenn
die Reduzierung des Volumens der Kammer durch das Volumenbegrenzungselement
ab Beginn der Kompressionsphase spätestens nach einem vorbestimmten
Umlaufweg von 1p im Bogenmaß beendet
wird, kann am Ende der Kompressionsphase eine geringere Reduzierung
des Volumens, somit ein langsames Ausschieben erreicht werden. Das
langsame Ausschieben des Gases vermeidet Druckspitzen auf der Druckseite.
-
Wenn
die Ansaugöffnung
vor dem Ende einer Ausschubphase geschlossen wird, wird verhindert,
daß am
Ende einer Ansaugphase auftretende Beeinträchtigungen der Strömungsverhältnisse
in einer der Kammern einen schädlichen
Einfluß auf
eine andere Kammer ausüben.
Insbesondere wird eine Verringerung der eingesaugten Gasmenge durch
Reexpansion von verdichtetem Gas verhindert, die auftreten würde, wenn
die Ansaugöffnung
erst nach dem Ende der Ausschubphase geschlossen würde. Es
ist also günstig,
wenn die Verdrängungselemente
in der Mitte nicht auseinander gehen, bevor die Saugöffnung außen wieder
geschlossen ist.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 einen
Querschnitt der Verdrängungselemente
eines Spiralverdichters mit zwei Verdrängungselementen,
-
2a bis 2f Querschnitte
der Verdrängungselemente
aus 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Teils
eines Zyklus,
-
3 ein
Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach den 2a bis 2f über einen
Zyklus,
-
4 ein
vergrößerter Ausschnitt
des Diagramms nach 3 am Ende einer Ausschubphase,
-
5a bis 5f Querschnitte
der Verdrängungselemente
eines Spiralverdichters mit vier Teilelementen zu verschiedenen
Zeitpunkten eines Teil eines Zyklus,
-
6 ein
Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach 5a bis 5f über einen
Zyklus,
-
7a bis 7f Querschnitte
der Verdrängungselemente
eines Spiralverdichters mit sechs Teilelementen zu unterschiedlichen
Zeitpunkten eines Teil eines Zyklus und
-
8 ein
Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissesn der Kammern nach
den 7a bis 7f über einen
Zyklus.
-
1 zeigt
zwei Verdrängungselemente 1, 2 eines
Spiralverdichters. Beide Verdrängungselemente 1, 2 sind
nach innen durch eine innere Begrenzungsfläche 3, 5 und
nach außen
durch eine äußere Begrenzungsfläche 4, 6 begrenzt.
Sowohl die inneren Begrenzungsflächen 3, 5 als
auch die äußeren Begrenzungsflächen 4, 6 weisen
einen spiralähnlichen
Querschnitt auf.
-
Mit "spiralähnlich" wird hierbei eine
ebene Kurve bezeichnet, deren Abstand von einem Mittelpunkt sich
von einem äußeren Ende 9, 10 hin
zu einem inneren Ende 11, 12 vermindert. Hierbei
nimmt die Krümmung
der Kurve von außen
nach innen insgesamt zu. Eine abschnittsweise gleichbleibende oder
größer werdende
Krümmung
ist aber möglich.
-
Die
Länge beider
Verdrängungselemente 1, 2 beträgt jeweils
etwas mehr als 2π jedoch
nicht mehr als 3π im
Bogenmaß.
-
Vom äußeren Ende 9, 10 her
kommend weisen beide Verdrängungselemente 1, 2 über einen vorbestimmten
Profilendbereich 20, 21 eine etwa gleichbleibende
Profilstärke
auf. Anschließend
nimmt die Profilstärke
beider Verdrängungselemente 1, 2 im Bereich
eines Profilrückens 13, 14 bis
zu einem Rückenscheitel 15, 16 zu
und an schließend
wieder ab. In Richtung des inneren Endes 11, 12 beider
Verdrängungselemente 1, 2 schließt sich
an den Bereich des Profilrückens 13, 14 ein
innerer Profilendbereich 17, 18 an. In diesen
inneren Profilendbereichen 17, 18 nimmt die Profilstärke der
Verdrängungselemente 1, 2 zunächst noch
einmal zu und zum inneren Ende 11, 12 hin wieder
ab.
-
Der
Begriff "Profilrücken" 13, 14 umfaßt hierbei
einen Profilabschnitt des jeweiligen Verdrängungselementes 1, 2 zwischen
der inneren Begrenzungsfläche 3, 5 und
der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6.
Somit umfaßt
der Begriff "Profilrücken" auch eine Ausbauchung.
Die Funktion der beiden Verdrängungselemente 1, 2 über einen
vollständigen
Zyklus hinweg werden anhand der 2a bis 2f beschrieben.
-
Das
Verdrängungselement 2 weist
innerhalb seines inneren Profilendbereichs 18 eine Ausströmkammer 19 auf.
Diese ist mit einer nicht dargestellten Ausströmöffnung verbunden, die von der
inneren Begrenzungsfläche 5 des
Verdrängungselements 2 bis zur
Ausströmkammer 19 reicht.
Außerdem
weist die Ausströmkammer 19 eine
Verbindung zu einem Ausströmpfad
des Spiralverdichters auf. In nicht dargestellter Weise kann der
Ausschub des Gases auch in axialer Richtung erfolgen, beispielsweise
durch ein Loch in der Bodenplatte.
-
Ferner
ist an der Ausströmöffnung ein
ebenfalls nicht dargestelltes druckgesteuertes Ausströmventil
angebracht. Über
dieses Ausströmventil
ist die Ausströmöffnung unterhalb
eines vorbestimmten Öffnungsdruckes
verschlossen.
-
In
Richtung ihrer äußeren Enden 9, 10 weisen
beide Verdrängungselemente 1, 2 jeweils
den äußeren Profilendbereich 20, 21 auf.
Vom äußeren Ende 9, 10 der
Verdrängungselemente 1, 2 her
kommend weisen beide äußeren Profilendbereiche 20, 21 einen
ersten Abschnitt 22, 23, einen zweiten Abschnitt 24, 25 und
einen dritten Abschnitt 26, 27 auf. Dabei ist
der jeweils zweite Abschnitt 24, 25 stärker gekrümmt als
der jeweils erste Abschnitt 22, 23, und der jeweils
dritte Abschnitt 26, 27. Die Abschnitte 22, 23, 24, 25 weisen
eine Länge
von etwa π/3
im Bogenmaß auf,
die Abschnitte 26, 27 eine Länge größer π/3, z.B. ½ bis ¾ π.
-
Beide
Verdrängungselemente 1, 2 liegen
in zwei Berührungspunkten 28, 29 sowie
in einer Berührungslinie 30 aneinander
an. Die Bezeichnungen "Berührungspunkte" und "Berührungslinie" beziehen sich hierbei
auf die Darstellung im Querschnitt. Tatsächlich umfassen die Berührungspunkte 28, 29 einen
in etwa linienförmigen
Berührungsbereich
und die Berührungslinie 30 eine
Berührungsfläche.
-
2 zeigt die Verdrängungselemente 1, 2 in
verschiedenen Positionen, die sie im Verlauf eines Teils (etwa der
Hälfte)
eines Zyklus einnehmen. Erläutert
wird dabei die Kompressions- und Ausschubphase. Gleichzeitig erfolgt
die Ansaugphase des nächsten
Zyklus, so daß aus 2 im Grunde ein vollständiger Zyklus zu erkennen ist.
-
Zu
einem Ausgangszeitpunkt weisen die beiden Verdrängungselemente 1, 2 die
in 2a dargestellte Anordnung zueinander auf. Hierbei
wird darauf hingewiesen, daß jede
der in den 2a bis 2f gezeigten
Anordnungen der Verdrängungselemente 1, 2 zueinander
in aufein anderfolgenden Zyklen immer wieder durchlaufen wird. Es
könnte
auch jede andere der in den 2a bis 2f dargestellten Anordnungen
als Anordnung im Ausgangszeitpunkt verwendet werden.
-
In 2a bilden
die beiden Verdrängungselemente 1, 2 des
Spiralverdichters zwei Kammern 7, 8 aus. Diese
sind durch jeweils einen der Berührungspunkte 28, 29 nach
außen
hin geschlossen. Die inneren Profilendbereiche 17, 18 beider
Verdrängungselmente 1, 2 liegen
in der Berührungslinie 30 aneinander
an. Hierbei wird die nicht dargestellte Ausströmöffnung zu der Ausströmkammer 19 durch den
inneren Profilendbereich 17 des Verdrängungselements 1 verschlossen.
Außerdem
sind gestrichelte Hilfslinien 31, 32 eingezeichnet.
Diese geben über den
Bereich des jeweiligen Profilrückens 13, 14 den gedachten
Verlauf der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 bei
gleichbleibender Profilstärke
beider Verdrängungselemente 1, 2 wieder.
Bezogen auf die jeweilige Hilfslinie 31, 32 ragt
der Profilrücken 13 deutlich
in die Kammer 7 und der Profilrücken 14 deutlich in
die Kammer 8 hinein.
-
In 2b ist
die Anordnung beider Verdrängungselemente 1, 2 zueinander
nach einer gewissen orbitierenden Bewegung gegenüber 2a wiedergegeben.
Im vorliegenden Fall ist das Verdrängungselement 2 fest
gelagert, während
das Verdrängungselement 1 auf
einer Umlaufbahn orbitierend bewegbar gelagert ist. Neben dieser
Konstellation ist auch ein bewegliches Verdrängungselement 2 und
ein festgelagertes Verdrängungselement 1 möglich. Ferner
können
auch beide Verdrängungselemente 1, 2 beweglich
gelagert sein.
-
In 2b weisen
die beiden Verdrängungselemente 1, 2 keine
Berührungslinie 30 mehr
auf. Vielmehr sind beide Kammern 7, 8 in diesem
Zeitpunkt zu einer Kammer 33 verbunden. Außerdem ist die
nicht dargestellte Ausströmöffnung im
inneren Profilendbereich 18 des Verdrängungselements 2 nicht
mehr durch den inneren Profilendbereich 17 des Verdrängungselements 1 verschlossen.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Ausströmöffnung noch durch das ebenfalls
nicht dargestellte druckgesteuerte Auslaßventil verschlossen. Daher
weist die Kammer 33 noch keine Verbindung über die
Ausströmöffnung mit der
Ausströmkammer 19 auf.
-
Ferner
sind die Berührungspunkte 28, 29 gegenüber ihrer
Position in 2a von dem jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg
weiter nach innen gewandert. Hierbei sind die Berührungspunkte 28, 29 auf der
inneren Begrenzungsfläche 3, 5 in
einem Übergangsbereich
vom ersten Abschnitt 22, 23 zum zweiten Abschnitt 24, 25 und
auf der jeweiligen äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 ausgebildet.
Am äußeren Ende 9, 10 beider
Verdrängungselemente 1, 2 wird hierbei
jeweils ein neuer Ansaugraum 34, 35 mit einer
Ansaugöffnung 36, 37 ausgebildet.
Somit werden durch die Ansaugräume 34, 35 zwei
neue Kammern 7, 8 des nächsten Ansaugzyklus gebildet,
die sich in einer Ansaugphase befinden. Gleichzeitig befindet sich
die Kammer 33 in einer Kompressionsphase.
-
In 2c ist
die Anordnung der Verdrängungselemente 1, 2 nach
einer weiteren Relativbewegung zueinander dargestellt. Die Ansaugräume 34, 35 der
Kammern 7, 8 weisen gegenüber 2b nun
ein größeres Volumen
auf. Das Volumen der Kammer 33 ist dagegen gegenüber dem
in 2b dargestellten Zeitpunkt geringer. Bezogen auf
die Hilfslinien 31, 32 ragen die Profilrücken 13, 14 nun deutlich
in den jeweiligen Ansaugraum 34, 35 der Kammern 7, 8 in
der Ansaugphase. Die Berührungspunkte 28, 29 sind
wiederum weiter vom jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg
nach innen gewandert.
-
In
den 2d bis 2f nimmt
das Volumen der Kammer 33 immer stärker ab. Hierdurch wird ein in
der Kammer 33 enthaltene kompressible Medium immer weiter
verdichtet. Sobald der Druck in der Kammer 33 einen vorbestimmten Öffnungsdruck
erreicht, öffnet
das Ausströmventil
an der Ausströmöffnung.
Hierdurch kann das kompressible Medium aus der Kammer 33 über die
Ausströmöffnung in
die Ausströmkammer 19 und
weiter in den Ausströmpfad
des Spiralverdichters strömen.
Dagegen nimmt das Volumen der Kammern 7, 8 in
der Ansaugphase über
die in den 2d bis 2f dargestellten
Zeitpunkten weiter zu. Hierbei wird das kompressible Medium ständig von
außen
in die Ansaugräume 34, 35 gesaugt.
Am Ende der Ansaugphase werden die Ansaugöffnungen 36, 37 der
Ansaugräume 34, 35 wieder
geschlossen. Hierbei werden die äußeren Enden 9, 10 wie
in 2a dargestellt wieder an die jeweilige äußere Begrenzungsfläche 4, 6 des
jeweiligen anderen Verdrängungselements 1, 2 angelegt.
In diesem Zeitpunkt ist die Ansaugphase der Kammern 7, 8 abgeschlossen.
-
In 3 ist
der Verlauf der Volumenverhältnisse
(Volumenfunktion) der in den 2a bis 2f dargestellten
Kammern gezeigt. Das Volumenverhältnis
ist hierbei aus einem Quotienten des augenblicklichen Volumens einer
Kammer zum maximalen Volumen der Kammer gebildet. Die hier dargestellten Kurven
entsprechen einem als günstig
angesehenen Verlauf des Volumenverhältnisses der Kammern über einen
Zyklus. Anhand dieser Volumenfunktionen wurden die Profilstärken der
beiden Verdrän gungselemente 1, 2 über ihre
Länge hinweg
festgelegt. Insbesondere wurden die Profilrücken 13, 14 in Abhängigkeit
von diesen Volumenfunktionen ausgebildet. Auf diese Weise ist es
möglich
die Kammern des Spiralverdichters während der Kompressions- und
der Ansaugphase an die jeweils gewünschte Volumenänderung
anzupassen.
-
Aus
der Volumenfunktion ist zu entnehmen, daß ein vollständiger Zyklus
I, in dem eine Kammer eine Kompressions- und eine Ansaugphase durchläuft, eine
Umlauf länge
von etwa 4,1 π im
Bogenmaß aufweist.
Außerdem
ist dem Diagramm in 3 zu entnehmen, daß eine Ausschubphase 40 des
vorigen Zyklus II erst kurz nach dem Abschluß der parallelen Ansaugphase 38 des
Zyklus I erfolgt. Auf diese Weise wird verhindert, daß mögliche Störungen beim
Abschluß der
Ausströmphase
einer Kammer einen störenden
Einfluß auf
das Saug-Volumen der nachfolgenden Kammer hat.
-
Ferner
ist eine Ausschubphase 40 dargestellt, in der das Auslaßventil
geöffnet
ist.
-
Die
Länge der
Ventilöffnungsphase 40 ist
jeweils abhängig
vom herrschenden Druckverhältnis zwischen
Ansaug- und Ausschubdruck.
-
Außerdem ist
aus dem hier dargestellten Diagramm zu entnehmen, daß das Volumenverhältnis der
Kammern 7, 8 beim Abschluß der Ansaugphase 38 bei
der vorliegenden Ausführungsform
einen Wert von etwa 0,93 aufweist. In jedem Fall sollte das Volumenverhältnis der
Kammern 7, 8 in diesem Zeitpunkt nicht weniger
als 0,9 betragen.
-
In 4 ist
der Abschluß der
Ausschubphase 39 des Zyklus II in einem vergrößerten Ausschnitt von 3 dargestellt.
Hieraus ist zu entnehmen, daß der
Abschluß der
Ausschubphase 39 erst nach einer Umlaufbahnlänge von
zwischen 2,1 und 2,2π im
Bogenmaß erfolgt.
Dagegen erfolgt der Start einer neuen Ansaugphase 41 eines
neuen Zyklus III bereits nach einer Umlaufbahnlänge von genau 2π.
-
In
den 5a bis 5f sind
verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 101, 102 eines
Spiralverdichters mit zwei beweglichen Teilelementen 101a, 101b und
zwei festen Teilelementen 102a, 102b des Verdrängungselements 102 dargestellt.
Teile, die denen der 1 und 2 entsprechen, sind
mit um 100 erhöhten
Bezugszeichen versehen. Die beiden festen Teilelemente 102a, 102b sind
in einem Winkel von 180° zueinander
gedreht und ineinander verwunden angeordnet. Die beweglichen Teilelemente 101a, 101b des
Verdrängungselements 101 sind
zwischen den beiden festen Teilelementen 102a, 102b angeordnet.
Dabei sind die beweglichen Teilelemente 101a, 101b ebenfalls
zueinander im Winkel von 180° gedreht.
Im Gegensatz zu den festen Teilelementen 102a, 102b sind
die beiden beweglichen Teilelemente 101a, 101b jedoch
miteinander verbunden und bilden somit einen zusammenhängenden
Körper.
Dieser Körper
weist über
seine gesamte Länge
eine etwa gleichbleibende Profilstärke auf. Dagegen ist bei den
festen Teilelementen 102a, 102b entsprechend dem
Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f jeweils
ein Profilrücken 114a, 114b und
ein innerer Profilendbereich 118a, 118b ausgebildet.
Die festen Teilelemente 102a, 102b entsprechen
auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f.
Somit gelten die oben gemachten Ausführungen zu Verdrängungselement 2 auch
hier.
-
In 6 sind
die Volumenverhältnisse
der Kammern entsprechend einer Ausführungsform nach den 5a bis 5f dargestellt.
Hierbei ist zu erkennen, daß eine
Ausführungsform
nach den 5a bis 5f während eines
vollständigen
Zyklus mit einer Umlaufbahnlänge
von etwa 4π im
Bogenmaß jeweils
vier Kompressions- und Ansaugphasen aufweist. Im Gegensatz hierzu
weist die Ausführungsform
mit nur zwei Verdrängungselementen
entsprechend der 1 über einen vollständigen Zyklus
lediglich jeweils zwei Kompressions- und Ansaugphasen auf.
-
Wegen
dieser höheren
Zahl der Kompressionsprozesse wird die Kompression bei einer Ausführungsform
nach den 5a bis 5f gleichmäßiger ablaufen.
Es treten geringe Pulsationen sowohl auf der Ansaug- als auch auf
der Ausschubseite auf, weshalb der Verdichter insgesamt ruhiger
läuft.
Auch ergibt sich bei dieser Ausführungsfrom
ein verringerter orbitierender Radius der beweglichen Verdrängungselementes 101,
was zu insgesamt geringeren Reibungsverlusten und erhöhter Stabilität der beweglichen
Verdichterbauteile führt.
-
In
den 7a bis 7f sind
verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 201, 202 eines
Spiralverdichters mit drei beweglichen Teilelementen 201a, 201b, 201c und
drei festen Teilelementen 202a, 202b, 202c dargestellt.
Teile, die denen der 1 und 2 entsprechen,
sind mit um 200 erhöhten Bezugszeichen
versehen. Bei dieser Ausführungsform
sind die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c des
Verdrängungselements 202 in
einem Winkel von jeweils 120° zueinander
gedreht und ineinander verwunden angeordnet. Die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c des
Verdrängungselements 201 sind
ebenfalls im Winkel von jeweils 120° zueinander gedreht und zu einem
zusammenhängenden
Körper verbunden.
Dabei weisen die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c an
ihrem jeweils äußeren Ende 209a, 209b, 209c einen
Profilrücken 213a, 213b, 213c auf.
An diesem Profilrücken 213a, 213b, 213c ist
die Profilstärke
gegenüber
dem restlichen Teil des jeweiligen Teilelements 201a, 201b, 201c stark
auf geweitet.
-
Die
festen Teilelemente 202a, 202b, 202c weisen
entsprechend dem Verdrängungselement 1, 2 nach 1 und 2a bis 2f jeweils
einen Profilrücken 214a, 214b, 214c und
einen inneren Profilendbereich 218a, 218b, 218c auf.
Die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c entsprechen
auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f. Somit
gelten die oben gemachten Ausführungen
zu Verdrängungselement 2 auch
hier.
-
In 8 sind
die Volumenverhältnisse
der Kammern bei einer Ausführungsform
nach den 7a bis 7f über einen
Zyklus dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, daß während einem Zyklus mit einer
Umlaufbahnlänge
von etwa 4π im
Bogenmaß jeweils
sechs Ansaug- und Kompressionsphasen durchlaufen werden. Auf diese
Weise läßt sich
durch eine Ausführungsform
nach den 7a bis 7f eine
weitere Vergleichmäßigung bei
der Kompression eines Mediums und eine erhöhte Laufruhe des Verdichters
erzielen.