DE102007043594B4

DE102007043594B4 - Spiralverdichter mit Doppelspirale

Info

Publication number: DE102007043594B4
Application number: DE200710043594
Authority: DE
Inventors: Fritz W. Spinnler
Original assignee: Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: DE102007043594A1

Abstract

Spiralverdichter mit Doppelspirale für kompressible Medien, mit wenigstens einem, in einem feststehenden Gehäuse (1) angeordneten, spiralförmigen Förderraum (20, 20'), mit einem, dem Förderraum (20, 20') zugeordneten Verdrängerkörper (2), im wesentlichen bestehend aus einer Trägerscheibe (3) und beidseits davon abregenden Spiralblättern (4, 5), wobei der Verdrängerkörper mittels einer Lagerung (12) auf einer mit einer Antriebswelle (6) verbundenen Exzenterscheibe (9) gelagert ist, mit einem Schmiermittelzuführsystem (24) zum Zuführen eines Schmiermittels (30) zur Lagerung (12) über die Antriebswelle (6) und die Exzenterscheibe (9) und mit Dichtelementen (38, 40) zum Abdichten des mit Schmiermittel (30) gefüllten Schmiermittelraumes (37, 39) gegenüber dem das Arbeitsmedium enthaltenden Förderraum (20, 20'), dadurch gekennzeichnet, dass Druckausgleichsmittel (45, 51) in Form eines Druckregelventils vorgesehen sind, die im Betrieb die Differenz zwischen dem auf die eine Seite der Dichtelemente (38, 40) wirkenden Druck im Förderaum (20, 20') und dem auf die andere Seite der Dichtelemente (38, 40) wirkenden Druck im Schmiermittelraum...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralverdichter mit Doppelspirale für kompressible Medien gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
Spiralverdichter mit Doppelspirale sind beispielsweise aus der DE 3 347 081 A1 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch eine pulsationsarme Förderung des gasförmigen Arbeitsmittels, z. B. Luft, aus und könnte daher mit Vorteil unter anderem auch für Aufladezwecke bei Brennkraftmaschinen herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Verdichters werden in der Verdränger- oder Förderkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird.
Bei der in dieser DE 3 347 081 A1 dargestellten Maschine wird der Verdrängerkörper mittels einer Exzenterwelle angetrieben und über eine nicht dargestellte Führungsanordnung gehalten. Die Maschine besteht im Wesentlichen aus zwei Gehäusehälften, in welchen spiralförmige Kanäle eingearbeitet sind. Der Verdrängerkörper ist mittels einer Lagerung auf dem Exzenter der Exzenterwelle gelagert. Diese Lagerung (in der Folge auch Hauptexzenterlager genannt) bedarf einer geeigneten Schmierung.
Eine solche Schmierung ist beispielsweise in der EP 0 614 012 A1 , die einen Spiralverdichter der eingangs genannten Art zum Gegenstand hat, gezeigt. Bei dieser Ausführung wird ein flüssiges Schmiermittel (Schmieröl) von aussen durch einen Kanal in der einen Gehäusehälfte in das Zentrum der Antriebswelle gepumpt. Im Bereiche des Exzenters gelangt das Schmieröl über einen radial angeordeten Kanal in das Hauptexzenterlager. Von diesem Lager strömt das Schmieröl dann durch einen zweiten, ebenfalls radial angeordneten Kanal in Richtung Zentrum der Antriebswelle und mündet dort in einen koaxial oder parallel zum Zuführungskanal angeordneten Rückführkanal, über den das Schmieröl zum einen Ende der Antriebswelle gelangt, von wo das Schmieröl durch eine Bohrung in der einen Gehäusehälfte nach aussen abfliessen kann.
Eine Druckölschmierung, wie sie in der EP 0 614 012 A1 beschrieben ist, ist geeignet für einen Betrieb bei hoher Belastung der Maschine, wie das insbesondere bei hohen Drehzahlen der Fall ist. Eine solche Zwangsschmierung erlaubt einen hinreichend grossen Ölmengenstrom, um die bei hoher Belastung entstehende Verlustwärme im Hauptexzenterlager mit dem Schmieröl abzuführen.
Die Abdichtung des das Schmieröl enthaltenden Ölraumes gegen den Förderraum erfolgt durch Wellendichtringe, die sowohl bei den Lagern der Antriebswelle im Gehäuse als auch beim Lager des Verdrängers auf dem Exzenter (Hauptexzenterlager) vorgesehen sind. Da je nach Lastfall der Maschine der Druck im Förderraum jenen im Ölraum, in dem sich das aus den Lagern abströmende Schmieröl sammelt, übersteigen kann, besteht die Gefahr, dass in einem solchen Betriebszustand die Wellendichtringe von der Welle resp. vom Exzenter abgehoben werden und dadurch das Fördermedium (z. B. Luft) auf die Schmierölseite der Wellendichtringe gelangen kann und durch die Ölrücklaufleitung entweicht. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, wo solche Spiralverdichter sehr dicht sein müssen, ist jeder weitere Verlust an Fördermedium nachteilig, da dadurch im Falle des Einsatzes als Aufladeaggregat für Verbrennungsmotoren das erzielbare Drehmoment erheblich beeinträchtigt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, im Betrieb ein Abheben der Wellendichtringe von der Welle bei hohen Förderdrücken des Fördermediums zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem Spiralverdichter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Dadurch, dass im Betrieb die Differenz zwischen dem Druck im Förderaum, der auf die eine Seite der Dichtelemente wirkt, und dem Druck im Schmiermittelraum, der auf die andere Seite der Dichtelemente wirkt, im wesentlich konstant gehalten wird, wird ein Abheben der Dichtringe wirkungsvoll vermieden, und zwar bei allen Arbeitsdrücken im Förderraum.
Bevorzugte Weiterausgestaltungen des erfindungsgemässen Spiralverdichters bilden Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt rein schematisch:
1 in Vorderansicht und in Richtung des Pfeils A in
2 den antriebsseitigen Gehäuseteil,
2 den Spiralverdichter gemäss 1 in einem Längsschnitt entlang der Linie II-II in 1,
3 einen Ausschnitt aus der 2 in einem gegenüber der 2 vergrösserten Massstab, und
4 in einer der 3 entsprechenden Darstellung eine zweite Ausführungsform eines Druckregelventils.
Der in den 1 und 2 in Vorderansicht bzw. im Schnitt gezeigte Spiralverdichter weist ein aus zwei Gehäusehälften 1a, 1b bestehendes Gehäuse auf, in dem ein Verdrängerkörper 2 gelagert ist. Die beiden Gehäusehälften 1a, 1b sind auf nicht näher dargestellte Weise miteinander verschraubt. In der Darstellung der 1 ist die eine Gehäusehälfte 1a (2) entfernt.
Der Verdrängerkörper 2 weist eine Trägerscheibe 3 auf, die auf jeder Seite einen spiralförmig verlaufenden Verdrängerelemente 4, 5 trägt. Die Verdrängerelemente 4, 5 sind als von der Scheibe 3 abstehende Leisten in Form von Spiralblättern ausgebildet. Zur Lagerung der Scheibe 3 ist eine Antriebswelle 6 vorgesehen, deren Drehachse mit 6a bezeichnet ist. Die Antriebswelle 6 ist in den Gehäusehälften 1a, 1b mittels Lagern 7 bzw. 8 gelagert und weist eine Exzenterscheibe 9 auf, deren Symmetrieachse mit 9a bezeichnet ist. Der Abstand zwischen der Drehachse 6a der Antriebswelle 6 und der Symmetrieachse 9a der Exzenterscheibe 9 (Exzentrizität) ist in der 1 mit e bezeichnet. An der Antriebswelle 6 ist mittels einer Schraube 10 eine Antriebsriemenscheibe 11 befestigt.
Auf der Exzenterscheibe 9 ist mittels eines Lagers 12, das im vorliegenden Fall ein Wälzlager ist, die Nabe 13 der Scheibe 3 gelagert. Angetrieben wird die Scheibe 3 und somit der Verdrängerkörper 2 über die Antriebswelle 6 und die Exzenterscheibe 9. Dabei wird die Antriebskraft über das Lager 12 auf die Nabe 13 der Scheibe 3 übertragen. Die Führung des Verdrängerkörpers 2 erfolgt über eine Schwinge 14, die am einen Ende drehbar auf einer Welle 15 gelagert ist (1). Am andern Ende trägt die Schwinge 14 einen Bolzen 16, der drehbar in einem Auge 17 der Scheibe 3 gelagert ist.
Das Gehäuse 1 weist einen Einlass 18 und einen Auslass 19 für das Fördermedium, vorzugsweise Luft, sowie zwei Förderräume 20, 20' auf. In der Scheibe 3 ist ein Durchlass 21 (oder mehrere Durchlässe) vorhanden, durch den das Fördermedium vom Förderraum 20 in den Förderraum 20' gelangen kann.
Zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Verdrängerkörpers 2 entstehenden Massenkräfte sind auf der Antriebswelle 6 zwei Gegengewichte 22, 23 angeordnet.
Zur Schmierung des Lagers 12, das zwischen der Exzenterscheibe 9 und der Nabe 13 der Scheibe 3 angeordnet ist, ist ein Schmiermittelzuführsystem 24 (2) vorgesehen, das das Lager 12 mit einem Schmiermittel, vorzugsweise Schmieröl versorgt.
Dieses Schmiermittelzuführssystem 24 weist eine an das Gehäuse 1 angeschlossene Zuführleitung 25 auf, die mit der Druckseite einer druckgeregelten Förderpumpe 26 verbunden ist. Solche Pumpen mit Druckregelung, die in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, erzeugen einen Schmiermittelförderdruck, der im Betrieb innerhalb gewisser Grenzwerte bleibt. Saugseitig ist die Förderpumpe 26 über eine Saugleitung 27 mit einem Schmiermittelbehälter 28 verbunden, der über eine Verbindungsleitung 29 mit der Umgebung in Verbindung steht. Somit wirkt auf die Oberfläche des Schmiermittels 30 im Schmiermittelbehälter 28 stets der Umgebungsluftdruck. In die Zuführleitung 25 kann ein, in den 2 bis 4 gestrichelt dargestelltes Durchflussbegrenzungsorgan 31, z. B. ein Durchflussbegrenzungsventil, eingesetzt werden.
Die Antriebswelle 6 weist einen Schmiermittelzuleitungskanal 32 und einen Schmiermittelrücklaufkanal 33 auf, die zur Drehachse 6a der Antriebswelle 6 koaxial sind (2 und 3). Zur Bildung dieser beiden Kanäle 32, 33 ist in eine Längsbohrung 34 in der Antriebswelle 6 eine rohrförmige Führungshülse 35 eingelegt, die auf ihrer Aussenseite einen Abschnitt mit kleinerem Aussendurchmesser aufweist, der sich über einen Teil der Länge der Führungshülse 35 erstreckt, und mit der Wand der Längsbohrung 34 den Schmiermittelrücklaufkanal 33 bildet. Der im Inneren der Führungshülse 35 verlaufende Schmiermittelzuleitungskanal 32 steht in Verbindung mit einem Zuflusskanal 36, der in radialer Richtung in der Exzenterscheibe 9 verläuft und in einen ersten Schmiermittelraum 37 auf der einen Seite des Lagers 12 mündet (3). Dieser erste Schmiermittelraum 37 ist mittels eines ringförmigen Dichtelementes 38, das an der Exzenterscheibe 9 anliegt, gegenüber dem Förderraum 20 abgedichtet. Auf der anderen Seite des Lagers 12 befindet sich ein zweiter Schmiermittelraum 39, der mittels eines ringförmigen Dichtelementes 40, das ebenfalls an der Exzenterscheibe 9 anliegt, gegenüber dem Förderraum 20' abgedichtet ist. Dieser zweite Schmiermittelraum 39 steht über einen radialen Abflusskanal 41 in der Exzenterscheibe 9 mit dem Schmiermittelrücklaufkanal 33 in Verbindung.
Ein radialer Verbindungskanal 42 in der Antriebswelle 6 verbindet den Schmiermittelrücklaufkanal 33 mit einer Schmiermittelrücklaufleitung 43, die zu einer mit 44 bezeichneten Schmiermittelrückführung gehört. Die Schmiermittelrücklaufleitung 43 ist mit dem Eingang eines Druckregelventils 45 verbunden, dessen Ausgang über eine Rücklaufleitung 46 mit dem Schmiermittelbehälter 28 verbunden ist. Das als Membranventil ausgebildete Druckregelventil 45 weist eine Membran 47 auf, die den Innenraum des Druckregelventils 45 in zwei Kammern 45a und 45b unterteilt. Etwa in der Mitte der Membran 47 und der Austrittsöffnung 43a der Schmiermittelrücklaufleitung 43 gegenüberliegend ist an der Membran 47 ein Regelkörper 48 angebracht, der auf noch zu beschreibende Weise den Schmiermittelausfluss aus der Schmiermittelrücklaufleitung 43 in die Kammer 45a reguliert. Die der Kammer 45a gegenüberliegende Kammer 45b des Druckregelventils 45 ist über eine Verbindungsleitung 49 mit dem Förderraum 20' verbunden. Das bedeutet, dass der Druck in dieser Kammer 45b dem Arbeitsdruck im Förderraum 20' entspricht. Der Förderraum 20' ist mittels eines ringförmigen Dichtelementes 50, das an der Antriebswelle 6 anliegt, nach aussen abgedichtet.
Das von der Förderpumpe 26 geförderte Schmiermittel gelangt über die Zuführleitung 25, den Schmiermittelzuleitungskanal 32 und den Zuflusskanal 36 zum ersten Schmiermittelraum 37. Von diesem ersten Schmiermittelraum 37 strömt das Schmiermittel durch das Lager 12 hindurch in den zweiten Schmiermittelraum 39. Vom zweiten Schmiermittelraum 39 gelangt das Schmiermittel über den Abflusskanal 41, den Schmiermittelrücklaufkanal 33, den Verbindungskanal 42 und die Schmiermittelrücklaufleitung 43 in die Kammer 45a des Druckregelventils 45. Von dieser Kammer 45a fliesst das Schmiermittel über die Rücklaufleitung 46 zurück in den Schmiermittelbehälter 28.
Je nach Grösse des im Förderraum 20' herrschenden Förder- oder Arbeitsdruckes, der ja auch in der Kammer 45b des Druckregelventils 45 herrscht, wird die Membran 47 mehr oder weniger stark nach unten in Richtung zur Austrittsöffnung 43a der Schmiermittelrücklaufleitung 43 ausgelenkt. Das bedeutet, dass abhängig von der Differenz der in den Kammern 45a, 45b herrschenden Drücke der Abstand zwischen dem Regelkörper 48 und der Austrittsöffnung 43a der Schmiermittelrücklaufleitung 43 grösser oder kleiner ist, was zur Folge hat, dass die Menge des aus der Schmiermittelrücklaufleitung 43 in die Kammer 45a ausfliessenden Schmiermittels entsprechend geregelt wird. Auf diese Weise wird der Druck in der Schmiermittelrücklaufleitung 43 und damit auch in den Schmiermittelräumen 37 und 39 in Abhängigkeit vom Förder- oder Arbeitsdruck im Förderraum 20' verändert. Steigt der Druck im Förderraum 20', so wird der Abstand zwischen dem Regelkörper 48 und der Austrittsöffnung 43a verkleinert, was zu einem Aufstauen des zurückfliessenden Schmiermittels und damit zu einem Druckanstieg in der Schmiermittelrückführung 44 und in den Schmiermittelräumen 37, 39 führt. Somit zieht ein Druckanstieg im Förderraum 20' zwangsläufig einen Druckanstieg in den Schmiermittelräumen 37, 39 nach sich. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Differenz der Drücke, welche auf die beiden Seiten der Dichtelemente 38 und 40 wirkt, immer etwa gleich bleibt, und zwar unabhängig davon, ob im Betrieb des Spiralverdichters der Förderdruck im Förderraum 20' höher oder niedriger ist. Da die Differenz zwischen dem auf die eine Seite der Dichtelemente 38, 40 wirkenden Druck im Förderraum 20, 20' und dem auf die andere Seite dieser Dichtelemente 38, 40 wirkenden Druck in den Schmiermittelräumen 37, 39 im Wesentlichen konstant gehalten wird, wird vermieden, dass sich die Dichtelemente 37, 39 im Betrieb von der Exzenterscheibe 9 abheben können.
Anhand der 4 wird nun eine andere Ausführungsform des Druckregelventils beschrieben. In dieser 4, die der 3 entspricht, werden für sich entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wie in der 3.
Bei der Ausführungsform gemäss 4 ist das Gehäuse 51a und die Membran 47 mit dem Regelkörper 48 des Druckregelventils 51 direkt an der Gehäusehälfte 1a befestigt, z. B. mittels eines Sprengringes 52. Die durch das Gehäuse 51a und die Membran 47 gebildete Kammer 51' steht über die Verbindungsleitung 49 mit dem Förderraum 20' in Verbindung. Die Schmiermittelrücklaufleitung 43 mündet mit ihrer Austrittsöffnung 43a in eine in der Gehäusehälfte 1a ausgebildete, Teil des Druckregelventils 51 bildende Kammer 53, die durch die Membran 47 verschlossen wird und an die die Rücklaufleitung 46 angeschlossen ist. Der Regelkörper 48 der Membran 47 liegt wie bei der Ausführungsform gemäss 3 der Austrittsöffnung 43a der Schmiermittelrücklaufleitung 43 gegenüber und dient zum Regulieren der Menge des aus dieser Austrittsöffnung 43a ausfliessenden Schmiermittels.
Die Wirkungsweise des Druckregelventils 51 ist dieselbe wie die bereits beschriebene Wirkungsweise des Druckregelventils 45 gemäss 3.

Claims

Spiralverdichter mit Doppelspirale für kompressible Medien, mit wenigstens einem, in einem feststehenden Gehäuse (1) angeordneten, spiralförmigen Förderraum (20, 20'), mit einem, dem Förderraum (20, 20') zugeordneten Verdrängerkörper (2), im wesentlichen bestehend aus einer Trägerscheibe (3) und beidseits davon abregenden Spiralblättern (4, 5), wobei der Verdrängerkörper mittels einer Lagerung (12) auf einer mit einer Antriebswelle (6) verbundenen Exzenterscheibe (9) gelagert ist, mit einem Schmiermittelzuführsystem (24) zum Zuführen eines Schmiermittels (30) zur Lagerung (12) über die Antriebswelle (6) und die Exzenterscheibe (9) und mit Dichtelementen (38, 40) zum Abdichten des mit Schmiermittel (30) gefüllten Schmiermittelraumes (37, 39) gegenüber dem das Arbeitsmedium enthaltenden Förderraum (20, 20'), dadurch gekennzeichnet, dass Druckausgleichsmittel (45, 51) in Form eines Druckregelventils vorgesehen sind, die im Betrieb die Differenz zwischen dem auf die eine Seite der Dichtelemente (38, 40) wirkenden Druck im Förderaum (20, 20') und dem auf die andere Seite der Dichtelemente (38, 40) wirkenden Druck im Schmiermittelraum (37, 38) im wesentlich konstant halten, wozu das Druckregelventil (45, 51) einerseits vom Druck im Förderraum (20, 20') und andererseits vom Druck im Schmiermittelraum (37, 39) beaufschlagt ist.
Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (45, 51) in einer Schmiermittelrückführung (44) angeordnet ist, die mit dem Schmiermittelraum (37, 39) verbunden ist.
Spiralverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (45, 51) als Membranventil ausgebildet ist.
Spiralverdichter nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Membran (47) des Druckregelventils (45, 51) einen Regelkörper (48) aufweist, der auf der einen Seite der Austrittsöffnung (43a) einer Schmiermittelrücklaufleitung (43), die mit dem Schmiermittelraum (37, 39) in Verbindung steht, gegenüberliegt und auf der andern Seite vom Druck im Förderraum (20, 20') beaufschlagt ist, wobei der Regelkörper (48) in Abhängigkeit von der Differenz der auf ihn wirkenden Drücke im Förderraum (20, 20') und im Schmiermittelraum (37, 39) den Schmiermittelausfluss aus der Austrittsöffnung (43a) der Schmiermittelrücklaufleitung (43) reguliert.
Spiralverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Längsbohrung (34) in der Antriebswelle (6) eine rohrförmige Führungshülse (35) eingesetzt ist, in deren Innerem ein Schmiermittelzuleitungskanal (32) gebildet ist, der an eine Schmiermittelquelle (28) angeschlossen ist und die mit einem Schmiermittelraum (38) auf der einen Seite der Lagerung (12) in Verbindung steht, wobei die Führungshülse (35) auf ihrer Aussenseite einen sich über einen Teil ihrer Länge erstreckenden Abschnitt mit kleinerem Aussendurchmesser aufweist, der mit der Wand der Längsbohrung (34) einen Schmiermittelrücklaufkanal (33) bildet, der einerseits mit einem Schmiermittelraum (39) auf der andern Seite der Lagerung (12) und andererseits mit der Schmiermittelrücklaufleitung (43) in Verbindung steht.
Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittelzuführsystem (24) eine Durchflussbegrenzungsanordnung (31) aufweist.