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Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Verdrängermaschinen sind beispielsweise aus der
DE 33 47 081 A1 bekannt. Bei einem solchen Verdichter wird zwischen einer Förderkammer und einem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper Luft vom Einlass durch die Förderkammer hindurch zum Auslass hin bewegt, wobei das Volumen verringert und somit der Luftdruck erhöht wird.
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Der Verdrängerkörper wird dabei mittels einer Lagerung auf dem Exzenter einer Antriebswelle gelagert. Diese Lagerung muss geeignet geschmiert werden. Somit ergibt sich im Bereich der Exzenterlager ein schmiermittelhaltiger Bereich, der gegenüber der Förderkammer dicht abgeschlossen werden muss.
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Bislang wurden bei derartigen Verdrängermaschinen für die Abdichtung der Exzenterlagerung handelsübliche Radialdichtringe verwendet, bei denen eine Dichtlippe auf der Mantelfläche der Antriebswelle gleitet.
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Die Abdichtung mit solchen Wellendichtringen in einer Maschine mit exzentrischer Bewegung führt bei hohen Drehzahlen zu Problemen, da hohe Fliehkräfte auftreten, Vibrationen nicht vollständig zu vermeiden sind und demnach sich die Dichtlippe von der Antriebswelle abheben kann. Hierdurch wird die Drehzahl derartiger Maschinen begrenzt.
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Wird ein Wellendichtring mit einer massiveren Dichtlippe gewählt, so ergibt sich hieraus eine erhöhte Reibleistung durch hohe Flächenpressung. Hieraus resultiert eine geringere Lebensdauer und zugleich ein schlechterer Wirkungsgrad.
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Darüber hinaus benötigt ein solcher Wellendichtring sowohl in axialer als auch in radialer Richtung einen entsprechenden Einbauraum, was insbesondere bei großen Wellendurchmessern eine großzügig bemessene Einbauumgebung erfordert.
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In der Druckschrift
DE 3 019 642 A1 wird eine Schnecken-Arbeitsmaschine für Fluide beschrieben, bei der die Kurbelwelle gegenüber einem Gehäuse mit zwei axial dichtenden Ringen abgedichtet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die o. a. Nachteile einer Verdrängermaschine nach dem Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu beheben.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Verdrängermaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Verdrängermaschine dadurch aus, dass eine axiale Dichteinheit mit wenigstens zwei aneinander gleitenden Axialdichtelementen mit quer zur Exzenterachse stehenden Axialdichtflächen vorgesehen ist, wobei das in der Lageraufnahme befindliche Lager als Wälzlager ausgebildet ist und der Lageraußenring eine Dichtfläche aufweist, an der eine korrespondierende Axialdichtfläche eines axial verschiebbaren Axialdichtelements anliegt.
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Durch die Verwendung von Axialdichtelementen ergibt sich eine große Unempfindlichkeit der Dichtigkeit bei großen Fliehkräften und gegebenenfalls auch bei Vibrationen, so dass problemlos höhere Drehzahlen bei einer solchen Verdrängermaschine erreicht werden können.
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Die Spannung, mittels der die Dichtflächen aneinander gespannt werden können und somit auch die Reibung, kann dabei so weit reduziert werden, wie es die erforderte Dichtigkeit und Lebensdauer der Verdrängermaschine zulässt. Hieraus resultiert auch ein geringerer Verschleiß.
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Dadurch, dass keine Dichtlippe benötigt wird und die Axialdichtflächen eine größere Dichtfläche zur Verfügung steht, ist der Anpressdruck zwischen den Dichtflächen unabhängig von der Drehzahl und unabhängig von etwaigen Vibrationen.
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Darüber hinaus kann eine solche Dichteinheit so aufgebaut werden, dass sie vor allem in radialer Richtung, jedoch auch in axialer Richtung weniger Einbauraum benötigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein drehfest mit der Lageraufnahme angeordnetes, in axialer Richtung verschiebbares Axialdichtelement vorgesehen. Hierdurch ist ein Längenausgleich zwischen den beiden Dichtelementen möglich, wobei zugleich aufgrund der axialen Verschiebbarkeit auch die Spannung einstellbar ist, mittels der das axiale Dichtelement auf die überliegende korrespondierende Axialdichtfläche gepresst wird. Der Längenausgleich bringt mehrere Vorteile mit sich, zum Beispiel als Ausgleich bei unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdehnungen verschiedener Materialien, als Toleranzausgleich, etc.
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Das axialverschiebbare Axialdichtelement weist dabei in einer bevorzugten Ausführungsform Flächen auf, die mit dem Druck des Fördermediums beaufschlagt sind, das in der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine gefördert wird. Andererseits weist das verschiebbare Axialelement auch auf Flächen auf, die von dem Druck des Schmiermittels, z. B. in Form eines Schmieröls im Lagerinnenraum beaufschlagt werden. Unerlaubterweise werden nunmehr die druckbeaufschlagten Flächen des verschiebbaren Axialdichtelementes so hinsichtlich ihrer Größe, Anordnung und Orientierung ausgebildet, dass eine druckabhängige resultierende Kraft in axialer Richtung verbleibt. Diese Kraft in axialer Richtung drückt die erfindungsgemäßen Axialdichtflächen der zwei aneinander gleitenden Axialdichtelemente aneinander.
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Durch diese Ausgestaltung des Axialdichtelements wird eine druckabhängige und damit auch drehzahlabhängige Anpresskraft der beiden Axialdichtflächen erreicht. Mitzunehmender Drehzahl wird somit die Anpresskraft der Axialdichtflächen erhöht, und damit einer Leckagegefahr bei zunehmender Drehzahl entgegengewirkt. Weder der drehzahlabhängig ansteigende Druck des Fördermediums noch der ebenfalls drehzahlabhängig ansteigende Öldruck im Inneren des Lagers können somit die Dichtigkeit der erfindungsgemäßen Axialdichtung gefährden. Bei niedrigen Drehzahlen hingegen wird der Anpressdruck verringert, woraus sich geringere Reibungsverluste und somit ein verbesserter Wirkungsgrad der Verdrängermaschine sowie ein geringerer Verschleiß der Axialdichtflächen ergibt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die axiale Dichteinheit nicht als ganzes verbaubar, sondern in Einzelteilen montierbar ausgebildet. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, weiteren Einbauraum einzusparen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dieser Art besteht darin, dass im Falle der Ausbildung des Lagers als Wälzlager der Außenring des Wälzlagers mit einer axialen Dichtfläche versehen ist, an der ein korrespondierendes Axialdichtelement dichtend angelegt ist. Die Relativbewegung zwischen Antriebswelle und der Lageraufnahme des Exzenters bzw. des Verdrängerelements findet somit zwischen der Dichtfläche des mit der Lageraufnahme drehenden Außenring und dem mit der Antriebswelle drehenden Dichtelement statt. Durch diese Maßnahme wird der in axialer Richtung benötigte Einbauraum deutlich weiter reduziert.
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Vorzugsweise wird ein Spannelement vorgesehen, mittels dem die beiden mit ihren Axialdichtflächen aneinanderliegenden Axialdichtelemente gegeneinander vorgespannt werden können. Mit einem solchen Spannelement wird in Verbindung mit einem axial verschiebbaren Axialdichtelement zum einen ein selbsttätiger Längenausgleich möglich. Zum anderen kann damit auch die Vorspannung auf einen oder mehrere gewünschte Werte eingestellt werden. In besonderen Ausführungsformen wäre zum Beispiel auch denkbar, dass die Vorspannung parameterabhängig, zum Beispiel drehzahlabhängig vorgenommen wird.
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In einer besonderen Ausführungsform wird das Spannelement als Federelement ausgebildet. Mit Hilfe eines solchen Federelementes kann mit wenig Aufwand die gewünschte Vorspannung unter Beibehaltung eines Längenausgleichs realisiert werden.
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Als Federelement kommt beispielsweise eine Druckfeder in Frage. Eine solche Druckfeder kann unterschiedlich aufgebaut sein. Sie kann beispielsweise als Spiralfeder oder auch als Tellerfeder und/oder Federpaket vorgesehen werden. Ein Federelement kann dabei so ausgestaltet sein, dass es sich über den gesamten Umfang ringförmig erstreckt. Es können jedoch auch mehrere Federelemente über den Umfang verteilt angeordnet werden, um die gleiche Wirkung gleichmäßigen Vorspannung zu erzeugen.
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Zur Führung eines ringförmigen axial verschiebbaren Dichtelementes wird vorzugsweise ein Führungselement in Form eines Nutenrings, das heißt eines Rings mit Ringnut vorgesehen, in die das ringförmige Axialdichtelement einsetzbar ist. In dieser Bauweise ist das Dichtelement nach Art eines Ringkolbens axial verschiebbar in dem Nutring geführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verriegelungselement zur Verhinderung einer axialen Verschiebung des Lageraußenrings in der Lageraufnahme vorgesehen. Diese Maßnahme sorgt für eine zuverlässige Positionierung des Lageraußenrings in axialer Richtung, so dass der Lageraußenring gegenüber dem verschiebbaren axialen Dichtelement fest positioniert ist.
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Vorteilhafterweise wird wenigstens eine Axialdichtfläche wenigstens teilweise oberflächenbehandelt.
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Zum einen können dadurch die Dichteigenschaften, zum anderen jedoch auch die Gleiteigenschaften positiv beeinflusst werden, während die unterhalb der Dichtflächen liegenden Materialien im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften auswählbar sind.
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Eine derartige Oberflächenbehandlung kann beispielsweise in Form einer Beschichtung vorliegen, indem ein Material, das sowohl gute Dicht- als auch gute Gleiteigenschaften aufweist, wie beispielsweise PTFE, aufgetragen wird.
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Auch Keramikoberflächen sind bei einer erfindungsgemäßen Axialdichtung verwendbar. Keramikoberflächen bieten neben einer guten Dichtfähigkeit und Gleitfähigkeit den zusätzlichen Vorteil einer hohen Verschleißfestigkeit.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen
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1 einen Querschnitt durch eine Verdrängermaschine mit Wellendichtringen nach dem Stand der Technik,
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2 einen Querschnitt durch die Exzenterlageraufnahme mit einer erfindungsgemäßen Dichteinheit und
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3 eine Ausschnittsvergrößerung aus 2.
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Die Verdrängermaschine 1 gemäß 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein spiralförmiger Verdrängerkörper 3 angeordnet ist. Der Verdrängerkörper 3 umfasst einen Mittelsteg 4 mit einer Lageraufnahme 5. In der Lageraufnahme 5 ist ein Wälzlager mit Wälzkörper 6 untergebracht. Das Wälzlager ist beidseits durch Wellendichtringe 7, 8 gegenüber dem Fördervolumen der Verdrängermaschine abgedichtet.
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Die Wellendichtringe 7, 8 dichten dabei gegen einen zylinderförmigen Exzenter 9, der als exzentrische Querschnittserweiterung einer Antriebswelle 10 ausgebildet ist.
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Wie in 1 erkennbar ist, ist die Drehachse E des Exzenters 9 gegenüber der Drehachse A der Antriebswelle 10 versetzt.
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In 2 ist eine entsprechende Anordnung ausschnittsweise dargestellt. Hierbei werden für die gegenüber 1 funktionsgleichen Bauelemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
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Das Wälzlager ist als Nadellager ausgebildet und umfasst die Wälzkörper 6, einen Lagerkäfig 11 sowie einen Außenring 12.
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Der Lageraußenring 12 ist über Sicherungsringe 13, 14, die sich an entsprechenden Schultern des Lageraußenrings abstützen und in Ringnuten 15, 16 der Lageraufnahme 5 liegen, gegen axiale Verschiebung gesichert.
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Der Lageraußenring 12 weist eine axiale Dichtfläche 17 auf, an der eine korrespondierende Axialdichtfläche 18 eines axial verschiebbaren Axialdichtelements 19 anliegt. Das Axialdichtelement 19 ist ringförmig und in einer Ringnut 20 einen Nutenrings 21 aufgenommen. Das Axialdichtelement 19 ist in der Ringnut 20 axial verschiebbar und über eine Druckfeder 22 vorgespannt.
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Auf der Innenseite des Nutenrings 21 ist ein Wellenring 23 fest verpresst auf dem Exzenter 9 der Antriebswelle 10 angebracht. Zwischen dem Exzenter 9 und dem Nutenring 21 sowie zwischen dem Axialdichtelement 19 und dem Wellenring 23 sind jeweils ein Dichtring 24, 25 angebracht.
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Zwei Ausgleichsgewichte 26, 27 sind in 2 ebenfalls dargestellt. Die Ausgleichsgewichte 26, 27 sind fest mit dem Exzenter 9 der Antriebswelle 10 verbunden.
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Im Betrieb unterliegt der Exzenter 9 der Antriebswelle 10 gegenüber der Lageraufnahme 5 des Verdrängerkörpers 3 einer drehenden Relativbewegung. Mit dem Exzenter 9 drehfest verbunden ist der Wellenring 23, so dass sich dieser mit der drehenden Relativbewegung des Exzenters 9 dreht. Auch der Nutenring 21 und das Axialdichtelement 19 rotieren gegenüber der Lageraufnahme 5 und somit dem Lageraußenring 12 in dieser Relativbewegung. Dabei gleiten die Axialdichtflächen 17, 18 aufeinander, die über die Druckfeder 22 in axialer Richtung vorgespannt sind.
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Wie aus den Figuren unschwer erkennbar ist, sind sowohl der Lageraußenring 12 als auch das Axialdichtelement 19 in radialer Richtung derart fixiert, dass weder Fliehkräfte noch Vibrationen bei hohen Drehzahlen den dichten Formschluss der Axialdichtflächen 17, 18 beeinträchtigen können. Darüber hinaus ist durch die beschriebene Bauform eine Dichteinheit realisiert, die deutlich weniger Einbauraum benötigt, als dies bislang nach dem Stand der Technik der Fall war. Insbesondere der in radialer Richtung hierfür nicht benötigte Bauraum steht somit für zusätzliches Fördervolumen der Verdrängermaschine 1 zur Verfügung.
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Der Außenraum 28 des Axialdichtelements 19 ist offen gegenüber dem Fördermedium, das mit der Verdrängermaschine 1 gefördert wird. Durch einen Durchlass 29 ist auch die der Lageraufnahme 5 abgewandte Rückseite 30 des Axialdichtelementes zugänglich für das Fördermedium.
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Radial innerhalb der Axialdichtflächen 17, 18 steht das Axialdichtelement 19 mit dem Innenraum 31 der Lageranordnung in Verbindung und ist somit in Kontakt mit dem dort befindlichen Schmiermittel beispielsweise Öl.
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Alle in axialer Richtung verlaufenden druckbeaufschlagten Flächen können naturgemäß durch Druckbeaufschlagung eine Kraft in axialer Richtung entfalten. Die auf der Rückseite 30 des Axialdichtelements befindlichen, quer zur Axialrichtung verlaufenden Flächen sind größer, als die auf der Vorderseite, sodass über eine Druckbeaufschlagung durch Fördermedium eine resultierende Kraft in Richtung zu den Axialdichtflächen 17, 18 hin, d. h. in Richtung F auftritt.
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Das Axialdichtelement 19 weist auf der dem Innenraum 31 zugewandten Seite eine Abschrägung 32 auf. Durch Beaufschlagung dieser Abschrägung 32 mit Schmiermitteldruck kann eine Kraft in entgegengesetzte Richtung zum Pfeil F auftreten. Maßgeblich für den Betrag dieser Kraft ist die Fläche der Projektion der Abschrägung 32 in axialer Richtung.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die verschiedenen druckbeauftragten Flächen so dimensioniert, angeordnet und ausgerichtet, dass eine Drehzahl abhängige Kraftkomponente in Richtung F als resultierende Kraft verbleibt, sodass drehzahlabhängig der Anpressdruck des Abdichtelements 19 bzw. dessen Axialdichtfläche 18 auf die Axialdichtfläche 17 durch Druckbeaufschlagung variiert wird.
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Mit dieser Ausgestaltung der druckbeaufschlagten Flächen wird bei höheren Drehzahlen der Anpressdruck der Dichtflächen erhöht und somit die Dichtigkeit verbessert, während bei kleineren Drehzahlen dieser Anpressdruck verringert wird, wodurch sich geringere Reibungsverluste und somit ein höherer Wirkungsgrad der Verdrängermaschine erzielen lässt.
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Da in besonderen Ausführungsformen der Schmiermittel erst nach dem Druck des Fördermittels ansteigt, da der Schmiermitteldruck in der Regel auf der Basis des anliegenden Fördermitteldrucks geregelt wird, wird zudem gewährleistet, dass der erhöhte Anpressdruck zwischen den Axialgleitflächen bereits anliegt, bevor der Schmiermitteldruck auf der Innenseite ansteigt. Diese und viele weitere Vorteile sind mit der Erfindung zu erreichen.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung besteht darin, dass anstelle einer radialen Dichtlippe zwei Axialdichtflächen 17, 18 den schmiermittelhaltigen Bereich des Wälzlagers 6 gegenüber dem Fördervolumen dichten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdrängermaschine
- 2
- Verdrängergehäuse
- 3
- Verdrängerkörper
- 4
- Mittelsteg
- 5
- Lageraufnahme
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Wellendichtring
- 8
- Wellendichtring
- 9
- Exzenter
- 10
- Antriebswelle
- 11
- Lagerkäfig
- 12
- Lageraußenring
- 13
- Sicherungsring
- 14
- Sicherungsring
- 15
- Ringnut
- 16
- Ringnut
- 17
- Axialdichtfläche
- 18
- Axialdichtfläche
- 19
- Axialdichtelement
- 20
- Ringnut
- 21
- Nutenring
- 22
- Druckfeder
- 23
- Wellenring
- 24
- Dichtring
- 25
- Dichtring
- 26
- Ausgleichsgewicht
- 27
- Ausgleichsgewicht
- 28
- Außenraum
- 29
- Durchlass
- 30
- Rückseite
- 31
- Innenraum
- 32
- Abschrägung
