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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Wandung, einen unbeweglichen Stator mit einer Grundplatte und einer sich von einer Seite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie einen beweglichen Orbiter mit einer Grundplatte und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die Grundplatten sind derart zueinander angeordnet, dass die Wandung des Stators und die Wandung des Orbiters ineinander greifen und geschlossene Arbeitsräume ausgebildet sind. In Reaktion auf eine Bewegung des Orbiters werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert. Zudem ist eine Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens des beweglichen Orbiters in Bezug auf den unbeweglichen Stator ausgebildet.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen oder als Scrollverdichter ausgebildet. Die Verdichter werden dabei entweder über eine Riemenscheibe oder elektrisch angetrieben.
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Aus den 1a und 1b geht jeweils ein aus dem Stand der Technik bekannter Scrollverdichter 1' in Schnittdarstellung und aus 1c in einer Draufsicht hervor.
Herkömmliche Scrollverdichter 1' weisen ein Gehäuse 2, einen unbeweglichen, fest stehenden Stator 3 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 3a und einer sich von einer Seite der Grundplatte 3a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 3b sowie einen beweglichen Orbiter 4 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 4a und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte 4a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 4b auf. Stator 3 und Orbiter 4, welche auch kurz als unbewegliche oder feste Spirale 3 beziehungsweise als bewegliche Spirale 4 bezeichnet werden, wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten 3a, 4a derart zueinander angeordnet, dass die Wandung 3b des Stators 3 und die Wandung 4b des Orbiters 4 ineinander greifen.
Die bewegliche Spirale 4 wird mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Bei der Bewegung der Spirale 4 berühren sich die Wandungen 3b, 4b an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen 3b, 4b mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume 5 aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume 5 unterschiedlich große Volumina begrenzen. In Reaktion auf die Bewegung des Orbiters 4 werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume 5 verändert. Die Volumina der Arbeitsräume 5 werden zur Mitte der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b, welche auch als Spiralwandungen bezeichnet werden, hin zunehmend kleiner.
Der Exzenterantrieb wird aus einer Antriebswelle 6, welche um eine Rotationsachse 7 rotiert, und einem Zwischenelement 8 gebildet. Die Antriebswelle 6 ist über ein erstes Lager 9 am Gehäuse 2 abgestützt. Der Orbiter 4 ist über das Zwischenelement 8 mit der Antriebswelle 6 exzentrisch verbunden, das heißt die Achse des Orbiters 4 und der Antriebswelle 6 sind versetzt zueinander angeordnet. Der Orbiter 4 ist über ein zweites Lager 10 auf dem Zwischenelement 8 abgestützt.
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Zum Stand der Technik gehörende Scrollverdichter 1' weisen zudem eine Führungsvorrichtung 11' auf, welche eine Rotation der beweglichen Spirale 4 verhindert und das Kreisen der beweglichen Spirale 4 ermöglicht. Die Führungsvorrichtung 11' umfasst meist eine Mehrzahl kreisrunder Öffnungen 11'a, welche in bestimmten Abständen benachbart zueinander angeordnet sind. Dabei sind die bevorzugt als Sackbohrungen ausgebildeten Öffnungen 11'a in einer Rückseite der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 ausgebildet.
Des Weiteren weist die Führungsvorrichtung 11' Stifte 11'b auf, welche an einer Wandung 12 des Gehäuses 2 hervorragend ausgebildet sind und jeweils in eine in der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 ausgebildeten Öffnung 11'a eingreifen. Die Stifte 11'b stehen mit einem ersten Ende aus der Wandung 12 hervor, während ein zweites Ende in der Wandung 12 des Gehäuses 2 angeordnet ist.
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Aus der
WO 2015 060038 A1 geht ein Scrollverdichter mit einer Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens der beweglichen Spirale hervor. Die Führungsvorrichtung weist in der Grundplatte der beweglichen Spirale ausgebildete Öffnungen auf, in welche Stifte eingreifen. Die Stifte sind in das Gehäuse, insbesondere in im Gehäuse ausgebildete Bohrungen, eingepresst angeordnet.
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In der
JP 2009-281280 wird ein Scrollverdichter mit einer Kühlung eines Drehpositionsregelmechanismus der beweglichen Spirale beschrieben. Eine als Mittelplatte des Gehäuses ausgebildete Komponente weist Durchgangsbohrungen für Führungsstifte zur Orientierung für die bewegliche Spirale auf. Die Führungsstifte sind jeweils in eine der Durchgangsbohrungen eingepresst angeordnet.
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Wie aus den 1a und 1b zudem hervorgeht, sind bekannte Scrollverdichter 1' mit der innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten und am Gehäuse 2 fixierten Wandung 12, auch als Gegenwandung 12 bezeichnet, ausgebildet. Zwischen der Gegenwandung 12 und der beweglichen Spirale 4 ist ein Gegendruckbereich 13 ausgebildet. Aufgrund des innerhalb des Gegendruckbereichs 13 vorherrschenden Gegendrucks wird die bewegliche Spirale 4 mit einer Kraft gegen die, ebenso wie die Gegenwandung 12 am Gehäuse 2 fixierte, feste Spirale 3 gedrückt.
Zum Abdichten des Gegendruckbereichs 13 und eines Ansaugbereichs 14 ist zwischen der beweglichen Spirale 4 und der Gegenwandung 12 ein ringförmiges, insbesondere ein kreisringförmiges Dichtelement 15' angeordnet. Das Dichtelement 15' der Ausführung der Vorrichtung 1' gemäß den 1a bis 1c ist mit einem Innendurchmesser von beispielsweise etwa 80 mm ausgebildet.
Die bewegliche Spirale 4 weist an einem Ende eine zur Gegenwandung 12 hin ausgerichtete Oberfläche 16 auf. Das Dichtkonzept des Scrollverdichters 1' umfasst neben dem Dichtelement 15' ein als Platte ausgebildetes Gleitelement 17, welches fest und unbeweglich mit dem Gehäuse 2, insbesondere mit der Gegenwandung 12, verbunden ist.
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Das zwischen der Gegenwandung 12 und der Spirale 4 angeordnete plattenförmige, statische Gleitelement 17 dient dabei als Auflagefläche der Oberfläche 16 der beweglichen Spirale 4 mit dem Dichtelement 15' und der Kompensation der bei der Relativbewegung zwischen der Gegenwandung 12 und der Spirale 4 erzeugten Reibung. In Kombination mit dem Dichtelement 15' dichtet das Gleitelement 17 den Ansaugbereich 14 und den Gegendruckbereich 13 als mit zwei unterschiedlichen Drücken beaufschlagte Druckkammern gegeneinander ab. Zudem muss das Gleitelement 17 fluiddicht an der Gegenwandung 12 des Gehäuses 2 anliegen. Die fluiddichte Verbindung wird mittels Adhäsion und einem Schmiermittel, insbesondere einem Kältemittelölgemisch, gewährleistet. Das Gleitelement 17 ist aus einem Material mit sehr guten tribologischen Eigenschaften ausgebildet, ist korrosionsbeständig sowie thermisch resistent.
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Die orbitierende beziehungsweise kreisende Bewegung der beweglichen Spirale 4 in Bezug auf die feste Spirale 3 wird zusammenfassend durch eine Kombination der Bewegung der beweglichen Spirale 4 auf einer Kreisbahn und der auf der Rückseite der Grundplatte 4a des Orbiters 4 angeordneten Führungsvorrichtung 11' sichergestellt. Die kreisende Bewegung wird dabei durch das in das radiale Zentrum der beweglichen Spirale 4 eingreifende Zwischenelement 8, welches mit einem in einem entsprechenden Kurbelradius angeordneten Kurbelzapfen exzentrisch auf der Antriebswelle 6 befestigt ist, bewirkt. Die Führungsvorrichtung 11' verhindert eine Rotation der orbitierenden beweglichen Spirale 4 um die zentrale Achse, insbesondere um die Rotationsachse 7 der Antriebswelle 6. Die als Führungselemente dienenden und in der Gegenwandung 12 angeordneten Stifte 11'b sowie die als Taschen in der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 ausgebildeten Öffnungen 11'a dienen der Führung der umlaufenden und damit beweglichen Spirale 4. Dabei sind die in einem rückwärtig zur beweglichen Spirale 4 angeordneten Elemente des Gehäuses 2 auf einem Teilkreisradius R' in gleichbleibender Winkelaufteilung angeordneten Stifte 11'b der Führungsvorrichtung 11' auf der Rückseite der Grundplatte 4a in die als zylindrische Taschen ausgebildeten Öffnungen 11'a der beweglichen Spirale 4 eingreifend ausgebildet. Innerhalb der kreiszylindrischen Öffnungen 11'a sind kreisringförmige Gleitelemente ausgebildet, welche einen Verschleiß der Oberfläche der Öffnungen 11'a und der Stifte 11'b verringern. Die zum Abstützen der Orbitalbewegung der beweglichen Spirale 4 dienenden kreisringförmigen Gleitelemente liegen, insbesondere gemäß den 1a und 1c, mit der äußeren Mantelfläche am Umfang der Öffnungen 11'a an. Die Stifte 11'b gleiten jeweils mit der Längsseite an der inneren Mantelfläche der Gleitelemente entlang. Die kreisringförmigen Gleitelemente werden auch als Lagerringe bezeichnet.
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Der Teilkreisradius R', auf welchem die Stifte 11'b der Führungsvorrichtung 11' in der Wandung 12 des Gehäuses 2 angeordnet sind, ist jedoch begrenzt, da die als zylindrische Taschen ausgebildeten Öffnungen 11'a in der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 umfänglich geschlossen auszubilden sind, um beispielsweise umfänglich geschlossene Gleitringe zur Verschleißminderung als Gleitpartner für die Stifte 11'b aufnehmen zu können. Die abzustützenden Kräfte F, welche aus dem auf die bewegliche Spirale 4 um deren zentrale Achse wirkenden Drehmomentes resultieren, sind dabei wiederum vom Teilkreisradius R' als Hebelarm L1 abhängig, welcher in der Ausdehnung jedoch begrenzt ist. Der Teilkreisradius R' beträgt in der Ausführung der Vorrichtung 1' gemäß der 1a bis 1c beispielsweise 28,5 mm. In 1d ist ein Schema der Drehmomentenaufnahme und der Kraftverteilung mit einem Hebelarm L1 der Führungsvorrichtung 11' der Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik gezeigt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere der Weiterentwicklung eines Scrollverdichters, mit Führungsstiften und Öffnungen einer Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens der beweglichen Spirale, um eine maximale Lebensdauer der Vorrichtung zu gewährleisten. Die Belastungen, das heißt die zwischen den Führungsstiften und Öffnungen wirkenden Kräfte, sind zu minimieren. Die Vorrichtung ist dabei für hohe Drucklagen des Fluids auszubilden. Zudem soll die Vorrichtung eine möglichst geringe Anzahl an Einzelkomponenten und Bauteilen aufweisen. Die Vorrichtung soll konstruktiv einfach realisierbar sein, um die Kosten bei der Herstellung und der Wartung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Wandung, einen unbeweglichen Stator mit einer Grundplatte und einer sich von einer Seite der Grundplatte des Stators aus erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie einen beweglichen Orbiter mit einer Grundplatte und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte des Orbiters aus erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die Grundplatten sind dabei derart zueinander angeordnet, dass die Wandung des Stators und die Wandung des Orbiters ineinander greifen und geschlossene Arbeitsräume ausgebildet sind. In Reaktion auf eine Bewegung des Orbiters werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert.
Die Vorrichtung weist zudem eine Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens des beweglichen Orbiters mit mindestens einer Öffnung und mindestens einem Stift auf. Die Führungsvorrichtung ist zwischen einer Rückseite der Grundplatte des Orbiters und der Wandung des Gehäuses ausgebildet. Dabei greift der mindestens eine Stift je nach Lage des beweglichen Orbiters zur Wandung des Gehäuses und zum unbeweglichen Stator in die mindestens eine Öffnung ein.
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Nach der Konzeption der Erfindung sind eine Mittelachse der mindestens einen Öffnung der Führungsvorrichtung mit einem maximalen Teilkreisradius zu einer Achse des beweglichen Orbiters oder zu einer Rotationsachse einer Antriebswelle und eine Mittelachse des mindestens einen Stiftes der Führungsvorrichtung mit einem maximalen Teilkreisradius zu einer Achse des beweglichen Orbiters oder zu einer Rotationsachse einer Antriebswelle angeordnet. Die Achse des beweglichen Orbiters und die Rotationsachse der Antriebswelle sind dabei parallel zueinander ausgerichtet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Öffnung der Führungsvorrichtung in der Rückseite der Grundplatte sowie an einem äußeren Umfang der Grundplatte des Orbiters und der mindestens eine Stift mit der Wandung des Gehäuses fest verbunden sowie aus der Wandung hervorragend ausgebildet sind. Dabei sind die Mittelachse der mindestens einen Öffnung mit dem maximalen Teilkreisradius zur Achse des beweglichen Orbiters und die Mittelachse des mindestens einen Stiftes mit dem maximalen Teilkreisradius zur Rotationsachse der Antriebswelle angeordnet.
Der mindestens eine Stift ist vorteilhaft in einer in der Wandung ausgebildeten Öffnung, insbesondere einem Sackloch, angeordnet und innerhalb der Öffnung mit dem Gehäuse verpresst.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Öffnung der Führungsvorrichtung im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse und damit auch zur Achse des beweglichen Orbiters als ein Kreissegment ausgebildet.
Der Querschnitt der mindestens einen Öffnung weist dabei vorteilhaft einen offenen Teilkreis mit einer eingeschlossenen Kreisbogenlänge von maximal 180° auf.
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Der mindestens eine Stift greift damit je nach Lage des beweglichen Orbiters zur Wandung des Gehäuses und zum unbeweglichen Stator in das Kreissegment der Öffnung ein und liegt an der im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse als Kreisbogen ausgebildeten Begrenzungswand der Öffnung an.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Öffnung der Führungsvorrichtung im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse und damit auch zur Achse des beweglichen Orbiters als eine kreisrunde Öffnung mit einer umfänglich geschlossenen Kontur ausgebildet. Der mindestens eine Stift greift damit stets in die kreisrunde Öffnung ein und liegt je nach Lage des beweglichen Orbiters zur Wandung des Gehäuses und zum unbeweglichen Stator an der im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse als Kreis ausgebildeten, kreiszylindrischen Begrenzungswand der Öffnung an.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Führungsvorrichtung jeweils mit mindestens drei Öffnungen und Stiften, insbesondere jeweils sechs Öffnungen und Stiften, ausgebildet, welche jeweils paarweise mit dem Teilkreisradius gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem beweglichen Orbiter und der Wandung des Gehäuses ein kreisringförmiges Dichtelement zum Abdichten eines Gegendruckbereichs und eines Ansaugbereichs der Vorrichtung angeordnet.
Dabei ist der Teilkreisradius der Führungsvorrichtung als Abstand zwischen der Mittelachse der Öffnung beziehungsweise der Mittelachse des Stiftes zur Achse des beweglichen Orbiters oder zur Rotationsachse der Antriebswelle bevorzugt größer als ein Radius des ringförmigen Dichtelements.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement innerhalb einer an der Rückseite des beweglichen Orbiters ausgebildeten Nut, aus der Nut hervorragend und an der Wandung des Gehäuses anliegend angeordnet.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement innerhalb einer an der Wandung des Gehäuses ausgebildeten Nut, aus der Nut hervorragend und an der Rückseite des beweglichen Orbiters anliegend angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere als Weiterentwicklung eines Scrollverdichters und zum Bereitstellen eines Konzepts zum Führen einer Orbitalbewegung mit einer minimalen Anzahl an erforderlichen Komponenten weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - Verringern der Lasten, das heißt auftretender Kräfte, innerhalb der Führung und Abstützung der beweglichen Spirale,
- - geringere Belastung ermöglicht den Verzicht auf ringförmige Gleitelemente innerhalb der als Taschen ausgebildeten Öffnungen der Führungsvorrichtung, damit verringern der Anzahl für die Orbitalführung erforderlicher Elemente und Einzelkomponenten,
- - geringerer radialer Platzbedarf der halbkreisförmigen als Taschen ausgebildeten Öffnungen der Führungsvorrichtung ermöglicht die Verlagerung des rückseitig des Orbiters angeordneten und als Druckraum-Dichtung ausgebildeten Dichtelements in das Gehäuse,
- - damit kann auch auf das Gleitelement verzichtet werden, was die Anzahl erforderlicher Elemente und Einzelkomponenten verringert, sowie
- - maximale Lebensdauer der Vorrichtung, welche zudem für hohe Drucklagen des zu verdichtenden Fluids ausgebildet ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1a bis 1c: einen Verdichtungsmechanismus eines Scrollverdichters mit einer Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens der beweglichen Spirale in seitlichen Schnittdarstellungen und in Draufsicht aus dem Stand der Technik,
- 1d: ein Schema der Drehmomentenaufnahme und Kraftverteilung mit Hebelarm der Führungsvorrichtung aus dem Stand der Technik,
- 2a und 2b: einen Verdichtungsmechanismus eines Scrollverdichters mit einem Stator und einem Orbiter, welche über die ineinandergreifenden spiralförmigen Wandungen Arbeitsräume ausbilden, mit einer erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens der beweglichen Spirale in seitlicher Schnittdarstellung und in Draufsicht sowie
- 2c: ein Schema der Drehmomentenaufnahme und Kraftverteilung mit Hebelarm der Führungsvorrichtung aus den 2a und 2b.
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In den 2a und 2b ist eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Scrollverdichter, mit einem im Gehäuse 2 angeordneten Verdichtungsmechanismus aus einem Stator 3 und einem Orbiter 4 in einer seitlichen Schnittdarstellung und in einer Draufsicht gezeigt. Die jeweils an einer Grundplatte 3a, 4a angeordneten und ineinandergreifenden spiralförmigen Wandungen 3b, 4b bilden die Arbeitsräume 5 aus, was insbesondere aus 2a hervorgeht.
Der Orbiter 4 wird über einen Exzenterantrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, sodass die spiralförmige Wandung 4b um die stationäre spiralförmige Wandung 3b kreist. Bei der relativen Bewegung der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b berühren sich die Wandungen 3b, 4b mehrfach und bilden innerhalb der Windungen mehrere kleiner werdende Arbeitsräume 5. Durch die gegenläufige Bewegung der zwei ineinander verschachtelten, spiralförmigen Wandungen 3b, 4b werden die Arbeitsräume 5 verkleinert und das Fluid komprimiert. Das zu verdichtende gasförmige Fluid, insbesondere ein Kältemittel, wird angesaugt, innerhalb der Vorrichtung 1 verdichtet und über einen Auslass ausgestoßen.
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Eine den Orbiter 4 antreibende, nicht dargestellte Antriebswelle ist über ein ebenfalls nicht dargestelltes Lager, insbesondere ein Kugellager, am Gehäuse 2 abgestützt gehaltert. Die Antriebswelle und das Lager rotieren um die Rotationsachse 7. Die Antriebswelle ist zudem über ein Zwischenelement 8, welches insbesondere in 2b gezeigt ist, und ein weiteres, nicht dargestelltes Lager exzentrisch mit dem Orbiter 4 mechanisch verbunden.
Die Wandung 12 begrenzt den zwischen dem Orbiter 4 und dem Gehäuse 2 ausgebildeten Gegendruckbereich 13 und bildet zudem eine Trennwand zwischen dem Gegendruckbereich 13 und dem Ansaugbereich 14 aus. Der Gegendruckbereich 13 ist dabei auf der Rückseite der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4, bezüglich der spiralförmigen Wandungen 4b, ausgebildet und dient dem Andrücken der bewegliche Spirale 4 gegen die feste Spirale 3. Der Gegendruckbereich 13, auch als Gegendruckkammer bezeichnet, wird mit einem Zwischendruck zwischen dem Saugdruck und dem Auslassdruck des im Wesentlichen gasförmigen Fluids beaufschlagt.
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Um den Gegendruckbereich 13 und den Ansaugbereich 14 gegeneinander abzudichten, ist zwischen der Gegenwandung 12 und der zur Gegenwandung 12 hin ausgerichteten Oberfläche 16 der beweglichen Spirale 4 ein ringförmiges, insbesondere ein kreisringförmiges Dichtelement 15 angeordnet. Das in einer im Bereich der Oberfläche 16 ausgebildeten Nut, aus der Nut hervorragend angeordnete Dichtelement 15 liegt damit innerhalb der Nut an der beweglichen Spirale 4 und mit dem aus der Nut hervorragenden Bereich direkt an der Gegenwandung 12 des Gehäuses 2 an. Auf ein Gleitelement, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, vergleiche 1a und 1b, kann verzichtet werden.
Das Dichtelement 15 der Vorrichtung 1, gemäß den 2a und 2b, weist im Vergleich zur Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik, gemäß den 1a bis 1c, einen Innendurchmesser von beispielsweise etwa 63 mm auf. Das Dichtelement 15' der Vorrichtung 1' ist im Gegensatz dazu mit einem wesentlich größeren Durchmesser von etwa 80 mm ausgebildet.
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Zur Verminderung von bei der Bewegung der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b zueinander und der spiralförmigen Wandung 4b des Orbiters 4 zur Gegenwandung 12 erzeugten Reibungswärme sowie zur Verbesserung der Abdichtungen zwischen den Begrenzungsflächen der Arbeitsräume 5 und zwischen dem Gegendruckbereich 13 und dem Ansaugbereich 14 wird dem Fluid ein Schmiermittel, insbesondere ein Öl, zugegeben.
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Die Vorrichtung 1 ist zudem mit einer Führungsvorrichtung 11 zum Verhindern der Rotation und zum Ermöglichen des Kreisens der beweglichen Spirale 4 in Bezug auf die feste Spirale 3 ausgebildet.
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Die Führungsvorrichtung 11 weist eine Mehrzahl in der Rückseite der Grundplatte 4a des Orbiters 4 in Richtung des Gegendruckbereichs 13 ausgebildeter Öffnungen 11a sowie Stifte 11b auf. Die Stifte 11b sind jeweils in einem gleichen Abstand von der Rotationsachse 7, welcher dem Teilkreisradius R entspricht, beabstandet angeordnet und gleichmäßig über den Umfang verteilt. In der Ausführungsform gemäß den 2a und 2b weist die Führungsvorrichtung 11 jeweils sechs Öffnungen 11a und Stifte 11b auf.
Der Teilkreisradius R der Ausführung der Vorrichtung 1, gemäß den 2a und 2b, beträgt beispielsweise 42,5 mm im Vergleich zur Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik, gemäß den 1a bis 1c, welche im Gegensatz dazu mit einem wesentlich geringeren Teilkreisradius R' von etwa 28,5 mm ausgebildet ist.
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Die Stifte 11b greifen je nach Lage und Position der beweglichen Spirale 4 zur Wandung 12 beziehungsweise zur festen Spirale 3 in die Öffnungen 11a ein. Dabei greift stets mindestens ein Stift 11b in mindestens eine Öffnung 11a ein. Die Öffnungen 11a sind dabei im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse 7 jeweils als ein Kreissegment, auch als Kreisabschnitt bezeichnet, ausgebildet. Unter einem Kreissegment ist dabei eine Teilfläche einer Kreisfläche zu verstehen, welche von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt ist, wobei ein Kreisbogen als eine zusammenhängende Teilmenge des Kreises, das heißt der Kreislinie, definiert ist und eine Verbindungsstrecke von zwei Punkten auf der Kreislinie als Kreissehne bezeichnet wird. Der Durchmesser des Kreises, welcher durch den Mittelpunkt verläuft, stellt dabei die längste Kreissehne dar.
Speziell zum Minimieren der erforderlichen Abstützkräfte sind die Mittelachsen der Öffnungen 11a mit einem möglichst maximalen Teilkreisradius R radial derart weit außen angeordnet, dass die Kanten der Öffnungen 11a offene Teilkreise mit maximal 180° eingeschlossener Kreisbogenlänge bilden.
Die am äußeren Radius der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 ausgebildeten kreissegmentförmigen Öffnungen 11a werden bevorzugt durch einen einfachen Fräsprozess oder Drehvorgang erzeugt.
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Die Stifte 11b sind jeweils mit einem ersten Ende in Richtung einer Öffnung 11a oder je nach Lage und Position der beweglichen Spirale 4 zur Wandung 12 in eine Öffnung 11a hineinragend angeordnet, während das zweite Ende mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die als Positionselemente und als Führungselemente ausgebildeten Stifte 11b sowie die als Ausnehmungen in der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 ausgebildeten Öffnungen 11a sind zur Führung der beweglichen Spirale 4 vorgesehen.
Die an der Gegenwandung 12 des Gehäuses 2 angeordneten Stifte 11b, welche oberhalb einer durch den Durchmesser der beweglichen Spirale 4 horizontal ausgerichteten Ebene angeordnet sind, befinden sich im Eingriff mit den dazugehörigen Öffnungen 11a, während die unterhalb der durch den Durchmesser der beweglichen Spirale 4 horizontal ausgerichteten Ebene angeordneten Stifte 11b außerhalb der dazugehörigen Öffnungen 11a positioniert sind.
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Die Stifte 11b sind jeweils in in der Wandung 12 ausgebildeten Öffnungen, insbesondere Sacklöchern, angeordnet und innerhalb der Öffnungen mit dem Gehäuse 2 verpresst. Die Stifte 11b gewährleisten mit der dauerhaften Anordnung in ihrer Position und Parallelität zueinander optimale Führungsbedingungen für die bewegliche Spirale 4.
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Im Vergleich zur Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik ist der Abstand der Öffnungen 11a und der Stifte 11b der Führungsvorrichtung 11 zur Rotationsachse 7, das heißt der Teilkreisradius R, größer als der Radius des ringförmigen Dichtelements 15. Der Radius des ringförmigen Dichtelements 15 ist folglich geringer als der Teilkreisradius R der kreisförmigen Anordnung der Stifte 11b beziehungsweise der kreisförmigen Anordnung der Öffnungen 11a der Führungsvorrichtung.
Die Öffnungen 11a sind dabei am äußeren oder äußersten Rand der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 und damit mit dem größtmöglichen Abstand zur Rotationsachse 7 beziehungsweise dem größtmöglichen Teilkreisradius R und maximalem Hebelarm für in der Vorrichtung 1 wirkenden Drehmomenten ausgebildet.
Damit wird folglich die radiale Anordnung der Führungsvorrichtung 11 und des ebenfalls rückwärtig in der bewegten Spirale 4 angeordneten ringförmigen Dichtelements 15 oder einer in selbiger Position angeordneten ringförmigen ebenen Gleitfläche als korrespondierendes Element eines an der Gegenwandung des Gehäuses gehalterten ringförmigen Dichtelements im Vergleich zur Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik umgekehrt. Das Dichtelement wird radial nach innen versetzt angeordnet, wobei gleichzeitig eine radial nach außen versetzte Anordnung der Öffnungen 11a möglich wird. Damit wird auch der Bauraum für ein mögliches Gleitelement des Dichtelements vergrößert.
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Insbesondere der geringere radiale Platzbedarf der kreissegmentförmigen Öffnungen ermöglicht die Anordnung des Dichtelements im Gehäuse. Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist das ringförmige Dichtelement an der Gegenwandung des Gehäuses gehaltert ausgebildet. Das in einer in der Gegenwandung ausgebildeten Nut, aus der Nut hervorragend angeordnete Dichtelement liegt damit innerhalb der Nut an der Gegenwandung des Gehäuses und mit dem aus der Nut hervorragenden Bereich direkt an der beweglichen Spirale, insbesondere an der zur Gegenwandung hin ausgerichteten Oberfläche der beweglichen Spirale, an.
Mit der Anordnung des Dichtelements an der Gegenwandung des Gehäuses kann die bewegliche Spirale als einzelnes Element und damit einstückig, ohne zusätzliche Komponenten, wie das Dichtelement, ausgebildet werden. Lediglich bei einem nicht ausreichenden Verschleißwiderstand wird die bewegliche Spirale mit einer Verschleißschutzschicht versehen, sodass das Dichtelement im Bereich der Verschleißschutzschicht an der beweglichen Spirale anliegt.
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Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Teilkreisradius R der Öffnungen mindestens derart groß gewählt, dass die Öffnungen gerade noch eine geschlossene Kontur innerhalb des äußeren Durchmessers der bewegten Spirale ausbilden.
Dabei weist die Führungsvorrichtung eine Mehrzahl kreisrunder, in der Grundplatte des Orbiters in Richtung des Gegendruckbereichs ausgebildeter Öffnungen sowie Stifte auf. Die Stifte sind jeweils mit dem ersten Ende in eine Öffnung hineinragend ausgebildet, während das zweite Ende mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Öffnungen sind bevorzugt als Sackbohrungen, insbesondere als zylindrische Taschen, in der Grundplatte der beweglichen Spirale ausgebildet.
Die Öffnungen sind dabei derart am äußeren Rand der Grundplatte der beweglichen Spirale und damit mit dem größtmöglichen Abstand zur Rotationsachse beziehungsweise dem größtmöglichen Teilkreisradius angeordnet, dass die zylindrischen Taschen umfänglich geschlossen sind und der Querschnitt der Öffnungen nicht lediglich als ein Kreissegment ausgebildet ist.
Der Radius des ringförmigen Dichtelements ist dabei ebenfalls geringer als der Teilkreisradius der kreisförmigen Anordnung der Stifte beziehungsweise der kreisförmigen Anordnung der Öffnungen der Führungsvorrichtung.
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Aus 2c geht ein Schema der Drehmomentenaufnahme und der Kraftverteilung mit Hebelarmen L1, L2 der Führungsvorrichtung 11 der Vorrichtung 1 aus den 2a und 2b hervor.
Die abzustützenden Kräfte F, welche aus dem auf die bewegliche Spirale 4 um deren zentrale Achse wirkenden Drehmomentes resultieren, sind dabei wiederum vom Teilkreisradius R sowie der Lage und Position der beweglichen Spirale 4 zur Wandung 12 und damit zu den Stiften 11b abhängig. Bei der Vorrichtung 1 aus den 2a und 2b mit sechs gleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordneten Öffnungen 11a und Stiften 11b der Orbitalführung entspricht der maximale Hebelarm L1 dem radialen Abstand zwischen einer durch das Zentrum des Orbiters 4 verlaufenden Achse und der Mittelachse der auf dem Orbiter 4 angeordneten Öffnungen 11a. Der minimale Hebelarm L2 ergibt sich aus dem Verhältnis L2/L1 = sin 60° = 0,866 zu L2 = 0,866 · L1.
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Mit dem Vergrößern des Teilkreisradius R im Vergleich zum Teilkreisradius R' der Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik ist selbst der minimale Hebelarm L2 der Vorrichtung 1 wesentlich länger als der Teilkreisradius R' als Hebelarm der Vorrichtung 1', sodass bei gleichbleibendem, um die zentrale Achse der Vorrichtung 1 wirkendem Drehmoment die auf die Stifte 11b und auf die Mantelflächen der Öffnungen 11a der Vorrichtung 1 wirkenden Kräfte wesentlich geringer sind.
Für das Führen der beweglichen Spirale 4 auf der Umlaufbahn wird lediglich das Drehmoment betrachtet, da die radiale Kraft durch den Kontakt der Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 von den Spiralen 3, 4 aufgenommen wird. Die von den Stiften 11b und den dazugehörigen Mantelflächen der Öffnungen 11a aufzunehmende Belastung ist damit auf das Antirotationsmoment reduziert. Durch die Trennung des Abstützens der Radialkraft und des Abstützens des Drehmomentes auf die bewegliche Spirale 4 ist der Wert der Linienlast zwischen den Stiften 11b und den Mantelflächen der Öffnungen 11a geringer als der Wert der Radialkraft zwischen den Spiralen 3, 4. Mit dem Vergrößern des Teilkreisradius R wird der Wert der Linienlast weiter reduziert.
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Mit dem Vergrößern des wirksamen Kontaktradius und damit dem Reduzieren der wirkenden Kräfte F beziehungsweise der Linienlast zwischen den Stiften 11b und den Mantelflächen der Öffnungen 11a wird der Verschleiß der Führungsvorrichtung 11 verringert, sodass unter Verwendung entsprechend abriebfester Werkstoffe für die Spirale 4 die innerhalb der Öffnungen 11a angeordneten Lagerringe entfallen können. Die bewegliche Spirale 4 ist damit direkt und ohne Zwischenelement auf den Stiften 11b abgestützt gelagert.
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Mit dem Anordnen der kreisförmigen Öffnungen auf einem maximalen Teilkreisradius R, was zur Ausbildung von kreissegmentförmigen Öffnungen 11a und damit Öffnungen 11a mit unterbrochener Mantelfläche führt, können die Öffnungen 11a in Kombination mit den Stiften 11b der Führungsvorrichtung 11 zum Führen lediglich einen begrenzten Winkelbereich übernehmen. Der Winkelbereich beträgt bei einer Anordnung von je sechs Öffnungen 11a und Stiften 11b lediglich 30° im Vergleich zu einem Winkelbereich von 60° bei einer Ausbildung von kreisförmigen Öffnungen mit umfänglich geschlossenen Mantelflächen.
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Die offene, kreissegmentförmige Ausbildung der Öffnungen 11a erzwingt eine phasenweise Verteilung der Abstützfunktion auf die benachbarten Öffnungen 11a. Wegen des wesentlich längeren Hebelarms L1, L2 bei der Anordnung der Öffnungen 11a am Außendurchmesser der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 werden die Kräfte zum Abstützen der aus dem Verdichtungsvorgang resultierenden Drehmomente, welche um die Führungsachse der beweglichen Spirale 4 wirken, jedoch minimiert. Dabei sind die wirkende Kraft F beziehungsweise die Linienkontaktlast umgekehrt proportional zum Teilkreisradius R.
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Mit dem Reduzieren der wirkenden Kräfte F als Kontaktlast zwischen den Mantelflächen der Öffnungen 11a und den Stiften 11b, welche die Momentabstützung zur Begrenzung der Rotation der beweglichen Spirale 4 bewirken, wird abhängig vom Material der interagierenden Komponenten ein Verzicht auf die zusätzlichen, in den Öffnungen der Führungsvorrichtung 11 eingepassten Lagerringe beziehungsweise Gleitringe möglich. Zudem kann die Anzahl der auf dem größeren Teilkreisumfang angeordneten Paarungen der Öffnungen und der Stifte der Führungsvorrichtung erweitert werden.
Die Mindestanzahl der paarweise ausgebildeten Öffnungen 11a und Stifte 11b der Führungsvorrichtung 11 ist mindestens drei, die maximale Anzahl ist durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt, beispielsweise auf neun.
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Mit dem Vergrößern des Teilkreisradius R wird bei gleichem nominalen Spiel innerhalb der Führungsvorrichtung 11 zudem die Verdrehung zwischen den Stiften 11b und den Öffnungen 11a reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Scrollverdichter, Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator, feste Spirale
- 3a
- Grundplatte feste Spirale 3
- 3b
- Wandung feste Spirale 3
- 4
- Orbiter, bewegliche Spirale
- 4a
- Grundplatte bewegliche Spirale 4
- 4b
- Wandung bewegliche Spirale 4
- 5
- Arbeitsraum
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Rotationsachse Antriebswelle 6
- 8
- Zwischenelement mit Zusatzgewicht
- 9
- erstes Lager
- 10
- zweites Lager
- 11, 11'
- Führungsvorrichtung
- 11a, 11'a
- Öffnung
- 11b, 11'b
- Stift
- 12
- Wandung, Gegenwandung
- 13
- Gegendruckbereich, Gegendruckkammer
- 14
- Ansaugbereich
- 15, 15'
- Dichtelement
- 16
- Oberfläche bewegliche Spirale 4
- 17
- Gleitelement
- L1, L2
- Hebelarm
- R, R'
- Teilkreisradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015060038 A1 [0005]
- JP 2009281280 [0006]
