DE102022116197A1

DE102022116197A1 - Orbitalkolbenverdichter mit umfänglich versetzten Zylinderbaugruppen sowie wellenintegrierten Lagersitzen

Info

Publication number: DE102022116197A1
Application number: DE102022116197.8A
Authority: DE
Inventors: David Huber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Orbitalkolbenverdichter (1) mit zwei oder mehr Orbitalkolben (2) und mit einer Exzenterwelle (3), welche die Orbitalkolben (2) antreibt, wobei die Exzenter (5) gleich orientiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Orbitalkolbenverdichter / Schwingkolbenverdichter mit zwei oder mehr Orbitalkolben und mit einer Exzenterwelle.
Grundsätzlich gibt es bereits Orbitalkolbenverdichter, so beispielsweise jenen der EP 3 061 972 B1 .
Dieses ältere Patent betrifft einen Kompressor, der Folgendes umfasst: einen Zylinder, welcher eine Zylinderkammer beinhaltet, deren innere Umfangsfläche eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche ist, eine Welle, welche eine Hauptwelle und einen exzentrischen Teil, welcher exzentrisch zur Hauptwelle ist, beinhaltet, ein Rollenteil, von dem eine innere Umfangsfläche auf eine äußere Umfangsfläche des exzentrischen Teils aufgesetzt ist, wobei dessen äußere Umfangsfläche im Wesentlichen eine zylindrische Oberfläche ist, und wobei dieser so in der Zylinderkammer platziert ist, dass er in einer Orbitalbewegung bewegbar ist, ein Blattteil welches gemeinsam mit dem Rollenteil ein Inneres der Zylinderkammer in eine Niederdruckkammer und eine Hochdruckkammer unterteilt, und Lagerteile, welche an dem Zylinder befestigt sind und welche zylindrische Oberflächen zum Abstützen der Hauptwelle beinhalten, wobei ein bestimmtes Verhältnis eingehalten ist. Dabei ist als Besonders herausgestellt, dass zentrale Achsen der zylindrischen Oberflächen der Lagerteile exzentrisch zu einer zentralen Achse der inneren Umfangsfläche der Zylinderkammer sind und die Lagerteile Gleitlager sind.
In Mehrzylinderanordnungen im Schwingkolbenprinzip sind üblicherweise die auf der Welle befindlichen Exzenter um die Antriebsachse umfänglich herum verteilt, wie beispielsweise in der WO 2021 171 677 A1 zu sehen.
Die Exzenterwelle trägt jedoch momentan einen großen Anteil der Gesamtkosten und neigt insbesondere bei einer Mehrzylinderbauweise zur Verformung. Auch bei der Montage führt eine einteilige Welle mit umfänglich versetzten Exzentern zu Einschränkungen, da die Stapelung der Kolben, Zylinderwände und Zwischenscheiben immer über den äußersten Durchmesser der Exzenterwelle erfolgen muss.
Für diesen Kompressortyp ist es bedeutsam, radiale Spiele zwischen den Kolben und der Zylinderwand gering zu halten, da größere Spalte direkt auf den Wirkungsgrad des Systems Einfluss nehmen. Durch größere Spalte entsteht nämlich mehr Leckage während eines Verdichtungsprozesses, was ungewollt ist. In das Maß des radialen Spalts gehen auch Verformungen der Exzenterwelle ein. Bei einteiligen Wellen mit umfänglich versetzten Exzentern, ist es daher notwendig, den Abstand zwischen dem Kolben mindestens um eine Kolbenbreite zu erhöhen. Diese zusätzliche Wellenlänge führt zu entsprechend größeren Verformungen.
Natürlich ist es grundsätzlich denkbar, bei einer Zweizylinderanordnung die Kolben bei der Montage von zwei Seiten zu montieren, doch führt dies dazu, dass beide Wellenenden im größten Außendurchmesser beschränkt sind. Gleichzeitig verbietet es sich dann integrierte Wälzlagereinheiten zum Einsatz zu bringen. Bei einer Zylinderanzahl, die größer als zwei ist, wäre auch dieses Montageprinzip ausgeschlossen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder bestenfalls abzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Orbitalkolbenverdichter mit zwei oder mehr Orbitalkolben und mit einer Exzenterwelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für den Fall, dass die Exzenterwelle die Orbitalkolben antreibt, die Exzenter gleichorientiert / in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Die Exzenter, entweder alle oder in Gruppen aufgeteilte, ragen daher über den Umfang gesehen, nämlich um die Rotationsachse herum, in exakt dieselbe radiale Richtung, ergo haben keinen Winkelversatz zueinander. Die Montage wird dadurch erheblich vereinfacht. Ein Einsatz, insbesondere bei elektrischen Kältemittelverdichtern bietet sich an.
Die Vorteile einer vereinfachten Montage und Fertigung sind erheblich. Mit der Erfindung wird es somit ermöglicht, den Montageprozess zu vereinfachen und gleichzeitig die Einzelteilkosten zu minimieren. Außerdem ist die Erfindung vorteilhaft in der konstruktiven Freiheit, um zum Beispiel auf der Welle integrierte Lagereinheiten einzusetzen.
Mit anderen Worten besteht der erfinderische Ansatz darin, anstatt wie üblich die Exzenter der Welle umfänglich im Winkel zu versetzen, den umfänglichen Winkelversatz in die Ausrichtung der Zylinderscheiben und Kolbenbaugruppen zu verlagern. Vorteile zeigen sich insbesondere bei der Vereinfachung der Montage, beispielsweise bei einseitiger Montage / Stapelung der Zylinder, Vorteile zeigen sich jedoch auch in einem geringeren Fertigungsaufwand bei dem Wellenrohteil und der Zerspanung, der konstruktive Freiheitsgrad bei der Lagerauswahl wird erhöht (Einsatz iSBU - Intregrated Shaft Bearing Unit). Für alle Lagerstellen kann vorteilhafterweise die Welle als „Innenring“ qualifiziert werden, was die Kosten für die Lager positiv beeinflusst.
Auch zeigt sich eine kürzere Wellenbauform in der Realität, was eine geringere Durchbiegung nach sich zieht und ihrerseits geringeren Einfluss auf Radialspalt/ Leckage nimmt, was somit zu einem besseren volumetrischen Liefergrad führt. Das Prinzip ist auf eine beliebige Zylinderanzahl erweiterbar.
All diese Vorteile kompensieren etwaige kleinere Nachteile, wie einen empfehlenswerten Einsatz von Massenausgleichsgewichten und eine eventuell etwas komplexere Kanalführung zwischen den Zylinderbaugruppen. En detail ist zu erwähnen, dass der Antrieb eines elektrischen Kältemittelverdichters über einen Elektromotor gestellt werden kann, umfassend ein E-Motor-Gehäuse, einen darin befestigten Stator und einen Rotor. Dieser Rotor ist sinnvollerweise auf einer Welle / Exzenterwelle / Antriebswelle befestigt und beinhaltet optimaler Weise einen oder mehr Massenausgleichsgewichte. Die Welle wird über ein Festlager gelagert. Optimal kann das Wälzlager durch die Bauform der Welle als integriertes Lager, wie zum Beispiel ein integriertes zweireihiges Rillenkugellager ausgeführt sein.
Das Festlager wird in einem (weiteren) Gehäuse als Lagerschild gehalten. Mit einem solchen Lagerschild beginnt die eigentliche Verdichterbaugruppe mit einer Zylinderwand. Daran anschließend folgen darauf jeweils Zylinderbaugruppe und Kolbenbaugruppe, je nach Zylinderzahl ist jedoch die Anzahl dieser beliebig skalierbar. Die Kolbenbaugruppen werden über Wälz- oder Gleitlager, zum Beispiel ausgebildet als Nadellager, auf dem exzentrischen Teil der Welle gelagert. Bei Mehrzylinderanordnungen folgt auf die erste Verdichterkammer zunächst eine Zwischenwand. Die nächste darauf folgende Verdichterkammer wird im Sinne der Erfindung als Zweizylinderanordnung, um zum Beispiel 180° der ersten Verdichterkammer umfänglich verdreht. Bei einer beispielsweisen Dreizylinderanordnung würden die folgenden Verdichterkammern um jeweils 120° versetzt. Abschließend an die letzte Verdichterkammer folgen eine weitere Verdichterwand und das Verdichtergehäuse. Im Verdichtergehäuse wird das Wellenende mit einem Loslager, ausgeführt als Wälz- oder Gleitlager, zum Beispiel als Nadellager, gehalten.
Eine konstruktive Ausgestaltung zur Verwendung zum Rahmen eines E-Kompressors für ein Wärmepumpensystem ist angedacht.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn zwischen jedem Orbitalkolben und den Exzentern (je) ein Wälzlager angeordnet ist.
Für eine Kostenreduktion und einen störungsfreien langen Betrieb ist es von Vorteil, wenn das Wälzlager eine Nadelhülse oder ein Nadelkranz ist, wobei die Innenlaufbahn der Nadeln auf den Exzenter gebildet ist, also mit anderen Worten die Nadeln unmittelbar / direkt auf dem Exzenter abrollen / abwälzen. Zusatzbauteile lassen sich dadurch einsparen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Orbitalkolbenverdichter eine antreibende E-Maschine / Elektromaschine mit einem Rotor und einem Stator besitzt, wobei der Rotor eine Unwucht besitzt, die die Unwucht des Exzenters kompensiert.
Dabei hat es sich bewährt, wenn die Unwucht des Rotors durch eine separate Ausgleichsmasse bedingt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt entlang einer Rotationsachse eines erfindungsgemäßen Orbitalkolbenverdichters gemäß einer ersten Ausführungsform, und
2 eine perspektivische Darstellung einiger erfindungsbedeutsamer Einzelteile im montierten Zustand der Ausführungsform nach 1.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Gleiche Merkmale werden mit demselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Orbitalkolbenverdichters 1 dargestellt. Der Orbitalkolbenverdichter 1 besitzt zwei Orbitalkolben / Kolben 2. Ferner besitzt er eine Exzenterwelle / Welle 3. Die Exzenterwelle 3 ist eine solche (angetriebene / antreibende) Welle, die sich um eine Rotationsachse 4 im Betrieb dreht. Die Exzenterwelle 3 besitzt einteilig / integral / einmaterialig ausgebildete Exzenter 5 könnten aber auch als separate Bauteile ausgebildet sein, um eine gebaute Exzenterwelle zu stellen.
Es gibt eine Vielzahl von Zylinderwänden 16, sowie zumindest eine Zwischenwand 17. Eine Ausgleichsmasse 18 / ein Ausgleichsgewicht ist am Rotor 10 angebracht. Darüber hinaus kommt ein Loslager 19 zum Einsatz.
Der Exzenter 5 mit darauf angebrachten Nadellagern 14 ist auch in der 2 gut zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Orbitalkolbenverdichter
2: Orbitalkolben / Kolben
3: Exzenterwelle / Welle
4: Rotationsachse
5: Exzenter
6: Vane
7: Kolbenbaugruppe
8: Gehäuse
9: Stator
10: Rotor
11: Lagerschild
12: iSBU
13: Wälzlager
14: Nadellager
15: Oberfläche des Exzenters
16: Zylinderwand
17: Zwischenwand
18: Ausgleichsmasse
19: Loslager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3061972 B1 [0002]
WO 2021171677 A1 [0004]

Claims

Orbitalkolbenverdichter (1) mit zwei oder mehr Orbitalkolben (2) und mit einer Exzenterwelle (3), welche die Orbitalkolben (2) antreibt, wobei die Exzenter (5) gleich orientiert sind.
Orbitalkolbenverdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Orbitalkolben (2) und den Exzentern (5) (je) ein Wälzlager (13) angeordnet ist.
Orbitalkolbenverdichter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (13) eine Nadelhülse oder ein Nadelkranz ist, wobei die Innenlaufbahn der Nadeln auf dem Exzenter (5) gebildet ist.
Orbitalkolbenverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Orbitalkolbenverdichter (1) eine antreibende E-Maschine mit einem Rotor (10) und einem Stator (9) besitzt, wobei der Rotor (10) eine Unwucht besitzt, die die Unwucht des Exzenters (5) kompensiert.
Orbitalkolbenverdichter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwucht des Rotors (10) durch eine (separate) Ausgleichsmasse (18) bedingt ist.