DE2432159A1 - Parallel- und aussenachsige rotationskolbenmaschine mit kaemmeingriff zwischen einem rippenrotor und einem nutenrotor - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Joehem

Frankfurt an Main Staufenstrasse 36

In Sachen:

Svenska Rotor Kaskiner AB

Parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem Rippenrotor und einem !Tutenrotor.

Die Erfindung betrifft eine parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem im wesentlichen außerhalb seines.Teilkreises mit schraubenförmigen Rippen versehenen Rippenrotor und einem im wesentlichen innerhalb seines Teilkreises mit schraubenförmigen Nuten versehenen Nutenrotors, die in einander durchdringenden Bohrungen innerhalb eines aus einer Kantelwand sowie einer Niederdruck- und einer Hochdruckstirnwand bestehenden Gehäuses drehbar angeordnet sind, welches am Niederdrückende mit einer hauptsächlich auf der einen Seite einer die Rotorachsen ent haltenden Ebene liegenden Niedcrdrucköffnung und an seinem Hochdruckende mit einer auf der anderen Seite dieser Ebene liegenden Hochdrucköffnung versehen ist, wobei die Umschlingungswinkel der Rotorrippen und -nuten kleiner als 360° sind und die Niederdruck- und die Hochdrucköffnung so gestaltet und angeordnet sind, daß paarweise von den Rippenzwischenräumen des Rippenrotors und den Nuten des Nutenrotors gebildete V-förmige Arbeitskammern ihr Volumen bei der Drehung der Rotoren ändern, während sie gegen die Hochdruckstirnwand abgeschlossen sind.

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Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Hochdrucköffnung und der Niederdrucköffnung während des Betriebs derartiger Rotationskolbenmaschinen sind die Rotoren Axialkräften unterworfen, die zumindest teilweise von den von dem elastischen Arbeitsmedium erzeugten Kräften und den Berührungskräften zwischen den kämmenden Rotoren herrühren. Diese Axialkräfte erfordern einerseits Mittel zur Festlegung der Rotoren gegenüber dem Gehäuse und andererseits Mittel zur Übertragung der Kräfte von den Rotoren auf das Gehäuse.-Bisher sind die Axialkräfte von Axialdrucklagern ausgenommen worden.

Der Abstand oder Spalt zwischen der Hochdruckstirnwand des von den Gehäusebohrungen gebildeten Arbeitsraums und den Hochdruck-Stirnenden der Rotoren bildet einen Kanal zwischen den Abschnitten der Rippenzwischenräume und Muten, die mit der Hochdrucköffnung bzw. der Niederdrucköffnung in Verbindung stehen, und ein zu großer Abstand verursacht beträchtliche Leckverluste. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, daß der Abstand zwischen den Rotorstirnenden und der Hochdruckstirnwand so klein wie möglich gehalten wird. Das Ausmaß dieses Abstandes hängt in erster Linie von dem Spiel und der Nachgiebigkeit der Axialdrucklager ab, und die Art der verwendeten Axialdrucklager ist deshalb ein wichtiger Faktor in der Konstruktion solcher Rotationskolbenmaschinen.

Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, daß der Abstand bzw. Spalt zwischen der Hochdruckstirnwand des Arbeitsraums und den Hochdruck-Stirnenden der Rotoren mit Durchmessern zwischen 40 und 400mm grundsätzlich in der Größenordnung von 0,02 bis 0,15mm liegen sollte.

Um eine Spaltweite in dieser Größenordnung aufrechtzuerhalten, sind in Rotationskolbenmaschinen der eingangs genannten Art sehr präzise und zuverlässige Axialdruck-

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lager und sonstige Einrichtungen zur Einstellung der Spaltweite eingesetzt worden. Derartige Lager und Einrichtungen sind jedoch teure Bauteile, und sie stellen einen höheren Anteil der Gesamtkosten kleinerer Maschinen mit Rotordurchmessern dar, die sich der unteren Bereichsgrenze nähern, als bei größeren Maschinen mit Rotordurchmessern in der Nahe der oberen Grenze des oben genannten Bereichs. Darüber hinaus ist die Spaltweite für kleinere Kompressoren beträchtlich kleiner als für größere Kompressoren, und dies macht es nötig, den Herstellungstoleranzen größere Aufmerksamkeit zu schenken, und erfordert größere Erfahrungen desjenigen Teils der Techniker, der die Maschinen vor dem Vertrieb an die Kunden zusammenbaut und einstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere bei kleinen Rotordurchmessern ohne überdurchschnittliche Anforderungen an das: Montagepersonal die genaue und zuverlässige Einhaltung einer optimalen Spaltweite zwischen der Hochdruckstirnwand und den Stirnenden der Rotoren gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Rotor über ein Axiallager beispielsweise ein Nadellager, mit einem zugehörigen Ausgleichskolben axial verbunden ist, durch welchen auf den Rotor eine gegen die Hochdruckstirnwand gerichtete Vorspannkraft ausübbar ist, wobei mindestens ein Teil der Hochdruckstirnwand ein Axiallager für die Rotoren-bildet.

Eine Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung eignet sich als Kompressor in Luftklimatisiergeräten, beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Unter "Klimatisierung" ist hier sowohl die Kühlung von Luft oder-anderen gasförmigen Medien als auch die Konditionierung der Luft (Reinigung und Befeuchtung) als solche zu verstehen.

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Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausgleichskolben in Richtung auf die Hochdruckstirnwand durch Gasdruck, Flüssigkeitsdruck oder mechanischen Druck wie beispielsweise durch eine Feder oder durch die Vereinigung solcher Drücke beaufschlagbar.

Eine Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung ist außerdem vorzugsweise eine sogenannte Naß-Maschine, d.h. eine Maschine mit Einspritzung von Drucköl in die Gehäusebohrungen zur Schmierung der Rotoren.' In diesem Fall beaufschlagt ZViecknäßig das Drucköl auch die Ausgleichskolben zur Vorspannung gegen die Hochdruckstirnwand.

Zweckmäßiger wirkt jeder Ausgleichskolben unmittelbar oder mittelbar mit einem wellenförmigen Ansatz oder einer Welle des zugehörigen Rotors am niederdruckseitigen Maschi— nenende zusammen.

Ein weiteres Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zumindest der mit dem Antriebsbzw. Abtriebsrotor, beispielsweise dem Nutenrotor, verbundene Ausgleichs kolben ständig gegen die Hochdruckstirnwand vorgespannt ist. Hierbei wird die ständige Vorspannung zweckmäßig durch eine auf den Kolben wirkende Feder erzielt.

Als Alternative zu der Anordnung der Ausgleichskolben am niederdruckseitigen I-Iaschinenende besteht schließlich eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine, bei welcher jeder Rotor am Hochdruckende der Maschine mit einem.wellenförmigen Ansatz oder einer den Rotor überragenden Welle versehen ist, darin, daß jeder Ansatz bzw. jede Welle am hochdruck- " seitigen Maschinenende einen Ringflansch trägt, der mit dem zugehörigen Ausgleichskolben zusammenwirkt.

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Die Torspannung des Rotors bzw. der Rotoren kann also, wie vorstehend aufgezeigt, durch eine Feder mit einer vorbestimmten Spannkraft erzeugt werden, und in Übereinstimmung mit den Arbeitsbedingungen kann diese Kraft durch einen Kolben unterstützt werden, der von einem elastischen Druckmittel in einem Zylinder beaufschlagt wird, welcher zwischen dem Kolben, dem vorerwähnten Singflansch und der Kammerwandung gebildet ist. Es ist von Vorteil, wenn die Ausgleichskräfte genügend groß sind, um den verfügbaren Cldruck, d.h. den Druck des zur Schmierung der Rotoren, verwendeten Öls nicht nur in die Lage zu versetzen, die Axialkräfte auszugleichen, sondern einen Überausgleich dieser Kräfte zu schaffen, so daß die resultierende Axialkraft negativ ist, d.h. gegen die Hochdruc?:tstirnwand gerichtet ist.

Sin Ausführur.gsbeispiel der Erfindung für den Betrieb als Kompressor wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Maschine in der Ebene B-3 nach Fig. 2,

Fig. 2 einen Längsschnitt in der Ebene A-A nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt in der Ebene C-C nach Fig. und

Fig. 4-, 5 und. 6 unterschiedliche Konstruktionen zur Vorspannung des Rippenrotors.

Der dargestellte Kompressor hat einen Rippenrotor 10 mit schraubenförmigen Rippen und einem damit zusammenwirkenden Nutenrotor 12 mit schraubenförmigen Nuten. Die Haupt-

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abschnitte der Rippen des Rippenrotors 10 liegen außerhalb des zugehörigen Teilkreises und haben im wesentlichen konvex gekrümmte Flanken. Die Hauptabschnitte der 2Tuten der Hutenrotors 12 liegen demgegenüber innerhalb des zugehörigen Teilkreises und haben im wesentlichen konkav gekrümmte Flanken. Die Umschlingungswinkel der Rippen und Nuten eines jeden Rotors betragen weniger als 360°.

Die Rotoren 10 und 12 sind in einem Gehäuse mit einer Ksntelwand 14 und Stirnwänden 16 und 18 angeordnet, welche einen aus zwei einander durchdringenden Bohrungen bestehenden Arbeitsraum 20 umschließen. Der Arbeitsraum hat eine liiederdrucköffnung 22 und eine Hochdrucköffnung 24 (Fig. 1).

Der Rippenrotor 10 ist mit wellenförmigen Ansätzen 1OA und 1OB versehen, um die Lagerung der Rotoren in den Stirnwänden 16 und 18 mit Hilfe von Wälzlagern 26 und 28 zu ermöglichen, die in erster Linie die auf die Rotoren wirkenden Radialkräfte aufnehmen.

Der Nutenrotor 12, der im Fall des als Beispiel herangezogenen Kompressors der treibende Rotor ist, hat einen wellenförmigen Ansatz 12B und einen etwas größeren wellenförmigen Ansatz 12A. Der Nutenrotor ist in den Stirnwänden 16 und 18 durch zwei Wälzlager 30 und 32 abgestützt, die ebenso wie beim Rippenrotor in der Hauptsache die auf ihn wirkenden Radialkräfte aufnehmen. Der Antrieb des Rutenrotors erfolgt über eine Keilriemenscheibe 36, die gleichzeitig einen Teil einer magnetischen Kupplung 3^ bildet. Die Keilriemenscheibe 36 ist mit einer Zwischenhülse auf dem äußeren Laufring eines doppelreihigen Kugellagers 37 befestigt, während der andere Teil 38 der Magnetkupplung bei 36A mit dem wellenförmigen Ansatz 12A

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des...Nutenrotors 12 verkeilt und verschraubt ist. Der innere Laufring des doppelreihigen Kugellagers 37 sitzt auf einer Lsgerhülse 4-0, die ihrerseits gemäß Darstellung in Fig. 1 in die Stirnwand 16 eingesetzt und an dieser mit Schrauben 42 verschraubt ist. Die Lagerhülse 40 ist gegen die Stirnwand 16 mittels einer O-Ringdichtung 44 abgedichtet (Fig.2), Zwischen den Teil 38 der Magnetkupplung und dem V/älzinger 30 befindet sich eine Abstandhalte- und Dichtungsanordnung, die aus einer ersten Abstandhalterhülse 48 und·einer Lichtung 50 besteht, welche von dein inneren Laufring des Wälzlagers 30 durch eine Federscheibe 52 getrennt sind.

ine zweite, äußere Hülse 54- befindet sich zwischen der Dichtung 50 und der ersten Hülse 48 und trägt ferner eine Dichtung 58.

Die auf die kämmenden Rotoren 10 und 12 wirkende Axiallast wird an der Hochdruckstirnwand 16 aufgefangen, und der die Rotoren gegen die Hochdruckstirnwand 16 pressende Druck wird mit Hilfe von Kolben 67 aufgebracht, die auf axiale Nadel- oder Rollenlager 48 wirken, welche von den wellenförmigen Ansätzen 1OB und 12B des Rippen- und Nutenrotors getragen sind.

Gemäß Fig. 2 wird die auf den Ausgleichskolben 67 des Rippenrotors und damit auf diesen wirkende Vorspannkraft durch ein Druckmittel innerhalb eines Hohlraums 62 erzeugt, das durch eine Öffnung 69 eingeleitet wird, während die auf den Nutenrotor wirkende Vorspannkraft durch die Vereinigung einer von einer Feder 64 ausgeübten Federkraft und des Druckes eines in den Hohlraum-66 über eine öffnung 31 eingeleiteten Druckmittels erzeugt wird. Die auf die Kolben 67 des Rippenrotors und des Kutenrotors ausgeübten Drücke oder Vorspannkräfte werden auf die entsprechenden Rotoren über die Axiallager 68 sowie Druck-

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ringe 70 bzw. 72 übertragen, die mit den inneren Lnufringen der Lager 28 und 32 zusammenwirken.

In den Fig. 4, 5 und 6 sind drei alternative Ausführungsfornen der Kolbenanordnung zur Vorspannung des Rippenrotors gegen die Hochdruckstirnwand des Verdichters gezeigt, und diese alternativen Ausf ührungsforraen arbeiten ausschließlich mit Druckmittelkraft zur Vorspannung des Ausgleichskolbens und folglich des Rotors in Richtung zur Hochdruckstirnwand.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und 5 befindet sich der Ausgleichskolben 67 auf der TTiederdruckseite, bei der Ausführungofora nach Fig. 6 auf der Hochdruckseite der Maschine.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der wellenförmige Ansatz 1OA mit einem Flanschglied 97 versehen, mit dessen Hilfe der Ausgleichskolben 67 den Rippenrotor gegen die Kochdruckstirnwand 16 unter Zuhilfenahme von Gas- oder Flüssigkeitsdruck vorspannt, der über eine öffnung 69' in einen Zwischenraum zwischen einer einen Teil des Ausgleichskolbens 67 bildenden Ringscheibe 98 und einer an der Stirnwand 16 befestigten Ringwand 99 gelangt.

Das die radiale Belastung des Rippenrotors 10 aufnehmende Wälzlager 26 am Hochdruckende der Maschine wird von einer mit Vorsprüngen 78 gegen den äußeren Laufring des Wälzlagers 26 anliegenden Scheibe 78 in Stellung gehalten. Die Scheibe 7Q wird ihrerseits von einem Sprengring 82 gehalten, und eine O-Ringdichtung 84 dichtet die Scheibe innerhalb der Hbchdruckstirnwand 16 ab.

Zu Schmierzwecken wird ein Schmieröl in den Arbeitsraum der Kaschine durch eine oder mehrere Kanäle 96 (Fig. 1)

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eingespritzt, die mit einem Schmierö!vorratsraum 92 in Verbindung stehen. Die Kanäle 96 können in Axia!richtung geneigt oder rechtwinklig zu den Achsen der Rotoren gerichtet sein.

Aus dem Vorstehenden läßt sich entnehmen, daß die an den Rotoren resultierenden Axialkräfte von der Hochdruckstirnwand 16 und den Hochdruck-Stirnenden der Rotoren aufgenommen werden und daS diese Flächen ein ebenes Axialdrucklager bilden. Falls gewünscht, können gewisse £eile von einer oder mehreren dieser Flächen von der Belastung befreit werden.'

Mit der vorbeschriebenen Maschine worden die folgenden Vorteile erzielt:

1. Die Maschine läßt sich beträchtlich billiger herstellen, indem die Axiallager und die Einrichtung sur Einstellung der Axialspalte ebenso wie die zeitverbrauchende Tätigkeit der Einstellung des Verdichters mit genauen Axialspalten entfällt. .

2. Die LeckstrÖmung an den Auslaßenden der Rotoren entfällt nahezu vollständig, indem kein axialer Leckspalt zwischen den Rotoren und der Hochdruckstirnwand vorhanden ist. Diese Flächen werden nur durch einen stützenden Ölfilm voneinander getrennt. Dadurch wird auch unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit eine optimale Konstruktion erhalten.

3. Durch Entlüftung der Rückseiten der Ausgleichskolben zu einer dichten Verschraubung wird die negative Auswirkung von Leckverlusten von den Ausgleichskolben zum Kompressoreinlaß beträchtlich vermindert, wenn nicht gar vollständig vermieden.

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Für bestimmte Anwendungsfälle für Kompressoren schwanken die Betriebsbedingungen beträchtlich. Dies ist besonders bei Kompressoren der Fall, die bei Luftklimatisierungsgeräten in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, wo der Einlaßdruck ebenso wie der Auslaßdruck, die Drehzahl usw. sich beträchtlich ändern, was zu Schwierigkeiten in der Bemessung der Ausgleichskolben führt.

Venn die Ausgleichskolben für einen angemessenen Überausgleich der Axialkräfte für einen bestimmten Betriebszustand bemessen sind, können sie für einen anderen Betriebszustand unterausgeglichen sein, während für einen dritten Betriebszustand ein Überausgleich in zu hohem Ausmaß erfolgt. . .

Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Einlaß- und Auslaßdrücke des Kompressors den Druck auf die Ausgleichskolben mittels eines selbsttätigen Ventils, beispielsweise eines Expansionsventils steuern zu lassen, welches die Hochdruckseite der Ausgleichskolben mit einer V-förmigen Arbeitskammer im Kompressor derart verbindet, daß die Ausgleichskraft dem jeweiligen Betriebszustand angepaßt wird.

Das selbsttätige Steuerventil sollte derart arbeiten, daß beim Anwachsen der Druckdifferenz am Kompressor das Ventil öffnet und einen Druckabfall über eine Drosseleinrichtung zwischen einem Müllabscheider und dem Ausgleichskolben bzw. den Ausgleichskolben aufrechterhält, wodurch die Ausgleichskraft dem tatsächlichen Betriebszustand entspricht.

Kompressoren gemäß der Erfindung können auch auf anderen Anwendungsgebieten benutzt werden, bei denen die Betriebsverhältnisse gleichförmiger sind, wo gewöhnliche Axialdrucklager jedoch weniger ratsam in bezug auf die Kosten sind und wo nur eine Größe des Ausgleichskolbens mit Eück-

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sieht auf die Herstellung vorzuziehen ist. In solch einer. Fall könnte das selbsttätige Steuerventil dazu benutzt •werden, eine Überausgleichskraft für die geforderte Arbeitsbedingung einzustellen. Vom Gesichtspunkt der Herstellung und Montage wird eine solche Konstruktion einfach und billig sein. Das Ventil könnte, falls erwünscht, in das Koicpressorgehäuse eingebaut werden, beispielsweise könnten eine Membran und eine Feder in einem Raum im EinlaSteil des Gehäuses und eine Bohrverbindung zur Leitung des unter Druck stehenden Schmiermittels verwendet werden.

Patentansprüche /

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem im wesentlichen außerhalb seines Teilkreises mit schraubenförmigen Hippen versehenen Rippenrotor und einem im "wesentlichen innerhalb seines Teilkreises mit schraubenförmigen Nuten versehenen Nutenrotors, die in einander durchdringenden Bohrungen innerhalb eines aus einer Kantelwand sowie einer liiederdruck- una einer Hochdruckstirnv/and bestehenden Gehäuses drehbar angeordnet sind, welches am Niederdrückende mit einer hauptsächlich auf der einen Seite einer die Rotorachsen er.1-haltenden Ebene liegenden Niederdrucköffnung ur^ä. an seinem Kochdruckende mit einer auf der anderen Seite dieser Ebene liegenden Hochdrucköffnurg versehen ist, wobei die Umschlingungswinkel der Rotorrippen und -nuten kleiner als *60° sind und die Niederdruck- und.die Hochdruck-Öffnung so gestaltet und angeordnet sind, daß paarweise von de.i Rippenzwischenräumen des Rippenrotors und den Nuten des Nutenrotors gebildete V-förmige Arbeitskannern ihr Volumen bei der Drehung der Rotoren ändern, während sie gegen die Hochdruckstirnwand abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet , daß Jeder Rotor (1O₁ 12) über ein Axiallager (68) beispielsweise ein Nadellager, mit einem zugehörigen Ausgleichskolben (67) axial verbunden ist, durch welchen auf den Rotor eine gegen die Hochdruckstirnwand (16) gerichtete Vorspannkraft ausübbar ist, wobei mindestens ein Teil der Hochdruckstirnwand ein Axiallager für die Rotoren bildet.
2. 2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskolben (67) in Richtung auf die Hochdruckstirnwand (16) durch Gasdruck, Flüssigkeitsdruck oder mecha-

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   nischen Druck wie beispielsweise durch eine Feder (64) oder durch die Vereinigung solcher Drücke beaufschlagbar sind.
3. 3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit Einspritzung von Drucköl in die Gehäusebohrungen zur Schmierung der Rotoren, dadurch gekennzeichnet , daß das Drucköl auch die Ausgleichskolben (67) zur Vorspannung gegen die Hochdruckstirnwand (16) beaufschlagt.
4. 4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche

   1 bis 3s dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ausgleichskolben (67) unmittelbar oder mittelbar mit einem -wellenförmigen Ansatz (103, 12B) oder einer Welle des zugehörigen Rotors (10, 12) an niederdruckseitigen Maschinenende zusammenwirkt.
5. 5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der mit dem Antriebs- bzw. Abtriebsrotor, beispielsweise dem Nutenrotor (12), verbundene Ausgleichskolben (67) ständig gegen die Hochdruckstirnwand (16) vorgespannt ist.
6. 6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ständige Vorspannung durch eine auf den Kolben (67) wirkende Feder (64) erzielt ist.

   7- Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis -3 und 5 und 6, bei welcher jeder Rotor am Hochdruckende der Maschine mit einem wellenförmigen Ansatz oder einer den Rotor überragenden Welle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ansatz (1OA, 12A) bzw. jede Welle am hochdruckseitigen

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   Ka se hineilende einen Ringflansch (67) trägt, der mit dem zugehörigen Ausgleichskolben (67) zusammenwirkt.

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