DE2617290C2

DE2617290C2 -

Info

Publication number: DE2617290C2
Application number: DE2617290A
Authority: DE
Inventors: John Engstrom Carlisle Mass. Us Mccullough
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-21
Publication date: 1989-05-18
Also published as: AU1312076A; JPH0127272B2; FR2308811B1; FR2308811A1; JPS611801A; CA1051844A; US3994635A; GB1507586A; AU496886B2; JPH01211602A; JPS51128705A; IT1058794B; DE2617290A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit einem stationären und einem ohne Eigenrotation auf einer Kreisbahn umlaufenden Spiralelement, die jeweils eine Stirnplatte und eine senkrecht dazu angeordnete evolventenförmige Spiralwand aufweisen, wobei Stirnflächen der Spiralwände in dichtendem Kontakt mit den gegenüberliegenden Stirnplatten stehen und die Spiralwände während der Bewegung des umlaufenden Spiralelements durch linienförmigen Kontakt Arbeitskammern variablen Volumens bilden.

Eine solche Rotationskolbenmaschine ist durch die US-PS 8 01 182 bekannt. Die Abdichtung erfolgt dort als Umfangsdichtung zwischen seitlichen Plattenverlängerungen, d. h. die Abdichtung erfolgt zwischen innen und außen, d. h. zwischen Dampf in den innerhalb der Spiralelemente gebildeten Umfangstaschen sowie einem die Spiralelemente umgebenden Schmiermittel. Schmale Spalte in Querschnittspassung sind also leicht tolerierbar. Ein schmaler Spalt auf der äußeren, der Schmierölseite kann niemals mit der Dampfseite innerhalb des Spiralelementes in Verbindung stehen. Notwendig ist im übrigen ein sehr enger Sitz, um die Dampfabdichtung zwischen diesem Dichtungssegment und den Nutenwandungen zu erhalten, d. h. es ist keinerlei Freiheitsgrad für das Dichtungselement innerhalb der Nut gewährleistet. Es ist anzunehmen, daß die Feder stark genug sein muß, um die hohe Reibung zwischen den Dichtungswandungen und der Nut zu überwinden, die erforderlich sind, um die Dampfabdichtung zu erreichen.

Im Gegensatz zur Umfangsdichtung muß bei der hier in Rede stehenden Rotationskolbenmaschine eine Dichtung längs einer evolventenförmigen Spiralwand vorgenommen werden, wo jeder kleine Spalt der evolventenförmigen Spiralwand für einen kontinuierlichen Fluiddurchlaß von Tasche zu Tasche sorgt, wobei sämtliche Taschen unterschiedliche Drücke haben. Eine Anwendung der Maßnahme nach der US-PS 8 01 812 verbietet sich, da dort enorme Leckageprobleme in Kauf zu nehmen wären. Je größer nämlich die Abdichtungsfläche, desto größer werden die Probleme des Verschleißes, desto größer ist die Möglichkeit eines Leckens bei Verschleiß, wobei hinzukommt, daß je größer die abzudichtende Fläche, desto größer die Verschleißprobleme dort werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der die Abdichtung der Arbeitskammern baulich vereinfacht und durch Verringerung der Leckage in Umfangsrichtung der Spiralwände verbessert werden soll.

Erreicht wird dies dadurch, daß die Spiralwände als separate Bauteile axial und radial beweglich in an der Stirnplatte ausgebildete, evolventenförmige Nuten eingreifen und für den dichtenden Kontakt mit der Spiralwand und der Stirnplatte des jeweils anderen Spiralelements in der Nut druckbeaufschlagt werden.

Gegenüber dem älteren eigenen Vorschlag gemäß DE-OS 26 12 344 einer ähnlichen Rotationskolbenmaschine sind gemäß der Erfindung die Dichtungsmaßnahmen an der Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart so getroffen, daß anstelle der Dichtung der Spiralwände axial beweglich angeordnet sind, wobei die Spiralwände selbst für den dichtenden Kontakt gegeneinander und in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Stirnplatte druckbeaufschlagt werden.

Die Aufgabe ließ sich auch nicht nach der US-PS 13 76 291 lösen, wo zwar unter Abstand und parallel zueinander stehende Stirnplatten vorgesehen sind, die über eine Spiralwand verfügen, die in Nuten in Flächen der Scheiben sitzen und gegeneinander über Bolzen verschraubt sind. Ein Läufer, der die kreisförmigen Stirnwandungen integral mit der Spiralwand umfaßt, bewegt sich zwischen den Scheiben und bildet sich bewegende Taschen mit der Spiralwand. Die Abdichtungsprobleme sind hier nicht gelöst, da einmal eine extreme genaue Bearbeitung und Ausrichtung erforderlich sind. Weiterhin hat die frei schwimmende Spirale keinerlei Führungen oder Rückhalt, da sie als ziemlich dünne Umwicklung geformt ist. Sie muß nämlich einerseits empfindlich gegen Druckunterschiede sein, die auf jede ihrer Seiten von Tasche zu Tasche wirken. Das frei schwimmende Spiralelement verwindet sich in Radialrichtung und wickelt sich wie eine Feder auf. Wesentliches Lecken zwischen den Taschen und erhebliche Abnahme im Wirkungsgrad sind die Folge.

Demgegenüber sind die Spiralelemente gemäß der Erfindung durch eine einzige Stirnplatte mit zugeordneter Spiralwand geformt. Dies steht im Gegensatz zur Lehre von zwei parallelen Scheiben, die durch eine Spiralwand verbunden sind und eine steife Einheit bilden (US-PS 13 76 291), innerhalb deren ein sich frei bewegendes umlaufendes Element ohne stirnseitige Platte sich bewegt.

Die Aufgabe kann auch nicht implizit durch die US-PS 13 76 291 gelöst werden, da das umlaufende Element nur aus einem spiralartigen Element besteht. Eine Stirnplatte oder ein Spiralelement wie nach der Erfindung sind nicht vorhanden.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung reicht es aus, sowohl die Seiten als auch die Enden der spiralförmigen Elemente nur mit herkömmlichen Toleranzen zu fertigen.

Die Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart nach der Erfindung läßt sich einsetzen bei Verdrängerkompressoren, Expansionsmaschinen und Pumpen.

Die vorzugsweisen Ausführungsformen nach der Erfindung haben im übrigen praktisch nur die schwimmenden Spiralwände zum Gegenstand, die über nachgiebige Dichtungseinrichtungen für einen ausgezeichneten Dichtungskontakt sorgen. Die mehrteilige Ausbildung schafft erst die in der Beschreibung zutage tretenden Vorteile. Durch die spiralförmigen Eingriffskörper wird es möglich, axial Dichtungseinrichtungen einzubauen oder als Kombination an den Dichtungseinrichtungen vorzusehen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes evolventenförmiges Spiralelement einer typischen Rotationskolbenmaschine;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine solche typische Vorrichtung längs der Ebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Stirn platte und eines evolventenförmigen Elementes gemäß der Erfindung, vor dem Zusammenbau;

Fig. 4 ist ein vergrößerter Teilschnitt durch ein um laufendes und ein stationäres Spiralelement gemäß der Erfindung, wobei zwei Elemente sich längs einer Linie berühren und die Einfügung des Spiralelementes in einer Ausführungsform einer Nut veranschaulicht ist, die in die Stirnplatte eingearbeitet ist, damit durch pneumatische Kräfte eine axiale Federung/Dichtung erreicht werden kann;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch die in Fig. 4 dargestellten Spiralelemente längs der Ebene 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 ist ein Teilschnitt eines Spiralelementes und verdeutlicht den Sitz der Spiralwand in der Nut gemäß Fig. 4, um durch eine Kombination aus pneumatischen und mechanischen Kräften eine axiale Federung/Abdichtung zu erreichen;

Fig. 7 ist ein Schnitt durch das Spiralelement der Fig. 6 längs der Ebene 7-7 der Fig. 6;

Fig. 8 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement, welches den Sitz in den Nuten gemäß Fig. 4 veranschaulicht. Hierbei wird durch Anwendung eines elastomeren Elementes eine axiale Federung/Dichtung erreicht;

Fig. 9 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement, wobei der Sitz der Spiralwand in der Nut gemäß Fig. 4 veranschaulicht ist, um eine federnde Abdichtung zu erreichen;

Fig. 10 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Aus führungsform einer federnden Dichtungseinrichtung, wie sie bei der Ausführungsform der Fig. 9 Verwendung findet;

Fig. 11 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer federnden Abdichtung zur Abdichtung der Spiralwände in den Nuten;

Fig. 12 ist ein Teilschnitt durch ein umlaufendes und ein stationäres Spiralelement mit der federnden Abdichtung gemäß Fig. 10 und mit zusätzlicher Anordnung von Schmierkanälen;

Fig. 13 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement gemäß der Erfindung, wobei der Sitz der Spiralwand nach einer anderen Ausführungsform einer Nut veranschaulicht ist, welche in einer Bahn festgelegt ist, die auf der Stirnplattenoberfläche angebracht ist, um durch pneumatische Kräfte eine axiale Federung/Dichtung zu erreichen; und

Fig. 14 ist ein Schnitt durch ein umlaufendes und ein stationäres Spiralelement mit einer U-förmigen federnden Dichtung, um den Sitz der Spiralelemente in den Stirnplatten zu bilden und mit einer zusätzlichen federnden Dichtung, in welche ebenfalls eine U-förmige federnde Dichtung eingebaut ist.

Die hier genannten Spiralwände können die Form einer Evolvente haben oder aus Kreisbogenstücken zusammengesetzt sein.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die allgemeinen Probleme der radialen und tangentialen Abdichtung beim Stand der Technik. In den Schnitten der Fig. 1 und 2 sind nur dargestellt die Stirnplatten, die Spiralelemente und die Fluidtaschen. Hiernach weist das stationäre Spiralelement 10 eine Stirnplatte 11 und eine Spiralwand 12 auf. Die Stirnplatte 11 verfügt über eine mittig angeordnete Strömungsöffnung 13. Das umlaufende Spiralelement 14 ist ebenso gebildet durch eine Stirnplatte 15 sowie eine evolventenförmige Spiralwand 16. Die Anordnung erfolgt auf einer Antriebswelle 17. In Betrieb wird das umlaufende Spiralelement 15 angetrieben, so daß es um das stationäre Spiralelement umläuft, während die zwei Spiralelemente in einer festen Winkelbeziehung gehalten werden, und zwar durch die Verwendung einer geeigneten nicht dargestellten Kupplungseinrichtung. Bei seiner umlaufenden Bewegung legt das umlaufende Spiralelement eine oder mehrere sich bewegende Fluidtaschen fest, d. h. die Taschen 20-26. Diese Taschen sind in radialer Richtung durch gleitende oder sich bewegende Linien in Berührung, d. h. durch die Berührungslinien 27-32, die auf einer durch den Mittelpunkt der Vorrichtung gehenden Linie liegen. Wird Fluid aus der Umfangszone 35, welches die Spiralelemente umgibt, nach innen geführt, so gelangt es in die Taschen und wird komprimiert, während die Taschen in ihrem Volumen abnehmen, wenn sie sich der mittleren Tasche 20 nähern. Somit wird eine wirksame tangentiale Abdichtung entlang den sich bewegenden Linien gewährleistet, die die Fluidtaschen festlegen. Eine radiale Abdichtung ist zwischen der Oberfläche 36 der Stirnplatte 11 des stationären Spiralelementes und der Stirnfläche 37 des umlaufenden Spiralelementes 16 sowie zwischen der Oberfläche 38 der Stirnplatte 15 des umlaufenden Spiralelementes 14 und den Stirnflächen 29 des stationären Spiralelementes 12 gewährleistet, wobei die Taschen von außen nach innen Zonen zunehmenden Fluiddrucks festlegen, so daß eine Druckdifferent Δ P über jede Berührungslinie herrscht. Es wird somit eine radiale Berührung zwischen den Seiten der Spiralelemente erreicht, während sie einen Gleitkontakt miteinander haben, wenn das umlaufende Spiralelement in Drehung versetzt ist.

Nach Fig. 2 wird unabhängig von den axialen Kräften (durch Pfeile dargestellt), die auf das umlaufende Spiralelement wirken, beim Umlaufen des Spiralelementes, sofern dieses aus einer entsprechend einheitlichen starren Konstruktion besteht, eine höchst wirksame radiale Abdichtung nur dann erreicht, wenn die Oberflächen 37 und 39 der Spiralelemente und der Stirnplattenoberflächen 36 und 38 außerordentlich genau gefertigt sind. Die Spiralelemente müssen im übrigen über ihre gesamte Länge dieselbe Höhe haben, was in der Fertigung mit hohen Kosten verbunden ist. Hinzu tritt die Möglichkeit der ungleichmäßigen Abstützung innerhalb der Vorrichtung während des Betriebs. Bei einer Ungleichmäßigkeit in den Bauteilen der Vorrichtung tritt zudem eine ungleichmäßige Abnützung der Oberfläche auf, was zu einer unerwünschten Leckage führt und zwar selbst dann, wenn diese Oberfläche während der Fertigung mit außerordentlicher Genauigkeit hergestellt wird.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird dieser beim Stand der Technik (Fig. 1; Fig. 2) sich zeigende Nachteil klar behoben. Zeit und Energie wird vermindert; die Kosten, welche zur Fertigung des Spiralelementes erforderlich sind, werden gesenkt; gleichzeitig wird in das Spiralelement eine axiale Federung/Dichtung eingebaut. Es besteht so die Möglichkeit, die radiale Abdichtung auf jeden Fall aufrechtzuerhalten.

Demgegenüber veranschaulicht Fig. 3 eine bevorzugte Konstruktion des erfindungsgemäßen Spiralelementes und zeigt die einzelnen Teile unmittelbar vor ihrem Zusammenbau. Die Stirnplatte 45 hat eine flache Spiralnut 46, die in ihrer Arbeitsfläche 47 ausgebildet ist; die Nut kann insbesondere durch Schleifen oder durch ein elektrisches Verfahren ausgearbeitet sein. Ein Spiralelement 48, das in seiner Gestalt der Nut 46 angepaßt ist, läßt sich z. B. dadurch herstellen, daß man von einem Streifenmaterial ausgeht und anschließend walzt. Ist die Spiralwand 48 in der Nut 46 angeordnet, so ist das Spiralelement fertiggestellt.

Bevorzugt werden die Teile des Spiralelementes aus dem gleichen Material hergestellt. Unterschiedliche Materialien sind jedoch, beispielsweise sogar metallische und nicht-metallische Materialien, im gleichen Spiralelement verwendbar. Der Sitz der Spiralwand in der Nut kann so gewählt sein, daß die Spiralwand frei ist, kleine axiale und radiale Auslenkungen innerhalb der Nut auszuführen. Es kann vorgesehen sein, daß eine Einrichtung innerhalb der Nut angeordnet ist, welche axiale Kräfte liefert, um der Spiralwand eine axiale Federung/Dichtung zu verleihen, so daß die radiale Dichtung gewährleistet bleibt. Pneumatische, mechanische oder eine Kombination aus beiden Arten von Kräften können zur Anwendung kommen.

Das Spiralelement "schwimmt" also in der evolventenförmigen Nut, um kleine axiale und radiale Auslenkungen des Spiralelementes in der Nut zu ermöglichen. Die Eigenschaft einer axialen Federung/Dichtung beim Spiralelement ist gewährleistet. Veranschaulicht wird dies durch Fig. 4 und 5, die einen Teilschnitt durch ein stationäres und ein umlaufendes Spiralelement darstellen, wobei der Schnitt längs einer sich bewegenden Berührungslinie dargestellt ist. Die Schnitte der Fig. 4 und 5 sind also mit dem Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 2 vergleichbar, in welchem die Spiralelemente 12 und 16 eine sich bewegende Berührungslinie 31 bilden, um Fluidtaschen 20 und 22 zu bilden.

Gemäß Fig. 4 hat das insgesamt mit 50 bezeichnete Spiralelement eine Stirnplatte 51 mit einer evolventenförmigen Nut 52, die der Nut 46 der Fig. 3 ähnlich ist. Das umlaufende Spiralelement 53 verfügt über eine Stirnplatte 54 mit einer evolventenförmigen Nut 55. Das evolventenförmige Spiralelement 56 ist in der Nut 52 angeordnet und ist somit ein Teil des sta tionären Spiralelementes. Hingegen ist die evolventenförmige Spiralwand 57 in der Nut 55 angeordnet und ist ein Teil des umlaufenden Spiralelementes. Diese Spiral elemente erzeugen durch die Anwendung geeigneter radialer Kräfte normalerweise eine sich bewegende Berührungslinie 58, um die erforderliche tangentiale Abdichtung zu bewir ken.

Um eine annehmbare radiale Dichtung zu erreichen, ist es notwendig, daß die Stirnfläche 61 der Spiralwand 56 mit der Oberfläche 62 der Stirnplatte 54 in Berührung steht
und daß die Stirnfläche 63 der Spiralwand 57 mit der Oberfläche 64 der Stirnfläche 51 in Berührung steht. Da die Spiralwände 56 und 57 in ihren entsprechenden Nu ten "schwimmen" können, können diese Bedingungen für eine radiale Dichtung erfüllt werden, da ein bestimmtes Maß ei ner axialen Federung bei der Dichtung vorhanden ist. Es ist auch erforderlich, die zwischen den Teilen der Vorrichtung vorhandene tangentiale Dichtung aufrechtzuerhalten, wenn der Wirkungsgrad einer Kompressor- oder Expandiereinrichtung ent sprechend gut bleiben soll. Somit muß gleichzeitig mit der axialen Federung bei den Spiralelementen gemäß der Er findung die tangentiale Dichtung aufrechterhalten bleiben.

Die Fig. 4 stellt die einfachste Form einer Konstruktion des Spiralelementes gemäß der Erfindung dar, wobei pneumati sche Kräfte allein dazu verwendet werden, um sowohl eine axiale Federung als auch eine tangentiale Dichtung aufrecht zuerhalten. Gemäß der Darstellung hat die Nut 52 Seiten 65, 66 und 67, und die Nut 55 hat Seiten 68, 69 und 70. Während derjenige Teil der Spiralwand 56, der sich in die Nut 52 erstreckt, in Berührung stehende Seiten 71 und 72 und eine Stirnseite 73 aufweist, hat die Spiralwand 57 in Berührung stehende Seiten 74 und 75 sowie eine Stirnseite 76. Angenommen, daß die Spiralelemente gemäß Fig. 4 ein Teil eines Kompressors sind und daß Fluidtaschen 59 und 60 direkt mit den Taschen 20 und 22 der Anordnung ge mäß Fig. 2 vergleichbar sind, so ist der Fluiddruck P ₅₉ in der Fluidtasche 59 größer als der Fluiddruck P ₆₀ in der benachbarten Fluidtasche 60. Während des Betriebes des Spiralelementes wird eine Druckdifferenz Δ P = (P ₅₉ - P ₆₀) somit über den evolventenförmigen Spiralwänden 56 und 57 am Punkt 58 aufgebaut, wo sie in einem Gleichkontakt entlang einer Berührungslinie miteinan der stehen, d. h. wo eine tangentiale Abdichtung bewirkt wird. Wenn der Kompressor angelassen wird und bevor Δ P einen nen nenswerten Wert erreicht hat, können die Spiralwände inner halb ihrer Nuten schwimmen. Wenn Δ P jedoch ansteigt, wird durch den Druck des Fluids, welches beispielsweise durch Leckverluste in die Nut 52 durch den Durchgang eindringt, welcher zwischen der Nutenseite 65 und der Spiralwand seite 71 festgelegt ist, die Spiralwand 56 in axialer Richtung gegen die Stirnplatte 54 gedrückt, um über die Oberflächen 61 und 62 einen dichtenden Kontakt herbeizu führen. Gleichzeitig drückt dieser Fluiddruck die Spiral wand 56 radial nach außen, um zwischen der Spiralwand seite 72 und der Nutenseite 67 einen Kontakt herzu stellen, so daß dadurch in wirksamer Weise die Tasche 59 gegenüber der Tasche 60 abgedichtet wird. In ähnlicher Weise drückt der hohe Fluiddruck in der Nut 55 die Stirnfläche 63 der Spiralwand 57 in der Weise, daß eine Berührung mit der Stirnplattenfläche 64 zustandekommt, während gleichzei tig die Spiralwandfläche 75 an die Nutenfläche 70 an gedrückt wird.

Aus der Fig. 4 und den nachfolgenden Figuren ist ersicht lich, daß durch den Sitz der Spiralwand in der Stirn plattennut eine Form einer axialen Kraftanwendung erzeugt wird, so daß die Spiralwand die Eigenschaft einer axia len Federung/Dichtung bekommt, während zugleich eine Fluid leckage durch den Kanal in der zwischen den Spiralwand- Stirnwänden und den Seiten der Nut festgelegten Nut auf ein Minimum gebracht wird. Indem die Leckage somit auf ein Minimum gebracht wird, wird eine radiale Abdichtung über die gesamte Vorrichtung mit den Spiralelementen gewährleistet, wenn die erfindungsgemäßen Spiralele mente verwendet werden.

Wenn auch die Ausführungsform gemäß Fig. 4 der einfachste Weg des Sitzes der Spiralwand in der Stirnplattennut ist, so erfordert diese Anordnung eine sehr genaue Geometrie und eine entsprechend genaue Ferti gung und zwar für die sich berührenden Flächen der Spiralwände und der Nutenwände, d. h. der Flächen 67/ 62 und 70/75. Die Berührungsdrücke sowohl in der axialen als auch in der radialen Richtung hängen von dem Fluiddruck ab, der auf die zwei Oberflächen der Spiralwand wirkt, und dieser Fluiddruck ist gemäß den obigen Ausführungen eine Funktion von Δ P.

In der Spiralwand, welche in den Fig. 6 und 7 jeweils in einer Teildarstellung veranschaulicht ist, wobei gleiche Bezugszahlen für gleiche Bauelemente verwendet werden, wer den eine Vielzahl von auf Abstand voneinander angeordneten Druckfedern dazu verwendet, um die mechanischen Hauptkräfte zu erzeugen, welche dazu dienen, die schwimmende Spiral wand 56 mit der Stirnplatte des gegenüber angeordneten Spiralelementes zum Eingriff zu bringen. Es werden auch pneumatische Kräfte verwendet, wie es bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 der Fall ist, um eine tangentiale Abdichtung aufrechtzuerhalten und um die axiale Kraft der Federn zu ver größern. Zu diesem Zweck sind eine Anzahl von in periodischen Abständen angebrachten Federöffnungen 80 in die Spiralwand- Stirnfläche 73 gebohrt, und es ist jeweils eine Feder 81 in eine solche Bohrung eingesetzt. Die Anzahl und die Abstän de der Federn 81 müssen derart gewählt sein, daß eine im wesent lichen gleichförmige Federkraft pro Längenabschnitt des Umfangs der Spiralwand hervorgerufen wird.

Da die Federn 81 kontinuierlich eine positive Kraft auf die Spiralwand 56 ausüben, um es mit der Oberfläche des gegen über angeordneten stirnseitigen Elementes in Berührung zu bringen, ist im wesentlichen die gesamte erforderliche axiale Kraft selbst während des Anlassens und des Abschaltens vorhan den. Dies ist eine Tatsache, die zu einem zuverlässigeren Be trieb während dieser Betriebsphasen als bei einer Anordnung führt, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 verwendet. Im Falle der Vorrichtung gemäß Fig. 4 müssen jedoch die sich berühren den Oberflächen der Spiralwand und der Nuten-Seiten da zu in der Lage sein, genaue Passungen zu liefern.

Ebenso wie die Anordnung gemäß Fig. 6 verwendet die Ausfüh rung gemäß Fig. 8 mechanische Einrichtungen wie ein elastomeres Element 82, um die Spiralwand 56 mit der Stirnplatten-Oberfläche des gegenüber angeordneten Spiral elementes in Berührung zu bringen. Dieses elastomere Element 82 kann zweckmäßigerweise aus (natürlichem oder synthetischem) Hartkautschuk oder aus einem anderen ähnlichen Material be stehen. Obwohl die Druckdifferenz, welche über den Spiral wänden besteht, wie bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 4 und 7 dazu verwendet werden kann, einen Fluiddruck zu lie fern, um die Spiralwand 56 radial nach außen zu drücken, um eine radiale Dichtung aufrechtzuerhalten, ist dies nicht unbedingt notwendig. Das elastomere Element 82 dient im wesentlichen demselben Zweck wie die Federn 81. Da jedoch auch eine positive Kraft in beiden axialen Richtungen wirkt, wird das elastomere Element kontinuierlich dazu gebracht, mit der Oberfläche 73 der Spiralwand und der Oberfläche 66 der Nut in Berührung zu stehen, so daß dadurch eine zusätz liche radiale Dichtungseinrichtung gebildet wird, indem eine Gasleckage unter der Spiralwand verhindert wird. Die Spiralwand-Dichtung gemäß Fig. 8 findet vorzugsweise in einer Vorrichtung Anwendung, bei welcher die Wartung regelmäßig ausgeführt werden kann, da die Materialien, aus welchen die elastomere Dichtung hergestellt ist, die Tendenz haben können, mit der Zeit ihre guten Eigenschaften zu ver lieren, so daß diese Dichtungen unter Umständen ausgetauscht werden müssen. Solche elastomeren Elemente 82 können natür lich nicht bei Maschinen verwendet werden, bei welchen ein korrosives Fluid verarbeitet wird, welches die elastomeren Dichtungen angreift oder mit dem Material dieser Dichtungen reagiert.

Die Fig. 9 bis 12 veranschaulichen die Verwendung einer Feder/ Dichtung als mechanische Einrichtung, um die Spiralwand 56 dazu zu bringen, eine Berührung mit der Stirnplatte herbeizu führen, so daß eine radiale Abdichtung gewährleistet wird, während gleichzeitig eine gasdichte Abdichtung im Sitz der Spiralwand 56 gewährleistet ist, um die tangentiale Ab dichtung innerhalb der Vorrichtung aufrechtzuerhalten. In den Fig. 9, 10 und 12 ist diese Feder/Dichtung als U-förmige Feder 85 ausgebildet. Die U-förmige Dichtung 85, deren Konfiguration der Evolventenform der Nut und der Spiralwand angepaßt ist, ist derart ausgebildet, daß dann, wenn sie gemäß Fig. 9 einge setzt ist, ein Zusammendrücken erfolgt. Sie wird in der Weise eingesetzt, daß ihr offenes Ende 86 derjenigen Tasche zuge wandt ist, welche das Fluid mit dem höheren Druck enthält. In ihrem zusammengedrückten Zustand in der Nut 52 stellt das Ende 87 (siehe Fig. 10) eine dichtende Berührung mit der Ober fläche 66 der Nut 52 her, und das Ende 88 stellt eine dichten de Berührung mit der Stirnfläche 73 der Spiralwand 56 her. Somit kann kein Gas aus der Tasche 59 durch die Nut 52 in die Tasche 60 gelangen.

Eine weitere Ausführungsform einer Feder/Dichtung ist in der Fig. 11 veranschaulicht. Diese Feder/Dichtung weist einen evolventenförmig ausgebildeten, abgestuften Dichtungsstreifen 88 auf, wobei die Oberflächen der zwei Enden 89 und 90 des Streifens einen dichtenden Kontakt mit den Oberflächen 73 und 66 herstellen, während die zwei einander gegenüber an geordneten, evolventenförmig ausgebildeten Wellenfedern 91 und 92 die Enden 89 und 90 gegen diese Oberflächen drücken. Somit kann die Feder/Dichtung als einstückiges Element aus gebildet werden, wie es beispielsweise die U-förmige Feder 85 darstellt, ober als eine Mehrzahl von Elementen, die in entsprechender Weise zusammenwirken, wie es in der Fig. 11 veranschaulicht ist.

Da die Federn/Dichtungen der in den Fig. 10 und 11 veran schaulichten Art ein Gasleck eliminieren, können alle Ober flächen bei den Spiralwänden und den Nuten mit herkömm lichen Toleranzen gefertigt sein, während zugleich dennoch bessere Ergebnisse erreichbar sind. Diese besseren Ergeb nisse ergeben sich aus der Tatsache, daß die radiale Abdich tung durch eine sich verschiebende Berührung zwischen der Spiralwand und der gegenüber angeordneten Stirnplatte des Spiralelementes erreicht wird, welche durch die Druckkraft der Feder/Dichtung gewährleistet ist, und zwar verhältnismäßig unabhängig von Δ P. Die Ausführungsform gemäß Fig. 9-12 stellt somit ein ausgeglichenes Druck dichtungselement dar, welches eine Eigenschaft der Kon struktion des Spiralelementes ist und eine bevorzugte Ausführungsform für den Sitz der Spiralwände in den Nuten darstellt.

Die Fig. 12 veranschaulicht die Anwendung der Spiralele mengen-Konstruktion gemäß der Erfindung unter Verwendung der U-förmigen Feder 85 auf das umlaufende und das stationäre Spiralelement, und sie veranschaulicht weiter die Aus bildung von Ölnuten. Es ist ersichtlich, daß identische Anordnungen verwendet werden. Somit ist die Spiralwand 57 in der Nut 55 durch die U-förmige Feder 95 in derselben Weise gehalten wie die Spiralwand 56 in der Nut 54 durch die U-förmige Feder 85.

Die Fig. 12 veranschaulicht auch die Verwendung von Ölnuten 96 in der Spiralwand 56 und von Ölnuten 97 in der Spiralwand 57.

Diesen Nuten zugeführtes Öl liefert eine Schmierung für die Berührung zwischen der Stirnfläche 61 der Spiralwand und der Oberfläche 62 der Stirnplatte sowie für die Berührung der Stirnfläche 63 der Spiralwand und der Oberfläche 64 der Stirnplatte.

Die Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spiralelementes, bei welcher die Evolven tennut in der Stirnplatte als eine angehobene Bahn auf der Stirnplatten-Oberfläche dargestellt ist. Die Spiral wand hat einen zentral angeordneten Ansatz, um in die in dieser Bahn gebildete Nut einzugreifen. Gemäß Fig. 13 hat das stationäre Spiralelement 50 eine Stirnplatte 100 mit einer evolventenförmig ausgebildeten Bahn 101, die eine zentrale Nut 102 über ihre gesamte Länge aufweist. Diese Bahn 101 hat eine Breite, die etwas geringer ist als die Breite oder die Dicke der stationären Spiralwand 103. Diese Spiralwand 103 mündet an demjenigen Ende, mit welchem es mit der Stirnplatte 100 verbunden ist oder in der Nut 102 geführt ist, in einem zentralen Evolventen satz 104, dessen Breite etwas kleiner ist als die Breite der Nut 102. In ähnlicher Weise hat das umlaufende Spiral element 53 eine Stirnplatte 105 mit einer evolventenförmigen Bahn 106, in welcher eine zentrale Nut 107 ausgebildet ist, und zwar in der Weise, daß sie einen zentralen Ansatz 108 der umlaufenden Spiralwand 109 des Spiralelementes führt.

Im Betrieb arbeiten die Spiralelemente gemäß Fig. 13 in derselben Weise wie die oben anhand der Fig. 4 beschrie benen Spiralelemente. Dies bedeutet, daß sowohl axiale als auch radiale Kräfte auf die Spiralwände 103 und 109 wirken, die pneumatische Kräfte sind, welche eine Funktion von Δ P haben.

Nach Fig. 14 ist der Sitz der Spiralwand 165 in der Stirnplatte 54 in der in Fig. 12 veranschaulichten Weise erreicht. Außerdem ist hilfsweise eine Federung bzw. Dichtung vorgesehen mit U-förmiger federnder Dichtung 158 als mechanische Einrichtung, die dazu dient, das Dichtungselement 135 mit der Stirnplatte in Berührung zu bringen, um eine radiale Abdichtung zu erreichen. Die U-förmige Feder 158, identisch mit der der Fig. 10, liefert auch eine gasdichte Abdichtung unter dem Dichtungselement 135, um die tangentiale Abdichtung innerhalb der Vorrichtung zu gewährleisten. Wie im Falle ihrer Anwendung im Sitz einer Spiralwand (insbesondere in Fig. 12) eliminiert die U-förmige Feder 158 jedes Gasleck. Sämtliche mit der Feder in Kontakt kommenden Oberflächen können mit einfachen Toleranzen hergestellt werden. Dabei werden gleichzeitig die Ergebnisse verbessert. Die Feder kann allerdings auch in der in Fig. 11 dargestellten Weise ausgebildet sein. Diese Anordnung bringt die Anforderungen an die Fertigung auf ein Minimum, die für alle solche Oberflächen sonst erforderlich ist, die bei der axialen Abdichtung der Vorrichtung beteiligt sind. Sie trägt dazu bei, ein bestimmtes Maß an axialer Federung zu erreichen.

Claims

1. Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit einem stationären und einem ohne Eigenrotation auf einer Kreisbahn umlaufenden Spiralelement, die jeweils eine Stirnplatte und eine senkrecht dazu angeordnete evolventenförmige Spiralwand aufweisen, wobei Stirnflächen der Spiralwände in dichtendem Kontakt mit den gegenüberliegenden Stirnplatten stehen und die Spiralwände während der Bewegung des umlaufenden Spiralelements durch linienförmigen Kontakt Arbeitskammern variablen Volumens bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralwände (56, 57) als separate Bauteile axiale und radial beweglich in an der Stirnplatte (50, 53) ausgebildete, evolventenförmige Nuten (52, 55) eingreifen und für den dichtenden Kontakt mit der Spiralwand und der Stirnplatte des jeweils anderen Spiralelements in der Nut (52, 55) druckbeaufschlagt werden.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der als separate Bauteile ausgebildeten Spiralwände (56, 57) durch Fluiddruck erfolgt (Fig. 4/Fig. 5).

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der als separate Bauteile ausgebildete Spiralwände (56, 57) in Radialrichtung durch Fluiddruck und in Richtung der Stirnplatte des jeweils anderen Spiralelements durch Federn erfolgt.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn über den Umfang der Spiralwand (56, 57) verteilte und in Bohrungen (81) eingesetzte Schraubenfedern (80) sind (Fig. 6, Fig. 7).

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn durch einen in der Nut (52, 55) eingesetzten Streifen aus elastomerem Werkstoff gebildet werden.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (85) einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, dessen Enden (87, 88) am Nutgrund (66) der Stirnplatte (51, 54) und an der Stirnfläche der Spiralwand (56, 57) dichtend anliegen.

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (88) einen stufenförmigen Querschnitt aufweisen, dessen Enden (89, 90) durch Wellenfedern (91, 92) an die Stirnfläche der Spiralwand (56, 57) und den Nutgrund der Stirnplatte (51, 54) dichtend angedrückt werden.

8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit der Stirnplatte (51, 54) des jeweiligen anderen Spiralelements in dichtendem Kontakt stehende Stirnfläche der Spiralwand eine Nut (137, 151) angeordnet ist, in der ein federbeaufschlagter Dichtstreifen (135, 152) eingepaßt ist (Fig. 14).