DE2628365A1

DE2628365A1 - Umlaufkolbenverdichter

Info

Publication number: DE2628365A1
Application number: DE19762628365
Authority: DE
Inventors: Christopfer Ghyll Crockett; Basil Dixon Power
Original assignee: BOC Ltd
Current assignee: BOC Ltd
Priority date: 1975-06-26
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-01-13
Also published as: FR2317527A1; AU1525276A

Description

PATENTANWALT

Dipl. ing. B. HOLZE»

PHIX.IPFINK-WEI.SBB-STBASSB 14

8900

TBtKFON 51647Ö

533S02 patol d

W. 810

Augsburg, den 22. Juni I976

BOC Limited, Hammersmith House, London W6 9DX, England

Umlaufkolbenverdichter

Die Erfindung betrifft einen Umlaufkolbenverdichter mit einem in einer zylindrischen Gehäusekammer exzentrisch auf einer Welle angeordneten Umlaufkolben, der zusammen mit der Kammerwand jeweils einen halbmondförmigen Arbeitsraum begrenzte

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Unter dem Ausdruck "Verdichter" ist hier sowohl eine unter atmosphärischem Druck stehendes Gas auf einen überatmosphärischen Druck verdichtende Vorrichtung als auch eine gewöhnlich als Vakuumpumpe bezeichnete, unter einem unteratmosphärischem Druck stehendes Gas auf Atmosphärendruck verdichtende und fördernde Vorrichtung zu verstehen,,

Bei einem Verdichter der Verdrängerbauart, bei welchem das Gas in einem halbmondförmigen, zwischen der Wand einer zylindrischen Gehäusekammer und einem darin exzentrisch umlaufenden Kolben gebildeten Arbeitsraum verdichtet wird, erfordert die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kolben und dem Gehäuse das Einbringen von Öl als Schmiermittel in die Gehäusekammer, um übermäßigen Verschleiß zu verhindern. Dieses öl verunreinigt das geförderte Gas in gewissem Maße, was in manchen Fällen sehr unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Umlaufkolbenverdichter der eingangs genannten Art die Relativgeschwindigkeit und die gegenseitigen Relativbewegungen zwischen den beweglichen und den feststehenden Teilen des Verdichters so zu verringern, daß außer dem zu fördernden Gas kein Schmiermittel mehr oder höchstens noch eine minimale

«■» p _

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Schmiermittelmenge erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solcher Umlaufkolbenverdichter gemäß der Erfindung durch eine sich über die axiale Länge der Kammer erstreckende Zunge gekennzeichnet, von deren beiden kolbenachsparallelen Kanten die eine strömungsmitteldicht mit dem Gehäuse und die andere strömungsmitteldicht mit dem Kolben verbunden ist und auf deren einer Seite der Arbeitsmitteleinlaß und auf deren anderer Seite der Arbeitsmittelauslaß angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische

Ansicht eines mit einem Elektromotor gekuppelten Umlaufkolbenverdi enters nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den in

Fig, I gezeigten Verdichter,

Fig. 3 die Arbeitsweise eines Verdichters

nach der Erfindung anhand einer Folge von den Kolben in

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verschiedenen Stellungen zeigenden Querschnitten, und

Pig. 4 einen Querschnitt durch eine

alternative Verdichterausführungsform.

Der in Fig. 1 dargestellte Verdichter ist als Vakuumpumpe konstruiert. Er weist ein Gehäuse 2 auf, das an seinen Stirnseiten durch mittels Schrauben 6 befestigte Stirnplatten 4 abgeschlossen ist. Eine durch die hintere Stirnplatte hindurchragende, jedoch wegen der Blickrichtung der perspektivischen Darstellung nicht sichtbare Verdichterwelle ist mit der Antriebswelle eines Elektromotors 8 gekuppelt. An der vorderen Stirnplatte 4 ist ein Saugstutzen 10 angeordnet, mit welchem eine zu evakuierende Einrichtung über einen Druckschlauch verbindbar ist. Das Gehäuse 2 weist eine Nut 12 auf, in deren Nutgrund ein Rückschlagventil angeordnet ist, durch welches Gas in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann.

Der innere Aufbau der Vakuumpumpe ist in Fig. 2 mehr im einzelnen gezeigt. Das Gehäuse 2 bildet eine etwa die Form eines geraden Zylinders aufweisende Kammer 24, deren Zylinderwand l4 mit einer Einbuchtung 16 versehen ist, deren Zweck

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später noch erläutert wird. In der Gehäusekammer ist auf einem Wellenabschnitt 20 ein zylindrischer Kolben 18 angeordnet, der um die Achse 22 zweier Wellenzapfen 2 3 umläuft, von denen nur einer sichtbar ist. Die Achse 22 fluchtet mit derjenigen der nicht sichtbaren Antriebswelle,

Zwischen dem Kolben 18 und dem Wellenabschnitt 20 sind reibungsarme Lager angeordnet. Die Wellenzapfen 23 sind in Lagern gelagert, die in den Stirnplatten 4 angeordnet sind. Diese Lager halten den Drehkolben 18 und den Wellenabschnitt in einer vorgegebenen Axiallage mit Bezug zueinander und zu den Stirnplatten 4 ( mittels Spurlagern der Antriebswelle ), Wegen der räumlichen Trennung dieser Lager von dem zwischen dem Kolben 18 und der Gehäusekammerwand 14 gebildeten halbmondförmigen Arbeitsraum können diese Lager unter atmosphärischem Druck bleiben und deshalb mit Fett oder öl geschmiert werden, ohne daß die Gefahr einer Verunreinigung des Gases im Arbeitsraum durch das Schmiermittel besteht.

Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkolben 18 ist eine Zunge 26 angeordnet, Sie beiden zur Achse parallelen Kanten dieser Zunge 26 sind mit Wülsten 28 bzw, 29 mit gekrümmten Oberflächen versehen, die mit Gleitsitz in entsprechende Aussparungen des Gehäuses bzw, des Kolbens eingesetzt sind.

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Die Anordnung ist so getroffen, daß die Zunge in begrenztem Maße um die Achse des durch den Wulst 28 und die diesen aufnehmende Gehäuseaussparung gebildeten Scharniers drehbar ist. Die Passung ist dabei so eng, daß trotz des bei in Betrieb befindlicher Pumpe über der Zunge stehenden Druckunterschieds im wesentlichen kein Gas zwischen miteinander zusammenwirkenden Flächen des Wulstes 28 und der diesen aufnehmenden Gehäuseaussparung hindurchlecken kann.

Der Hauptteil der Zunge 26 zwischen den beiden Wülsten 28 und 29 ist gekrümmt. Die gekrümmte Innenfläche 30 ist komplementär zur Kolbenmantelfläche 18, so daß in einer Stellung, in welcher Kolben und Zunge aneinander anliegen, im wesentlichen keine "Luft" mehr zwischen diesen beiden Teilen vorhanden ist. Die Außenfläche 32 der Zunge paßt genau in die Aussparung 16 der Gehäusekammerwand, so daß auch hier der tote Raum auf ein Minimum verringert ist.

Die Zunge 26 weist eine gekrümmte Kantenfläche 3^ auf, die mit der ihr zugeordneten Wandfläche 36 der Aussparung l6 einen Gleitsitζ bildet. Dieser Gleitsitz ist so eng, daß das Innere der Aussparung l6 so lange gegen den Arbeitsraum im wesentlichen abgedichtet ist, bis die Kantenfläche 3k und die Wandfläche 36 außer Berührung miteinander gebracht worden sind.

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Es versteht sich von selbst, daß zur Aufrechterhaltung der über der Zunge 26 im Betrieb der Pumpe erzeugten Druckdifferenz sowohl der Kolben 18 als auch die Zunge 26 mit den Innenflächen der Stirnplatten 4 einen so engen Sitz bilden, daß nur vernachlässigbar kleine Gasmengen durch die stirnseitigen Spalte zwischen den Stirnplatten und dem Drehkolben sowie der Zunge an der Zunge vorbeilecken können. Es werden deshalb strenge Anforderungen an den Werkstoff der Zunge gestellt, da diese einerseits hinsichtlich ihrer Abmessungen stabil sein muß und andererseits trotz der stattfindenden Relativbewegung zwischen sich und Gehäuse, Kolben und Stirnplatten nur geringen Verschleiß aufweisen darf. Mindestens eine oder beide Gehäusestirnwände 4 sind mit einem Saugstutzen für das zu verdichtende Gas versehen. Eine bevorzugte Position für diesen Gaseinlaß ist in Fig. 2 durch das gestrichelt eingezeichnete gekrümmte Dreieck 38 angedeutet, Eiene alternative Position für den Gaseinlaß ist strichpunktiert bei 40 eingezeichnet. Ein Einlaß 38 in der Stirnwand wird bei umlaufendem Kolben 18 abwechselnd freigegeben und abgeschlossen. Der alternative Einlaß 40 ist im Gehäuse 2 gebildet und steht stets mit der Aussparung 16 in Verbindung, Wie bereits erwähnt, kommt diese Aussparung 16 und somit der Einlaß 40 jedoch nur zeitweise jeweils in Abhängigkeit von der Position der Zunge 36 relativ zum Gehäuse 2 mit dem Arbeitsraum in

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Verbindung.

Unabhängig von der jeweiligen Form des Einlasses ist der Gasauslaß als Kanal 42 ausgebildet, der nahe der Verbindung der Zunge 26 mit dem Gehäuse angeordnet ist und dessen Wände an die Gehäusekammerwand 14 angrenzen. Das

äußere Ende des Auslaßkanals 42 ist mit einem Rückschlagventil versehen, das vorzugsweise durch eine Rückschlagklappe 44 aus elastomerischem Werkstoff gebildet ist, so

daß der Kanal 42 zur Atmosphäre hin offen ist, wenn der Gasdruck im Kanal leicht über dem Atmosphärendruck liegt. Die natürliche Pedereigenschaft der Klappe 44 bewirkt die Schliessung der Klappe zur Verhinderung des Eindringens von Gas aus der Atmosphäre, wenn der Gasdruck im Kanal 42 wieder auf einen niedrigeren Wert abfällt.

Die Beschreibung der Gehäuseöffnung 38 bzw. 40 als Gaseinlaß und der Gehäuseöffnung 42 als Gasauslaß versteht sich bei einer Drehung des Wellenabschnitts 20 im Uhrzeigersinn. Es ist jedoch auch möglich, die Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn zu wählen, wenn der Einlaß 38 und der Auslaß 42 jeweils auf der entgegengesetzten Pumpenseite angeordnet wird. Eine solche Pumpenversion ist in Fig. 4 gezeigt, in welcher für entsprechende Teile jeweils wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

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Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß eine der Punktionen der Zunge 26 darin liegt, eine wesentliche Relativdrehung des Kolbens 18 mit Bezug auf das Gehäuse 2 zu verhindern, während der Kolben im Betrieb der Pumpe um die Achse 22 herum umläuft, wobei er in gleitendem Kontakt mit

der Gehäusekammerwand Ik steht. Die Kolbenbewegung relativ zur Gehäusekammerwand 14 ist eine kombinierte Abwälz- und Gleitbewegung. Obwohl eine Relativbewegung zwischen den jeweils miteinander zusammenwirkenden Wandbereichen des Kolbens und der Kammerwand 14 vorhanden ist, ist die Geschwindigkeit dieser Relativbewegung so klein, daß der Schmiermittelbedarf minimal ist oder selbstschmierende Werkstoffe ( ohne zusätzliche Schmiermittelschmierung ) verwendet werden können, wobei der Spalt zwischen Kolben und Kammerwand jedoch so klein bleibt, daß nur eine vernachlässigbar kleine Gasmenge aufgrund der Druckdifferenz zwischen den beiden beiderseits der Zunge 26 liegenden Abschnitten des Arbeitsraumes hindurchlecken kann. Als Werkstoff für mindestens eine der beiden aufeinander gleitenden Komponenten, nämlich des Kolbens 18 und der Kammerwand 14, kann beispielsweise ein selbstschmierender Kunststoff, ein reibungsarmer Kunststoff oder ein mit öl oder Fett imprägnierter poröser Werkstoff Anwendung finden»

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Ausgehend von der in Fig, 3a gezeigten Stellung wird zunächst die Einlaßöffnung ( 38 in Fig. 3d ) durch die Stirnfläche des Kolbens 18 verschlossen und der Teil 25 des Arbeitsraumes 24 ist mit zuvor eingelassenem Gas gefüllt. Die Drehung des Wellenabschnitts 20 im Uhrzeigersinn bewirkt eine Bewegung des Kolbens 18 längs der Kammerwand 14 ebenfalls im Uhrzeigersinn, Während der ersten Phase der Bewegung bleibt das Volumen des ArbeitsraumabSchnitts 25 im wesentlichen konstant ( Fig,3b ), jedoch treten geringfügige Druckänderungen des Gases im Arbeitsraumabschnitt 25 infolge der Tatsache auf, daß der Einlaß 38 nicht mehr mit dem Arbeitsraumabschnitt 25 in Verbindung steht« Bei weiterer Drehung gibt der Kolben 18 einen Teil des Einlasses 38 frei (Fig. 3c), so daß Gas in einen nun rechts entstehenden Arbeitsraumabschnitt 27 einströmen kann» Das Volumen dieses Arbeitsraumabschnittes 27 vergrößert sich bei der weiteren Kolbenbewegung, wodurch Gas in diesen Arbeitsraumabschnitt eingesaugt wird (Fig. 3d), bis dieser seine maximale Größe erreicht hat. Durch diesen weiteren Kolbenumlauf wird das Volumen des Arbeitsraumabschnittes 25 fortschreitend weiter verringert (Figuren 3c und 3d), wodurch das darin befindliche Gas soweit verdichtet wird, bis es einen die Vorspannung des Rückschlagventils 44 überwindenden Druck erreicht und Gas durch dieses Rückschlagventil ausgestoßen wird. Das Volumen des Arbeitsraumabschnittes 25 wird dabei bis auf

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ein sehr kleines Maß verringert und das Minimum wird erreicht, wenn der Raum zwischen dem Kolben 18 und der Kammerwand 14 gerade links vom Kanal 42 liegt. Sodann wiederholt sich der eben beschriebene Zyklus.

Der Einlaß 38 wird von der Stirnfläche des Umlaufkolbens stets dann verschlossen, wenn der Einlaß sonst mit dem Auslaß 42 Verbindung haben würde. Dadurch ist sichergestellt, daß keine wesentliche Gasmenge aus dem Arbeitsraum in den Einlaß 38 zurück auslecken kann.

Die während eines Pumpenzyklus zwischen der Zunge 26 und dem Gehäuse 2 und auch zwischen der Zunge 26 und dem Kolben stattfindende relative Winkelbewegung ist verhältnismäßig klein. Diese Winkelbewegung könnte bei Vergrößerung des Verhältnisses von Kolbendurchmesser zu Gehäusekammerdurchmesser noch weiter verringert werden. Die geringe Winkelbewegung führt zu verhältnismäßig kleinen GIeitgeschwindigkeiten zwischen den Zungenenden und den sie aufnehmenden Aussparungen, so daß ein Minimum an Schmierung ausreicht oder selbstschmierende Werkstoffe verwendet werden können» Außerdem können elastische Befestigungen, welche die kleinen Winkelbewegungen ganz ohne Gleiten aufnehmen können, Verwendung finden.

Im Rahmen der Erfindung kann die dargestellte, gelenkig mit Gehäuse und Kolben verbundene Zunge 26 durch eine aus

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flexiblem Werkstoff bestehende Zunge, beispielsweise einen dünnen Federmetallstreifen oder ein Federstreifenpaket, oder durch eine Zunge aus elastomerisehem Werkstoff, beispielsweise verstärktem Gummi, oder durch eine zusammengesetzte Konstruktion aus solchen Werkstoffen ersetzt werden« In diesen Fällen sind die achsparallelen Kanten der Zunge jeweils strömungsmitteldicht mit dem Gehäuse bzw, dem Kolben verbunden, so daß die Zunge im Betrieb gebogen wird und keine Zungenbefestigung erforderlich ist, die wie im Falle der starren Zunge eine oszillatorische Schwenkbewegung ermöglicht. Die Verwendung einer flexiblen Zunge erfordert spezielle Maßnahmen zur Verhinderung von Leckströmen zwischen den StirnTlächen der Zunge und den Gehäusestirnwänden. Die Spielräume zwischen diesen Stirnflächen sollten so klein und die Zungenstirnfläche breit genug sein, daß die dort stattfindenden Leckströme in einem zulässigen geringen Bereich liegen.

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Claims

Patentansprüche

ι 1_β)Umlaufkolbenverdichter mit einem in einer zylindrischen Gehäusekammer exzentrisch auf einer Welle angeordneten Umlaufkolben, der zusammen mit der Kammerwand jeweils einen halbmondförmigen Arbeitsraum begrenzt, gekennzeichnet durch eine sich über die axiale Länge der Arbeitskammer (24) erstreckende Zunge (26), von deren beiden kolbenachsparallelen Kanten (28, 29) die eine (28) strömungsmitteldicht mit dem Gehäuse (2) und die andere (29) strömungsmitteldicht mit dem Kolben (18) verbunden ist und auf deren einer Seite der Arbeitsmitteleinlaß (38) und auf deren anderer Seite der Arbeitsmittelauslaß (42) angeordnet ist.
2. Umlaufkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromungsmitteldichten Verbindungen zwischen der Zunge (26) und dem Gehäuse (2) bzw. dem Kolben (18) durch an den betreffenden Zungenkanten gebildete Wülste (28, 29) mit gekrümmten Oberflächen und diese mit engem Gleitsitz aufnehmende ^ komplementär ausgebildete Aussparungen im Gehäuse bzw. im Kolben gebildet sind und jeweils eine begrenzte scharnierartige Drehung der Wülste in diesen Aussparungen zulassen.

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3. Umlaufkolbenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (26) zwischen den beiden Wulsten (28, 29) gekrümmt ist.
4. Umlaufkolbenverdichter nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Zungenfläche (30) eine zu der Krümmung der Kolbenmantelfläche komplementäre Krümmung aufweist„
5. UmIaufkolbenverdichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusekammerwand (14) im Bereich der Zunge (26) eine Aussparung (16) aufweist und daß diese Aussparung und die Zunge so ausgebildet sind, daß die Zunge mit ihrer radial äußeren Zungenfläche (32) genau in diese Wandaussparung (16) hineinpaßt.
6. Umlaufkolbenverdxchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge aus flexiblem Werkstoff besteht und daß ihre beiden kolbenachsparallelen Kanten strömungsmitteldicht am Gehäuse bzw. am Kolben befestigt sind.
7. Umlaufkolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge als Schichtenpaket mit aus elastomerischem Werkstoff bestehenden Schichten und aus flexiblem Werkstoff bestehenden Schichten ausgebildet ist.

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8. Umlaufkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmitteleinlaß (38) bei Drehung der Welle (20, 23) vom Kolben (18) jeweils abwechselnd freigegeben und verschlossen wird.
9. Umlaufkolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmitteleinlaß (40) mit der Gehäusewandaussparung (16) in Verbindung steht und aufgrund der Bewegung der Zunge (26) relativ zum Gehäuse (2) mit dem Arbeitsraum in Verbindung gebracht bzw. von diesem getrennt wird.
10. Umlaufkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmittelauslaß als nahe der Verbindungsstelle der Zunge (26) mit dem Gehäuse (2) angeordneter Kanal (42) in der Gehäusekammerwand (14) ausgebildet und mit einem Rückschlagventil (44) versehen ist«,
11. Umlaufkolbenverdichter nach einem der Ansprüche

1 bis 10, dadurch gekennzei chnet, daß mindestens eine der Komponenten Kolben (18) und Gehäusekammerwand (14) aus Kunststoff mit Selbstschmiereigenschaften, einem reibungsarmen Kunststoff oder einem porösen, mit öl oder Fett imprägnierten Werkstoff besteht.

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