DE2661104C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der Spiralbauweise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Rotationskolbenmaschine ist aus der US-PS 38 84 599 bekannt. Dort werden Einrichtungen verwendet, die zumindest einen Teil der Zentrifugalkräfte kompensieren, die auf das umlaufende Spiralelement wirken; tangentiale Dichtungskräfte werden entlang den Berührungslinien gesteuert, welche zwischen den Spiralelementen vorhanden sind. Hierbei gewähren axiale Federungs-/Dichtungseinrichtungen eine wirksame radiale Abdichtung zwischen den Spiralwänden und den Oberflächen der Spiralelemente- Stirnplatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Rotationskolbenmaschine die Dichtungsprobleme und damit das Reibungsverhalten zwischen den Einzelementen, insbesondere für Trockenlauf zu verbessern.

Erreicht wird dies dadurch, daß die Oberflächen der Spiralwände und der Stirnplatten, die die Dichtkontakte herbeiführen, aus selbstschmierendem Material gebildet sind.

Vorzugsweise besteht das selbstschmierende Material aus einer gesonderten Schicht, die an den Oberflächen der Sprialwände und der Stirnplatten haftet.

Zweckmäßig weisen die Stirnplatten des stationären sowie des umlaufenden Spiralelements evolventen förmige Nuten auf, in die die evolventenförmigen Spiralwände abgedichtet eingesetzt sind.

Vorteilhaft ist, daß als selbstschmierendes Material ein Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylenbasis, vorgesehen ist.

Es ist zwar bei einer als Vakuumpumpe verwendbaren Rotationskolbenmaschine der Spiralbauweise (DE-OS 19 35 621) bereits an den Spiralwänden ein Überzug aus nachgiebigem Material vorgesehen worden. Dabei handet es sich jedoch um einen Überzug aus gummielastischem Material, mit dem der Dichtungskontakt zwischen den Spiralwänden verbessert werden soll, ganz im Gegensatz zur Maßnahme nach der Erfindung, wo ein selbstschmierendes Material für den Dichtkontakt bei Trockenlauf gedacht ist, womit Reibung und Verschleiß möglichst gering gehalten werden soll.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung lassen sich Fluid­ kompressoren herstellen, bei denen die Temperaturerhöhung aufgrund von Reibung wesentlich vermindert wird und von dieser Seite eine zulässige Temperaturerhöhung nicht zu erwarten ist. Die Abnutzung der selbstschmierenden Materialien wird auf ein Minimum begrenzt, obwohl die Rotationskolbenmaschine ohne Schmiermittel trocken läuft. Dadurch können auch sich selbst einstellende oder von selbst einlaufende Abnutzungsflächen Verwendung finden. Dies in Verbindung mit Kühlmittel­ zirkulationskanälen löst das oben genannte Problem vollständig.

Die Fluidtaschen werden trotzdem vollständig voneinander isoliert, der Trockenlauf ist durch die selbstschmierenden Oberflächen garantiert.

Es ist möglich, zusätzlich eine Einrichtung vorzusehen, die dazu dient, die sich berührenden Oberflächen dazu zu bringen, sich derart einzuschleifen oder derart einzulaufen, daß eine außerordentlich gute Passung und eine wirksame Abdichtung erreicht werden.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden. Diese ist ein Längsschnitt durch eine Spiralfördereinrichtung, bei der die erfindungsgemäßen Maßnahmen verwirktlicht sind.

Bei einer Rotationskolbenmaschine der Sprialbauweise werden die Spiralwände bei linienförmiger Berührung in abdichtenden Kontakt gebracht, wodurch volumenveränderliche Arbeitskammern gebildet werden. Es ist eine Einrichtung für die Aufbringung einer Axialkraft zwischen dem umlaufenden und stationären Spiralelement vorgesehen. Hierdurch werden die Stirnplatten des einen Spiralelementes mit einer Stirnfläche der Spiralwand des anderen Sprialelementes in abdichtenden Kontakt gebracht. Die Vorrichtung kann, je nachdem wie sie betrieben wird, einmal als Kompressor, einmal als Expansionsmaschine ausgebildet sein, bleibt jedoch das Fluidvolumen im wesentlichen konstant, unabhängig von seinem Druck, dann arbeitet die Vorrichtung als Pumpe. Unter dem Begriff "Spiralelement" ist dasjenige Bauteil zu verstehen, welches die Spiralplatte sowie diejenigen Elemente umfaßt, welche die Berührungsflächen festlegen, die miteinander längs einer sich bewegenden Linie in Berührung stehen. Sie können bei­ spielsweise die Konfiguration einer Spiralevolvente, eines Kreisbogens oder dergleichen haben.

Nach der dargestellten beispielsweisen Ausführungsform ist ein Kompressor vorgesehen.

Die Vorrichtung verfügt über ein stationäres Spiralelement 10 und ein umlaufendes Spiralelement 11. Das stationäre Spiralelement 10 weist eine Stirnplatte auf, die in ihrer Gesamtheit mit 12 bezeichnet ist. Die Kontakt/Dichtungs-Flächen der Stirnplatte 12 und der Spiralwand 13 können vorzugseise selbstschmierend ausgebildet sein. Nach dieser Ausführungsform weisen diese Oberflächen getrennte Schichten eines selbst­ schmierenden Materials auf, beispielsweise eines gefüllten Polytetrafluoräthylens, welches auf einer Metallstirnplatte und der Spiralwand angeordnet ist. Somit ist eine Schicht 12a eines selbstschmierenden Materials für die Stirnplatte 12 sowie eine Schicht 13a eines solchen Materials für die Kontaktoberflächen der Spiralwand 13 vorhanden. Wenn in einer alternativen Ausführungsform diese Kontaktoberflächen selbstschmierend sind, so können sie auch dadurch hergestellt sein, daß die Metalloberflächen direkt in entsprechender Weise behandelt sind, oder sie können dadurch gebildet sein, daß die miteinander in Berührung stehenden Elemente vollständig aus einem selbstschmierenden Material hergestellt sind.

In ähnlicher Weise weist das umlaufende Spiralelement 11 eine Stirnplatte 14 mit einer selbstschmierenden Schicht 14 und einen Evolventenstreifen 15 auf, der eine Kontaktoberfläche 15a hat, die aus einem daran angebrachten selbstschmierenden Material besteht.

Wenn das umlaufende Spiralelement 11 in der Weise angetrieben wird, daß es sich um das stationäre Spiralelement 10 dreht (durch eine unten beschriebene Einrichtung), so werden zwischen den Stirnplatten und den Streifen eine Mehrzahl von sich bewegenden Fluidtaschen 16, 17, 18, 19 und 20 festgelegt, in welchem der Fluiddruck von dem Umfang aus nach innen wächst. Um eine Spiraleinrichtung mit gutem Wirkungsgrad zu schaffen, ist es notwendig, eine wirksame radiale Dichtung zwischen der Kontaktoberfläche 21 des Evolventenstreifens 13 des stationären Spiralelementes und der Oberfläche 22 der Stirnplatte 14 des umlaufenden Spiralelementes sowie zwischen der Kontaktoberfläche 23 des Evolventenstreifens 15 des umlaufenden Spiralelementes und der Oberfläche 24 der Stirnplatte 12 des stationären Spiralelementes zu gewährleisten. Eine wirksame kontinuierliche tangentiale Dichtung entlang der sich bewegenden Kontaktlinien zwischen den Evolventenstreifen wie entlang der Linie 31 wird dadurch erreicht, daß eine geeignete Kombination aus entsprechend sorgfältiger Bearbeitung, entsprechendem Einfahren oder Einlaufen und zweckmäßiger Wahl der unten beschriebenen Antriebseinrichtung vorgesehen wird.

Die Stirnplatte 12 des stationären Spiralelementes besteht aus der Stirnplatte 25 des vorderen Gehäuses und einer gegenüberstehenden Platte 26. Einen gemeinsamen Teil mit der Stirnplatte 25 des vorderen Gehäuses bildet das vordere Spiralgehäuse 27, welches in einem Flansch 28 endet. Die Gehäusestirnplatte 25, welche der Platte 26 gegenübersteht, das Spiralgehäuse 27 und der Flansch 28 bilden die vordere Einheit 29 des Kompressorgehäuses. Eine Mehrzahl von Rippen 30 dienen das Wärmeübergangs-Oberflächen, um dieses vordere Gehäuseteil zu kühlen. Eine abgestuft ausgebildete rückwärtige Gehäuseeinheit 34, welche die Teile 35, 36, 37 und 38 umfaßt, ist über Flanschteile 39, 40 und 41 fest mit der vorderen Gehäuseeinheit 29 mit Hilfe einer Mehrzahl von Schrauben 42 verbunden und durch einen elastomeren Dichtungsring 43 abgedichtet. Der rückwärtige Gehäuseteil 34 hat eine Mehrzahl von äußeren Rippen 44, die ebenfalls als Kühloberflächen für diese Gehäuseeinheit dienen.

Die Fluidtasche 17, welche die Zone des höchsten Druckes darstellt, steht über die Fluidöffnung 46 und den Durchgang 47 in der Stirnplatte 26 mit einer (nicht dargestellten) Fluidleitung in Fluidverbindung, durch welche komprimiertes Fluid vom Kompressor geliefert wird. Fluid, welches komprimiert werden soll, wird in die Umfangsfluidtasche 20 durch gegenüber angeordnete Einlässe 48 und 49 eingeführt, welche gegebenenfalls an Fluidleitungen angeschlossen sein können, die zu einer Fluidquelle führen. Wenn die Vorrichtung als Expansionsmaschine arbeitet, dann wird natürlich Hochdruckfluid durch die Öffnung 46 geliefert, und es wird Niederdruckfluid durch die Öffnungen 48 und 49 abgeführt. Die oben beschriebenen Bauteile sind ein Bestandteil einer grundsätzlichen Anordnung einer erfindungsgemäßen Spiralvorrichtung.

Um eine Innenkühlung der stationären Stirnplatte 12 durchzuführen, hat sie einen evolventenförmigen Fluidkühlkanal 50, der in geeigneter Weise ausgebildet ist, indem eine evolventenförmige Nut 51 in diejenige Oberfläche der gegenüberstehenden Platte 26 eingefügt wurde, welche die Gehäusestirnplatte 25 berührt, so daß durch die Vereinigung dieser Bauteile miteinander der Kanal 50 festgelegt ist.

Eine geeignete Einrichtung dient dazu, ein geeignetes Kühlmittel wie Wasser oder Öl in den Evolventenkanal 50 einzuführen, der mit einer Einlaßöffnung 53 und einer Auslaßöffnung 54 ausgestattet ist. Diese Öffnungen weisen gemäß der Darstellung der Öffnung 53 vorzugsweise eine durch die gegenüberliegende Platte 26 hindurchgebohrte Öffnung auf, haben weiterhin einen mit Innengewinde versehenen Ansatz 55, der an der gegenüberliegenden Platte befestigt ist, und eine mit Gewinde versehene Leitung 56, die mit dem Ansatz 55 zum Eingriff gebracht werden kann, um das Kühlfluid von einer nicht dargestellten Quelle zuzuführen. Die Austrittsöffnung 54 ist ähnlich aufgebaut.

Eine Kühlung des Streifens oder Streifenelementes 13 wird dadurch erreicht, daß ein Kühlfluid durch zwei parallele Fluidkanäle 70 und 71 zirkuliert, welche sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Streifens oder Streifenelementes erstrecken.

Der grundsätzliche Aufbau des umlaufenden Spiralelementes 11 ist ähnlich wie derjenige des stationären Spiralelementes. Somit kann die Stirnplatte 14 aus zwei getrennten Platten 100 und 101 gebildet sein, wobei die Platte 100 eine evolventenförmige Nut aufweist, die ähnlich ausgebildet ist wie die Nut 51 der gegenüberliegenden Paltte 26, welche einen Evolventenfluidkühlkanal 102 in der Stirnplatte 14 bildet, wenn sie mit der Platte 101 in geeigneter Weise verbunden wird. Das Evolventenstreifenelement 15 des umlaufenden Spiralelementes ist in derselben Weise hergestellt wie das Evolventenstreifenelement des stationären Spiralelementes. Es hat auch zwei parallele Fluidkühlkanäle 105 und 106. Es hat auch ein Evolventen-Dichtungselement 107 in einer Nut 108, welches von einer Feder 109 beaufschlagt wird, die in einer Nut 110 angeordnet ist, um einen Dichtungskontakt zwischen der Oberfläche 111 des Dichtungselementes 107 und der Oberfläche 24 der Stirnplatte des stationären Spiralelementes zu gewährleisten. Das Evolventenstreifenelement 15 des umlaufenden Spiralelementes ist mit der Stirnplatte 14 durch eine Mehrzahl von Schrauben 103 verbunden, welche auch eine starre Anordnung der Platten 100 und 101 bewirken, welche die umlaufende Stirnplatte 14 bilden. Die Dichtungselemente 112 und 113 dienen zur Dichtung des Streifenelementes gegenüber der Stirnpaltte.

Da sich das umlaufende Spiralelement während des Betriebes in bezug auf das Gehäuse und seinen Aufbau bewegt, ist es erforderlich, eine Einrichtung vorzusehen, um ein Kühlfluid in die Kanäle 102, 105 und 106 einzuführen, welche sich von derjenigen Einrichtung unterscheidet, die zu diesem Zeitpunkt in Verbindung mit dem stationären Spiralelement verwendet wird. Es ist eine Einrichtung zum Einführen des Kühlmittels in ein ölgeschmiertes Schublager integriert, welches dazu verwendet wird, eine Kraft auf das umlaufende Spiralelement auszuüben, damit es mit dem Evolventenstreifenelement des stationären Spiralelementes in Berührung gebracht wird, um dadurch eine wirksame Abdichtung der sich bewegenden Fluidtaschen zu gewährleisten.

Das aus Innenring 116, abstehendem Innenring 117 und abstehendem äußeren Ring 118 bestehende ölgeschmierte Lager 115 mit ringförmiger Innennut 119 ist am Kompressorgehäuse über einenn Flansch 40 befestigt. Der Innenring 117 stellt den Bewegungskontakt mit der Oberfläche 120 der Stirnplatte 14 des umlaufenden Spiralelementes her, während die gegenüberliegende Oberfläche 22 dieser Stirnplatte einen Bewegungskontakt mit den Dichtungsoberflächen des Dichtungselementes 125 und 127 herstellt. Für den Trockenlauf des Kompressors ist eine Dichtung vorgesehen wodurch im Schublager etwa verwendetes Schmieröl oder als Kühlmittel verwendetes Schmieröl für das umlaufende Spiralelement daran gehindert wird, in eine der sich bewegenden Fluidtaschen einzudringen.

Claims (4)

1. Rotationskolbenmaschine der Spiralbauweise mit einem stationären und einem umlaufenden Spiralelement, die jeweils eine Stirnplatte und eine davon abstehende evolventenförmige Spiralwand aufweisen, mit einer das umlaufende Spiralelement auf einer Kreisbahn führenden Kurbelwelle und mit einer die Eigenrotation des umlaufenden Spiralelements verhindernden Kupplung, mit einer radial federnden Verbindung zwischen der Kurbelwelle und dem umlaufenden Spiralelement, wodurch die Spiralwände zur Ausbildung von volumenveränderlichen Arbeitskammer bei linienförmiger Berührung in abdichtenden Kontakt gebracht werden, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Axialkraft zwischen dem umlaufenden und dem stationären Spiralelement, so daß jeweils die Stirnplatte des einen Spiralelements mit einer Stirnfläche der Spiralwand des anderen Spiralelements in abdichtenden Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Spiralwände (13, 15) und der Stirnplatten (12, 14), die die Dichtkontakte herbeiführen, aus selbstschmierendem Material gebildet sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstschmierende Material aus einer gesonderten Schicht (13a, 15a) besteht, die an den Oberflächen der Spiralwände (13, 15) und der Stirnplatten (12, 14) haftet.

3. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (12, 14) des stationären sowie des umlaufenden Spiralelements (10, 11) evolventenförmige Nuten aufweisen, in die die evolventenförmigen Spiralwände (13, 15) abgedichtet eingesetzt sind.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als selbstschmierendes Mittel ein Kunststoff, insbesondere auf Polytetrafluoräthylenbasis, vorgesehen ist.