DE2735663A1

DE2735663A1 - Spiralartige einrichtung mit einem hydrodynamischen axiallager

Info

Publication number: DE2735663A1
Application number: DE19772735663
Authority: DE
Inventors: John Engstrom Mccullough
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-08-08
Publication date: 1978-03-16
Also published as: SE432469B; JPS5335840A; AU2705077A; US4065279A; FR2375468A1; IT1117076B; DE2735663C2; SE455524B; JPS61491B2; GB1558136A; SE8207330D0; AU510580B2; SE7710184L; SE8207330L; FR2375468B1; CA1073023A

Description

MÜLLER-BORE · DEÜFKL · SCHÖN · HJSRTfiL FiTENXASWiLlE

Hl/Hk/ga-L 1166

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

-Il

Arthur D. Little, Inc.

Acorn Park

Cambridge, Mass. 02140 U. S. A.

Spiralartige Einrichtung mit einem hydrodynamischen Axiallager

Die Erfindung betrifft eine spiralartige Einrichtung und insbesondere eine spiralartige Einrichtung, die hydrodynamische Druck-bzw. Axiallager enthält und insbesondere als Kühlkompressor für einen langlebigen und zuverlässigen Betrieb bei niedrigen Unterhaltskosten geeignet ist.

Nach dem Stande der Technik kennt man eine Kategorie von Vorrichtungen, die im allgemeinen als "Spiral"-Pumpen, -Kompressoren und -Maschinen bezeichnet werden, bei denen zwei gegenseitig zusaimnenpassende spiralförmige oder Evolventen-Spirale leinen te mit der gleichen Steigung auf getrennten Endplatten befestigt sind. Diese spiralförmigen Elemente sind

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MÜNCHEN 8β ■ SIEBERTSTR. 4 · POSTFACH 8βΟ73Ο · KABKI-: UUEBOPAT ■ TEL. (089) 474009 · TEtIX 3-21289

winklig und radial versetzt, um sich gegeneinander entlang wenigstens einem Linienberührungspaar, beispielsweise zwischen spiralförmig gekrümmten Oberflächen, zu berühren. Ein Linienberührungspaar liegt näherungsweise auf einem einzigen Radius, der aus dem Zentralbereich der Spiralglieder nach außen gezogen wird. Das so ausgebildete Fluidvolumen erstreckt sich demzufolge längs seines gesamten Weges um den zentralen Bereich der Spiralglieder. In bestimmten Einzelfällen erstreckt sich die Tasche oder das Fluidvolumen nicht über volle 360°, sondern schließt infolge der besonderen Anordnung der öffnungen einen kleineren Winkel um den Zentralbereich der Spiralglieder ein. Die Taschen bestimmen Fluidvolumen, deren winklige Lage sich mit dem relativen Bahnumlauf der spiralförmigen Zentren verändert; und alle Taschen behalten die gleiche relative winklige Lage bei. Während sich die Berührungslinien entlang der Spiralglieder-Oberflächen verschieben, erfahren die so ausgebildeten Taschen eine Veränderung im Volumen. Die resultierenden Bereiche des niedersten und des höchsten Druckes sind mit Fluidöffnungen verbunden.

Aus der US-PS 801 182 ist diese allgemeine Gattung der Vorrichtung bekannt. Auch in den US-Patentschriften 1 376 291,

2 475 247, 2 494 100, 2 809 779, 2 841 089, 3 560 119,

3 600 114, 3 802 809 und 3 817 664 und in der britischen Patentschrift 486 192 sind Spiralkompressoren und -pumpen beschrieben.

Obgleich die Konzipierung einer spiralartigen Einrichtung eine Zeitlang als besonders vorteilhaft angesehen worden ist, war die spiralartige Einrichtung nach dem Stande der Technik, wie sie beispielsweise in den vorgenannten Patenten offenbart ist, wirtschaftlich nicht erfolgreich, in erster Linie deshalb, weil Abdichtungs- und Verschleißprobleme auftraten, die den erzielbaren Leistungen, der erzielbaren Lebensdauer und den erzielbaren DruckVerhältnissen ernsthafte Grenzen setzten.

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Diese Abdichtungs- und Verschleißprobleme sind von radialer sowie von tangentialer Art. Somit muß eine wirkungsvolle Axialberührung zwischen den Enden der spiralförmigen Evolventen-Elemente und den Endplatten-Oberflächen der Spiralglieder die sie berühren, hergestellt werden, um gegen eine radiale Leckage abzudichten und eine wirkungsvolle Radialabdichtung zu erhalten, und es muß eine wirkungsvolle Radialberührung bei minimalem Verschleiß entlang der sich bewegenden Linienberührungen erhalten werden, die zwischen den spiralförmigen Evolventen-Elementen hergestellt werden, um gegen eine tangentiale Leckage abzudichten.

Vor kurzem jedoch wurden die mit einem Abdichten und einem Verschleiß zusammenhängenden Probleme in eine Maße minimiert, daß die spiralartige Einrichtung bezüglich der Leistungsfähigkeit mit anderen Arten von Kompressoren, Expansionsmaschinen und Pumpen konkurrieren kann. Lösungsvorschläge zu diesen Problemen sind in den folgenden US-Patentschriften 3 874 827, 3 884 599 und 3 924 977 und in den US-Serial-Nos. 561 478, 561 479, 570 170 und 627 854 enthalten. Als Lösungsvorschläge werden Einrichtungen vorgeschlagen, die zumindest einem Teil der Zentrifugalkräfte entgegenwirken, welche auf dem bahnumlaufenden Spiralglied wirken, und die die tangentialen Abdichtungskräfte entlang der Linienberührungen zwischen den Evolventen-Einhüllgliedern der Spiralglieder steuern; ferner werden axiale Federungs-/Abdichtungs-Einrichtungen vorgeschlagen, um eine wirkungsvolle Radialabdichtung zwischen den Enden der Evolventen-Einhüllglieder und den Oberflächen der Spiralglieder-Endplatten zu gewährleisten; auch sind Einrichtungen vorgesehen, um Axialkräfte aufzubauen, so daß die Spiralglieder fortwährend in eine Berührung zwecks Aufrechterhaltung einer Radialabdichtung gedrängt werden; schließlich sind Einrichtungen vorgesehen, um sowohl die bahnumlaufenden als auch die stationären Spiralglieder zu kühlen.

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Als Ergebnis dieser Lösungsvorschläge der konstruktiven Basisprob leine bei spiralartigen Einrichtungen wurde nun eine Nachfrage für spiralartige Einrichtungen für einen weiten Verwendungsbereich einschließlich Küh!kompressoren geweckt, die einen zuverlässigen Betrieb über einen längeren Zeitraum ohne Wartung gewährleisten müssen.

Kompressoren für Kühleinrichtungen und insbesondere Kompressoren für kleine Haushaltskühlschränke müssen zuverlässig ruhig und wartungsfrei über einen längeren Zeitraum betrieben werden können. Typischerweise haben derartige Kompresso-

o" ren im Betrieb Einlaßdrücke von ca. 5,62 kg/cm absolut

2 (80 psia) und Auslaßdrücke von ca. 21,1 kg/cm absolut (300 psia). Das bedeutet, daß im Innern eines jeden spiralartigen Kompressors, der für derartige Anwendungsfälle verwendet wird, immer Gaskräfte vorhanden sind, die in Axialricntung wirken, um Kräfte auszuüben, die dazu neigen, die Soiralglieder zu trennen. Dies bewirkt wiederum eine radiale Leckage von Fluidtasche zu Tasche. Dieser Zustand erfordert dann wieder eine geeignete, eine Axialkraft aufbringende Einrichtung, die den geforderten Kontakt zwischen den Einhüllgliedern und den Endplatten der bahnumlaufenden und stationären Spiralglieder aufrechterhalten kann. Eine derartige eine Axialkraft ausübende Einrichtung muß in der Lage sein, eine Radialabdichtung über längere Zeiträume ohne Verursachung eines unzulässigen Verschleißes zwischen den sich bewegenden berührenden Oberflächen und ohne Rückgriff auf periodische Einstellung oder Wartung zu bewirken. Der Stand der Technik lehrt eine Anzahl von Annäherungen einer Lösung der Radialabdichtung. Eine derartige Annäherung ist die Maschinenbearbeitung der Einzelteile (Einhüllglieder und Endplatten) auf akkurate Formgestaltung für ein Zusammenpassen bei sehr kleinen Toleranzen, um die Radialabdichtungsspalten ausreichend niedrig zu halten, so daß nützliche Druckverhältnisse erzielt werden. Dies ist schwierig und sehr kostenaufwendig

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in der Verwirklichung. Bei anderen bekannten Vorrichtungen wird eine Radialabdichtung durch Verwendung von einer oder mehreren mechanischen axialen Zwangsbedingungen, beispielsweise Bolzen, erzielt, um die Oberflächen in eine Berührung (US-Patent 3 011 694) zu drängen, wobei eine genaue Einstellung erforderlich ist, so daß eine wirkungsvolle Radialabdichtung ohne unzulässigen Verschleiß erhalten wird. Wenn Wctnrend eines längeren Betriebs derartiger Vorrichtungen, wi*» dies beispielsweise bei Kühlkompressoren der Fall ist, diese Einstellung durch ein einziges Bauteil verstellt wird, welches einem größeren Verschleiß unterliegt, oder durch irgendeinen anderen Mechanismus, kann das Problem eines Verschleißes der anderen Bauteile progressiv schlechter werden, bis eine ausreichende Radialabdichtung nicht mehr vorhanden ist.

Da die Verwendung der Oberflächen, die auf kleine Toleranzen maschinell bearbeitet worden sind oder die Verwendung mechanischer Zwangsbedingungen, beispielsweise Bolzen, um axiale Berührungen zu erzwingen, keine geeigneten Techniken zur Erzielung einer Radialabdichtung bei wirtschaftlich produzierten Spiraleinrichtungen sind, haben andere Techniken zur Erzielung einer wirkungsvollen Radialabdichtung die Verwendung eines federnden befestigten Spiralgliedes (US-Patent 3 874 827) oder die Verwendung eines unter Druck gesetzten Fluids (mit ouer ohne Federn zwecks Schaffung einer vergrößerten Axialkraft) eingeschlossen, um die Spiralglieder in Axialkontakt zu drängen.

Bei Verwendung eines unter Druck gesetzten Fluids (im allgemeinen in Kombination mit einer Ausführungsform einer mechanischen Feder) zwecks Erzielung einer Radialabdichtung wird das unter einem Druck stehende Fluid verwendet, um das bahnumlaufende Spiralglied in eine Berührung mit dem befestigten Spiralglied in Axialrichtung zu drängen. Dieses Fluid kann

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von einer der sich bewegenden Fluidtaschen, die in dem Innern der Einrichtung (US-Patente 3 600 114, 3 817 664 und 3 884 599) bestimmt wird, oder aus einer externen Quelle (US-Patent 3 924 977) gefördert werden.

In der Patentanmeldung mit der Serial No. 561 478 ist eine verbesserte Radialabdichtungseinrichtung offenbart, die insbesondere für größere spiralartige Kompressoren oder Expandiereinrichtungen geeignet ist, welche bei hohen Drücken betrieben werden. Bei der spiralartigen Einrichtung, die diese verbesserte radiale Abdichtungseinrichtung verwendet, sind sämtliche Kräfte, die zum Erzielen einer wirksamen Axiallastübertragung erforderlich sind, pneumatische Kräfte, die durch Unterdrucksetzung des gesamten oder eines ausgewählten Teils des Einrichtungsgehäuses geschaffen werden. Somit bestimmt das Gehäuse mit einer Oberfläche des bahnumlaufenden Spiralgliedes eine unter Druck setzbare Kammer, wodurch der Fluiddruck im Innern dieser Kammer das bahnumlaufende Spiralglied in eine fortgesetzte axiale Berührungsbeziehung zum festen Spiralglied drängt.

Schließlich ist aus US-Serial-No. 561 479 der Einbau einer sogenannten axialen Federungs-ZAbdichtungs-Einrichtung bekannt, die vorgesehen ist, um eine kontinuierliche Radialabdichtung der Oberflächen der Evolventen-Einhüllglieder und der Endplatten-Oberflächen aufrechtzuerhalten. Diese axiale Federungs-ZAbdichtungs-Einrichtung wird vorteilhafterweise in Verbindung mit einer Einrichtung verwendet, die einige Axialkräfte erzeugen, um diese Oberflächen in eine Berührung zu drängen. Demgemäß ist diese insbesondere für eine Verwendung mit der Radialabdichtungseinrichtung nach den US-Patenten 3 884 599, 3 874 827 oder 3 924 977 geeignet. Diese axiale Federungs-ZAbdichtungs-Einrichtung besitzt Abdichtungselemente, die im allgemeinen so geformt sind, daß sie die gleiche Konfiguration wie die Einhüllglieder haben, mit

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denen sie verwendet werden, und eine Einrichtung, um die Abdichtelemente zu betätigen, indem sie in eine Berührung, bei vorbestimmter Vorspannung, mit den gegenüberliegenden Spiralglieder-Endplatten gedrängt werden. Die Einrichtung zum Betätigen des Abdichtungselementes zwecks Herstellung einer Axialabdichtungsberührung kann pneumatisch, mechanisch oder eine Kombination aus einer pneumatischen und einer mechanischen Einrichtung sein.

Im Falle eines Kompressors für Kühlschränke, insbesondere für Haushaitsgefriersysterne, können die kombinierten Erfordernisse, Betreibbarkeit mit großen Axialkräften, niedrigen Herstellungskosten, lange Lebensdauer bei minimaler Wartung, zuverlässiger und ruhiger Betrieb, nicht in ausreichender Weise durch irgendeine einzige der vorstehend genannten Einrichtungen zur Erzielung einer Axialabdichtung alleine erfüllt werden. Da die Probleme, die durch eine spiralartige Maschine entstehen, die diese Erfordernisse erfüllen kann, anders sind bezüglich derjenigen, die beispielsweise durch eine Rotationsmaschine vorliegen, wird es notwendig, eine neuartige Einrichtung zur axialen Abstützung des bahnumlaufenden Spiralgliedes der Kühlmitte !kompressoren zu schaffen, um eine kontinuierliche zuverlässige Axialabdichtung zu gewährleisten.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, eine spiralartige Einrichtung zu schaffen, die insbesondere als Kompressor für eine Gefriereinrichtung verwendet werden kann. Aufgabe ist ferner die Schaffung einer Einrichtung der beschriebenen Gattung, die große Axialkräfte in einer Weise handhaben kann, daß eine wirksame Radialabdichtung erhalten wird. Aufgabe ist auch die Schaffung einer spiralartigen Einrichtung, die zu relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann, die jedoch eine lange Lebensdauer aufweist und zuverlässig und ruhig betrieben werden kann. Aufgabe ist ferner, ein einzigartiges und neuartiges flachplattiges hydrodynamisches Axiallager für Bahnumlaufsmaschinen zu schaffen. Auch ist es Aufgabe, ein neues verbesser-

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tes Gefriersystem mit einem geschlossenen Kreislauf zu schaffen.

Die Erfindung weist dementsprechend die Merkmale der Konstruktion, der Elementenkombinationen und der Anordnung der Teile auf, die in den nachfolgend genannten Konstruktionen beispielhaft genannt werden, wobei der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche gekennzeichnet ist.

Gemäß einer Hinsicht der Erfindung ist ein flachplattiges hydrodynamisches Axiallager mit einer ersten Berührungsoberfläche zur Verwendung mit einem Drehzapfenglied vorgesehen, das eine zweite Berührungsoberfläche aufweist, die angetrieben wird, um eine Bahnumlaufsbewegung zu bestimmen, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die eine der Berührungsoberflächen sich schneidende Aussparungen zur übertragung eines ölschmiermittels hat, wodurch die sich berührenden Drehzapfen- und Lageroberflächen mit einem dünnen, im wesentlichen kontinuierlichen ölschmiermittelfilm geschmiert werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß ein Fluid durch eine Einlaßöffnung zwecks Zirkulation durch diese zugeführt und anschließend durch eine Auslaßöffnung abgeleitet wird, daß ein stationäres Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied und ein auf einer Bahn umlaufendes Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied vorgesehen sind, das an der inneren Oberfläche von dieser befestigt ist, daß eine Antriebseinrichtung für einen Bahnumlauf des bahnumlaufenden Spiralgliedes bezüglich des stationären Spiralgliedes vorgesehen ist, wodurch die Evolventen-Einhüllglieder sich bewegende Linienberührungen herstellen, um wenigstens eine sich bewegende Tasche mit einem variablen Volumen und unterschiedliche Fluiddruckbereiche auf beiden Seiten der sich

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bewegenden Linienberührung abzudichten und zu bestimmen, daß eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, um die Spiralglieder in einer festen winkligen Beziehung zueinander zu halten, daß eine eine Axialkraft ausübende Einrichtung zur Schaffung einer Axialkraft vorgesehen ist, um das Evolventen-Einhüllglied des stationären Spiralgliedes in eine Axialberührung mit der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes und das Evolventen-Einhüllglied des bahnumlaufenden Spiralgliedes in eine Axialberührung mit der Endplatte des stationären Spiralgliedes zu drängen, wodurch eine Radialabdichtung der Taschen erzielt wird, daß eine Tangentialabdichtungseinrichtung vorgesehen ist, um eine Tangentialabdichtung längs der sich bewegenden Linienberührungen zu bewirken, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die flachplattige hydrodynamische Axiallagereinrichtung als die Axialkraft ausübende Einrichtung dient, daß die Axiallagereinrichtung eine Lageroberfläche in einem kraftausübenden Eingriff mit wenigstens einem Bereich der äußeren Oberfläche der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes hat, wobei die Endplatte als Drehzapfenoberfläche dient, daß entweder die Lageroberfläche oder die Drehzapfenoberfläche sich schneidende Aussparungen zur übertragung eines Ulschmiermittels aufweist, wodurch die Lager- und Drehzapfenoberflächen mit einem dünnen, im wesentlichen kontinuierlichen ö!schmiermittelfilm geschmiert werden, wenn das bahnumlaufende Spiralglied durch die Antriebseinrichtung angetrieben wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Gefriersystem mit einem geschlossenen Kreislauf vorgesehen, das eine Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung, welche wie beschrieben aufgebaut ist und als Kompressor für ein Kühlmittel dient, eine Wärmeaustauscheinrichtung, welche zum Kühlen eines Hochdruck-Fluids angeordnet ist, das vom Kompressor zugeleitet wird, eine Fluid-Expansionseinrichtung, eine Gefrierzuladung, die so angeordnet ist, daß sie durch das resultierende gekühl-

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te expandierte Fluid gekühlt wird, und eine Leitungseinrichtung aufweist, um das Fluid aus dem Kompressor längs der Wärmeaustauscheinrichtung, der Expandiereinrichtung und der Gefrierzuladung zu leiten und es als Niedrigdruck-Fluid zum Kompressor zurückzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnung näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 einen Längsquerschnitt eines erfindungsgemäß a!ufgebauten Kompressors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Spiralanordnung längs der Ebene 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsquerschnitt des bahnumlaufenden Spiralgliedes,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Bodenseite des bahnumlaufenden Spiralgliedes, aus der die Federnuten für die Kupplungseinrichtung ersichtlich sind,

Fig. 5 eine fragmentarische, im Querschnitt dargestellte Einzelheit der Evolventen-Einhüllglieder des stationären und des bahnumlaufenden Spiralgliedes, in der die Axial-Federungs-ZAbdichtungs-Einrichtung veranschaulicht ist, die zwecks Erzielung einer wirksamen Radialabdichtung verwendet wird,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Oberflächen, die in einem Axiallager enthalten sind, welches bei einer sich drehenden Einrichtung verwendet wird,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Oberflächen, die

in einem Axiallager enthalten sind, welches in einer bahnumlaufenden Einrichtung verwendet wird,

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Fig. 8 .eine Draufsicht eines erfindungsgemäß aufgebauten flachplattigen hydrodynamischen Axiallagers mit orthogonalen Aussparungen als die eine Ausführungsform der sich schneidenden Aussparungen,

Fig. 9 einen Querschnitt des Axiallagers der Fig. 8 längs der Ebene 9-9 der Fig. 8,

Fig. 10 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Abstand der orthogonalen Aussparungen der Fig. 8 und dem Bahnumlaufsradius der Einrichtung mit dem Axiallager veranschaulicht ist,

Fig. 11 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform

des Axiallagers, welches Polarkoordinaten-Aussparungen verwendet,

Fig. 12 eine Draufsicht der Kupplungseinrichtung, die in der Einrichtung der Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 13 einen Querschnitt eines Teils der Kupplungseinrichtung der Fig. 12, in der die Konstruktion und die Befestigung eines Kupplungskeiles bzw. einer Kupplungsfeder veranschaulicht ist,

Fig. 14 eine Draufsicht einer Schwingglied-Antriebsanordnung, welche in der Einrichtung in der Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 15 einen Querschnitt der einen Seite der Spiralanordnung, des Axiallagers, der Kupplungseinrichtung und der Schwingglied-Anordnung längs einer Ebene, die bezüglich derjenigen der Fig. 1 um 90° versetzt ist,

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Fig. 16 einen Querschnitt durch die Hauptantriebswelle der Einrichtung der Fig. 1,

Fig. 17 eine Draufsicht auf das Gehäuse der Einrichtung der Fig. 1, und

Fig. 18 eine in etwa schematische Darstellung, bei der der Einbau eines erfindungsgemäß aufgebauten Kompressors in einem Gefriersystem mit einem geschlossenen Kreislauf veranschaulicht ist.

Die prinzipielle Betriebsweise der Spiraleinrichtung ist bereits in schon erteilten Patenten beschrieben (vgl. beispielsweise US-Patent No. 3 884 599). Es ist demzufolge nicht erforderlich, eine Beschreibung der Betriebsweise einer derartigen Einrichtung im einzelnen zu wiederholen. Es ist lediglich notwendig herauszustellen, daß eine spiralartige Einrichtung betätigt wird, indem eine abgedichtete Tasche mit Fluid bewegt wird, das von einen Bereich in einen anderen Bereich gefördert wird, der einen anderen Druck aufweisen kann. Wird das Fluid komprimiert, während es von einem Bereich mit einem niedrigeren Druck zu einem Bereich mit einem höheren Druck bewegt wird, dient die Einrichtung als Kompressor; wird das Fluid expandiert, während es von einem Bereich mit einem höheren Druck zu einem Bereich mit einem niederen Druck bewegt wird, dient es als expandier- bzw. Entspannungseinrichtung; bleibt das Fluidvolumen unabhängig vom Druck im wesentlichen konstant, dann dient die Einrichtung als Pumpe.

Obgleich die erfindungsgemäße Einrichtung als Kompressor, Expandiereinrichtung oder als Pumpe geeignet ist, ist sie insbesondere als Kompressor geeignet, bei dem sowohl der Einlaßdruck als auch der Auslaßdruck wesentlich über dem Atmosphä-

rendruck liegt, beispielsweise bei 5,62 bzw. 21,1 kg/cm absolut liegt. Die Ausführungsform in der Zeichnung ist ein derartiger Kompressor.

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Die abgedichtete Fluidtasche innerhalb der Spiraleinrichtung wirα durch zwei parallele Ebenen, die durch Endplatten bestiimnt sind und durch zwei zylindrische Oberflächen begrenzt, die durch die Evolvente bzw. Abwicklungskurve eines Kreises oder einer anderen zweckmäßig gekrümmten Konfiguration bestimmt sind. Die Spiralglieder weisen parallele Achsen auf, da nur auf diese Weise eine durchgehende abdichtende Berührung zwischen der ebenen Oberfläche der Spiralglieder aufrechterhalten werden kann. Eine abgedichtete Tasche bewegt sich zwischen diesen parallelen Ebenen, während die beiden Berührungslinien zwischen den zylindrischen Oberflächen sich bewegen. Die Berührungslinien bewegen sich deshalb, weil das eine zylindrische Element, beispielsweise ein Spiralglied, sich über dem anderen bewegt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das eine Spiralglied fest bzw. befestigt gehalten und das andere Spiralglied auf einer Bahn umlaufend bewegt wird.

In der Beschreibung wird der Begriff "Spiralglied" zur Kennzeichnung desjenigen Bauteiles verwendet, das sowohl die Endplatte als auch diejenigen Elemente aufweist, welche die Berührungsoberflächen bestimmen, die bewegliche Linienberührungen herstellen. Der Begriff "Einhüllglieder" wird zum Kennzeichnen derjenigen Elemente verwendet, die die sich bewegenden Linienberührungen herstellen. Diese Einhüllglieder haben eine Konfiguration von beispielsweise einer Evolvente eines Kreises (Evolventen-Spirale), eines Kreisbogens, etc., und haben sowohl eine Höhen- als auch eine DickenerStreckung.

Die besondere Ausführungsform, die zur Veranschaulichung der Spiraleinrichtung ausgewählt worden ist, in der das flachplattige hydrodynamische Axialdrucklager gemäß der Erfindung enthalten ist» ist eine Ausführungsform, in der die Antriebseinrichtung gemäß der US-Patente 3 884 599 und 3 924 977 und die Axialfederungs/Abdichtungs-Einrichtung gemäß der US-Patentschrift mit der Serial No. 561 479 verwendet werden.

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Die Spiraleinrichtung, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, ist in Fig. 1 dargestellt, in der ein Längsquerschnitt eines Kompressors veranschaulicht ist, der für ein Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf geeignet ist. Der Kompressor und der Motor sind vollständig in» Innern einer Gehäuseanordnung enthalten, die im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Die Spiraleinrichtung 11 weist ein befestigtes oder stationäres Spiralglied 12, ein umlaufendes Spiralglied 13, eine Axiallageranordnung 14, eine Kupplungseinrichtung 15 und eine Schwingglied-Antriebsanordnung 16 auf.

Das stationäre Spiralglied 12 weist eine Endplatte 20 und spiralförmige Einhüllglieder 21 (vgl. auch Fig. 2) auf; es ist starr an der Lageranordnung 14 durch einen Ring 22 mit Hilfe einer Vielzahl von Schrauben 23 und einem Paar von Stiften 24 und 25 in einem Durchgang 26 befestigt. Diese Stifte richten die Spiralglieder beim endgültigen Zusammenbau aus. In der Fig. 1 ist ein Durchgang 26 außerhalb der Linie bzw. indirekt zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt (siehe auch Fig. 8 und 9, in denen seine genaue Anordnung gezeigt ist). Das bahnumlaufende Spiralglied 13 weist eine Endplatte 28, Evolventen-Einhüllglieder 29 und eine Antriebswelle 30 auf, welche mit der Endplatte 28 integral ausgebildet ist. Die Endplatte 28 des bahnumlaufenden Spiralgliedes dient als Drehzapfen des Axiallagers, und die bodenseitige zentrale Oberfläche 31 der Endplatte 28 ist die Drehzapfenoberfläche, die das Axiallager berührt. Zwei Federnuten 32 und 33 sind in der bodenseitigen Oberfläche des bahnumlaufenden Spiralgliedes für einen Eingriff mit Federn auf der Kupplungseinrichtung, wie nachfolgend beschrieben, ausgespart (vgl. Fig. 3 und 4).

Bei dem Kompressor der Fig. 1 wird ein Abdichten zwischen den Einhüllgliedern der stationären und der bahnumlaufenden Spiralglieder und den Endplatten, welche diese berühren, durch

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die Axialfederungs/Abdichtungs-Einrichtung gemäß US-Serial-No. 561 479 entsprechend dem jetzigen US-Patent 3 994 636 bewirkt. Diese Axialfederungs/Abdichtungs-Einrichtung ist im einzelnen im Querschnitt der Fig. 5 dargestellt. Das Evolventen-Einhüllglied 21 des stationären Spiralgliedes 12 weist einen Kanal 35 auf, der entlang im wesentlichen seiner gesamten Länge ausgespart ist und entsprechend der Evolventen-Konfiguration des Einhüllgliedes verläuft. In ähnlicher Weise weist das Evolventen-Einhüllglied 29 des bahnumlaufenden Spiralgliedes 13 einen Kanal 36 auf, der entlang im wesentlichen seiner gesamten Länge ausgespart ist und entsprechend seiner Evolventen-Konfiguration verläuft. Abdichtungselemente 37 und 38, die entweder aus einem metallischen oder einem nichtmetallischen Material gefertigt sind, sind so dimensioniert, daß diese in die Kanäle 35 bzw. passen und sowohl in Axial- wie in Radialrichtung geringfügig beweglich sind. Die Oberflächen 39 und 40 der Abdichtelemente 37 und 38 werden in eine Abdichtberührung mit den Oberflächen 41 und 42 der Endplatten 28 und 20 durch eine kraftausübende Einrichtung gedrängt, welche in der Fig. 5 als elastomere O-Ring-Schnüre 43 und 44 dargestellt sind. Diese Axialfederungs/Abdichtungs-Einrichtung gewährleistet eine wirkungsvolle Radialabdichtung, während der Verschleiß der berührenden Oberflächen minimiert wird und kontiuierliche Einstellungen in der radialen Abdichtung möglich sind. Sie halten auch die Integrität der tangentialen Abdichtung der sich bewegenden Linienberührungen zwischen den Einhüllgliedern aufrecht.

Vor Beschreibung des flachplattigen hydrodynamischen Axiallagers gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, die verschiedenen Lagen zu beschreiben und herauszustellen, die bei dem sich drehenden und bahnumlaufenden Mechanismus auftreten. Dies sei im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 durchgeführt, die die etwas schematischen Veranschaulichungen eines sich drehenden Axiallagers bzw. eines bahnumlaufenden Axiallagers zeigen. In der Fig. 6 ist der Drehzapfen als Welle 50 mit

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einer Berührungsoberfläche 51 dargestellt, und das Lager 52 weist eine Lageroberfläche 53 mit radialen Aussparungen 54 auf, die in diese geschnitten sind. Wird die Welle 50 gedreht, dreht sich jeder Punkt, z.B. Punkt 55, auf der Wellenoberfläche 51 auf einer kreisförmigen Bahn, wie dies durch den Pfeil 56 dargestellt ist, und der Punkt empfängt periodisch eine ölzufuhr aus einer der ölaussparungen, die beabstandet verlaufen, um eine ausreichende Schmierung der sich drehenden Oberfläche zu gewährleisten. Dies ermöglicht in etwas vereinfachter Form ein mehr oder weniger bekanntes flachplattiges hydrodynamisches Axiallager, das für einen intermediären oder gelegentlichen Betrieb einer Dreheinrichtung bei relativ leichten Lasten geeignet ist.

Die Situation, die bei einer bahnumlaufenden Einrichtung erhalten wird, ist vollkommen anders, wie dies aus der Fig. 7 hervorgeht. Ein bahnumlaufendes Spiralglied 57 mit einer Berührungsoberfläche 58 kann als Drehzapfen angesehen werden, der auf einer Bahn um die Maschinenachse 61 umläuft, sich jedoch nicht um diese Achse dreht. Der Abstand zwischen den Achsen 60 und 61 ist selbstverständlich der Bahnumlaufsradius R. Das Lager 62 mit der Lageroberfläche 63 unterscheidet sich in der Gestalt von demjenigen in der Fig. 6. Wie aus der Draufsicht der Lageroberfläche 6 3 ersichtlich, ist, wenn Radialaussparungen 54 in diese geschnitten sind, ein großer Prozentsatz des sich berührenden Oberflächenbereichs vorhanden, der beispielsweise durch den sich bewegenden Punkt 64 dargestellt wird, der niemals in eine Berührung mit einer Schmiermittelzufuhr gelangt, da er niemals eine Aussparung 54 bei einem Umlaufen des Spiralgliedes auf einer Bahn überquert. Dies tritt infolge der Tatsache ein, daß die Bahn des sich bewegenden Punktes 64 ein kleiner Kreis ist, wie dies durch den Pfeil 65 dargestellt ist. Dies steht in einem direkten Gegensatz zu dem Durchlauf auf einem großen Kreis, wie dies im Falle des sich bewegenden Punktes 55 ist. Darüber hinaus sind

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die Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Lager und dem Drehzapfen bei einer bahnumlaufenden Einrichtung anders als bei einer sich drehenden Einrichtung, wobei diese bei einer bahnumlaufenden Einrichtung kleiner ist, d.h. ca. 1/4 bis ca. 1/10 der Geschwindigkeit einer sich drehenden Einrichtung. Schließlich hat bei einer Spiraleinrichtung für Kompressoren in einem Kühlsystem die Bahnumlaufbewegung relativ hohe Beanspruchungen zur Folge. Es ist demzufolge klar, daß bekannte Axiallager in einer Spiraleinrichtung nicht verwendet werden können.

Das erfindungsgemäße Axiallager hat eine neuartige Konzeption, um eine ausreichende Schmierung für die Bahnumlaufsbetriebsart unter den Bedingungen eines fortwährenden Gebrauchs und von schweren Lasten zu schaffen. Eine Ausführungsform des Axiallagers 67 ist in einer Draufsicht und im Querschnitt in den Fig. 8 bzw. 9 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Lageroberfläche 67 mit orthogonalen Aussparungen 68 beschrieben, wobei diese Aussparungen derart beabstandet sind, daß jedweder sich bewegende Punkt bei seinem Umlauf auf der Bahn wenigstens vier Aussparungen kreuzt oder überquert, wie dies im Diagramm der Fig. 10 veranschaulicht ist. Demzufolge ist der Abstand D zwischen den Aussparungen so definiert, daß er größer als R, jedoch kleiner als 2R ist, wobei R der Radius der Umlaufbahn ist. Obgleich die Fig. 8 und 9 die orthogonalen Aussparungen in der Lageroberfläche zeigen, ist es auch möglich, diese stattdessen in die Drehzapfenoberfläche zu schneiden, d.h. in die bodenseitige Oberfläche 31 des bahnumlaufenden Spiralgliedes.

Es ist selbstverständlich möglich, ein anderes Muster von sich schneidenden Aussparungen als das orthogonale Muster gemäß Fig. 8 und 10 zu verwenden, wenn das Aussparungsmuster dem Erfordernis Rechnung trägt, daß jeder sich bewegende Punkt bei seinem Umlauf auf der Bahn wenigstens vier Aussparungen schnei-

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det oder überquert. Ein Beispiel eines anderen Aussparungsmusters ist in Fig. 11 gezeigt, bei dein das Muster als ein polares Muster definiert sein kann. Dieses polare Muster ist aus einer Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Aussparungen 69 und einer Vielzahl von schneidenden konzentrischen kreisförmigen Aussparungen 70 gebildet.

Die obere Oberfläche der Platte 14 hat neben der Lageroberfläche 67 einen seichten ringförmigen ausgesparten Schmiermittel-Zuführkanal 72 und entgegengesetzt angeordnete Federnuten 73 und 74 für einen Eingriff mit Federn der Kupplungseinrichtung, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Eine Vielzahl von Umfangslöchern 75 sind durch das Lager gebohrt, um Schrauben 23 (Fig. 1) aufzunehmen, die zum Zusammenhalten der Spiralanordnung verwendet werden, und es ist ein Loch 76 so gebohrt, daß es mit dem Durchgang 26 ausgerichtet ist, so daß der Stift 25 (Fig. 1) aufgenommen werden kann. Die Lageranordnung hat auch eine zentrale Öffnung 77 mit einer Größe, die der Bahnumlaufbewegung der Antriebswelle 30 des bahnumlaufenden Spiralgliedes sowie seiner Befestigungseinrichtung, wie nachfolgend beschrieben, angepaßt ist. Schließlich weist die Lageranordnung zwei entgegengesetzt angeordnete Umfangsaussparungen 78 und 79 auf, die vertikale Gaseinlaßöffnungen bestimmen.

Die Verwendung orthogonaler Aussparungen 68 (oder andere geeignete Aussparungsmuster) in der Lagerberührungsoberfläche 67, die in dem geforderten Abstand angeordnet sind, gewährleistet, daß sämtliche Bereiche der sich berührenden Oberflächen 31 des bahnumlaufenden Spiralgliedes 13 und 67 des Lagers kontinuierlich und ausreichend mit einem im wesentlichen kontinuierlichen dünnen Film eines Schmieröls geschmiert werden, während das bahnumlaufende Spiralglied angetrieben wird, so daß dieses das stationäre Spiralglied 12 umkreist, während es in einen abdichtenden Kontakt mit diesem durch die Axial-

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kraft gedrängt wird, die durch das eine Axialkraft ausübende flachplattige hydrodynamische Axiallager 67 ausgeübt wird. Somit ist eine wirkungsvolle Radialabdichtung über eine längere Betriebsdauer gewährleistet, und die Spiraleinrichtung läuft ruhig. Darüber hinaus wird das bahnumlaufende Spiralglied infolge der Tatsache gekühlt, daß seine Metalloberflächen durch einen sehr dünnen Film aus öl berührt werden, welches durch eine Einrichtung umgewälzt wird, die nachfolgend beschrieben ist.

Bei einem Betrieb der Spiraleinrichtung ist es erforderlich, daß das stationäre und das bahnumlaufende Spiralglied in einer vorbestimmten festen winkligen Beziehung zueinander gehalten werden. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Kompressor wird dies dadurch erreicht, daß das Kupplungsglied 15 zwischen dem bahnumlaufenden Spiralglied und der Axiallageranordnung positioniert und demzufolge im Effekt das stationäre Spiralglied mit dem bahnumlaufenden Spiralglied durch das Axiallager und die Gehäuseanordnung verbunden wird. Bei einer derartigen Verwendung als Kühlkompressor ist es natürlich notwendig, daß das Kupplungsglied auch über eine längere Zeitdauer ohne Eintritt eines unzulässigen Verschleißes betrieben werden kann. In der Patentanmeldung mit der Serial-No. 722 713 (Aktenzeichen des Anmelders der korrespondierenden deutschen Anmeldung: L 1165) ist ein neuartiges Kupplungsglied offenbart, das die gewünschten Verschleißeigenschaften aufweist, und dieses Kupplungsglied ist in der erfindungsgemäßen Einrichtung eingebaut. Die Fig. 12 und 13 veranschaulichen diese Kupplung in einer Draufsicht bzw. fragmentarisch in einer Einzelheit im Querschnitt.

Das Kupplungsglied 15 weist einen Ring 80 auf, der aus einer relativ leichtgewichtigen Legierung mit zwei Federn 81 und gefertigt sein kann, die entgegengesetzt auf der Bodenseite des Rings 80 angeordnet sind und für in einem Gleiteingriff

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stehende Federnuten 73 und 74 des Axiallagers (Fig. 8) geeignet sind, und es sind zwei Federn 84 und 85 vorgesehen, die entgegengesetzt auf der oberen Seite 86 des Rings 80 angeordnet und für in einem Gleiteingriff stehende Federnuten 32 und 33 auf der bodenseitigen Oberfläche der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes (Fig. 3 und 4) geeignet sind. Die Federn 81 und 82 befinden sich in einem Abstand von 90° von den Federn 84 und 85. Jede der Federn, die aus einem selbstschmierenden Material, wie beispielsweise aus Polyimid oder aus Polytetrafluoräthylen, gefertigt ist, ist am Ring 80 durch einen Drehbolzen 87 (Fig. 13) befestigt, der beispielsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt ist. Der Drehbolzen 87 weist einen Flansch 88 auf, der in eine Senkbohrung in der Oberfläche des Rings eingesetzt und am Ring 80 durch eine Schraube 89 befestigt ist. Dadurch, daß ein Flansch verwendet wird und dieser in den Ring 80 eingesetzt wird, wird die Berührungsbeanspruchung herabgesetzt, und es wird die Belastung in den Kupplungsring anstatt in die Schraube übertragen. Jede der Federn, beispielsweise die Feder 81 der Fig. 13, hat einen zentralen Durchgang 90, der durch diese gebohrt ist und eine derartige Größe aufweist, daß ein Gleitsitz bezüglich des Bolzens 87 hergestellt ist. Jede Feder ist als rechteckiger Block ausgebildet und hat zwei beabstandete ölaussparungen 91, die in den beiden größeren Seitenflächen 92 und 93 geschnitten sind und parallel zur Achse des zentralen Durchgangs 90 verlaufen. Der Abstand zwischen den zwei Aussparungen in jeder einzelnen Federfläche sollte weniger als zweimal so groß sein wie der Bahnumlaufsradius des Spiralgliedes und ist vorteilhafterweise größer als der Radius der Umlaufbahn. Schließlich weisen beide Seiten des Ringes eine Vielzahl von sich in einem Abstand befindlichen Einsetz-Berührungsscheiben 94 auf, die aus einem selbstschmierenden Material ausgebildet sind. Es wurde gefunden, daß diese Kupplungseinrichtung keinem unzulässigen Verschleiß über längere BetriebsZeiträume unterliegt und insbesondere für eine Einrichtung geeignet ist, wie sie in der Fig. 1 veranschaulicht ist.

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Der Antriebsmechanismus des bahnumlaufenden Spiralgliedes weist eine Einrichtung auf, um eine radiale Zentripetalkraft zu erzeugen, die einem Teil der Zentrifugalkraft entgegentritt, welche auf das bahnumlaufende Spiralglied wirkt. Gemäß der Lehre der US-PS 3 924 977 enthält diese Antriebseinrichtung, die in der in der Fig. 1 gezeigten Einrichtung verwendet wird, eine radial federnde bzw. nachgiebige mechanische Gliederverbindungseinrichtung, in der ein Schwingglied enthalten ist, um die geforderte Zentripetalkraft zu erzeugen. Die Antriebseinrichtung für das bahnumlaufende Spiralglied ist in den Fig. 14 und 15 dargestellt, wobei Fig. 14 ein Schnitt durch die Ebene 14-14 der Fig. 1 und Fig. 15 ein Schnitt durch die Ebene 15-15 der Fig. 14 ist. Fig. 15 sieht neben einem Querschnitt des Schwingglied-Antriebsmechanismus einen Querschnitt der Einrichtung der Fig. 1 vor, der unter einem Winkel von 90° bezüglich desjenigen der Fig. 1 gelegen ist, und zeigt die Lageranordnung, die Kupplungseinrichtung und das bahnumlaufende Spiralglied, welches mit der Kupplungseinrichtung verkeilt ist.

Aus den Fig. 1, 14 und 15 geht hervor, daß die Antriebseinrichtung an der Antriebswelle 30 des bahnumlaufenäen Spiralgliedes befestigt ist, wobei die Achse 100 der Antriebswelle 30 parallel zur Hauptmaschinenachse 101 des Antriebsmotors verläuft und in einem Abstand zu dieser Achse gelegen ist, der gleich dem Radius der Umlaufbahn ist. Das Schwingglied hat ein Scheibenglied 105, ein mit diesem einstückig ausgebildetes Gegengewicht 106, eine exzentrisch positionierte Buchse 107 für die Antriebswelle 30 und eine unter Druck stehende Feder 108 zur Schaffung der gewünschten Zentripetalkraft. Die Feder 108 wird mit Hilfe einer Flachkopf-Stellschraube 109 eingestellt und trägt darauf einen Federstift HO. Die Schwingglied-Anordnung ist an der Motorkurbelwellen-Anordnung 111 durch den Drehbolzen 112 und durch den Kurbelwellenstift 113 befestigt, der in die Buchse 114 gesetzt ist und so gestaltet ist, daß ein Zwischenraum 115

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mit dem Axiallager gegeben ist. Die Antriebswellenbuchse 107 hat eine senkrechte Aussparung 116, um einen Schmieröldurchgang zu schaffen, und die Welle 30 hat eine Basisaussparung 117 für den gleichen Zweck. Ein O-Ring 118 wird zum Abdichten der Schwingglied-Anordnung gegenüber der Kurbelwellen-Anordnung 111 verwendet. Schließlich ist in Fig. 15 eine Aussparung 120 im Ring 22 in Verbindung mit einer Umfangsaussparung 79 der Axiallagerplatte dargestellt, um einen Fluideinlaßdurchgang zur Umfangs-Fluid-Einlaßtasche 121 der Spiraleinrichtung zu schaffen. Eine ähnliche Anordnung ist auf der entgegengesetzten Seite (nicht dargestellt) vorgesehen.

Die Kurbelwellen-Anordnung 111 gemäß den Fig. 1 und 14 besteht aus einer exzentrisch gestalteten Befestigungsplatte 125 und einer Welle 126, die die Welle des Motors 127 ist, welcher den Rotor 128 und den Stator 129 aufweist. Innerhalb des Hauptgehäuses ist eine Motorgehäuseanordnung 130, die einen vertikalen Abschnitt 131, der das Lager 132 für die Motorwelle 126 hält, einen horizontalen Abdeckungsabschnitt 133, einen kleineren ringförmigen Ringabschnitt 134, der die Platte 125 und einen Teil der Schwingglied-Anordnung umschließt, und einen größeren dickwandigen ringförmigen Ringabschnitt 135 aufweist, der die Oberfläche und die Basis zur Befestigung der Spiralanordnung durch einen Ring 22, Schrauben 23 und Bolzen 24 und 25 schafft. Der Motor 127 ist an der Motorgehäuseanordnung 130 mit Hilfe von Schrauben 136 befestigt, die mit dem unteren Rand 137 der Motorgehäuseanordnung in einem Eingriff stehen.

Die Welle 126 endet an ihrem unteren Ende in einem ölbecher 140, der in einem ölsumpf 141 eingetaucht ist, welcher im Hauptgehäuse,wie nachfolgend beschrieben, enthalten ist.

In die Welle 126 sind parallele exzentrische Ausgleichs-Öldurchgänge 142 und 143 gebohrt, die sich zum ölbecher 140 hin öffnen, wobei der Durchgang 142 im Innern der Befestigungs-

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platte 125 endigt und der Durchgang 14 3 sich über die Länge der Kurbelwelle erstreckt und sich in die Buchse 1O7 öffnet, um mit dem öldurchgang 116 (Fig. 15) der Buchse und dem Basiswellendurchgang 117 in Verbindung zu stehen. Der Durchgang

142 steht mit einem Radialdurchgang 144 in Verbindung, der seinerseits mit dem inneren Volumen 145 der Motorgehäuseanordnung 130 über den Zwischenraum 146 in Verbindung ist. Der Durchgang 144 ist auch mit einer Reihe von Zwischenraum-Durchgängen 147, 148 und 149 verbunden, um eine Schmierung entlang der Länge des Lagers 132 zu schaffen. Infolge der anderen Zwischenräume, die im Innern der Motorgehäuseanordnung gezeigt sind, wird öl, welches durch die Durchgänge 142,

143 und 144 durch den sich drehenden Becher 140 nach oben gepumpt wird, als Schmiermittel in die orthogonalen Aussparungen 71 des hydrodynamischen Axialkraft-Kopfteiles (Fig. 8), durch die Aussparungen 91 der Federkeile, die am Kupplungsglied (Fig. 12) befestigt sind, zwischen die Wellen 30 und 26 und die entsprechenden Buchsen und zwischen die Abdichtelemente 37 und 38 und ihre Berührungsendplatten (Fig. 5) gedrängt. Die Umwälzung des Schmieröls auf diese Weise dient auch zum Kühlen der verschiedenen Einzelteile der Einrichtung. Das Schmieröl wird zum Sumpf 141 durch öffnungen in der Motorgehäuseanordnung, wie beispielsweise der öffnung 150 und durch die Fluidleitung 151 und den engen Zwischenraum 152, zurückgeführt, der durch den Stator 129 des Motors und der Innenwand des Hauptgehäuses bestimmt ist.

Die Motorwelle 126 hat auch einen kurzen Axialdurchgang 155 für eine geeignete Lüftung des ölpumpelernents 140, und am unteren Ende der Welle 126 ist ein Gegengewicht 156 (Fig. 1 und 16) mit Hilfe von Schrauben 157 befestigt. Dieses Gegengewicht dient als Gegenausgleich des Schwinggliedes, das an der Kurbelwelle befestigt ist, und zur Schwingungsminimierung.

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Das Hauptgehäuse 10 ist aus einer Basisplatte 165 zwecks Befestigung an einer Abstützung (nicht dargestellt), einem unteren Gehäuseabschnitt 166 mit einem sich erweiternden oberen Teil 167, einem oberen Gehäuseabschnitt 168 und einem Abdeckungsglied 169 aufgebaut. Der untere Gehäuseabschnitt 166 hat einen Flansch 17O, der an den oberen sich erweiternden Teil 167 angeschweißt ist, während der obere Gehäuseabschnitt 168 einen passenden Flansch 171 aufweist, der daran angeschweißt ist. Die Flansche 170 und 171 schaffen die Einrichtung zum Verbinden der unteren und oberen Abschnitte 166 und 168 durch eine Vielzahl von Schrauben 172, wobei eine O-Ring-Abdichtung 173 in einer Weise verwendet wird, daß die Axiallageranordnung am Gehäuse abgestützt und befestigt wird.

Das unter einem niedrigen Druck stehende, zu komprimierende Fluid wird in die Umfangsspiraltaschen 121 (Fig. 2 und 15) durch eine Einlaßleitung 180 eingeleitet, die in die Fluidleitung 151 führt, welche im Innern des sich erweiternden oberen Teils 167 des Gehäuses bestimmt ist. Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 15 erwähnt, sind Aussparungen 78 und 79 (vgl. auch Fig. 8) in der Axiallageranordnung und mit diesen ausgerichtete Aussparungen 119 und 120 (Fig. 2 und 15) im Ring 22 vorgesehen, die Durchgänge für das einen niedrigen Druck aufweisende Fluid und demzufolge eine Fluidverbindung zwischen den Umfangsspiralgliedtaschen 121 und der Fluidleitung 151 schaffen. Die Einlaßleitung (von der mehr als eine vorgesehen sein kann) hat einen Aufsteck-Flansch 181 mit einer Abdichtungsaussparung 182 und Bolzenlöchern 183 zum Verbinden der Einlaßleitung 180 mit einer Niedrigdruck-Fluid-Quelle zum Komprimieren.

Wie schon erwähnt, wird das Komprimieren in der Spiraleinrichtung dadurch bewerkstelligt, daß Fluid, das in die Umfangs-Einlaßtaschen eingeleitet wird, in die Fluidtaschen

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gedrängt wird, welche durch die Einhüllglieder bestimmt sind und im Volumen kleiner werden, während das Fluid in die zentrale oder Hochdruck-Fluidtasche gedrängt wird. Dies geht aus der Fig. 2 hervor, in der die vergleichbaren Volumen der Taschen 121, 122a und 122b, 123a und 123b und der Zentraltasche 124 veranschaulicht sind. Somit wird im Kompressor der Fig. das Hochdruck-Fluid aus der zentralen Tasche 124 längs einer zentralen Auslaßröhre 185 abgeführt, welche in die Endplatte 20 des stationären Spiralgliedes eingesetzt ist und sich durch das Abdeckglied 169 des Hauptgehäuses erstreckt. Ein Fluiddurchgang 186 ist durch die Endplatte 2O geschnitten, um eine Fluidverbindung zwischen der zentralen Tasche 124 und der Auslaßröhre 185 zu schaffen; O-Ringe 187 und 188 werden verwendet, um die Auslaßröhre 185 gegen die Endplatte 20 und die
Gehäuseabdeckung 169 abzudichten. Eine Hochdruck-Entleerungsleitung 19O mit einem befestigten Aufsteck- bzw. Aufschiebeflansch 191, der einen Abdichtungskanal 192 und Bolzenlöcher 193 aufweist, schafft die Einrichtung zum Verbinden der Auslaßröhre 185 mit einer geeigneten, nicht dargestellten Hochdruck-Leitungseinrichtung .

In der Fig. 17 ist die Draufsicht des Einrichtungsgehäuses
dargestellt, aus der die Anordnung der Einlaßleitung 180 und eine bevorzugte Ausführungsform des Gehäuses ersichtlich sind.

Obgleich die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere als
Kompressor für ein Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf geeignet ist, kann sie selbstverständlich in einer Anzahl verschiedener anderer Systemarten verwendet werden. Sie kann auch als Expandiermaschine verwendet werden, wobei in
diesem Falle, wie dies dem Fachmann ohne weiteres verständlich ist, das Hochdruck-Fluid in die Leitung 190 zur übertragung in die zentrale Tasche 124 eingeleitet wird, während das Niederdruck-Fluid längs der Leitung 180 abgezogen wird
und der Motor 127 durch eine zweckmäßige Energieabsorptionseinrichtung ersetzt wird.

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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf ist in der Fig. 18 schematisch dargestellt, in der gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die entsprechenden Einzelteile des in der Fig. 1 dargestellten Kompressors zu kennzeichnen. Die Beschreibung des Diagramms soll mit dem abgeführten Hochdruck-Fluid begonnen werden, das einen Druck von typi-

scherweise ungefähr 21,1 kj/cm absolut (300 psia) aufweist. Das Fluid wird in den zu kühlenden Wärmetauscher 194 geleitet. Dies kann ein luftgekühlter Wärmetauscher sein, wie dies durch die Pfeile gekennzeichnet ist, die zur Kennzeichnung der Fluidströmung in den, durch den und aus dem Wärmetauscher 194 verwendet werden. Das Hochdruck-Fluid wird dann in einer adiabatischen Expandiereinrichtung 195 (typischerweise auf 5,62 kg/cm absolut (80 psia) expandiert, um es zu kühlen und um eine Kühlung für eine Zuladung 196 zu schaffen, bevor es über die Leitung 197 zum Einlaß 180 der Spiraleinrichtung zurückgeführt wird.

Die Spiraleinrichtung gemäß der Erfindung, die als Kompressor dient, kann große Axialkräfte handhaben bzw. aufnehmen, beispielsweise solche, die in einem Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf auftreten. Sie kann darüber hinaus über längere Zeiträume betrieben werden, während ein Minimum an Verschleiß und ein kontinuierlicher, wirkungsvoller, zuverlässiger und ruhiger Betrieb erzielt werden. Schließlich ist sie so aufgebaut, daß die Herstellungskosten so gering sind, daß sie direkt konkurrenzfähig zu bekannten Kompressoren ist.

Erfindungsgemäß ist demnach ein flachplattiges hydrodynamisches Axial-, Druck- oder Zapfenlager für einen Bahnumlaufsmechanismus und eine spiralartige Einrichtung vorgesehen, in dem bzw. der das Axiallager enthalten sein kann. Das Axiallager übt eine Axialkraft auf das auf einer Bahn umlaufende

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Spiralglied aus, um eine wirkungsvolle Radialabdichtung der Spiralanordnung zu gewährleisten; eine der Berührungsoberflächen des Lagers und/oder des auf einer Bahn umlaufenden Spiralgliedes, das als Drehzapfen dient, hat eine Vielzahl von sich schneidenden Nuten, um eine durchgehende Schmierung der Oberflächen zu gewährleisten. Die Spiraleinrichtung ist insbesondere für einen Einbau in ein Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf geeignet, bei dem ein minimaler Verschleiß über längere Zeiträume und ein ruhiger und zuverlässiger Betrieb erforderlich sind.

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e e r s e i t e

Claims

Patentanspr ü c h e

1. Flachplattiges hydrodynamisches Axiallager mit einer ersten Berührungsoberfläche zur Verwendung mit einem Drehzapfenglied mit einer zweiten Berührungsoberfläche, die zwecks Bestimmung einer Bahnumlaufbewegung angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet , daß die eine der Berührungsoberflächen sich schneidende Aussparungen zur übertragung eines ölschmiermittels aufweist, wodurch der berührende Drehzapfen und die Lageroberflächen mit einem dünnen, im wesentlichen durchgehenden ölschmiermittelfilm geschmiert werden.

2. Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen sich schneidenden Aussparungen größer als der Umlaufbahnradius des Drehzapfengliedes, jedoch kleiner als der doppelte Radius der Umlaufbahn ist.

3. Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich schneidenden Aussparungen in der ersten Berührungsoberfläche gelegen sind.

4. Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich schneidenden Aussparungen als orthogonales Muster ausgebildet sind.

5. Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich schneidenden Aussparungen als Polarkoordinatenmuster ausgebildet sind.

6. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung bzw. Einrichtung zum zwangsweisen Verschieben eines Fluids, die so ausgebildet ist, daß Fluid durch eine Einlaßöffnung

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ORIGINAL INSPECTED

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zwecks Zirkulation durch diese zugeführt und anschliessend durch eine Auslaßöffnung abgeleitet wird, daß ein stationäres Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied und ein auf einer Bahn umlaufendes Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied vorgesehen sind, das an der inneren Oberfläche von dieser befestigt ist, daß eine Antriebseinrichtung für einen Bahnumlauf des bahnumlaufenden Spiralgliedes bezüglich des stationären Spiralgliedes vorgesehen ist, wodurch die Evolventen-Einhüllglieder sich bewegende Linienberührungen herstellen, um wenigstens eine sich bewegende Tasche mit einem variablen Volumen und unterschiedliche Fluiddruckbereiche auf beiden Seiten der sich bewegenden Linienberührung abzudichten und zu bestimmen, daß eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, um die Spiralglieder in einer festen winkligen Beziehung zueinander zu halten, daß eine eine Axialkraft ausübende Einrichtung zur Schaffung einer Axialkraft vorgesehen ist, um das Evolventen-Einhüllglied des stationären Spiralgliedes in eine Axialberührung mit der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes und das Evolventen-Einhüllglied des bahnumlaufenden Spiralgliedes in eine Axialberührung mit der Endplatte des stationären Spiralgliedes zu drängen, wodurch eine Radialabdichtung der Taschen erzielt wird, daß eine Tangentialabdichtungseinrichtung vorgesehen ist, um eine Tangentialabdichtung längs der sich bewegenden Linienberührungen zu bewirken, dadurch gekennzeichnet , daß die flachplattige hydrodynamische Axiallagereinrichtung als die Axialkraft ausübende Einrichtung dient, daß die Axiallagereinrichtung eine Lageroberfläche in einem kraftausübenden Eingriff mit wenigstens einem Bereich der äußeren Oberfläche der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes hat, wobei die Endplatte als Drehzapfenoberfläche dient, daß entweder die Lageroberfläche oder die Drehzapfenoberfläche sich schneidende Aussparungen zur Übertragung eines ölschmiermittels aufweist, wodurch die Lager- und Drehzap-

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fenoberflächen mit einem dünnen, im wesentlichen kontinuierlichen ö!schmiermittelfilm geschmiert werden, wenn das bahnumlaufende Spiralglied durch die Antriebseinrichtung angetrieben wird.

7. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen den sich schneidenden Aussparungen größer als der Umlauf sbahnradius des bahnumlaufenden Spiralgliedes, jedoch kleiner als der doppelte Radius der Umlaufbahn ist.

8. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die sich schneidenden Aussparungen in der Lageroberfläche ausgebildet sind.

9. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die sich schneidenden Aussparungen ein orthogonales Muster bilden.

10. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die sich schneidenden Aussparungen ein Polarkoordinatenmuster bilden.

11. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Axiallager einrichtung starr an dem stationären Spiralglied befestigt ist, und daß die Kupplungseinrichtung so angebracht ist, daß sie in einem Eingriff mit dem bahnumlaufenden Spiralglied und dem stationären Spiralglied über die Axiallagereinrichtung ist.

12. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) ein stationäres Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied vorgesehen ist,

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(b) ein bahnumlaufendes Spiralglied mit einer Endplatte und einem Evolventen-Einhüllglied vorgesehen ist, das an der Innenseite von dieser befestigt ist/

(c) eine Antriebseinrichtung vorgesehen ist, die eine Hauptwelle und eine parallel zu dieser verlaufende Welle des bahnumlaufenden Spiralglieds für einen Umlauf des bahnumlaufenden Spiralgliedes enthält, wodurch die Evolventen-Einhüllglieder sich bewegende Linienberührungen herstellen, um sich bewegende Taschen mit einem variablen Volumen und unterschiedliche Fluiddruckbereiche aufbeiden Seiten der sich bewegenden Linienberührung abzudichten und zu bestimmen, daß die Antriebseinrichtung eine radial federnde bzw. nachgiebige Gliedereinrichtung zwischen der Hauptwelle und der Welle des bahnumlaufenden Spiralgliedes aufweist, um eine Zentripetalkraft für einen Gegenausgleich eines vorbestimmten Teils der Zentrifugalkraft zu erzeugen, die auf das bahnumlaufende Spiralglied wirkt, wodurch eine Tangentialabdichtung längs der sich bewegenden Linienberührungen erzielt wird,

(d) eine Hochdruck-Fluidleitung-Einrichtung vorgesehen ist, die mit der Hochdruckzone in Verbindung ist, und daß eine Niederdruck-Fluidleitungs-Einrichtung vorgesehen ist, die mit der Zone des niedersten Druckes in Verbindung steht,

(e) eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, um die Spiralglieder in einer festen winkligen Beziehung zueinander zu halten,

(f) eine flachplattige hydrodynamische Axiallagereinrichtung vorgesehen ist, die auf das bahnumlaufende Spiralglied wirkt, um eine Axialkraft zu erzeugen, die sich

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den Axialkräften im Innern der sich bewegenden Taschen wieder setzt, daß die Axiallagereinrichtung eine Lageroberfläche auf ihrer berührenden Seite in einem kraftausübenden Kontakt mit einer Drehzapfenoberfläche auf der äußeren Seite der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes hat, daß entweder die Lageroberfläche oder die Drehzapfenoberfläche sich schneidende Aussparungen zur Übertragung eines Schmieröls aufweist, wodurch die Lager- und Drehzapfenoberflächen mit einem dünnen, im wesentlichen kontinuierlichen Schmierölfilm geschmiert werden, wenn das bahnumlaufende Spiralglied durch die Antriebseinrichtung angetrieben wird, und daß

(g) eine Schmieröl-Umwälzeinrichtung für die Anlieferung eines Schmieröls zu den sich schneidenden Aussparungen vorgesehen ist.

13. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen den sich schneidenden Aussparungen größer als der Umlaufsbahn radius des bahnumlaufenden Spiralgliedes, jedoch kleiner als der doppelte Radius der Umlaufbahn ist, so daß jeder Bewegungspunkt in der Berührungsfläche der Axiallagereinrichtung und der äußeren Fläche der Endplatte des bahnumlaufenden Spiralgliedes wenigstens vier Aussparungen schneidet.

14. Posltiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die sich schneidenden Aussparungen in der Lageroberfläche ausgebildet sind.

15. Positiv-Fluid-VerSchiebungs-Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Axiallagereinrichtung einen seichten ringförmigen Schmieröl-Zuführungskanal in einer Fluidverbindung mit den Aussparungen hat.

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16. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die sich schneidenden Aussparungen ein Orthogonalmuster bilden.

17. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die sich schneidenden Aussparungen ein Polarkoordinatenmuster bilden.

18. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallagereinrichtung starr an dem stationären Spiralglied über einen ringförmigen Ring befestigt ist, und daß die Kupplungseinrichtung so angeordnet ist, daß sie über das Axiallager in einem Eingriff mit dem bahnumlaufenden Spiralglied und dem stationären Spiralglied ist.

19. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die andere Seite ues bahnumlaufenden Spiralglieds einen ersten Satz von zwei entgegengesetzt angeordneten Federnuten aufweist, daß die Axiallagereinrichtung einen zweiten Satz von entgegengesetzt angeordneten Federnuten auf der Berührungsseite aufweist, der vom ersten Federnut-Satz um 90° versetzt ist, und daß die Kupplungseinrichtung einen ringförmigen Ring aufweist, der auf der einen Seite zwei entgegengesetzt angeordnete Federn für einen Gleiteingriff mit dem ersten Satz der Federnuten und auf der anderen Seite zwei entgegengesetzt angeordnete Federn für einen Gleiteingriff mit dem zweiten Satz der Federnuten hat.

20. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Ende eines jeden der Evolventen-Einhüllglieder, die auf die Endplatten hin gerichtet sind, ausgespart ist, um einen Kanal zu bestimmen, daß Feder-/Abdichtungs-Einrichtungen in dem Kanal

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angeordnet sind, daß jede Feder-/Abdichtungs-Einrichtung in Kombination (1) ein Abdichtungselement mit der gleichen Evolventen-Konfiguration wie sein zugehöriges Einhüllglied, durch welches eine Axialberührung zwischen den Einhüllgliedern und den Endplatten bewirkt wird, und (2) eine eine Kraft ausübende Einrichtung aufweist, um das Abdichtungselement zwecks Bewirken einer Radialabdichtung der sich bewegenden Taschen zu betätigen.

21. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die kraftausübende Einrichtung ein elastomeres Glied in Evolventen-Konfiguration in dem Kanal in einer Axialkraft ausübenden Beziehung zu dem Abdichtungselement aufweist.

22. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet , daß die Antriebseinrichtung eine Motoreinrichtung aufweist, deren Welle eine Hauptwelle ist, und daß die radiale federnde Gliedereinrichtung eine Schwenkglied-Einrichtung aufweist.

23. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gehäuseeinrichtung vorgesehen ist, die darin ein eingeschlossenes Volumen bestimmt, in welchem die Fluid-Verschiebungs-Einrichtung befestigt ist, daß die Hochdruck-Fluidleitungs-Einrichtung eine erste Röhreneinrichtung aufweist, die sich durch die Gehäuseeinrichtung erstreckt, und daß eine Niederdruck-Fluidleitungs-Einrichtung eine zweite Röhreneinrichtung aufweist, die sich zum eingeschlossenen Volumen hin öffnet, wobei ferner eine Durchgangeeinrichtung zwischen der zweiten Röhreneinrichtung und dem Bereich des niedersten Drucks vorgesehen ist.

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24. Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Gehäuseeinrichtung einen ölsumpf bestimmt, daß die Hauptwelle in einem ölbecher endigt, der sich unter den Pegel des ölsumpfes erstreckt, daß die Hauptwelle zwei entgegengesetzt angeordnete, in diese gebohrte öldurchgänge aufweist und daß sie so angeordnet ist, daß sie bei ihrer Drehung als Umwälzeinrichtung für das Schmieröl dient.

25. Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf, dadurch kennzeichnet, daß

(a) eine Positiv-Fluid-Verschiebungs-Einrichtung gemäß Anspruch 12 vorgesehen ist, der als Kompressor betrieben wird, und

(b) eine Kühl-Fluid-ümwälzungs-Einrichtung vorgesehen ist, die die Hochdruck-Leitungs-Einrichtung mit der Niederdruck-Leitungs-Einrichtung verbindet und darin einen Wärmetauscher zum Kühlen von komprimiertem Fluid, das in der Untwälzeinrichtung übertragen wird, eine adiabatische Expandiereinrichtung zum Expandieren und Kühlen des komprimierten Fluids und eine Kühl-Zuladung enthält, die in einer wärmeübertragenden Beziehung zu dem expandierten gekühlten Fluid angeordnet ist.

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