DE3109301A1 - Spiralfluidvorrichtung - Google Patents

Description

3101301

HITACHI, LTD.

5-1, Marunouchi 1-chome, Chiyoda-ku,

Tokyo (Japan)

Spiralfluidvorrichtung;

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen nach den Oberbegriffen der -Ansprüche 1 bzw. 5«

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Spiralfluidvorrichtung für einen Luftkompressor, einen Kühlmittelkompressor, eine Expanaionsvorrichtung, eine hydraulische Pumpe usw.

Spiralfluidvorrichtungen sind in einer Anzahl von Patentschriften einschliesslich beispielsweise den US-PS 3 884 599, 3 994 636 und 3 874 82? angegeben und weisen jeweils zwei Spiralglieder auf. Jedes Spiralglied enthält eine Endplatte und ein darauf aufrecht angeordnetes Hüllglied. Eines der Spiralglieder läuft um das andere Spiralglied um und wirid an einer Drehung um seine eigene Achse gehindert. Hierdurch werden bewegliche Taschen zwischen den beiden Spiralgliedern gebildet, die eine Volumenänderung erfahren. Es gibt jedoch keine Angaben in der Literatur des Standes der Technik bezüglich Vorschlägen zur Verminderung des auf die Lager zur drehbaren Lagerung der Kurbelwelle ausgeübten Lastmoments.

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Dieses Problem wird im folgenden im einzelnen erläutert. Eine Kurbelwelle ist durch wenigstens zwei axial beabstandete Lager gelagert. Das umlaufende Spiralglied und die Kurbelwelle stehen ausrerhalb der Lager in Eingriff, Somit wird das umlaufende Spiralglied über die Kurbelwelle hinaus versetzt getragen. Dies bedeutet, dass der Angriffspunkt der von der Kurbelwelle auf das umlaufende Spiralglied und umgekehrt übertragenen drehenden Kraft ausserhalb der Stellungen der Lager liegt. Dies erzeugt ein grosses Drehmoment, welches das Produkt der übertragenen Kraft multipliziert mit dem Abstand ist, mit welchem das umlaufende Spiralglied über die Kurbelwelle hinaus versetzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Spiralfluidvorrichtung, bei der die auf die Lage* zur Lagerung der Kurbelwelle ausgeübte Belastung auf ein Mindestmass gebracht werden kann, bei der das Moment der auf die Lager zur Lagerung der Kurbelwelle ausgeübten Belastung auf ein Mindestmass gebracht werden kann, bei der die Lager zur Lagerung der Kurbelwelle eine verlängerte Betriebsdauer haben und bei der der Abstand zwischen wenigstens zwei Lagern zur Lagerung der Kurbelwelle verringert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 5·

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das hervorragende Merkmal der Erfindung zur Lösung der angegebenen Aufgabe besteht darin, dass von mehreren die Kurbelwelle lagernden Lagern das dem umlaufenden Spiralglied am nächsten gelegene Lager in einer Ebene liegt, in der sich der Kraftangriffspunkt befindet, der bei der Übertragung der drehenden Kraft von der Kurbelwelle auf

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das umlaufende Spiralglied und ungekehrt in Üetracht kommt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

I*ig. 1 einen waagerechten Schnitt der Spiralfluidvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt II-II in !'ig. 1;

Pig. 3 einen senkrechten Schnitt der Spiralfluidvorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

l^|lig. 4 einen senkrechten Schnitt der Spiralfluidvorrichtung mit einer dritten Ausführungsfoipm der Erfindung.

Fig. 1 ist ein waagerechter Schnitt der ersten Ausführungsform der Spiralfluidvorrichtung nach der Erfindung, während Fig. 2 ein senkrechter Schnitt II-II in Fig. 1 ist.

Eine Spiralfluidvorrichtung enthält ein feststehendes Spiralglied und ein umlaufendes Spiralglied, die ein Paar bilden und folgendes aufweisen: miteinander in Eingriff stehende Hüllglieder, eine Einrichtung zum Hindern des umlaufenden Spiralglieds am Drehen um seine eigene Achse, eine Kurbelwelle zum Übertragen der drehenden Kraft auf das umlaufende Spiralglied, damit sich dieses in einer Umlaufbewegung bewegt, und zum Abnehmen der drehenden Kraft vom umlaufenden Spiralglied, mehrere Lager zum drehbaren Lagern der Kurbelwelle und einen Rahmen zum Tragen der Lager.

Ein feststehendes Spiralglied 3 enthält eine Endplatte 1 mit einem zylindrischen 'Teil 1a an ihrem äusseren Umfang und einem spiralförmigen Hüllglied 2, das als evolventenförmige oder ähnliche Kurve aufrechtstehend an der Endplatte 1 angeordnet ist. Die Endplatte 1 ist mit einer Hochdruck-

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fluidöffnung 7 im Mittelteil und einer Mlederdruckfluidöffnung 8 im zylindrischen Teil 1a versehen. Die Hochdruckfluidöffnung 7 dient als Auslassöffnung für unter hohem Druck stehendes Gas, wenn die Vorrichtung als Kompressor arbeitet, als Einlassöffnung für unteir hohem Druck und hoher· Temperatur stehendes Arbeitsgas, wenn die Vorrichtung als Expansionsvorrichtung arbeitet, und als Auslassöffnung für Flüssigkeit, wenn die Vorrichtung als hydraulische Pumpe arbeitet.

Die Niederdruckfluidöffnung S dient als Einlassöffnung für Gas, wenn die Vorrichtung als Koapreseor arbeitet, als Auslassöffnung für expandiertes Gas, wenn die Vorrichtung als Expansionsvorrichtung arbeitet, und als Einlassöffnung für Flüssigkeit, wenn die Vorrichtung als hydraulische Pumpe arbeitet.

Ein umlaufendes Spiralglied 6 enthält eine scheibenförmige Endplatte 4 und ein darauf aufrecht angeordnetes Hüllglied 5, dessen Form derjenigen des Hüllglidds 1 ähnlich ist. Ein Zapfen 9 ist entgegengesetzt zur Seitenfläche, an welcher das Hüllglied 5 angeordnet, an einer Seitenfläche oder Rückseite der Endplatte 4- befestigt.

Ein Rahmen 10 ist durch nicht gezeigte Schrauben mit dem zylindrischen Teil 1a des feststehenden Spiralglieds 3 verbunden und hat einen Raum zur Aufnahme des umlaufenden Spiralglieds 6.

Eine Einrichtung 11 hindert das umlaufende Spiralglied 6 am Drehen um seine eigene Achse und enthält einen Ring 12 sowie zwei Sätze von Keilen 13· Ein Satz von Keilen 13 ist am Rahmen 10 befestigt, während der andere Satz von Keilen 13 an der Rückseite der Endplatte 4· des umlaufenden Spiralglieds 6 befestigt ist und sich in dner Richtung erstreckt, die den einen Satz von Keilen 13 i& rechten Winkel kreuzt.

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Ein Sing 12 ist mit Keilnuten versehen zum Ergreifen der beiden Sätze von Keilen 13.

Eine Kurbelwelle 14 ist durch zwei am Rahmen 10 befestigte Lager 15 und 16 drehbar gelagert und hat einen Drehpunkt, der mit der Mitte Ob des feststehenden Spiralgliedes 3 zusammenfällt. Die Kurbelwelle 14 hat an ihrem einen Endteil ein Loch, das in einer Nabe der Kurbelwelle 14 ausgebildet ist und eine Mitte aufweist, die mit der Mitte Oai des umlaufenden Spiralglieds 6 zusammenfällt und um einen Abstand £ gegenüber der Drehmittel Os der Kurbelwelle 14 versetzt ist. Durch ein Lager 17 ist in das Loch ein Zapfen 9 eingesetzt.

Das dem umlaufenden Spiralglied 6 am nächsten gelegene Lager 15 ist ein Gleitlager, das sich in einer Ebene befindet, die sich durch den Angriffspunkt F einer drehenden Kraft erstreckt, die von der Kurbelwelle 14 auf das umlaufende Spiralglied 6 oder umgekehrt übertragen wird und sich senkrecht zur Achse der Kurbelwelle 14 erstreckt.

Zwischen dem Rahmen 10 und der Kurbelwelle 14 befindet sich eine mechanische Dichtung 18, die das Austreten von Gas durch einen Teil des Rahmens 10 verhindert, durch den sich die Kurbelwelle 14 erstreckt.

Zwei kleine Öffnungen 19 mit Drosseldunktion sind in der Endplatte 4 des umlaufenden Spiralglieds 6 ausgebildet und ermöglichen den Durchtritt von Gas zur Rückseite der Endplatte 4 bei einem Kompressions- oder Expansionshub, um auf das umlaufende Spiralglied 6 eine axiale Vorspannkraft auszuüben. Eine Einrichtung zum Vorsehen einer axialen Vorspannkraft kann eine i'eder und eine Kombination aus Gasdruck und einer Feder enthalten.

Im Betrieb bewegt sich die Mitte Om des umlaufenden Spiral-

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glieds 6 in einer Umlauf bewegung im Uhrzeigersinn von um die Mitte Os des feststehenden Spiralglieds 3. Bei dieser Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralgliedes 6 werden die Volumen von abgeschlossenen Räumen Va und Vb, gebildet zwisdhen den beiden Endplatten 1 und 4· und den beiden Hüllgliedern 2 und 5 sowie angeordnet in der Nähe der Endpunkte der Hüllglieder 2 bzw. 5, allmählich verringert, wenn sie sich zur Mitte der beiden Spiralglieder 3 und 6 bewegen.

Umgekehrt bewegt sich die Mitte Qm des umlaufenden Spiralglieds 6 in einer Umlaufbewegung im Gegenuhrzeigersinn von Fig. 1 um die Mitte Os des feststehenden Spiralglieds 3. Bei dieser Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralglieds

6 werden die Volumen von geschlossenen Räumen Vc und Vd, gebildet zwischen den beiden Endplatten 1 und 4- und den beiden Hüllgliedern 2 und 5 sowie angeordnet in der Mitte der beiden Spiralglieder 3 bzw. 6, allmählich vergrössert, wenn sie sich zu den jeweiligen abschliessenden Enden der Hüllglieder 2 und 5 bewegen.

So arbeitet die Vorrichtung als Kompressor, wenn die Kurbelwelle 14· derart angetrieben wird, dass sie das umlaufende Spiralglied 6 in einer Umlaufbewegung im Uhrzeiger sinn von i'ig. 1 bewegt, wobei die Hochdruckfluidöffnung

7 in der Mitte des feststehenden Spiralglieds 3 und die Kiederdruckfluidöffnung 8 im zylindrischen Teil 1a als Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung dienen. Durch Formen der Hüllglieder 2 und 5 derart, dass die geschlossenen Räume Va und Vb mit der Niederdruckfluidöffnung 8 verbunden werden, sobald sie gebildet sind, kann die Vorrichtung als hydraulische Pumpe arbeiten.

In ähnlicher Weise kann die Vorrichtung als Expansionsvorrichtung dadurch verwendet werden, dass unter hoher

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Tenrperatur und holiem Druck stehendes Gas durch, die Hochdruckfluidöffnung ? in der Kitte des feststehenden Spiralglieds 5 geleitet xi/ird.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einen senkrechten Schnitt, in dem der Zapfen 9» der eines der Glieder zum Übertragen der drehenden Kraft zwischen dem umlaufenden Spiralglied 6 und der Kurbelwelle 14 ist, an einem Endteil der Kurbelwelle befestigt ist, wobei in einer Nabe des umlaufenden Spiralglieds 6 ein Loch ausgebildet ist. Das Lager 15 ist ein Kugellager, wobei aber auch ein Wälzlager als Kugellager 15 verwendet werden kann. Weitere !'eile der zweiten Ausführungsform gleichen den entsprechenden '.feilen der ersten Ausführungsform von Fig. 1 und 2. Die zweite Ausführungsform arbeitet in derselben Weise wie die erste Ausführungsform, so dass sich ihre Beschreibung erübrigt.

Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt der dritten Ausführungsform und zeigt einen Spiralkompressor der hermetischen Bauart. Die Kurbelwelle 14 ist mit einem Rotor 2OE eines Motors 20 verbunden, dessen Stator 2OS an der Innenwand eines hermetischen Gehäuses 21 befestigt ist. Eine Saugleitung 22 ist mit der Niederdruckfluidöffnung 18 verbunden, während eine Auslassleitung 23 mit dem hermetischen Gehäuse 21 verbunden ist. Das feststehende Spiralglied 3 und der Fahmen 10 sind jeweils mit wenigstens einem Auschnitt 24 am Aussenumgang an Stellen versehen, an denen die Ausschnitte 24 des Spiralglieds 3 und des Hahmens 10 miteinander fluchten und ein Hindurchströmen des Gases durch die Ausschnitte 24 zum Motor 20 gestatten. Die Kurbelwelle 14 ist mit einer Bohrung 23 versehen, die sich axial hierzu vom oberen zum unteren Ende erstreckt, an dem die rlitte der Bohrung 25 nit der JUrehmitte der Kurbelwelle Λ^ι< zusammenfällt. IJie Bohrung 25 ist am oberen Ende gegenüber der Drehmitte der Kurbelwelle 14 exzentrisch, so dass dieser Mechanismus bei

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einer Drehung der Kurbelwelle 14 als Pumpe arbeitet und Öl vom Boden des hermetischen Gehäuses 21 zu den gleitenden !'eilen und Lagern liefert. Weitere Seile gleichen den entsprechenden Teilen"der ersten Ausführungsform von Fig. 1 und 2.

Bei Betätigung des Motors 20 bewegt sich das umlaufende Spiralglied 6 in einer Umlaufbewegung, wobei Gas (Kühlmittel, Luft usw.) durch Saugwirkung durch die ßaugleitung

22 und die Niederdruckfluidöffnung 8 in den Kompressor gezogen wird. Das Gas wird verdichtet und in das hermetische Gehäuse 21 durch die Hochdruckfluidöffnung 7 entleert, von wo aus es durch die Ausschnitte 24- zu einer im Gehäuse 21 auf der Seite des Motors 20 befindlichen Kammer strömt. Von dieser Kammer aus wird das Gas durch die Auslassleitung

23 entleert. Wenn die Vorrichtung ein Kühlmittel im gasförmigen Zustand verdichten soll, wird das durch die Auslassleitung 23 strömende Gas einem Kondensator zugeführt.

Von der Zeit, bei der das verdichtete Gas durch die Hochdruckfluidöffnung 7 entleert wird, bis zu der Zeit, bei der es in die Auslassleitung 23 strömt, wird das im verdichteten Gas mitgenommene Öl hiervon durch Schwerkraft entfernt, wenn das Gas seine Strömungsrichtung ändert, und trifft auf die Wände auf* "Prallbleche, ÜJröpfchenabscheider usw. können im hermetischen Gehäuse 21 als Einrichtung zum zwangsläufigen Entfernen des Öls aus dem verdichteten Gas angeordnet sein.

Es werden nun die Vorteile der Erfindung beschrieben, die darauf beruhen^ dass sich das Lager 15 in einer Ebene befindet, die sich durch den Kraftangriffspunkt E¹ erstreckt und unter einem rechten Winkel zur Mittelachse der Kurbelwelle 14 bei den ersten bis dritten Ausführungsformen erstreckt.

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(1) Der Kraftangriffspunkt F und der otützpunkt Ii des Lagers 15 befinden sich, in derselben iibene, wobei der Abstand W den Wert iJull hat, so dass die auf das Lager 15 ausgeübte Kraft verringert werden kann. Diese Beziehung kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

= Ί? Γ 1 = O

Bomit nimmt das Lager 15 lediglich, eine auf den Kraftangriffspunkt F ausgeübte Kraft F^, auf. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer des Lagers 15» wobei die Inspektion und Wartung in längeren Intervallen ausgeführt werden können.

(2) Der Abstand IE hat einen Wert Null, so dass auf die Kurbelwelle 14 kein Drehmoment ausgeübt wird. Dies beseitigt eine auf das Lager 16 ausgeübte Belastung, das lediglich eine Kraft aufnehmen muss, die gross genug ist, um die Kurbelwelle 14 in ihrer Lage zu halten.

(3) Wie im Absatz (2) ausgeführt, besteht die Funktion des Lagers 16 lediglich im Halten des Endes der Kurbelwelle Dies ermöglicht eine "Verringerung des Abstands FS vom

Kraftangriffspunkt F, wodurch die axiale Länge verringert wird.

(4) Dadurch, dass auf die Kurbelwelle 14 kein Drehmoment ausgeübt wird, kippt sie während ihrer Drehung nicht, wodurch die Geräuschentwicklung auf ein Plinüestmass gebracht -.'ird.

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Claims (9)

1. Patentanwälte! " : ■ : :.
   BEETZ-LAMPRECHT-BEEf^

   München 22-Stelnsdorfetr. 10 3109301

   81-32.145P(32.146H)

   11. März 1981

   Ansprüche

   Spiralfluidvorrichtung

   - mit zwei Spiralgliedern, von denen Jedes eine Endplatte und ein spiralförmiges, auf der Endplatte aufrecht angeordnetes Hüllglied aufweist,

   - wobei die beiden Spiralglieder mit ineinandergreifenden Hüllgliedern einander überlagert sind und ein Spiralglied sich in einer UmIaufbewegung bewegt, jedoch am Drehen um seine eigene Achse gegenüber dem anderen Spiralglied gehindert wird zum Übertragen einer Kraft zwischen dem umlaufenden Spiralglied und einer Kurbelwelle,

   dadurch gekennzeichnet ,

   - dass die Kurbelwelle (14) durch mehrere Lager (15₅ 16) gelagert ist und

   - dass ein dem umlaufenden Spiralglied (6) am nächsten gelegenes Lager (15) in einer Ebene angeordnet ist, die sich durch den Angriffspunkt (^) einer Kraft (F^) erstreckt, die zwischen dem umlaufenden Spiralglied (6) und der Kurbelwelle (14·) übertragen wird und unter einem rechten Winkel zur Mittelachse der Kurbelwelle "(14-) verläuft.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass das dem umlaufenden Spiralglied (6) am nächsten gelegene Lager (15) ein Gleitlager ist (KLg. 2, 4-).

   81-(A-5396-O2) 130Ö52/Q7S6

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3. 3. Vorrichtung naoh Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass das dem umlaufenden Spiralglied (6) am nächsten gelegene Lager (15) ein Wälzlager ist (SIg. 3).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3i
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass das Wälzlager (15) ein Kugellager ist (Fig. 3)·
5. 5· Spiralfluidvorrichtung,
   gekennzeichnet

   - durch ein feststehendes Spiralglied (3) mit einer Endplatte (1) einschliesslich eines zylindrischen Teils (1a) an deren Aussenumfang und mit einem darauf aufrecht angeordneten spiralförmigen JföLllglied (2),

   - durch ein umlaufendes Spiralglied (6) mit einer Endplatte (4) und mit einem darauf aufrecht angeordneten spiralförmigen Hüllglied (5)»

   - durch einen mit dem zylindrischen Teil (1a) des feststehenden Spiralglieds (3) verbundenen Rahmen (10),

   - durch eine Kurbelwelle (14), die vom Rahmen (10) drehbar gelagert und durch einen Zapfen (9) sowie eine mit dem Zapfen (9) in Eingriff stehende Nabe mit dem umlaufenden Spiralglied (6) in Eingriff gehalten ist,

   - durch wenigstens zwei Lager (15* 16)» die zwischen der Kurbelwelle (14) und dem Rahmen (10) angeordnet sind, wobei das dem umlaufenden Spiralglied (6) am nächsten gelegene Lager (15) in einer Ebene angeordnet ist, die sich durch den Angriffspunkt Qf) einer Kraft (F^) erstreckt, die zwischen dem umlaufenden Spiralglied (6) und der Kurbelwelle (14) übertragen wird und im rechten Winkel zur Mittelachse der Kurbelwelle (14) verläuft,

   1300S2/0768

   - durch eine Einrichtung (11), die das umlaufende Spiralglied (6) am Drehen um seine eigene Achse hindert,

   - durch eine Niederdruckfluidöffaung (8) und

   - durch eine Hochdruckfluidöffnuog (7)·
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, gekennzeichnet

   - durch zwei im Abstand angeordnete Lager (15, 16).
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   - dass alle Lager (15, 16) Wälzlager sind (Fig. 3)·
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   - dass eines (15) der Lager (15, 16) ein Wälzlager ist, während das andere Lager (16) ein Gleitlager ist (Fig. 2).
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   - dass alle Lager (15, 16) Gleitlager sind (Fig. 4).

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