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Für die Herstellung eines Läufers aus Keramik ist eine Negativform
erforderlich, in der die Positivform, also der fertige Läufer, in bekannter Weise
ohne weitere Q
Nachbearbeitung in den Verzahnung reichen hergestellt
bzw. geformt werden kann. Die beiden Stirnflächen der beiden Läufer, die Bohrung
des ersten Läufers und gegebenenfalls die Zapfen des zweiten Läufers können mittels
herkömmlicher Werkzeugmaschinen einfach geschliffen werden: die Stirnflächen in
einem ebenen Schliff und die Zapfen bzw. die Bohrung in einem Rundschliff.
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Es soll noch auf folgendes hingewiesen werden: Keramikmaterial kann
- wie bekannt - beachtliche Druck- und Biegekräfte übertragen, jedoch nur in geringem
Maße Zug- oder Torsionskräfte. Aus diesem Grunde muß der angetriebene erste Läufer
zur Einleitung des Antriebsmomentes - wie oben erwähnt - hohl ausgebildet sein,
wobei ins Innere des Keramikmateriales die Welle aus metallischem Material eingesetzt
ist. Dieses metallische Material muß bezüglich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten
etwa dem des Keramikmaterials entsprechen, damit unerwünschte thermische Spannungen
im Hauptläufer vermieden werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Welle
aus Nickel-Eisen-Legierung mit ca.
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36% Nickel herzustellen.
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Diese Legierung hat den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die
Keramik, insbesondere das Siliziumnitrit Der Wert beträgt ca. 2 x 10-6 m/m Grad
C. Bei den bekannten Schraubenverdichtern besteht das Außengehäuse aus Grauguß oder
ähnlichen Materialien, welche sich wie die beiden Läufer beim Verdichtungsvorgang
aufgrund der dabei entstehenden Erwärmung ausdehnen. Würde man für das Gehäuse ein
Material verwenden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der des Keramikmaterials,
was bei den bekannten metallischen Materialien für ein Verdichtergehäuse meist der
Fall ist, dann würden sich die Spiele zwischen den Läufern und zwischen den Läufern
und dem Gehäuse vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad des Schraubenverdichters sich
verringert.
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Aus diesem Grunde kann eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung dahin gehen, daß das Gehäusematerial dem der Läufer entspricht, vorzugsweise
damit identisch ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin
gehen, daß das Gehäuse in der Ebene geteilt ist, in der die Achsen der Läufer liegen
und lediglich zweiteilig ist.
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Wenn das Gehäuse in der Ebene geteilt ist, in der die Läufer liegen,
und lediglich zweiteilig ist, kann die geometrische Ausrichtung der Gehäuseteile
zueinander (Zentrierung) vorteilhafterweise über einteilige Lagerbuchsen erfolgen.
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Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Läufer mittels Gleitlagern
aufzulagern. Dabei sind die Laufbuchsen zweckmäßigerweise aus infiltriertem Siliziumkarbid
herzustellen und die Welle wird in den Lagerbereichen in vorteilhafter Weise radial
und axial mit keramischem Material beschichtet.
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In diesem Falle kann vorteilhafterweise als Schmiermittel für die
Gleitlager und als in den Verdichtungsraum eingespritztes Kühlmittel Wasser vorgesehen
werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile können wie folgt angegeben
werden: Wie oben schon erwähnt, kann die Herstellung der Läufer aufgrund der spanlosen
Herstellung zumindest des Profilbereiches deutlich verbilligt werden. In jedem Falle
entfällt eine bei Metalläufern vorzunehmende zerspanende Bearbeitung.
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Wenn das Gehäuse aus keramischem Material hergestellt ist, dann wird
auch die Herstellung des Gehäuses verbilligt, weil auch hier eine zerspanende Bearbeitung
im Bereich der Bohrungen zur Aufnahme der Läufer, im Bereich der Trennflächen zwischen
den beiden Gehäuseteilen einschließlich der Durchgangslöcher für die Befestigungsschrauben,
sowie an den Flanschflächen für den Saug- und Druckanschluß einschließlich der anzubringenden
Gewindesacklöcher entfallen kann.
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Ein sehr wesentlicher Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird,
besteht darin, daß der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit erhöht werden können,
weil das Keramikmaterial einen sehr kleinen Ausdehnungskoeffizient hat, sodaß kleinere
Spiele zwischen den beiden Läufern selbst und den Läufern und dem Gehäuse vorgesehen
werden können, deren Größe weitgehend von der Temperatur unabhängig ist Ein weiterer
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung von Keramik stark korrosiv
und erosiv wirkende Gase verdichtet werden können. Im Gegensatz zu metallischem
Material wird Keramik praktisch nicht angegriffen.
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Ein weiterer Vorteil, der mit der Erfindung erreicht werden kann,
besteht darin, daß an Stelle von Ö1 unaufbereitetes Wasser als Schmiermittel fur
die Lager und als Kühlmittel zum Einspritzen in den Verdichtungsraum verwendet werden
kann. Dadurch entfallen aufwendige Ölabscheidersysteme und gegenüber Trokkenläufern
aufwendige Maßnahmen zur Fernhaltung des Gleitlageröls vom Verdichtungsraum.
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Dabei kann folgender besonderer Vorteil zusätzlich noch mit erreicht
werden: Die bekannten Schraubenverdichter unterteilen sich in sogenannte öleingespritzte
Schraubenverdichter und in trockenlaufende Schraubenverdichter. Bei den Schraubenverdichtern
mit Öleinspritzung sind komplizierte Vorrichtungen erforderlich, mit denen das 01
aus dem verdichteten Gas abgeschieden werden muß. Bei Trockenläufern, bei denen
die Gleitlager ölgeschmiert sind, ist - wie oben erwähnt - eine aufwendige Abdichtung
der ölgeschmierten Gleitlager von dem Verdichtungsraum erforderlich. Mit dem erfindungsgemäßen
Schraubenverdichter, bei dem die Läufer und gegebenenfalls auch das Gehäuse aus
Keramik hergestellt sind, und bei dem die Schmierung der Lager und die Kühlung mittels
Wasser erfolgt, können praktisch die beiden Arten von Schraubenverdichtern ersetzt
werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß aufgrund der
charakteristischen Eigenschaften der Keramikmaterialien, bei gegenseitiger Berührung
ohne Schmierung nicht zu verschweißen, aufwendige Synchronisierungsgetriebe vermieden
werden können.
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Wenn das Gehäuse aus Keramikmaterial hergestellt wird und in der
Lagerebene geteilt ist, dann kann eine Abdichtung des Verdichtungsraumes im Bereich
der Trennflächen z. B. durch Eintouchieren oder durch umlaufende, bekammerte Dichtschnüre
oder mittels sogenannter Dichtpasten (dünne Filme zum Ausgleich von Unebenheiten)
hergestellt werden. Die Zentrierung der beiden oberen und unteren Hälften zueinander
erfolgt - wie oben erwähnt - über einteilige Lagerbuchsen, die spielfrei oder mit
kleinem Übermaß gegenüber den beiden Bohrungshälften, die zusammen die Lagerbohrung
im Gehäuse bilden, ausgebildet sind.
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Die Herstellung bzw. die Einformung der Einlaß- bzw.
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Auslaßstutzen erfolgt durch geeignete Kerne, wobei
selbstverständlich
zu beachten ist, daß sogenannte Hinterschnitte vermieden werden und daß keiner der
beiden Stutzen in die Nähe der Teilung oder über die Teilung hinweg gehen darf.
Der Saugstutzen muß also in der einen Hälfte und der Druckstutzen in der anderen
Hälfte angeordnet sein.
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Die Erfindung besteht also darin, die beiden Läufer aus Keramikmaterial
herzustellen. Dabei könnte das Material, aus dem das Gehäuse besteht, durchaus in
herkömmlicher Weise aus einem metallischem Material in in herkömmlicher Weise geteilter
Form gebildet sein.
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Zweckmäßigerweise wird man das Gehäuse aus Keramikmaterial herstellen,
weil dann die Eigenschaften der aus Keramik bestehenden Läufer besonders vorteilhaft
zur Geltung kommen. Dabei könnte auch das aus Keramik hergestellte Gehäuse in üblicherweise
hergestellt sein. Sinnvollerweise wird erfindungsgemäß das Gehäuse in der Weise
geteilt, daß die Teilungsebene in der Ebene der Läufer liegt. Alle diese Maßnahmen
könnten unabhängig voneinander und zur Bildung eines optimalen Schraubenverdichters
gemeinsam verwirklicht sein.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Schraubenverdichter, F i g. 2 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Schraubenverdichter
gemäß Linie Il-II der Fig. 1, in verkleinertem Maßstab und in schematischer Darstellung.
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Der Schraubenverdichter 10 besitzt einen ersten Läufer 12 und einen
zweiten Läufer 14 im Inneren eines Gehäuses 16, welches Gehäuse 16 einen Hauptbereich
18, einen ersten Bereich 20 zur Aufnahme der antriebsseitigen Lager für die beiden
Läufer und einen zweiten Abschnitt 22 zur Aufnahme der auslaßseitigen Lager der
beiden Läufer aufweist (siehe weiter unten).
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Der Bereich 20 besitzt einen etwa ringförmigen Raum 24, in den ein
nicht weiter dargestellter Ansaugstutzen einmündet und der einen Kanal bildet, durch
den ansaugseitig Luft den beiden Läufern 12 und 14 zugeführt wird.
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An den Abschnitt 20 schließt sich ein weiterer Abschnitt 26 an, der
eine Abschlußwand 28 umfaßt, welche senkrecht zur Achse der Läufer verläuft und
die eine Innenbohrung 32 aufweist, die ein Gleitlager 34 und eine Wellendichtung
36 aufnimmt. Der Abschnitt 26 umgibt einen Raum 30, der ein Getriebe 40 aufnimmt,
das aus einem mit einer Antriebswelle 42 verkeilten Getrieberad 44 und einem Ritzel
46 besteht, welches mit einer durch den Läufer 12 hindurchlaufenden Welle 48 festverbunden
ist Die Welle 48 besitzt einen einlaßseitigen Lagerbereich 50, an dem sie in dem
ersten Abschnitt 20 über ein Gleitlager 52 gelagert ist, und am druckseitigen Ende
einen Lagerzapfen 54, mit dem sie über ein Gleitlager 56 in dem zweiten Abschnitt
22 aufgelagert ist.
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Der zweite Läufer 14 besitzt ebenfalls eine Welle 58, die sich beidseitig
zu dem Läufer in Lagerzapfen 60 und 62 fortsetzt, wobei der Lagerzapfen 60 über
ein Gleitlager 64 im Abschnitt 22 und der Lagerzapfen 62 über ein Gleitlager 66
im Abschnitt 20 aufgelagert ist.
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Erfindungsgemäß bestehen die beiden Läufer 12 und 14 aus der Welle
48 bzw. 58 und der eigentlichen
Schraube 70 bzw. 72, die aus keramischen Material,
nämlich aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid, hergestellt ist. Die Schraube 70
ist ein mit einer Innenbohrung 74 versehener keramischer Körper, wobei die Innenbohrung
74 schon beim Herstellungsverfahren der Schraube 70 gebildet ist. Die Welle 48 ist
nach der Herstellung der eigentlichen Schraube 70 in die Bohrung 74 eingefügt worden
und darin mittels eines speziellen Klebstoffs oder eines geeigneten Lötmittels fest
mit der Schraube 70 verbunden worden.
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Das gleiche gilt auch für die Verbindung der Welle 58 zu dem eigentlichen
Schraubenkörper 72 des Läufers 14.
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Allerdings ist es nicht notwendig, daß der Läufer 14 als »Verbund«-Läufer
hergestellt ist, es würde auch ohne weiteres möglich sein, den Läufer 14 einstückig
aus dem keramischen Material herzustellen, wobei die Lagerzapfen 60 und 62 einstückig
am Läufer 14 angeformt sind.
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Wenn sich die Antriebswelle 42 im Uhrzeigersinn in Pfeilrichtung
Fdreht, wird sich der Läufer 12 entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Drehzahl drehen,
die abhängig ist vom Übersetzungsverhältnis der beiden Zahnräder 44 und 46. Der
Läufer 14, der mit dem Läufer 12 kämmt, dreht sich dann in der gleichen Richtung
wie die Antriebswelle 42, allerdings mit der entsprechenden höheren Drehzahl.
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Der Verdichtungsvorgang erfolgt gemäß Pfeilrichtung V, sodaß der
Ringraum 24 die Ansaugseite bildet.
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Im Bereich der Druckseite, also im Bereich des Abschnittes 22, besitzt
die verdichtete Luft eine höhere Temperatur. Dies kann dazu führen, daß sich aufgrund
der thermischen Ausdehnung der Abstand der beiden Mittelachsen der Läufer 12 und
14 vergrößert, wodurch der Spalt 76 zwischen den beiden Schrauben 70 und 72 vergrößern
kann, und es kann sich der Hauptabschnitt 18 im Bereich der Druckseite ausdehnen,
und weil das Keramikmaterial selbst einen geringeren Ausdehnuagskoeffizienten besitzt
als das Material des Gehäuses, kann sich der Spalt 76 zwischen den beiden Läufern
und der Spalt 78 zwischen den Läufern und dem Gehäuse vergrößern, wenn man das Gehäuse
insgesamt aus einem metallischen Material herstellen würde. Dann müßten evtl. besondere
Maßnahmen zur Kühlung der auslaßseitigen Gehäusebereiche getroffen werden.
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In besonders vorteilhafter Weise kann man eine Kühlung im hinteren
Bereich vermeiden, wenn man das Schraubenverdichtergehäuse aus Keramikmaterial herstellt.
In der Fig.2 ist ein Querschnitt durch ein Gehäuse bzw. einen Schraubenverdichter
mit einem Gehäuse aus Keramikmaterial dargestellt. Man erkennt eine obere Gehäusehälfte
100 und eine untere Gehäusehälfte 102, die in bem Bereich 104 geteilt sind, in dem
die Ebene Eder Achsen 106 bzw. 108 des Lagers 12 bzw. des Lagers 14 liegen. Beide
Gehäusehälften 100 und 102 sind von senkrecht zur Teilungsfuge 104 verlaufenden
Bohrungen 116 bzw. 118 durchdrungen, die im montieren Zustand miteinander fluchten
und durch die Schraubenbolzen 120 bzw. 122 zur Verbindung der beiden Gehäusehälften
hindurchgesteckt werden können. Nach Anziehen der Schraubenbolzen sind die Teilungsfugen
104 absolut dicht.
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Zweckmäßigerweise kann das gesamte Gehäuse aus keramischem Material
einstückig hergestellt sein, wie aus der Fig.1 ersichtlich. Dann ist es lediglich
noch erforderlich, die noch offenen Gehäusebohrungen z. B.
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im Bereich der Lager, mittels Stopfenelementen 123, 124 und 126 zu
verschließen. Zur Zentrierung der beiden Gehäuseteile zueinander können die beiden
Lagerschalen 52,56 sowie 66 bzw. 64 verwendet werden, wenn sie
mit
Spiel Null oder mit einem geringen Übermaß in die zugehörigen Lagerbohrungen eingesetzt
werden.
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Als Kühlmittel kann Wasser verwendet werden, was den Vorteil hat,
daß aufwendige Kühlmittelabscheideeinrichtungen (wie bei Öl z. B) vermieden werden
können. Wasser nämlich kann durch einfache Kondensiereinrichtungen ausgefällt werden;
wenn die Tamper raturen am druckseitigen Auslaß hoch genug sind, dann ist die Luft
(wenn diese zu verdichten ist) für Wasserdampf u. U. ausreichend aufnahmefähig,
so daß Wasserabscheidungseinrichtungen unnötig sind und lediglich Ablaßventile irgendwo
an der tiefsten Stelle des Druckluftleitungsnetzes vorgesehen zu werden
brauchen,
wenn der Verdichter in ein Druckluftnetz einspeist Das Wasser kann auch zur Schmierung
der Lager verwendet werden. Hierzu müßten dann die Wellenzapfen 50, 54 und 60, 62
mit Keramik beschichtet und die Lagerschalen aus geeignetem Keramik hergestellt
werden. Als Material kommt z. B. infiltriertes Siliziumkarbid in Frage. Eine Abdichtung
des Lagerbereiches vom Verdichtungsraum (Sperrgas- oder Labyrinthdichtungen) oder
weitere Maßnahmen zur Fernhaltung von Schmieröl vom Verdichtungsraum könnten kann
entfallen.
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