DE3142439C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit zwei Spiralgliedern, die miteinander in Eingriff stehen, wobei jedes der Spiralglieder eine Endplatte und eine davon abstehende Spiralwand aufweist, wobei sich eines der beiden Spiralglieder gegenüber dem anderen in einer Umlaufbahn bewegt, während seine Drehung um seine eigene Achse verhindert wird, wobei das andere Spiralglied feststeht und einen ringförmigen Teil aufweist, dessen Höhe der Höhe der Spiralwand entspricht und der die Spiralwand umgibt und mit dieser einstückig verbunden ist, und wobei zwischen dem ringförmigen Teil des feststehenden Spiralglieds und der Endplatte des um­ laufenden Spiralglieds eine streifenförmige Ausnehmung vorgesehen ist, die sich in Umfangsrichtung über etwa 180° erstreckt und mit einer Zone niedrigen Drucks in Verbindung steht.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine zeigt die US-PS 39 94 633. Die dabei vorgesehene streifenförmige Ausnehmung steht unmittelbar mit der angrenzenden Ar­ beitskammer in Verbindung. Dadurch entsteht eine Unsymme­ trie in der Druckverteilung; denn die oberste und die unterste Fluidkammer der feststehenden Spiralwand weichen in ihrem Maximalvolumen voneinander ab, wenn das Fluid beim Schließen der Kammer darin abgedichtet ist, wodurch ein Druckdifferential zwischen den beiden Kammern ent­ stehen würde. Somit ergibt sich ein nicht ausbalancierter Druck.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Rotationskolbenmaschine dahingehend zu ver­ bessern, daß in den Arbeitskammern eine symmetrische Druck­ verteilung herrscht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der streifenförmigen Ausnehmung wird eine Abgrenzung gegenüber der äußeren Wandoberfläche der Spiralwand des feststehenden Spiral­ glieds erreicht. Das hat zur Folge, daß die angrenzende Arbeitskammer gegenüber der Zone niedrigen Drucks abge­ dichtet ist, so daß der Verdichtungsvorgang sofort nach Bildung einer abgeschlossenen Arbeitskammer zwischen den Spiralwänden des feststehenden und des umlaufenden Spi­ ralglieds beginnen kann. Auch wird ein besserer volume­ trischer Wirkungsgrad erzielt, weil eine Strömung erwärm­ ten Gases in und durch die Ausnehmung durch deren besondere Ausbildung verhindert wird. Schließlich können auch Schwin­ gungen des umlaufenden Spiralglieds verhindert werden.

Das Vorsehen einer Trennwand auf der halben Längserstreckung der Ausnehmung verhindert ein Strömen des Strömungsmittels in der und durch die Ausnehmung.

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

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt der Rotations­ kolbenmaschine der Spiralbauart nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt II-II in Fig. 1 der Rotations­ kolbenmaschine nach einer zweiten Ausführungs­ form;

Fig. 4 einen Schnitt II-II in Fig. 1 der Rotations­ kolbenmaschine nach einer dritten Ausführungs­ form.

Ein feststehendes Spiralglied 1 enthält eine Endplatte 1 a, eine spiralförmige Spiralwand 1 b, die auf der Ober­ fläche des stationären Spiralglieds 1 aufrecht angeordnet ist, und einen die Spiralwand 1 b umgebenden ringförmigen Teil 1 c. Ein umlaufendes Spiralglied 2 enthält eine schei­ benförmige Endplatte 2 a und eine Spiralwand 2 b mit dersel­ ben Form wie die Spiralwand 1 b, die auf der Oberfläche der Endplatte 2 a aufrecht angeordnet ist.

Die Spiralwände 1 b und 2 b der beiden Spiralglieder 1 und 2 haben die Form einer Evolvente oder einer ähnlichen Kurve und dieselbe Dicke und Höhe.

In der Mitte der Endplatte 1 a des stationären Spiral­ glieds 1 ist eine Öffnung 3 ausgebildet. In einem Außen­ umfangsteil der Endplatte 1 a ist eine weitere Öffnung 4 ausgebildet. Die Öffnung 3 dient als Auslaßöffnung, wenn die Rotationskolbenmaschine als Kompressor arbeitet und als Einlaßöffnung, wenn die Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine arbeitet.

Das umlaufende Spiralglied 2 hat einen von seiner Rück­ seite abstehenden Spiralzapfen 2 c.

Die beiden Spiralglieder 1 und 2 sind so angeordnet, daß die Oberflächen ihrer Endplatten 1 a und 2 a einander zuge­ wandt sind und die Spiralwände 1 b und 2 b miteinander in Eingriff stehen. Befinden sich die Spiralwände 1 b und 2 b in diesem Zustand, so sind ihre Enden 1 b′ bzw. 2 b′ so zueinander angeordnet, daß sie in Umfangsrichtung im wesentlichen um 180° voneinander entfernt sind.

Ein Gehäuse 5 ist an verschiedenen Stellen an die End­ fläche des ringförmigen Teils 1 c des stationären Spiral­ glieds 1 geschraubt.

Eine Kurbelwelle 6 ist über zwei Sätze von am Gehäuse 5 befestigten Lagern 7 und 8 an diesem gelagert. An der Kurbelwelle 6 ist einstückig ein Gegengewicht 9 angeord­ net, das aber auch ggf. unabhängig von der Kurbelwelle 6 als gesonderte Einheit ausgebildet sein kann.

Die Kurbelwelle 6 ist an ihrem Kopf mit einem hohlen Vor­ sprung 10 versehen, der in einer von der Mittelachse 0 der Kurbelhülle 6 um einen Abstand ε versetzten Stellung zentriert ist und in dem der Spiralzapfen 2 c eingepaßt ist. Zwischen dem Vorsprung 10 und dem Spiralzapfen 2 c sitzt ein Nadellager 11.

Ein eine Drehung um seine eigene Achse verhinderndes Glied 12 ist zwischen der Unterseite der Endplatte 2 a des um­ laufenden Spiralglieds 2 und dem Gehäuse 5 angeordnet. Das Glied 12 hat die Form eines Rings mit nicht gezeigten geraden Nuten auf seiner neben der Endplatte 2 a liegenden Fläche und auf seiner neben dem Gehäuse 5 liegenden Fläche. Die auf der neben dem Gehäuse 5 liegenden Fläche ausge­ bildete Nut kreuzt die auf der neben der Endplatte 2 a liegenden Fläche ausgebildete Nut im rechten Winkel. In der Nut, die an der neben dem Gehäuse 5 liegenden Fläche ausgebildet ist, ist ein Teil 13 eingepaßt, der auch am Gehäuse 5 befestigt ist. In der Nut, die an der neben der Endplatte 2 liegenden Fläche ausgebildet ist, ist ein nicht gezeigter Keil eingepaßt, der ebenfalls an der Endplatte 2 a befestigt ist. Eine mechanische Dichtung 14 ist an einem Teil der Kurbelwelle 6 vorgesehen, der in das Gehäuse 5 eindringt, sich nach außen erstreckt und in einem Dichtgehäuse 15 enthalten ist. Die mechani­ sche Dichtung 14 ist von bekannter Konstruktion, die daher nicht mehr beschrieben ist.

Der Betrieb der Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart wird im folgenden beschrieben: Eine Drehung der Kurbel­ welle 6 im Uhrzeigersinn in Fig. 2 durch einen nicht ge­ zeigten Antriebsmotor bewirkt eine Bewegung des Spiral­ glieds 2 in einer Umlaufbewegung im Uhrzeigersinn ohne Änderung seiner Stellung (ohne Drehung um seine eigene Achse) gegenüber dem stationären Spiralglied 1. Als Er­ gebnis wird das Volumen der abgedichteten Räume V ₁ und V ₂ zwischen den beiden Spiralgliedern 1 und 2 bei Drehung im Uhrzeigersinn so verringert, daß das durch die Öffnung 4 darin eingeführte Strömungsmittel zusammengedrückt und durch die Öffnung 3 entleert wird.

Wenn umgekehrt das umlaufende Spiralglied 2 sich in einer Umlaufbewegung im Gegenuhrzeigersinn bewegt, wird das Volumen der abgedichteten Räume V ₁ und V ₂ allmählich er­ höht, wenn sie im Gegenuhrzeigersinn rotieren, so daß ein durch die Öffnung 3 eingeführtes Gas mit hoher Tempe­ ratur und hohem Druck (das gegenüber dem durch die Öffnung 4 entleerten Gas eine hohe Temperatur und einen hohen Druck hat) expandiert und durch die Öffnung 4 entleert. Gleichzeitig wird an der Kurbelwelle 6 eine Antriebskraft erzeugt. Wenn zur Beseitigung jeglicher Volumenänderung in den abgedichteten Räumen die Drehzahl der Spiralen 1.5 beträgt, arbeitet die Strömungsmaschine als Pumpe.

Das wichtigste Merkmal der Konstruktion der Rotations­ kolbenmaschine nach der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Ein Absatz 16 erstreckt sich vom Ende 1 b′ der Spiralwand 1 b des stationären Spi­ ralglieds 1 in eine Umfangserstreckung von etwa 180°, so daß die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralglieds 2 nicht gestört wird, oder die Spiralwand 2 b kann die Innenwandfläche des ringförmigen Teils 1 c nicht berühren. Der Absatz 16 dient als Kanal für Niederdruck- und Nieder­ temperaturgas, wenn die Rotationskolbenmaschine als Kom­ pressor oder Expansionsmaschine arbeitet. Die bandförmige Ausnehmung 17 von geringer Tiefe erstreckt sich in einer Umfangserstreckung von 180°, was bei Weglassung der Spiral­ wand 1 b des stationären Spiralglieds 1 zusammen mit der oben angegebenen Umfangserstreckung von 180° einen voll­ ständigen Kreis ergibt. Die Ausnehmung 17 steht mit dem Absatz 16 in Verbindung. Die richtige Tiefe der flachen Ausnehmung 17 beträgt weniger als 2 mm. Durch diese Aus­ führung hat das auf das umlaufende Spiralglied 2 wirkende Strömungsmittel eine punktsymmetrische Druckverteilung, was eine Verringerung des durch eine vorgespannte Druck­ verteilung auf das umlaufende Spiralglied 2 ausgeübten Moments ermöglicht. Das in und durch die flache Ausnehmung 17 strömende Strömungsmittel sickert unter den durch die von der Wand stammende Wärme ausgeübten Einflüssen in den Absatz 16. Da das Volumen dieses Leckströmungsmittels gegenüber dem Strömungsdurchsatz des durch Ansaugung ange­ sogenen und entleerten Strömungsmittels sehr klein ist, ist ein Temperaturanstieg des Gases im Absatz 16, verur­ sacht durch das in und durch die Ausnehmung 17 strömende und in den Absatz 16 sickernde Gas, vernachlässigbar klein. Somit hat die Rotationskolbenmaschine in vorteilhafter Weise wenig Schwingungen und Wärmeverluste.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die flache Ausnehmung 17′ kreisförmig ist. Die Kurven KF und IJ sind konzentrische Kreise. Die äußere Evolventenkurve des stationären Spiralglieds 101 endet an einem Punkt 101 d, während eine Kurve 101 d IJ bei Bedarf eine Kurve von beliebiger Form sein kann. Somit unter­ scheidet sich diese Ausführungsform von der ersten Aus­ führungsform dadurch, daß die Kurve IJ kreisförmig ist. Dies hat den Vorteil, daß die Bearbeitung des Spiralglieds 1 zur Herstellung der Ausnehmung 17′ erleichtert wird.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Maschine, bei der in der Mitte einer streifenför­ migen Ausnehmung eine Trennwand 18 vorgesehen ist, die an der Außenseite der Umfangserstreckung von 180° aus­ gebildet ist, die sich vom abschließenden Ende der Spiral­ wand des stationären Spiralglieds 201 aus erstreckt. Hier­ durch wird die Ausnehmung in zwei Ausnehmungsabschnitte 17′′ und 17′′′ unterteilt. Die Trennwand 18 verbindet die Spiralwand 201 b des stationären Spiralglieds 201 mit dem ringförmigen Teil 201 c. In diesem Fall kann die Tiefe der Ausnehmungsabschnitte 17′′ und 17′′′ über 2 mm betra­ gen. Die Ausnehmungsabschnitte 17′′ und 17′′′ können auch eine der Höhe der Spiralwand 201 b entsprechende Tiefe haben, wobei die Ausnehmungsabschnitte 17′′ und 17′′′ unterschiedliche Tiefen haben können. Bei dieser Aus­ führungsform, in der die Ausnehmungsabschnitte 17′′ und 17′′′ viele Abänderungen haben können, hat das Strömungs­ mittel, das auf die Oberfläche der Endplatte des umlaufen­ den Spiralglieds wirkt, an dem sich die Spiralwand befin­ det, eine im wesentlichen punktsymmetrische Druckvertei­ lung. In dieser Hinsicht befindet sich der Punkt, auf dem die Punktsymmetrie beruht, auf einer die Mitte des stationären Spiralglieds 201 mit der Mitte des umlaufen­ den Spiralglieds 2 verbindenden Geraden und an einer Stelle dieser Geraden, die von den beiden Mitten gleich beabstandet ist.

So wirkt eine axiale Kraft im wesentlichen gleichmäßig auf das umlaufende Spiralglied, so daß dieses sich stabil in einer Umlaufbewegung bewegen kann. Als Ergebnis werden Schwingungen beseitigt. Die Trennwand 18 verhindert eine Strömung des Strömungsmittels in und durch die Ausnehmung zu den abgedichteten Räumen V ₁ und V ₂, so daß der Strömungs­ weg des Gases über die Öffnung 4 zu den abgedichteten Räumen V ₁ und V ₂ über den Absatz 16 erfolgt. Dies vermin­ dert die Strömungsfläche des Gases. Folglich kann die von den Wandflächen des Absatzes 16 und der Ausnehmungs­ abschnitte 17′′, 17′′′ übertragene Wärme auf ein Minimum gebracht werden, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.

Claims (3)

1. Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit zwei Spiralgliedern, die miteinander in Eingriff stehen,
wobei jedes der Spiralglieder eine Endplatte und eine davon abstehende Spiralwand aufweist,
wobei sich eines der beiden Spiralglieder gegenüber dem anderen in einer Umlaufbahn bewegt, während seine Drehung um seine eigene Achse verhindert wird,
wobei das andere Spiralglied feststeht und einen ring­ förmigen Teil aufweist, dessen Höhe der Höhe der Spiral­ wand entspricht und der die Spiralwand umgibt und mit dieser einstückig verbunden ist, und
wobei zwischen dem ringförmigen Teil des feststehenden Spiralglieds und der Endplatte des umlaufenden Spiral­ glieds eine streifenförmige Ausnehmung vorgesehen ist, die sich in Umfangsrichtung über etwa 180° erstreckt und mit einer Zone niedrigen Drucks in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige Ausnehmung (17, 17′, 17′′, 17′′′) eine radial innere Grenzlinie im Anschluß an die äußere Wandoberfläche der Spiralwand (1 b, 101 b, 201 b) des feststehenden Spiralglieds (1, 101, 201) hat.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im mittleren Bereich der Umfangserstreckung der Ausnehmung (17) angeordnete Trennwand (18), die die Ausnehmung (17) in zwei Ausnehmungsabschnitte (17′′, 17′′′) unterteilt, wobei die Höhe der Trennwand (18) an ihrer Oberfläche gleich der Höhe des ringförmigen Teils (201 c) und der Höhe der Spiralwand (201 b) des feststehenden Spiralglieds (201) ist (Fig. 4).

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (17, 17′, 17′′, 17′′′) eine kon­ stante Tiefe von unter 2 mm haben.