DE3144572A1 - Drehkolbenverdichter mit verzahntem innen- und aussenlaeufer - Google Patents

Description

• B e ach r ai b u ng der Erfindung:
• 1,Drehkolbenverdichter mit verzahntem Innen- und AussenläuferX' Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenverdichter für gasförmige Medien, wie beispielsweise für Kältemittel, mit einem innenverzahnten Aussenläufer und einem darin exzentrisch angeordneten aussenverzahnten Innenläuf er, wobei zwischen den im Eingriff miteinander stehenden Verzahnungen einzelne Kammern gebildet werden, welche bei gleichsinniger Drehung der beiden Läufer sich erweitern bezw. sich verkleinern und somit für das Ansaugen bezw. für das Verdichten des zu fördernden Mediums genutzt werden können.
• Es sind zahlreiche Konstruktionsvarianten für derartige Drehkolbenverdichter bekannt geworden, welche sich nicht nur durch die Art des Antriebs und der Lagerung der beweglichen Teile sowie der Zu- und Ableitung des Fördermediums, sondern auch durch unterschiedliche .Wahl der Zahnform voneinander unterscheiden.
• Eine beachtliche Schwierigkeit bei all diesen bekannten Konstruktionen liegt in einer wirksamen Abdichtung der die Kammern bildenden sich gegeneinander bewegenden Bauteile, denn mit Rücksicht auf geringe Reibung und Verschleiss sollte zwischen den Bauteilen zwar ein ausreichendes Laufspiel vorhanden sein, ohne jedoch die Gasrückströmverluste untragbar ansteigen zu lassen.- Besondere Schwierigkeiten bietet hier insbesondere die ausreichende Abdichtung der beiden Zahnformen von Innen- und Aussenläufer gegeneinander, denn eine den technischen Anforderungen genügende entsprechend hohe Fertigungsgenauigkeit ist hier besonders kostspielig.
• Oft werden daher gerade hier zusätzliche Dichtleisten vorgeschlagen, was jedoch ebenfalls erhöhte Reibung und Verschleiss zur Folge hat.
• Die in der Offenlegungsschrift 2 239 992 vorgeschlagene Rollenabdichtung vermeidet zwar Gleitreibung und Verschleiss an der Berührungsstelle zwischen Aussen- und Innenläufer durch eine rollende Berührung, verlagert aber beide Nachteile nur von dort hin zum gleitgelagerten Rollengrund.
• Ein negatives Laufspiel, d.h. Pressung, ist damit nicht möglich.
• Eine fortlaufende Schmieröleinspritzung in gleitgelagerte Dichtspalte verbessert zwar die Gasabdichtung ganz wesentlich, macht jedoch die spätere Separation dieses 01s vom verdichteten Medium notwendig.
• Gemäss der Erfindung wird nun vorgeschlagen, für die gegenseitige Verzahnung der beiden Läufer die seit alters her bekannte Triebstockverzahnung zu verwenden, wobei man bekanntlich die einzelnen zylindrischen Triebstocke als w ä 1 z g e 1 a g e r t e Ro 11 e n ausbilden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Laufspiel zwischen den Triebstöcken einerseits und der nach den Verzahnungsregeln auszubildenden Gegenzahnung andererseits zu Null zu machen oder gar ein negatives Spiel, d.h. eine Anpressung vorzusehen, ohne erhöhte Reibung oder Verschleiss inkauf nehmen zu müssen, da die Anpreaslast ausschliesslich durch Rollreibung aufgefaroen wird.
• Die Gasrückströmverluste können so an dieser entscheidenden Abdichtungsstelle auf ein Minimum reduziert werden.
• Abb. r 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Drehkolbenverdichters gemäß der Erfindung, wobei Abb. 1 einen Achsschnitt nach C-D in Abb. 2 und Abb. 2 einen Querschnitt nach A-B in Abb. 1 darstellen.
• Der Innenläuf er 1 ist auf der Antriebswelle 2 mittels Passfeder und Klemmschraube dreh- und achsfest fixiert. Er trägt die drei Achsen 3, welche in den beiden Seitenscheiben 4 exakt geführt und mit ihren Mitten auf dem Wälzkreis 5 des Innenläufers angeordnet sind. Die Seitenscheiben 4 sind mit dem Innenläufer 1 zu einer konstruktiven Einheit verschraubt und verstiftet. Jede der drei Achsen 3 tragt einen Zylinder 6 als Triebstock, welcher auf Kugellagern 7 gelagert und, mit Endscheiben 8 versehen, zwischen die Seitenscheiben 4 eingepasst ist. Zwischen den Triebstocken 6 verlaufen die drei Ubergangsbögen 9 als Wälzkurven.
• Der Aussenläufer 10 ist mit seiner zylindrischen Aussenkontur im Gehäuseteil 11 gleitgelagert. Er besitzt vier Zahnlücken 12 mit halbkreisförmigem Querschnitt, deren Mitten auf dem Wälzkreis 13 des Aussenläufers angeordnet sind und das exakte Gegenstück zu den zylindrischen Triebstökken 6 darstellen. Zwischen diesen Zahnlücken verlaufen die Ubergangsbögen 14 als Wälzkurven.
• Die Triebstöcke 6 des Innenläufers greifen in die Zahnlücken 12 des Aussenläufers 10 ein und nehmen bei Drehung der Antriebswelle 2 diesen ohne jede weitere zusätzliche Koppelverzahnung in Drehrichtung mit, wobei diese Mitnahme stossfrei und exakt gleichförmig im Verhältnis der Zähnezahlen, d.h. im Darstellungsbeispiel, wie 3: 4 erfolgt.
• Innenläuftr 1 und Aussenläufer 10 unterteilen den eingeschlossenen Freiraum in die vier Kammern 15, 16, 17 und 18. Bei Drehung im Uhrzeigersinn vergrössern sich die beiden Kammern 15 und 16 und s-augen über die Saugleitung 19 und die vertiefte Aussparungskontur 20 das Fördermedium an, wohingegen die beiden Kammern 17 und 18 sich verkleinern. Nach einer Wellendrehung von 600 erreicht die Kammer 16 ihr grosstes Volumen und die der Aussparung 20 in Drehrichtung nachfolgende Planfläche in der Planwand 21 des Gehäuses schliesst die weiterbewegte Kammer ab. Bei Weiterdrehung verkleinert sich diese betrachtete Kammer 16 wieder und das darin eingeschlossene Medium wird so lange verdichtet, bis sie sich zur Aussparungskontur 22 hin öffnet. Die weitere Drehung verkleinert dann diese Kammer noch weiter bis hin zu ihrem Kleinstvolumen Null, so dass das darin verdichtete Medium über die Abstrombohrung 23 vollständig zur Druckleitung hin ausgeschoben wird.- Wegen der praktisch vollkommenen Ausfüllung der Zahnlücke durch den Triebstock wird dieses Null-Volumen auch tatsächlich erreicht und die sonst bei Verdichtern so gefürchtete Rückexpansion eines eingeschlossenen Restgasvolumens existiert bei der erfindungegemäss vorgeschlagenen Triebstockverzahnung überhaupt nicht. Dieses verbessert von vorn herein Fördermenge und Wirkungsgrad dieses Verdichters.
• Die Grösse der Aussparungskontur 22 sowie ihre Lage zum Wälzpunkt 24 sind massgebend für das erreichbare Verdichtungsverhältnis. Bei vielen Einsatzgebieten für einen Verdichter besteht nun bekanntlich der dringende Wunsch nach einer Steuerbarkeit dieses Verdichtungsverhältnisses.
• Gemäss einem weiteren Erfindungsgedanken wird diese Steuerbarkeit hier durch eine Verlagerung des Drehzentrums der Antriebswelle gelöst, wodurch sich die Lage des Wälzpunktes 24 gegenüber der ortsfesten Aussp,arungskontur 22 verschiebt. Zu diesem Zwecke ist die Antriebswelle 2 beidseitig in den Exzenterscheiben 25 und 26 gelagert, welche über den Schwenkbügel 27 miteinander verbunden sind. Das Schwenkzentrum liegt hierbei im Drehmittelpunkt des Aussenläufers 10.
• Beim Ausschwenken des Schwenkbügels 27 um cirka -15°(wie eingezeichnet) verschiebt sich zwar das Drehzentrum und damit die Lage der Antriebswelle 2 nach beiden Seiten um cirka + 26 O/o des Mittenabstandes der beiden Läufer. Eine derartige Verschiebung kann jedoch bequem z.B. durch einen Antrieb über Kardanwelle oder aber durch einen entsprechend verlagerbaren Kupplungsantrieb überbrückt werden. - Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist damit ein Volumenverdichtungsverhältnis von V1 V1 V1 ## = 2,4 über ## = 3,3 (entspricht Mittellage) bis zu ## = 5,4 V2 min V2 V2 max stufenlos erreichbar. Dieses würde bei rein adiabatischer Luftverdichtung den Grenzdruckverhältnissen )minm 3s4 bis zu tXmax =106 entsprechen.
• Bei andersartig gewählter Gestaltung der Aussparungskontur 22 können natürlich jederzeit auch völlig andere Grenzwerte angestrebt werden.
• Die stufenlose Steuerung des Verdichtungsverhältnisses sollte zweckmassigerweise vom Differenzdruck in der sich gerade öffnenden Kammer 18 einerseits und dem Arbeitsdruck in der Abströmbohrung 23 andererseits abhängig erfolgen derart, dass das Kammeröffnen stets bei Druckdifferenz Null erfolgt. Dieses garantiert stossfreies, d.h. verlustfreies Ausschieben des verdichteten Mediums sowie vor allem auch geräuscharmen Lauf.
• Ein weiterer Erfindungsgedanke bezieht sich auf die Werkstoffwahl und den konstruktiven Aufbau des Aussenläufers 10. Hierzu wird vorgeschlagen, den Aussenläufer aus einem metallenen Stützring 10 a in Kombination mit einem Kunststoffring 10 b aufzubauen, wobei der letztere die eigentlich dichtende Funktion gegenüber dem Innenläuf er übernimmt. Der Stützring sollte aus einem guten Gleitlagerwerkstoff, z.B. aus Bronze oder perlitischem Grauguss bestehen, wohingegen für den Kunststoffring ein temperaturbeständiger Werkstoff mit etwas gummielastischen Eigenschaften und zugleich auch guten Gleiteigenschaften gegenüber Metallen auszuwählen wäre. Der Kunststoff wird in'den Stützring eingepresst oder eingesintert, wobei die gesamte Innenkontur durch Formpressen entsteht. Eine teure spanabhebende B<arbeitung der Innenkontur wird damit eingespart und die zwangläufig notwendigen grösseren Fertigungstoleranzen werden durch ein entsprechend zu wählendes Untermass, d.h. durch Pressung gegen die abrollenden Triebstöcke 6 im Verein mit den gummielstischen Eigenschaften der Lauf fläche stets abdichtend überbrückt, ohne dabei erhöhte Reibungsverluste zu verursachen.
• An den noch in Betracht zu ziehenden Berührungsstellen zwischen den Ubergangsbögen 9 des Innenläufers 1 und den Ubergangsbögen 14 des Aussenläufers 10 lässt sich die Gleitreibung ebenfalls weitgehend vermeiden und durch rollende Reibung ersetzen, wenn man den Durchmesser der Triebstöcke 6 optimal wählt. Wie in Abb. 1 zu erkennen ist, gelingt es damit, beide Ubergangsbögen 9 und 14 insoweit auf die beiden Wälzkreise 5 und 13 zu verlegen, dass jeder Ubergangsbogen seinen Wälzkreis zweimal überschneidet. Da nun zwischen den Wälskreisen stets nur ein reines Abrollen erfolgt, so ist offensichtlich, dass man auch für die Berührungsstelle zwischen den Ubergangsbögen 9 und 14 eine gegenseitige Pressung vorsehen und damit auch hier eine gute Gasabdichtung erreichen kann. Diese optimale Durchmesserwahl für die Triebstöcke ist ein weiteres wichtiges Merkmal des Erfindungsgegenstandes.
• Ein weiterer Erfindungsgedanke bezieht sich auf eine Entlastung der Gleitreibung zwischen dem Aussenläufer 10 bezw. seinem Stützring 10 a einerseits und dem Gehäuseteil 11 andererseits, denn durch die resultierenden Druckkräfte in den sich verkleinernden Kammern 17 und 18 entsteht naturgemäss eine hohe Radialkraft auf diese Gleitfläche, welche durch eine entsprechende Gegenkraft möglichst vollkommen kompensiert werden sollte.
• Zu diesem Zwecke sind in die Gleitbahn des Gehäuseteils 11 drei Kammern 28 , 29 und 30 ausgespart, von denen die Kammer 30 durch eine Uberstrombohrung 31 eine direkte Verbindung zur Aussparung 22 auf der Druckseite des Verdichters besitzt, wohingegen die beiden Kammern 28 und 29 in ganz entsprechender Weise mit der Saugseite verbunden sind. Durch geeignete Wahl von Ausdehnung und Lage dieser Kammern kann eine Gegenkraft nach Grösse und Richtung so aufgebaut werden, dass der Aussenläufer in seiner Gleitlagerung weitgehend schwimmt und die Gleitlagerung nur noch zu dessen Führung notwendig ist.
• Speziell bei Wärmepumpen lässt sich ein schmiermittelfreier Betrieb mit zugleich niedriger Gleitreibung und guter Abdichtung dadurch erreichen, dass man das Kältemittel selbst in seiner Flüssigphase für diese Zwecke heranzieht und dasselbe in geringfügigen Mengen unter hohem Druck mithilfe einer kleinen Flüssigkeitspumpe fortlaufend z.B. in den Planspalt zwischen dem Gehäuse einerseits und den beiden Läufern andererseits einpresst.
• Sämtliche aufgeführten Erfindungsgedanken lassen sich auch auf Verdichter-Ausführungen mit anderen Zähnezahlen übertragen, wobei die Anzahl der Zahnlücken des Aussenläufers jeweils um eins höher liegt, als die gewählte Zahl der Triebstöcke im Innenläuf er.
• Der Drehkolbenverdichter kann bei Anschluss an ein Druckluftnetz auch in umgekehrter Weise als Kraftmaschine verwendet, d.h. zur Gewinnung mechanischer Energie durch Entspannen von Druckgas genutzt werden.
• Leerseite

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Drehkolbenverdichter für gasförmige Medien mit einem innenverzahnten Aussenläufer und einem darin exzentrisch angeordneten aussenverzahnten Innenläuf er mit stirnseitiger Zu- und Abfuhrung des Fördermediums, wobei die Anzahl der Zahnlücken des Aussenläufers um eins grösser ist, als die Anzahl der Zahnköpfe des Innenläufers, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , d a 5 5 die Zahnköpfe des Innenläufers als Triebstöcke in Form von gelagerten Zylinderrollen ausgebildet und mit ihren Rollenmitten auf dem Wälzkreis des Innenläufers angeordnet sind, dass die Zahnlücken des Aussenläufers halbkreisförmigen Querschnitt von genau gleichem Halbmesser wie die Triebstöcke besitzen und mit ihren Mitten auf dem Wälzkreis des Aussenläufers angeordnet sin$,wobei in bekannter Weise die beiden Wälzkreisdurchmesser siach zueinander wie die darauf angeordnete Anzahl der Zahnköpfe zur Zahl der Lücken verhalten, so dass die zwischen den Zahnlücken des Aussenläufers bezw. die zwischen den Triebstöcken des Innenläufers liegenden bogenförmigen Teile der Verzahnung (Ubergangsbögen 9 und 14) sich durch Abwälzen zwangläufig ergeben.
2. 2. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, d a d u r c h gek e n n ei chnet, dass der Durchmesser der Triebstöcke in einem solchen Verhältnis zum Durchmesser der beiden Wälskreise gewählt ist, dass die durch Abwälzen entstehenden Ubergangsbögen eine optimale Lage zu diesen Wälskreisen erhalten, d.h. dass letztere je zweimal davon überschnitten werden.
3. 3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz e i c h n e t , das die zylinderrollenförmigen Triebstöcke mit negativem Spiel, d.h. mit Pressung an der Gegenzahnung abrollen.
4. 4. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 2 und 3, d a d u r o h geke nn -z e ic h n et , dass durch entsprechende Wahl der Fertigungstoleranzen die gemischte Wä,lz- und Gleitbewegung der Ubergangsbögen gegeneinander unter Pressung erfolgt.
5. 5. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h ge ke nnz e i c h n e t , dass zum Zwecke der stufenlosen Steuerung des Verdichtungsverhältnisses die den Innenläuf er tragende Antriebswelle beidseitig in Exzenterscheiben gelagert ist, welche über einen Schwenkbügel so miteinander verbunden sind, dass sie stets nur gemeinsam ausgeschwenkt werden können, wobei das Schwenksentrum mit dem Drehzentrum des Aussenläufers zusammenfällt.
6. 6. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gek e nn z ei c h nest, dass das Ausschwenken des Schwenkbügels abhängig vom Differenzdruck in der sich gerade öffnenden Kammer (18) einerseits und dem Arbeitsdruck in der Abströmbohrung (23) andererseits erfolgt.
7. 7. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h ge k e n nze ic h n et , dass der innenverzahnte Aussenläufer aus einem äusseren metallenen Stütsring, welcher die Gleitfuhrung desselben übernimmt und einem darin eingeformten Kunststoffring mit schwach gummielastischen Eigenschaften aufgebaut ist, welchletzterer zugleich Träger der Innenzahnung ist.
8. 8. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in demjenigen Gehäuseteil (11), welches die radiale Gleitführung des Aussenläufers übernimmt, die Gleitbahn drei ausgesparte Kammern (28, 29 und 30) besitzt, wobei die eine der Kammern (30) durch eine Uberströmbohrung (31) mit der Druckseite des Verdichters in direkter Verbindung steht, wohingegen die beiden anderen Kammern (28, 29) in ganz entsprechender Weise mit der Saugseite verbunden sind und dass diese Kammern nach Lage und Ausdehnung so eingeformt werden, dass die von der druckbeaufschlagten Kammer ausgehende resultierende Kraft mit der resultierenden Gegenkraft, welche von den sich verkleinernden Förderkammern (17) und (18) auf den Aussenlaufer wirksam ist, im Gleichgewicht steht.
9. 9. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 8 in spezieller Anwendung als Wärmepumpe, d a d u r c h gek en nz ei ch ne t , dass zwecks weiterer Verbesserung de Ybaichtung und Schmierung ein geringfügiger Teil des Kältemittels mithilfe einer kleinen Flüssigkeitspumpe aus der Flüssigphase des Mediums entnommen und unter hohem Druck fortlaufend in die diversen Planspalte zwischen den Gehäuseplanflächen sowie den Exsenterplanflächen einerseits und Aussen- und Innenläufer andererseits eingepresst wird.
10. 10. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 bis 9 mit Anwendung desselben als Kraftmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie durch Entspannen von Druckgas.