DE3238668A1

DE3238668A1 - Zwangsverdraengungs-rotationsfluidgeraet des evolventen-schneckentyps

Info

Publication number: DE3238668A1
Application number: DE19823238668
Authority: DE
Inventors: John Engstrom 01741 Carlisle Mass. McCullough
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1981-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1983-05-05
Anticipated expiration: 2002-10-20
Also published as: DE3238668C2; AU548749B2; IT8268210A0; IT1155989B; FR2514835A1; GB2109465B; US4424010A; SE8205885D0; SE8205885L; JPH0325601B2; FR2514835B1; GB2109465A; CA1195550A; JPS5879601A; CH649349A5; AU8868382A; SE457275B

Description

Zwangsverdrängungs-Fluidmotore und -Pumpen des Schneckentyps sind nach dem Stand der Technik ausführlich beschrieben, beispielsweise in den US-Patenten 3 011 694; 3 600 114; 3 802 809; 3 874 827; 3 884 599; 3 924 977; 3 986 799;

3 989 422; 3 994 633; 3 994 635; 3 994 636; 4.065 279;

4 129 405; 4 160 629; 4 192 152 und 4 259 043. Allgemein ist ein derartiges Gerat wohl bekannt und Vorrichtungen dieser Art weisen spiralartige oder evolventenförmige ineinanderpassende Flächen auf, die "Windungen" genannt werden, und die gleiche Steigung aufweisen und derart angeordnet sind, daß eine sich orbital umlaufend bewegende Windung um eine Umlaufachse herum relativ zu einer feststehenden Windung ausgelenkt wird, wodurch zwischen einem innerhalb der Räume variablen Volumens zwischen den relativ beweglichen Windungen eingeschlossenem Fluid und der umlaufenden Schnecke ein Energietransfer stattfinden kann. In Abhängigkeit davon, ob die Vorrichtung eine Pumpe oder ein Motor ist, erfolgt der Energietransfer von der umlaufenden Schnecke zu dem Fluid oder von dem Fluid zur umlaufenden Schnecke.

In derartigen Vorrichtungen ist es bekannt, daß Reibung und Abnutzung auf ein Minimum gebracht werden müssen; nach dem Stand der Technik wurden verschiedene Anordnungen vorgesehen, um die umlaufende Schnecke relativ zur feststehenden Schnecke zu führen, so daß die Radialbelastungen in den Lagern absorbiert werden, wodurch die Kontaktlasten zwischen den Windungen tatsächlich beseitigt oder wenigstens auf ein Minimum gebracht werden. Typische Nachteile von Lagern des Standes der Technik beruhen jedoch auf dem Erfordernis der Schmierung, einer ziemlich beträchtlichen Festigkeit, einer präzisen Ausrichtung und der strukturellen Integrität. Auch treten Abdichtungsprobleme zwischen den bewegten und den stationären Elementen von Zwangsverdrängungs-Rotationsfluidvorrichtungen des Schneckentyps gemäß dem

Stand, der Technik auf und es fehlen geeignete Lageranordnungen r damit derartige Vorrichtungen im total hermetisch abgedichteten Zustand betrieben werden können.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile überwunden werden und es wird die Verwendung einer Rollentyp-Oldhamkupplung zwischen den umlaufenden und feststehenden Schneckenelementen in Betracht gezogen. Dementsprechend wird durch die Erfindung ein Zwangsverdrängungs-Fluidgerät geschaffen, das eine feststehende Schnecke mit wenigstens einer Evolventenwindung aufweist, sowie eine umlaufende Schnecke mit wenigstens einer Evolventen- bzw. Involutenwindung, die in passendem Eingriff mit der feststehenden Involutenwindung bzw. Evolventenwindung steht. Die umlaufende Windung ist derart angeordnet, daß sie umlaufend relativ zur feststehenden Windung angetrieben wird, so daß ein Energietransfer zwischen einem Fluid, das zwischen den feststehenden und umlaufenden Windungen eingeschlossen ist, und der umlaufenden Schnecke möglich ist. Die umlaufende Schnecke ist für die umlaufende Bewegung relativ zur feststehenden Schnecke durch eine Rollkontakt-Lageranordnung geführt, welche entgegengesetzte Paare von feststehenden hohlen zylindrischen Lagerflächen aufweist, die gleiche Innendurchmesser haben und die konzentrisch auf axial entgegengesetzten Seiten der umlaufenden Schnecke angeordnet sind.

Die Achse der Paare von feststehenden Lagerflächen erstreckt sich parallel zur ümlaufachse der umlaufenden Schnecke und ist jeweils auf einem Umfang eines Kreises angeordnet, der konzentrisch zur Achse der Umlaufbewegung der umlaufenden Schnecke ist.

Umlaufende hohle zylindrische Lagerflächen weisen einen Durchmesser auf, der gleich den Durchmessern der feststehenden Lagerflächen ist und erstrecken sich durch die umlaufende

Schnecke und sind mit dieser verbunden. Die Achsen der umlaufenden Lagerflächen erstrecken sich parallel zu den Achsen der feststehenden Paare von entgegengesetzten Lägerflächen und liegen auf einem Umfang eines Kreises, dessen Durchmesser gleich dem ersten vorstehend erwähnten Umfang ist. Jede Achse einer umlaufenden zylindrischen Lagerfläche ist in der Nähe von und in der gleichen Richtung zur Achse eines jeweiligen Paares von feststehenden Lagerflächen versetzt,und zwar um eine gleiche Versetzungsstrecke, die kleiner ist als die Durchmesser der zylindrischen Lagerflächen; ein zylindrisches Rollenlagerelement ist innerhalb jedem der Paare von feststehenden Lagerflächen angeordnet und erstrecken sich dazwischen und durch eine jeweilige umlaufende Lagerfläche. Das Rollenlagerelement weist einen Durchmesser auf, der demjenigen entspricht, der zur Aufrechterhaltung der Versetzungsstrecke bzw. des Versetzungsabstandes erforderlich ist, während die umlaufenden Lagerflächen um ihre Umlaufachse relativ zu den feststehenden Lagerflächen bewegt werden, wodurch die umlaufende Schnecke präzise relativ zu den feststehenden Schneckenwindungen für eine umlaufende Bewegung bezüglich dieser geführt ist.

Die Lageranordnung ist strukturell starr, geometrisch präzise, bietet große Lagerflächen zur Reaktion auf die Zentrifugallagerbelastungen, und ist strukturell einfach. Eine derartige Lageranordnung kann ohne weiteres hermetisch innerhalb eines Gehäuses abgedichtet werden, das mit geeigneten Einlaß- und Auslaßöffnungen für ein Fluid versehen ist; ferner ermöglicht es eine Vielfalt von Antriebsanordnungen für die umlaufende Schnecke.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer

magnetisch angetriebenen Zwangsverdrängungspumpe des Schneckentyps, wobei eine erfindungsgemäße Lageranordnung verwendet wird; und

Fi.g 2 eine Ansicht entlang der Linie II-II der

Fig. 1.

Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, weist ein umlaufendes Schnekkenelement 10 spiegelbildliche Spiralwindungen 16 und 18 an axial entgegengesetzten Seiten auf. Die umlaufende Schnecke 10 paßt in ineinanderpassender Beziehung, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, mit feststehenden Schneckenwindungen 12 und 14 zusammen. Derartige ineinanderpassende Windungen sind beispielsweise aus US-^PS 4 192 152 bekannt.

Die umlaufende Schnecke 10 ist in einem Umlaufpfad relativ zu feststehenden Gehäuseelementen 20, 22 durch eine Lageranordnung geführt, die aus einer Rollen-Oldhamkupplung bzw. -Kreuzgelenkkupplung besteht, welche entgegengesetzte Paare von hohlen zylindrischen Lagerflächen 24, 26 in den feststehenden Gehäuseelementen 20, 22 umfaßt, wobei die entgegengesetzten Paare von Lageroberflächen 24, 26 alle gleiche Innendurchmesser aufweisen und konzentrisch an axial entgegengesetzten Seiten der umlaufenden Schnecke 10 angeordnet sind. Der Begriff "axial" soll allgemein parallel zu der Umlaufachse der umlaufenden Schnecke bedeuten. Es ist zu sehen, daß die Achsen der entgegengesetzten Paare von feststehenden Lageroberflächen 24, 26 sich parallel zur Umlaufachse der umlaufenden Schnecke 10 erstrecken und auf einem Umfang eines Kreises angeordnet sind, der konzen-

trisch zu den Achsen der feststehenden Schnecken ist. Eine Vielzahl von solchen entgegengesetzten Paaren von hohlen zylindrischen Lageroberflächen 24, 26 sind in umfangsmäßig beabstandeter Beziehung um den konzentrischen Kreis herum angeordnet und liegen überdies in der Nähe einer Umfangsfläche der umlaufenden Schnecke 10 bei der bevorzugten Ausführungsform.

Die umlaufende Schnecke 10 ist überdies mit hohlen zylindrischen Lageroberflächen 30 versehen, die sich durch sie hindurch erstrecken, wobei diese umlaufenden Lageroberflächen 30 Durchmesser aufweisen, die gleich den Durchmessern der feststehenden Lageroberflächen 24, 26 sind. Die Achsen der Umlauf-Lageroberflachen 30 erstrecken sich parallel zu den Achsen der feststehenden Paare von Lagerflächen 24, 26 und liegen gleichermaßen auf einem Umfang eines Kreises, dessen Durchmesser gleich dem vorstehend erwähnten Umfang ist. Die umlaufenden Lageroberflächen 30 liegen jeweils angrenzend an ein entgegengesetztes Paar von feststehenden Lageroberflächen 24, 26 und sind bezüglich der feststehenden Paare um eine Strecke versetzt, die kleiner ist als der Radius der zylindrischen Lageroberflächen, wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist (tatsächlich ist die Versetzung gleich dem Umlaufradius der umlaufenden Schnecke 10) .

Ein zylindrisches Rollenlagerelement 32 erstreckt sich zwischen jeweils einem gegenüberstehenden Paar von festen Lageroberflächen 24, 26 und ist innerhalb angeordnet, und erstreckt sich ferner durch eine jeweilige angrenzende umlaufende Lageroberfläche 30. Jedes Rollenlagerelement 32 weist einen Durchmesser auf, der demjenigen entspricht, der zur Aufrechterhaltung der Versetzungsstrecke erforderlich ist, während die umlaufenden Lageroberflächen um ihre Umlaufachse relativ zu den feststehenden Lageroberflächen

bewegt werden, wodurch die umlaufende Schnecke 1Ö präzise für die umlaufende Bewegung relativ zu den Gehäuseelementen 20, 22 und den feststehenden Windungen 12, 14 angeordnet und geführt ist. Tatsächlich ist der Durchmesser:jedes der Rollenlagerelemente 32 gleich der Abmesssung des"Durchmessers der feststehenden Lageroberflächen 24, 2$ abzüglich der Abmessung des Umlaufradius der umlaufenden Schnecke 10.

Die umlaufende Schnecke 10 ist bei dieser Ausführungsform durch eine magnetische Kupplung aigetrieben, welche eine Antriebswelle 34 aufweist, an die Energie durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 36 geliefert wird, sowie feinen Rahmen 38, der einen Magneten 40 und ein Gegengewicht 42 trägt. Der Magnet wirkt mit einem Ring aus ferromagnetische^ Material 44 zusammen, das an der umlaufenden Schnecke 10 Befestigt oder einstückig mit dieser ausgeführt ist. Die Rotation des Rahmens 38 bewirkt einen Umlauf der umlaufenden Schnecke 10, und zwar aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen dem Magnet 40 und dem Ring 44. Natürlich könnte die Beziehung zwischen den antreibenden und den angetriebenen Elementen auch umgekehrt werden, wenn die umlaufende Schnecke durch ein unter Druck stehendes Fluid angetrieben wird. -

Bei dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung eine Pumpe und umfaßt einen Fluideinlaß 46 und einen Fluidauslaß 48. Es sind geeignete Überführungsöffnungen durch die umlaufende Schnecke 10 vorgesehen, damit eine Verbindung zwischen den spiegelbildlichen Windungen 16, 18 ermöglicht ist.

Die Gehäuseelemente 20, 22 können, wie gezeigt, hermetisch abgedichtet sein, indem die Gehäusewände beispielsweise bei 50 miteinander verbunden werden. Es ist erkennbar*, daß die Rollen 32 mit geeigneten Endlagerflächen 52 geeigneter Gestaltung versehen sein können, die mit Endflächen 54 von zylindrischen Paaren von Lageroberflächen 24, 26 zusammenwirken, um eine voll gehalterte Lageranordnung zu bilden.

In der Zeichnung sind Verbindungsbolzen nicht dargestellt, die dazu verwendet werden können, die Gehäusewände 20 und in beabstandeter paralleler Beziehung zueinander zu halten. Derartige Bolzen würden sich durch größere öffnungen hindurcherstrecken, die in dem Umfangsbereich der umlaufenden Schnekke 10 vorgesehen sind, und geeignete sich axial erstreckende Abstandselemente, durch welche sich die Bolzen erstrecken, könnten innerhalb der sich durch die umlaufende Schnecke erstreckenden Öffnung angeordnet sein. Die Verwendung derartiger Verbindungsbolzen hängt jedoch von speziellen Anwendungen der Schneckenvorrichtung ab.

Es ist ersichtlich, daß die Lagerkopplung gemäß der Erfindung eine große Lagerfläche zur Reaktion gegen zentrifugale Radiallasten zwischen der umlaufenden Schnecke und dem feststehenden Gehäuse bietet und einen einfachen Aufbau aufweist, der eine totale hermetische Abdichtung der Lagerstruktur gestattet. Das Lager arbeitet mit einer reinen Rollbewegung und kann mit verschiedenen Schmiermitteln betrieben werden.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys Dr. W. MüIIer-Bore f Dr. Paul Deiifel Dipl.-Chem., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dr. Alfred Schön JJipl.-Chcm. Dr. Müller-Bori und Partner · POD 860 720 · D-8000 München BB Werner Hertel Dipl.-Phys. Dietrich Lewald Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Dieter Otto Dipl.-Ing. Hl/U - L 1236 19- OKT. 1982 Zwangsverdrängungs-Rotationsfluidgerät des Evolventen-Schneckentyps Patentansprü c-h e

1. Zwangsverdrängungs-Fluidgerät des Schneckentyps, mit einer feststehenden Schnecke, die wenigstens eine Involutenwindung aufweist, und mit einer umlaufenden Schnecke, die wenigstens eine Involutenwindung in passendem Eingriff mit der feststehenden Involutenwindung aufweist und derart angeordnet ist, daß sie um einen Umlaufradius relativ zu der feststehenden Windung umlaufend angetrieben ist, um die Energieübertragung zwischen einen Fluid, das zwischen den feststehenden und umlaufenden Windungen eingeschlossen ist, und der umlaufenden Schnecke zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Schnecke für eine Uniaufbewegung relativ zur feststehenden Schnecke durch eine Rollkontakt-Lageranordnung geführt ist, welche entgegengesetzte Paare

D-8000 München. 86, Siebertstraße 4 · POB 860 720 ■ Kabel: JMuebobat · Telefon (089) 4740 05

-r„,„ τ-, -^ ORIGINAL

von feststehenden hohlen zylindrischen Lagerflächen gleichen Innendurchmessers aufweist, die konzentrisch an axial entgegengesetzten Seiten der umlaufenden Schnecke angeordnet sind, daß die Achsen der Paare der feststehenden Lagerflächen sich parallel zur Umlaufachse der umlaufenden Schnecke erstrecken und auf einem Umfang eines Kreises angeordnet sind, der konzentrisch zur Achse der Umlaufbewegung der umlaufenden Schnecke ist, daß die umlaufenden hohlen zylindrischen Lagerflächen Durchmesser aufweisen, die gleich den Durchmessern der feststehenden Lagerflächen sind, und sich axial durch die umlaufende Schnecke erstrecken und mit dieser verbunden sind, daß die Achsen der umlaufenden Lagerflächen sich parallel zu den Achsen der feststehenden Paare von Lagerflächen erstrecken und auf einem Umfang eines Kreises liegen, dessen Durchmesser gleich dem des ersten Umfangs ist, daß jede Achse einer umlaufenden Lagerfläche angrenzend an und in der gleichen Richtung versetzt von der Achse jeweiliger Paare von feststehenden Lagerflächen angeordnet ist, und zwar um eine gleiche Versetzungsstrecke, die gleich dem Umlaufradius ist, und daß ein zylindrisches Rollenlagerelement zwischen jedem der Paare von feststehenden Lagerflächen angeordnet ist und sich zwischen diesen und durch eine jeweilige umlaufende Lagerfläche erstreckt, wobei das Rollenlagerelement einen Durchmesser aufweist, der dem Unterschied zwischen dem Durchmesser der feststehenden Lagerflächen und dem Umlaufradius entspricht.

2. Fluidgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Evolventen-Windungen und die Lageranordnung in einem gemeinsamen Gehäuse eingeschlossen sind.

3. Fluidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Antriebseinrichtungen für

die umlaufende Schnecke vorgesehen sind, die physisch nicht mit der umlaufenden Schnecke verbunden sind.

4. Fluidgerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die gegenüberstehenden Paare von feststehenden Lagerflächen Endflächen umfassen, und daß die Rollenlagerelemente Stirndrucklager umfassen, die mit den Lagerflächen zusammenwirken, ijm die Axialbewegung der Rollenlagerelemente einzugrenzen.

5. Fluidgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die umlaufende Schnecke spiegelbildliche Windungen auf dem zentralen Teil von ihren axial entgegengesetzten Seiten aufweist, daß die feststehende Schnecke zwei Evolventenwindungen umfa:ßt, die mit den spiegelbildlichen Windungen zusammenpassen, und daß die Rollenlagerelemente der Lageranordnung angrenzend an-die ümfangsbereiche der umlaufenden Schnecke außerhalb des zentralen Abschnittts angeordnet sind..

6. Fluidgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Rollkontaktlager die_ einzige Einrichtung zum Tragen und zur Reaktion gegen Zentrifugal-Radialbelastungen der umlaufenden Schnecke ist.

7. Fluidgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die umlaufende Schnecke ein magnetisches Element umfaßt, daß eine Antriebseinrichtung für die umlaufende Schnecke vorgesehen ist, daß die Antriebseinrichtung ein Magnetelement aufweist, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, welches konzentrisch zur feststehenden Schnecke ist,, und daß das Magnetelement auf einem kreisförmigen Pfad bewegbar ist, der nahe benachbart zum Bewegungspfad des Magnetelementes der umlaufenden Schnecke angeordnet ist.