DE3312280A1

DE3312280A1 - Spiral-stroemungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3312280A1
Application number: DE3312280A
Authority: DE
Inventors: Masao Shimizu Shiibayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-04-05
Publication date: 1983-10-20
Also published as: JPS58172404A; KR880000832B1; DE3312280C2; KR840004480A; US4494914A

Description

SPIRAL-STRÖMÜNGSVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Spiral-Strömungsvorrichtung für den Einsatz bei Kühleinrichtungen, Luftkompressoren oder Expansionsmaschinen.

Es ist bereits eine Spiral-Strömungsvorrichtung bekannt (US-PS 3 884 599), die ein UmlaufSpiralelement und ein feststehendes oder ortsfestes Spiralelement aufweist. Das UmlaufSpiralelement hat eine Stirnplatte und eine Spiralwand in Form einer Evolventenkurve oder dergleichen, die in vertikaler Position auf der Stirnplatte steht. Das ortsfeste Spiralelement hat eine Stirnplatte und eine Spiralwand in Form einer Evolventenkurve oder dergleichen, die ebenfalls in senkrechter Position auf der Stirnplatte steht und mit einer Auslaßöffnung in der Nähe der Mitte der Stirnplatte und einer Ansaugöffnung an einem äußeren Abschnitt · der Stirnplatte versehen ist. Das Umlaufspiralelement. und das ortsfeste Spiralelement sind so angeordnet, daß ihre Spiralwände nach innen weisen, ineinandergreifen und in einem Gehäuse angeordnet sind, welches ein Ansaugrohr und ein Abgaberohr aufweist, die beiden mit dem Gehäuse verbunden sind.

Zwischen dem Umlaufspiralelement und einem Rahmen oder zwischen dem Umlaufspiralelement und dem ortsfesten Spiralelement ist ein Oldham-Kupplungsmechanismus angeordnet, der verhindert, daß das Umlaufspiralelement sich um seine eigene Achse dreht. Das Umlaufspiralelement wird in Eingriff mit einer Kurbelwelle gehalten, welche das Umlaufspiralelement in eine Umlaufbewegung versetzt, ohne daß es sich um seine eigene Achse dreht, wodurch Gas in abgedichteten Räumen, die zwischen den beiden Spirale Lementen gebildet werden, verdichtet wird. Das verdichtete Gas wird

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durch die Auslaßöffnung abgeführt.

Bei der bekannten Spiral-Strömungsvorrichtung wird einer der abgedichteten Räume von einer Innenwandfläche der Spiralwand des ortsfesten Spiralelements, einer Außenwandfläche der Spiralwand des Umlaufspiralelements und den Stirnflächen der Stirnplatten der beiden Spiralemente gebildet. Der andere abgedichtete Raum wird von einer Außenwandfläche der .Spiralwand des ortsfesten Spiralelements, einer Innenwandfläche des UmlaufSpiralelements und den Stirnflächen der Stirnplatten der beiden Spiralelemente gebildet. Die beiden abgedichteten Räume können so symmetrisch ausgebildet, sein. Auf diese Weise werden vor der Ausbildung der beiden abgedichteten Räume zwei Ansaugkammern gebildet, von denen jede einen Ansaugkanal hat, der mit der Ansaugöffnung verbunden ist. Wesentlich ist, daß diese Ansaugkanäle eine vorher festgelegte Durchgangsfläche haben. Wenn die Durchgangsflächen der Ansaug- kanäle verkleinert werden, stellen sich beim Ansaugdruck ein Druckverlust und eine.Druckänderung ein. Wenn die beiden Ansaugkanäle hinsichtlich der Durchgangsfläche stark voneinander verschieden sind, unterscheiden sich der Druckverlust und die Druckänderung des einen Ansaugkanals von dem des anderen Ansaugkanals. Das Ergebnis ist eine Druckdifferenz zwischen den beiden abgedichteten Räumen beim gleichen Kompressionshub, was zu einem Leck zwischen den beiden Kammern führt, wodurch "die für den Betrieb des Kompressors erforderliche Energie größer wird.

Die genannten Spiral-Strömungsvorrichtungen sollen eine insgesamt raumsparende Größe und ein geringes Gewicht haben. Der Kompressorabschnitt einer Spiral- ^! Strömungsvorrichtung besteht aus dem Umlaufspiralelement und dem ortsfesten Spiralelement, die am

Außenumfang kreisförmig sind, so daß es möglich ist, die Größe der Vorrichtung dadurch zu verringern, daß der Durchmesser der Stirnplatten reduziert wird, welche die Form einer Scheibe haben.

Bekannt sind bereits Spiral-Strömungsvorrichtungen (JP-OSn 51986/80 und 51987/80), bei denen die Stirnplatte des Umlaufspiralelements außermittig angeordnet ist, um den Durchmesser des Gehäuses zu verringern. So hat die Stirnplatte des Umlaufspiralelements einen Durchmesser von 2r + R, wobei r der Abstand zwischen der Mitte des Grundkreises der Spiralwand und dem äußersten Ende der Spiralwand ist, während R die Länge eines Kurbelarms bedeutet. Die Mitte der Stirnplatte des UmlaufSpiralelements ist um R/2 von der Mitte des Grundkreises der Spiralwand in eine Richtung verschoben, die zur Richtung des äußersten Endes der Spiralwand von der Mitte des Grundkreises entgegengesetzt ist. Die Mitte des Gehäuses ist um R/2 von den Mitten der Grundkreise der Spiralwände der Spiralelemente in Richtung des äußersten Endes der Spiralwände verschoben, wodurch der Durchmesser des Gehäuses verringert wird. Dieser Stand der Technik gibt jedoch keinerlei Hinweise darauf, wie eine vorher festgelegte, für die Absaugkanäle erforderliche Fläche erhalten werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Spiral-Strönungsvorrichtung zu schaffen, bei der die beiden Ansaugkanäle, welche mit den beiden Ansaugkammern in Verbindung stehen, die von dem UmlaufSpiralelement und dem ortsfesten Spiralelement gebildet werden, im wesentlichen die gleiche Fläche haben, die ausreichend groß ist, daß der Druckverlust und eine Druckänderung auf ein Minimum reduziert werden, die durch Reduzierung der Fläche der Ansaucjkanäle auftreten könnten, um so die

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Leistung der Spiral-Strömungsvorrichtung zu verbessern, bei der gleichzeitig Interne Undichtigkeiten zwischen den symmetrischen abgedichteten Räumen vermieden werden sollen und bei der.der Durchmesser des Kompressionsab-Schnitts reduziert ist, damit eine insgesamt raumsparende Größe und ein geringes Gewicht erreichbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer Spiral-Strömungsvorrichtung mit einem ortsfesten Spiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte angeordnete Spiralwand

und eine Saugkammer aufweist, die von einer gekrümmten Wand am äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand gebildet wird, und mit einem Umlaufspiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte stehende Spiralwand aufweist. Das ortsfeste Spiralelement und das Umlaufspiralelement sind so zusarmengefügt, daß ihre Spiralwände nach innen weisen und ineinandergreifen, so daß sich das Umlaufspiralelement in einer Umlaufbewegung bezüglich des ortsfesten Spiralelements bewegen kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen. Das ortsfeste Spiralelement ist mit einer Auslaßöffnung in einem Mittelabschnitt der Stirnplatte und einer Ansaugöffnung an ihrem äußeren Umfangsabschnitt versehen, so daß Gas durch die Ansaugöffnung angesaugt wird und in den Kompressionskammern komprimiert wird, die von den beiden Spiralelementen gebildet werden und die die Position so verschieben, daß das Volumen reduziert wird, wodurch komprimiertes Gas durch die Auslaßöffnung abgegeben wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dieser Vorrichtung dadurch, daß die Mitten' der scheibenförmigen Stirnplatten des Umlaufspiralelements und des ortsfesten

Spiralelements zu den Mitten der Grundkreise der jeweiligen Spiralwände zu den äußeren Stirnrandabschnitten der Spiralwände um h a/2 verschoben sind, wobei \\ das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser und a der Radius der Grundkreise der Spiralwände sind.

Dadurch,daß die MitLen der Stirnplatten in der beschriebenen Weise außermittig angeordnet sind, ist es möglich, den Abstand zwischen dem äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand und einem davon radial beabstandeten äußeren Rand der Stirnplatte so zu vergrößern, daß die Fläche des Ansaugkanals vergrößert wird, der außerhalb des äußeren Stirnrandabschnitts der Spiralwand gebildet wird. Es kann also der Abstand zwischen dem äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand und einer gekrümmten Wandfläche einer Ansaugkammer, die an einem ■ äußeren Umfangsabschnitt des ortsfesten Spiralelements ausgebildet ist, und somit die Breite des Ansaugkanals vergrößert werden. Diese Vergrößerung der Fläche des Ansaugkanals am äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand macht es möglich, daß der andere Ansaugkanal im wesentlichen die gleiche Fläche an einer Stelle erhalten kann, die in Umfangsrichtung von dem Stirnrandabschnitt der Spiralwand um einen Abstand entfernt ist, der im wesentlichen 180° des Spiralwandverdrehungswinkels bzw. des Spiralwinkels entspricht. Dadurch können beim Ansaugdruck auftretende Druckverluste und Druckänderungen auf ein Minimum reduziert werden. Weiterhin ist es möglich, interne Lecks bzw. Undichtigkeiten zwischen den symmetrisch angeordneten abgedichteten Räumen dadurch auszuschließen, daß das Auftreten eines Druckunterschieds zwischen den beiden Ansaugräumen unmittelbar vor der Kompression unterbunden wird. Dies führt zu einem verbesserten Volumenwirkungsgrad und dazu, daß für die Betätigung des Kompressors weniger Energie erforderlich ist, wodurch

der adiabatische Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Spiral-Strömungsvorrichtung mit einer insgesamt raumsparenden Größe und einem geringen Gewicht zu bauen, da der Durchmesser der Spiralelemente maximal um (Τζ* a) aufgrund der Anordnung reduziert werden kann, bei der die Mitten der Stirnplatten von den Mitten der Grundkreise der Spiralwände um einen konstanten Wert (Jf a/2) versetzt sind.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine bekannte Spiral-Strömungsvorrichtung,

T5 Fig. 2 zeigt die Vorrichtung von Fig. 2 mit gegenüber der Stellung von Figur verschobenem Umlaufspiral element,

Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die beiden Spiralelemente der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf das Umlaufspiral-. element der bekannten Vorrichtung,

Fig. 5 "zeigt einen Längsschnitt durch eine er·»· findungsgemäße Ausführungsform einer Spiral-Strömungsvorrichtung,

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf das UmlaufSpiralelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 zeigt schematisch in einer Einzelheit die Beziehung zwischen den Koordinatenachsen des Umlaufspiralelements von Fig. 6 und dom Grundkreis,

Fig. 8 zeigt in einer Draufsicht das ortsfeste Spiralelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 9 zeigt schematisch die Beziehung zwischen den ■ Koordinatenachsen des ortsfesten Spiralelements von Figur 8 und dem Grundkreis,

Fig. 10 zeigt das UmI ?.uf spiralelement der Vorrichtung von Figur 5 im Vertikalschnitt,

Fig. 11 zeigt im Querschnitt ineinandergreifend das ortsfeste Spiralelement und das Umlaufspiralelement der Vorrichtung von Figur 5 während der Kompression,

Fig. 12 zeigt im Querschnitt die Anordnung von Figur

11, bei der das Umlaufspiralelement auf seiner Umlaufbewegung verschoben ist,

.Fig. 13 zeigt schematisch die Beziehung zwischen den

Grundkreisen der Spiralwände der beiden Spiralelemente und den Koordinatenachsen,

Fig. 14 zeigt ein Indikatordiagramm während der Kompression bei der bekannten Vorrichtung von Fig. 1 und

Fig. 15 zeigt ein Indikatordiagramm für die Kompression der eifLndungsgemäßen Vorrichtung von Figur . 5 .

Bevor im einzelnen die erfindungsgemäße Ausführungsform, anhand der Figuren 5 bis 13 und 15 erläutert wird, soll zunächst anhand der Figuren 1 bis 4 der Aufbau eines bekannten ortsfesten Spiralelements und eines bekannten Umlaufspiralclemonts erläutert werden, bei denen die Mitte der Stirnplatte und die Mitte des Grundkreises

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der Spiralwand übereinstimmen.

Bei dem bekannten ortsfesten Spiralelement und dem bekannten Umlaufspiralelement, wie sie in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, stimmen die Mitten ihrer Stirnplatten mit den Mitten der Grundkreise der jeweiligen Spiralwände überein, die während der Kompression ineinandergreifen. Das ortsfeste Spiralelement 1 und das Umlaufspiralelement 2 haben scheibenförmige Stirnplatten 1a bzw. 2a. Auf der Stirnseite 1a bzw. 2a ist vertikal eine Spiralwand 1b bzw. 2b angeordnet, die längs einer Evolventenkurve verläuft. Die beiden Spiralwände 1 und 2 sind so zusammengefügt, daß ihre jeweiligen Spiralwände 1b und 2b nach innen weisen und in Hemmeingriff bzw. ineinandergreifend gehalten sind. Durch eine Innenwandfläche der ortsfesten Spiralwand 1b, eine Außenwandfläche der Umlaufspiralwand 2b und durch die Stirnflächen der Stirnplatten 1a und 2a der beiden Spiralelemente 1 und 2 werden beispielsweise abgedichtete Räume 4a bis 6a gebildet. Gleichzeitig werden durch eine Außenwandfläche der ortsfesten Spiralwand 1b eine Innenwandfläche der Umlaufspiralwand 2b und die Stirnflächen der Stirnplatten 1a und 2a beispielsweise abgedichtete Räume 4b und 6b gebildet. ■Diese abgedichteten Räume bilden zwei abgedichtete Räume, die symmetrisch angeordnet sind. Somit hat eine Ansaugkamner 3 der Spiral-Strömungsvorrichtung, die mit den äußersten abgedichteten Räumen 4a und 4b in Verbindung steht, zwei dahin führende Ansaugkanäle 3a und 3b. Die Ansaugkammer 3 wird von einer ganz außen liegenden Wandfläche 1d einer Nut der ortsfesten Spiralwand 1b am ortsfesten Spiralelement 1 gebildet, wobei die Wandfläche 1d die Form eines Kreisbogens hat.

Die Arbeitsweise der bekannten Spiral-Strömungsvorrichtung· wird beim Einsatz als Kompressor für eine

Kühlvorrichtung erläutert. Durch eine Saugöffnung 7 am äußeren Umfangsabschnitt 1c der Stirnplatte 1a des ortsfesten Spiralelements 1 wird ein gasförmiges Kühlmittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck in eine Saugkammer 3 gesaugt, die außerhalb eines äußeren Umfangsabschnitts des Umlaufspiralelements 2 gebildet wird. Fig. 1 zeigt die beiden Spiralelemente 1 und 2 in den jeweiligen Arbeitsstpllungen, wenn der Ansaugvorgang abgeschlossen ist.

Das Umlaufspiralelement 2 bewegt sich dann bei seiner Umlaufbewegung, während der es durch einen nicht gezeigten Oldham-Kupplungsmechanismus davon abgehalten wird, sich um seine eigene Achse zu drehen, derart, daß sich die Volumina der von den beiden Spiralelementen 1 und 2 gebildeten abgedichteten Räume allmählich verringern. Das in die abgedichteten Räume 4a und 4b gesaugte Kühlmittelgas verschiebt seine Position zu den Mittelabschnitten der beiden Spiralelemente 1 und 2 hin, wobei seine Temperatur und sein Druck ansteigen, ehe die Abgabe über eine zentrale Abgabeöffnung 8 nach außen erfolgt.

Wie in Figur 1 gezeigt ist, ist der Ansaugkanal 3a in einem Zustand gehalten, in welchem er eine im wesentlichen große Fläche hat. Der andere Ansaugkanal 3b, auf welchem ein äußerer Stirnrandabschnitt der ortsfesten Spifalwand 1b und ein äußerer Stirnrandabschnitt A der Umlaufspiralwand 2b ineinandergreifen, hat eine sich während der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 2 wiederholend zunehmende und abnehmende Fläche.

Wenn also die Fläche des Ansaugkanals 3b verringert wird, wie dies in Figur 2 gezeigt ist, tritt ein Druckverlust auf. Wenn jeweils die Fläche der Ansaugkanäle 3a und 3b verringert wird, weison sie Spalte g bzw.

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g auf, wie dies aus F.igur 1 und 2 zu ersehen ist. Die äußerste Wandfläche 1d der Nut der ortsfesten Spiralwand 1b, die die Saugkammer 3 mit den Ansaugkanälen 3a und 3b bildet, hat ein Kreisbogenform und ist auf die Mitte der Stirnplatte 1a zentriert, die mit der Mitte Of des Grundkreises der ortsfesten Spiralwand 1b übereinstimmt. Bei diesem Aufbau läßt sich die Abmessung D . der äußersten Wandfläche 1d der Nut, die die Ansaugkammer 3 bildet, wie es in Figur 1 gezeigt ist, durch folgende Gleichung ausdrücken:

D . = 2 si

(a Λ

Jt

g₂)

(1

wobei D . der Innendurchmesser der Ansaugkammer

o JL

3, a der Radius des Grundkreises der Spiralwand, s\, ρ der Verdrehungswinkel der Spiralwand bzw. der Evolventenwinkel am Ende, £ der Radius der Umlaufbewegung und g„ der minimale Spalt zwischen der gebogenen Wandfläche 1d und der Seitenwand der Umlaufspiralwand sind.

Die Form der Ansaugkammer 3 oder der Außendurchmesser D_f des ortsfesten Spiralelements 1 werden aus Gleichung (1) erhalten. Wenn also das Profil, beispielsweise die Abmessungen a, \. ρ und £ aus Gleichung (1) der Spiralwand festgelegt ist, ergibt sich, daß der Wert von g„ aus Gleichung 1 kleiner sein muß, wenn die Gesamtgröße des ortsfesten Spiralelements 1, also die Abmessung D_f von Figur 3, verringert werden soll. Wenn jedoch der Wert von g verringert wird, wird das Problem des Auftretens eines Druckverlustes im Ansaugkanal 3b immer bedeutender, wodurch die Leistung der Spiral-Strömungsvorrichtung nachteilig beeinflußt wird.

Fig. '3 zeigt nun im Schnitt den Abschnitt der Spiral-Strömungsvorrichtung, der den Ansaugkanal 3b enthält. Man sieht, daß der Ansaugkanal 3b zwischen einer Seiten-

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wandfläche eines äußeren Randabschnitts 2b¹ der Umlaufspiralwand 2b und einer Seitenwandflache des äußeren Umfangsabschnitts 1c des ortsfesten Spiralelements 1 einer Größenänderung unterliegt, wenn das Umlaufspiralelement 2 seine Umlaufbewegung ausführt. Unter Verwendung des minimalen Spaltes g~ kann nach Gleichung (2) ein mavimaler Spalt JL erhalten werden:

I = g₂ ⁺ 2 s (2)

1Q wobei £ der Radius der Umlaufbewegung ist.

Somit kann die Fläche des Ansaugkanals durch Multiplizieren des vorstehend beschriebenen Spaltes mit der Höhe h der Spiralwände erhalten werden. Die Fläche des Ansaugkanals 3b unterliegt ebenfalls einer Größenänderung, wenn das Umlaufspiralelement 2 seine Umlaufbewegung ausführt, und zwar genauso wie der Spalt. . Inzwischen kann im Ansaugkanal 3a der Spalt, dessen Minimalwert g ist und der den Ansaugkanal· bildet, jederzeit auf einem großen Wert gehalten werden, und zwar unabhängig von der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 2. Der Unterschied zwischen den Minima der Spalte g und g der Ansaugkanäle 3a und· 3b ergibt sich daraus, daß das ortsfeste Spiralelement 1 wie in Figur 1 gebaut ist, nämlich daß die Mitte seiner Stirnplatte 1a mit der Mitte O des Grundkreises der Spiralwand 1b übereinstimmt, und weiterhin daraus, daß das Umlaufspiralelement 2 wie in Figur 4 gebaut ist, nämlich daß die Mitte seiner Stirnplatte 2a mit der Mitte O des Grundkreises des

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Umlaufspiralelements 2 zusammenfällt.

Es soll nun die Beziehung zwischen den Spalten g_n und g„ weiter erläutert werden. Wenn der Außendurchmesser der Stirnplatte 2a des Umlaufspireilelernents 2 D ,

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der Radius des Grundkreises des UmlaufSpiralelements 2b gemäß Figur 4"a"und der Spiralwinkel des Umlaufspiralelements 2b, der dem Evolventenwinkel entspricht, wenn die Spiralwand eine Evolventkurve bildet, s\ λ ist, können mit dem Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser der Abstand L₁ zwischen einem Punkt A am äußersten Stirnrandabschnitt der Spiralwand 2b und einem Punkt E am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 2a und der Abstand L- zwischen einem Punkt TO Bi der in Umfangsrichtung von einem Punkt A um 180° versetzt ist, und einem Punkt F am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 2a durch folgende Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt werden:

r _ ^so ■> ^:

^Ll - ~T~ * ^a * ^λΖ (3) ·

^Dso
L₂ = -^- - a · (λ_£ - π) (4)

Aus den Gleichungen (3) und (4) eigibt sich die folgende Gleichung (5):

L₂ = L₁ + a -tf (5)

Wie in. den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, sind der Punkt A am äußeren Stirnrandabschnitt der Umlaufspiralwand 2b .und der Punkt B,der im wesentlichen symmetrisch zum Punkt A ist, an den Saugkanälen 3a bzw. 3b positioniert Somit kann die Differenz zwischen dem Minimumsspalt g₁ des Saugkanals 3a und dem Minimumsspalt g„ des Saugkanals 3b im wesentlichen als Differenz zwischen den Abständen L und L_ ausgedrückt werden, wie sie in Gleichung (5) gezeigt sind. Wenn der Unterschied zwischen den Spalten g und g_ mit Λ g bezeichnet wird, läßt sich dieser Wert durch folgende Gleichung (6) ausdrücken:

-g₂=L₂-L₁ = a (6)

Bei einem herkömmlichen Kompressionsmechanismus, bei welchen die Mitten der' Stirnplatten 1a und 2a des ortsfesten Spiralelements 1 und des Umlaufspiralelements 2 mit den Mitten der Grundkreise der Spiralwände 1b bzw. 2b in der beschriebenen Weise übereinstimmen, ist der Wert der Spalte g und g , die an den Saugkanälen 3a bzw. 3b gebildet werden, voneinander verschieden. Aufgrund dieser Differenz verursachen zusätzlich dazu, daß ein Kühlmittelgasstrom zu den Saugkanälen 3a und 3b einen Reibungsverlust zwischen dem Kühlmittelgas und den Wandflächen der Saugkanäle herbeiführt, eine Änderung der Fläche der Kanäle aufgrund der Umlaufbewegung des UralaufSpiralelements und eine . Änderung in der Form, beispielsweise Krümmung, einen Druckverlust und eine Druckänderung.

Wenn der Spalt g- des Saugkanals 3b sehr viel kleiner als der Spalt g. des Saugkanals 3a wird, wären der Druckverlust und die Druckänderung in diesem Abschnitt hoch. Somit würde eine Verringerung des Volurnenwirkungsgrads des Kompressors zu einer Leistungsverringerung führen.

Darüber hinaus würde die Differenz in der Fläche zwischen den Ansaugkanälen 3a und 3b das Auftreten einer Variation des Druckverlustes und der Druckänderung . zwischen den Ansaugkanälen 3a und 3b verursachen. Dies würde wiederum zum Auftreten einer Variierung des Drucks des Kühlmittelgases unmittelbar vor der Kompression herbeiführen, so diß eine Druckdifferenz zwischen einem Paar von Kf >ntpr essicn-skarmern., beispie¹! sweise den abg^aic··.t-otf-r« ί;«ί·ι."ΐ.;>η 4.i und 4b bzw. 5.1 und ^r> ν:-. Γ J ji!T S :< r. ' : ·:■! -ί, >:>·:,.>. ;'i:_;-> · olc'"n Hrui?k-

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Druckverlust würde an Bedeutung gewinnen, wenn der Kompressor mit hohen Drehzahlen betrieben wird. Dies bedeutet, daß eine Drehzahlsteigerung des Kompressors zu einer beträchtlichen Leistungsverringerung führen würde.

Anhand der Figuren 5 bis 13 soll nun eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spiral-Strömungsvorrichtung erläutert werden, die als Spiralkompressor einer Kühlvorrichtung eingesetzt wird.

Der in Figur 5 gezeigte Spiralkompressor hat einen Kompressorabschnitt 12 und einen Motorabschnitt 13, die beide in einem abgedichteten Behälter 11 angeordnet sind.

Der Kompressorabschnitt 12 hat ein ortsfestes Spiralelement 15 und ein Umlaufspiralelement 16 , die in kämmenden Eingriff miteinander stehen, wodurch sie Kompressionskammern bzw. abgedichtete Räume 19 bilden. Das ortsfeste Spiralelement 15 hat eine scheibenförmige Stirnplatte 15a und eine längs einer Evolventenkurve verlaufende Hüllwand 15b, im folgenden als Spiralwand 15b bezeichnet, die in aufrechter bzw. senkrechter Position.auf der Stirnplatte 15a angeordnet ist, und ist mit einer Auslaßöffnung 20.in seinem Mittelabschnitt und einer Ansaugöffnung 17 an seinem äußeren Umfangsabschnitt versehen. Das Umlaufspiralelement 16 hat eine· scheibenförmige Stirnplatte 16a und eine längs einer Evolventenkurve verlaufende Hüllwand 16b, die im folgenden als Spiralwand 16b bezeichnet wird und in aufrechter bzw.vertikaler Stellung auf der Stirnplatte 16a angeordnet ist, und ist mit einem Sockel 16c auf der Fläche der Stirnplatte 16a versehen, die der Fläche gegenüberliegt, auf der die Spiralwand 16b angeordnet ist.

Ein Rahmen 21 ist an seinem Mittelabschnitt nit einem

Lagerabschnitt 21a zum Lagern einer Kurbelwelle 14 versehen, die an ihrem vorderen Ende einen Kurbelzapfen 14a hat, der in den Sockel 16c für eine Orbitalbewegung eingeführt ist. Das ortsfeste Spiralelement 15 ist an dem Rahmen 21 durch eine Vielzahl von Bolzen befestigt. Das UmlaufSpiralelement 16 wird von dem Rahmen 21 über einer» Oldham-Kupplungsmechanismus 22 abgestützt, der eir.^n Oldham-Ring und einen Oldham-Keil aufweist, so daß das Umlaufspiralelement 16 eine Umlaufbewegung bezüglich des ortsfesten Spiralelements 15 ausüben kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen. .

Die Kurbelwelle 14 ist an ihrem unteren Teil in einem Stück an eine Motorwelle 14b angeschlossen, wodurch der Korapressorabschnitt 12 direkt mit dem Motorabschnitt 13 verbunden ist.

Die Saugöffnung 17 des ortsfesten Spiralelements 15 ist mit einem Saugrohr 27 verbunden, das durch die Wand des abgedichteten Behälters 11 hindurchgeht. Die Auslaßöffnung 20 mündet in eine Auslaßkammer 11a, die über einen Kanal 28 mit einer unteren Kammer 11b in Verbindung steht, die ihrerseits mit einem Abgaberohr 28 verbunden ist, das durch die Wand des abgedichteten Behälters 11 hindurchgeht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Spiralkompressors erläutert. Die Drehung der Kurbelwelle 14, die direkt mit dem Motorabschnitt 13 verbunden ist, läßt den Kurbelzapfen 14a exzentrisch rotieren, wodurch das Umlaufspiralelement 16 über den Sockel 16c in eine Umlaufbewegung versetzt wird. Wenn das Umlaufspiralelement 16 seine Umlaufbewegung ausübt, verschiebt sich die Position der Kompressionskammer 19

fortlaufend zur Mitte der Stirnplatte 16a hin, wobei das Volumen verringert wird. Durch das Saugrohr 27 und die, Saugöffnung 17 strömt Gas in eine Saugkammer 18, die in die Abführkammer 11a über die Abführöffnung nach der Komprimierung entleert wird. Aus der Abführkammer 11a strömt das komprimierte Gas über den Kanal 28 in die untere Kammer 11b, aus der es über das Abführrohr 29 abgeführt wird'.

Das in Fig. 6 und 7 gezeigte UmlaufSpiralelement 16 hat die scheibenförmige Stirnplatte 16a und die Spiralwand 16b, die senkrecht auf der Stirnplatte 16a steht. Die Mitte Om¹ der Stirnplatte 16a ist von der Mitte Om des Grundkreises 30 der Spiralwand 16b zum Punkt A versetzt, der sich am äußeren Endrandabschnitt der Spiralwand 16b befindet und zwar um einen vorher festgelegten Abstand 7Γ a/2, wobei 7f das Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Durchmesser und a der Radius des Grundkreises 30 der Spiralwand 16b sind.

Wenn die Koordinatenachsen der Mitte Om des Grundkreises 30 und der Mitte Om¹ der Stirnplatte 16a Xm, Ym bzw. Xm*, Ym' sind, läßt sich die genannte Versetzung UmOm' durch die folgende Gleichung (7) ausdrucken:

π a

OmOm¹ = _ (7)

Die Versetzung oder der Abstand OmOm¹ entspricht dem halben Abstand qemäß Gleichung (6).

Dadurch, daß die Mitte der Stirnseite 16a zur Mitte Om des Grundkreises 30 der Spiralwand 16b auf Om'

I ZZbU

verschoben ist, ist es möglich, den Abstand Om¹A von der Mitte Om¹ der Stirnplatte 16a zum Punkt A des äußeren Stirnrandabschnitts der Spiralwand 16b gleich dem Abstand Om¹B von der Mitte Om¹ der Stirnplatte 16a zum Punkt B zu machen, der an Umfang von Punkt A einen Abstand von 180° hat. Auf der Stirnplatte 16a mit d^r, Außendurchmesser D ' sind der Abstand zwischen dem Punkt A am äußeren Stirnrand-.abschnitt der Spiralwand 16b und dem Punkt E am äußeren 'Umfangsrand der Stirnplatte 16a sowie der Abstand zwischen dem Punkt B und dem Punkt F am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 16a so festgelegt, daß sie die gleiche Abmessung L, haben.

Durch Festlegung des Abstandes, der im folgenden als Stegbreite bzw. Fasenbreite L₃ bezeichnet wird,

zwischen dem Punkt A am äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand 16b des UmlaufSpiralelements 16 und dem äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 16a, der außerhalb davon angeordnet ist, auf einen Wert, der ' gleich der Stegbreite L₃ am Punkt B,wie vorstehend beschrieben iat, ist. es iröglich, den Verschleiß zu verringern, wie er gleichförmig an der Stirnplatte 16a des Umlaufspiralelements 16 verursacht wird, wodurch es möglich ist, eine gleichförmige Abdichtung zu erhalten. In Fig. 5 ist gezeigt, daß eine Stirnfläche eines äußeren Umfangsabschnitts 15f der Stirnplatte 15 a des ortsfesten Spiralelements 15 in Gleitkontakt mit einer äußeren Umfangsflache der Stirnplatte 16a des Umlaufspiralelements nebeneinanderliegend gehalten wird, wodurch eine Abdichtung zwischen der Saugkammer 18 und einem Raum 23 unterhalb einer Unterseite der Stirnplatte 16a den Umlaufspiralelements 16 geschaffen wird.

Fig. 8 und 9 zeigen das ortsfeste Spiralelement 15 mit der scheibenförmigen Stirnplatte 15a der vertikal darauf angeordneten Spiralwand 15b. Die Mitte Of der Stirnplatte 15a ist von der Mitte Of des Grundkreises 31 der Spiralwand 15b zu einem Punkt C, der sich an einem äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand 15b befindet, um einen Abstand hin versetzt, der der Versetzung der Mitte Om¹ der Stirnplatte 16a des UmlaufSpiralelements 16 entspricht. Die Kordinatenachsen der Mitte Of des Grundkreises 31 und der Mitte Of¹ der Stirnplatte 15b werden mit Xf, Yf bzw. Xf, Yf bezeichnet. Die Versetzung oder der. Abstand OfOf der Mitte Of ist gleich der Versetzung oder dem Abstand OmOm' der Mitte Od¹ der Stirnplatte 16a des Umlaufspiralelements 16, die gleich 77 a/2 ist.

Durch Versetzen der Mitten Of und Om¹ der Stirnplatten 15a und 16a des ortsfesten Spiralelements und des Umlaufspiralelements 16 von den Mitten Of und Om der Grundkreise 30 und 31 der Spiralwände 15b bzw. 16b um den erwähnten vorher festgelegten Abstand 1Ta/2 ist es möglich, die an den Saugkanälen 33a und 33b (auf entsprechenden Saugkanälen 3a und •.3b von Fig. 1) gebildeten Spalte jedem anderen dem Wert nach gleichzumachen. Durch Festlegung der Abmessung D . (Bildung der Ansaugkammer) einer Umfangs-

o JL

wandfläche des äußeren Umfangsabschnitts 15f des ortsfesten Spiralelements. 15 oder einer gekrümmten Wandfläche 15d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten .Spiralelements 15 auf einen Wert, der gleich dem Wert des entsprechenden Abschnitts des ortsfesten Spiralelements 1 von Fig. 1 ist, ist es möglich, die Fläche des Ansaugkanals 33b um den erwähnten Abstand OfOf über die des Ansaugkanals 3b (Fig. 1) nach dem

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Stand der Technik hinaus zu vergrößern. Die gekrümmte Wandfläche 15d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten Spiralelements 15 ist zur Mitte Of der Stirnplatte 15a konzentrisch.

Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, den Außendurchmesser der S*-irnplatte 16a des Umlauf spiralelements 16 um ("TTa) als Maximum verglichen mit dem Stand der Technik zu reduzieren, wenn die Mitte der Stirnplatte 16a um den erwähnten vorher festgelegten Abstand TT a/2 von der Mitte Om des Grundkreises 3O der Spiralwand 16b versetzt ist. Wenn der Außendurchmesser der Stirnplatte 16a des Umlaufspiralelements 16 von Fig. 6 und 7 mit D ' und der Außen-

so

durchmesser der Stirnplatte von Fig. 4 mit D bezeichnet wird und angenommen wird, daß L- = L-., kann der Außendurchmesser D

s<

(8) ausgedrückt werden:

der Außendurchmesser D ' durch folgende Gleichung

^Dso' - 2 <a - λ_£ - V ^{+ L}3> = ^Dso - ^{π a} ⁽⁸⁾

In den Fig. S und 9 kann der Außendurchmesser der Stirnplatte 15a des ortsfesten Spiralelements 15 genauso reduziert werden, wie dies anhand des Umlaufspiralelements 16 der Figuren 6 und 7 erläutert wurde.

Es zeigt sich, daß der Spiralkompressor somit einen Außendurchmesser aufweisen kann, der um maximal TTa verglichen mit dem Kompressor von Fig. 1 reduziert ist, bei welchem die Mitte der Stirnplatte ι jedes Spiralelements mit der Mitto des Grundkreises seiner Spiralv.and übareinstinmt. Kenn der Außcmdurchmesser der Stirnplatte von Fig. 8 mit D_f ' und der von Fig. 2 mit D_f bezeichnet wird, kann

D_f. ' durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt werden:

^Dfo' =

Fig. 10 zeigt das UmlaufSpiralelement 16 im Vertikalschnitt, wobei mit Zm und Zm' die vertikalen Koordinatenachsen (Fig. 7) bezeichnet sind, die durch die Mitten Om und Om' des Basiskreises 30 der Spiralwand 16b bzw. der Stirnplatte 16a gehen-. Die Stirnplatte 16a trägt an ihrer Unterseite den Umlaufsockel 16c für die Halterung eines Umlauflagers 32, dessen Mittelachse fluchtend zu der Mittelachse Zm¹ der Stirnplatte 16a ausgerichtet ist. Wenn die Mitten des Umlaufsockels 16c und der Stirnplatte 16a in Übereinstimmung miteinander gebracht werden, ist es möglich, eine Unwuchtkraft zu reduzieren, die in der Stirnplatte 16a durch die Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 16 erzeugt wird.

Es soll nun das ortsfeste Spiralelement 15 und das Umlaufspiralelement 16 in einem Zustand beschrieben werden, in dem sie miteinander kämmen bzw. indem sie ineinandergreifen.

.Fig. 11 zeigt die beiden Spiralelemente 15 und 16 relativ zueinander in einem Zustand, in-denen sie den Saughub abgeschlossen haben. Die zu diesem Zeitpunkt gebildeten Spalte der Saugkanäle 33a und 33b sind mit g-, und g. bezeichnet. Bei der gezeigten Ausführung sind die Spalte g^ und g₄ der Saugkanäle 33a und 33b im wesentlichen gleich groß.

Fig. 12 zeigt die beiden Spiralelemente 15 und 16 relativ zueinander in einem Zustand, in dem sie

sich während des Ansaugvorgangs befinden. Die zu diesem Zeitpunkt gebildeten Spalte der Saugkanäle 33a und 33b sind mit g₅ bzw. g₆ bezeichnet. Da die Mitten der Stirnplatten des ortsfesten Spiralelements 15 und des UmlaufSpiralelements 16 der vorstehend beschriebenen Weise zu den Mitten der Grundkreise der Spiralwände 15b vkü 16b jeweils zum äußeren Stirnrandabochnitt der Spiralwände um den vorher .festgelegten Abstand ¹TT a/2 versetzt sind, ist es möglich, die Spalte g₅ und g_g der Saugkanäle 33a und 33b im wesentlichen gleich zu machen. Die gekrümmte Wandfläche 15d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten Spiralelements 15, das die Saugkammer bildet und ein äußerer Umfangsrand 15m der Stirnplatte sind beide zur Mitte Of der Stirnplatte konzentrisch. Dadurch wird die Herstellung der Spiral-Strömungsvorrichtung erleichtert, weil der Außenumfangsrand 15m der Stirnplatte und die gebogene Wandfläche 15e der äußersten Umfangsnut konzentrisch zueinander sind.

Fig. 13 zeigt die Lagebeziehung der Mitten (Koordinaten) der beiden Spiralelemente 15 und 16 während des Betriebs. Of und Om sind die Mitten der Basiskreise des ortsfesten Spiralelements 15 bzw. des Umlaufspiralelements 16. Of und Om' sind die Mitten der Stirnplatten 15a bzw. 16a. Die Radien der Grundkreise 30 und 31 der Spiralwände 15b und 16b sind mit a bezeichnet. Der Drehwinkel des Umlaufspiralelements von der Achse Xf ist mit 9 bezeichnet.

Die Kreisbahn, auf der sich das Umlaufspiralelement 16 bei seiner Umlaufbewegung bewegt, ist mit 40 bezeichnet. Die Kreisbahn 40 hat den Radius ε . Es ergibt sich fclgende Beziehung:

Of Οία = ε (10)

τ <

OfOf = OmOm¹ = 1Λ (11)

wobei

ε ^- OmOm¹ (12)

ε ^- ÖfÖT^r (13)

Die Beziehung zwischen dem Mittenversetzungsabstand

^XTF a/2 und dem Radius £ der Umlaufbewegung ist keiner speziellen Begrenzung unterworfen.

Fig. 14 und 15 zeigen Indikatordiagramme, also die Volumen-Druckbeziehung der Spiralkompressoren zur Erläuterung der damit erreichbaren Wirkungen. Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck P und dem Ansaugvolumen V im Spiralkompressor nach Fig. 1. Fig. 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck P und dem Ansaugvolumen V in dem Spiralkompressor gemäß der Erfindung.

Fig. 14 zeigt zwei Sätze von Kurven, da die Saugkanäle 3a und 3b sich voneinander im Druckverlust aufgrund einer Differenz in der Fläche unterscheiden. Die jeweiligen Drucke v--erden unmittelbar vor der Kompression P- und P . Die Kompression beginnt deshalb von diesen unterschiedlichen Druckpegeln aus. Der Druckanstieg in den Kompressionsräumen 5a und 5b ist ■ mit einer ausgezogenen bzw. einer gestrichelten Linie gezeigt. Der Abgabedruck ist mit Pd angegeben. Unter diesen Bedingungen besteht zv/ischen den Kompressionskammern 5a und 5b ein Druckunterschied

OO

beispielsweise bei einem bestimmten Volumen V* . Dies führt zu Leckagen zwischen den Kammern, wodurch die für den Betrieb des Kompressors erforderliche Leistung zunimmt. Dies bedeutet, daß die Leistung des Spiralkompressors reduziert würde.

Bei der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform haben die Ansaugkanäle 33a und 33b im wesentlichen den • gleichen Druckverlust, da sie im wesentlichen die gleiche Fläche haben, wie dies erläutert wurde. Somit beträgt der in den Ansaugräumen unmittelbar vor der Kompression herrschende Druck P . Die

so

Kompression beginnt von diesem Druckpegel aus. Das Indikatordiagramm hat somit nur einen Liniensatz. Es besteht keine Druckdifferenz zwischen den beiden Kompressionskammern. Somit ergeben sich auch keine Leckagen zwischen den Kompressionskarnmern, was zu einem erhöhten Kompressionswirkungsgrad führt.

Claims

ν. FONER EBBINGHAUS FINCK
PATEN TANWALTE EUROPEAN PATHNT ATTORNEYS
MAKIAHILFPLATZ 2 ei 3. MÖNCHEN 91) POSTADRESSFt: POSTFACH 95 OI 60, D-HOOO MÜNCHEN 95
HITACHI, LTD. DEAC-30912.6
5. April 1983

SPIRAL-STRÖMUNGSVORRICHTUNG ■ Patentansprüche

M.) Spiral-Strömungsvorrichtung mit einem ortsfesten Spiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte angeordnete Spiralwand aufweist, wobei am äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand eine von einer gekrümmten Wand gebildete Saugkammer vorsehen ist, und mit einem Umlaufspiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte angeordnete Spiralwand aufweist, wobei das ortsfeste Spiralelement und das Umlaufspiralelement so angeordnet sind, daß die Spiralwände nach innen weisen und ineinandergreifen, so daß sich das Umlaufspiralelement in einer Umlaufbewegung bezüglich des ortsfesten Spiralelements bewegen kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen, und wobei das ortsfeste Spiralelement in " seinem Mittelabschnitt der Stirnplatte eine Auslaßöffnung und an seinem äußeren Umfangsabschnitt eine Änsaugöffnung aufweist, so daß Gas durch die Ansaugöffnung angesaugt und in Kompressionskarnmern komprimiert wird, die von den beiden Spiralelementen gebildet werden und die ihre Position zu den Mitten

der Stirnplatten so verschieben, daß das Volumen verringert wird, wodurch komprimiertes Gas durch die AuslaßöEfnung abgeführt wird, dadurch

BAD ORIGINAL Jt

gekennzeichnet, daß die Mitten (Om', Of) der Stirnplatten (16a, 15a) des Umlauf Spiralelements (16) und des ortsfesten Spiralelements (15) gegenüber den Mitten (Om, Of) der Grundkreise (30, 31) der jeweiligen Spiralwände (16b,· 15b) zu den äußeren Stirnrandabschnitten (A,C) der Spiralwände (16b, 15b) um TTa/2 verschoben sind, wobei H d?3 Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Durchmesser und a der Radius der Grundkreise (30, 31) der Spiralwände (16b, 15b) sind.

2. Spiral-Strömungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatte (16a) des UmlaufSpiralelements (16) so gebaut ist, daß die radiale Länge (L_) vom äußeren Stirnrandabschnitt (A) der Spiralwand (16b) zu einem äußeren Urafangsrand (E) der Stirnplatte (16a) gleich ist der radialen Länge (L ) von einer äußeren Seitenwand (B) der Spiralwand (16b), die in Umfangsrichtung von dem äußeren Stirnabschnitt (A) der Spiralwand (16b) in einem Abstand von im wesentlichen. 180° des Spiralwand-Verdrehungswinkels angeordnet ist, bis zum äußeren Umfangsrand (F) der Stirnplatte (16a).

3. Spiral-Strömungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte (Om¹) der Stirnplatte (16a) des Umlaufspiralelements (16) fluchtend zu der Mittenachse eines Lagersockels (16c) ausgerichtet ist.

4. Spiral-Strömungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Saugkammer (18) des ortsfesten Spiralelements

(15) bildende gekrümmte Wand (15d) eine Seitenwand (15d) ist, die zur Mitte (OF¹) der Stirnplatte (15a) des ortsfesten Spiralelements (15) konzentrisch ist.

COPY

Spiral-Strömungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Saugkammer (18) des ortsfesten Spiralelements (15) bildende Seitenwand sich von dem äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand (15b) zu einem äußeren Umfangsabschnitt erstreckt, der um 180° des Spiralwandverdrehungswinkels nach innen vom äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand (15b) angeordnet ist.