DE3441286C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Spiralverdichter sind weithin bekannt. Beispielsweise beschreibt die EP-O 0 61 698 A1 eine derartige Vorrichtung mit zwei Spiralen, die jeweils eine kreisförmige Endplatte und ein spiroidales oder evolventisches Spiralelement aufweisen. Die Spiralen sind winkelmäßig und radial so gegeneinander versetzt, daß beide Spiralelemente unter Bildung einer Mehrzahl von Linienkontakten zwischen ihren spiralförmig gekrümmten Oberflächen ineinander eingreifen, um damit zumindest ein Paar von Fluidtaschen abzudichten und zu umgrenzen. Die relative Umlaufbewegung beider Spiralen verschiebt die Linienkontakte entlang der Spiralkurvenoberflächen, und als Folge davon vergrößert oder verringert sich das Volumen der Fluidtaschen in Abhängigkeit von der Richtung der Umlaufbewegung. Damit kann der Spiralverdichter zum Komprimieren, Expandieren oder Pumpen von Fluiden verwendet werden.

Allgemein ist bei einem bekannten Spiralverdichter eine Spirale an einem Gehäuse befestigt, und die andere Spirale ist die umlaufende Spirale. Diese wird zum Bewirken der Umlaufbewegung exzentrisch auf einem Antriebs- oder Kurbelzapfen einer Antriebswelle getragen. Der Spiralverdichter weist ferner eine Rotationsverhinderungseinrichtung auf, die ein Rotieren der umlaufenden Spirale verhindert, um damit während des Betriebs der Vorrichtung die Spirale in einer vorbestimmten winkelmäßigen Beziehung zu halten.

Da bei dem bekannten Spiralverdichter die umlaufende Spirale auf dem Kurbelzapfen in freitragender Weise getragen ist, entsteht eine axiale Schräglage der umlaufenden Spirale. Die axiale Schräglage entsteht auch deshalb, weil die Bewegung der umlaufenden Spirale nicht eine Drehbewegung um den Mittelpunkt der umlaufenden Spirale, sondern eine Umlaufbewegung darstellt, die durch die exzentrische Bewegung des von der Umdrehung der Antriebswelle angetriebenen Kurbelzapfens bewirkt wird. Diese axiale Schräglage führt zu einigen Problemen, zu denen eine unvollständige Abdichtung der Linienkontakte, eine Vibration der Vorrichtung im Betrieb und durch physikalische Berührung der Spiralelemente verursachtes Geräusch gehören. Eine einfache und direkte Lösung für diese Probleme ist die Verwendung einer Drucklagereinrichtung zur Aufnahme der Axiallasten. Deshalb ist bei einem Spiralverdichter üblicherweise eine Drucklagereinrichtung innerhalb des Gehäuses vorgesehen.

Ein kürzlicher Versuch zur Verbesserung der Rotationsverhinderungseinrichtung und der Drucklagereinrichtung bei Spiralverdichtern ist in den US-Patentschriften 41 60 629 und 42 59 043 beschrieben. Bei diesen Patentschriften bilden die Rotationsverhinderungs- und die Drucklagerfunktionen eine Einheit. Eine Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung nach diesen Patentschriften weist einen in der Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte der umlaufenden Spirale gebildeten Satz von Vertiefungen und einen zweiten Satz von Vertiefungen, die in der Stirnfläche einer am Gehäuse befestigten feststehenden Platte ausgebildet sind, auf. Zwischen den Vertiefungen beider Oberflächen sind eine Mehrzahl von Kugeln angeordnet, um die axiale Last zu tragen und ein Drehen der umlaufenden Spirale zu verhindern.

Bei dieser Anordnung wird der maximale Umlaufradius dieser Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung durch Faktoren wie beispielsweise dem Kugeldurchmesser, dem Durchmesser jeder der auf den Oberflächen gebildeten Vertiefungen und der Versetzung der Kugeln in den Vertiefungen bestimmt, ferner wird der Umlaufradius der umlaufenden Spirale durch die Windungszahl des Spiralelements bestimmt. Trotzdem sollte der Umlaufradius der Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung gleich dem der umlaufenden Spirale gewählt werden, um die Funktion der Drehverhinderung zu bewirken. Wegen der beim Herstellen der Teile und bei der Montage der Vorrichtung entstehenden Toleranzen muß jedoch der Umlaufradius der Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung größer gewählt werden als der Umlaufradius der umlaufenden Spirale, um die Abdichtung der Fluidtaschen zu gewährleisten.

Unglücklicherweise resultiert diese Abweichung vom Umlaufradius wegen der Herstellungstoleranzen jedoch darin, daß die Kugeln zu viel Spiel in der Einrichtung aufweisen.

Außerdem ist das Drehmoment (τ) der umlaufenden Spirale, das dieselbe Richtung wie das der Antriebswelle aufweist, durch folgende Beziehung gegeben:

τ (Drehmoment) = Fg × 1/2 r_o,

wobei Fg die aus dem auf das Spiralelement einwirkenden Gasdruck resultierende Kraft, r_o den Abstand des Mittelpunkts der feststehenden Spirale vom Mittelpunkt der umlaufenden Spirale (im nachfolgenden "Kurbelradius" genannt) darstellt. Obwohl dieses Drehmoment von der Rotationsverhinderungs-/ Drucklagereinrichtung aufgenommen wird, weicht gelegentlich die Richtung des Moments aufgrund eines Wechsels der Gasdruckkraft von der Drehrichtung der Antriebswelle ab. Wenn dies bei der oben beschriebenen Einrichtung auftritt, in der die Kugeln mit Spiel eingesetzt sind, ändert sich die Richtung der auf die Kugeln einwirkenden Kraft und es entsteht Vibration.

Unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 soll die oben erwähnte Erscheinung beschrieben werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Darstellung der Beziehung der bekannten feststehenden und umlaufenden Spirale. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung einer Druckverteilung entlang der Linie A-A in Fig. 1 zur Darstellung des Drucks in den abgedichteten Taschen. Bei den bekannten Spiralelementen stimmt die Windungszahl der Spiralelemente überein, d. h., die feststehende und umlaufende Spirale sind spiegelbildlich gebildet. Dadurch ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Gasdruck­ verteilung um den Mittelpunkt des Kurbelradius r_o symmetrisch. Damit wirkt die resultierende Gasdruckkraft Fg auf den Mittelpunkt des Kurbelradius r_o senkrecht zur Richtung des Kurbelradius r_o. Die Kraft Fd, deren Vektor mit dem der resultierenden Kraft Fg übereinstimmt und eine umgekehrte Richtung besitzt, wirkt auf den Mittelpunkt der umlaufenden Spirale zum Ausgleich gegen die resultierende Kraft Fg. Damit bewirken beide Kräfte Fg und Fd das Moment eines Kräftepaars und dieses Moment, d. h. die Rotationskraft der umlaufenden Spirale, ist definiert als Fg×r_o/2. Diese Rotationskraft hängt von Änderungen des Gasdrucks ab, so daß das Spiel der Kugeln innerhalb der Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung ungewünschte Schwingungen und Geräusche erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Spiralverdichter zu schaffen, bei dem das Auftreten unnötiger Vibration und unnötiger Geräusche vermieden wird. Ferner soll der Spiralverdichter einen einfachen Aufbau und geringes Gewicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch einen Spiralverdichter der eingangs beschriebenen Art gelöst, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen bekannten feststehenden und umlaufenden Spiralen;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Druckverteilung entlang der Linie A-A in Fig. 1 zur Darstellung des Drucks in jeder Fluidtasche;

Fig. 3 eine senkrechte Schnittansicht eines Spiralverdichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung nach Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen der feststehenden und der umlaufenden Spirale gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Druckverteilung entlang der Linie B-B in Fig. 5 zur Darstellung des Drucks in jeder Fluidtasche.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Spiralverdichter 1 gezeigt. Der Verdichter 1 besitzt ein Verdichtergehäuse 10 mit einer Frontstirnplatte 11 und einem becherförmigen Gehäuse 12, das an einer Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 angebracht ist. In der Mitte der Frontstirnplatte 11 ist eine Öffnung 111 zum Hindurchgehen einer Antriebswelle 13 vorgesehen. Auf einer rückseitigen Oberfläche der Frontstirnplatte 11 ist ein ringförmiger hervorstehender Ansatz 112 gebildet, der dem becherförmigen Gehäuse 12 gegenüberliegt und konzentrisch mit der Öffnung 111 ausgebildet ist. Eine äußere periphere Oberfläche des ringförmigen Ansatzes 112 erstreckt sich in eine innere Wand der Öffnung des becherförmigen Gehäuses 12. Auf diese Weise ist die Öffnung des becherförmigen Gehäuses 12 durch die Frontstirnplatte 11 abgedeckt. Ein O-Ring 14 sitzt zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des ringförmigen Ansatzes 112 und der inneren Wand der Öffnung des becherförmigen Gehäuses 12 und dichtet die aneinanderliegenden Oberflächen von Frontstirnplatte 11 und becherförmigem Gehäuse 12 gegeneinander ab.

Eine Ringmanschette 15 erstreckt sich von der Frontstirnfläche der Frontstirnplatte 11 in der Weise, daß sie die Antriebswelle 13 umgibt und einen Radialdichtungsraum umgrenzt. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist die Ringmanschette 15 getrennt von der Frontstirnplatte 11 ausgebildet. Deshalb ist die Ringmanschette 15 an der Frontstirnfläche der Frontstirnplatte 11 mittels (nichtgezeigter) Schrauben befestigt. Ein O-Ring 16 ist zwischen der Stirnfläche der Ringmanschette 15 und der Frontstirnfläche der Frontstirnplatte 11 angeordnet zum Abdichten der zusammengehörigen Oberflächen von Frontstirnplatte 11 und Ringmanschette 15. Alternativ dazu kann die Ringmanschette 15 mit der Frontstirnplatte 11 einstückig ausgebildet sein.

Die Antriebswelle 13 ist durch die Ringmanschette 15 über ein Lager 18, welches innerhalb des Vorderendes der Ringmanschette 15 angeordnet ist, drehbar gelagert. Die Antriebswelle 13 besitzt an ihrem inneren Ende eine Scheibe 19, welche in der Frontstirnplatte 11 über ein in der Öffnung 111 der Front­ stirnplatte 11 angeordnetes Lager 20 drehbar gelagert ist. Eine Radialdichtungseinrichtung 21 ist innerhalb des Radialdichtungsraumes der Ringmanschette 15 mit der Antriebswelle 13 gekoppelt.

Eine Riemenscheibe 22 wird von einem Lager 23 getragen, welches auf der Außenoberfläche der Ringmanschette 15 sitzt. Eine Elektromagnetspule 24 ist mittels einer Tragplatte 25 um die Außenoberfläche der Manschette 15 befestigt und in einem ringförmigen Raum der Riemenscheibe 22 aufgenommen. Eine Ankerplatte 26 wird auf dem äußeren Ende der Antriebswelle 13, die sich von der Ringmanschette 15 aus erstreckt, elastisch getragen. Die Riemenscheibe 22, die Elektromagnetspule 24 und die Ankerplatte 26 bilden eine Magnetkupplung. Im Betrieb wird die Antriebswelle 13 durch eine externe Antriebsquelle, beispielsweise einen Kraftfahrzeugmotor, über eine Drehkraftübertragungseinrichtung wie die oben beschriebene Magnetkupplung angetrieben.

Innerhalb der inneren Kammer des becherförmigen Gehäuses 12 befinden sich eine Anzahl von Elementen einschließlich einer festen Spirale 27, einer umlaufenden Spirale 28, einer Antriebsvorrichtung für die umlaufende Spirale 28 und einer Rotationsverhinderungs-/ Drucklagereinrichtung 35 für die umlaufende Spirale 28. Die innere Kammer des becherförmigen Gehäuses 12 liegt zwischen der Innenwand des becherförmigen Gehäuses 12 und der rückwärtigen Oberfläche der Frontstirnplatte 11.

Die feste Spirale 27 umfaßt eine kreisförmige Endplatte 271 und ein Hüllen- oder Spiralelement 272, welches an einer Stirnfläche der Endplatte 271 befestigt ist bzw. sich von dieser aus erstreckt. Die feste Spirale 27 ist innerhalb der inneren Kammer des becherförmigen Gehäuses 12 mittels Schrauben 27′, die in die Stirnfläche 271 von der Außenseite des becherförmigen Gehäuses 12 eingeschraubt sind, befestigt. Die kreisförmige Endplatte 271 der festen Spirale 27 teilt die innere Kammer des becherförmigen Gehäuses 12 in eine Vorderkammer 29 und eine rückwärtige Kammer 30. Ein Dichtring 31 ist in einer Umfangsnut der kreisförmigen Endplatte 271 angeordnet und bildet eine Dichtung zwischen der Innenwand des becherförmigen Gehäuses 12 und der Außenfläche der kreisförmigen Endplatte 271. Das Spiralelement 272 der festen Spirale 27 liegt innerhalb der Vorderkammer 29.

Die umlaufende Spirale 28, die in der Vorderkammer 29 angeordnet ist, umfaßt eine kreisförmige Endplatte 281 und ein Hüllen- oder Spiralelement 282, welches an einer Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 281 befestigt ist oder sich von dieser aus erstreckt. Die Spiralelemente 272 und 282 greifen mit einer winkelmäßigen Versetzung von 180° und einer vorbestimmten radialen Versetzung ineinander. Die Spiralelemente 272 und 282 umgrenzen mindestens ein Paar von abgedichteten Fluidtaschen zwischen ihren ineinandergreifenden Oberflächen. Die umlaufende Spirale 28 ist auf einer Buchse 33 über ein Lager 34, das zwischen der äußeren Umfangsfläche der Buchse 33 und der Innenfläche eines von der anderen Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 281 hervorstehenden Ansatzes 273 angeorndet ist, drehbar gelagert. Die Buchse 33 ist mit einem anderen Ende der Scheibe 19 an einem Punkt ra­ dial versetzt oder exzentrisch zur Achse der Antriebswelle 13 verbunden.

Die Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung 35 liegt um den nabenförmigen Ansatz 273 der umlaufenden Spirale 28 herum und zwischen der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 und der Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 281, die der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 gegenüberliegt. Die Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung 35 umfaßt einen an der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 befestigten feststehenden Ring 351, einen an der Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 281 befestigten umlaufenden Ring 352 und eine Mehrzahl von Lagerelementen wie beispielsweise Kugeln 353, die zwischen Taschen 351a, 352a liegen, welche von den Ringen 351 und 352 gebildet sind. Die Rotation der umlaufenden Spirale 28 während der Umlaufbewegung wird durch die Wechselwirkung der Kugeln 353 mit den Ringen 351, 352 verhindert. Die Axialdrucklast von der umlaufenden Spirale 28 wird von der Frontstirnplatte 11 über die Kugeln 353 getragen.

Das becherförmige Gehäuse 12 weist eine Einlaßöffnung 36 und eine Auslaßöffnung 37 zum Verbinden des Verdichters mit einem äußeren Fluidkreislauf auf. Fluid vom äußeren Fluidkreislauf wird in die Fluidtaschen im Verdichter durch die Einlaßöffnung 36 zugeführt. Die Fluidtaschen umfassen zwischen den Spiralelementen 272 und 282 gebildete offene Räume. Wenn die umlaufende Spirale 28 umläuft, bewegt sich das Fluid in den Fluidtaschen zum Zentrum der Spiralelemente und wird verdichtet. Das verdichtete Fluid von den Fluidtaschen wird in die Auslaßkammer 301 der rückwärtigen Kammer 30 von den Fluidtaschen durch ein durch die kreisförmige Endplatte 271 geformtes Loch 274 geleitet. Das verdichtete Fluid wird danach zum äußeren Fluidkreislauf über die Auslaßöffnung 37 ausgestoßen.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist bei dieser Anordnung die Länge des Spiralelements 282 der umlaufenden Spirale 28 länger als die Länge des Spiralelements 272 der feststehenden Spirale 27 ausgebildet. Die Spirallänge ist definiert als der Abstand entlang der Spirale vom Zentrum des Spiralerzeugungskreises bis zum Endpunkt der Spirale. Bei der in Fig. 5 gezeigten Anordnung ist nicht nur die Länge des Spiralelements 282 größer als das des Spiralelements 272, auch die Länge der inneren Oberfläche des Elements 282 ist entsprechend länger. Als Folge davon ist auch die Verteilung des Gasdrucks innerhalb der ineinander eingreifenden Spiralen unsymmetrisch, d. h., daß in der in Fig. 6 gezeigten Weise der Druck in den Fluidtaschen entlang der die Berührungspunkte zwischen beiden Spiralelementen verbindenden Linie am Zentrum beider Spiralen unsymmetrisch ist. Damit ist der Angriffspunkt der resultierenden Kraft Fg zur höheren Seite der Druckverteilung hin verschoben. Damit wird der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der resultierenden Kraft Fg und dem Mittelpunkt der umlaufenden Spirale, an dem die Reaktionskraft Fd angreift, größer als die Hälfte des Kurbelradius r_o, und das Kräftepaarmoment, d. h. die Rotationskraft der umlaufenden Spirale 28 wird durch folgende Beziehung ausgedrückt:

Fg × (r_o/2 + β),

wobei (r_o/2+β) den Abstand zwischen dem Angriffspunkt der resultierenden Kraft Fg und dem Mittelpunkt der umlaufenden Spirale darstellt.

Ein Vergleich der oben beschriebenen Rotationskraft mit der Rotationskraft bei einer herkömmlichen Vorrichtung zeigt, daß die vorliegende Rotationskraft, die durch Fg×(r_o/2+β) definiert ist, größer ist als die Rotationskraft bei bekannten Vorrichtungen, die durch Fg×1/2 r_o definiert ist. Damit ist die auf die Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung einwirkende Kraft größer, wodurch die Kugeln innerhalb der Taschen sicher festgehalten werden. Dadurch wird eine Vibration der umlaufenden Spirale, die durch das Spiel der Kugeln der Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung entsteht, verhindert.

Claims (2)

1. Spiralverdichter mit einer feststehenden und einer umlaufenden Spirale, die jeweils eine kreisförmige Endplatte aufweisen, von der ein Spiralelement axial absteht, wobei beide Spiralelemente mit einer winkelmäßigen und radialen Versetzung ineinander eingreifen, um eine Mehrzahl von Linienkontakten zum Umgrenzen von zumindest einem Paar von abgedichteten, volumenveränderlichen Fluidtaschen zu bilden, einer mit der umlaufenden Spirale wirkungsmäßig verbundenen Antriebsvorrichtung zum Bewirken der Umlaufbewegung und einer Rotationsverhinderungseinrichtung zum Verhindern des Rotierens während der Umlaufbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirallänge eines Spiralelements (282) länger ausgebildet ist als die Spirallänge des anderen Spiralelements (272), so daß sich eine asymmetrische Gasdruckverteilung in den Fluidtaschen in Bezug auf den Mittelpunkt der beiden Spiralelemente ergibt.

2. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirallänge des umlaufenden Spiralelements (282) länger ausgebildet ist als die Spirallänge des feststehenden Spiralelements (272).