DE3442621A1

DE3442621A1 - Spiralfluidverdraengervorrichtung

Info

Publication number: DE3442621A1
Application number: DE19843442621
Authority: DE
Inventors: Masaharu Honjo Saitama Hiraga; Yasuyuki Isesaki Gunma Matsudaira
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1984-11-22
Publication date: 1986-05-22
Also published as: FR2574870B1; IN164141B; CA1259971A; JPS6098186A; GB2167132B; SE458791B; GB8429225D0; AU569926B2; SE8405888L; GB2167132A; AU3575284A; FR2574870A1; US4627800A; SE8405888D0

Description

3U2621

-A-

Spiralfluidverdrängervorrichtung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Spiralfluidverdrängervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fluidverdrängervorrichtung und ein Spiralelement zur Verwendung in einer Spiralfluidverdrängervorrichtung.

Spiralfluidverdrängervorrichtungen sind weithin bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift 801 182 eine Grundkonstruktion mit einem Paar von Spiralen, die jeweils eine kreisförmige Endplatte und ein spiroidales oder evolventisches Spiralelement aufweisen. Die Spiralen sind winkelmäßig und radial gegeneinander versetzt gehalten, so daß beide Spiralelemente zum Bilden einer Mehrzahl von Linienkontakten zwischen ihren Spiralkurvenoberflächen ineinandergreifen, um so zumindest ein Paar von Fluidtaschen abzudichten und zu umgrenzen. Die relative UmIaufbewegung der beiden Spiralen verschiebt die Linienkontakte entlang der Spiralkurvenoberflächen und als Ergebnis ändert sich das Volumen der Fluidtaschen. Damit kann die Spiralfluidverdrängervorrichtung zum Verdichten, Expandieren oder Pumpen von Fluiden verwendet werden.

Spiralfluidverdrängervorrichtungen sind zur Verwendung als Kühlmittelverdichter geeignet. Beim Spiralverdichter wird allgemein Kühlmittelgas in die Fluidtaschen, die am äußersten Endbereich der Spiralelemente umgrenzt sind, aufgenommen und aufgrund der Bewegung der Fluidtaschen, die durch die UmIaufbewegung der umlaufenden Spirale stattfindet, allmählich verdichtet. Schließlich erreicht das verdichtete Fluid den Mittenbereich der ineinandergreifenden Spiralelemente und tritt zu einem äußeren Fluidkreislauf aus. Daher sind im Mittelbereich der ineinandergreifenden Spiralelemente die Temperatur

und der Druck des Kühlmittelgases maximal.

Bei den bekannten Spiralverdichtern ist die Dicke der Spiralelemente gleichmäßig gebildet, d.h., die Dicke besitzt vom inneren Endbereich bis zum äußeren Ende die gleiche Größe. Wenn daher die Dicke eines Spiralelementes, insbesondere im Mittenbereich des Spiralelementes, zum Erhalt von ausreichender mechanischer Festigkeit erhöht wird, muß die Dicke vom inneren Endbereich bis zum Außenende des Spiralelementes erhöht werden. Damit steigt das Gewicht der Spirale und damit auch die von der Umlaufbewegung der umlaufenden Spirale erzeugte Zentrifugalkraft an. Dieser Anstieg der Zentrifugalkraft kann verschiedene Probleme hervorrufen, wie beispielsweise einen übermäßige Verschleiß und Beschädigung der Spirale.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Spiralfluidverdrängervorrichtung zu schaffen, bei der die mechanische Festigkeit ohne Gewichtserhöhung verbessert ist. Insbesondere soll dies mit einer einfach aufgebauten Spiralfluidverdrängervorrichtung erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Spiralfluidverdrängervorrichtung gelöst, die 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 im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Verdichtereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2a einen Schnitt durch eine in Fig. 1 verwendete umlaufende Spirale;

Fig. 2b einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 2a;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Grundbeziehungen eines evolventen Spiralelementes der in Fig. 2 gezeigten umlaufenden Spirale;

Fig. 4a einen Schnitt durch eine in Fig. 1 verwendete feststehende Spirale;

Fig. 4b einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 4a;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Grundbeziehungen eines evolventen Spiralelementes der in Fig. 4 gezeigten feststehenden Spirale;

Fig. 6a eine senkrechte Schnittansicht des gegenseitigen Eingriffs von umlaufender und feststehender Spirale ; und

Fig. 6b einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 6a.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Kühlmittelverdichtereinheit 1 gezeigt. Die Einheit umfaßt ein Verdichtergehäuse 10 mit einer Frontstirnplatte 11 und einem becherförmigen Gehäuse 12, das an einer Stirnfläche der Frontstirnplatte 12 befestigt ist. In der Mitte der Frontstirnplatte 11 ist eine Öffnung zum Hindurchgehen einer Antriebswelle 13 gebildet. Ein ring-

Ansatz
förmiger hervorstehender/112 ist konzentrisch mit der Öffnung 111 an der inneren Oberfläche der Frontstirnplatte 11 gebildet und steht zum becherförmigen Gehäuse 12 hin vor. Eine äußere periphere Oberfläche des ringförmigen Ansatzes 12 erstreckt sich in die Öffnung des becherförmigen Gehäuses 12. Damit ist das becherförmige Gehäuse 12 durch die Frontstirnplatte 11 abgedeckt. Ein O-Ring 14 sitzt zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des ringförmigen Ansatzes 112 und der Innenoberfläche des becherförmigen Gehäuses 12 und dichtet damit die aneinanderliegenden Oberflächen von Frontstirnplatte 11 und becherförmigem Gehäuse 12 gegeneinander ab. Die Frontstirnplatte 11 besitzt eine Ringmanschette 15, die sich von der

Frontstirnfläche der Frontstirnplatte 11 derart erstreckt, daß sie die Antriebswelle 13 zum Umgrenzen eines Radialdichtungsraumes umgibt. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Manschette 15 getrennt von der Frontstirnplatte 11 ausgebildet, und die Manschette 15 damit an der Frontstirnfläche der Frontstirnplatte 11 durch eine Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise Schrauben 16 befestigt. Alternativ dazu kann die Manschette 15 auch mit der Frontstirnplatte 11 einstückig ausgebildet sein.

Die Antriebswelle 13 ist in der Manschette 15 über ein Lager 17, das im Vorderende der Manschette 15 angeordnet ist, drehbar gelagert. Die Antriebswelle 13 besitzt an ihrem inneren Endbereich einen scheibenförmigen Bereich 131, der in der Frontstirnplatte 1 über ein in der Öffnung 111 der Frontstirnplatte 11 angeordnetes Lager 18 drehbar gelagert ist. Innerhalb des Radialdichtungsraumes ist auf der Antriebswelle 13 eine Radialdichtungseinrichtung 19 montiert.

Die Antriebswelle 13 ist mit einer elektromagnetischen Kupplung 20 gekoppelt, die auf dem äußeren Umfangsbereich der Manschette 15 angeordnet ist. Damit wird die Antriebswelle 13 durch eine externe Kraftquelle (beispielsweise einen Kraftfahrzeugmotor) über die elektromagnetische Kupplung angetrieben.

Innerhalb der inneren Kammer des Gehäuses 10 sind eine Anzahl von Elementen einschließlich einer feststehenden Spirale 21, einer umlaufenden Spirale 22, einer Antriebsvorrichtung für die umlaufende Spirale 22 und einer Rotationsverhinderungs-/ Drucklagereinrichtung 23 für die umlaufende Spirale 22 angeordnet. Die innere Kammer des Gehäuses 10 ist zwischen der inneren Oberfläche des becherförmigen Gehäuses 12 und der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 definiert.

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Die feststehende Spirale 21 umfaßt eine kreisförmige Endplatte 211 und ein Hüllen- oder evolventisches Spiralelement 212, das an einer Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 211 befestigt ist oder sich von dieser aus erstreckt. Die kreisförmige Endplatte 211 ist ferner mit Ansätzen 213 versehen, die mit einem Innengewinde versehen sind und von der anderen Stirnfläche der Endplatte 211 axial hervorstehen. Eine axiale Stirnfläche jedes Ansatzes 213 liegt gegen die Innenoberfläche einer Bodenplatte 121 an und ist an dieser mittels Schrauben 24 befestigt, die in die Ansätze von der Außenseite der Bodenplatte 121 hineingeschraubt sind. Ein Dichtelement 25 ist in einer Umfangsnut angeordnet, die auf der äußeren peripheren Oberfläche der kreisförmigen Endplatte 211 gebildet ist, so daß die innere Kammer des Gehäuses in eine rückwärtige Kammer 26 in den Ansätzen 213 der feststehenden Spirale 21 und eine Vorderkammer 27, in der das Spiralelement 212 der feststehenden Spirale 21 angeordnet ist, geteilt ist.

Das becherförmige Gehäuse 12 ist mit einer Fluideinlaßöffnung 28 und einer Fluidauslaßöffnung 29 versehen, die mit der rückwärtigen Kammer 26 bzw. der Vorderkammer 27 verbunden sind.

Durch die kreisförmige Endplatte 211 ist an einer Stelle nahe der Mitte des Spiralelementes 212 ein Loch bzw. eine Austrittsöffnung 214 zum Verbinden der rückwärtigen Kammer 26 mit den zentralen Fluidtaschen gebildet. Ein Reed-Ventil bzw. Rückschlagventil 30 schließt die Austrittsöffnung 214.

Die in der Vorderkammer 26 angeordnete umlaufende Spirale 22 besitzt eine kreisförmige Endplatte 221 und ein Hüllen- oder evolventisches Spiralelement 222, das an einer Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 221 befestigt ist oder sich von dieser aus erstreckt. Beide Spiralelemente 212 und 222 greifen mit einer winkelmäßigen Versetzung von 180° und einer vorbestimmten radialen Versetzung ineinander. Dadurch ist zwischen den Spiralelementen 212, 222 zumindest ein Paar von Fluidtaschen umgrenzt. Die umlaufende Spirale 22 ist auf einer

Buchse 31 über ein Lager 32, das zwischen der äußeren peripheren Oberfläche der Buchse 31 und einer Innenoberfläche des von der rückwärtigen Oberfläche der Endplatte 221 axial hervorstehenden ringförmigen Ansatzes 223 sitzt, drehbar gelagert. Die Buchse 31 ist mit einem inneren Ende des scheibenförmigen Bereiches 131 an einem Punkt radial versetzt oder exzentrisch zur Achse der Antriebswelle 13 verbunden. Die umlaufende Spirale 22 führt damit die UmIaufbewegung bei Drehung der Antriebswelle 13 durch.

Die Rotationsverhinderungs-/Drucklagereinrichtung 23 ist zwischen der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 und der Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 221, die der inneren Stirnfläche der Frontstirnplatte 11 gegenüberliegt, angeordnet. Die Rotationsverhinderungs-ZDrucklagereinrichtung 23 umfaßt einen an der inneren Stirnfläche des ringförmigen Ansatzes 112 der Frontstirnplatte 12 befestigten feststehenden Ring 231, einen an der Stirnfläche der kreisförmigen Endplatte 221 befestigten umlaufenden Ring 223 und eine Mehrzahl von Lagerelementen wie beispielsweise Kugeln 233, die zwischen Taschen 231a, 232a liegen, die an beiden Ringen 231, 232 gebildet sind. (In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist jeder Ring 231, 232 eine Laufplatte 231A, 232A und eine auf bzw. mit Taschen 231a, 232a gebildete Ringplatte 231b, 232b auf. Aiterativ dazu können die Laufplatte und die Ringplatte einstückig miteinander ausgebildet sein.) Die Rotation der umlaufenden Spirale 22 während der Umlaufbewegung wird durch die Wechselwirkung der Kugeln 233 mit den Ringen 231, 232 verhindert. Ferner wird die Axiallast von der umlaufenden Spirale 22 von der Frontstirnplatte 11 über die Kugeln 233 getragen.

Während des Betriebs des Verdichters wird in die Vorderkammer 27 durch die Fluideinlaßöffnung 28 einströmendes Fluid in die Fluidtaschen aufgenommen, die in den offenen Räumen zwischen dem Außenende eines der Spiralelemente 212, 222 und der äußeren

/ltr

Wandfläche des anderen Spiralelementes gebildet sind. Bei der Umlaufbewegung der umlaufenden Schraube 22 wandern diese Fluidtaschen zum Mittenbereich der Spiralelemente mit einer daraus folgenden Volumenverringerung und Verdichtung des Fluids. Das verdichtete Fluid wird von der zentralen Fluidtasche des Spiralelementes durch die Austrittsöffnung 214 in die rückwärtige Kammer 26 ausgestoßen. Danach tritt das Fluid durch die Fluidauslaßöffnung 29 in den äußeren Fluidkreislauf aus.

Unter Bezug auf die Figuren 2 und 3 soll im folgenden der Aufbau des Spiralelementes der umlaufenden Spirale im Detail beschrieben werden. Die Dicke des Spiralelementes 222 ist zum äußeren Endbereich hin allmählich bzw. stetig verringert. Die innere Wandfläche jedes Spiralelementes 222 ist durch eine Evolventenkurve L. gebildet, die an einem Punkt beginnt, der auf dem Erzeugerkreis liegt und von der horizontalen Ebene winkelmäßig um ß. versetzt ist. Der Erzeuger kreis der Evolventenkurve L₁ besitzt einen Radius rg.. . Die äußere Wandfläche des Spiralelementes 222 ist ebenfalls durch eine Evolventenkurve L „gebildet, die an einem Punkt beginnt, der auf dem Erzeugerkreis liegt und von der horizontalen Ebene winkelmäßig um ß_ versetzt ist. Der Erzeugerkreis der Evolventerikurve L_ besitzt einen Radius rg₂, der kleiner als der Radius rg.. gewählt ist. Bei dieser Anordnung wird die Dicke "t¹" des Spiralelementes allgemein definiert durch den Abstand zwischen den Schnittpunkten P, B der beiden Evolventenkurven und der Tangente an den Erzeugerkreis. Da jedoch bei dieser Erfindung zwei Evolventenkurven mittels verschiedener Erzeugerkreise erzeugt werden, ist die wahre Dicke "t" senkrecht zur Tangente durch den Schnittpunkt P definiert. Die Differenz der beiden Dicken "t" und "t^MI ist betragsmäßig sehr gering, und damit sind beide Dicken ungefähr gleich (t = t¹), und auch die Strecken CB und DE sind ungefähr gleich. Damit ist die Dicke im Punkt P durch die folgende Beziehung gegeben:

t = rg (φ + ß ) - rg.. (φ -B₁)

d- c. 1 1

OC ₌ ( r*a — τσ )r/, + ( r>p R — r*a R \

d. 1 dc. 11

Ferner ist der Radius rg₁ des Erzeugerkreises, mit dem die Innenwandkurve gebildet ist, größer gewählt als der Radius rg_? des Erzeugerkreises, durch den die Außenwandkurve gebildet ist, und damit ist das Dickenänderungsverhältnis bzw. die Dickenänderung dt/d?$ negativ.

Wie oben erwähnt wurde, verringert sich die Dicke des Spiralelementes allmählich vom inneren Endbereich zum Außenende, und damit ist das Gesamtgewicht der umlaufenden Spirale verringert, während die mechanische Festigkeit des Spiralelementes unverändert ist. Als Folge davon kann die von der Umlaufbewegung der umlaufenden Spirale 22 erzeugte Zentrifugalkraft reduziert sein.

Andererseits ist die Dicke des Spiralelementes 212 der feststehenden Spirale 21 allmählich bzw. stetig ansteigend gebildet zum Ausgleich der Dickenverringerung des gegenüberliegenden Spiralelementes, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Nach Fig. 5 ist die innere Wandfläche des Spiralelementes 212 der feststehenden Spirale 21 durch eine Evolventenkurve L„ gebildet, die an einem Punkt beginnt, der auf dem Erzeugerkreis liegt und von der Horizontalebene winkelmäßig um ß„ versetzt ist. Der Erzeugerkreis der Evolventenkurve L„ besitzt den Radius rg„. Die Außenwandkurve des Spiralelements 212 ist ebenfalls durch eine Evolventenkurve L. gebildet, die an einem Punkt beginnt, der auf dem Erzeugerkreis liegt und von der horizontalen Ebene winkelmäßig um ß. versetzt ist. Der Erzeugerkreis der Evolventenkurve L₄ besitzt den Radius rg₄, der größer als der Radius rg„ gewählt ist.

Bei dieser Anordnung ist die Dicke "t" am Punkt P der Evolventenkurve L_ durch folgende Beziehung gegeben:

t # t¹ = rg₄ (φ + B₄) - rg₃ {φ - B₃)

Der Radius rg. des Erzeugerkreises, mit dem die Außenwandkurve gebildet ist, ist größer gewählt als der Radius rg_Q des Erzeugerkreises, mit dem die Innenwandkurve gebildet ist, und damit ist das Dickenänderungsverhältnis bzw. die Dickenänderung (dt/d(z5) positiv.

Gemäß Fig. 6 ist die Dickenverringerung des umlaufenden Spiralelementes 222 kompensiert bzw. ausgeglichen durch den Wandstärkenanstieg des feststehenden Spiralelementes 21, so daß eine UmIaufbewegung der umlaufenden Spirale 22 bei vorbestimmtem Umlaufradius sichergestellt ist.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O AG 4S--3232 P/K/so SANDEN CORPORATION, Isesaki/Japan Spiralfluidverdrängervorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Spiralfluidverdrängervorrichtung mit einem Paar von Spiralen, von denen jede eine kreisförmige Endplatte und ein Spiralelement aufweist, welches an einer Stirnfläche der Endplatte befestigt ist oder sich von dieser erstreckt, wobei beide Spiralen so winkelmäßig und radial versetzt gehalten sind, daß die Spiralelemente ineinandergreifen, um eine Mehrzahl von Linienkontakten zum Umgrenzen von zumindest einem Paar von abgedichteten Fluidtaschen zu bilden, und einer Antriebsvorrichtung, die mit einer der Spiralen zum Bewirken der Umlaufbewegung der einen Spirale relativ zur anderen Spirale, um dabei das Volumen der Fluidtaschen zu verändern, wirkungsmäßig verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Spiralelement (212; 222) der einen Spirale (21; 22) mit einer zu ihrem Außenende hin all-

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER ■ D-8000 MÜNCHEN 90 ■ HARTHAUSER STR. 25d · TEL. (O 89) 640 640

mählich abnehmenden Dicke und das Spiralelement (222, 212) der anderen Spirale (22; 21) mit einer allmählich zunehmenden Dicke zum Ausgleichen der Dickenverringerung des gegenüberliegenden Spiralelementes (212; 222), um die Aufhebung aller Linienkontakte der beiden Spiralelemente (212, 222) zu verhindern, gebildet sind.

2. Spiralfluidverdrängervorrichtung mit einem Gehäuse mit Fluideinlaß- und Fluidauslaßöffnung, einer feststehenden Spirale, die innerhalb des Gehäuses fest angeordnet ist und eine kreisförmige Endplatte aufweist, von der sich ein erstes Spiralelement erstreckt, einer umlaufenden Spirale mit einer kreisförmigen Endplatte, von der sich ein zweites Spiralelement erstreckt, wobei das erste und zweite Spiralelement mit einer winkelmäßigen und radialen Versetzung ineinandergreifen, um eine Mehrzahl von Linienkontakten zum Umgrenzen von zumindest einem Paar von abgedichteten Fluidtaschen zu bilden,, einer Antriebsvorrichtung, die mit der umlaufenden Spirale zum Bewirken der UmIaufbewegung derselben bei gleichzeitiger Verhinderung der Rotation der umlaufenden Spirale mittels einer Rotationsverhinderungseinrichtung wirkungsmäßig verbunden ist, um dabei das Volumen der Fluidtaschen zu verändern,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spiralelement (222) der umlaufenden Spirale (22) eine allmählich abnehmende Wandstärke zur Verringerung der Wandstärke vom Innenende aus und das erste Spiralelement (212) der feststehenden Spirale (21) eine allmählich zunehmende Wandstärke für eine vom inneren Ende anwachsende Wandstärke zum Ausgleich der Verringerung des zweiten Spiralelementes (222) aufweisen.

3. Spiralfluidverdrängervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Wandfläche und eine äußere Wandfläche des zweiten Spiralelementes (222) durch jeweilige Kreisevolventenkurven (L₁; L_?) gebildet sind, deren Erzeugerkreise unterschiedliche Radien aufweisen.

4. Spiralfluidverdrängervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Wandfläche und eine äußere Wandfläche des ersten Spiralelementes (212) durch jeweilige Kreisevolventenkurven (L„; L.) gebildet sind, deren Erzeugerkreise unterschiedliche Radien besitzen.