DE3506374A1

DE3506374A1 - Schneckenkompressor

Info

Publication number: DE3506374A1
Application number: DE19853506374
Authority: DE
Inventors: James Carl La Crescent Minn. Tischer; Robert Eugene Genoa Wis. Utter
Original assignee: Trane Co
Current assignee: Trane Co
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1985-08-22
Anticipated expiration: 2005-02-21
Also published as: JPS60190691A; GB2154665A; HK94192A; GB2154665B; DE3506374C2; FR2559848B1; US4522575A; CA1222734A; JPH0631630B2; FR2559848A1; GB8504470D0

Description

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Beschreibung :
"Schneckenkompressor"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schneckenkompressor zur Kompression eines Fluids, bestehend aus zwei Platten, die mit ineinandergreifenden, zwischen sich Taschen bildenden Evolventen-Wänden versehen sind und die Orbitalbewegungen relativ zueinander vollführen und dabei das Fluid komprimieren, und aus Mitteln, die das Volumen innerhalb des Kompressors in einen Saugraum, in dem niedriger Druck herrscht, und in einen Druckraum, in dem hoher Druck herrscht, teilt, wobei der hohe Druck die eine Platte zu Dichtzwecken gegen die andere Platte drückt.

Bei einem bekannten Kompressor dieser Art (US-PS 4 365 941) unterliegt die eine Platte insgesamt einem Druck, der gleich dem hohen Druck ist bzw. von diesem allein abgeleitet ist. Letzteres geschieht dadurch, daß der hohe Druck über eine dünne Leitung auf die Platte wirkt. Eine exakte Festlegung der axialen Kraft ist hierbei schwierig bzw. nicht möglich, weil der hohe Druck schwankt bzw. nicht genau vorherbestimmbar ist. Die axiale Kraft ist also entweder zu groß, so daß eine zu große Reibung auftritt, oder weitgehend unbestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Kompressor derart zu verbessern, daß die axiale Kraft reduziert ist bzw. vorherbestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eine Platte teilweise auch dem niedrigen Druck unterliegt.

Die Größe des axialen Druckes wird also nicht mehr durch den Durchmesser der Zuflußleitung bzw. ihrer Anordnung beeinflußt, sondern dadurch, daß das Verhältnis der beiden Drucke bzw. das Verhältnis der beiden Flächen der Platte, auf die die Drucke wirken, ausgenutzt wird, was vorausberechenbar ist. Hinzu

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kommt, daß DruckSchwankungen des hohen Druckes sich nicht mehr bzw. kaum noch auf den Axialdruck auswirken können. Außerdem ist die Reibung zwischen den Platten reduziert.

Weitere Schriften, die den Stand der Technik dokumentieren, sind US-PSn 4 065 279, 4 415 317, 3 600 114, 3 994 633, von deren Gegenständen sich der Erfindungsgegenstand vorteilhaft abhebt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Schneckenkompressor 10. Dieser weist ein dichtes Gehäuse auf, das aus einem oberen Gehäuseteil 11 und einem unteren Gehäuseteil 12 besteht. Ein Tragrahmen 13 ist mit seinem äußeren Rand zwischen den beiden Gehäuseteilen dicht befestigt. Das obere Gehäuseteil 11 greift mit einem abgekröpften Rand 14 dicht über das untere Gehäuseteil 12. Beispielsweise ist der Rand 14 an dem Gehäuseteil festgeschweißt.

Der Rahmen 13 trägt einen Motor, der aus einem Stator 15 und einem Rotor 16 besteht. Dieser Motor befindet sich zentrisch im unteren Gehäuseteil 12. Mehrere Bolzen 23, die den Stator 15 in Abständen voneinander außen durchlaufen, sind in den Rahmen 13 eingeschraubt und halten auf diese Weise den Stator 15 an dem Rahmen 13. Der Rotor 16 ist im Preßsitz od.dgl. an einer Antriebswelle 17 befestigt. Diese ist drehbar in einem Lager 18

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in dem Rahmen 13 gelagert. Das obere Ende der Welle weist eine Kurbel 19 auf, die mit einem Kurbelzapfen 20 ausgerüstet ist. Dieser sitzt exzentrisch zur Längsachse der Antriebswelle 17 in einem Lager 21 eines Schwinggliedes 22. Dieses stellt eine Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen 20 und einer beweglichen Schneckenplatte 24 dar. Letztere sitzt mit einem Zapfen 24a in einem Lager 25 des Schwinggliedes 22. Die Mittelachse des Zapfens 24a beschreibt eine Orbitalbewegung, wenn die Kurbel 19 rotiert. Die Einzelheiten der Orbitalbewegung und die Vorteile ergeben sich aus der Schrift zum US-Patent 3 924 977.

Eine stationäre Schneckenplatte 26 sitzt an dem Rahmen 13 und ist der beweglichen Schneckenplatte 24 gegenüber angeordnet. Ein evolventenförmiges Wandelement 27 sitzt an der stationären Schneckenplatte 26 und erstreckt sich zur beweglichen Schnekkenplatte 24 hin. Ebenso sitzt an der Oberseite der beweglichen Schneckenplatte 24 ein evolventenförmiges Wandelement 28, das sich zur stationären Schneckenplatte hin erstreckt. Es wirkt mit dem Wandelement 27 zusammen. Außerdem weist die stationäre Schneckenplatte 26 einen Druckring 29 auf, der ebenfalls der beweglichen Schneckenplatte 24 zugewandt ist und die Wandelemente 27 und 28 einschließt. Der Druckring 29 nimmt die axiale Kraft rund um die Wandelemente 27 und 28 auf. Die Stirnfläche des Druckringes 29 kann mehrere radiale und axiale Nuten (nicht dargestellt) aufweisen, über die Schmiermittel auf der Stirnfläche verteilt wird vorwiegend in dem Bereich, wo sie der beweglichen Schneckenplatte 24 anliegt. Einzelheiten darüber werden weiter unten erläutert.

Eine bekannte Oldham-Kupplung besteht aus vier Gleitblöcken 30, die in Schlitzen 31 ruhen. Durch diese Kupplung wird erreicht, daß sich die bewegliche Schneckenplatte 24 in einem festen Winkelverhältnis zur stationären Schneckenplatte 26 bewegt. Weitere Einzelheiten der Oldham-Kupplung ergeben sich aus Figur 3· Die Gleiblöcke 30 sind andererseits mit einem Kupp-

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lungsring 32 verbunden. Zwei Schlitze 31 liegen diametral einander gegenüber und zwei weitere Schlitze 31 ebenfalls, wobei deren Verbindungslinie senkrecht zu der Verbindungslinie der beiden anderen Schlitze steht. Die einen Schlitze 31 (siehe Fig. 1) befinden sich in der beweglichen Schneckenplatte 24. Die beiden anderen Schlitze 31 befinden sich in dem Rahmen 13· Durch die Gesamtkonstruktion wird bewirkt, daß die bewegliche Schneckenplatte 24 in einem festen Winkelverhältnis zu der stationären Schneckenplatte 26 bleibt.

Die in radialer Richtung inneren und äußeren Flankenflächen der Wandelemente 27 und 28 berühren sich in zwei oder mehreren Punkten, so daß eine Tasche oder mehrere Taschen für das Fluid, welches durch die Orbitalbewegung der beweglichen Platte 24 komprimiert wird, definiert wird bzw. werden. Diese Fluidtaschen 34 verändern ihr Volumen, wenn sie sich längs der Wandelemente 27 und 28 bewegen. Im vorliegenden Fall wird das in ihnen befindliche Fluid komprimiert. Dieses tritt zunächst in das Gehäuse 11 durch eine Einflußleitung 35 ein. Diese steht in Verbindung mit einer Saugkammer 36 des Kompressors, die sich im oberen Gehäuseteil 11 befindet. Das Fluid strömt durch mehrere Öffnungen 37 und gelangt in eine Ringkammer 38, die außerhalb des Druckringes 29 angeordnet ist. Das Fluid strömt dann durch mehrere Kanäle 39 und gelangt auf diese Weise zu den äußeren Enden der Wandelemente 27 und 28. Die Bewegung der beweglichen Schneckenplatte 24 hat zur Folge, daß das Fluid, das in die Taschen 34 einströmt, zunächst komprimiert wird und dann durch eine Bohrung 40 etwa in der Mitte der stationären Schneckenplatte 26 abfließt. Das komprimierte Fluid strömt dann durch eine Leitung 41 und verläßt das obere Gehäuseteil Es strömt in das untere Gehäuseteil 12 durch eine Leitung 42.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, fließt das Fluid aus der Leitung 41 zunächst durch einen Wärmeaustauscher 43, in dem das Fluid gekühlt wird, bevor es in das untere Gehäuseteil 12

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strömt. Der Wärmeaustauscher 43 steht in Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft oder einem anderen Kühlmedium, z.B. Wasser. Wenn eine Kühlung des Fluids nicht erforderlich ist, kann die Leitung 41 direkt in die Leitung 42 übergehen derart, daß ein Wärmeaustauscher 43 fehlt. Ob das Fluid gekühlt werden muß oder nicht, hängt von der maximalen Temperatur ab, der der Motor in dem Gehäuseteil 12 noch standhalten kann. Da Motoren relativ hohen Arbeitstemperaturen standhalten können, ist ein äußerer Wärmeaustauscher 43 häufig nicht notwendig.

Das komprimierte Fluid, das in den unteren Gehäuseteil 12 durch die Leitung 42 eintritt, fließt durch eine Leitung 44 zum oberen Ende der Statorwindungen 12 des Motors. Das komprimierte Fluid wird auf diese Weise gezwungen, durch den ringförmigen Spalt zwischen Stator 15 und Rotor 16 zu fließen und auf diese Weise den Motor zu kühlen. Eine Bohrung 13a in dem Rahmen 13 sorgt dafür, daß der innere Teil der Unterseite der beweglichen Schneckenplatte 24 ebenfalls dem Fluiddruck ausgesetzt ist. Das komprimierte Fluid fließt aus dem unteren Gehäuseteil 12 dann durch eine Abflußleitung 45 ab.

Der untere Teil des unteren Gehäuseteils 12 bildet ein Ölreservoir 46. Während des Betriebes des Kompressors 10 liegt das Volumen in dem unteren Gehäuseteil 12, das von dem Volumen im oberen Gehäuseteil 11 durch den Rahmen 13 getrennt ist, auf hohem Druck. Das Öl in dem Reservoir 46 unterliegt infolgedessen ebenfalls diesem Druck. Eine Leitung 47 erstreckt sich von dem Ölreservoir durch den Rahmen 13 und geht in eine Leitung 48 über. Diese steht in Verbindung mit den radialen und peripheren Nuten in der Stirnfläche des Druckringes 29. Die Stirnfläche des Druckringes 29 befindet sich auf dem niedrigen Druck, der beispielsweise 200-300 p.s.i. geringer als der hohe Druck in dem Gehäuseteil 12 sein kann. Diese Druckdifferenz drückt Öl durch die Leitung 47, so daß dieses auf der Stirnfläche des Druckringes 29 verteilt wird. Um einen übermäßigen Ölfluß zu verhindern, ist die Leitung 47 entweder mit

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einer sehr dünnen Bohrung versehen oder hat eine Verengung an ihrer Mündung. Das zu der Stirnfläche des Druckringes 29 gelieferte Öl schmiert somit diesen Ring, der auf dem oberen Teil der beweglichen Schneckenplatte 24 gleitet. Das Schmiermittel wird also auch in die Taschen 34 mit dem Fluid gefördert, das durch die Kanäle 39 strömt. Dieses Schmiermittel verbessert die Wirksamkeit des Kompressors 10, indem die Dichtung zwischen den Scheiteln und seitlichen Flächen der Wandelemente 29 und an den jeweiligen Kontaktstellen verbessert wird. Das Öl wird schließlich von dem komprimierten Fluid getrennt, nachdem dieses durch die Leitung 42 geströmt ist und fließt dann in das Reservoir 46 zurück.

Die Schmierung der Lager 18, 21 und 25 wird im übrigen durch eine Zentrifugalölpumpe üblicher Bauart bewirkt, die Öl durch eine innere Bohrung (nicht dargestellt) in der Welle 17 treibt. Diese Zentrifugalpumpen sind bekannt.

Ein wichtiges Element der Erfindung ist ein Druckring 49, der sich vom Rahmen 13 aus radial nach innen erstreckt und Kontakt mit der Unterseite der beweglichen Schneckenplatte 24 hat. Dieser Kontakt erfolgt längs einer Kreislinie, die die untere Fläche der beweglichen Schneckenplatte in zwei Bereiche teilt: Der eine Bereich unterliegt dem hohen Druck und der andere Bereich dem niedrigen Druck. Fig. 3 zeigt die Verhältnisse im einzelnen. Der Bereich 50, der innerhalb dieses Kreises liegt, unterliegt dem hohen Druck. Der Bereich 51, der außerhalb des Kreises liegt, unterliegt dem niedrigen Druck. Da die bewegliche Platte 24 eine Orbitalbewegung macht, verändert sich der Kreis relativ zu dieser ständig. Dennoch bleiben die Größen der Bereiche 50 und 51 konstant. Durch geeignete Wahl des Radius des Druckringes 49 kann der Netto-Axialdruck, der gegen die bewegliche Platte 24 drückt, bestimmt werden. Dieser Netto-Axialdruck muß so sein, daß eine adäquate Dichtung zwischen den Scheiteln der Wandelemente 27 und 28 und der jeweils ge-

wo

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genüberliegenden Schneckenplatte 24 bzw. 26 gewährleistet ist. Ein zu großer Axialdruck würde die Reibung zwischen den gleitenden Flächen erhöhen und die Wirksamkeit des Kompressors reduzieren. Da der hohe Druck und der niedrige Druck leicht bestimmbare Parameter sind, kann auch der Netto-Axialdruck gegen die bewegliche Schneckenplatte 24 leicht als Funktion der Bereiche 50 und 51 bestimmt werden.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schneckenkompressors gemäß der Erfindung. Bei dieser bezeichnen Bezugszeichen, die mit Bezugszeichen der Fig. 1 identisch sind, identische Teile. Bezugsziffern, die mit einem Strich versehen sind, bezeichnen Elemente, die den entsprechenden Elementen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in der Funktion, aber nicht in der Form entsprechen. Die zweite Ausführungsform ist mit 10' bezeichnet. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß das komprimierte Fluid, welches der Bohrung 40 in der stationären Schneckenplatte 26' entströmt, durch eine Leitung 41' fließt, die völlig in dem Gehäuse des Kompressors liegt, was zur Folge hat, daß eine zusätzliche Öffnung in den Gehäuseteilen entfällt. Die zweite Ausführungsform weist ein oberes Gehäuseteil 11' und ein unteres Gehäuseteil 12' auf. Die Leitung 41' erstreckt sich durch die stationäre Schneckenplatte 26 und den Rahmen 13' im äußeren Umfangbereich, also dort, wo diese Teile an die Gehäuseteile 11· und 12' angrenzen.

Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 auch dadurch, daß die Kurbel 19' die bewegliche Schneckenplatte 24 direkt antreibt. Es fehlt also das Schwingglied 22 der Ausführungsform der Fig. 1. Die Kurbel 19' sitzt an der Antriebswelle 17 und ist in einem Rollenlager 18· gelagert, das in dem Rahmen 13' sitzt. Die Kurbel 19^f hat nicht einen Kurbelzapfen 20, sondern ist vielmehr direkt mit dem Antriebszapfen 24a der beweglichen Schneckenplatte 24 verbunden. Ein Rollenlager 25* ermöglicht es, daß die Kurbel 19' um den Zapfen 24a rotieren kann. Da das Lager 25' exzentrisch zu

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der Längsachse der Antriebswelle 17 angeordnet ist, bewirkt die Rotation der Antriebswelle 17 direkt eine Orbitalbewegung der Schneckenplatte 24. Der direkte Antrieb gemäß Fig. 2 kann ebenfalls in der Ausführungsform der Fig. 1 zur Anwendung kommen, bei der das komprimierte Fluid durch eine äußere Leitung 41,42 transportiert wird. Umgekehrt kann der mittelbare Antrieb gemäß Fig. 1 auch in der Ausführungsform der Fig. 2 zur Anwendung kommen, bei der das komprimierte Fluid durch eine innere Leitung 41' transportiert wird. Die Erfindung ist also unabhängig von der Antriebsart.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung arbeitet ebenso wie die erste. Sie besitzt ebenfalls einen Druckring 49» der die Unterseite der beweglichen Schneckenplatte 24 in einen Teil

50, der dem hohen Druck unterliegt, und in einen anderen Teil

51, der dem niedrigen Druck unterliegt, aufteilt. Fig. 3 gilt insofern auch für die zweite Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2. Der Netto-Axialdruck gegen die bewegliche Schnekkenplatte 24 ist also auch in diesem Falle in gleicher Weise bestimmt wie im Falle der Fig. 1.

Claims

Ansprüche :

1. Schneckenkompressor zur Kompression eines Fluids, bestehend aus zwei Platten, die mit ineinandergreifenden, zwischen sich Taschen bildenden Evolventen-Wänden versehen sind und die Orbitalbewegungen relativ zueinander vollführen und dabei das Fluid komprimieren, und aus Mitteln, die das Volumen innerhalb des Kompressors in einen Saugraum, in dem niedriger Druck herrscht, und in einen Druckraum, in dem hoher Druck herrscht, teilt, wobei der hohe Druck die eine Platte zu Dichtzwecken gegen die andere Platte drückt, dadurch g e kennze i chne t, daß die eine Platte (24) teilweise auch dem niedrigen Druck unterliegt.

2. Schneckenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Rahmen (13) umfassen, der dicht an die Innenseite des Gehäuses (11,12) anschließt

Postscheckkonto Berlin West Konto 1743 84 - 100

Berliner Bank AG.. Konto 01 10921 900

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- 2 und die Platten (24,26) trägt.

3. Schneckenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte (24) den beiden Drucken ausgesetzt ist.

4. Schneckenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dai3 die dem Rahmen (13) zugewandte Fläche der Platte (24) den beiden Drucken ausgesetzt ist.

5- Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rahmen (13) ein Dichtring (49) befestigt ist, der gegen die eine Platte (24) dichtend drückt und dacUrch die Aufteilung bewirkt.

6. Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Fluidabflußmündung (40) in der anderen Platte, insbesondere der stationären Platte (26), insbesondere in deren Zentrum, befindet.

7. Schneckenkompressor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluidabflußleitung (41'), die die Fluidabflußmündung (40) mit dem Raum hohen Druckes verbindet, innerhalb des Kompressorgehäuses (11,12) verläuft.

8. Schneckenkompressor nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluidabflußleitung (41 ), die die Fluidabflußmündung (40) mit dem Raum hohen Druckes verbindet, teilweise außerhalb des Kompressorgehäuses (11,12) verläuft.

9· Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichne t, daß das komprimierte Fluid durch einen Ringspalt zwischen Stator (15) und Rotor (16) eines Elektromotors strömt und dann den Kompressor verläßt.

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10. Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (13) die Antriebmittel (15,16,17) trägt.

11. Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (49) mit seinem äußeren Rand an dem Rahmen (13) befestigt ist und mit seinem inneren Rand der beweglichen Platte (24) anliegt.

12. Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (49) elastisch ist.

13· Schneckenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Druck innen und der niedrige Druck außen auf die bewegliche Platte (24) drückt.

14. Schneckenkompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Druck über eine Öffnung (13a) in dem Rahmen (13) und den Raum, in dem sich eine Kurbel (19, 19') befindet, auf die bewegliche Platte (24) wirkt.

15· Schneckenkompressor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch g e kennze i chne t, daß der niedrige Druck über eine Öffnung (37) in der stationären Platte (26) und an einem Kupplungsring (32) vorbei, der zwischen der beweglichen Platte (24) und dem Rahmen (13) angeordnet ist, auf die bewegliche Platte (24) wirkt.