DE3506376A1

DE3506376A1 - Rotationsmaschine fuer fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3506376A1
Application number: DE19853506376
Authority: DE
Inventors: Takahisa Nagoya Aichi Hirano
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1985-09-05
Also published as: FR2559846A1; GB8504477D0; GB2154666A; AU3892485A; SG39089G; FR2559846B1; GB2154666B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine, für Flüssigkeiten, wie beispielsweise für einen Kompressor, eine Pumpe, einen Expander o.dgl.

Der übliche Aufbau beispielsweise eines spiralartigen Kompressors, dessen Funktionsprinzip in Fig. 1 schematisch dargestellt ist und von dem bei der Erläuterung bekannter Flüssigkeitskompressoren ausgegangen werden soll, weist zwei Spiralelemente mit demselben Querschnitt auf, von denen eines (2) auf einer Seite einer abdichtenden Abdeckplatte mit einer Auslaßöffnung 4 befestigt ist und das andere Element 1 auf der Seite der gegenüberliegenden Abdeckplatte befestigt ist. Darin werden diese beiden Elemente 180° zueinander gedreht in Drehung versetzt und um eine Strecke 2·ρ verdreht (wobei ρ das Steigungsmaß der Spirale vermindert um das Doppelte der Spiralelementenplattendicke ist), so daß sie miteinander wie in Fig. 1 gezeigt, verschachtelt werden und sich gegenseitig an vier Punkten 51, 52, 51' und 52' berühren..In diesem Aufbau ist das eine Spiralelement 2 stationär angeordnet, das andere Element 1 ist so angeordnet, daß es sich umwälzt oder mit einer Sonnenradbewegung mit Radius p=00' um das Zentrum 0 des Spiralelementes 2 bewegt, ohne sich dabei umlaufend oder planetarisch um seine eigene Achse zu bewegen, aufgrund der Anwendung eines Kurbelmechanismus mit dem Radius p.

In diesem Aufbau sind kleine Kammern 3 begrenzt, die zwischen den Berührungspunkten 51» 52, 51' und 52' der Spiralelemente 1 und 2 dicht eingeschlossen sind, wobei sich die Volumina dieser Kammern schrittweise mit der Wälz- oder Sonnenbewegung des Spiralelementes verändern. Wenn das Spiralelement 1 zuerst ausgehend von der Lage in Fig. 1 (A) um 90° rotiert, geht es in die Lage nach Fig. 1 (B), nach 180° entsprechend Fig. 2 (C) und nach 270° entsprechend Fig. 1 (D) über.

Dabei nimmt das Volumen der kleinen Kammern 3 allmählich ab und schließlich vereinigen sie sich zu einer festgeschloasenen kleinen Kammer 53. Nach einer weiteren Drehung"um 90° aus der Position nach Fig. 1 (D), kehrt es in die Lage nach Fig. 1 (A) zurück. Das Volumen der kleinen Kammer 53 verkleinert sich beim Übergang vom Zustand nach Fig. 1 (B) zum Zustand nach Fig. 1 (C) und schließlich nimmt es ein Minimum für einen Ubergangszustand zwischen Fig. 1 (C) und 1 (D) an. Während dieses Bewegungsablaufs beginnen Außenräume sich zu öffnen (vgl. Fig. 1 (B)) und größer zu werden, während sich das Element 1 von den Lagen nach Fig. 1 (C) nach 1 (D) und schließlich 1 (A) bewegt, so daß weiteres Gas in die kleine Kammer gelangt, woraufhin sich der ganze Zyklus wiederholt, so daß das von den Außenräumen der Spiralelemente aufgenommene Gas entsprechend komprimiert wird, das dann aus der Auslaßöffnung 4 austritt.

Der konstruktive Aufbau eines Spiralkompressors geht genauer aus Fig. 2 hervor. Der dort dargestellte Querschnitt zeigt ein Gehäuse 10, bestehend aus einer vorderen Abdeckplatte 11, einer hinteren Abdeckplatte 12 und dem zylindrischen Teil 13. Die hintere Platte 12 ist mit einer Ansaugöffnung 14 und einer Auslaßöffnung 15 versehen, die jeweils von der Platte abstehen. Sie ist weiterhin mit einem stationären Spiralelement 25 fest verbunden, das aus einem Spiral- oder Schneckenleitblech 252 und einer Scheibe 251 besteht. Die vordere Platte 11 lagert drehbar eine Spindel 17 mit einem Kurbelzapfen 23. Wie Fig. 3, die einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 darstellt, zeigt, steht mit dem Kurbelzapfen 23 ein bewegbares Spiralteil 25 mit der Schnecke 242 und einer Scheibe 241 in operativen Eingriff, und zwar durch einen nicht-drehbaren oder stationären Mechanismus, bestehend aus einem Nadelquerlager 26, einer Nabe 243 des bewegbaren Spiralelements 24, einer Vierkantbuchse 271, einem Schieber 291, einem Ring 292 und einem Anschlag 293-

Weiterhin sind Teile wie ein Nadelquerlager 16 für die Welle 17, eine bewegbare Druckplatte 27, die aus einem Stück mit einer Vierkantbuchse 271 geformt ist, eine Rückenplatte 21 und Axialdrucklager 20 und 22 vorgesehen, die alle zur Aufnahme von Axialdruck dienen,

Ein deratig aufgebauter Kompressor weist jedoch die folgenden Nachteile auf:

1. Es sind relativ viele Komponenten am Aufbau beteiligt

2. Die Fugen zwischen den Teilen, die gegeneinander verschiebbar sind, müssen mj t engsten Toleranzen gefertigt werden. Dies erhöht die Herstellungskosten der Maschinen.

3. Wenn die erforderten Präzisionsanforderungen an die Fugen nicht erfüllt werden, treten Klopfgeräusche an der Maschine auf, die auf das Risiko unnormalen Verschleisses der Gleitelemente hinweisen. Schließlich wird die Lebensdauer der Maschine erheblich verkürzt.

Um diese Nachteile zu beseitigen, insbesondere die der konventionellen Rotationsmaschine mit dem nichtdrehbaren Mechanismus wie oben beschrieben, wurde vor kurzem eine Rotationsmaschine vorgeschlagen, die ohne diesen nichtdrehbaren Mechanismus auskommt (vgl. JP-Anm. 205 413/1982, 149 092/1982 und Japanische Gbm-Anm. 130 551/1982).

Die Konstruktion gemäß JP-205 413/1982 ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein Spiralelement (stationäres Spiralelement) 500 ist fest an einer Dichtendplatte mit einer zentralen Auslaßöffnung (nicht dargestellt) angebracht. Ein zweites (bewegbares) Spiralelement ist fest gegen eine gegenüberliegende Endplatte so plaziert, daß die Elemente sich gegenseitig an den Punkten 502, 503, 502« und 503' berühren.

Diese Spiralelemente wirken so zusammen, daß, während ein Abstand "1" zwischen der Mitte p¹ des Antriebszapfens (nicht dargestellt), der die Umwälzbewegung des bewegbaren Spiralelements 501 mit dem Bewegungsradius J) und eine Hin- und Herbewegung eines Punktes ρ auf einem Bogen mit Radius r erzeugt, konstant bleibt, das bewegbare Spiralelement 501 veranlaßt wird, sich mit einer Umwälzbewegung um die Mitte 0' der Antriebswelle mit dem Wälzradius j> (Abstand Antriebswellenmitte 0' zur Antriebszapfenmitte p¹) zu bewegen.

Die Umwälzbewegung dieser Spiralelemente ist also so festgelegt, daß der Punkt p' sich auf einem Kreis mit dem Radiusfbewegen kann und der Punkt ρ sich auf dem Kreisbogen mit Radius r um den Punkt 0" hin und herbewegt, während die Beziehung pp'=l aufrechterhalten bleibt.

An einer derartigen Anordnung sind kleine, fest geschlossene Räume oder Kammern 504, 504' zwischen den Berührungspunkten 502, 503» 502· und 503' der beiden Spiralelemente 500, 501 festgelegt. Diese Kammern 504, 504' erfahren eine allmähliche Verminderung ihres Volumens, wenn die bewegbare Spirale 501 sich wie vorgesehen im Betrieb bewegt.

Wenn sich nun das Spiralelement 501 ausgehend von der Lage in Fig. 4 (A) um 45° bewegt, nimmt es die in Fig. 4 (B)'gezeigte Position an, nach weiteren 90° entsprechend die Lage nach Fig. 4 (C) usw., bis es schließlich nach 315° die in Fig. 4 (H) gezeigte Lage einnimmt.

AA

Während dieses Bewegungsablaufes werden die kleinen Kammern 504, 504' immer kleiner. Bei einer weiteren Bewegung um 45°, ausgehend von der Lage des Elements nach Fig. 4 (H), wird es in die Position nach Fig. (A) zurückkehren; die kleinen Kammern 504, 504' werden dann den Kammern 505, 505' ähneln, die ihrerseits nun miteinander in Verbindung stehen.

Während eines weiteren Zyklus durchläuft das Element 501 wiederum alle Stationen entsprechend den Fig. 4 (A) bis 4 (H). In dem Moment, in dem es die Lage nach 4 (H) einnimmt, nimmt das Volumen der Kammern sein Minimum an. Mit jedem Zyklus der Lageverschiebung des Elements 501 werden die Außenräume zwischen den Enden der Elemente 500 und 501 größer, und zwar beginnend mit der Lage nach Fig. 4 (A), dann Fig. 4 (B) usw., bis nach Fig. 4 (H). Zu Beginn des nächsten Zyklus (Fig. (A)) ist dann ein bestimmtes Gasvolumen in dem Paar kleiner Kammern eingeschlossen. Dies ist dann bei jedem nachfolgenden Zyklus der Fall, wobei das eingeschlossene Gas dann durch die kontinuierliche Volumenreduktion der Kammern komprimiert wird, und schließlich durch die (nicht dargestellte) Auslaßöffnung in der Mitte des Elements 500 nach außen gelangt.

Der konstruktive Aufbau ist in Fig. 5 dargestellt, die einen Teilquerschnitt zeigt, und in Flg. 6, die einen Schnitt entlang der Linie YI-VI in Fig. 5 zeigt.

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Demnach ist ein stationäres Spiralelement 600 lagefest an das Gehäuse 10 montiert. Die vordere Abdeckplatte 11 lagert drehbar die Antriebswelle 17 mit dem Kurbelzapfen 23 und der Nabe 243 eines bewegbaren Spiralelements 601, das drehbar von dem Kurbelzapfen 23 mittels der Nadelquerlager 26 gehalten wird.

Es ist auch erkennbar, daß die Nabe 243 des Elements 601 einen mit ihr aus einem Stück bestehenden Arm 607 aufweist, dessen freies Ende schwenkbar an ein Ende eines Zwischenstückes 609 mit Hilfe eines Stiftes 608 angelenkt ist. Das andere Ende des Zwischenstücks 609 ist in gleicher Weise schwenkbar mittels des Stiftes 611 an einen Stopper 610 angelenkt, der fest mit dem zylindrischen Teil 13 des Gehäuses 10 verbunden ist. Wenn die Welle 17 nun in Drehung versetzt wird, wird der zentrale Teil des bewegbaren Spiralelements 601 veranlaßt, eine Sonnenbewegung (solar motion) auszuführen, und zwar mit dem Abstand zwischen Welle 17 und Kurbelzapfen 23 (dem Radius^?der Drehung), woraus eine Hin- und Herbewegung des Mittelpunktes vom Stift 608 am Arm 607 entlang des Bogens mit dem Mittelpunkt des Stiftes 611 resultiert

U ι

Das Prinzip dieses bekannten Typus von Drehkompressoren erlaubt es, daß die Spiralelemente Jede beliebige Form haben können, die eine Reihe von Berührungspunkten zwischen beiden Spiralelementen festlegt. Infolgedessen

ist es in der Praxis möglich, von allen Nachteilen, insbesondere des konventionellen nicht-drehbaren Mechanismus abzusehen.¹Es ist jedoch noch eine weitere Alternative zu den Konstruktionen bekannt, und zwar eine, die im Bemühen um Kompaktheit,. Senkung der Produktionskosten und einen vereinfachten Aufbau des den Axialdruck aufnehmenden Mechanismus entstand. In Fig. 7 ist ein teilweiser Querschnitt einer solchen Konstruktion dargestellt, in Fig. 8 (A) bzw. 8 (B) ein Schnitt entlang der Linie A-A bzw. B-B in Fig. 7. Es ist zu erkennen, daß eine Reihe von halbkugeligen Ausnehmungen 700 und 703 in der vorderen Seite eines Scheibenteils des bewegbaren Spiralelemts 601, sowie eine bogenförmige Aussparung 701 in der Rückseite 705 der vorderen Abdeckplatte 11 vorgesehen ist, wobei der Bogen durch einen Mittelpunkt 0" und einen Bogenradiusrfestgelegt ist. Zwischen der halbkugeligen Ausnehmung 700 und der bogenförmigen Aussparung 701 befindet sich eine Kugel 704. Ebenso sind Kugeln 715 zwischen den Ausnehmungen 703 und der Rückseite 7Ö5 der vorderen Abdeckplatte vorgesehen. Die Tiefe der halbkugeligen Ausnehmungen 700 und der bogenförmigen Aussparung 701 ist kleiner oder gleich dem Durchmesser der Kugel 704 und die Länge der bogenförmigen Aussparung 701 ist größer oder gleich dem Wert, der eine angemessene Hin- und Herbewegung entlang des Bogens zuläßt, der um das bewegbare Spiralelement herum festgelegt ist (wenn die Kugel 704 in der dargestellten Weise eingesetzt ist). Die Breite der bogenförmigen Aussparung 701 ist so festgelegt, daß sich die Kugel

kaum der Breite nach bewegen kann und der Durchmesser der halbkugeligen Ausnehmung 700, so daß er praktisch gleich dem Durchmesser der Kugel 704 ist.

Mit einer derartigen Dimensionierung entspricht die in der halbkugeligen Ausnehmung 700 des bewegbaren Spiralelements befindlichen Kugel 704 funktionsmäßig genau dem Punkt p, der In Verbindung des Funktionsprinzips nach Fig. 4 erläutert wurde. Da die Bewegung der Kugel 704 den Ausmaßen der bogenförmigen Aussparung 701 entsprechend beschränkt ist, ist nur die Rollbewegung der Kugel entlang" des Bogens mit Radius r um den Mittelpunkt .0" möglich, wodurch erreicht wird, daß eine angemessene Hin- und Herbewegung des Punktes ρ entlang des Bogens gemäß des Funktionsprinzips erhalten wird. Zusammen mit den wie vorstehend beschrieben plazierten Kugeln 715, erfüllt die Kugel 704 die Aufgabe, den während des Betriebes auftretenden Axialdruck aufzunehmen. Damit weist diese Konstruktion Vorteile aufgrund der Kompakt-

20· heit,eines leichten Gewichtes, einer hohen Zuverlässigkeit und der relativ geringen Produktionskosten auf.

Es sind verschiedene Abwandlungen an Kompressoren dieser Art bekannt:

1. Wie in Fig. 9 dargestellt, kann das Teil 801, mit der die bogenförmigen Aussparung 701 festgelegt wird, auch mit der Rückseite 705 der Abdeckplatte aus einem Stück bestehen.

- 10 -

*5 -

2. Anstelle der halbkugeligen Ausnehmungen 700 und 703, kann eine andere Ausnehmung 802 mit rechteckigem Querschnitt gemäß Fig. 10 vorgesehen sein, falls die Kugeln 704 und 715 richtig in ihrer Lage gehalten werden.

3. Die bogenförmige Aussparung 701 kann einen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen, wie der mit dem Bezugszeichen 803 in Fig. 10 bezeichnete Schnitt zeigt.

4. Anstelle'der halbkugeligen Ausnehmung 700 kann eine alternative Konstruktion gemäß Fig. 11 (A) und (B) vorgesehen sein. Ein Positionierungselement 804 mit halbkugeliger Ausnehmung 805 oder ein Ringelement 806 zur geeigneten Positionierung der Kugel kann die Ausnehmung ersetzen. Das Ringelement kann auch mit dem Scheibenteil 605 des bewegbaren Spiralelementes 601 aus einem Stück bestehen. Dies kann auch .für die" Ausnehmung 703 gelten.

5. Alternativ kann in der Rückseite der vorderen Abdeckplatte 11 eine halbkugelförmige Aussparung anstelle der Ausnehmung 703 im Scheibenteil 605 des bewegbaren Spiralelements 601 vorgesehen sein. Die Ausnehmung 703 braucht auch nicht halbkugelförmig zu sein, sondern es kann anstelle dessen ein Führungsteil 808, das aus einem Stück mit der Abdeckplatte besteht, vorgesehen sein, wie dies in Fig.12 dargestellt ist.

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6. Anstelle der Kugel 704 direkt zwischen der halbkugelförmigen Ausnehmung 700 und der gegenüberliegenden bogenförmigen Aussparung 701 kann dazwischen ein Hemmschuh (slipper) 809 wie in Fig.

13 dargestellt vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Ausnehmung 703 und Kugel 715.

7. Anstelle der Kugel 704 kann, wie Fig. 14 (A) zeigt, ein Stift 810 verwendet werden, oder es kann eine Nase 811 an das Scheibenteil 605 angeformt sein (Fig. 14 B). Während der Stift 810 oder die Nase den auftretenden Axialdruck nicht aufnehmen kann, können sie aber für eine angemessen geradlinige Bewegung sorgen. Das Führungsende eines Stifs kann halbkugelförmig ausgebildet sein (Fig. 14 C), um die Druckkräfte aufzunehmen.

8. In den beschriebenen Abwandlungen, bei denen immer die typische Konstruktion gezeigt ist, daß der . Axialdruck direkt vom Scheibenteil 605 des bewegbaren Spiralelements 6oi und der Rückseite 705 der vorderen Abdeckplatte 11 aufgenommen wird, ist es praktisch natürlich möglich, eine passende Druckplatte auf diesen Teilen vorzusehen, um eine erhöhte Lebensdauer zu erhalten.

9. In allen beschriebenen Aufbauten kann natürlich eine richtige Schmierung zwischen den Ausnehmungen, Aussparungen und den Kugeln zweckdienlich sein.

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Zusätzlich zu den beschriebenen Konstruktionen ist ein Verbesserungsvorschlag zur Lösung derselben Probleme in der Jap.Pat.Anm. 149 092/1982 und der Jap.Gbm.Anm. 130 551/1982 gemacht worden, in dem das Mittelteil des bewegbaren Spiralelements sich in sonnenartiger Wälzbewegung (solar revolutionary motion) bewegen kann, während das Teil außerhalb dieses Mittelteils sich geradlinig bewegen kann.

In den Konstruktionen der beschriebenen Rotationsmaschinen ist es wesentlich, eine geeignete Lagebeziehung zwischen der"spiralförmigen oder schneckenförmigen Ausbildung der Spiralelemente zu haben. Ohne diese Lagebeziehung dieser Elemente untereinander entsteht möglicherweise eine unerwünschte Lücke zwischen den Spiralelementen beim Zusammenbau, aus der die Flüssigkeit mit hoher Wahrscheinlichkeit entweichen wird und so die Leistung der Maschine wesentlich herabgesetzt wird.

Das stationäre Spiralelement 600 in den Fig. 5 und 6 ist fest an das Gehäuse 10 angebracht, wohingegen das bewegbare Spiralelement 601 drehbar gelagert durch den Stift 611 an den Stopper 610 des Gehäuses 10 mittels des Armes 607, des Stiftes 608 und des Zwischenstücks 609 angelenkt ist. Mit dieser Konstruktion wird erreicht, daß die Lagebeziehung der spiralförmigen Ausbildungen beider Spiralelemente in bezug auf das Gehäuse 10 festgelegt wird.

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Während es also theoretisch darauf ankommt, geeignete Umfangslagen zwischen dem stationären Spiralelement und dem Gehäuse 10, sowie zwischen dem Stopper 610 und dem Gehäuse 10 sicherzustellen, ist es im allgemeinen recht schwierig, dies in der Praxis zu verwirklichen.

In der Konstruktion nach Fig. 7 und 8 ist das stationäre Spiralelement 600 fest an das Gehäuse 10 angebracht, während das bewegbare Spiralelement 601 mit Hilfe der Kugel 704 und der bogenförmigen Aussparung 601 der vorderen Abdeckplatte 11 in richtiger Lage gehalten wird nach dem Zusammenbau, wobei die Lagebeziehung der spiralförmigen Ausbildungen beider Spiralelemente entsprechend mit Hilfe des Gehäuses 10 und der vorderen Abdeckplatte 11 adjustiert werden kann. Während es hierbei demnach darauf ankommt, geeignete Umfangslagen zwischen dem stationären'Spiralelement 600 und dem Gehäuse 10 und zwischen der vorderen Abdeckplatte und dem Gehäuse 10 zu gewährleisten, ist auch dies schwierig, den Anfor-

20. derungen entsprechend befriedigend zu bewerkstelligen.

Ein Beispiel bekannter Flüssigkeitskompressoren zeigt Bild 18. Es weist ein bewegbares Teil 101 mit einem Scheibenteil 101b und Spiralelement 101a auf. Es ist weiterhin ein stationäres Spiralteil 102 mit Scheibenteil 102b und Spirale 102a erkennbar. Die Spiralen sind im gegenläufigen Sinn ineinanderverschaltet, so daß die Flüssigkeitskammer 103 darin eingeschlossen wird.

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Das stationäre Spiralteil 102 ist an einem Rahmen angebracht, das bewegbare Spiralteil 101 ist mit einem Kurbelstück 107a einer Kurbelwelle 107 durch ein Lager 108a gekoppelt, sowie mit dem Rahmen 106 mittels eines Mechanismus, der eine Eigenrotation verhindert, und zwar durch eine Kopplung nach Oldham. Die Kurbelwelle 107 wird dftrch einen Motor 109 angetrieben, woraufhin sich dann das Teil 101 sonnenartig umwälzend bewegt, und zwar mit dem Kurbelradius p, aber von einer planetarischen Rotation mittels des Mechanismus 108 abgehalten wird, dabei mit Saugwirkung die Flüssigkeit in die Kammer 103 aufnimmt, um sie zu komprimieren und direkt an die Auslaßöffnung 104 im Scheibenteil 102b des stationären Spiralteils 102 zu leiten.

Bei diesem Aufbau eines Flüssigkeitskompressors passiert es gelegentlich, daß die Spiralelemente 102a, 101a des stationären Elementes 102 und des bewegbaren Elements 101 in ungeeigneter Weise miteinander im Eingriff stehen, sich verkanten oder sich die Lücke zwischen ihnen vergrößert, wodurch die Flüssigkeit in Kammer 103 entweichen kann und die Leistung der Maschine herabgesetzt wird.

Unter diesen Umständen wurde in den bekannten Vorrichtungen eine Oldham-Kupplung mit dem Mechanismus 108 eingeführt. Dabei ist, wie Fig. 19 zeigt, die Oldhamkupplung oder Kreuzklauenkupplung gleitbar mittels einer Klaue (Key) 108b des Oldham-Ringes 108a in die Nute des bewegbaren Spiralteils 101 eingepaßt und

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ac

45 -

ebenso mittels der anderen Klaue 108c, die entsprechend frei gleitbar in die Nute des Rahmens 106 eingepaßt ist. Der Konstruktion entsprechend, daß das stationäre Spiralteil 102 lagerichtig am Rahmen 106 befestigt ist, kann die Lagebeziehung der Spiralenausbildungen des bewegbaren Spiralteils 101 und des stationären Spiralteils 102 in bezug auf den Rahmen 106 entsprechend bestimmt werden.

Infolgedessen ist es wesentlich, daß die Lagebeziehung der Spiralausbildungen zwischen dem Rahmen 106 und stationären Spiralteil 102 vorher entsprechend festgesetzt wird, um vorgenannte Beziehung zwischen den Teilen 101 und 102 zu erhalten. Zu diesem Zweck sind bislang z.B. Positionierungsstifte zwischen diesen beiden Teilen vorgesehen worden, die aber relativ hohe Kosten verursachen. Außerdem ist es schwierig, die Adjustierung beider Spiralteile 101 und 102 mit ausreichender Präzision durchzuführen, weswegen Flüssigkeitskompressoren dieser Art immer wieder zu Leistungsabfällen neigen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Rotationsmaschine für Flüssigkeiten zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile bekannter Maschinen vermeidet. Dies bedeutet in erster Linie, daß eine schnelle Einstellung der Lagebeziehung der Spiralausbildungen zwischen dem stationären und dem bewegbaren Spiralelement der Maschine erzielt werden soll, und damit eine hohe Leistungsfähigkeit der Maschine und erhebliche Kosteneinsparungen bei der Produktion einhergehen sollen.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine verbesserte Konstruktion einer derartigen Maschine gelöst, die zwei ineinandergeschaltete Spiralelemente aufweist, von denen eines stationär und das andere in bezug auf das erstere so bewegbar angeordnet ist, daß sich sein Mittelteil hin- und herbewegt auf dem Umfang eines Kreises, der um den Mittelpunkt des stationären Spiralelementes herum definiert ist, und dessen vom Mittelteil entferntes Teil sich geradlinig oder auf einer Bogenbahn hin- und herbewegt, wodurch Flüssigkeit aufgenommen wird und unter Druck bereitgestellt wird, wobei die Konstruktion Begrenzungselemente vorsieht, die die Lagebeziehung der Spiralanordnungen zwischen den beiden ineinänderverschalteten Spiralelementen kontrollieren.

Diese vorteilhafte Konstruktion hat die folgenden Vorteile: ·

1) Es besteht keine Notwendigkeit für eine genaue Einstellung der Lagen beider Spiralelemente relativ zur Frontabdeckung, Gehäuse etc. der Maschine, die bislang in den bekannten Konstruktionen erforderlich war. Eine erhebliche Reduzierung der Kosten für die Maschine ist die Folge.

2) Da die Lagebeziehung zwischen den beiden Spiralelementen, wie beschrieben, im wesentlichen durch die Konstruktion beider Spiralelemente an sich oder des

eine Eigenrotation des bewegbaren Spiralelements verhindernden Mechanismus, welcher zwischen diesen beiden Elementen eingebaut ist, festgelegt ist, ist das Risiko des Durchsickerns aus der Lücke zwischen beiden Elementen gering, wodurch eine beträchtliche Erhöhung der Maschinenleistungsfähigkeit erzielt wird. Leistungsschwankungen werden auf ein Mindestmaß reduziert, so daß sich insgesamt eine Maschine mit exzellenten Eigenschaften ergibt. 10

Prinzip, Eigenschaften und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung, sowie ihre Vorzüge, werden anhand der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Reihe schematischer Darstellungen des

Funktionsprinzips eines bekannten Spiralkom-PQ · pressors

Fig. 2 einen die Konstruktion des bekannten Spiralkompressors veranschaulichenden Längsschnitt

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III

in Fig. 2

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1β -

Fig. 4 eine Reihe schematischer Darstellungen des Funktionsprinzips der Rotationsmaschine für Flüssigkeiten nach der jap.Pat.Anm. 205 413/1982.

Fig· 5 einen die Konstruktion der Maschine mit dem in

Fig. 4 dargestellten Funktionsprinzip zeigenden Läng3schnitt

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5

Fig. 7 einen die Abänderung der Konstruktion nach Fig. 5 zeigenden Querschnitt

Fig. 8 Querschnitte entlang der Linie A-A bzw. B-B

in Fig. 7

Fig. 9

bis

. Fig. 14 Teilschnitte, die die Abänderungen in der Konstruktion nach Fig. 7 zeigen

Fig. 15 einen Teillängsschnitt durch eine bevorzugte

Ausführungsform der Erfindung 25

Fig. 16 einen ähnlichen Teillängsschnitt, der die

Änderungen an der Konstruktion nach Fig. 15

aufzeigt

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Fig. 17 (A) und (B) jeweils einen Teillängsschnitt, der die Änderungen an der Konstruktion der Kugellagerung nach Fig. 16 zeigt

Fig. 18 einen Längsschnitt durch den Aufbau eines weiteren

bekannten Spiralkompressors

Fig. 19 eine vergrößerte Aufsicht auf den Eigenrotation verhindernden Mechanimus des Spiralkompressors nach Fig. 18

Fig. 20

bis

Fig. 22 schematische Ansichten des Aufbaus einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 20 einen Teillängsschnitt, Fig. 21 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kreuzklaue und Fig. 22 (A) und (B) eine Draufsicht auf die Nuten im bewegbaren und stationären . Spiralelement zeigt.

Fig. 23

und

Fig. 24 perspektivische Ansichten anderer Ausführungsformen der Kreuzklaue

Fig. 25 einen Teillängsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung

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Fig. 26

A bis C eine weitere Ausführungsform, wobei Fig. 26 (A) und (B) Draufsichten auf die Nuten im bewegbaren und stationären Spiralelement sind und Fig. 26 (C) eine perspektivische Ansicht der Kreuzklaue

Fig. 27 eine perspektivische Ansicht der Form der Kreuzklaue nach einer weiteren Ausführungsform.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird auf den Teillängsschnitt durch diese Ausführungsform in Fig. 15, auf einen ähnlichen Schnitt mit einer Änderung an der Konstruktion gemäß Fig. 15 in Fig. 16 und schließlich auf ähnliche Schnitte mit einer Änderung an der Kugellagerung gemäß Fig. 16 in der Fig. 17 (A) und 17 (B) verwiesen.

Dabei ist Fig. 15 in Verbindung mit Fig. 5 zuerst zu betrachten, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ein stationäres Spiralelement 600 ist lagefest an das Gehäuse montiert. Das bewegbare Spiralelement 601 weist an seinem einen Ende auf dem Scheibenteil 6O5 ein mittels des Stiftes 650 schwenkbar angebrachtes Verbindungsstück 651 auf, das seinerseits an seinem gegenüberliegenden Ende mit einem Stift 652 an das Scheibenteil 603 des stationären Spiralelements 600 angelenkt ist.

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Auch in dieser Konstruktion ist eine Aussparung 653 im Scheibenteil 603 des stationären Spiralelements 600 vorgesehen, damit sich der Stift 650 mit dem angelenkten Verbindungsstück 651 auf einem bogenförmigen Pfad hin- und herbewegen kann.

Wie bei den Konstruktionen nach Fig. 5 und 6, kann sich so der Stift 650 des bewegbaren Spiralelements 60I mittels des «Verbindungsstückes 65I auf einem Bogen hin- und herbewegen. Die Lagebeziehung zwischen dem stationären Spiralelement 6OO und dem bewegbaren Spiralelement 601 kann durch den Aufbau beider Elemente an sich bestimmt werden, mit anderen Worten kann die relative Lage dieser Elemente ausschließlich durch die definierte Lage der Stifte an diesen Elementen und die Herstellungsgenauigkeit des Verbindungsstückes festgelegt werden. Da keine Beziehung zu anderen Teilen wie Gehäuse, vordere Abdeckplatte usw. besteht, ist mithin keine Notwendigkeit zur genauen Positionierung dieser Teile gegeben.

.

Fig. 16 zeigt die erfindungsgemäße Konstruktion, die dem konventionellen Aufbau nach Fig. 7 und 8 entspricht. Der auf das bewegbare Spiralelement 60I während des Betriebes ausgeübte Axialdruck wird von einer Konstruk- ^J tion aufgenommen, die mit einer Reihe halbkugelförmiger ' Ausnehmungen 703 im Scheibenteil 605 mit darin gehaltenen Kugeln 704 konventionellen Anordnungen ähnelt. Zusätzlich ist eine halbkugelförmige Ausnehmung 750 in der dem stationären Spiralelement 600 zugewandten Seite des Scheibenteils 605 des bewegbaren Spiralelements 60I,

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sowie eine bogenförmige Aussparung 752 (mit ähnlicher Gestalt wie jene in Fig. 8 (A)) am Ende des Scheibenteils 603 des stationären Spiralelements 600 und eine dazwischen gelagerte Kugel 651 vorgesehen. Anstelle der Kugellagerung kann alternativ eine Anordnung nach Fig. 17 (A) und (B) vorgesehen werden. Wie Fig. 17 (A) zeigt, ist dort ein Stiftlager 900 im Scheibenteil 605 des bewegbaren Spiralelementes 601 geformt und auf der anderen Seite im stationären Spiralelement 600 eine bogenförmige Aussparung 902 vorgesehen. Nach Fig. 17 (B) ist eine wie ein Stift wirkende Nase 903 aus einem Stück mit dem Scheibenteil 605 des bewegbaren Spiralelements 601 ausgebildet.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Konstruktionen nach Fig. 9 bis 13, kann anstelle der vorderen Abdeckplatte ein Scheibenteil des bewegbaren Spiralelements fungieren. Dies und die Tatsache, daß die Komponenten des Kopplungsmechanimus wie oben beschrieben auf dem Scheibenteil des stationären anstelle des bewegbaren Spiralelements angeordnet sein können, ist bemerkenswert. Bei derartigen Anordnungen ist es nicht unbedingt wichtig, daß die Kugel die Drucklasten während des Betriebes darauf aufnehmen.

Nebenbei sei bemerkt, daß es in der Praxis natürlich möglich ist, die Teile wie Stifte und Verbindungsstücke, oder Kugeln, Stifte und halbkugelförmige Ausnehmungen ausreichend zu schmieren. Dazu ist selbstverständlich ein ausreichendes Spiel zwischen den Einzelteilen nötig, so daß keine Druckbelastung darauf ausgeübt werden darf.

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Es ist auch denkbar, die Kugeln oder Stifte auf dem Scheibenteil des stationären anstelle des bewegbaren Spiralelements und entsprechend die bogenförmige Aussparung im Scheibenteil des bewegbaren anstelle des stationären Spiralelements vorzusehen.

Zusätzlich werden nun nachfolgend andere Ausführungsformen der Erfindung anhand der Fig. 20 bis 22 erläutert.

Gemäß Fig. 20 sind eine Vielzahl von Nuten 301 vorgesehen, die alle in derselben Richtung auf der dem bewegbaren Spiralelement 101 zugewandten Seite des Scheibenteils 102b des stationären Spiralelements 102 verlaufen (Fig. 20 zeigt nur zwei solcher Nuten). Entsprechend sind auf der dem stationären Spiralelement 102 zugewandten Seite des Scheibenteils 101b des bewegbaren Spiralelements 101 Nuten 302 in gleicher Anzahl wie die Nuten 301 vorgesehen, die aber alle im rechten Winkel zu letzteren verlaufen. Eine Kreuzklaue (cross-shapedkey). 300 nach Fig. 21 wird mit ihrem Führungselement in die Nut 301 im stationären Spiralelement 102 gleitbar eingesetzt. Das andere Führungselement 304 wird in der gleichen Weise in die Nut 302 des bewegbaren Spiralelements 101 eingesetzt. Da die anderen Details ähnlich sind wie die in Fig. 18 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

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Gemäß Fig. 22 sind Nuten 301 und 302 in den Scheibenteilen 102b und 101b des stationären Spiralelements und des bewegbaren Spiralelements 101 vorgesehen, in denen die Kreuzklaue so eingreift, daß sich das Führungselement 303 gleitend entlang der Nut 301 des stationären Spiralelements 102 in Längsrichtung (durch Pfeile angedeutet) hin- und herbewegen kann und daß das andere Führungselement 300 der Kreuzklaue 300 sich auch gleitend in der anderen Nut 302 des bewegbaren Spiralelements 101 in Längsrichtung hin- und herbewegen kann. Dank dieser Anordnung der Kreuzklaue 300, die zwei Hin- und Herbewegungen in Kombination miteinander zuläßt, kann sich das bewegbare Spiralelement 101 in einer sonnenartigen Umwälzbewegung (solar revolutionary motion) bewegen und ist gleichzeitig an einer Eigenrotation gehindert.

Mit dieser Kreuzklaue 300 dieses einfachen, aber einzigartigen Aufbaus ist es in der Praxis nun möglich, das bewegbare Spiralelement wirksam an einer Eigenrotation zu hindern und somit die Produktionskosten eines solchen Flüssigkeitskompressors erheblich zu senken.

Gleichzeitig ist der Schritt einer bislang erforderliehen genauen Positionierung des stationären Spiralelementes in bezug auf den Maschinenrahmen überflüssig, dank der Tatsache, daß die Lagebeziehung der Spiralanordnungen zwischen beiden Spiralelementen 101, 102 ausschließlich mit der Herstellungsgenauigkeit der

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Kreuzklaue 300 und der Nuten 301, 302 festgelegt wird. Mit dem Wegfall des besonderen Ausrichtungsmechanismus fällt die Montagezeit für diesen Mechanismus fort.

Während die Lagebeziehung der Spiralanordnungen zwischen den beiden Spiralelementen bislang durch die Fertigungspräzision des die Eigenrotation verhindernden Mechanismus und durch die Präzision der Montage des stationären Spiralelements in bezug auf den Rahmen der Maschine bestimmt wurde, hängt diese Beziehung nun zwar noch von der Fertigungspräzision des die Eigenrotation verhindernden Mechanismus ab, nicht jedoch von der Montagepräzision. Aufgrund dieser Tatsache ist es nun in,der Praxis möglich, daß diese Lagebeziehung mit ausreichender Dauerhaftigkeit festgelegt wird, und so wesentlich dazu beiträgt, Leistungsabfälle deutlich herabzusetzen.

Fig. 23 zeigt eine abgewandelte Form der benutzten Kreuzklaue 400 mit den Führungselementen 402 und 403, die in rechtem Winkel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten einer Scheibe 401 verlaufen.

Diese Kreuzklaue 400 läßt konstruktionsbedingt stärkere Führungselemente 402 und 403 zu, aber es muß eine Abänderung dahingehend erfolgen, daß eine zusätzliche Aussparung im Scheibenteil 101 b und 102b des bewegbaren oder unbewegbaren Spiralelements 101 bzw. 102 vorzusehen ist, um die Bewegung der Scheibe 401 zu ermöglichen.

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Fig. 24 zeigt eine andere Ausführungsform der Kreuzklaue mit einer Reihe von Spurzapfen 452 anstelle der Führungselemente 402 und 403 in Fig. 23. Die Spurzapfen können aus einem Stück mit der Scheibe 451 bestehen, oder mit einer Verschraubung oder Preßsitz darin eingesetzt sein. Zusätzlich kann eine Schmiernute 36I im bewegbaren Spiralelement 101 vorgesehen sein. (vgl. Fig. 25), so daß die Nut 302 richtig mit dem Schmieröl versorgt wird, genauso wie die Kreuzklaue 300 und Nut 301. Das Material und die Oberflächenbehandlung für die Kreuzklaue kann den Anforderungen entsprechend festgelegt werden. Sie kann aus Gußeisen oder jedem anderen Metall wie Aluminium oder Material wie Kunststoff bestehen. Ihre Oberfläche kann beispielsweise mit Phosphorsäure behandelt sein, mit einem Metallüberzug, einer Teflonbeschichtung usw. versehen sein.

Eine weitere Ausführungsform der Kreuzklaue zeigt Fig. (C) mit einem Ring 472 und FUhrungselementen 474, 475, die im rechten Winkel zueinander an den gegenüberliegenden Seiten verlaufen. Diese Ausführungsform kann mit ihrem Führungselement 474 gleitend in der Nut 471 in dem bewegbaren Spiralelement 101 gegenüber dem stationären Spiralelement 102 eingreifen, genauso wie das Führungselement 475 in die Nut 473 im stationären Spiralelement gegenüber dem bewegbaren Spiralelement 101 eingreift (vgl. Fig. 26 (A) und 26 (B)).

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Wie Fig. 27 zeigt, können alternativ zu den Spurelementen in Fig. 26 Spurzapfen 476 in den Ring 472 eingesetzt werden.

Während vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung vollständig beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf Details dieser besonderen Konstruktionen der Ausführungsbeispiel'e beschränkt, sondern es sind viele Änderungen daran möglich, ohne vom Rahmen und Wesen der Erfindung abzuweichen.

- 28 Zusammenfassung

Claims

Patentansprüche;

1. Rotationsmaschine für Flüssigkeiten mit zwei ineinandergeschalteten Spiralelementen, von denen eines stationär, das andere in bezug auf das erstere so bewegbar angeordnet ist, daß sich sein Mittelteil in einer Umwälzbewegung auf dem Umfang eines Kreises um die Mitte des stationären Elementes, und das nicht zur Mitte gehörige Teil sich entweder geradlinig oder auf einer Bogenbahn hin- und herbewegt, wodurch Flüs-

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sigkeit einleitbar ist und unter Druck stehend zur Verfügung stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß direkt zwischen den beiden Spiralelementen (600,601) eine Begrenzungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Lagebeziehung der Spiralanordnungen zwischen den beiden ineinander verschalteten Spiralelementen einschränkt.

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2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung aus Verbindungsstücken (650, 651, 652) besteht, die schwenkbar zwischen dem stationären Spiralelement (600) und dem bewegbaren Spiralelement (6OI) angeordnet sind.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung aus einer Kugel (751) besteht, die zwischen einer halbkugelförmigen Ausnehmung (750) in der dem stationären Spiralelement

(600) zugewandten Seite des Scheibenteils (605) des bewegbaren Spiralelementes (60I) und einer bogenförmigen Aussparung (752) in der dem bewegbaren Spiralelement (6OI) zugewandten Seite des stationären Spiralelementes (600) gelagert ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung aus einer Stiftlagerung im Scheibenteil (605) des bewegbaren Spiralelements (60I) gegenüber einer bogenförmigen Aussparung (902) in der dem bewegbaren Spiralelement

(601) zugewandten Seite des stationären Spiralelements (600) besteht.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung aus einer wie ein Stift wirkende Nase (903) besteht, die aus einem Stück mit dem Scheibenteil (605) des bewegbaren Spiralelementes (601) gegenüber einer bogenförmigen Aussparung (902) in der dem bewegbaren Spiralelement (601) zugewandten Seite des stationären Spiralelementes (600) geformt ist.

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung eine Eigenrotation hemmende Vorrichtung zwischen beiden Spiralelementen (600, 601) ist, die eine sonnenartige Umwälzbewegung zuläßt und gleichzeitig die Eigenrotation des bewegbaren Spiralelementes (601) unterbindet.

7. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Eigenrotation des bewegbaren Spiralelementes (101) unterbindende Vor-

20. richtung aus Kreuzklauen (300) besteht, die in einer Reihe von Nuten (301) gleitbar liegen, welche alle in derselben Richtung auf der dem bewegbaren Spiralelemente (101) zugewandten Seite des stationären Spiralelements (102) sowie in praktisch rechten Winkel dazu stehenden Nuten (302) auf der dem stationären Spiralelement (102) zugewandten Seite des bewegbaren Spiralelements (101) verlaufen.

8. Maschine nach den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzklauen Führungselemente (402, 403) aufweisen, die in rechtem Winkel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten einer Scheibe

(401) verlaufen.

9. Maschine nach den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzklauen Führungselemente

. in Form von Spurzapfen (452) aufweisen, die aus einem Stück mit der Scheibe (451) bestehen oder in diese auf beiden Seiten dieser Scheibe eingesetzt sind.

10. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Eigenrotation unterbindende Vorrichtung aus Führungselementen besteit, die in Nuten in genannten, dem stationären Spiralelement zugewandten Scheibenteil des bewegbaren Spiralelements und in Nuten in genannter, dem bewegbaren Spiralelement zugewandter Seite des stationären Spiralelements führbar sind, und daß die Führungselemente (474, 475) auf gegenüberliegenden Seiten eines Ringes (472) im rechten Winkel zueinander verlaufen.

11. Maschine nach den Ansprüchen 1, 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Führungselemente in Form von Spurzapfen (476) vorgesehen sind, die aus einem Stück mit dem Ring (472) ausgebildet sind oder in die gegenüberliegenden Ringseiten eingesetzt sind.

12. Maschine nach den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Spiralelement (101) mit einer Schmierrinne (361) versehen ist, um die Führungselemente und Nuten zur Schmierung mit Öl zu versorgen.