DE3632635C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der Spiral­ bauart mit einem in einem Gehäuse feststehend angeordneten Spiralelement und einem ohne Eigendrehung auf einer Kreisbahn umlaufenden Spiralelement sowie mit einer einen Exzenter auf­ weisenden Antriebswelle, die das umlaufende Spiralelement an­ treibt und die in einem in einer Gehäuseöffnung angeordneten, als Gleitlager ausgebildeten Hauptradiallager drehbar gelagert ist.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus der DE-OS 31 09 301 bekannt (insbesondere Fig. 4). Bei dieser bekannten Konstruktion ist das Hauptradiallager in der Gehäuseöffnung starr montiert. Dementsprechend ist dieses Lager nicht in der Lage, sich an eine etwa durch Montagefehler oder durch den Betriebsdruck bedingte Schrägstellung der Antriebswelle anzu­ passen mit der Folge, daß am Hauptradiallager unzulässige Kan­ tenbelastungen auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art so zu ver­ bessern, daß eine Kantenbelastung des Hauptradiallagers der Antriebswelle vollständig vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst, wobei unterschiedliche Ausführungs­ formen der erfindungsgemäßen Konstruktion in den Unteransprü­ chen beschrieben sind.

Die erfindungsgemäße Konstruktion umfaßt also ein selbstein­ stellendes Hauptradiallager für die Antriebswelle, welches sich an eine etwa durch Montagefehler oder durch den Betriebs­ druck bedingte Schrägstelle der Antriebswelle anpaßt. Die La­ gerfläche des Hauptradiallagers bleibt parallel zur Antriebs­ welle. Dementsprechend können am Hauptradiallager der Antriebs­ welle keine Kantenbelastungen mehr auftreten.

Nachstehend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Rotationskolbenmaschine sowie deren Teile anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Rotationskolbenmaschine;

Fig. 2 eine größere Querschnittsansicht des oberen Teils der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Haupt­ radiallager nach Einbau in das Hauptlagergehäuse;

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines der Segmente des Haupt­ radiallagers gemäß Fig. 3 von außen; und

Fig. 5 eine Perspektivansicht des Segments gemäß Fig. 4 von innen.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Rotationskolbenma­ schine ein Verdichter; sie kann aber auch als Expansions­ maschine, Pumpe oder Motor eingesetzt werden. Nach den Fig. 1 und 2 weist der Verdichter ein ortsfestes Spiralelement 1 und ein umlaufendes Spiralelement 2 auf, das von dem orts­ festen Spiralelement 1 umgeben ist und damit in Eingriff steht. Jedes Spiralelement ist konventionell geformt und hat eine scheibenförmige Grundplatte, die zu der Grundplatte des anderen Spiralelements parallel ist, sowie ein spiral­ förmiges Profil, das an der Grundplatte ausgebildet ist und sich senkrecht davon er­ streckt. Beide Spiralprofile sind als Kreisevolventen od. dgl. ausgebildet. Wenn die Spiralelemente miteinander in Eingriff stehen, werden zwischen ihren Spiralprofilen mehrere sichelförmige Verdichtungsräume gebildet. Die Endfläche des Spiralprofils jedes Spiralelements ist durch einen kleinen Zwischenraum von der Endfläche der Grund­ platte des gegenüberliegenden Spiralelements getrennt. Die Zwischenräume zwischen den Spiralprofilen und den Grund­ platten sind von elastischen Dichtungen 3 ausgefüllt, die in in den Endflächen der Spiralprofile gebildete Nuten eingesetzt sind. Die elastischen Dichtungen 3 verhindern eine Leckage des Fördermittels in Radialrichtung aus einem Verdichtungsraum in den nächstbenachbarten Verdichtungs­ raum. In der Außenwand des ortsfesten Spiralelements 1 ist eine radial verlaufende Ansaugöffnung 1 a ausgebildet, und in der Mitte seiner Grundplatte weist das Spiralelement 1 eine Förderöffnung 1 b auf. An dem umlaufenden Spiralelement 2 ist eine kurze Welle 2 a ausgebildet, die von der Unterseite seiner Grundplatte senkrecht nach unten verläuft.

Das ortsfeste Spiralelement 1 ist in einem Hauptlagergehäuse 4 starr gelagert. Das Hauptlagergehäuse 4 weist in seinem oberen Teil eine ringförmige Leiste, auf der das ortsfeste Spiralelement 1 sitzt, sowie eine mittige Öffnung auf, in der ein Hauptradiallager 15 abgestützt ist. Das Hauptlagerge­ häuse 4 ist wiederum von einem Hilfslagergehäuse 5 abge­ stützt. Das ortsfeste Spiralelement 1 und das Hauptlagerge­ häuse 4 sind mit mehreren Bolzen 6 an dem Hilfslagergehäuse 5 gesichert. Das Hilfslagergehäuse 5 ist an der Innenseite eines hermetisch dichten metallischen dreiteiligen Mantels 7, der den Verdichter vollständig umschließt, befestigt.

Das umlaufende Spiralelement 2 ist an einem ringförmigen obe­ ren Axiallager 8 abgestützt, das an einer am Hauptlager­ gehäuse 4 ausgebildeten Leiste mit mehreren Stiften 9 ge­ sichert ist. Das obere Axiallager 8 nimmt das Gewicht des umlaufenden Spiralelements 2 sowie die durch den Druck, der sich in den Verdichtungsräumen der Spiralelemente ausbildet, erzeugten Kräfte auf. Das umlaufende Spiralelement 2 ist mit dem Hauptlagergehäuse 4 über eine Universalkupplung (Oldham-Kupplung) verbunden, die es ermöglicht, daß das bewegliche Spiralelement 2 um die Mitte des ortsfesten Spiral­ elements 1 umläuft, ohne um seine eigene Achse zu rotieren. Die Universalkupplung umfaßt einen Ring 10 mit zwei an seiner Unterseite ausgebildeten diametral entgegengesetzten Leisten 10 a und zwei weiteren (nicht gezeigten) diametral entgegengesetzten Leisten auf seiner Oberseite, wobei die oberen Leisten gegenüber den unteren Leisten (10 a um 90° versetzt sind. Die unteren Leisten 10 a sind in zwei im Hauptlagergehäuse 4 ausgebildeten Schlitzen 4 b gleitend verschiebbar, während die oberen Leisten in nicht gezeigten Schlitzen in der Unterseite der Grundplatte des beweglichen Spiralelements 2 gleitend verschiebbar sind.

Der Verdichter wird von einem Elektromotor angetrieben, der unter dem Hilfslagergehäuse 5 angeordnet ist. Der Motor hat einen Ständer 11 und einen Läufer 12, an dessen Unterende ein Gegengewicht 12 a ausgebildet ist. Der Ständer 11 ist am Hilfslagergehäuse 5 mit mehreren Bolzen 13 gesichert. Strom wird dem Motor über eine Klemme 21 zugeführt, die in den oberen Teil des Mantels 7 eintritt und über nicht gezeigte Zuleitungen elektrisch an den Motor angeschlossen ist.

Der Läufer 12 ist auf einer in Längsrichtung verlaufenden Antriebswelle 14 montiert, die durch die Mitte des Läufers geht und die Motorleistung auf das bewegliche Spiralelement 2 überträgt. Das Oberende der Antriebswelle 14 ist in dem Hauptradiallager 15 gelagert, und ihr Mittelabschnitt ist in einem Hilfsradiallager 16 gelagert, das am unteren Teil des Hilfslagergehäuses 5 gesichert ist. Nahe dem Oberende der Antriebswelle 14 ist ein Gegengewicht 14 b ausgebildet. Das Gewicht der Antriebswelle 14 ist von einem ringförmigen unteren Axiallager 17 aufgenommen, das auf dem Oberende des Hilfslagergehäuses 5 montiert ist. Im oberen Ende der An­ triebswelle 14 ist eine exzentrische Öffnung 14 a ausgebil­ det, in die eine Exzenterbuchse 18 eingesetzt ist. Die Exzenterbuchse 18 sitzt mit Spiel in der exzentrischen Öff­ nung 14 a, so daß sie darin drehbar ist. Die Rotation der Exzenterbuchse 18 ist durch eine nicht gezeigte rotations­ begrenzende Vorrichtung, z. B. einen Zapfen, begrenzt, der an der Antriebswelle 14 befestigt ist und mit Spiel in einem in der Exzenterbuchse 18 ausgebildeten geeigneten Loch sitzt. Die Welle 2 a des beweglichen Spiralelements 2 paßt mit Spiel in die Exzenterbuchse 18. Wenn das bewegliche Spiralelement 2 um das ortsfeste Spiralelement 1 umläuft, wird es mit Fliehkräften beaufschlagt; und diese beaufschlagen die Exzenterbuchse 18 mit einem Moment. Dieses Moment läßt die Exzenterbuchse 18 in der exzentrischen Öffnung 14 a der Antriebswelle 14 zwangsläufig umlaufen, bis das Spiral­ profil des beweglichen Spiralelements 2 das Spiralprofil des ortsfesten Spiralelements 1 eng kontaktiert. Infolgedessen werden die beiden Spiralprofile ständig gegeneinander gedrückt, und Leckagen in Umfangsrichtung des Verdichters werden dadurch vermieden.

Fördermittel wird in den Verdichter durch eine Ansauglei­ tung 19 eingeleitet, die an dem Mantel 7 befestigt ist und sich zu dessen Innenseite öffnet. Nachdem das Fördermittel nicht gezeigte Kanäle im Hilfslagergehäuse 5 durchströmt hat, tritt es in die Ansaugöffnung 1 a des ortsfesten Spiral­ elements 1 ein. Das Fördermittel tritt aus dem Verdichter durch eine Austrittsleitung 20 aus, die den oberen Teil des Mantels 7 durchsetzt und mit der Austrittsöffnung 1 b in Verbindung steht.

Am unteren Ende des Mantels 7 ist eine Schaumhemmungsplatte 22 vorgesehen. Der unter dieser liegende Raum innerhalb des Mantels 7 ist mit Schmieröl gefüllt und dient als Sumpf. Das Unterende der Antriebswelle 14 taucht in diesen Sumpf ein, und eine am Unterende der Antriebswelle 14 montierte Kreiselpumpe 23 fördert Schmieröl durch mehrere in Längs­ richtung verlaufende exzentrische Ölförderkanäle 14 c, die in der Antriebswelle 14 vorgesehen sind.

Das Neue an der Rotationskolbenmaschine ist der Aufbau des Hauptradiallagers 15, der ein Verschwenken ermöglicht, so daß die Lagerfläche immer parallel zur Außenfläche der An­ triebswelle 14 bleiben kann. Der Aufbau des Hauptradial­ lagers 15 ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich, die das Lager 15 nach Montage im Hauptlagergehäuse 4 zeigt. Das Hauptradiallager umfaßt mehrere bogenförmige Segmente 150, die die Antriebswelle 14 im wesentlichen umgeben, wobei jedes Segment 150 im Querschnitt ein Kreisbogenabschnitt ist. Die Fig. 4 und 5 sind Perspektivansichten eines Seg­ ments 150 von außen bzw. innen. Auf die Innenfläche jedes Segments 150 ist ein Belag 151 aus Lagermetall auf­ gebracht, in dem das Oberende der Antriebswelle 14 gelagert ist. Auf der Außenfläche jedes Segments 150 ist eine kugel­ förmige Erhebung 152 ausgebildet, die die Innenfläche der Öffnung in der Mitte des Hauptlagergehäuses 4 kontaktiert. Ferner sind auf der Außenfläche jedes Segments 150 zwei rotationshemmende Stifte 153 angebracht, die in Richtung zum Hauptlagergehäuse 4 nach radial außen verlaufen. In der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 sind entsprechende Nuten 4 a ausgebildet, in denen die rotationshemmenden Stif­ te 153 mit Spiel sitzen. Die Nuten 4 a sind ausreichend weit, so daß sich die Segmente 150 mit zwei Freiheitsgraden um kleine Winkel verdrehen können. Das heißt, jedes Segment kann um eine Querachse schwenken, die durch den Berührungs­ punkt zwischen der Erhebung 152 und der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 geht und zu dieser Innenfläche tan­ gential verläuft, und um eine Längsachse schwenken, die parallel zur Längsachse des Verdichters ist und durch den­ selben Kontaktpunkt geht. Die rotationshemmenden Stifte 153 hindern die Segmente 150 daran, um die Achse der Antriebs­ welle 14 zu rotieren, und auch daran, aus dem Hauptlager­ gehäuse 4 auszutreten. Die Erhebungen 152 und die rotations­ hemmenden Stifte 153 bilden Mittel zur verschwenkbaren Ab­ stützung des Hauptradiallagers 15 derart, daß die Lager­ flächen parallel zur Außenfläche der Antriebswelle 14 ge­ halten werden können.

Nachstehend wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform erläutert. Wenn der Motor eingeschaltet ist, wird die An­ triebswelle 14 vom Läufer 12 des Motors angetrieben. Die Drehbewegung der Antriebswelle 14 wird auf die Welle 2 a des beweglichen Spiralelements 2 durch die Exzenterbuchse 18 über­ tragen, und das bewegliche Spiralelement 2 läuft um die Mitte des ortsfesten Spiralelements 1 um. Während dieser Umlaufbe­ wegung wird es von der Universalkupplung geführt und an einer Drehung um die eigene Achse gehindert.

Ein zu verdichtendes Fördermittel tritt in den Mantel 7 durch die Ansaugleitung 19 ein. Vor Eintritt in die Ansaug­ öffnung 1 a des ortsfesten Spiralelements 1 strömt es am Motor vorbei unter Kühlung des Ständers 11 und des Läufers 12. Das Fördermittel wird in die zwischen den beiden Spiral­ profilen gebildeten Verdichtungsräume gesaugt und durch die Rotation des beweglichen Spiralelements 2 in bezug auf das ortsfeste Spiralelement 1 verdichtet. Während der Verdichtung strömt es auf einer spiralförmigen Bahn zur Mitte des ortsfesten Spiralelements 1, wo es einen Höchstdruck erreicht. Das Fördermittel verläßt die Spiralelemente durch die in der Mitte des ortsfesten Spiralelements 1 ausgebildete Austritts­ öffnung 1 b und tritt aus dem Verdichter durch die Aus­ trittsleitung 20 aus. Im Normalbetrieb bleibt die Längs­ achse der Antriebswelle 14 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Verdichters, und das Hauptradiallager 15 wirkt in gleicher Weise wie ein konventionelles Radial­ lager. Beim Anfahren und zu anderen Zeiten jedoch, in denen die Last, mit der die Antriebswelle 14 durch das bewegli­ che Spiralelement 2 beaufschlagt wird, sich stark ändert, neigt der obere Teil der Antriebswelle 14 dazu, in bezug auf die Verdichterlängsachse zu kippen. Bei einem konven­ tionellen Rotationskolbenverdichter mit ortsfestem Hauptradial­ lager würde dies zu einer Rand- bzw. Kantenbelastung des Hauptradiallagers führen; bei der beschriebenen Konstruktion dagegen kann jedes Segment 150 des Hauptradiallagers 15 sich um die auf seiner Außenfläche ausgebildete Erhebung 152 verschwenken. Wenn also das obere Ende der Antriebswelle 14 eine Kippbewegung ausführt, kippen die Segmente 150 des Hauptradiallagers 15 mit, während die Innenflächen der Seg­ mente 150 parallel zur Außenfläche der Antriebswelle 14 bleiben und eine Kantenbelastung der Segmente 150 vermieden wird.

Ferner wird durch die Fähigkeit jedes Segments 150, um eine zur Längsachse des Verdichters parallele Achse zu schwen­ ken, die Tragfähigkeit des Hauptradiallagers 15 in Radial­ richtung erhöht.

Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Hauptradial­ lager 15 vier Segmente 150 auf, die gleichen Auswirkungen können aber auch mit einer anderen Anzahl Segmente 150 erzielt werden. Es sind wenigstens drei Segmente erforder­ lich, und es ist vorteilhaft, möglichst viele Segmente zu verwenden.

Ferner sind zwar bei der erläuterten Ausführungsform auf den Außenflächen der Segmente 150 höckerartige Erhebungen 152 ausgebildet; es können stattdessen aber kugelförmige Erhebungen auf der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 ausgebildet sein, wobei dann die Außenfläche jedes Segments eine entspre­ chende Erhebung kontaktiert. Wenn in der Außenfläche der Segmente 150 Nuten ausgebildet sind, ist es ferner möglich, die rotationshemmenden Stifte 153 an der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 anstatt an der Außenfläche der Seg­ mente 150 anzubringen.

Claims (5)

1. Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit einem in einem Gehäuse feststehend angeordneten Spiralelement und einem ohne Eigendrehung auf einer Kreisbahn umlaufenden Spiral­ element sowie mit einer einen Exzenter aufweisenden An­ triebswelle, die das umlaufende Spiralelement antreibt und die in einem in einer Gehäuseöffnung angeordneten, als Gleitlager ausgebildeten Hauptradiallager drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptradiallager (15) aus wenigstens drei die Antriebs­ welle (14) bogenförmig umgebenden Kippsegmenten (150) mit einer Innenfläche (151) aus Lagermetall besteht, die sich jeweils an einer kugelförmigen Erhebung (152) gegenüber dem Gehäuse (4) schwenkbar abstützen und die jeweils durch mehrere in Nuten (4 a) eingreifende Stifte (153) gegen Mitdrehen in Umfangsrichtung gesichert sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmigen Erhebungen (152) sowie die Stifte (153) an den Außenflächen der Kippsegmente (150) und die Nuten (4 a) in der Gehäuseöff­ nung angeordnet sind (Fig. 3).

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmigen Erhebungen sowie die Stifte in der Gehäuseöffnung und die Nuten an den Außenflächen der Kippsegmente angeordnet sind.

4. Rotationskolbenmaschsine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmigen Erhebungen sowie die Nuten an den Außenflächen der Kipp­ segmente und die Stifte in der Gehäuseöffnung angeordnet sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmigen Erhebungen sowie die Nuten in der Gehäuseöffnung und die Stifte an den Außenflächen der Kippsegmente angeordnet sind.