DE3726209A1 - Drehkolbenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenverdichter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Materialkombination für den Rotor und die Seitenplatten eines Drehkolbenverdichters oder für den Rotor und die Schieber eines derartigen Drehkolbenverdichters, um Verschleiß und Fressen an der Berührungszone zwischen dem Rotor und jeder der Seitenplatten und zwischen dem Rotor und jeder der Schieber zu verhindern, und um das Gewicht dieser Bauteile zu vermindern.

Drehkolbenverdichter werden in den verschiedensten Vorrichtungen, z. B. in Luftkonditionierern für Fahrzeuge, verwendet, wo sie zum Komprimieren eines Kühlmittelgases verwendet werden.

In der letzten Zeit bestand die Neigung, Drehkolbenverdichter aus leichten Legierungen statt aus Eisenmetallen herzustellen, um das Gewicht zu vermindern.

Beispiele derartiger Drehkolbenverdichter sind in der japanischen Offenlegungsschrift 61-89 991 und 60-22 089 beschrieben.

Bei dem in der japanischen Offenlegungsschrift 61-89 991 beschriebenen Drehkolbenverdichter wird ein Metall auf Aluminiumbasis verwendet, um die Bauteile des Verdichters herzustellen, wie z. B. einen Zylinderblock mit einer zylindrischen Gleitkontaktfläche mit einem elliptischen Querschnitt, einem drehbar in dem Zylinderblock aufgenommenen Rotor und jeder der Seitenplatten, die an den zwei axialen Enden des Zylinderblocks befestigt sind, um das Gesamtgewicht des Verdichters zu vermindern.

Bei dem in der japanischen Offenlegungschrift 60-22 089 beschriebenen Drehkolbenverdichter ist der äußere Umfangsabschnitt des Rotors mit den Schiebernuten mit einem Aluminiummetall beschichtet, das Silicon oder ähnliches enthält, um den Verschleiß an der Gleitzone zwischen den Schiebern und dem Rotor und zwischen dem Rotor und jeder der Seitenplatten zu vermindern, und um ebenfalls das Gesamtgewicht des Verdichters zu vermindern.

Die oben beschriebenen Drehkolbenverdichter haben jedoch den Nachteil, daß sie eine schlechte Verdichterleistung und Lebensdauer aufweisen, obwohl die Verwendung eines Aluminiummetalls eine Gewichtsreduzierung ermöglicht.

Da Aluminiummetalle grundsätzlich einen schlechteren Verschleiß- und Freßwiderstand aufweisen, verschleißen die Gleitkontaktzonen zwischen jedem Schieber und dem Rotor und zwischen dem Rotor und jeder Seitenplatte. Aus diesem Grund kann, wenn der Verdichter arbeitet, insbesondere wenn er hochbelastet ist und eine hohe Drehzahl aufweist, der Gegendruck oder das Kühlmittelgas aus den verschlissenen Zonen austreten, wodurch sich eine verschlechterte Kompressionsleistung ergibt. Wenn weiter an der Gleitkontaktzone ein Fressen auftritt, ist der Kompressor unbrauchbar.

Auch wenn man die Härte einer Legierung auf Aluminiumbasis durch Hinzufügen von Silicium oder ähnlichem steigert, ist es schwierig, die oben beschriebenen Nachteile vollständig zu überwinden, wenn die in Berührung stehenden Teile aus dem gleichen Material bestehen.

In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehkolbenverdichter zu schaffen, der unter Verwendung eines Aluminiummaterials hergestellt ist, um das Gesamtgewicht zu vermindern, und um weiter einen verbesserten Verschleißwiderstand, Freßwiderstand sowie eine bessere Kompressionsleistung und Lebensdauer zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 2 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Mit der Erfindung wird ein Drehkolbenverdichter geschaffen, bei dem ein Kühlmittelgas angesaugt, komprimiert und ausgegeben wird, wobei mindestens der Rotor, die Seitenplatten und die Schieber aus Si-Al-Legierungen bestehen, wobei die Legierungen für den Rotor und die Seitenplatten oder die Legierungen für den Rotor und die Schieber aus Si-Al-Legierungen mit einem sich um 3% oder mehr unterscheidenden Siliciumgehalt bestehen.

Es ist allgemein bekannt, daß die Phänomene, wie z. B. Verschleiß und Fressen, dann auftreten, wenn zwei Materialien aneinander gleiten, wobei sich der Verschleiß- und Freßwiderstand entsprechend der Kombination der zwei gegeneinander gleitenden Materialien ändert. Mit der vorliegenden Erfindung wurden verschiedene Kombinationen von Si-Al-Legierungen untersucht, die unterschiedliche Siliciumgehalte aufwiesen, und zwar wurde mit dem Falex-Freßtest herausgefunden, daß es möglich ist, den Verschleiß- und Freßwiderstand des Kompressors zu verbessern, wenn man die gleitenden Teile aus Legierungen herstellt, die einen Siliciumgehalt aufweisen, der sich um 3% oder mehr unterscheidet.

Der erfindungsgemäße Drehkolbenverdichter hat folgende Vorteile: Da die Schieber, der Rotor und der Zylinderblock des Verdichters aus leichten Si-Al-Legierungen bestehen, ist es möglich, das Gewicht des Kompressors selbst zu vermindern. Da die Legierungen zur Herstellung der Schieber, des Rotors und des Zylinderblocks des Kompressors einen Siliciumgehaltunterschied von 3% oder mehr aufweisen, ist es möglich, das Auftreten von Verschleiß und Fressen in den Gleitzonen zwischen dem Rotor und dem Zylinderblock und zwischen dem Rotor und den Schiebern zu vermindern bzw. aufzuheben, wodurch es entsprechend möglich ist, Nachteile, wie z. B. eine verminderte Kühlmittelgasverdichtungsleistung und ein Ausfallen der Rotordrehung, zu verhindern. Entsprechend werden die Leistung und die Lebensdauer des Verdichters erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform des Drehkolbenverdichters;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 1; und

Fig. 3 eine Schnittansicht zur Beschreibung des Falex-Tests.

In Fig. 1 und 2 ist der Drehkolbenverdichter 100 dargestellt.

Der Verdichter besteht im wesentlichen aus einer vorderen Platte 20, einer hinteren Platte 30, einem Zylinderblock 40, einer Antriebswelle 50, einem Rotor 60 und Schiebern 70. Der Verdichter 100 ist mit einer Kopfplatte 82 und einem Gehäuse 92 abgedeckt. Die Kopfplatte 82 ist fest an der vorderen Platte 20 mittels einer Schraube 81 und das Gehäuse 92 ist fest an der Kopfplatte 82 mittels einer Schraube 91 befestigt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat der Zylinderblock 40 einen elliptischen Querschnitt und eine Gleitfläche 41, die durch seine innere Umfangsfläche gebildet wird. Der Zylinderblock 40 ist zwischen der vorderen und hinteren Seitenplatte 20 und 30 mittels Schrauben 43, 44 und 45 befestigt, so daß eine Zylinderkammer 46 zwischen diesen drei Teilen ausgebildet wird.

Die Antriebswelle 50 erstreckt sich durch ein Lagerteil 21 an der vorderen Seitenplatte 20, so daß sie durch letztere drehbar gelagert ist. Das Lagerteil 21 ist rohrförmig mit einer bestimmten Länge ausgebildet. Ein Drucklager 52 ist zwischen einem Ende 21 a des Lagerteils 21 und einem Kragen 51 am äußeren Umfang eines Endabschnitts 50 a der Antriebswelle 50 ausgebildet, so daß die Bewegung der Antriebswelle in Druckrichtung durch das Drucklager 52 begrenzt wird. Der andere Endabschnitt 50 b der Antriebswelle 50 erstreckt sich von der Kopfplatte 82 nach außen, wobei dieser Endabschnitt mit einer Antriebsquelle über eine elektromagnetische Kupplung oder eine ähnliche Einrichtung verbunden ist.

Der Rotor 60, der eine Zylinderform aufweist, ist auf die Antriebswelle 50 so aufgebracht, daß er sich zusammen mit der Antriebswelle 50 in der Zylinderkammer 46 drehen kann. Der Rotor 60 ist beispielsweise mit sich vier radial erstreckenden Schiebernuten 61 versehen, die im gleichen Abstand voneinander in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Schieber 70 sind gleitbar in den Schiebernuten 61 aufgenommen. Der untere Endabschnitt jeder Schiebernut 61 steht mit einer Gegendruckkammer 62 in Verbindung, die sich im Rotor 60 in axialer Richtung erstreckt. Auf diese Weise wird jeder Schieber 70 mittels des Hydrauliköldrucks in der Gegendruckkammer 62 in eine Richtung gedrückt, in der er sich von der Schiebernut 61 radial nach außen erstreckt. Die Schieber 70 drehen sich zusammen mit dem Rotor 60, wobei ihre radialen bzw. distalen Enden in gleitender Berührung mit der inneren Umfangsfläche 41 der Zylinderkammer 46 gehalten werden. Auf diese Weise begrenzt jeder Schieber 70 eine Expansionskammer 71 und eine Kompressionskammer 72 zwischen sich und den auf jeder anderen Seite angeordneten Schiebern 70.

Die Expansionskammer 71 steht mit einer Einlaßöffnung 47 im Zylinderblock 40 in Verbindung, während die Kompressionskammer 72 mit einer Auslaßöffnung 48 im Zylinderblock 40 in Verbindung steht. Die Einlaßöffnung 47 und die Auslaßöffnung 48 sind voneinander um 180° in Umfangsrichtung beabstandet. Wenn sich der Rotor 60 dreht, wird ein Kühlmittelgas in die Expansionskammer 71 über die Einlaßöffnung 47 angesaugt, in der Kompressionskammer 72 komprimiert und dann von der Auslaßöffnung 48 ausgegeben.

Die Einlaßöffnung 47 steht mit einer Kühlmittelgassaugbohrung 84 in der Kopfplatte 82 über eine zwischen der Kopfplatte 82 und der vorderen Seitenplatte 20 begrenzten Niederdruckkammer 83 in Verbindung. Auf diese Weise wird das Kühlmittelgas eines Luftkonditionierers durch die Ansaugbohrung 84 zugeführt.

Die Auslaßöffnung 48 steht mit einer Kühlmittelgasauslaßbohrung 94 im Gehäuse 92 über eine innerhalb des Gehäuses 92 ausgebildete Hochdruckkammer 93 in Verbindung, so daß das komprimierte Kühlmittelgas dem Luftkonditionierer durch die Auslaßbohrung 94 zugeführt wird.

Durch den unteren Abschnitt der Hochdruckkammer 93 wird ein Ölreservoir 95 gebildet. Eine Verbindungsbohrung 92 in der vorderen Seitenplatte 20 steht mit dem Ölreservoir 95 in Verbindung, so daß Öl auf diese Weise dem Lagerteil 21 durch die Bohrung 22 zugeführt werden kann. Das dem Lagerteil 21 zugeführte Öl fließt teilweise in eine Kammer 85 für eine mechanische Dichtung durch einen Spalt zwischen dem Lagerteil 21 und der Antriebswelle 50 und weiter zu der Zylinderkammer 46 über eine Ölversorgungsbohrung 23 in der vorderen Seitenplatte 20, wodurch die Zone zwischen dem Rotor 60 und jeder der Seitenplatten 20, 30 als auch die Gleitkontaktfläche 41 des Zylinderblocks 40 geschmiert wird.

Bei dieser Ausführungsform bestehen die Schieber 70 aus einer relativ leichten 20%igen Si-Al-Legierung (Gußmaterial), während der Rotor 60 aus einer 12%igen Si-Al-Legierung (Gußmaterial) besteht, die leichter als die Legierung der Schieber 70 ist, und der Zylinderblock 40 ist aus einer 16%igen Si-Al-Legierung (pulverextrudiertes Material) hergestellt. Die entsprechenden Siliciumgehalte der Legierungen für die Schieber 70, den Rotor 60 und den Zylinderblock 40 unterscheiden sich voneinander jeweils um 3% oder mehr.

Das Einstellen des Siliciumgehaltunterschieds von 3% oder mehr beruht auf der Erkenntnis, daß ein Siliciumgehaltunterschied von weniger als 3% Verschleiß und Fressen der oben beschriebenen Teile verursacht, wenn sie miteinander in Gleitberührung stehen (d. h. wenn der Verdichter arbeitet).

Es ist allgemein bekannt, daß die Erscheinung des Verschleißes und des Fressens dann auftritt, wenn zwei Materialien gegeneinander reiben, wobei der Verschleißwiderstand und der Freßwiderstand sich entsprechend der Kombination der zwei Materialien, die aneinander reiben, ändert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Freßlasten in Beziehung zu verschiedenen Si-Al-Legierungskombinationen mit unterschiedlichem Siliciumgehalt auf der Grundlage des Falex-Freßtests gemessen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine derartige Testvorrichtung, in der ein Stift 201 aus einer siliciumenthaltenden Aluminiumlegierung in V-förmigen Nuten in Blöcken 202 und 203, die aus einem anderen Material hergestellt sind, angeordnet ist. Der Stift 201 wurde gedreht, und die Blöcke 202 und 203 wurden gegen den sich drehenden Stift 201 gepreßt, um die Kraft zu messen, bei der Fressen auftrat. In Fig. 3 ist mit P die Freßkraft bezeichnet. Angenommen, daß der Winkel jeder V-förmigen Nut 90° beträgt und die auf die Blöcke 202, 203 aufgebrachte Last durch F dargestellt wird, so ergibt sich die Freßkraft P=F/2√. Der Grenzwert der praktischen Freßkraft ist allgemein als 280 kg bekannt.

Der Freßtest wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Testbedingungen:
Testmaschine: Falex-Freßtestmaschine
Umdrehungsgeschwindigkeit des Stiftes: 0,39 m/sec
Schmieröl: SUNISO-5GS
(Markenzeichen, hergestellt durch Nihon Sun Sekiyu K. K.)
Öltemperatur: 80°C
Lasttemperatur: Aufwärtsverfahren (Step-up method)

Unter diesen Bedingungen wurden der Freßtest mit verschiedenen Stiften 201 und Blöcken 202, 203 durchgeführt, die unterschiedliche Siliciumgehalte aufwiesen, wobei eine Siliciumgehaltdifferenz von 3% oder mehr zwischen jedem Stift und den entsprechenden Blöcken eingestellt wurde. Die Ergebnisse des Tests sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Bezeichnungen "Guß" und "Extrusion" in der Tabelle bezeichnen eine durch Gießen hergestellte Legierung und eine durch Pulverextrusion hergestellte Legierung.

Tabelle (Testergebnisse)

Die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse des Tests zeigen, daß in dem Fall, in dem ein Stift und Blöcke aneinander gleiten, die aus dem gleichen Material bestehen (siehe Test Nr. 1 bis 6), die Freßlast äußerst gering ist, wohingegen in dem Fall einer Kombination unterschiedlicher Legierungen mit Siliciumgehalten, die voneinander um 3% oder mehr differieren (siehe Test Nr. 7 bis 18), die Freßlast äußerst groß ist (d. h., der Freßwiderstand ist hoch).

Man ersieht aus dieser Tatsache, daß, wenn zwei Legierungen im wesentlichen die gleichen Siliciumteilchendurchmesser und im wesentlichen die gleiche Siliciumteilchenform aufweisen, ein relativ starker Aufprall zwischen ihnen erzeugt wird, der zu einer Zerstörung und Auflösung der Teilchen führt, was wiederum zum Verschleiß oder Fressen führt. Wenn diese Legierungen andererseits hinsichtlich des Siliciumteilchendurchmessers und der Form unterschiedlich sind, so wird der Aufprall absorbiert bzw. vernichtet, so daß die Siliciumteilchenangriffskraft des einen Materials, die auf die Siliciumteilchen des anderen Materials einwirkt, abgeschwächt wird, wodurch man einen verbesserten Verschleiß- und Freßwiderstand erhält.

Aufgrund der oben beschriebenen Tatsache sind bei dieser Ausführungsform die Schieber 70 aus einer 20%igen Si-Al-Legierung (Gußmaterial) ausgebildet, während der Rotor 60 aus einer 12%igen Si-Al-Legierung (Gußmaterial) ausgebildet ist, die leichter als die Legierung der Schieber 70 ist, und der Zylinderblock 40 ist aus einer 16%igen Si-Al-Legierung (pulverextrudiertes Material) ausgebildet.

Entsprechend ist das Gesamtgewicht des Drehkolbenverdichters beträchtlich vermindert, und weiter besteht keine Gefahr hinsichtlich des Verschleißes oder des Fressens, auch wenn der Verdichter über eine lange Zeitdauer betrieben wird.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Drehkolbenverdichter überall dort eingesetzt werden kann, wo es erforderlich ist, ein Kühlmittelgas zu verdichten. Die Erfindung ist allerdings nicht auf Drehkolbenverdichter begrenzt, die nur für Luftkonditionierer in Fahrzeugen verwendet werden. Weiter sind die Siliciumgehalte nicht auf die in der beschriebenen Ausführungsform begrenzt. Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß Materialien verwendet werden, die Siliciumgehaltunterschiede von 3% oder mehr aufweisen.

Claims (2)

1. Drehkolbenverdichter (100), umfassend:
einen Zylinderblock (40) mit einer zylindrischen inneren Umfangsfläche (41);
eine vordere, an einem Ende des Zylinderblocks (40) befestigte Seitenplatte (20);
eine hintere, an dem anderen Ende des Zylinderblocks (40) befestigte Seitenplatte (30);
einen drehbar im Inneren des Zylinderblocks (40) aufgenommenen Rotor (60); und
gleitbar in entsprechenden Schiebernuten (61) aufgenommene Schieber (70), die sich in Abhängigkeit von der Drehung des Rotors (60) radial nach außen und innen bewegen, wobei ihre radial äußeren Enden mit der inneren Umfangsfläche (41) des Zylinderblocks (40) in gleitender Berührung gehalten werden,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Rotor (60) und die Seitenplatten (20, 30) aus Si-Al-Legierungen mit einem sich um 3% oder mehr unterscheidenden Siliciumgehalt bestehen.

2. Drehkolbenverdichter (100), umfassend:
einen Zylinderblock (40) mit einer zylindrischen inneren Umfangsfläche (41);
eine vordere, an einem Ende des Zylinderblocks (40) befestigte Seitenplatte (20);
eine hintere, an dem anderen Ende des Zylinderblocks (40) befestigte Seitenplatte (30);
einen drehbar im Inneren des Zylinderblocks (40) aufgenommenen Rotor (60); und
gleitbar in entsprechenden Schiebernuten (61) aufgenommene Schieber (70), die sich in Abhängigkeit von der Drehung des Rotors (60) radial nach außen und innen bewegen, wobei ihre radial äußeren Enden mit der inneren Umfangsfläche (41) des Zylinderblocks (40) in gleitender Berührung gehalten werden,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Rotor (60) und die Schieber (70) aus Si-Al-Legierungen mit einem sich um 3% oder mehr unterscheidenden Siliciumgehalt bestehen.