DE3744760C2 - Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Nach dem Spiralprinzip arbeitende Rotationskolbenmaschinen zum Verdrängen von verschiedenen Arten von Strömungsmitteln sind bekannt. Eine derartige Maschine kann als Expansionsmaschine, Verdrängermaschine, Pumpe, Kompressor etc. ausgebildet sein. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich aus Einfachheitsgründen jedoch nur auf einen hermetisch gekapselten Kältemittelkompressor.

Allgemein gesagt umfaßt eine derartige Rotationskolbenmaschine zwei Spiralwände entsprechender Form, die jeweils auf einer getrennten Endplatte montiert sind, um ein Spiralelement zu bilden. Die beiden Spiralelemente sind ineinander gepaßt, wobei eine der Spiralwände in einer um 180° gedrehten Lage zur anderen Wand angeordnet ist. Die Maschine funktioniert so, daß sich ein Spiralelement (das umlaufende Spiralelement) relativ zum anderen Spiralelement (das stationäre oder nicht umlaufende Spiralelement) auf einer Umlaufbahn bewegt, um einen Linienkontakt zwischen den Flanken der entsprechenden Wände herzustellen, wobei sich bewegende isolierte sichelförmige Arbeitskammern gebildet werden. Die Spiralen sind üblicherweise als Kreisevolvente ausgebildet, und idealerweise existiert während des Betriebes keine Relativdrehung zwischen den Spiralelementen, d. h., die Bewegung ist eine reine bogenförmige Translationsbewegung (d. h. keine Drehung irgendeiner Linie im Korpus).

Die Arbeitskammern tragen das handzuhabende Strömungsmittel von einer ersten Zone in der Rotationskolbenmaschine, wo ein Strömungsmitteleinlaß vorgesehen ist, zu einer zweiten Zone in der Maschine, wo sich ein Strömungsmittelauslaß befindet. Das Volumen einer abgedichteten Kammer ändert sich, wenn sich diese von der ersten Zone zur zweiten Zone bewegt. Zu irgendeinem Zeitpunkt existieren mindestens zwei abgedichtete Kammern, und wenn diverse Paare von abgedichteten Kammern zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind, besitzt jedes Paar unterschiedliche Volumina. Bei einem Kompressor befindet sich die zweite Zone auf einem höheren Druck als die erste Zone und ist physikalisch in der Mitte der Maschine angeordnet, während sich die erste Zone am Außenumfang der Maschine befindet.

Die zwischen den Verdrängerelementen ausgebildeten Arbeitskammern werden durch zwei Arten von Kontaktstellen begrenzt: Axial verlaufende tangentiale Linienkontakte zwischen den spiralförmigen Flächen oder Flanken der Spiralwände, die durch radiale Kräfte bewirkt werden (Flankendichtung), und Flächenkontakte, die durch axiale Kräfte zwischen den ebenen Kantenflächen (Spitzen) einer jeden Spiralwand und der gegenüberliegenden Endplatte verursacht werden (Spitzendichtung). Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muß eine gute Abdichtung bei beiden Arten von Kontakten vorhanden sein.

Das Konzept einer Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip ist seit geraumer Zeit bekannt. Es ist ferner bekannt, daß dieses Konzept diverse Vorteile besitzt. Beispielsweise weisen Rotationskolbenmaschinen einen hohen isotropischen und volumetrischen Wirkungsgrad auf und sind daher in bezug auf eine vorgegebene Leistung relativ klein und leicht. Sie arbeiten ruhiger und vibrationsfreier als viele Kompressoren, da bei ihnen keine großen hin- und hergehenden Teile (Kolben, Verbindungsstangen etc.) Verwendung finden. Da das gesamte Strömungsmittel in einer Richtung bei gleichzeitiger Kompression in einer Vielzahl von gegenüberliegenden Klammern fließt, treten weniger durch Druck erzeugte Vibrationen auf. Derartige Maschinen besitzen ferner eine große Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, da relativ wenig bewegliche Teile Verwendung finden, zwischen den Spiralelementen eine relativ niedrige Geschwindigkeit vorhanden ist und Strömungsmittelverschmutzungen in inhärenter Weise von der Maschine "verziehen" werden.

Einer der schwierigen Bereiche in bezug auf die Konzipierung einer Rotationskolbenmaschine betrifft die Erzielung einer Spitzendichtung unter sämtlichen Betriebsbedingungen und sämtlichen Drehzahlen bei einer Maschine mit veränderlicher Drehzahl. In herkömmlicher Weise wurde dies erreicht durch (1) Anwendung von extrem genauen und sehr teuren Bearbeitungsverfahren, (2) Versehen der Spitzen mit spiralförmigen Spitzendichtungen, die leider schwer zu montieren und oft unzuverlässig sind, oder (3) durch Aufbringung einer axialen Wiederherstellkraft durch axiales Vorspannen des umlaufenden Spiralelementes in Richtung auf das nicht umlaufende Spiralelement unter Verwendung eines komprimierten Arbeitsströmungsmittels. Die zuletzt genannte Methode besitzt einige Vorteile, bringt jedoch auch Probleme mit sich. Zum Vorsehen einer Wiederherstellkraft zum Ausgleich der axialen Trennkraft ist es nämlich auch erforderlich, die am Spiralelement aufgrund der durch Druck erzeugten radialen Kräfte auftretende Kippbewegung sowie Trägheitskräfte auszugleichen, die aus der Umlaufbewegung resultieren. Beide Kräfte hängen von der Geschwindigkeit ab. Die axiale Ausgleichskraft muß daher relativ groß sein und wird immer nur bei einer Drehzahl bzw. Geschwindigkeit optimal sein.

Eine Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 ist aus der DE-OS 24 28 228 bekannt. Die bekannte Maschine besitzt eine mit dem Auslaßdruck beaufschlagte Druckkammer, die als zylindrische Kammer im Maschinengehäuse ausgebildet ist und in der ein mit der Endplatte des stationären Spiralelementes verbundener Kolben axial gleitet. Diese Druckkammer dient zum Vorspannen des stationären Spiralelementes gegen das umlaufende Spiralelement in axialer Richtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der angegebenen Art zu schaffen, mit der eine besonders gute Anpassung der axialen Vorspannkraft an unterschiedliche Betriebsdrücke der Maschine erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotationskolbenmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine als Kompressor ausgebildete Rotationskolbenmaschine, wobei diverse Teile weggebrochen und bestimmte Teile geringfügig gedreht worden sind; und

Fig. 2 einen Teilvertikalschnitt durch den oberen Teil des Kompressors in erfindungsgemäß abgeänderter Ausführungsform.

Fig. 1 dient zur schematischen Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise des beschriebenen Kompressors, während Fig. 2 die gegenüber Fig. 1 veränderte erfindungsgemäße Ausgestaltung des oberen Teiles des Kompressors zeigt.

Die in Fig. 1 gezeigte hermetisch gekapselte Rotationskolbenmaschine für eine Klimaanlage umfaßt drei größere Gesamteinheiten, d. h. eine zentrale Einheit 10, die in einem kreisförmigen zylindrischen Stahlgehäuse 12 untergebracht ist, und eine obere und untere Einheit 14 und 16, die mit dem oberen und unteren Ende des Gehäuses 12 verschweißt sind, um dieses zu verschließen und abzudichten. Das Gehäuse 12 nimmt die Hauptkomponenten der Maschine auf, welche einen Elektromotor 18 mit einem Stator 20 (mit üblichen Wicklungen 22 und einer Schutzeinheit), der mittels Preßpassung im Gehäuse 12 angeordnet ist, und einen Rotor 24 (mit üblichen Nasen 26) umfassen, der auf eine Kurbelwelle 28 wärmegeschrumpft ist. Ein Kompressorgehäuse 30, das vorzugsweise an einer Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Stellen, wie beispielsweise bei 32, mit dem Gehäuse 12 verschweißt ist, lagert ein umlaufendes Spiralelement 34, das eine senkrecht angeordnete Spiralwand 35 mit einem üblichen Flankenprofil und einer Spitzenfläche 33 aufweist. Ein stationär angeordnetes, axial nachgiebiges Spiralelement 36 mit einer senkrecht angeordneten Spiralwand 37 mit einem üblichen Flankenprofil (vorzugsweise das gleiche wie die Spiralwand 35), steht in der üblichen Weise mit der Spiralwand 35 in Eingriff und besitzt eine Spitzenfläche 31. Eine Ausgabeöffnung 41 ist im Spiralelement 36 angeordnet, und ein Oldham-Ring 38, der zwischen dem Spiralelement 34 und dem Gehäuse 30 angeordnet ist, verhindert eine Drehung des Spiralelementes 34. Ein Fitting 40 für den Ansaugeinlaß ist mit dem Gehäuse 12 verlötet oder verschweißt. Eine Ansaugeinheit 42 führt Sauggas dem Kompressoreinlaß zu, und ein Trägerarm 44 für ein unteres Lager trägt ein unteres Kurbelwellenlager 48, das im unteren Ende der Kurbelwelle 28 gelagert ist. Das untere Ende des Kompressors bildet einen mit Schmieröl 49 gefüllten Schmiermittelsumpf.

Die untere Einheit 16 umfaßt ein einfaches Stahlstanzstück, das eine Vielzahl von Füßen 52 aufweist.

Bei der oberen Einheit 14 handelt es sich um einen Auspufftopf mit einem unteren Stahlstanzstück als Verschlußelement 58, das mit dem oberen Ende des Gehäuses 10 verschweißt ist, wie bei 60 gezeigt, um dieses zu verschließen und abzudichten. Das Verschlußelement 58 besitzt einen aufrecht stehenden Umfangsflansch 62, von dem ein mit einer Öffnung versehener Halteansatz (nicht gezeigt) vorsteht. In seinem zentralen Bereich besitzt das Verschlußelement eine axial angeordnete kreisförmige Zylinderkammer 66 mit einer Vielzahl von Öffnungen 68 in der Wand. Um die Steifigkeit zu erhöhten, ist das Element 58 mit einer Vielzahl von mit Rippen oder runden Vorsprüngen versehenen Bereichen 70 versehen. Eine ringförmige Gasauslaßkammer 72 ist mit Hilfe eines ringförmigen Auspufftopfes 74 über dem Element 58 ausgebildet. Der Auspufftopf 74 ist an seinem Außenumfang mit dem Flansch 62 verschweißt, wie bei 76 gezeigt, und an seinem Innenumfang mit der Außenwand der Zylinderkammer 66 verschweißt, wie bei 78 gezeigt. Komprimiertes Gas aus der Auslaßöffnung 41 dringt durch die Öffnungen 68 in die Kammer 72, aus der es normalerweise über einen Auslaßfitting (nicht gezeigt) abgegeben wird, das in die Wand des Elementes 74 gelötet oder hartgelötet ist. Eine herkömmlich ausgebildete Innendruck-Entlastungsventileinheit kann in einer geeigneten Öffnung im Verschlußelement 58 montiert sein, um in Situationen überhöhten Drucks Gas in das Gehäuse 12 abzuführen.

Wenn man sich die Hauptteile des Kompressors im Detail ansieht, so besitzt die Kurbelwelle 28, die vom Motor 18 angetrieben wird, an ihrem unteren Ende eine Lagerfläche mit reduziertem Durchmesser, die sich im Lager 48 befindet und über eine Axialdruckscheibe 85 auf der Schulter über der Lagerfläche gelagert ist. Das untere Ende des Lagers 78 besitzt einen Öleinlaßkanal 86 und einen Schmutzentfernungskanal. Der Arm 44 ist in der gezeigten Form ausgebildet und mit aufrecht stehenden Seitenflanschen 90 versehen, um seine Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhten. Das Lager 48 wird durch Eintauchen in Öl 49 geschmiert, und Öl wird über eine herkömmlich ausgebildete Zentrifugalkurbelwellenpumpe zum restlichen Teil des Kompressors gepumpt. Diese Pumpe besitzt einen zentralen Ölkanal 92 und einen exzentrischen, nach außen geneigten Ölzuführkanal, der mit dem zentralen Ölkanal in Verbindung steht und sich bis zum oberen Ende der Kurbelwelle erstreckt. Ein Querkanal verläuft vom Ölzuführkanal bis zu einer Umfangsnut in einem Lager 39, um dieses zu schmieren. Ein unteres Gegengewicht 97 und ein oberes Gegengewicht 100 sind in irgendeiner geeigneten Weise an der Kurbelwelle 28 befestigt, beispielsweise über eine übliche Lappenverbindung mit Vorsprüngen an den Ansätzen 26 (nicht gezeigt). Diese Gegengewichte besitzen die übliche Ausführungsform für eine Rotationskolbenmaschine.

Das umlaufende Spiralelement 34 besitzt eine Endplatte 102 mit einer allgemein ebenen parallelen oberen und unteren Fläche 104 und 106, wobei die letztgenannte Fläche gleitend mit einer ebenen kreisförmigen Axialdrucklagerfläche 108 am Gehäuse 30 in Eingriff steht. Die Axialdrucklagerfläche 108 wird über eine Ringnut 110 geschmiert. Die Spitzen 31 der Spiralwand 37 stehen dichtend mit der Fläche 104 in Eingriff, während die Spitzen 33 der Spiralwand 35 dichtend mit einer allgemein ebenen und parallelen Fläche 117 am Spiralelement 36 in Eingriff stehen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 findet eine Kombination von Auslaß- und Zwischendrücken für eine axiale Spitzendichtungsvorspannung Verwendung. Um dies zu erreichen, ist das Verschlußelement 58 so ausgebildet, daß zwei getrennte koaxiale und voneinander beabstandete zylindrische Druckkammern 314 und 316 gebildet werden, und das obere Ende des Spiralelementes 36 ist mit koaxialen Kolben 318 uind 320 versehen, die gleitend in den Kammern 314 und 316 angeordnet sind. Unter Auslaßdruck stehendes komprimiertes Strömungsmittel wird dem oberen Ende des Kolbens 320 zugeführt, und unter einem Zwischendruck stehendes Strömungsmittel wird dem Ringkolben 318 über einen Kanal 322 zugeführt, der sich von einer in geeigneter Weise angeordneten Druckquelle aus erstreckt.

Da die Flächen der Kolben und die Lager der Druckquelle verändert werden können, stellt diese Ausführungsform den besten Weg dar, um einen optimalen axialen Ausgleich für alle gewünschten Betriebsbedingungen zu erzielen.

Die Druckquellen können so gewählt werden, daß der gewünschte Druck erhalten wird, und können so angeordnet werden, falls gewünscht, daß unterschiedliche Drücke an unterschiedlichen Punkten im Zyklus vorliegen, so daß ein gewünschter Durchschnittsdruck erzielt wird. Der Druckkanal 322 besitzt vorzugsweise einen relativ kleinen Durchmesser, so daß nur minimale Durchflußänderungen (und somit Pumpenverluste) und eine entsprechende Druckdämpfung (und damit Kraftreduzierung) resultieren.

Claims (5)

1. Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip mit einem in einem Gehäuse angeordneten stationären Spiralelement (36) mit einer Endplatte und einer darauf senkrecht angeordneten Spiralwand (37) und einem umlaufenden Spiralelement (34) mit einer Endplatte und einer darauf senkrecht angeordneten Spiralwand (35), wobei die Spiralwände (37, 35) miteinander kämmen und sich nach radial innen bewegende Arbeitskammern bilden, und einer an der Endplatte des stationären Spiralelementes (36) angeordneten, mit dem Auslaßdruck beaufschlagten Druckkammer (316) zum Vorspannen des stationären Spiralelementes (36) gegen das umlaufende Spiralelement (34) in axialer Richtung, welche Druckkammer (316) als zylindrische Kammer in dem Gehäuse gebildet ist, in der ein mit der Endplatte des stationären Spiralelementes (36) verbundener Kolben (320) in axialer Richtung gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß radial außerhalb und konzentrisch zu der Druckkammer (316) eine zweite Druckkammer (314) angeordnet ist, die mit einem geringeren Druck als dem Auslaßdruck beaufschlagt ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der zweiten Kammer (314) ein Druck zwischen dem Ansaugdruck und Auslaßdruck ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckkammer (314) eine in dem Gehäuse angeordnete zweite Zylinderkammer ist, in der ein mit der Endplatte des stationären Spiralelementes (36) verbundener zweiter Kolben (318) in axialer Richtung gleitet.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stationären Spiralelement (36) ein Kanal (322) angeordnet ist, der eine Arbeitskammer, die unter einem zwischen dem Ansaugdruck und dem Auslaßdruck liegenden Druck steht, mit der zweiten Druckkammer (314) verbindet.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der radial innenliegenden Druckkammer (316) und der radial äußeren zweiten Druckkammer (314) eine ringförmige elastomere Dichtung angeordnet ist.