DE3745096C2 - Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip - Google Patents

Abstract

Es wird eine Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip beschrieben, die eine speziell ausgebildete Oldham-Kupplung aufweist. Die Oldham-Kupplung besitzt einen nicht-kreisförmigen Oldham-Ring, der den Einsatz eines größeren Axialdrucklagers oder eines äußeren Gehäuses mit reduziertem Durchmesser bei einer vorgegebenen Größe des Axialdrucklagers ermöglicht.

Description

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

Allgemein gesagt umfaßt eine derartige Rotationskolben­ maschine zwei Spiralwände entsprechender Form, die jeweils auf einer getrennten Endplatte montiert sind, um ein Spi­ ralelement zu bilden. Die beiden Spiralelemente sind inein­ ander 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 feste oder nicht umlaufende Spiralelement) auf einer Umlaufbahn bewegt, um einen Linienkontakt zwischen den Flanken der entsprechenden Wände herzustellen, wobei sich bewegende isolierende sichelförmige Strömungsmitteltaschen gebildet werden. Die Spiralen sind üblicherweise als Kreis­ evolvente ausgebildet, und idealerweise existiert während des Betriebes keine Relativbewegung zwischen den Spiralele­ menten, d. h. die Bewegung ist eine reine bogenförmige Translationsbewegung (d. h. keine Drehung). Die Strömungs­ mitteltaschen 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 befin­ det. Das Volumen einer abgedichteten Tasche ändert sich, wenn sich diese von der ersten Zone zur zweiten Zone be­ wegt. Zu irgendeinem Zeitpunkt existieren mindestens zwei abgedichtete Taschen, und wenn diverse Paare von abgedich­ teten Taschen 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 endet.

Die zwischen den Spiralelementen ausgebildeten Strömungs­ mitteltaschen werden durch zwei Arten von Kontaktstellen begrenzt: Axial verlaufende tangentiale Linienkontakte zwischen den spiralförmigen Flächen oder Flanken der Spi­ ralwände, die durch radiale Kräfte bewirkt werden (Flanken­ dichtung), und Flächenkontakte, die durch axiale Kräfte zwischen den ebenen Stirnflächen einer jeden Spiralwand und der gegenüberliegenden Endplatte verursacht werden (Stirn­ flächendichtung). Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muß eine gute Abdichtung bei beiden Arten von Kontakten vorhanden sein.

Das Konzept einer Rotationskolbenmaschine nach dem Spiral­ prinzip ist seit geraumer Zeit bekannt. Es ist ferner be­ kannt, daß dieses Konzept diverse Vorteile besitzt. Bei­ spielsweise weisen Rotationskolbenmaschinen einen hohen isentropischen und volumetrischen Wirkungsgrad auf und sind daher in bezug auf eine vorgegebene Leistung relativ klein und leicht. Sie arbeiten ruhiger und vibrationsfreier als viele andere 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 Taschen fließt, treten weniger durch Druck erzeugte Vibrationen auf. Derartige Maschinen be­ sitzen ferner eine große Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, da relativ wenig bewegliche Teile Verwendung finden, zwischen den Spiralelementen eine relativ niedrige Ge­ schwindigkeit vorhanden ist und Strömungsmittelver­ schmutzungen in inhärenter Weise von der Maschine "verziehen" werden.

Einer der bekannteren Versuche zum Verhindern einer relativen Winkelbewegung zwischen den Spiralelementen, wenn sie relativ umlaufen, besteht in der Verwendung einer Oldham-Kupplung, die zwischen dem umlaufenden Spiralelement und einem festen Abschnitt der Maschine wirkt. Eine Oldham- Kupplung umfaßt üblicherweise einen kreisförmigen Oldham- Ring mit zwei Sätzen von Vorsprüngen, wobei ein Satz von Vorsprüngen in einer Richtung auf einer Fläche des umlau­ fenden Spiralelementes gleitet, während der andere Satz der Vorsprünge unter rechten Winkeln dazu auf einer Fläche des Maschinengehäuses gleitet. Der Oldham-Ring ist um die Außenseite des Axialdrucklagers herum, das das umlaufende Spiralelement relativ zum Gehäuse lagert, angeordnet.

Eine Rotationskolbenmaschine der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der US-PS 40 65 279 be­ kannt. Bei dieser bekannten Rotationskolbenmaschine ist das Ringelement der Oldham-Kupplung kreisförmig ausgebildet und umgibt den das Axiallager für das umlaufende Spiralelement bildenden kreisförmigen Gehäuseabschnitt mit relativ weitem Abstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotations­ kolbenmaschine der angegebenen Art zu schaffen, die die Verwendung eines Axiallagers maximaler Größe bei einer vor­ gegebenen Maschinengröße bzw. einer Maschine minimaler Größe bei einer vorgegebenen Größe des Axiallagers ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird bei einer Rotationskolbenmaschine der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Tatsache vorteilhaft genutzt, daß sich der Oldham-Ring in einer geraden Linie relativ zum Kompressorgehäuse bewegt, wobei der Ring eine ovale Form mit minimaler Innenabmessung besitzt, um den Umfangsrand des Axialdrucklagers freizugeben.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch auf die DE-OS 24 28 228 verwiesen. Aus dieser Veröffentlichung ist ein Kupplungsring mit unter Berücksichtigung seiner geradlini­ gen Bewegung relativ zum Gehäuse ausgebildeter Innenabmes­ sung bekannt. Dort geht es jedoch nicht um die Anpassung des Kupplungsringes an eine Axiallagerfläche.

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen nach dem Spiralprinzip arbeitenden Rotationskolbenkompressor, wobei diverse Teile weggebrochen und bestimmte Teile geringfügig gedreht worden sind;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Rotationskolbenkompressor der Fig. 1 in einer anderen Schnittebene, wobei ebenfalls bestimmte Teile geringfügig gedreht worden sind;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Oldham-Ring, der einen Teil des Rotationskolbenkom­ pressors der Fig. 1 und 2 bildet; und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Oldham-Ringes der Fig. 3.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaßt der hier gezeigte Rotationskolbenkompressor 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 verschweißt sind, um dieses zu verschließen und abzudichten. Das Gehäuse 12 nimmt die Hauptkomponenten der Maschine auf, welche einen Elektro­ motor 18 mit einem Stator 20 (mit üblichen Wicklungen 22 und einer Schutzeinheit 23), der mittels Preßpassung im Gehäuse 12 angeordnet ist, und einem Rotor 24 (mit üblichen Nasen 26), 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 und ein umlaufendes zweites Spiralelement 34 lagert, das eine zweite Spiralwand 35 mit einem üblichen Flankenprofil und einer Spitzenfläche 33 aufweist, ein oberes Kurbelwel­ lenlager 39 einer herkömmlichen zweistückigen Konstruktion, ein nicht umlaufendes axial nachgiebiges erstes Spiralele­ ment 36 mit einer ersten Spiralwand 37 mit einem üblichen Flankenprofil (vorzugsweise das gleiche wie die Spiralwand 35), das in der üblichen Weise mit der Wand 35 kämmt und eine Spitzenfläche 31 besitzt, eine Abgabeöffnung 41 im ersten Spiralelement 36, einen Oldham-Ring 38, der zwischen dem zweiten Spiralelement 34 und dem Gehäuse 30 angeordnet ist, um eine Drehung des Spiralelementes 34 zu verhindern, ein Fitting 40 für den Ansaugeinlaß, das mit dem Gehäuse 12 verlötet oder verschweißt ist, eine Ansaugeinheit 42, um Sauggas dem Kompressoreinlaß zuzuführen, und einen Träger­ arm 44 für ein unteres Lager umfassen, der an jedem Ende mit dem Gehäuse 10 verschweißt ist, wie bei 46 gezeigt, und ein unteres Kurbelwellenlager 48 trägt, das am unteren Ende der Kurbelwelle 28 gelagert ist. Das untere Ende des Kom­ pressors bildet einen mit Schmieröl 49 gefüllten Schmier­ mittelsumpf.

Die untere Einheit 16 umfaßt ein einfaches Stahlstanzstück 50, das eine Vielzahl von Füßen 52 und mit Öffnungen ver­ sehene Montageflansche 54 besitzt. Das Stanzstück 50 ist, wie bei 56 gezeigt, mit dem Gehäuse 12 verschweißt, um dessen unteres Ende abzudichten und zu verschließen.

Bei der oberen Einheit 14 handelt es sich um einen Aus­ pufftopf mit einem unteren Stahlstanzstück als Verschluß­ element 58, das mit dem oberen Ende des Gehäuses 10 ver­ schweißt ist, wie bei 60 gezeigt, um dieses zu verschlies­ sen und abzudichten. Das Verschlußelement 58 besitzt einen aufrecht stehenden Umfangsflansch 62, von dem ein mit einer Öffnung versehener Halteansatz vorsteht. In seinem zentra­ len Bereich besitzt das Verschlußelement eine axial ange­ ordnete kreisförmige Zylinderkammer 66 mit einer Vielzahl von Öffnungen 68 in der Wand. Um die Steifigkeit zu erhö­ hen, 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 ausgebil­ det. 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 ver­ schweißt, wie bei 78 gezeigt. Komprimiertes Gas aus der Auslaßöffnung 41 dringt durch die Öffnungen 68 in die Kammer 72, aus der es normalerweise über ein Auslaßfitting 80 abgegeben wird, das an die Wand des Elementes 74 gelötet oder hartgelötet ist. Eine herkömmlich ausgebildet Innen­ druck-Entlastungsventileinheit 82 kann in einer geeigneten Öffnung mit Verschlußelement 58 montiert sein, um in Situa­ tionen überhöhten Drucks Gas in das Gehäuse 12 abzuführen.

Wenn man die Hauptteile des Kompressors im Detail betrach­ tet, besitzt die Kurbelwelle 28, die vom Motor 18 angetrie­ ben wird, an ihrem unteren Ende eine Lagerfläche 84 mit reduziertem Durchmesser, die sich im Lager 48 befindet und über eine Axialdruckscheibe 85 auf der Schulter über der Fläche 84 gelagert ist. Das untere Ende des Lagers 48 be­ sitzt einen Öleinlaßkanal 86 und einen Schmutzentfernungs­ kanal 88. Der Arm 44 ist in der gezeigten Form ausgebildet und mit aufrecht stehenden Seitenflanschen 90 versehen, um seine Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen. 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 94, der mit dem zentra­ len Ölkanal in Verbindung steht und sich bis zum oberen Ende der Kurbelwelle erstreckt. Ein Querkanal 96 verläuft vom Kanal 94 bis zu einer Umfangsnut 98 im 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 An­ sätzen 26 (nicht gezeigt). Diese Gegengewichte besitzen die übliche Ausführungsform für eine Rotationskolbenmaschine.

Das umlaufende Spiralelement 34 besitzt eine zweite End­ platte 102 mit einer allgemein ebenen parallelen oberen und unteren Fläche 104 und 106, wobei die letztgenannte Fläche gleitend mit einer ebenen kreisförmigen Axialdrucklager­ fläche 108 am Gehäuse 30 in Eingriff steht. Die Axialdruck­ lagerfläche 108 wird über eine Ringnut 110 geschmiert, die Öl vom Kanal 94 in der Kurbelwelle 28 über den Kanal 96 und die Nut 98 empfängt. Die Stirnflächen der ersten Spiralwand 37 stehen dichtend mit der Fläche 104 in Eingriff, während die Stirnflächen 33 der zweiten Spiralwand 35 dichtend mit einer allgemein ebenen und parallelen Fläche 117 am ersten Spiralelement 36 in Eingriff stehen.

Eine einstückig mit dem zweiten Spiralelement 34 ausgebil­ dete Nabe 118 hängt von diesem herab und besitzt eine Axialbohrung 120, in der eine kreiszylindrische Ent­ lastungsantriebsbuchse 122 gelagert ist, welche eine Öffnung 124 besitzt, in der treibend ein exzentrischer Kur­ belzapfen 126 angeordnet ist, der am oberen Ende der Kur­ belwelle 28 einstückig mit dieser ausgebildet ist. Hier­ durch wird ein radial nachgiebiger Antrieb gebildet.

Eine Drehung des zweiten Spiralelementes 34 relativ zum Gehäuse 30 und dem ersten Spiralelement 36 wird durch eine Oldham-Kupplung verhindert, die einen Ring 38 (Fig. 3 und 4) umfaßt, der zwei nach unten vorstehende, diametral entgegengesetzte einstückige Vorsprünge 134 besitzt, welche gleitend in diametral gegenüberliegenden radialen Schlitzen 136 im Gehäuse 30 angeordnet sind, sowie um 90° dazu ver­ setzt zwei aufwärts vorstehende, diametral gegenüberlie­ gende einstückige Vorsprünge 138, die gleitend in diametral gegenüberliegenden radialen Schlitzen 140 im zweiten Spi­ ralelement 34 angeordnet sind (von denen einer in Fig. 1 gezeigt ist).

Der Ring 38 besitzt eine spezielle Form, die die Verwendung eines Axialdrucklagers einer maximalen Größe bei einer vor­ gegebenen Gesamtmaschinengröße (im Querschnitt) ermöglicht bzw. eine Maschine mit minimaler Größe bei einer vorgege­ benen Größe des Axialdrucklagers. Dies wird dadurch er­ reicht, daß man die Tatsache vorteilhaft nutzt, daß sich der Oldham-Ring in einer geraden Linie relativ zum Kompres­ sorgehäuse bewegt, wobei der Ring eine allgemein ovale oder "Rennbahn"-Form mit minimaler Innenabmessung besitzt, um den Umfangsrand des Axialdrucklagers freizugeben. Die innere Umfangswand des Ringes 38 besitzt ein Ende 142 mit einem Radius R vom Mittelpunkt x und ein gegenüberliegendes Ende 144 mit dem gleichen Radius R von einem äußeren Punkt y (Fig. 3), wobei die Zwischenwandabschnitte im wesent­ lichen gerade verlaufen, wie bei 146 und 148 gezeigt. Die Mittelpunkte x und y sind mit einem Abstand voneinander angeordnet, der dem Umlaufradius des zweiten Spiralelemen­ tes 34 entspricht bis zweimal so groß wie dieser ist, und befinden sich auf einer Linie, die durch die Mittelpunkte der Vorsprünge 134 und Radialschlitze 136 verläuft. Der Radius R entspricht dem Radius der Axialdrucklagerfläche 108 plus einem vorgegebenen Minimalabstand. Mit Ausnahme der Form des Ringes 38 funktioniert die Oldham-Kupplung in üblicher Weise.

Claims (5)

1. Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip mit
einem ersten, nicht umlaufenden Spiralelement (36),
einem stationären Gehäuse (30) mit einem eine ebene querverlaufende Axialdrucklagerfläche (108) für ein zweites umlaufendes Spiralelement (34) bildenden kreisförmigen Abschnitt,
einem zweiten, relativ zum stationären Gehäuse (30) umlaufenden Spiralelement (34) und
einer Montageeinrichtung zur Montage des ersten, nicht umlaufenden Spiralelementes (36) am stationären Gehäuse (30),
wobei die Maschine ferner eine kompakte Oldham- Kupplung aufweist, die eine Drehbewegung des zweiten, umlaufenden Spiralelementes (34) relativ zum Gehäuse (30) verhindert und zwischen dem kreisförmigen Gehäuseabschnitt und der Montageeinrichtung angeordnet ist, sowie diametral ausgerichtete erste Führungsflächen am Gehäuse (30), diametral ausgerichtete zweite Führungsflächen am zweiten, umlaufenden Spiralelement (34), die rechtwinklig zu den ersten Führungsflächen angeordnet sind, und ein den kreisförmigen Gehäuseabschnitt umgebendes, quer angeordnetes Ringelement (38) mit einem ersten Paar von Vorsprüngen (134) auf einer Fläche des Ringelementes (38) in linearem Gleiteingriff mit den ersten Führungsflächen und
einem zweiten Paar von Vorsprüngen (138) auf der gegenüberliegenden Fläche des Ringelementes (38) in linearem Gleiteingriff mit den zweiten Führungsflächen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (38) an gegenüberliegenden Enden Kreisbögen mit gleichem Radius aufweist, wobei die Mittelpunkte (x, y) der Kreisbögen in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet und die Kreisbögen durch gerade Abschnitte (146, 148) miteinander verbunden sind, die sich in Richtung der ersten Führungsflächen erstrecken.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R) der Kreisbögen dem des kreisförmigen Gehäuseabschnittes zuzüglich eines vorgegebenen Minimalspieles entspricht.

3. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Abstand der Mittelpunkte (x, y) der Kreisbögen dem doppelten Umlaufradius des zweiten, umlaufenden Spiralelementes (34) entspricht.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Führungsflächen durch ein Paar von Radialschlitzen (136) im Gehäuse (30) gebildet sind, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseachse angeordnet sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Führungsflächen durch ein Paar von Radialschlitzen (140) im zweiten Spiralelement (34) gebildet sind, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseachse angeordnet sind.