DE3745097C2 - Hermetisch gekapselte Motor-Kompressor-Einheit - Google Patents

Abstract

Es wird eine hermetisch gekapselte Motor-Kompressor-Einheit mit einem Gehäuse und einem ersten und zweiten Spiralelement, die im Gehäuse angeordnet sind und miteinander kämmende Spiralwände aufweisen, beschrieben. In der zentralen Bohrung einer ringförmigen Nabe ist eine ringförmige Antriebsbuchse gelagert, die eine mittig angeordnete ovale Öffnung aufweist. Ein exzentrischer Kurbelstift befindet sich in der ovalen Öffnung und bewirkt die Umlaufbewegung des umlaufenden Sprialelementes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hermetisch gekap­ selte Motor-Kompressor-Einheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Allgemein gesagt umfasst eine derartige Motor-Kompressor- Einheit zwei Spiralwände entsprechender Form, die jeweils auf einer getrennten Endplatte montiert sind, um ein Spi­ ralelement zu bilden. Die beiden Spiralelemente sind in­ einandergepasst, wobei eine der Spiralwände in einer um 180° gedrehten Lage zur anderen Wand angeordnet ist. Die Einheit funktioniert so, daß sich ein Spiralelement (das umlaufende Spiralelement) relativ zum anderen Spiralele­ ment (das feste oder nicht umlaufende Spiralelement) auf einer Umlaufbahn bewegt, um einen Linienkontakt zwischen den Flanken der entsprechenden Wände herzustellen, wobei sich bewegende isolierte sichelförmige Strömungsmittel­ taschen gebildet werden. Die Spiralen sind üblicherweise als Kreisevolvente ausgebildet, und idealer Weise existiert während des Betriebes keine Relativbewegung zwischen den Spiralelementen, d. h. die Bewegung ist eine reine bogenförmige Translationsbewegung (d. h. keine Dre­ hung). Die Strömungsmitteltaschen tragen das handzuha­ bende Strömungsmittel von einer ersten Zone in der Ein­ heit, wo ein Strömungsmitteleinlaß vorgesehen ist, zu ei­ ner zweiten Zone in der Einheit, wo sich ein Strömungs­ mittelauslaß befindet. Das Volumen einer abgedichteten Tasche ändert sich, wenn sich diese von der ersten Zone zur zweiten Zone bewegt. Zu irgendeinem Zeitpunkt existieren mindestens zwei abgedichtete Taschen, und wenn diverse Paare von abgedichteten Taschen zu einem bestimm­ ten Zeitpunkt vorhanden sind, besitzt jedes Paar unter­ schiedliche 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 ange­ ordnet, während sich die erste Zone am Außenumfang der Maschine befindet.

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 (Flan­ kendichtung), und Flächenkontakte, die durch axiale Kräfte zwischen den ebenen Stirnflächen einer jeden Spi­ ralwand und der gegenüberliegenden Endplatte verursacht werden (Stirnflächendichtung). Um einen hohen Wirkungs­ grad zu erzielen, muß eine gute Abdichtung bei beiden Ar­ ten von Kontakten vorhanden sein.

Das Konzept einer derartigen nach dem Spiralprinzip ar­ beitenden Einheit ist seit geraumer Zeit bekannt. Es ist ferner bekannt, dass dieses Konzept diverse Vorteile be­ sitzt. Beispielsweise weisen derartige Einheiten einen hohen isentropischen und volumetrischen Wirkungsgrad auf und sind daher in bezug auf eine vorgegebene Leistung re­ lativ klein und leicht. Sie arbeiten ruhiger und vibrati­ onsfreier als viele anderen Kompressoren, da bei ihnen keine großen hin- und hergehenden Teile (Kolben, Verbin­ dungsstangen etc.) Verwendung finden. Da das gesamte Strömungsmittel in einer Richtung bei gleichzeitiger Kom­ pression in einer Vielzahl von gegenüberliegenden Taschen fließt, treten weniger durch Druck erzeugte Vibrationen auf. Derartige Einheiten besitzen ferner eine große Zu­ verlässigkeit und Haltbarkeit, da relativ wenig beweg­ liche Teile Verwendung finden, zwischen den Spiralelemen­ ten eine relativ niedrige Geschwindigkeit vorhanden ist und Strömungsmittelverschmutzungen in inhärenter Weise von der Maschine "verziehen" werden.

Eine hermetisch gekapselte Motor-Kompressor-Einheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 36 01 674 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hermetisch gekapselte Motor-Kompressor-Einheit der angegebenen Art zu schaffen, die eine begrenzte radiale Relativbewegung der Spiralelemente ermöglicht.

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

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch auf die DE 33 46 546 A1 hingewiesen, aus der eine Spiralmaschine bekannt ist, die einen Mechanismus aufweist, der eine Relativver­ drehung zwischen den Spiralelementen nicht eliminiert, jedoch diese auf einen relativ kleinen bestimmten Wert begrenzt. Hierbei ist eine angetriebene ebene Fläche auf der Außenfläche einer Entlastungsnabe vorgesehen, die mit einer ebenen Antriebsfläche auf der Innenfläche einer in der Kurbelwelle vorgesehenen Bohrung zusammenwirkt. Diese bekannte Antriebsordnung benötigt jedoch relativ viele Teile und ist - im Vergleich zum Erfindungsgegenstand - schwieriger in der Herstellung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine hermetisch gekapselte Motor-Kompres­ sor-Einheit, wobei diverse Teile weg­ gebrochen und bestimmte Teile gering­ fügig gedreht worden sind;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die hermetisch gekapselte Motor-Kompres­ sor-Einheit der Fig. 1 in einer an­ deren Schnittebene, wobei wiederum bestimmte Teile geringfügig gedreht worden sind;

Fig. 3 einen Teilvertikalschnitt durch die Antriebsverbindung zwischen Nabe, Buchse und Kurbelzapfen; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang Linie 4-4 in Fig. 3.

Wie die Figuren zeigen, umfasst die hier dargestellte Mo­ tor-Kompressor-Einheit 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 Einheit auf, welche einen Elektromotor 18 mit einem Stator 20 (mit üblichen Wicklungen 22 und einer Schutzeinheit 23), der mittels Presspassung im Gehäuse 12 angeordnet ist, und einem Ro­ tor 24 (mit üblichen Nasen 26), der auf eine Kurbelwelle 28 wärmegeschrumpft ist, ein Kompressorgehäuse 30, das vorzugsweise an einer Vielzahl von mit Umfangsabstand an­ geordneten 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 Kurbelwellenlager 39 einer her­ kömmlichen zweistückigen Konstruktion, ein nicht umlau­ fendes axial nachgiebiges erstes Spiralelement 36 mit ei­ ner 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 verhin­ dern, ein Fitting 40 für den Ansaugeinlaß, das mit dem Gehäuse 12 verlötet oder verschweißt ist, eine Ansaugein­ heit 42, um Sauggas dem Kompressoreinlaß zuzuführen, und einen Trägerarm 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 Kompressors bildet einen mit Schmieröl 49 gefüllten Schmiermittelsumpf.

Die untere Einheit 16 umfaßt ein einfaches Stahlstanz­ stück 50, das eine Vielzahl von Füßen 52 und mit Öffnun­ gen versehene Montageflansche 54 besitzt. Das Stanzstück 50 ist, wie bei 56 gezeigt, mit dem Gehäuse 12 ver­ schweißt, um dessen unteres Ende abzudichten und zu ver­ schließen.

Bei der oberen Einheit 14 handelt es sich um einen Aus­ pufftopf mit einem unteren Stahlstanzstück als Ver­ schlusselement 58, das mit dem oberen Ende des Gehäuses 10 verschweißt ist, wie bei 60 gezeigt, um dieses zu ver­ schließen und abzudichten. Das Verschlusselement 58 be­ sitzt einen aufrecht stehenden Umfangsflansch 62, von dem ein mit einer Öffnung versehener Halteansatz 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 Stei­ figkeit zu erhöhen, ist das Element 58 mit einer Vielzahl von mit Rippen oder runden Vorsprüngen versehenen Be­ reichen 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 Außen­ wand der Zylinderkammer 66 verschweißt, wie bei 78 ge­ zeigt. Komprimiertes Gas aus der Auslassöffnung 41 dringt durch die Öffnungen 68 in die Kammer 72, aus der es nor­ malerweise über ein Auslassfitting 80 abgegeben wird, das an die Wand des Elementes 74 gelötet oder hartgelötet ist. Eine herkömmlich ausgebildete Innendruck-Entlas­ tungsventileinheit 82 kann in einer geeigneten Öffnung im Verschlusselement 58 montiert sein, um in Situationen überhöhten Drucks Gas in das Gehäuse 12 abzuführen.

Wenn man die Hauptteile des Kompressors im Detail be­ trachtet, besitzt die Kurbelwelle 28, die vom Motor 18 angetrieben wird, an ihrem unteren Ende eine Lagerfläche 84 mit reduziertem Durchmesser, die sich im Lager 48 be­ findet und über eine Axialdruckscheibe 85 (Fig. 1, 2) auf der Schulter über der Fläche 84 gelagert ist. Das un­ tere Ende des Lagers 78 besitzt einen Öleinlasskanal 86 und einen Schmutzentfernungskanal 88. Der Arm 44 ist in der gezeigten Form ausgebildet und mit auf recht stehenden Seitenflanschen 90 versehen, um seine Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen. Das Lager 48 wird durch Ein­ tauchen in Öl 49 geschmiert, und Öl wird über eine her­ kömmlich ausgebildete Zentrifugalkurbelwellenpumpe zum restlichen Teil des Kompressors gepumpt. Diese Pumpe be­ sitzt einen zentralen Ölkanal 92 und einen exzentrischen, nach außen geneigten Ölzuführkanal 94, der mit dem zent­ ralen 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 Ansätzen 26 (nicht gezeigt). Diese Gegengewichte besitzen die übliche Ausführungsform.

Das zweite umlaufende Spiralelement 34 hat eine zweite Endplatte 102 mit einer allgemein ebenen parallelen obe­ ren und unteren Fläche 104 und 106, wobei die letztge­ nannte Fläche gleitend mit einer kreisförmigen Axial­ drucklagerfläche 108 am Gehäuse 30 in Eingriff steht. Die Axialdrucklagerfläche 108 wird über eine Ringnut 110 ge­ schmiert, die Öl vom Kanal 94 in der Kurbelwelle 28 über den Kanal 96 und die Nut 98 empfängt. Die Nut 98 steht mit einer anderen Nut 112 im Lager 39 in Verbindung, die Öl sich schneidenden Kanälen 114 und 116 im Gehäuse 30 zuführt (Fig. 15). Die Stirnflächen der ersten Spiral­ wand 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 ausge­ bildete ringförmige Nabe 118 hängt von diesem herab und besitzt eine Axialbohrung 120, in der eine ringförmige Buchse 122 gelagert ist, welche eine mittig angeordnete ovale Öffnung 124 mit einer darin ausgebildeten ebenen angetriebenen Fläche besitzt, in der treibend ein exzentrischer Kurbelzapfen 126 angeordnet ist, der am oberen Ende der Kurbelwelle 28 einstückig mit dieser aus­ gebildet ist. Hierdurch wird ein radial nachgiebiger An­ trieb gebildet, wobei der Kurbelzapfen 126 die Buchse 122 über eine ebene Antriebsfläche 128 am Kurbelzapfen 126 antreibt, die gleitend mit einem ebenen Lagereinsatz 130 in Eingriff steht, welcher in der Wandung der Öffnung 124 angeordnet ist. Die Drehung der Kurbelwelle 28 bewirkt eine Drehung der Buchse 126 um die Kurbelwellenachse, wodurch eine Bewegung des zweiten Spiralelementes 34 in einer kreisförmigen Umlaufbahn verursacht wird. Der Win­ kel der ebenen Antriebsfläche ist so gewählt, daß durch den Antrieb im zweiten umlaufenden Spiralelement eine ge­ ringfügige zentrifugale Kraftkomponente mitgeteilt wird, um die Flankendichtung zu erhöhen. Die Öffnung 124 ist zylindrisch ausgebildet, jedoch auch geringfügig oval im Querschnitt, um eine begrenzte relative Gleitbewegung zwischen dem Kurbelzapfen und der Buchse zu ermöglichen, was eine selbsttätige Trennung und somit eine Entlastung der miteinander kämmenden Spiralwände bewirkt, wenn Flüs­ sigkeiten oder Feststoffe in den Kompressor eingeführt werden.

Der radial nachgiebige Antrieb wird unter Einsatz eines speziellen Ölzuführsystems geschmiert. Öl wird über den Pumpenkanal 92 zum oberen Ende des Kanals 94 gepumpt, von dem es durch Zentrifugalkraftwirkung radial nach außen abgeschleudert wird, wie durch die gestrichelte Linie 125 angedeutet ist. Das Öl wird in einer Ausnehmung in der Form einer radialen Nut 131 gesammelt, welche im oberen Ende der Buchse 122 entlang der Bahn 125 angeordnet ist. Von ihr strömt das Öl nach unten in den Freiraum zwischen dem Kurbelzapfen 126 und der Öffnung 124 und zwischen die Bohrung 120 und eine ebene Fläche 133 an der Buchse 122, die zur Nut 131 ausgerichtet ist. Überschüssiges Öl wird dann über einen Kanal 135 im Gehäuse 30 zum Ölsumpf 49 abgezogen.

Claims (5)

1. Hermetisch gekapselte Motor-Kompressor-Einheit mit
einem hermetisch gekapselten Gehäuse (12) mit Seiten- und Endwänden,
einem ersten und zweiten Spiralelement (36, 34), die im Gehäuse (12) angeordnet sind und jeweils eine Spiralwand (37, 35) aufweisen, wobei die Spiral­ wände (37, 35) miteinander kämmen, so daß durch eine Umlaufbewegung des zweiten Spiralelementes (34) rela­ tiv zum ersten Spiralelement (36) von den Spiralwänden (37, 35) Taschen mit abnehmendem Volumen in Richtung auf die Mitte der Spiralelemente (36, 34) gebildet werden,
einem im Gehäuse (12) angeordneten Motor (18) zum Antrieb einer Kurbelwelle (28),
einer ringförmigen Nabe (118) an der der Spi­ ralwand axial gegenüberliegenden Seite des umlaufenden Spiralelementes (34), die eine zentrale Bohrung (120) aufweist,
einer ringförmigen Buchse (122) in der Bohrung (120) und
einem Kurbelzapfen (126) der Kurbelwelle (28), der die Umlaufbewegung des umlaufenden zweiten Spiral­ elementes (34) bewirkt und in der ringförmigen Buchse (122) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (122) eine mittig angeordnete ovale Öffnung (124) mit einer darin ausgebildeten ebenen angetriebenen Fläche be­ sitzt und der exzentrische Kurbelzapfen (126) in der ovalen Öffnung (124) angeordnet ist und eine mit der ebenen angetriebenen Fläche zusammenwirkende ebene Antriebsfläche (128) aufweist, wobei die beiden Flä­ chen in der ovalen Öffnung (124) relativ zueinander gleiten können, während eine Bewegung senkrecht zu den Gleitflächen verhindert wird.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen so angeordnet sind, daß die vom Kurbelzapfen (126) ausgeübten Antriebskräfte zu den Zentrifugalkräften addiert werden, die normalerweise auf das zweite umlaufende Spiralelement (34) einwirken und die Spiralwände (35, 37) gegeneinander drücken.

3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß sie des weiteren eine Oldham-Kupplung auf­ weist, die zwischen dem zweiten umlaufenden Spiralele­ ment (34) und einem festen Abschnitt der Einheit wirkt, um eine Drehung des zweiten umlaufenden Spiral­ elementes (34) zu verhindern.

4. Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die ovale Öffnung (124) in der Antriebsbuchse (120) wesentlich größer ist als der Kurbelzapfen (126), so daß während des Normalbetriebes um den Kurbelzapfen (126) vollständig herum mit Aus­ nahme an der Antriebsfläche (128) Spiel vorhanden ist.

5. Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kurbelzapfen (126) mit Ausnahme der ebenen Antriebsfläche (128) eine allge­ mein kreiszylindrische Form besitzt.