DE3828090C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der aus der DE 33 12 280 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine soll der Durchmesser des Kompressorabschnitts zur Verringerung der Gesamtgröße und des Gewichts der Rotationskolbenmaschine dadurch reduziert werden, daß die Mitten der Stirnplatten des umlaufenden Spiralelements und des ortsfesten Spiralelementes gegenübe den Mitten der Grundkreise der jeweiligen Spiralwände zu den äußeren Stirnabschnitten der Spiralwände hin um πa/2 verschoben sind, wenn π das Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Durchmesser und a der Radius der Grundkreise der Spiralwände sind. Eine solche Anordnung ermöglicht zwar eine Durchmesserreduzierung, erhöht jedoch das bei der Umlaufbewegung entstehende Drehmoment, was zu einem schnellen Verschleiß der die Rotation des umlaufenden Spiralelements um seine eigene Achse unterbindenden Einrichtung führt.

Während bei der Ausgestaltung nach der DE 33 12 280 A1 zwischen dem jeweiligen Außenende der Spiralwand und dem äußeren Umfangsrand der Platte des umlaufenden Spiralelements bzw. dem Innenumfang des Gehäusees ein radialer Abstand vorhanden ist, zeigt die EP 00 12 616 B1 einen Spiralkompressor in ähnlicher Ausgestaltung, bei dem jedoch das Außenende der Spiralwand sich am äußeren Umfangsrand der Platte des umlaufenden Spiralelements befindet, während beim stationären Spiralelement die Spiralwand am Innenumfang des Gehäuses endet.

Bei der aus der DE 34 41 286 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise soll zur Reduzierung des Gewichts und zur Vibrations- und Geräuschdämpfung die Länge der Spiralwand des umlaufenden Spiralelementes größer als die Länge der Spiralwand des stationären Spiralelementes gemacht werden. Dadurch soll erreicht werden, daß die Wirkungslinie der resultierenden Kraft der Axialbelastungen am umlaufenden Spiralelement mit der Mitte seiner Stirnplatte zusammenfällt, um bezüglich der Axialbelastungen ein Gleichgewicht zu erreichen. Dies führt jedoch zur Erhöhung des Drehmoments an einem die Rotation des umlaufenden Spiralelements um seine eigene Achse unterbindenden Mechanismus.

Wenn bei der Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach der DE 34 41 286 A1 die Länge der Spiralwand des stationären Spiralelements größer wäre als die Länge der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements, würde die Wirkungslinie der resultierenden Kraft der Axialbelastungen an dem umlaufenden Spiralelement extrem weit weg von der Mitte seiner Stirnplatte liegen, wodurch die axialen Belastungen nicht ausgeglichen werden könnten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise der gattungsgemäßen Art nach der EP 00 12 616 B1 so auszugestalten, daß unter Beibehaltung eines möglichst geringen Gehäusedurchmessers zur Steigerung der Lebensdauer der Rotationskolbenmaschine das an dem die Rotation unterbindenden Mechanismus anliegende Drehmoment stark verringert wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst, die in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet sind.

Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise hat eine große Lebensdauer, da das Drehmoment, das an der Einrichtung angreift, welche die Drehung des umlaufenden Spiralelements um seine eigene Achse unterbindet, weitgehend reduziert ist, ohne daß bei der gewählten Anordnung deren Kompaktheit beeinträchtigt würde, da ein relativ kleiner Gehäusedurchmesser beibehalten werden kann.

Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf das umlaufende Spiralelement einer Rotationskolbenmaschine,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das stationäre Spiralelement der Maschine,

Fig. 3 die Rotationskolbenmaschine im Axialschnitt,

Fig. 4 und 5 jeweils in einem Diagramm die Änderung des an dem umlaufenden Spiralelement anliegenden Drehmoments bei der erfindungsgemäßen und bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise abhängig vom Drehwinkel.

Die in Fig. 3 im Längsschnitt gezeigte Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise ist ein Spiralkompressor mit einem zylindrischen Gehäuse 1, das eine aus einem stationären Spiralelement 2 und einem damit in Eingriff stehenden umlaufenden Spiralelement 3 zusammengesetzte Kompressoreinheit, einen als die Rotation unterbindende Einrichtung dienenden Oldham-Ring 4, einen Rahmen 5 und eine Antriebseinheit mit einer Kurbelwelle 6 und Lagern 7, 8 enthält. Die Kurbelwelle 6 erstreckt sich aus dem Gehäuse 1 heraus und ist mit einer Kupplung 9 verbunden, die außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist.

Das stationäre Spiralelement 2 hat eine scheibenförmige Platte 2a und eine senkrechte von einer Stirnseite der Platte 2a abstehende Spiralwand 2b, deren Verlauf einer Evolvente oder im wesentlichen einer Evolvente entspricht. Im Mittelabschnitt der Platte 2a ist eine Förderöffnung 10 ausgebildet. Um das stationäre Spiralelement 2 herum ist eine Ansaugkammer 11 vorgesehen. Das umlaufende Spiralelement 3 hat eine scheibenförmige Platte 3a und eine von einer Stirnseite der Platte 3a senkrecht abstehende Spiralwand 3b, deren Gestalt der der Spiralwand 2b an dem stationären Spiralelement 2 entspricht. Das umlaufende Spiralelement 3 hat weiterhin eine Nabe 3i auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Platte 3a. Das stationäre Spiralelement 2 und das umlaufende Spiralelement 3 sind so zusammengefügt, daß ihre Spiralwände 2b und 3b in Gleitkontakt miteinander ineinandergreifen, so daß zwischen ihnen Kompressionskammern 15 gebildet werden. Die Kurbelwelle 6 ist in Lagern 7 an dem radikalen Mittelabschnitt des Rahmens 5 und in Lagern 8 an dem radialen Mittelabschnitt der Stirnplatte 12 des Gehäuses 1 gelagert. Die Kurbelwelle 6 hat an ihrem Ende einen Kurbelzapfen, der als exzentrischer Wellenabschnitt 6a dient, der in einer Ausnehmung in der Nabe 3i für eine Drehung darin aufgenommen ist. An der Rückseite der Platte 3a ist eine Kammer ausgebildet, die das Lager 7 und ein an der Kurbelwelle 6 befestigtes Ausgleichgewicht aufnimmt. Diese Kammer ist von der Ansaugkammer 11 durch den Oldham-Ring 4 getrennt, wodurch eine abgedichtete Gegendruckkammer 14 gebildet wird. Der Oldham-Ring 4 hat einen zwischen dem hinteren Ende der Platte 3a und dem Rahmen 5 angeordneten Dichtungsabschnitt. In der Platte 3a ist eine Durchgangsbohrung 16 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der Gegendruckkammer 14 und einem Abschnitt der Kompressionskammer 15 herstellt, in welchem der Druck unter einem geeigneten Druckniveau im Verlauf der Kompression steht. Als Folge wird ein Druck mit einem Zwischenniveau zwischen dem Ansaugdruck und dem Förderdruck in der Gegendruckkamer 14 aufrechterhalten, wodurch das umlaufende Spiralelement 3 gegen das stationäre Spiralelement 2 zur Abdichtung der Kompressionskammern 15 gedrückt wird. Zwischen dem Gehäuse 1 und der Platte 2a des stationären Spiralelements 2 ist eine Förderkammer 17 ausgebildet, die mit der Förderöffnung 10 und einer Abführleitung 18 in Verbindung steht, die an das Gehäuse 1 angeschlossen ist. An das Gehäuse 1 ist ferner eine Ansaugleitung 19 angeschlossen, die mit der Ansaugkammer 11 in Verbindung steht.

In Betrieb wird die Kurbelwelle 6 über die Kupplung 9 so drehangetrieben, daß der exzentrische Wellenabschnitt 6a einen exzentrischen Umlauf ausführt, wodurch das umlaufende Spiralelement 3 eine Umlaufbewegung mit dem Radius ε ausführt, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen, während der Gleitkontakt zwischen den Spiralwänden 2b und 3b der beiden Spiralelemente beibehalten wird. Als Folge wird die Kompressionskammer 15 zur Mitte des stationären Spiralelements 2 bewegt, während ihr Volumen fortlaufend abnimmt. Gas bzw. Dampf, beispielsweise eines Kältemittels mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck, das bzw. der in die Kompressionskammer 15 aus der Ansaugkammer 11 über die Ansaugleitung 19 angesaugt wird, wird fortlaufend verdichtet und anschließend in die Förderkammer 17 über die Förderöffnung 10 abgeführt, wodurch Kältemitteldampf hoher Temperatur und mit hohem Druck zu der Außenseite des Kompressors über die Förderleitung 18 abgeführt wird.

Das in Fig. 1 gezeigte umlaufende Spiralelement 3 des Spiralkompressors von Fig. 3 hat eine scheibenförmige Platte 3a und eine Spiralwand 3b, die sich längs einer Evolventen erstreckt und von einer Stirnseite der Platte 3a senkrecht, d. h. in Axialrichtung absteht. Die Mitte eines Grundkreises der Evolventenkurve der Spiralwand 3b fällt mit der Mitte O der Platte 3a zusammen, die ihrerseits mit der Mitte des exzentrischen Schaftabschnitts 6a zusammenfällt. Die Evolventenkurve 3c, welche eine Linie ist, die die Spiralwand 3b in ihrer Dickenrichtung in zwei gleiche Abschnitte unterteilt, schneidet den Umfangsrand 3e der Platte 3a in Punkt 3f. Das Außenende 3d der Spiralwand 3b befindet sich auf einem Abschnitt des Umfangsrands 3e, der innerhalb eines Winkels ± R gemessen von einer Linie l₁ aus liegt, die den Punkt 3f und die Mitte O verbindet, d. h. innerhalb eines Bereiches zwischen den in Fig. 1 gezeigten Punkten 3g und 3h. Der Winkel R ist so bestimmt, daß er der folgenden Gleichung (1) genügt

wobei t die Dicke der Spiralwand und a der Radius des Grundkreises sind. Da die Beziehung

πa = ε + t

gilt, mit ε als Umlaufradius, kann die Gleichung (1) in die nachstehende Gleichung (2) umgewandelt werden

Die folgende Gleichung (3) ergibt sich aus der vorstehend beschriebenen Beziehung, die die Position des Außenendes der Spiralwand betrifft

2(aλ_eo-t) < D_O ≦ 2aλ_eo (3)

dabei sind λ_eo der Evolventenwinkel des Außenendes der Spiralwand am umlaufenden Spiralelement und D_O der Durchmesser der Platte des umlaufenden Spiralelements.

Wie sich aus Fig. 1 ersehen läßt, ist die Stärke der Spiralwand 3b im Punkt 3g auf Null reduziert. Wenn es erforderlich ist, die Spiralwand 3b über diesen Punkt 3g hinauszuführen, muß der Durchmesser D_O der Platte 3a vergrößert werden, was zur Folge hat, daß die Größe des Gehäuses 1 in unerwünschter Weise zunimmt. Die äußere Umfangsfläche der Spiralwand 3b geht in den äußeren Umfangsrand der Platte 3a im Punkt 3h über. Wenn die Spiralwand 3b so ausgelegt ist, daß sie kurz vor dem Punkt 3h endet, befindet sich der radial äußerste Umfang der Spiralwand 3b radial innerhalb des äußeren Umfangsrandes der Platte 3a. Bei einer solchen Anordnung trägt der Raum zwischen dem äußeren Umfangsrand der Platte 3a und dem äußeren Umfang der Spiralwand 3b nicht zur Arbeit des Spiralkompressors bei. Die Größensteigerung des Gehäuses ist somit unrentabel. Erfindungsgemäß wird nun die Größe des Gehäuses auf ein Minimum reduziert, da das Außenende 3d der Spiralwand 3b in dem erwähnten Winkelbereich liegt.

Das in Fig. 2 gezeigte stationäre Spiralelement 2 des Spiralkompressors von Fig. 3 hat eine scheibenförmige Platte 2a mit einem Durchmesser, der gleich dem Innendurchmesser des Gehäuses 1 ist, und eine Spiralwand 2b, die längs einer Evolventenkurve verläuft und senkrecht, d. h. in Axialrichtung, von einer Stirnseite der Platte 2a absteht. Die Mitte des Grundkreises der Evolvente fällt mit der Mittenachse O_C des Gehäuses 1 zusammen. Die Evolventenkurve, die die Spiralwand 2b in ihrer Dickenrichtung in zwei gleiche Abschnitte unterteilt, schneidet die innere Umfangsfläche 2e des Gehäuses 1 im Punkt 2f. Das Außenende 2d der Spiralwand 2b befindet sich auf einem Abschnitt des äußeren Umfangsrandes 2e der Platte 2a innerhalb eines Winkels ±R gemessen von einer Linie l₂ aus, welche den Punkt 2f und die Mittenachse O_C verbindet, d. h. in Fig. 2 zwischen den Punkten 2g und 2h. Der Wert des Winkels R wird entsprechend Gleichung (1) oder (2) festgelegt. Für das stationäre Spiralelement 2 ergibt sich auch die durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückte Beziehung:

2(aλ_ef-t) < D_f ≦ 2aλ_ef (4)

wobei D_f der Durchmesser der Platte 2a des stationären Spiralelements 2 und λ_ef der Evolventenwinkel des Außenendes der Spiralwand 2b sind.

Somit kann der Durchmesser des stationären Spiralelements 2 sowie der Durchmesser des Gehäuses 1 durch Positionieren des Außenendes 2d der Spiralwand 2b innerhalb des Winkelbereichs ±R ebenso wie im Falle des umlaufenden Spiralelements 3 reduziert werden.

In Betrieb bewegt sich das umlaufende Spiralelement 3 so, daß seine Spiralwand 3b mit der Spiralwand 2b des stationären Spiralelements 2 in Gleitkontakt kommt. Die Platte 3a des umlaufenden Spiralelements 3 führt eine Umlaufbewegung in dem Gehäuse 1 aus, ohne sich um ihre eigene Achse zu drehen, so daß die Mitte O längs eines Kreises mit der Mitte O_C und einem Radius ε umläuft, der der Exzentrizität des exzentrischen Schaftabschnitts 6a gemessen von der Achse der Kurbelwelle 6 aus gleich ist. Diese Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 3 erfolgt so, daß die Platte 3a des umlaufenden Spiralelements 3 über den gesamten Innendurchmesser des Gehäuse 1 läuft, ohne irgendeinen mechanischen Kontakt oder Eingriff mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 1 zu haben. Der Innendurchmesser des Gehäuses 1 ist somit dadurch bestimmt, daß er der Summe des Durchmessers der Platte 3a des umlaufenden Spiralelements 3 und 2 ε entspricht oder etwas größer als diese Summe ist.

Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ist der Evolventenwinkel des Außenendes 2d der Spiralwand 2b des stationären Spiralelements 2 so ausgelegt, daß er größer ist als der der Spiralwand 3b am umlaufenden Spiralelement 3, wie dies aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, wodurch sich eine asymmetrische Spiralwandanordnung ergibt.

Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine mit der asymmetrischen Spiralwandanordnung mit einer Rotationskolbenmaschine verglichen, welche eine symmetrische Exzentrizitäts-Spiralwandanordnung aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Maschine befinden sich die Außenenden 3d, 2d der Spiralwände 3b, 2b des umlaufenden Spiralelements 3 bzw. des stationären Spiralelements 2 in den Punkten 3f bzw. 2f, was aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist. Dabei soll gelten, daß die Faktoren bei der erfindungsgemäßen Maschine, nämlich der Durchmesser der Stirnplatte des umlaufenden Spiralelements, der Durchmesser der Stirnplatte des stationären Spiralelements, der Durchmesser des Grundkreises der Evolventenkurve und der Radius des Kreises, längs dem das umlaufende Spiralelement umläuft, so festgelegt sind, daß sie denen der Rotationskolbenmaschine in der symmetrischen Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise entsprechen. In diesem Fall ist der Evolventenwinkel des Außenendes der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements kleiner als der bei der Maschine in der symmetrischen Exentrizitäts-Spiralwandbauweise, und zwar um einen Betrag in der Einheit Radiant, der dadurch bestimmt wird, daß der Umlaufradius durch den Grundkreisdurchmesser geteilt wird, d. h. (ε/2a) rad., während der Evolventenwinkel der Spiralwand am stationären Spiralelement größer ist als der bei der Maschine in der symmetrischen Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise, und zwar um einen Betrag in Radiant, der dadurch bestimmt wird, daß der Umlaufradius durch den Grundkreisdurchmesser geteilt wird, d. h. (ε/2a) rad. Deshalb ist die theoretische Verdrängung der Maschine gemäß der Erfindung mit der asymmetrischen Spiralwandanordnung gleich der der Maschine mit der symmetrischen Exzentrizitäts-Spiralwandanordnung. Das bedeutet, daß es gemäß der Erfindung möglich ist, den Innendurchmesser des Gehäuses auf einen Wert als Minimum zu reduzieren, der gleich dem bei der Maschine mit symmetrischer Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise ist, welche die gleiche theoretische Verdrängung bzw. Versetzung hat. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, den Durchmesser des Gehäuses auf ein Minimum zurückzuführen, wenn die Werte für Faktoren wie die Verdrängung bzw. Versetzung, die Evolventenkurven und die Spiralwandhöhe gegeben sind.

Bei der Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise gemäß der Erfindung ist der Evolventenwinkel des Außenendes des stationären Spiralelements um 90° größer als der Evolventenwinkel des Außenendes des umlaufenden Spiralelements, wenn die Spiralwanddicke t gleich dem Umlaufradius ε ist. Unter dieser Bedingung ist das am umlaufenden Spiralelement anliegende Drehmoment, welches dieses Spiralelement um seine eigene Achse drehen möchte, sowohl im Hinblick auf den maximalen Wert und den mittleren Wert innerhalb eines Bereichs minimiert, in welchem kein Gegendrehmoment erzeugt wird, was noch erläutert wird. Das bedeutet, daß die an dem die Rotation unterbindenden Mechanismus anliegende Belastung verringert wird, was im Hinblick auf die Lebensdauer wesentlich ist. Die Positionen der Spiralwandaußenenden können in den gegebenen Bereichen, wie vorstehend erläutert, variiert werden, so daß die Differenz des Evolventenwinkels zwischen den Außenenden der beiden Spiralwände genau auf 90° festgelegt werden kann, wenn die Spiralwanddicke t sich von dem Umlaufradius ε unterscheidet. Die Differenz des Evolventenwinkels braucht nicht immer 90° zu sein. Die Reduzierung des am umlaufenden Spiralelements herrschenden Drehmoments und des Gegendrehmoments können auch erhalten werden, wenn die Differenz des Evolventenwinkels in einem Bereich zwischen 60° und 120° gewählt wird.

Vorzugsweise wird die Differenz des Evolventenwinkels so gewählt, daß sie etwas kleiner als 90° ist und insbesondere zwischen 60° und 90° liegt, da ein solcher Winkel zu einer merklichen Reduzierung des Drehmoments führt, das am umlaufenden Spiralelement wirkt, ohne daß ein wesentliches Gegendrehmoment verursacht wird. Die folgenden Ausführungen nehmen Bezug auf das am umlaufenden Spiralelement anliegende Drehmoment, wie es in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise ist, wie erläutert, der Evolventenwinkel λ_ef des Außenendes 2d der Spiralwand des stationären Spiralelements größer als der Evolventenwinkel λ_eo des Außenendes 3d der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements. Diese Außenenden befinden sich außerdem innerhalb des Winkelbereichs ±R. Deshalb läßt sich die Differenz (λ_ef-λ_eo) des Evolventenwinkels zwischen den Außenenden der beiden Spiralwände innerhalb eines bestimmten Bereichs einstellen.

Die in Fig. 4 gezeigten Kurven 101 bis 105 veranschaulichen die Änderung des am umlaufenden Spiralelement anliegenden Drehmoments, welches das umlaufende Spiralelement um seine eigene Achse in Drehung versetzen möchte, und zwar wie es sich ergibt, wenn die Differenz (λ_ef-λ_eo) des Evolventenwinkels zwischen den Außenenden der beiden Spiralwände geändert wird. Die Kurve 100 zeigt dabei die Änderung des Drehmoments an der bekannten Rotationskolbenmaschine in symmetrischer Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise. Die Kurve 101 zeigt die Änderung im Niveau des Drehmoments bezogen auf den Kurbelwellendrehwinkel, wie er sich ergibt, wenn die Differenz des Evolventenwinkels Null ist. Die durch die Kurve 101 gezeigte Drehmomentenänderung läßt sich also bei herkömmlichen Rotationskolbenmaschinen in Spiralbauweise beobachten, die als Maschinen der symmetrischen Nicht-Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise bekannt sind. In diesem Fall greift die Gasdruckbelastung an einem Punkt am umlaufenden Spiralelement an, der zur Mitte des Lagers des umlaufenden Spiralelements exzentrisch ist, d. h. zur Mitte des exzentrischen Schaftabschnittes 6a, und zwar um einen Betrag, der gleich dem halben Umlaufradius des umlaufenden Spiralelements (ε/2) ist. Diese Belastung erzeugt ein Drehmoment, welches das umlaufende Spiralelement um seine Achse drehen möchte. Die Änderung des Drehmoments trägt zur Änderung der Höhe der Gasdruckbelastung bei, die am umlaufenden Spiralelement anliegt.

Bei der Maschine in symmetrischer Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise bewegt sich der Punkt auf dem umlaufenden Spiralelement, in dem die Gasdruckbelastung angreift, innerhalb eines Bereichs zwischen Null und dem Umlaufradius gemessen als Abstand von der Mitte des Lagers des umlaufenden Spiralelements, d. h. als Abstand von der Mitte des exzentrischen Schaftabschnitts. Das Drehmoment ändert sich in einem Bereich zwischen Null und einem bestimmten Maximalwert, der größer ist als der bei der Maschine in symmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Bauweise, was aus der Kurve 100 ersichtlich ist.

Die Kurven 102 bis 105 zeigen die Drehmomentgrößen bei einer Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise gemäß der Erfindung mit asymmetrischer Wandanordnung, wobei die Differenz des Evolventenwinkels zwischen dem Außenende der Spiralwand des stationären Spiralelements und dem Außenende der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements 60, 90, 120 bzw. 180° beträgt. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist bei einer Differenz des Evolventenwinkels, die kleiner als 60° ist, die Wirkung der Drehmomentverringerung nicht so merkbar verglichen mit der Kurve 101 für die Maschine in symmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise. Wenn die Differenz des Evolventenwinkels 120° überschreitet, wird das negative Drehmoment, d. h. das Gegendrehmoment, groß, wodurch das umlaufende Spiralelement aufgrund des Vorhandenseins eines Spiels in dem die Rotation unterbindenden Mechanismus in unerwünschter Weise vibriert. Aus diesen Gründen sollte die Differenz des Evolventenwinkels zwischen den Außenenden der Spiralwände des stationären Spiralelements und des umlaufenden Spiralelements so festgelegt werden, daß sie in dem Bereich zwischen 60° und 120° liegt, wo eine starke Reduzierung des Drehmoments gewährleistet ist, ohne daß dabei irgendein wesentliches Gegendrehmoment erzeugt wird.

Der höchste Wert des Drehmoments wird bei der Maschine mit symmetrischer Exzentrizitäts-Spiralwandbauweise erreicht, während der geringste Wert mit der erfindungsgemäßen Maschine in asymmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Bauweise erhalten wird. Für die Maschine in symmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Bauweise ergibt sich für das Drehmoment ein Zwischenwert. Bezüglich der Maschinengrößen ist festzustellen, daß die Maschine mit symmetrischer nicht-exzentrischer Spiralwandbauweise den größten Durchmesser hat, während die Maschine gemäß der Erfindung in asymmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Bauweise den kleinsten Durchmesser hat. Die Maschine in der symmetrischen exzentrischen Bauweise hat eine Zwischengröße zwischen den beiden erwähnten Maschinenarten. Somit genügt die Maschine in asymmetrischer Nicht-Exzentrizitäts-Bauweise gemäß der Erfindung sowohl dem Bedürfnis, die Größe auf ein Minimum zu reduzieren, als auch der Forderung, das Drehmoment zu reduzieren, das auf das umlaufende Spiralelement wirkt und dieses um seine eigene Achse drehen möchte.

Bei der Maschine in asymmetrischer Spiralbauweise gemäß der Erfindung ist es nicht von Bedeutung, daß die Mitte des Evolventengrundkreises der Spiralwand genau mit der Mitte der Platte des Spiralelements zusammenfällt. Die erläuterten Vorteile ergeben sich auch, wenn die Mitte des Grundkreises der Evolventenkurve etwas zur Plattenmitte des Spiralelements versetzt ist. Für eine solche Anordnung zeigt Fig. 5 die Drehmomente an einer Maschine in asymmetrischer Spiralwandbauweise gemäß der Erfindung für verschiedene Evolventenwinkelunterschiede zwischen den Außenenden der beiden Spiralelemente, wobei die Mitte des Lagers am umlaufenden Spiralelement um einen Betrag ε/4 zum Außenende der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements versetzt ist.

So zeigen die Kurven 201 bis 204 die Drehmomentänderungen für die Differenz des Evolventenwinkels von 60°, 90°, 120° bzw. 180°. Die Kurve 200 zeigt das Drehmoment, wie es sich bei der Anordnung in symmetrischer Spiralwandbauweise ergibt. Aus Fig. 5 wird erkennbar, daß der Maximalwert des auf das umlaufende Spiralelement wirkenden Drehmoments verringert ist und daß das Gegendrehmoment vergleichsweise gering ist, wenn die Differenz des Evolventenwinkels im Bereich zwischen 60° und 120° liegt.

Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine in asymmetrischer Spiralwandbauweise erstreckt sich das Außenende der Spiralwand am umlaufenden Spiralelement zum äußeren Umfangsrand seiner Platte, während das Außenende der Spiralwand am stationären Spiralelement sich zu einer Position am inneren Umfang des Gehäuses erstreckt. Die Maschine hat somit keinen nicht nutzbaren oder toten Raum. Ihr Durchmesser kann auf den Durchmesser der Maschine in symmetrischer exzentrischer Spiralwandbauweise reduziert werden. Außerdem ist es möglich, das am umlaufenden Spiralelement wirkende Drehmoment zu reduzieren, indem der Evolventenwinkel des Außenendes der Spiralwand des stationären Spiralelements so gewählt wird, daß er größer ist als der Evolventenwinkel des Außenendes der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements, und zwar um einen Wert, der im Bereich zwischen 60° und 120° liegt. Als Folge ist die an den die Rotation unterbindenden Mechanismus anliegende Belastung verringert, wodurch die Lebensdauer der Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise verlängert wird.

Claims (6)

1. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit einem zylindrischen Gehäuse (1), einem stationären Spiralelement (2) und einem umlaufenden Spiralelement (3), wobei jedes der Spiralelemente (2, 3) eine scheibenförmige Platte (2a, 3a) und eine von einer Stirnseite der Platte (2a, 3a) senkrecht abstehende, sich längs einer Evolventenkurve (2c, 3c) eines Kreises erstreckende Spiralwand (2b, 3b) aufweist, das stationäre Spiralelement (2) und das umlaufende Spiralelement (3) so zusammengefügt sind, daß ihre Spiralwände (2b, 3b) ineinandergreifen, und in dem Gehäuse (1) aufgenommen sind, und mit einer eine Rotation des umlaufenden Spiralelements (3) um seine eigene Achse unterbindenden Einrichtung (4), so daß dieses eine Umlaufbewegung ausführt, bei der die Mitte des Grundkreises der Evolventenkurve (3c) der Spiralwand (3b) an dem stationären Spiralelement (3) mit einem vorgegebenen Umlaufradius (ε) um die Mitte eines Grundkreises der Evolventenkurve (2c) der Spiralwand (2b) an dem stationären Spiralelement (2) umläuft, während der Gleitkontakt zwischen den Spiralwänden (2b, 3b) an beiden Spiralelementen (2, 3) aufrechterhalten wird, wobei die Mitte des Grundkreises der Evolventenkurve (3c) der Spiralwand (3b) an dem umlaufenden Spiralelement (3) mit der Mitte (O) der Platte (3a) des umlaufenden Spiralelementes (3) zusammenfällt, während die Mitte des Grundkreises der Evolventenkurve (2c) der Spiralwand (2b) an dem stationären Spiralelement (2) mit der Mittenachse (O_c) des Gehäuses (1) zusammenfällt oder im wesentlichen damit zusammenfällt und wobei das Außenende (3d) der Spiralwand (3b) an dem umlaufenden Spiralelement (3) sich im wesentlichen an einem äußeren Umfangsrand der Platte (3a) des umlaufenden Spiralelements (3) befindet, während das Außenende (2d) der Spiralwand (2b) an dem stationären Spiralelement (2) sich im wesentlichen an dem Innenumfang des Gehäuses (1) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Evolventenwinkel λ_ef des Außenendes (2d) der Spiralwand (2b) an dem stationären Spiralelement (2) und ein Evolventenwinkel λ_eo des Außenendes (3d) der Spiralwand (3b) an dem umlaufenden Spiralelement (3) so festgelegt sind, daß sie der folgenden Beziehung genügen: 60° ≦ λ_ef - λ_eo ≦ 120°.

2. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgender Beziehung genügt wird: 60° ≦ λ_ef - λ_eo ≦ 90°.

3. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventenwinkel λ_eo des Außenendes (3d) der Spiralwand (3b) an dem umlaufenden Spiralelement (3) so festgelegt ist, daß er kleiner ist als der Evolventenwinkel λ_ef des Außenendes (2d) der Spiralwand (2b) an dem stationären Spiralelement (2), und zwar um einen Winkel, der im wesentlichen 90° entspricht oder etwas kleiner als 90° ist.

4. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenende (2d, 3d) der Spiralwand (2b, 3b) eines jeden Spiralelements (2, 3) sich in einem Bereich befindet, der einen Winkelabstand bezüglich der Mitte (O, O_c) der Platte (2a, 3a) von ±R radiant auf beiden Seiten einer Linie (l₁, l₂) hat, die die Mitte (O, O_c) und einen Punkt (2f, 3f) verbindet, an welchem die die Spiralwand (2b, 3b) über ihrer Dicke in zwei Hälften teilende Evolventenkurve (2c, 3c) den Umfangsrand der Platte (2a, 3a) schneidet, wobei R durch folgende Gleichung wiedergegeben wird: und ε der Umlaufradius des umlaufenden Spiralelements (3), t die Dicke der Spiralwand (2b, 3b) sowie π das Verhältnis aus Kreisumfang und Kreisdurchmesser sind.

5. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß folgenden Beziehungen genügt wird: 2(aλ_eo-t) < D_O ≦ 2aλ_eo2(aλ_ef-t) < D_f ≦ 2aλ_efwobei D_O der Durchmesser der Platte (3a) des umlaufenden Spiralelements (3), D_f der Durchmesser der Platte (2a) des stationären Spiralelements (2), a der Radius des Grundkreises der Evolventenkurve (2c, 3c) der Spiralwand (2b, 3b) und t die Dicke der Spiralwand (2b, 3b) sind.

6. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t) der Spiralwand (3b) des umlaufenden Spiralelements (3) im wesentlichen gleich einem Umlaufradius (ε) des umlaufenden Spiralelements (3) ist.