DE3830746A1 - Stroemungsmittelverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fluidum- oder Strömungs­ mittelverdichter, insbesondere einen Verdichter zum Ver­ dichten z.B. eines Kühlmittelgases in einem Kühl(mittel)­ kreislauf.

Es sind verschiedene Verdichter in Form von Kolbenver­ dichtern, Kreiselverdichtern und dgl. bekannt. Bei diesen Verdichtern sind jedoch der Verdichterabschnitt und die Antriebsteile, wie Kurbelwelle zum Übertragen der Dreh­ kraft auf den Verdichterabschnitt, kompliziert ausgebil­ det, d.h. sie bestehen aus zahlreichen Bauteilen. Für höhere Verdichtungsleistung müssen diese Verdichter zu­ dem mit einem Rückschlagventil an ihrer Auslaßseite ver­ sehen sein. Der Druckunterschied zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten des Rückschlagventils ist je­ doch so groß, daß Gas aus dem Ventil austreten (heraus­ sickern) kann. Demzufolge kann die Verdichtungsleistung nicht auf einer ausreichenden Größe gehalten werden. Zur Lösung dieser Probleme müssen sowohl die Maß- als auch die Montagegenauigkeit der einzelnen Teile oder Bauele­ mente verbessert werden, was eine Erhöhung der Fertigungs­ kosten bedeutet.

In der US-PS 24 01 189 ist eine Schnecken- oder Schrauben­ pumpe beschrieben, bei der ein spindel- bzw. säulen­ förmiger Drehkörper, der in seinem Außenumfang eine schraubenförmige oder wendelförmige Nut aufweist, in einer Hülse angeordnet ist. In die Nut ist ein Wendel-Flügel­ steg (spiral blade) verschiebbar eingesetzt. Bei der Drehung des Drehkörpers wird ein zwischen zwei benach­ barten Windungen des Flügelstegs im Raum zwischen der Außenfläche des Drehkörpers und der Innenfläche der Hülse (des Zylinders) eingeschlossenes Strömungsmittel vom einen Ende der Hülse zum anderen transportiert.

Diese Schraubenpumpe dient mithin lediglich zum Fördern des Strömungsmittels, nicht aber zu seiner Verdichtung. Während der Förderung kann das Strömungsmittel nur dann eingeschlossen sein, wenn die Außenfläche des Flügelstegs ständig mit der Innenfläche der Hülse in Berührung steht. Bei der Drehung des Drehkörpers kann sich jedoch der Flügelsteg wegen seiner Verformungsanfälligkeit nicht gleichmäßig oder zügig in seiner Nut verschieben. Es ist daher schwierig, die Außenfläche des Flügelstegs ständig in enger Berührung mit der Innenfläche der Hülse zu hal­ ten. Das Strömungsmittel kann daher nicht zufrieden­ stellend eingeschlossen gehalten werden. Folglich vermag auch die Schraubenpumpe dieser Ausgestaltung keine Ver­ dichtungswirkung zu gewährleisten.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten liegt damit der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmittelver­ dichter zu schaffen, der bei hoher Verdichtungsleistung einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweist und dessen Bauteile einfacher anzufertigen und zusammenzu­ setzen sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Strömungsmittel-Verdichter, umfassend einen Zylinder mit einem ansaugseitigen Ende und einem auslaßseitigen Ende, einen im Zylinder ange­ ordneten, sich exzentrisch dazu in seiner Axialrichtung erstreckenden und relativ zum Zylinder drehbaren, spindel- oder säulenförmigen Drehkörper, der mit seinem einen Teil mit der Innenumfangsfläche des Zylinders in Berührung steht und in dessen Außenumfangs- oder Mantelfläche eine schrauben- bzw. wendelförmige Nut eingestochen ist, einen in die Nut eingesetzten oder eingepaßten, im wesentlichen in Radialrichtung des Drehkörpers verschiebbaren, schrau­ ben- bzw. wendelförmigen Flügelsteg (blade), dessen Außen­ umfangsfläche in inniger Berührung mit der Innenumfangs­ fläche des Zylinders steht und der den Raum zwischen der Zylinder-Innenumfangsfläche und der Drehkörper-Mantel­ fläche in mehrere Arbeits-Kammern unterteilt, zwei Lager zur drehbaren Lagerung der beiden Enden des Zylinders sowie der entsprechenden Enden des Drehkörpers, um den Drehkörper in einer vorbestimmten Lage gegenüber dem Zylinder zu halten, eine Antriebseinheit zum Drehen des Zylinders und des Drehkörpers relativ zueinander zwecks fortlaufender Förderung eines vom ansaugseitigen Ende des Zylinders aus in diesen eingeführten Strömungsmittels zum auslaßseitigen Ende des Zylinders durch die Arbeits- Kammern hindurch und ein geschlossenes Gehäuse zur Auf­ nahme der genannten Bauteile, erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die Nut eine Steigung (pitches) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zy­ linders allmählich oder fortlaufend kleiner wird, die Arbeits-Kammern Volumina aufweisen, die sich mit zunehmen­ dem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders fort­ laufend verkleinern, und eines der Lager durch eine Hal­ terungs- oder Trageinheit so gehaltert ist, daß es rela­ tiv zum Gehäuse in Radialrichtung des Zylinders bewegbar oder verschiebbar ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 8D einen Strömungsmittelverdichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch einen Verdichter gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Drehspindel,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Schrauben- oder Flügel­ stegs (blade),

Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung eines Verdichtungs­ abschnitts des Verdichters,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung eines Lagerabschnitts,

Fig. 7 eine Vorderansicht des Lagerabschnitts und

Fig. 8A bis 8D Darstellungen der bei einem Kühlmittelgas stattfindenden Verdichtungsvorgänge; sowie Fig. 9 bis 11 einen Verdichter gemäß einer anderen Aus­ führungsform der Erfindung, wobei im einzelnen zeigen:

Fig. 9 einen lotrechten Schnitt durch den Verdichter gemäß der anderen Ausführungsform,

Fig. 10 eine Seitenansicht einer Dreh-Spindel (rotating rod) und

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Flügelstegs (blade).

Fig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Erfindung auf einen Verdichter zum Verdichten eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf (refrigerant cycle) angewandt ist.

Der Verdichter umfaßt ein geschlossenes Gehäuse 10, einen Elektromotorteil 12 und einen Verdichtungsteil 14, wobei die Teile 12 und 14 innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Das geschlossene Gehäuse 10 weist im wesentlichen napfförmige Abschnitte 10 a und 10 b größeren bzw. kleineren Durchmessers auf und ist durch Verbinden der Abschnitte 10 a und 10 b an ihren offenen Enden gebildet. Der Motor­ teil 12 umfaßt einen im wesentlichen ringförmigen, an der Innenfläche des den größeren Durchmesser aufweisen­ den Abschnitts 10 a befestigten Stator 16 und einen inner­ halb des Stators angeordneten ringförmigen Rotor 18.

Der Verdichtungsteil umfaßt einen Zylinder 20, an dessen Außenfläche der Rotor 18 koaxial angebracht ist. Die bei­ den Enden des Zylinders 20 sind geschlossen und mittels entsprechender, im Gehäuse 10 angeordneter Lager 21 und 22 gelagert. Insbesondere ist das rechte Ende des Zy­ linders 20, d.h. das ansaugseitige Ende, drehbar auf die Umfangsfläche 21 a des Lagers 21 aufgesetzt bzw. aufgepaßt, während das linke Ende des Zylinders 20, d.h. das auslaß­ seitige Ende, drehbar auf die Umfangsfläche 22 a des Lagers 22 aufgesetzt ist. Das Lager 21 ist an der Innenfläche des den größeren Durchmesser besitzenden bzw. weiteren Ab­ schnitt 10 a des Gehäuses 10 befestigt. Das Lager 22 ist an der Innenfläche des den kleineren Durchmesser besitzen­ den oder engeren Abschnitt 10 b des Gehäuses 10 durch einen noch zu beschreibenden Halterungs- oder Tragmechanismus bewegbar gehaltert. Der Zylinder 20 und der an ihm be­ festigte Rotor 18 sind daher durch die Lager 21 und 22 koaxial zum Stator 16 gelagert.

Eine säulenförmige Dreh-Spindel (rotating rod) 24 mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurch­ messer des Zylinders 20, ist in letzteren, sich längs seiner Achse erstreckend, eingesetzt. Die Drehachse A der Spindel 24 ist mit einer Exzentrizität (Außermittigkeit) 8 gegenüber der Mittelachse B des Zylinders 20 angeordnet. Ein Teil der Außenumfangs- oder Mantelfläche der Spindel 24 steht in Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zy­ linders 20. Die rechten und linken Endabschnitte der Spindel 24 sind drehbar in Lagerbohrungen 21 b bzw. 22 b eingesetzt, die in den Lagern 21 bzw. 22 ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind und mit einer Exzentri­ zität e gegenüber der Mittelachse des Zylinders 20 lie­ gen. Bei dieser Anordnung ist die Spindel 24 durch die Lager 21 und 22 in einer vorbestimmten Stellung bzw. Lage gegenüber dem Zylinder 20 drehbar gelagert.

Gemäß den Fig. 1 und 4 ist am rechten Endabschnitt der Spindel 24 in deren Außenfläche eine Eingreif-Nut 26 aus­ gebildet. Ein von der Innenumfangsfläche des Zylinders 20 abstehender Mitnehmer-Stift 28 ist in die Nut 26, in Radialrichtung des Zylinders beweglich, eingesetzt. Wenn somit der Elektromotorteil 12 aktiviert wird, um den Zy­ linder 20 zusammen mit dem Rotor 18 in Drehung zu ver­ setzen, wird die Dreh(antriebs)kraft des Zylinders über den Stift 28 auf die Spindel 24 übertragen, so daß die Spindel 24 im Zylinder 20 in Drehung versetzt wird, wäh­ rend ihre Mantelfläche teilweise mit der Innenumfangs­ fläche des Zylinders in Berührung steht.

Gemäß den Fig. 1 bis 5 ist in der Mantelfläche der Spin­ del 24 eine zwischen deren beiden Enden verlaufende schrauben- oder wendelförmige(spiral) Nut 30 ausgebildet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Nut 30, in welche ein auch als Schraubengang oder Wendelsteg zu bezeichnender schraubenförmiger (spiral) Flügelsteg (blade) 32 einge­ setzt ist, so ausgebildet, daß ihre Steigung (pitches) mit zunehmender Entfernung vom rechten Ende des Zylinders 20 zu seinem linken Ende hin, d.h. von der Ansaugseite des Zylinders 20 zu seiner Auslaßseite hin, fortlaufend kleiner wird. Die Dicke t des Flügelstegs 32 entspricht im wesentlichen der Breite der Nut 30, und jeder Abschnitt des Flügelstegs ist in Radialrichtung der Spindel 24 längs der Nut verschiebbar. Die Außenfläche des Flügelstegs 32 gleitet auf der Innenumfangsfläche des Zylinders 20 in inniger Berührung damit. Der Flügelsteg 32 besteht aus einem elastischen Werkstoff, wie Teflon (eingetr. Waren­ zeichen), und kann unter Ausnutzung seiner Elastizität in die Nut 30 eingesetzt sein.

Der Zwischenraum zwischen der Innenumfangsfläche des Zy­ linders 20 und der Mantelfläche der Spindel 24 ist durch den Flügelsteg 32 in eine Anzahl von Arbeits-Kammern oder -Räumen 34 unterteilt. Jede Kammer 34, die zwischen zwei benachbarten Gängen des Flügelstegs 32 festgelegt ist, liegt im wesentlichen in Form eines Kreiszweiecks (crescent) vor, das längs des Flügelstegs von einem Berührungsab­ schnitt zwischen der Spindel 24 und der Innenfläche des Zylinders 20 zum nächsten Berührungsabschnitt verläuft. Die Volumina der Arbeits-Kammern 34 verkleinern sich fort­ schreitend mit dem Abstand von der Ansaugseite des Zylinders 20 zu seiner Auslaßseite.

Gemäß den Fig. 1 und 4 wird das Lager 21 von einer Ansaug­ bohrung 36 durchsetzt, die sich in Axialrichtung des Zy­ linders 20 erstreckt und deren eines Ende in den Zylinder 20 mündet, während ihr anderes Ende an eine Ansaugleitung 38 des Kühlmittelkreislaufs angeschlossen ist. Im Lager 22 ist eine in Axialrichtung des Zylinders 20 verlaufende Austrag- oder Auslaßbohrung 40 ausgebildet, deren eines Ende in die Auslaßseite des Zylinders 20 mündet, während ihr anderes Ende in den Innenraum des Gehäuses 10 mündet. Im Inneren der Spindel 24 verläuft ein Druckeinleit-Kanal 42 vom rechten Ende der Spindel aus auf deren Mittelachse einwärts. Das rechte Ende des Kanals 42 kommuniziert mit dem Inneren des Gehäuses 10, speziell mit dem Bodenab­ schnitt desselben, über die Lagerbohrung 21 b, einen im Lager 21 ausgebildeten Durchgang 44 und eine mit letzterem verbundene Rohr-Leitung 45. Das linke Ende des Kanals 42 mündet in die Sohle der Nut 30 in der Spindel 24. Im Bodenbereich bzw. Unterteil des Gehäuses 10 ist Schmier­ öl 41 enthalten. Mit im Gehäuse 10 ansteigendem Druck wird dabei das Öl 41 über die Leitung 45, den Durchgang 44, die Lagerbohrung 21 b und den Kanal 42 in den Raum zwischen Flügelsteg 32 und Sohle der Nut 30 eingeleitet. Der Druckeinleit-Kanal 42 mündet in der Nut 30 in einem Bereich, der vom ansaugseitigen Ende der Nut zur Auslaß­ seite hin um eine Strecke versetzt ist, die geringfügig größer ist als eine Steigungshöhe (pitch) der Nut.

In Fig. 1 ist mit 46 eine mit dem Inneren des Gehäuses 10 kommunizierende Auslaßleitung bezeichnet.

Wie vorstehend beschrieben, ist das ansaugseitige Lager 21 an der Innenfläche des weiteren Abschnitts 10 a des Ge­ häuses 10 befestigt, während das auslaßseitige Lager 22 an der Innenfläche des engeren Abschnitts 10 b durch einen Tragmechanismus 48 in Radialrichtung des Zylinders 20 be­ wegbar oder verschiebbar gehaltert ist. Der Tragmechanis­ mus 48 umfaßt ein langgestrecktes, plattenförmiges Halte­ element 52, das an der Innenfläche des engeren Gehäuse- Abschnitts 10 b mittels zweier Stifte 50 befestigt ist, und eine rechteckige Blattfeder 54. In den beiden gegenüberliegenden Kanten der Blattfeder 54 sind Aus­ sparungen 56 jeweils einer vorbestimmten Breite W ausge­ bildet, so daß eine im wesentlichen H-förmige Blattfeder vorliegt. Das Halteelement 52 besitzt eine praktisch der Breite der Aussparungen 56 entsprechende Breite. Die bei­ den Endabschnitte des Halteelements 52 sind unter Bildung von Abbiegungen bzw. Schenkeln 52 a zum Inneren des Ge­ häuses 10 hin einwärts abgebogen. Die Blattfeder 54 wird am Halteelement 52 angebracht, indem die Schenkel 52 a in die betreffenden Aussparungen 56 eingesteckt werden. In­ folgedessen ist die Blattfeder 54 so gehaltert, daß sie in Längsrichtung des Halteelements 52, d.h. in Y-Koordina­ tenrichtung gemäß Fig. 7, verschiebbar, aber nicht dreh­ bar ist. Der distale oder äußere Endabschnitt jedes Schenkels 52 a ist zur Erleichterung der Einführung in die betreffende Aussparung 56 abgeschrägt. In der Blattfeder 54 sind zwei Langlöcher 58 ausgebildet, die in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Blattfeder, d.h. in X-Koordinatenrichtung gemäß Fig. 7, längs einer gemeinsamen Geraden verlaufen. Zwei von einer Stirnfläche des Lagers 22 abstehende Vorsprünge (Zapfen) 60 liegen auf einem gemeinsamen Umkreis, insbesondere einem koaxial zum Zylinder 20 angeordneten Kreis bzw. Umkreis. Die Vor­ sprünge 60 sind jeweils in die Langlöcher 58 so einge­ führt, daß sie in Längsrichtung der Langlöcher verschieb­ bar sind. Das Lager 22 ist somit durch die Blattfeder 54 so gehaltert, daß es gegenüber der Blattfeder in X-Koordi­ natenrichtung verschiebbar ist, während eine Schwenkbe­ wegung des Lagers 22 relativ zur Blattfeder durch die Vorsprünge 60 verhindert wird. Da die Blattfeder 54 gegen­ über dem engeren Abschnitt 10 b des Gehäuses 10 in Y- Koordinatenrichtung bewegbar ist, ist das Lager 22 gegen­ über diesem Abschnitt 10 b in X- und Y-Koordinatenrichtung bewegbar bzw. verschiebbar. Dies bedeutet, daß das Lager 22 durch den Tragmechanismus 40 so gehaltert ist, daß es in Radialrichtung des Zylinders 20 bewegbar ist.

Weiterhin ist die Blattfeder 54 zum Lager 22 hin gekrümmt. Das Lager 22 ist daher durch die Blattfeder 54 gegen das andere Lager 21 vorbelastet. In der Blattfeder 54 sind weiterhin zwei kreisförmige Bohrungen 62 vorgesehen, von denen eine der Auslaßbohrung 40 gegenüberliegt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des vorstehend be­ schriebenen Verdichters erläutert.

Wenn der Elektromotorteil 12 aktiviert (an Spannung ge­ legt) wird, dreht sich der Rotor 18, so daß sich der Zy­ linder 20 mit ihm mitdreht. Gleichzeitig wird die Dreh- Spindel 24 in Drehung versetzt, wobei ihre Mantelfläche teilweise in Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders 20 steht. Diese Relativdrehbewegungen von Spindel 24 und Zylinder 20 werden durch eine Regulier­ einrichtung aus dem Stift 28 und der Eingreif-Nut 26 auf­ rechterhalten. Außerdem dreht sich auch der Flügelsteg 32 mit der Spindel 24 mit.

Der Flügelsteg 32 läuft dabei in der Weise um, daß seine Außenfläche mit der Innenfläche des Zylinders 20 in Be­ rührung steht. Infolgedessen wird jeder Teil des Flügel­ stegs 32 bei seiner Annäherung an jeden Berührungsab­ schnitt zwischen der Außenfläche der Spindel 24 und der Innenfläche des Zylinders 20 in die Nut 30 eingedrückt, während dieser Teil bei der Wegbewegung vom Berührungs­ abschnitt aus der Nut austritt. Wenn der Verdichtungsteil 14 betätigt ist, wird über die Ansaugleitung 38 und die Ansaugbohrung 36 Kühlmittelgas in den Zylinder 20 einge­ saugt. Dieses Gas wird in der am ansaugseitigen Ende be­ findlichen Arbeits-Kammer 34 eingeschlossen. Während der Drehung der Spindel 24 wird das Gas gemäß den Fig. 8A bis 8D zur Arbeits-Kammer 34 an der Auslaßseite überführt, während es im Raum zwischen zwei benachbarten Gängen des Flügelstegs 32 eingeschlossen bleibt. Da die Volumina der Arbeits-Kammern 34 mit zunehmender Entfernung von der Ansaugseite des Zylinders 20 fortlaufend kleiner werden, wird das Kühlmittelgas bei seiner Förderung zur Auslaß­ seite fortlaufend verdichtet. Das verdichtete Kühlmittel­ gas wird über die im Lager 22 ausgebildete Auslaßbohrung 40 in das Gehäuse 10 ausgetragen und dann über die Auslaß­ leitung 46 in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt.

Wenn der Druck im Inneren des Gehäuses 10 ansteigt, wird außerdem Schmieröl 41 in den Zwischenraum zwischen Flügel­ steg 32 und Sohle der Nut 30 über die Leitung 45, den Durchgang 44, die Lagerbohrung 21 b und den Druckeinleit- Kanal 42 eingeführt. Infolgedessen wird der Flügelsteg 32 fortlaufend oder ständig durch einen Öldruck aus der Nut 30 heraus und gegen die Innenumfangsfläche des Zy­ linders 20 gedrückt. Im Betrieb des Verdichtungsteils 14 kann sich daher der Flügelsteg 32 ungehindert in Radial­ richtung des Zylinders 20 verschieben, ohne in der Nut 30 festgehalten zu werden. Die Außenfläche des Flügel­ stegs 32 kann daher ständig in inniger Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders 20 gehalten werden. Auf diese Weise werden die Arbeits-Kammern 34 durch den Flügelsteg 32 sicher voneinander getrennt, so daß ein Gasaustritt aus dem Bereich zwischen den Arbeits-Kammern verhindert wird.

Beim beschriebenen Verdichter ist die Wendel-Nut 30 der Spindel 24 so ausgebildet, daß ihre Steigung mit zu­ nehmendem Abstand von der Ansaugseite des Zylinders zur Auslaßseite desselben fortlaufend abnimmt. Die Volumina der durch den Flügelsteg 32 voneinander getrennten Ar­ beits-Kammern 34 verkleinern sich daher fortlaufend oder allmählich mit zunehmendem Abstand von der Ansaugseite des Zylinders 20 aus. Infolgedessen kann das Kühlmittel­ gas verdichtet werden, während es von der Ansaugseite des Zylinders 20 zu dessen Auslaßseite gefördert wird. Da das Kühlmittelgas während seiner Förderung und Ver­ dichtung in der (jeweiligen) Arbeits-Kammer 34 einge­ schlossen ist, kann es höchst wirksam verdichtet werden, auch wenn kein Auslaßventil an der Auslaßseite des Ver­ dichters vorgesehen ist.

Da hierbei keine Notwendigkeit für ein Auslaßventil be­ steht, kann die Bauteilezahl des Verdichters verkleinert sein, so daß der Verdichter insgesamt einen einfacheren Aufbau aufweist. Außerdem wird der Rotor 18 des Elektro­ motorteils 12 vom Zylinder 20 des Verdichtungsteils 14 ge­ tragen. Es ist daher nicht nötig, ausschließlich für die Lagerung des Rotors eine entsprechende Dreh-Welle und ein Lager vorzusehen. Die Zahl der erforderlichen Bauteile ist demzufolge weiter verkleinert, wodurch auch der Auf­ bau des Verdichters selbst weiter vereinfacht ist.

Im Betrieb des Verdichters wird darüber hinaus der Zwi­ schenraum zwischen dem Flügelsteg 32 und der Sohle der Nut 30 mit einem Öldruck beaufschlagt, wodurch der Flügel­ steg 32 ständig an die Innenumfangsfläche des Zylinders 20 angedrückt wird. Im Betrieb läuft der Flügelsteg 32 dabei so um, daß seine Außenfläche stets in inniger Be­ rührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders 20 steht. Infolgedessen können benachbarte Arbeits-Kammern 34 zur Verhinderung eines Gasaustritts zwischen ihnen zuver­ lässig voneinander getrennt werden. Das Gas kann daher wirksam bzw. mit hohem Wirkungsgrad verdichtet werden. Da der Flügelsteg 32 an die Innenumfangsfläche des Zy­ linders 20 angedrückt wird, kann er sich in Radialrich­ tung des Zylinders, während er dessen Innenumfangsfläche abläuft, ungehindert bzw. zügig in der Nut 30 verschieben, auch wenn die Fertigungsgenauigkeit der Bauteile, wie Rechtwinkeligkeit des Flügelstegs, nicht sehr hoch ist. Durch dieses Merkmal werden Fertigung und Montage der Bau­ teile vereinfacht.

Schmierung und Abdichtung zwischen der Innenfläche der Nut 30 und dem Flügelsteg 32 können durch Einführung eines Hochdruck-Schmieröls in den Zwischenraum zwischen Flügel­ steg 32 und Sohle der Nut 30 bewirkt werden. Da dieser Zwischenraum (interposal space) wendelförmig oder schraubenförmig längs der Nut 30 verläuft, wirkt er als Hydraulikpumpe, die das Schmieröl zu den anderen gleiten­ den Teilen zu fördern vermag.

Zylinder 20 und Dreh-Spindel 24 stehen miteinander in Be­ rührung, während sie in gleicher Richtung umlaufen. Aus diesem Grund ist die Reibung zwischen diesen beiden Bau­ teilen so gering, daß sie gleichmäßig und mit weniger Schwingung und Geräusch rotieren können.

Die Förderleistung des Verdichters hängt von der ersten Steigungshöhe des Flügelstegs 32 ab, d.h. vom Volumen der Arbeits-Kammer 34 am ansaugseitigen Ende des Zylinders 20. Bei der beschriebenen Ausführungsform verkleinert sich die Steigung des Flügelstegs 32 fortschreitend mit zunehmendem Abstand von der Ansaugseite des Zylinders 20. Wenn die Zahl der Windungen bzw. Gänge des Flügelstegs 32 festgelegt ist, kann daher die erste Steigungshöhe des Flügelstegs und damit die Förderleistung des Verdichters gemäß dieser Ausführungsform größer sein als das Volumen (bzw. die Förderleistung) eines Verdichters, dessen Flügelsteg über die Gesamtlänge seiner Spindel hinweg eine gleichbleibende Steigung aufweist. Mit anderen Worten: mit der Erfindung kann ein Hochleistungsverdichter erzielt werden.

Wenn die Zahl der Gänge des Flügelstegs 32 bei verringer­ ter Förderleistung vergrößert ist, verkleinert sich die Druckdifferenz zwischen je zwei benachbarten Arbeits- Kammern im umgekehrten Verhältnis. Hierdurch wird die Größe des Gasaustritts zwischen den Arbeits-Kammern ver­ ringert, so daß damit die Verdichtungsleistung verbessert wird.

Zum Zusammenbau des beschriebenen Verdichters werden nor­ malerweise zunächst der Elektromotorteil 12, der Zy­ linder 20, die Dreh-Spindel 24, das Lager 21 und dgl. in den weiteren Abschnitt 10 a des Gehäuses 10 eingesetzt. Sodann wird der engere Abschnitt 10 b des Gehäuses 10, zu­ sammen mit dem anderen Lager 22, durch Schweißen o.dgl. mit dem weiteren Abschnitt 10 a verbunden. Im zusammenge­ setzten Zustand müssen die beiden Lager 21 und 22 mit hoher Genauigkeit konzentrisch ausgerichtet sein. Dies ist des­ halb der Fall, weil es für die Gewährleistung einer wirk­ samen Verdichtung nötig ist, die Stellung der Dreh-Spindel 24 relativ zum Zylinder 20 mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern festzulegen, während sich diese Teile gleichzeitig leicht und mit einem Mindestmaß an Reibung drehen können müssen. Es sei angenommen, daß das Lager 22 an der Innenfläche des engeren Abschnitts 10 b des Gehäuses 10 befestigt ist. In diesem Fall kann die Ausrichtung zwischen den Lagern 21 und 22 nicht erfolgen, nachdem der engere Gehäuse-Abschnitt 10 b mit dem weiteren Abschnitt 10 a verbunden ist. Um die Achsen der Lager 21 und 22 genau in Übereinstimmung miteinander zu bringen, muß daher jeder Bauteil im voraus mit hoher Genauigkeit maschinell gefertigt sein, und die Montagearbeit muß eben­ falls mit hoher Genauigkeit erfolgen. Wenn die Achsen der Lager 21 und 22 nicht mit hoher Genauigkeit koaxial zuein­ ander liegen, steigt die Reibung zwischen jedem Lager und dem Zylinder sowie zwischen jedem Lager und der Dreh- Spindel erheblich an, wodurch der leichte Lauf des Zy­ linders und der Spindel behindert wird. In diesem Fall ist für den Drehantrieb des Zylinders eine große Antriebs­ kraft erforderlich. Außerdem hat dies Geräuschentwicklung zur Folge. Da auch die Relativstellung von Zylinder 20 und Spindel 24 nicht mit hoher Genauigkeit eingehalten werden kann, können Gasaustritt und dgl. auftreten. Da­ durch wird die Verdichtungsleistung des Verdichters ver­ mindert.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist jedoch das Lager 22 im engeren Abschnitt 10 b des Gehäuses 10 mittels des Halterungs- oder Tragmechanismus 48 in Radialrichtung des Zylinders 20 bewegbar bzw. "schwimmend" gehaltert. Nach dem Verbinden des Gehäuse-Abschnitts 10 b mit dem weiteren Gehäuse-Abschnitt 10 a verschiebt sich daher das Lager 22 zusammen mit dem Zylinder 20 und der Spindel 24, wobei das Lager 22 automatisch mit dem Lager 21 ausge­ fluchtet wird. Ein Ausfluchten der Lager 21 und 22 ist daher beim Zusammenbau bzw. bei der Montage des Ver­ dichters nicht nötig, so daß damit die Montagearbeit ver­ einfacht wird. Da außerdem aufgrund dieser Ausgestaltung die Achsen der Lager 21 und 22 mit hohem Genauigkeits­ grad miteinander in Flucht gebracht werden können, kann eine hohe Verdichtungsleistung bei verminderter Geräusch­ entwicklung erzielt werden. Das Lager 22 kann sich nicht nur in Radialrichtung des Zylinders, sondern aufgrund der Wirkung der Blattfeder 54 des Tragmechanismus 48 gleich­ zeitig auch in Axialrichtung des Zylinders bewegen. Mit dieser Anordnung können Maßabweichungen bei der Fertigung der einzelnen Bauteile und Abweichungen von der vorge­ sehenen Lage kompensiert werden. Die Präzisionsanforde­ rungen an die einzelnen Bauteile werden dadurch gemildert. Infolgedessen lassen sich die Fertigungskosten senken.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann anstelle der Blattfeder 54 ein keine Vorbelastungskraft ausübendes Plattenelement verwendet werden. Mit diesem Plattenele­ ment kann das Lager 22 ebenfalls in Radialrichtung des Zylinders 20 bewegbar oder verschiebbar gehaltert werden, so daß sich die Achsen der Lager 21 und 22 selbsttätig aufeinander auszurichten vermögen.

Die Fig. 9 bis 11 veranschaulichen einen Strömungsmittel- Verdichter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Er­ findung.

Bei dieser zweiten Ausführungsform sind die in die Dreh- Spindel 24 eingestochene Nut 30 und der Flügelsteg 32 an­ ders ausgebildet als bei der ersten Ausführungsform. Da die sonstigen Einzelheiten der zweiten Ausführungsform denen bei der ersten Ausführungsform entsprechen, sind nachstehend lediglich die unterschiedlichen Merkmale im einzelnen beschrieben.

Wie oben erwähnt, wird die Förderleistung des Verdichters durch die Anfangssteigung des Flügelstegs 32, d.h. das Volumen der Arbeits-Kammer 34 an der Ansaugseite des Zy­ linders 20 bestimmt. Ein Hochleistungs-Verdichter mit er­ höhter Gasförderleistung kann somit durch Vergrößerung der Anfangssteigung des Flügelstegs 32 realisiert wer­ den.

Wenn jedoch die Steigung der Wendel-Nut 30 vergrößert wird, unterliegt der in diese Nut eingesetzte Flügelsteg 32 einer starken Verformung. Bei einer starken Verformung des Flügelstegs 32 tritt in diesem eine große interne Spannung auf. Außerdem ist der Flügelsteg 32 im Betrieb des Verdichters äußeren Kräften, wie Scherkraft, Reibungs­ kraft und dgl., unterworfen. Aus diesem Grund muß der Flügelsteg 32 aus einem Werkstoff gefertigt sein, wel­ cher der mechanischen Spannung oder Belastung und den äußeren Kräften zu widerstehen vermag; die Materialaus­ wahl für den Flügelsteg ist daher begrenzt. Weiterhin wird im genannten Fall das Einpassen des Flügelstegs 32 in die Nut 30 schwierig, und der Flügelsteg kann nicht störungs­ frei "arbeiten".

Mit der zweiten Ausführungsform wird ein Verdichter höherer Leistung ohne wesentliche Vergrößerung der Steigungshöhen von Nut 30 und Flügelsteg 32 geschaffen.

Wie aus den Fig. 9 und 10 hervorgeht, verkleinert sich die Steigung der in die Dreh-Spindel 24 eingestochenen Nut 30 von der Ansaugseite des Zylinders 20 aus zu dessen Auslaßseite hin, wie dies auch bei der ersten Ausführungs­ form der Fall ist. Im Unterschied dazu umfaßt die Wendel- Nut 30 einen Einlaufabschnitt 30 a am ansaugseitigen Ende, einen anschließenden Zwischenabschnitt 30 b und einen von letzterem zum auslaßseitigen Ende der Spindel 24 abgehen­ den Auslaufabschnitt 30 c. Der Einlaufabschnitt 30 a er­ streckt sich von der Ansaugseite der Spindel 24 über etwa eine Umdrehung und legt mit der Axialrichtung der Spindel einen Winkel von etwa 90° fest. Dieser Winkel des Ein­ laufabschnitts 30 a liegt vorzugsweise im Bereich von mehr als 45° und weniger als 90°. Der Zwischenabschnitt 30 b geht vom distalen Ende des Einlaufabschnitts 30 a über eine vorbestimmte Länge im wesentlichen parallel zur Achse der Spindel 24 ab. Der Winkel des Zwischenabschnitts 30 b gegenüber der Axialrichtung oder Achse der Spindel 24 ist vorzugsweise mit weniger als 45° gewählt. Der Auslaufab­ schnitt 30 c geht vom distalen Ende des Zwischenabschnitts 30 b zur Auslaßseite der Spindel 24 über mehrere Umdrehungen oder Windungen ab. Der Winkel des Auslaufabschnitts 30 c gegenüber der Axialrichtung der Spindel 24 ist so gewählt, daß er sich zur Auslaßseite der Spindel 24 hin fortschrei­ tend vergrößert und im Bereich von mehr als 45° bis weniger als 90° liegt. Diese Einlauf-, Zwischen- und Auslaufab­ schnitte sind fortlaufend und ohne gegenseitige Über­ schneidung ausgebildet.

Gemäß Fig. 11 ist der Schrauben- oder Wendel-Flügelsteg 32 der Nut 30 komplementär ausgebildet, und er umfaßt einen Zwischenabschnitt 32 b, der praktisch parallel zu seiner Mittelachse verläuft, sowie Einlauf- und Auslauf­ abschnitte 32 a bzw. 32 c, die unter einem Winkel von prak­ tisch 90° gegenüber der Mittelachse geneigt bzw. schräg­ gestellt sind. Die Abschnitte 32 a, 32 b und 32 c des Flügel­ stegs 32 sind verschieblich in die betreffenden Abschnitte 30 a, 30 b bzw. 30 c der Wendel-Nut 30 eingesetzt.

Bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform verlaufen der Zwischenabschnitt 30 b der Nut 30 und der Zwischenab­ schnitt 32 b des Flügelstegs 32 praktisch parallel zur Achse der Spindel 24. Aus diesem Grund weist die erste, der Ansaugseite des Zylinders 20 benachbarte Arbeits- Kammer, d.h. die durch den Einlaufabschnitt 32 a, den Zwischenabschnitt 32 b und den ersten Gang des Auslauf­ abschnitts des Flügelstegs festgelegte Kammer, im Ver­ gleich zur ersten Ausführungsform ein sehr großes Volumen auf. Infolgedessen ist dabei die Gasförderleistung sehr groß, so daß eine große Strömungsmittelmenge in kurzer Zeit verdichtet werden kann. Hierdurch wird folglich die Verdichtungsleistung des Verdichters erhöht.

Wenn die Wendel-Nut 30 gegenüber der Achse der Dreh-Spin­ del 24 unter 45° geneigt bzw. schräggestellt ist, ist im allgemeinen die Verformungsgröße des in die Nut 30 einge­ setzten Flügelstegs 32 am größten. Wenn der Neigungs­ winkel der Nut 30 gegenüber der Spindel 24 sich an 90° oder 0° annähert, ist die Verformungsgröße des Flügel­ stegs verringert. Wie erwähnt, sind die Einlauf- und Aus­ laufabschnitte 30 a bzw. 30 c der Nut 30 unter einem Winkel von mehr als 45° und nahezu 90° gegenüber der Achse der Spindel 24 schräggestellt, während sich der Zwischenab­ schnitt 30 b im wesentlichen parallel zur Achse der Spin­ del 24 erstreckt. Aufgrund dieser Anordnung wird der in die Nut 30 eingesetzte oder eingepaßte Flügelsteg 32 nicht stark verformt, so daß nur eine geringe innere Spannung im Flügelsteg auftritt. Die mechanische Festigkeit des Flügelstegs braucht daher nicht sehr hoch zu sein. In­ folgedessen kann der Werkstoff für den Flügelsteg ver­ gleichsweise frei gewählt werden, wobei der Flügelsteg außerdem eine längere Betriebslebensdauer bzw. Standzeit erhält. Da darüber hinaus die Verformungsgröße des Flügel­ stegs klein ist, kann sich der Flügelsteg ungehindert bzw. zügig in der Nut 30 verschieben, so daß Gasaustritt und dgl. zuverlässig verhindert werden können.

Mit der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung ist es zusätzlich zu den mit der ersten Ausführungsform erzielten Wirkungen und Vorteile möglich, die Verdichtungsleistung des Verdichters ohne starke Ver­ formung des Flügelstegs zu verbessern.

Offensichtlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern ver­ schiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich. Bei­ spielsweise ist die Erfindung auf andere Verdichter als solche für Kühlmittelkreisläufe anwendbar. Bei den be­ schriebenen Ausführungsformen wird außerdem das im Ge­ häuse 10 enthaltene Öl zur Sohle der Nut 30 gefördert, so daß der Flügelsteg 32 dadurch an die Innenumfangs­ fläche des Zylinders 20 angedrückt wird. Dieselben Wir­ kungen wie bei den beschriebenen Ausführungsformen lassen sich jedoch auch dadurch erzielen, daß anstelle des Öls ein Teil des verdichteten, in das Gehäuse 10 ausgestoßenen Gases in die Nut 30 eingeleitet wird.

Claims (17)

1. Strömungsmittel-Verdichter, umfassend
einen Zylinder (20) mit einem ansaugseitigen Ende und einem auslaßseitigen Ende,
einen im Zylinder angeordneten, sich exzentrisch dazu in seiner Axialrichtung erstreckenden und relativ zum Zylinder drehbaren, spindel- oder säulenförmigen Dreh­ körper (24), der mit seinem einen Teil mit der Innen­ umfangsfläche des Zylinders in Berührung steht und in dessen Außenumfangs- oder Mantelfläche eine schrauben- bzw. wendelförmige Nut (30) eingestochen ist,
einen in die Nut eingesetzten oder eingepaßten, im we­ sentlichen in Radialrichtung des Drehkörpers verschieb­ baren, schrauben- bzw. wendelförmigen Flügelsteg (blade) (32), dessen Außenumfangsfläche in inniger Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders steht und der den Raum zwischen der Zylinder-Innenumfangsfläche und der Drehkörper-Mantelfläche in mehrere Arbeits-Kammern (34) unterteilt,
zwei Lager (21, 22) zur drehbaren Lagerung der beiden Enden des Zylinders sowie der entsprechenden Enden des Drehkörpers, um den Drehkörper in einer vorbestimmten Lage gegenüber dem Zylinder zu halten,
eine Antriebseinheit zum Drehen des Zylinders und des Drehkörpers relativ zueinander zwecks fortlaufender Förderung eines vom ansaugseitigen Ende des Zylinders aus in diesen eingeführten Strömungsmittels zum aus­ laßseitigen Ende des Zylinders durch die Arbeits- Kammern hindurch und
ein geschlossenes Gehäuse (10) zur Aufnahme der ge­ nannten Bauteile, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nut (30) eine Steigung (pitches) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zy­ linders (20) allmählich oder fortlaufend kleiner wird,
die Arbeits-Kammern (34) Volumina aufweisen, die sich mit zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders (20) fortlaufend verkleinern, und
eines der Lager (21, 22) durch eine Halterungs- oder Trageinheit (48) so gehaltert ist, daß es relativ zum Gehäuse (10) in Radialrichtung des Zylinders (20) be­ wegbar oder verschiebbar ist.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinheit (48) ein an der Innenfläche des Gehäuses (10) befestigtes Halteelement (52) und ein durch letzteres so gehaltertes bewegbares Element (54), daß es in einer Ebene senkrecht zur Achse des Zy­ linders (20) geradlinig bewegbar ist, aufweist und das eine Lager (22) durch das bewegbare Element so ge­ haltert ist oder getragen wird, daß es in einer Rich­ tung senkrecht zur Bewegungsrichtung des bewegbaren Elements bewegbar ist.

3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (54) ein Plattenelement mit zwei in einer Richtung senkrecht zu seiner Bewegungs­ richtung verlaufenden Langlöchern (58) ist und das eine Lager (22) eine mit dem bewegbaren Element in Berührung stehende Stirnfläche sowie zwei von der Stirnfläche abstehende und verschiebbar in die je­ weiligen Langlöcher eingesetzte Vorsprünge (60) auf­ weist.

4. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (54) aus einem Plattenele­ ment besteht und zwei einander gegenüberliegende Aussparungen (56) aufweist und das Halteelement (52) zwei Eingreifabschnitte (52 a) aufweist, die von der Innenfläche des Gehäuses (10) in Richtung auf das eine Lager (22) abgehen und jeweils in die betreffenden Aussparungen eingesetzt sind.

5. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (54) durch eine Blattfeder gebildet ist, die in Axialrichtung des Zylinders (20) elastisch verformbar ist und das eine Lager (22) in Richtung auf das andere Lager (21) drängt (vorbe­ lastet).

6. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Lager (21, 22) eine Umfangsfläche (21 a; 22 a), auf welche ein (betreffender) Endabschnitt des Zylinders (20) drehbar aufgesetzt ist, und eine Lager­ bohrung (21 b; 22 b), in die ein jeweiliger Endabschnitt des Drehkörpers (24) drehbar eingesetzt ist, aufweist.

7. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einen ersten (Gehäuse-)Teil (10 a) und einen zweiten, an letzterem befestigten (Gehäuse)- Teil (10 b) aufweist, die Antriebseinheit (12) im ersten Teil (10 a) angeordnet ist, das andere Lager (21) an einer Innenfläche des ersten Teils (10 a) befestigt ist und die Trageinheit (48) zwischen dem einen Lager (22) und dem zweiten (Gehäuse-)Teil (10 b) angeordnet ist.

8. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das ansaugseitige Ende des Zylinders (20) lagernde Lager (21) eine Ansaugbohrung (36) zum Ein­ führen des Strömungsmittels von der Außenseite des Gehäuses (10) in das ansaugseitige Ende des Zylinders aufweist und das das auslaßseitige Ende des Zylinders (20) lagernde Lager (22) mit einer Auslaßbohrung (40) zum Austragen des im Zylinder verdichteten Strömungs­ mittels in das Gehäuse versehen ist.

9. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (30) im Drehkörper (24) einen an der An­ saugseite des Zylinders (20) gelegenen Einlaufab­ schnitt (30 a), einen an dessen Auslaßseite befindlichen Auslaufabschnitt (30 c) und einen zwischen Einlauf- und Auslaufabschnitt befindlichen Zwischenabschnitt (30 b) aufweist, Einlauf- und Auslaufabschnitt unter einem Winkel von mehr als 45° bis weniger als 90° gegenüber der Axialrichtung oder Achse des Drehkörpers schräg­ gestellt (tilted) sind und der Zwischenabschnitt unter einem Winkel von weniger als 45° gegenüber der Axial­ richtung des Drehkörpers schräggestellt (tilted) ist.

10. Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabschnitt (30 b) im wesentlichen pa­ rallel zur Achse des Drehkörpers (24) verläuft.

11. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckbeaufschlagungseinrichtung für die Druck­ beaufschlagung eines Zwischenraums zwischen einer Sohle der Nut (30) und dem Flügelsteg (32), um letzteren gegen die Innenumfangsfläche des Zylinders (20) anzu­ drücken, vorgesehen ist.

12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagungseinrichtung Mittel für die Zufuhr von Drucköl in den Zwischenraum zwischen der Sohle der Nut (30) und dem Flügelsteg (32) auf­ weist.

13. Verdichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zufuhrmittel einen im Drehkörper (24) ausge­ bildeten Öleinleitkanal (42) und Leitmittel zum Lei­ ten des Drucköls in den Öleinleitkanal aufweist, wo­ bei der Öleinleitkanal ein an einem Ende des Dreh­ körpers mündendes Ende und ein anderes, an der Sohle der Nut mündendes Ende aufweist.

14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zufuhrmittel in einem Bodenbereich des Ge­ häuses (10) enthaltenes Schmieröl umfaßt und die Leit­ mittel ein mit dem einen Ende des Öleinleitkanals (42) kommunizierendes Ende und ein anderes, zum Schmieröl­ (vorrat) hin offenes Ende umfassen.

15. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit einen Elektromotorteil (12) zum Drehen des Zylinders (20) und eine Übertragungs­ einrichtung zum Übertragen einer Dreh(antriebs)kraft des Zylinders auf den Drehkörper (24) und zum Drehen des letzteren synchron mit dem Zylinder aufweist.

16. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotorteil (12) einen an der Außenum­ fangsfläche des Zylinders (20) befestigten Rotor (18) und einen an der Außenseite des Rotors angeordneten Stator (16) umfaßt.

17. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine in der Mantel­ fläche des Drehkörpers (24) ausgebildete Eingreif- Nut (26) und einen von der Innenfläche des Zylinders (20) abstehenden, in die Eingreif-Nut eingeführten und in Radialrichtung des Zylinders verschiebbaren Vorsprung (Stift) (28) umfaßt.