DE3839889A1 - Stroemungsmittelverdichter - Google Patents
StroemungsmittelverdichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Fluidum- oder Strömungsmittel
verdichter, insbesondere einen Verdichter zum Verdichten
z.B. eines Kühlmittelgases in einem Kühl(mittel)kreislauf.
Es sind verschiedene Verdichter, wie Kolbenverdichter,
Kreiselverdichter und dgl., bekannt. Bei diesen bisherigen
Verdichtern sind jedoch eine Antriebseinheit, wie Kurbel
welle zum Übertragen der Drehkraft auf den Verdichterab
schnitt, und ein Verdichterabschnitt kompliziert ausgebil
det, d.h. sie bestehen aus zahlreichen Bauteilen. Für
erhöhte Verdichtungsleistung muß ein bisheriger Verdichter
zudem mit einem Rückschlagventil an seiner Lieferseite ver
sehen sein. Der Druckunterschied zwischen Einlaß- und Aus
laßseite des Rückschlagventils ist jedoch so groß, daß
Gas aus dem Ventil austreten (heraussickern) kann, wodurch
sich die Verdichtungsleistung verschlechtert. Zur Lösung
dieses Problems muß eine hohe Maß- und Montagegenauigkeit
für die einzelnen Teile oder Bauelemente eingehalten wer
den, was eine Erhöhung der Fertigungskosten 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 eine
Hülse eingesetzt ist. In diese Nut ist ein Wendel-Flügel
steg (spiral blade) verschiebbar eingesetzt. Bei der
Drehung des Drehkörpers wird ein zwischen zwei benach
barten Windungen des Flügelsteges im Raum zwischen der
Außenfläche des Drehkörpers und der Innenfläche der
Hülse (des Zylinders) dicht eingeschlossenes Strömungsmittel
vom einen Ende der Hülse zum anderen transportiert.
Diese Schraubenpumpe kann zwar das Strömungsmittel fördern,
nicht aber verdichten. Zum dichten Einschließen des Strö
mungsmittels muß die Außenfläche des Flügelstegs ständig
mit der Innenfläche der Hülse in Berührung stehen. Bei
der Drehung des Drehkörpers verformt sich jedoch der
Flügelsteg selbst in der Nut, so daß er nicht gleichmäßig
oder zügig in der Nut gleiten kann. Es ist daher schwierig,
die Außenfläche des Flügelstegs in Gleitberührung mit der
Innenfläche der Hülse zu halten, und das Strömungsmittel
kann daher nicht zufriedenstellend eingeschlossen gehalten
werden. Folglich vermag die Schraubenpumpe dieser Ausge
staltung keine Verdichtungswirkung zu gewährleisten.
Im Hinblick auf diese Gegebenheiten liegt damit der Er
findung die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmittelver
dichter zu schaffen, der bei Gewährleistung einer wirk
samen Strömungsmittelverdichtung einen vergleichsweise
einfachen Aufbau aufweist und einfach anzufertigen und
zusammenzusetzen ist.
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- oder wendelförmige Nut eingestochen ist, einen
in diese Nut verschiebbar eingesetzten oder eingepaßten, schrauben
bzw. wendelförmigen Flügelsteg (blade), dessen Außenum
fangsfläche in inniger Berührung mit der Innenumfangs
fläche des Zylinders steht und der einen Raum zwischen
der Zylinder-Innenunfangsfläche und der Drehkörper-Mantel
fläche in mehrere Arbeits-Kammern unterteilt, und eine An
triebseinheit zum Drehen des Zylinders und des Drehkörpers
relativ zueinander zwecks Einführung eines Strömungsmittels
vom ansaugseitigen Ende des Zylinders aus in diesen und
zum Fördern dieses Strömungsmittels zum auslaßseitigen
Ende des Zylinders durch die mehreren Arbeits-Kammern hin
durch, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Nut
schraubenförmig eine Steigung (pitches) aufweist, die mit
zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders
allmählich oder fortlaufend kleiner wird, und die Nut so
ausgebildet ist, daß ihre sich von ihrer Sohle zu ihrer
Öffnung erstreckende Tiefenrichtung unter einem vorbe
stimmten Winkel in bezug auf eine senkrecht zur Achse
des Drehkörpers liegende Richtung zum auslaßseitigen
Ende des Zylinders hin schräggestellt oder geneigt ist,
der schraubenförmige Flügelsteg so in die Nut eingesetzt
oder eingepaßt ist, daß er in Tiefenrichtung (der Nut)
verschiebbar ist, und die Arbeits-Kammern sich mit zu
nehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders
aus allmählich oder fortlaufend verkleinernde Aufnahme
vermögen oder Volumina aufweisen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 5D einen Strömungsmittelverdichter gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung, wobei im
einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Verdichter gemäß der
Erfindung zur Darstellung seines Gesamtaufbaus,
Fig. 2 eine im Teilschnitt gehaltene Seitenansicht
des Verdichtungsteils des Verdichters,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teil
schnittdarstellung von Teilen einer Wendelnut und
eines schraubenförmigen Flügelstegs, und
Fig. 5A bis 5D Darstellungen der bei einem Kühlmittelgas
stattfindenden Verdichtungsvorgänge; sowie
Fig. 6 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer abge
wandelten Ausbildung von Wendelnut und Flügel
steg,
Fig. 7 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Ab
wandlung des Verdichtungsteils,
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Verdichtungszu
stands des Arbeitsströmungsmittels bei Verwendung
des Verdichtungsteils nach Fig. 7 und
Fig. 9 eine Schnittansicht eines Strömungsmittelver
dichters gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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 10 angeordnet
sind. Der Motorteil 12 umfaßt einen im wesentlichen ring
förmigen, an der Innenfläche des Gehäuses 10 befestigten
Stator 16 und einen innerhalb 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 mittels im Gehäuse 10 an
geordneter Lager 21 und 22 gelagert und durch diese abge
dichtet. Insbesondere ist das rechte Ende des Zylinders
20, d.h. das ansaugseitige Ende, drehbar auf die Umfangs
fläche 21 a des Lagers 21 aufgesetzt bzw. aufgepaßt. Das
linke Ende des Zylinders 20, d.h. das auslaßseitige Ende,
ist drehbar auf die Umfangsfläche 22 a des Lagers 22 aufge
setzt. Der Zylinder 20 und der an ihm befestigte 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 axial dazu
eingesetzt. Die Mittelachse A der Spindel 24 ist mit
einem Abstand e außermittig zur Mittelachse B des Zy
linders 20 angeordnet. Ein Teil der Außenumfangs- oder
Mantelfläche der Spindel 24 steht in Berührung mit der
Innenumfangsfläche des Zylinders 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 einem Abstand e exzentrisch oder
außermittig zur Mittelachse B des Zylinders 20 liegen.
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 2 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
der Elektromotorteil 12 aktiviert wird, um den Zylinder
20 zusammen mit dem Rotor 18 in Drehung zu versetzen,
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 und 2 ist in die Mantelfläche der Spin
del 24 eine zwischen deren beiden Enden verlaufende
schrauben- oder wendelförmige (spiral) Nut 30 einge
stochen. Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, verkleinert
sich die Steigung (pitches) der Windungen oder Gänge
der Nut 30 mit zunehmender Entfernung vom rechten Ende
des Zylinders 20, d.h. von der Ansaugseite des
Zylinders 20 aus, fortlaufend. Gemäß Fig. 4 ist die Nut
30 so ausgebildet, daß ihre Tiefenrichtung D, die von der
Sohle der Nut zu deren Öffnung verläuft, in bezug auf
eine senkrecht zur Mittelachse der Dreh-Spindel 24 liegen
de Richtung unter einem vorbestimmten Winkel α zur Auslaß
seite des Zylinders 20 hin schräggestellt oder geneigt
ist. In die Nut 30 ist ein auch als Schraubengang zu be
zeichnender, schraubenförmiger Flügelsteg (blade) 32 ein
gesetzt, dessen Dicke nahezu der Breite der Nut 30 ent
spricht. Die Teile des Flügelstegs 32 können sich dabei
in der Nut 30 in deren Tiefenrichtung D geradlinig ver
schieben. Jeder Abschnitt des Flügelstegs 32 ist daher
unter einem Winkel α zu der senkrecht zur Mittelachse der
Spindel 24 liegenden Richtung geneigt, während der Außen
umfang des Flügelstegs 32 zur Auslaßseite des Zylinders
20 hin gerichtet ist. Die Außenumfangsfläche des Flügel
stegs 32 gleitet auf der Innenumfangsfläche des Zylinders
20 in inniger Berührung mit dieser Fläche. Der Flügelsteg
32 besteht aus einem elastischen Werkstoff, wie Teflon
(eingetr. Warenzeichen), und kann unter Ausnutzung seiner
Elastizität in die Nut 30 eingesetzt sein.
Ein 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 ist dabei zwischen
zwei benachbarten Gängen des Flügelstegs 32 festgelegt
und liegt gemäß Fig. 3 im wesentlichen in Form eines
Kreiszweiecks (crescent) vor, das längs des Flügelstegs
32 von einem Berührungsabschnitt zwischen der Spindel 24
und der Innenfläche des Zylinders 20 zum nächsten Be
rührungsabschnitt verläuft. Die Aufnahmevermögen oder
Volumina der Arbeits-Kammern 34 verkleinern sich fort
schreitend mit dem Abstand von der Ansaugseite des Zy
linders 20 aus.
Gemäß den Fig. 1 und 2 wird das Lager 21 von einer sich
in Axialrichtung des Zylinders 20 erstreckenden Ansaug
bohrung 36 durchsetzt, deren eines Ende in das ansaug
seitige Ende des Zylinders 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 unteren Bereich
des Gehäuses 10 ist Schmieröl 41 enthalten.
In Fig. 1 ist mit 46 eine mit dem Inneren des Gehäuses 10
kommunizierende Auslaßleitung bezeichnet.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des vorstehend beschrie
benen 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 ein Teil ihrer
Mantelfläche in Berührung mit der Innenumfangsfläche des
Zylinders 20 steht. Diese Relativdrehbewegungen von Spin
del 24 und Zylinder 20 werden durch eine Übertragungs
einrichtung aus dem Stift 28 und der Eingreif-Nut 26 ge
währleistet. Außerdem dreht sich auch der Flügelsteg 32
mit der Spindel 24 mit.
Da der Flügelsteg 32 dabei in der Weise umläuft, daß seine
Umfangsfläche mit der Innenfläche des Zylinders 20 in
Gleitberührung steht, wird jeder Teil des Flügelstegs 32
bei seiner Annäherung an jeden Berührungsabschnitt zwi
schen der Außenfläche der Spindel 24 und der Innenfläche
des Zylinders 20 in die Nut 30 eingedrückt, während dieser
Teil bei seiner Wegbewegung vom Berührungsabschnitt aus
der Nut austritt. Wenn der Verdichtungsteil 14 betätigt
ist, wird über die Ansaugleitung 38 und die Ansaugbohrung
36 Kühlmittelgas in den Zylinder 20 eingesaugt. Dieses
Gas wird in der am ansaugseitigen Ende befindlichen Ar
beits-Kammern 34 eingeschlossen. Während der Drehung der
Spindel 24 wird das Gas gemäß den Fig. 5A bis 5D fort
laufend zur Arbeits-Kammer 34 an der Auslaßseite über
führt, während es im Raum zwischen zwei benachbarten
Gängen des Flügelstegs 32 eingeschlossen bleibt. Da die
Volumina (Aufnahmevermögen) der Arbeits-Kammern 34 mit
zunehmender Entfernung von der Ansaugseite (des Zylinders
20) fortlaufend kleiner werden, wird das Kühlmittelgas
bei seiner Förderung (zur Auslaßseite) fortlaufend ver
dichtet. Das verdichtete Kühlmittelgas wird über die im
Lager 22 ausgebildete Auslaßbohrung 40 in das Gehäuse 10
ausgetragen und dann über die Auslaßleitung 46 in den
Kühlmittelkreislauf zurückgeführt.
Gemäß Fig. 4 wirkt während des beschriebenen Ver
dichtungsvorgangs ein Seitendruck Δ P auf die hochdruck
seitige Fläche 32 a des Flügelstegs 32, d.h. die der
Auslaßseite des Zylinders 20 zugewandte Seitenfläche.
Dabei befindet sich insbesondere jede Windung bzw. jeder
Gang des Flügelstegs 32 zwischen zwei benachbarten Ar
beits-Kammern 34 a und 34 b. Der in der Arbeits-Kammer 34 b
herrschende Druck ist dabei größer als der Druck in der
Kammer 34 a. Aus diesem Grund wirkt der Wirkdruck zwischen
den Arbeits-Kammern 34 a und 34 b als Seitendruck Δ P auf
die hochdruckseitige Fläche 32 a des Flügelstegs 32.
Gemäß Fig. 6 sei angenommen, daß die wendelförmige
Nut 30 so ausgebildet ist, daß ihre Tiefenrichtung senk
recht zur Mittelachse der Dreh-Spindel 24 verläuft, und
daß sich der Flügelsteg 32 in einer Richtung senkrecht
zur Mittelachse der Spindel 24 (geradlinig) hin und her
bewegen kann. In diesem Fall wirkt der Seitendruck Δ P
während des Verdichtungsvorgangs auf die hochdruckseitige
Fläche 32 a des Flügelstegs 32. Aufgrund des Seitendrucks
Δ P werden am Flügelsteg 32 zwei Kräfte erzeugt. Da der
Flügelsteg 32 während des Verdichtungsvorgangs umläuft,
wird er mit einer Zentrifugal- oder Fliehkraft P und
einer der Fliehkraft entsprechenden Gegenwirkkraft P
vom Zylinder 20 beaufschlagt. Da sich zudem der Flügel
steg 32 in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse der
Spindel 24 erstreckt, koinzidieren die Einwirk- oder
Beaufschlagungsrichtungen der Fliehkraft und der Gegen
wirkkraft P mit der Erstreckungsrichtung des Flügel
stegs. Infolgedessen wirkt auf den Flügelsteg 32 kein
durch die Fliehkraft und die Gegenwirkkraft hervorgerufenes
Kräftepaar, sondern nur das durch den Seitendruck Δ P
hervorgerufene Kräftepaar ein. Aus diesem Grund empfängt
der Flügelsteg 32 gemäß Fig. 6 lokale Seitendrücke F 1
und F 2 von der Spindel 24 aufgrund des Kräftepaars, so
daß er einen örtlichen Abrieb erleidet. Bei einem solchen
Abrieb oder Verschleiß des Flügelstegs 32 entsteht zwi
schen diesem und der Nut 30 ein Zwischenraum oder Spalt,
aus dem das Arbeitsströmungsmittel heraussickern kann,
wodurch der Wirkungsgrad des Verdichters herabgesetzt
wird. Wenn der Verdichtungsvorgang mit einem Verschleiß
zeigenden Flügelsteg 32 durchgeführt wird, muß der An
saugdruck des Strömungsmittels hoch eingestellt sein,
um den durch dieses Heraussickern hervorgerufenen Druck
verlust auszugleichen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform liegen dagegen
die Nut 30 und der in diese eingesetzte Flügelsteg 32
unter einem Neigungswinkel α gegenüber der senkrecht
zur Mittelachse der Spindel 24 verlaufenden Richtung.
Aus diesem Grund wirkt das durch die Fliehkraft und
Gegenwirkkraft P hervorgerufene Kräftepaar auf den
Flügelsteg 32 ein. Der Außenumfangsabschnitt des Flügel
stegs 32 ist dabei zur Hochdruckseite hin, d.h. zur Aus
laßseite des Zylinders 20 hin geneigt. Das Kräftepaar
aufgrund der Fliehkraft und der Gegenwirkkraft P hebt
dabei das durch den Seitendruck Δ P hervorgerufene Kräfte
paar auf. Demzufolge wirkt kein lokaler bzw. örtlicher
Seitendruck auf den Flügelsteg 32, vielmehr wird die
Seitenfläche des Flügelstegs, welche der Wand- bzw.
Flankenfläche 30 a der Nut 30 gegenüberliegt, mit einem
gleichmäßigen Seitendruck F beaufschlagt.
Durch die beschriebene Ausgestaltung kann örtlicher Ver
schleiß des Flügelstegs verhindert werden.
Ein optimaler Neigungswinkel α ist ein solcher, bei dem
das durch den Seitendruck Δ P erzeugte Kräftepaar und das
durch Flieh- und Gegenwirkkraft P erzeugte Kräftepaar
ausgeglichen sind. Dieser optimale Neigungswinkel wird
nach der unten stehenden Gleichung berechnet.
Wenn nämlich das durch den Seitendruck Δ P erzeugte
Kräftepaar zu Δ P · l 2/2 und das von Flieh- und Gegenwirkkraft
P herrührende Kräftepaar zu d · sin α · P · w vorausgesetzt werden,
ergibt sich:
( Δ P · l²)/2 = α · sin α · Δ Pe · w
Hieraus ergibt sich:
sin α = ( Δ P · l²)/(2 · Δ Pe · w · d)
daher gilt:
In obigen Gleichungen bedeuten: l = Vorstandshöhe des
Flügelstegs, d = Höhe des Flügelstegs und w = Breite des
Flügelstegs.
Auch wenn der Flügelsteg 32 unter einem vom optimalen
Neigungswinkel verschiedenen Winkel geneigt oder schräg
gestellt ist, kann der von der Spindel her auf den Flügel
steg 32 einwirkende Seitendruck F pro Flächeneinheit
im Vergleich zu dem Fall verringert sein, in welchem der
Flügelsteg senkrecht zur Mittelachse der Spindel 24
verläuft. Der Neigungswinkel α des Flügelstegs 32 ist
daher nicht auf den angegebenen optimalen Neigungswinkel
beschränkt.
Bei dem beschriebenen Verdichter verkleinert sich die
Steigung der in der Dreh-Spindel 24 ausgebildeten Nut 30
mit zunehmender Entfernung von der Ansaugseite des Zy
linders 20 aus fortlaufend. Dies bedeutet, daß sich die
Fassungsvermögen oder Volumina der durch den Flügelsteg
32 unterteilten Arbeits-Kammern 34 zur Auslaßseite hin
allmählich oder fortlaufend verkleinern. Das Kühlmittel
gas kann daher während seiner Förderung von der Ansaug
seite zur Lieferseite des Zylinders 20 verdichtet werden.
Da weiterhin das Kühlmittelgas überführt bzw. gefördert
und verdichtet wird, während es in den Arbeits-Kammern 34
eingeschlossen ist, kann das Gas auch dann wirksam ver
dichtet werden, wenn an der Auslaßseite des Verdichters
kein Auslaßventil vorgesehen ist.
Da hierbei keine Notwendigkeit für ein Auslaßventil be
steht, kann die Zahl der Bauteile unter Vereinfachung
des Aufbaus des Verdichters verkleinert sein. Da weiter
hin der Rotor 18 des Elektromotorteils 12 vom Zylinder 20
des Verdichtungsteils 14 getragen bzw. durch diesen ge
lagert wird, brauchen keine zusätzliche Dreh-Welle und keine
zusätzlichen Lager für die Lagerung des Rotors vorgesehen
zu sein. Die Zahl der Bauteile kann daher unter weiterer
Vereinfachung des Verdichteraufbaus weiter verkleinert
sein.
Die Nut 30 und der Flügelsteg 32 sind unter einem vorbe
stimmten Winkel α gegenüber der senkrecht zur Mittelachse
der Dreh-Spindel 24 liegenden Richtung geneigt. Hierdurch
wird ein örtlicher Verschleiß des Flügelstegs 32 ver
mieden. Infolgedessen wird ein Austritt oder Heraussickern
des Arbeitsströmungsmittels verhindert, so daß dieses
Strömungsmittel wirksam bzw. mit hohem Wirkungsgrad
verdichtet werden kann. Außerdem ist dabei auch die Be
triebslebensdauer des Flügelstegs 32 verlängert.
Der Zylinder 20 und die Dreh-Spindel 24 stehen in gegen
seitiger Berührung, während sie gleichsinnig umlaufen.
Aus diesem Grund ist der Verschleiß zwischen Zylinder
20 und Spindel 24 gering, und diese Elemente können unter
Verminderung von Schwingung und Geräuschentwicklung
gleichmäßig bzw. ruckfrei umlaufen.
Die Förderleistung des Verdichters hängt von der ersten
(oder anfänglichen) Steigungshöhe des Flügelstegs 32
ab, d.h. vom Volumen der Arbeits-Kammern 34 am ansaug
seitigen Ende des Zylinders 20. Bei der beschriebenen
Ausführungsform verkleinert sich die Steigung des Flügel
stegs 32 fortschreitend mit zunehmendem Abstand von der
Ansaugseite des Zylinders 20. Wenn die Zahl der Windungen
bzw. Gänge des Flügelstegs 32 festgelegt ist, kann die
erste Steigungshöhe des Flügelstegs und damit die Förder
leistung 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 realisiert werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform kann gemäß Fig. 7
eine Druckentlastungs-Leitung 42 in der Dreh-Spindel 24
ausgebildet sein. Das eine Ende der Leitung 42 ist dabei
zur mittleren Arbeits-Kammer zwischen Ansaug- und Auslaß
ende des Zylinders 20 hin offen, während das andere Ende
der Leitung 42 über eine im Lager 22 ausgebildete Auslaß
strecke oder -leitung 43 mit dem Gehäuse 10 kommuniziert.
Das Auslaßende der Leitung 43 ist durch ein Rückschlag
ventil 44 verschlossen, welches öffnet, wenn der in den
Leitungen 42 und 43 herrschende Druck eine vorbestimmte
Größe erreicht, d.h. wenn der Druck in der Arbeits-Kammer
34, welcher mit der Leitung 42 kommuniziert, die vorbe
stimmte Größe erreicht.
Auch wenn bei der beschriebenen Anordnung der Ansaugdruck
des Verdichters z.B. unmittelbar nach dem Anfahren desselben
sehr hoch ist, kann das Strömungsmittel über die Druckent
lastungs-Leitung 42, die Auslaßleitung 43 und das Rück
schlagventil 44 in das Gehäuse 10 entlassen werden, bevor
das Strömungsmittel in den Arbeits-Kammern 34 auf einen
abnormal hohen Druck verdichtet wird.
Fig. 8 veranschaulicht Verdichtungskennlinien des Ver
dichters mit dem oben beschriebenen Aufbau. Beispielsweise
sei angenommen, daß ein Verdichter so ausgebildet ist,
daß er im Normalbetriebszustand die durch eine Linie 56
bezeichnete Verdichtungskennlinie aufweist. Wenn der An
saugdruck dabei höher ist als ein Vorgabe- oder Soll-Druck,
nimmt der Liefer- oder Austragdruck des Verdichters, wie
durch eine Linie 57 angedeutet, einen abnormal hohen Wert
an. Wenn andererseits das Rückschlagventil 44 zum Öffnen
bei einem Druck von z.B. 20 bar (Absolutdruck) oder höher
ausgelegt ist, steigt der Druck des Arbeitsströmungs
mittels auf die durch eine Linie 58 angegebene Weise an.
Infolgedessen kann im Gegensatz zu einer Konstruktion
ohne Druckentlastungs-Leitung 42, Auslaßleitung 43 und
Rückschlagventil 44 ein abnormaler Druckanstieg verhindert
werden. Außerdem ist durch Einstellung des Öffnungsdrucks
des Rückschlagventils 44 die durch eine Linie 59 bezeich
nete Druckkennlinie erzielbar. Beim vorstehend beschrie
benen Verdichter kann eine Beschädigung desselben durch
einen abnormal hohen Druck erfolgreich verhindert werden,
wodurch auch die Betriebszuverlässigkeit des Verdichters
verbessert wird.
Fig. 9 veranschaulicht einen Strömungsmittelverdichter
gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform sind der Elektromotorteil 12
und der Verdichtungsteil 14 waagerecht im Gehäuse 10 an
geordnet. Im Mittelbereich des Gehäuses 10 ist ein
Lager 21 vorgesehen, durch welches der Innenraum des
Gehäuses 10 luftdicht in zwei Kammern oder Räume für die
Teile 12 und 14 unterteilt ist. Im Lager 21 ist eine
waagerechte Dreh-Welle 48 drehbar gelagert. Der Rotor 18
des Motorteils 12 ist koaxial am rechten Endabschnitt
der Welle 48 befestigt und innerhalb des Stators 16 an
geordnet.
Das eine Ende einer Dreh-Spindel 24 ist koaxial mit dem
linken Ende der Welle 48 verbunden. Das linke Ende der
Spindel 24 ist drehbar in einem Lager 22 gelagert, das
an der Innenfläche des Gehäuses 10 angebracht ist. Die
Spindel 24 ist auf dieselbe Weise wie bei der ersten Aus
führungsform in ihrer Außenumfangsfläche mit einer
schraubenförmigen oder wendelförmigen Nut versehen, deren
Steigungshöhe mit zunehmendem Abstand vom rechten Ende
der Spindel fortlaufend kleiner wird. In diese Nut ist
ein schraubenförmiger Flügelsteg 32 eingesetzt. Die Nut
und der Flügelsteg 32 sind unter einem vorbestimmten
Winkel α zum linken Ende der Spindel, d.h. zur Auslaß
seite, hin in bezug auf eine senkrecht zur Achse der
Dreh-Spindel 24 stehende Richtung geneigt. Der Zylinder
20 verläuft an der Außenfläche der Spindel 24 parallel
zu dieser. Die beiden Enden des Zylinders 20 sind jeweils
in bzw. auf den Lagern 21 und 22 drehbar gelagert. Die
Mittelachse B des Zylinders 20 ist gegenüber der Mittel
achse A der Spindel 24 um einen Abstand e außermittig
versetzt.
Eine im Lager 21 ausgebildete Ansaugbohrung 36 mündet in
das rechte Ende des Zylinders 20, d.h. in das ansaug
seitige Ende. Das andere Ende der Ansaugbohrung 36
kommuniziert mit der Ansaugleitung 38 über die Kammer,
in welcher der Elektromotorteil 12 im Gehäuse 10 unter
gebracht ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Aus
laßbohrung 40 im auslaßseitigen Endabschnitt des Zylinders
20 ausgebildet, wobei der Innenraum des Zylinders 20
über die Auslaßbohrung 40 und das Innere des Gehäuses 10
mit einer Auslaßleitung 46 in Verbindung steht.
Ebenso wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform,
kann bei der eben beschriebenen zweiten Ausführungsform
der Verdichter das Gas wirksam bzw. mit hohem Wirkungsgrad
verdichten, wobei ein örtlicher Verschleiß des Flügel
stegs vermieden wird.
Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschrie
benen speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern
verschiedenen Abwandlungen und Änderungen zugänglich.
Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Strömungsmittel
verdichter nicht auf die Verwendung in einem Kühlmittel
kreislauf beschränkt, sondern auch für andere Geräte ein
setzbar. Außerdem ist der Verdichter auch nicht auf die
Art beschränkt, bei welcher der Elektromotorteil und
der Verdichtungsteil im geschlossenen Gehäuse angeordnet
sind; vielmehr ist die Erfindung auch auf einen sogenannten
offenen Verdichter anwendbar, bei welchem Rohrleitungen
unmittelbar mit einer Ansaugbohrung bzw. einer Liefer
oder Auslaßbohrung verbunden sind.
Claims (12)
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 oder wendelförmige Nut (30) eingestochen ist,
einen in diese Nut verschiebbar eingesetzten oder ein gepaßten, schrauben- bzw. wendelförmigen Flügelsteg (blade) (32), dessen Außenumfangsfläche in inniger Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders steht und der einen Raum zwischen der Zylinder-Innen umfangsfläche und der Drehkörper-Mantelfläche in mehrere Arbeits-Kammern (34) unterteilt, und
eine Antriebseinheit zum Drehen des Zylinders und des Drehkörpers relativ zueinander zwecks Einführung eines Strömungsmittels vom ansaugseitigen Ende des Zylinders aus in diesen und zum Fördern dieses Strömungsmittels zum auslaßseitigen Ende des Zylinders durch die mehreren Arbeits-Kammern hindurch, dadurch gekennzeichnet,
daß die schraubenförmige Nut (30) eine Steigung (pitches) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom ansaug seitigen Ende des Zylinders (20) allmählich oder fort laufend kleiner wird, und die Nut so ausgebildet ist,
daß ihre sich von ihrer Sohle zu ihrer Öffnung er streckende Tiefenrichtung unter einem vorbestimmten Winkel in bezug auf eine senkrecht zur Achse des Drehkörpers (24) liegende Richtung zum auslaßseitigen Ende des Zylinders hin schräggestellt oder geneigt ist,
der schraubenförmige Flügelsteg (32) so in die Nut eingesetzt oder eingepaßt ist, daß er in Tiefenrichtung (der Nut) verschiebbar ist, und
die Arbeitskammern (34) sich mit zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders (20) aus all mählich oder fortlaufend verkleinernde Aufnahmever mögen oder Volumina aufweisen.
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 oder wendelförmige Nut (30) eingestochen ist,
einen in diese Nut verschiebbar eingesetzten oder ein gepaßten, schrauben- bzw. wendelförmigen Flügelsteg (blade) (32), dessen Außenumfangsfläche in inniger Berührung mit der Innenumfangsfläche des Zylinders steht und der einen Raum zwischen der Zylinder-Innen umfangsfläche und der Drehkörper-Mantelfläche in mehrere Arbeits-Kammern (34) unterteilt, und
eine Antriebseinheit zum Drehen des Zylinders und des Drehkörpers relativ zueinander zwecks Einführung eines Strömungsmittels vom ansaugseitigen Ende des Zylinders aus in diesen und zum Fördern dieses Strömungsmittels zum auslaßseitigen Ende des Zylinders durch die mehreren Arbeits-Kammern hindurch, dadurch gekennzeichnet,
daß die schraubenförmige Nut (30) eine Steigung (pitches) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom ansaug seitigen Ende des Zylinders (20) allmählich oder fort laufend kleiner wird, und die Nut so ausgebildet ist,
daß ihre sich von ihrer Sohle zu ihrer Öffnung er streckende Tiefenrichtung unter einem vorbestimmten Winkel in bezug auf eine senkrecht zur Achse des Drehkörpers (24) liegende Richtung zum auslaßseitigen Ende des Zylinders hin schräggestellt oder geneigt ist,
der schraubenförmige Flügelsteg (32) so in die Nut eingesetzt oder eingepaßt ist, daß er in Tiefenrichtung (der Nut) verschiebbar ist, und
die Arbeitskammern (34) sich mit zunehmendem Abstand vom ansaugseitigen Ende des Zylinders (20) aus all mählich oder fortlaufend verkleinernde Aufnahmever mögen oder Volumina aufweisen.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Neigungswinkel des Flügelstegs (32) so festgelegt
ist, daß ein durch eine Druckdifferenz oder einen Wirk
druck zwischen zwei benachbarten Arbeits-Kammern (34)
hervorgerufenes und auf den Flügelsteg einwirkendes
Kräftepaar (couple of forces) ein Kräftepaar ausgleicht
oder aufhebt, das durch eine bei der Relativdrehung
zwischen dem Drehkörper (24) und dem Zylinder (20)
auf den Flügelsteg einwirkende Zentrifugal- bzw.
Fliehkraft hervorgerufen wird.
3. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebseinheit einen Elektromotorteil (12) zum
Drehen des Zylinders (20) und eine Übertragungseinrich
tung zum Übertragen einer Dreh(antriebs)kraft des
Zylinders auf den Drehkörper (24) und zum Drehen des
letzteren verblockt oder synchron mit dem Zylinder auf
weist.
4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Elektromotorteil (12) einen an der Außenumfangs
fläche des Zylinders (20) befestigten Rotor (18) und
einen an der Außenseite des Rotors angeordneten Stator
(16) umfaßt.
5. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungseinrichtung eine in der Mantelfläche
des Drehkörpers (24) ausgebildete Eingreif-Nut (26)
und einen von der Innenfläche des Zylinders (20) ab
stehenden, in die Eingreif-Nut eingeführten und in
Radialrichtung des Zylinders verschiebbaren Vorsprung
(Stift) (28) umfaßt.
6. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebseinheit eine koaxial am Drehkörper (24)
befestigte Dreh-Welle (48) und einen Elektromotorteil
(12) zum Drehen der Welle aufweist.
7. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein erstes Lager (21) zur drehbaren Lagerung des an
saugseitigen Endes des Zylinders (20) und ein zweites
Lager (22) zum drehbaren Lagern des auslaßseitigen
Endes des Zylinders vorgesehen sind und daß der Dreh
körper (24) zwei Endabschnitte aufweist, die jeweils
durch erstes bzw. zweites Lager drehbar gelagert sind.
8. Verdichter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein
geschlossenes Gehäuse (19 bzw. 10) zur Aufnahme des
Zylinders (20), des ersten und des zweiten Lagers (21,
22) sowie der Antriebseinheit, eine Ansaugbohrung (36),
die am einen Ende mit dem Inneren des ansaugseitigen
Endes des Zylinders und am anderen Ende mit der Außen
seite des geschlossenen Gehäuses kommuniziert, und eine
Austrag- oder Auslaßbohrung (40), deren eines Ende
mit dem Inneren des auslaßseitigen Endes des Zylinders
und deren anderes Ende mit dem Inneren des geschlossenen
Gehäuses kommuniziert.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auslaßbohrung (40) im zweiten Lager (22) ausgebildet
ist.
10. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auslaßbohrung (40) im Zylinder (20) ausgebildet ist.
11. Verdichter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine
Druckentlastungseinrichtung zum Ablassen des Strömungs
mittels in den Arbeits-Kammern (34), wenn der Strömungs
mitteldruck in den Arbeits-Kammern eine vorbestimmte
Größe übersteigt.
12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Druckentlastungseinrichtung eine im Drehkörper
(24) ausgebildete und mit einer der Arbeits-Kammern (34)
kommunizierende Druckentlastungs-Strecke oder -Leitung
(42), eine im ersten oder im zweiten Lager (21 bzw. 22)
ausgebildete Auslaßstrecke oder -leitung (43), deren
eines Ende mit der Druckentlastungs-Leitung kommuni
ziert, während ihr anderes Ende zur Außenseite hin
offen ist, und ein das andere Ende der Auslaßleitung
verschließendes Ventil (44), das öffnet, wenn der
Strömungsmitteldruck in der einen Arbeits-Kammer die
vorbestimmte Größe erreicht, umfaßt.
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D2 | Grant after examination | ||
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