DE3879887T2

DE3879887T2 - SPIRAL MACHINE.

Info

Publication number: DE3879887T2
Application number: DE8888310678T
Authority: DE
Inventors: James William Bush
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1987-11-23
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2008-11-12
Also published as: ES2034944T1; EP0318189A2; IN170806B; KR890008478A; AU611970B2; EP0318189B1; JPH0656081B2; MX169843B; KR970001456B1; JPH01163401A; ES2034944T3; DE3879887D1; BR8806152A; EP0318189A3; AU2574388A; CN1034413A; CN1012200B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spiralmaschinen und insbesondere eine Spiralhüllenkonfiguration, die den Lärm und den Abrieb der Spiralhülle während des Betriebs der Maschine reduziert.The present invention relates to scroll machines and, more particularly, to a scroll sleeve configuration that reduces noise and abrasion of the scroll sleeve during operation of the machine.

Spiralmaschinen umfassen im allgemeinen zusammenpassende erste und zweite Spiralelemente mit jeweils einer Endplatte, auf der eine nach oben stehende Spiralhülle vorgesehen ist, die mit der Hülle des anderen Spiralelements verschachtelt ist, wobei die Hüllen im wesentlichen miteinander im Linienkontakt in Eingriff kommen, wodurch sie sich bewegende Taschen variierender Größe bilden, wenn veranlaßt wird, daß sich ein Spiralelement relativ zu dem anderen dreht. Die Maschine kann eine Pumpe, ein Kompressor oder ein Expander sein.Scroll machines generally comprise mating first and second scroll members each having an end plate on which is provided an upstanding scroll sleeve which is interleaved with the sleeve of the other scroll member, the sleeves engaging each other substantially in line contact thereby forming moving pockets of varying size when one scroll member is caused to rotate relative to the other. The machine may be a pump, compressor or expander.

Man hat festgestellt, daß einige Spiralmaschinen während des Betriebs unerwünschte Geräusche erzeugen. Bei dem Versuch, das Geräusch zu identifizieren, hat man herausgefunden, daß spanabhebende Formgebungskräfte während der Herstellung bewirken können, daß das äußere freie Ende einer der oder beider Spiralhüllen leicht radial nach außen abgebogen wird. Nach der spanabhebenden Formgebung springt das freie Ende in seine Ausgangsposition zurück und zeigt somit einen etwas verlagerten Vorsprung, der ein unerwünschtes Ineinandergreifen der jeweiligen Spiralhüllen während der relativen Umlaufbewegung bewirken kann. Wenn die Spiralhüllen andererseits in eine feste Oberfläche ohne ein freies Ende an der Hülle spanabhebend eingearbeitet werden, so kann es eher zu einer Werkzeugabweichung als zu einer Hüllenabweichung kommen, was aber im Endeffekt das gleiche Ergebnis hat. Dieser Eingriffskontakt kann nicht nur zu einem Schlaggeräusch führen, sondern kann auch zu dem Abrieb der Spiralanordnung beitragen, und beaufschlagt die Kurbelwelle möglicherweise mit zusätzlichen Belastungen. Selbst wenn an dem Hüllenende keine Verbiegung vorliegt, wird angenommen, daß dies ein relativ geräuschreicher Bereich in der Maschine ist. Geräusche können auch als Folge der plötzlichen dynamischen Zustandsänderung an dem Punkt auftreten, an dem die inneren Enden der Spiralhüllen zuerst mit der Abgabeöffnung und/oder getrennt voneinander während des Betriebs in Verbindung treten.It has been found that some spiral machines produce undesirable noise during operation. In an attempt to identify the noise, it has been discovered that machining forces during manufacture may cause the outer free end of one or both of the spiral sleeves to deflect slightly radially outward. After machining, the free end springs back to its original position, thus presenting a slightly displaced projection which may cause undesirable meshing of the respective spiral sleeves during relative orbital motion. On the other hand, if the spiral sleeves are machined into a solid surface without a free end on the sleeve, tool deflection may occur rather than sleeve deflection, but the end result is the same. This meshing contact may not only cause a striking noise, but may also cause the wear of the scroll assembly and potentially imposes additional stresses on the crankshaft. Even if there is no deflection at the sleeve end, this is considered to be a relatively noisy area in the machine. Noise can also occur as a result of the sudden dynamic change of state at the point where the inner ends of the scroll sleeves first contact the discharge port and/or separately from each other during operation.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, eine Spiralmaschine vorzusehen, die die oben genannten Geräusch- und Abriebprobleme auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise löst, ohne daß daraus irgendein größerer Verlust an Leistungsfähigkeit entsteht.The main object of the present invention is therefore to provide a spiral machine which solves the above-mentioned noise and abrasion problems in a simple and cost-effective manner without resulting in any major loss of performance.

In der EP-A-0 049 495 wird eine Spiralmaschine offenbart, die die Merkmale des Gattungsbegriffs des Anspruchs 1 umfaßt. Bei dieser bereits bekannten Maschine werden gegenseitig passende Hüllen verwendet, deren wirksame Flächen vergrößert sind, wodurch ein dickerer Abschnitt der Hülle nahe dem Mittelpunkt davon vorgesehen ist, um so eine verbesserte Abdichtung in dem Hochdruckbereich der Maschine vorzusehen. Dies erfüllt nicht die Hauptaufgabe der in Anspruch 1 definierten vorliegenden Erfindung, bei der nicht die Hüllen dicker ausgelegt werden, sondern die wirksamen Flächen, vorzugsweise die Evolventenflächen, an dem äußeren Ende mit Aussparungen versehen sind, um dadurch den Lärm- und Abriebfaktor an diesem Punkt zu reduzieren, wobei eine gleichmäßig ansteigende Rampenfläche die Verbindung der mit Aussparungen versehenen Fläche mit der vollständig ineinanderpassenden Fläche liefert, so daß der Abrieb und die Geräusche während der Benutzung auf einem Minimum gehalten werden. Bei der bevorzugten Konstruktion wie sie in Anspruch 9 und/oder 12 definiert ist, ist nahe dem inneren Ende der Hülle eine weitere mit Aussparungen versehene Fläche vorgesehen, wobei die sich verjüngenden Rampenflächen, die die Verbindung mit den mit Aussparungen versehenen Flächen liefert, den Übergang von Belasten zum Entlasten der Hüllenenden während der Benutzung der Maschine ruhig gestalten und somit den Lärm reduzieren.In EP-A-0 049 495 a spiral machine is disclosed which comprises the features of the preamble of claim 1. In this previously known machine mating sleeves are used, the effective areas of which are increased, thereby providing a thicker portion of the sleeve near the centre thereof so as to provide improved sealing in the high pressure region of the machine. This does not fulfil the main object of the present invention as defined in claim 1, which is not to make the sleeves thicker, but to recess the effective surfaces, preferably the involute surfaces, at the outer end, thereby reducing the noise and abrasion factor at that point, a smoothly rising ramp surface providing the connection of the recessed surface to the fully mating surface so that abrasion and noise are kept to a minimum during use. In the preferred construction as shown as defined in claim 9 and/or 12, a further recessed surface is provided near the inner end of the shell, the tapered ramp surfaces providing the connection to the recessed surfaces making the transition from loading to unloading of the shell ends smooth during use of the machine and thus reducing noise.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Further advantages and features of the present invention will be explained in the following description with reference to the attached drawings. They show:

Fig. 1 eine bruchstückartige, vertikale Schnittansicht der Spiralanordnung eines hermetischen Spiralkompressors als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,Fig. 1 is a fragmentary vertical sectional view of the scroll assembly of a hermetic scroll compressor as an embodiment of the present invention,

Fig. 2 eine gedrehte Schnittansicht, im allgemeinen entlang der Linie 2-2 nach Fig. 1, und,Fig. 2 is a rotated sectional view taken generally along line 2-2 of Fig. 1, and,

Fig. 3 und 4 vergrößerte bruchstückartige Abschnitte von Fig. 2, in denen die äußeren Enden der funktionalen Abschnitte der Hüllen in einer überzogenen Form dargestellt sind.Figures 3 and 4 are enlarged fragmentary sections of Figure 2 showing the outer ends of the functional portions of the sheaths in a coated form.

Die Grundsätze der vorliegenden Erfindung können zwar auf viele verschiedene Arten von Spiralmaschinen angewendet werden, aber die folgende Erörterung bezieht sich auf eine hermetische Spiralmaschine, die ein Paar von gegenseitig passenden Spiralblättern gleicher Form (Evolventen eines Kreises) umfaßt, wobei sich eine nicht dreht und die andere von einer Kurbelwelle orbital angetrieben wird. Diese Maschine findet speziell Anwendung bei der Kompression von Kühlmitteln für Klimaanlagen und bei der Kühlung. Eine Maschine der vorliegenden Art ist in der anhängenden Anmeldung des Rechtsnachfolgers durch Abtretung offenbart, die die laufende Eingangsnummer 899,003 trägt, am 22. August 1986 eingereicht worden ist und den Titel "Scroll-Type Machine" ('Spiralmaschine') hat, wobei auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug genommen wird.While the principles of the present invention may be applied to many different types of scroll machines, the following discussion relates to a hermetic scroll machine comprising a pair of mating scroll blades of the same shape (involutes of a circle), one of which does not rotate and the other is orbitally driven by a crankshaft. This machine finds especially used in the compression of refrigerants for air conditioning and refrigeration. A machine of the present type is disclosed in the assignee's copending application bearing serial number 899,003, filed August 22, 1986, and entitled "Scroll-Type Machine," the disclosure of which is incorporated herein by reference.

Ein Ausführungsbeispiel eines Spiralkompressors 10 nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Spiralanordnung 12 zur Kompression von Gasen, einen (nicht dargestellten) Motor, eine vertikal angeordnete Kurbelwelle mit einem Kurbelzapfen 14 an ihrem einen Ende zum antriebsmäßigen Verbinden der Spiralanordnung mit dem Motor über eine Antriebsbuchse 15, einen Kompressorkörper 16 und ein Gehäuse 18, das alle die oben genannten Elemente umschließt. Die Spiralanordnung 12 umfaßt ein umlaufendes Spiralelement 20, das eine Spiralendplatte 22 und eine Spiralhülle 24 mit einem gewünschten Flankenprofil aufweist (z.B. eine Evolvente eines Kreises), das davon nach oben absteht, sowie ein nicht umlaufendes Spiralelement 26, das eine Spiralendplatte 28 und eine Spiralhülle 30 eines ähnlichen, davon nach oben abstehenden Flankenprofils umfaßt, wobei der Kompressorkörper 16 die umlaufende Endplatte 22 über die normale Druckseite 31 abstützt. Die Spiralanordnung umfaßt in der nicht umlaufenden Endplatte 28 auch eine zentrale Abgabeöffnung 32, eine ähnlich geformte Fluidtransferaussparung 33 in der umlaufenden Spiralendplatte 22 und eine Ansaugeinlaßöffnungszone 34.An embodiment of a scroll compressor 10 according to the present invention comprises a scroll assembly 12 for compressing gases, a motor (not shown), a vertically arranged crankshaft with a crank pin 14 at one end for drivingly connecting the scroll assembly to the motor via a drive sleeve 15, a compressor body 16 and a housing 18 enclosing all of the above elements. The scroll assembly 12 includes an orbiting scroll element 20 having a scroll end plate 22 and a scroll sleeve 24 of a desired flank profile (e.g., an involute of a circle) extending upwardly therefrom, and a non-orbiting scroll element 26 having a scroll end plate 28 and a scroll sleeve 30 of a similar flank profile extending upwardly therefrom, with the compressor body 16 supporting the orbiting end plate 22 via the normal pressure side 31. The scroll assembly also includes a central discharge port 32 in the non-orbiting end plate 28, a similarly shaped fluid transfer recess 33 in the orbiting scroll end plate 22, and a suction inlet port zone 34.

Die effektiven Enden der Hüllen 24 und 30 befinden sich jeweils auf diametral entgegengesetzten Achsen "x" und "y", wobei das Ende der Hülle 24 bei 36 und das Ende der Hülle 30 bei 38 angegeben ist (diese Hülle wird nach außen und umfangsseitig fortgesetzt, um einen Ansaugkanal zu bilden, aber dieser fortgesetzte Abschnitt wirkt nicht als eine Hülle, da er nie mit der umlaufenden Hülle in Eingriff kommt). Das innere Ende der nicht umlaufenden Hülle 30 ist mit 40 und das innere Ende der umlaufenden Hülle 24 mit 42 bezeichnet.The effective ends of the sheaths 24 and 30 are located on diametrically opposite axes "x" and "y" respectively, with the end of the sheath 24 indicated at 36 and the end of the sheath 30 indicated at 38 (this sheath is extended outwardly and circumferentially continued to form an intake passage, but this continued portion does not act as a shroud since it never engages the orbiting shroud). The inner end of the non-orbiting shroud 30 is designated 40 and the inner end of the orbiting shroud 24 is designated 42.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat man entdeckt, daß die gewünschten Vorteile erhalten werden können, wenn die Außenfläche jeder Hülle in dem Bereich mit Aussparungen versehen ist, an dem sie sonst mit dem äußeren Ende c der anderen Hülle in Eingriff kommen würde. Wie dargestellt ist, ist ein Abschnitt der radial nach außen gerichteten Oberfläche der kreisenden Hülle 24 nahe ihrem radialen äußeren Ende 36 weggeschnitten oder ausgespart, um eine abgeänderte versetzte Oberfläche 50, die bei Punkt "A" an dem freien Ende der Hülle beginnt und sich um etwa 180º bis 190º bis zu einem Punkt "B" (direkt nach der Achse "y") erstreckt, und dann eine Rampenfläche 52 zu bilden, die mit einer konstanten Steigung radial nach außen von Punkt "B" bis zu einem Punkt "C" (um etwa 20º) konisch spitz zuläuft, woraufhin die Hüllenoberfläche wieder ihre normale Evolventenform annimmt. Die gestrichelte Linie "D" (Fig. 4) stellt die äußere Flankenfläche der umlaufenden Hülle 24 ohne die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte Aussparung dar.In accordance with the present invention, it has been discovered that the desired advantages can be obtained if the outer surface of each shell is recessed in the area where it would otherwise engage the outer end c of the other shell. As shown, a portion of the radially outwardly facing surface of the orbiting shell 24 is cut or recessed near its radially outer end 36 to form a modified offset surface 50 which begins at point "A" at the free end of the shell and extends approximately 180º to 190º to a point "B" (just after the "y" axis) and then a ramp surface 52 which tapers at a constant slope radially outward from point "B" to a point "C" (approximately 20º), whereupon the shell surface returns to its normal involute shape. The dashed line "D" (Fig. 4) represents the outer flank surface of the circumferential shell 24 without the recess made according to the present invention.

In ähnlicher Weise hat die nicht umlaufende Hülle 30 eine abgeänderte versetzte Oberfläche 60, die sich mit etwa 8º bis 9º zwischen den Punkten "E" und "F" erstreckt, sowie eine Rampenfläche 62, die sich mit einer konstanten Steigung radial nach außen um etwa 20º bis 21º ausgehend von Punkt "F" bis zu Punkt "G" verjüngt, wobei der letztere den Punkt darstellt, an dem die Hülle 30 wieder bei ihrer normalen Form und Dicke angelangt ist. Die gestrichelte Linie "H" (Fig. 3) stellt die äußere Evolventenflanke der nicht umlaufenden Hülle 30 dar, bei der die Aussparung nach der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen ist.Similarly, the non-orbiting shell 30 has a modified offset surface 60 extending at about 8º to 9º between points "E" and "F" and a ramp surface 62 tapering radially outward at a constant slope by about 20º to 21º from point "F" to point "G", the latter representing the point at which the shell 30 returns to its normal shape and thickness. The dashed line "H" (Fig. 3) represents the outer involute flank of the non-circumferential shell 30, in which the recess according to the present invention is not provided.

Die abgeänderten Oberflächen 50 und 60 werden auf einfache Art und Weise ausgebildet, indem man die Schneidvorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung der Hülle leicht radial nach innen versetzt (z.B. um 0,04 mm bei einer Spirale, die eine umlaufende Hülle mit etwa 85 mm an Gesamtaußenseitendurchmesser aufweist), um eine versetzte Oberfläche zu erzeugen, die parallel zu der normalen Evolventenfläche ist. Die Leckage ist minimal, da das Versetzen sehr gering ist, und da dies ein Bereich mit einem relativ niedrigen Druck in der Maschine ist.The modified surfaces 50 and 60 are formed simply by offsetting the cutter for machining the shell slightly radially inward (e.g. by 0.04 mm for a spiral having a circumferential shell of about 85 mm in total outside diameter) to produce an offset surface that is parallel to the normal involute surface. Leakage is minimal because the offset is very small and because this is an area of relatively low pressure in the machine.

Man hat herausgefunden, daß weitere Vorteile dadurch erzielt werden können, daß man die Hüllen auch nahe deren inneren Enden mit Aussparungen versieht. Somit ist ein Abschnitt der radial nach innen gerichteten Flankenfläche der umlaufenden Hülle 24 nahe seinem radial inneren freien Ende 42 weggeschnitten oder ausgespart, um die Hüllendicke zu reduzieren. Der entfernte Abschnitt bildet eine abgeänderte Oberfläche 64, die sich mit einer konstanten Steigung radial nach außen ausgehend von einem Punkt "J" bis zu einem Punkt "K" verjüngt. In ähnlicher Weise ist ein Abschnitt an der radial nach innen gerichteten Flankenfläche der nicht umlaufenden Hülle 30 nahe ihrem radial inneren freien Ende 40 weggeschnitten, um die Dicke der Hülle zu reduzieren, wobei der entfernte Abschnitt eine abgewandelte Fläche 66 bildet, die sich mit einer konstanten Steigung radial nach außen ausgehend von einem Punkt "L" bis zu einem Punkt "M" verjüngt. Die Punkte "J" und "L" befinden sich an einem Punkt, der sich auf den Hüllenflankenflächen etwas radial nach außen von dem Punkt des normalen Abstands der Hüllen befindet, vorzugsweise an dem Punkt, bei dem die Abgabeöffnung 32 und die Aussparung 33 geöffnet sind. Der Aufbau der Abgabeöffnung 32 (und der entsprechenden Aussparung 33) ist in Einzelheiten in der Anmeldung des Rechtsnachfolgers durch Überschreibung mit dem Titel 'Scroll Machine Center Port' ("Spiralmaschinenzentrumsöffnung"), die am gleichen Tag im Namen von Gary J. Anderson eingereicht worden ist, offenbart, wobei hier auf diese Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Punkte "K" und "M" befinden sich etwas radial nach innen von dem normalen Abstandspunkt der Hüllen, wenn sie korrekte Evolventenflankenflächen hatten. Die sich ergebenden Rampen, die in sehr übertriebener Form dargestellt sind, gestalten den Übergang vom Belasten zu Entlasten der Hüllenenden ruhig. Das Auslaufen stellt in dem geneigten Bereich kein Problem dar, da die Abgabeöffnung bereits geöffnet ist.It has been found that further advantages can be achieved by also providing recesses in the shells near their inner ends. Thus, a portion of the radially inward flank surface of the orbiting shell 24 near its radially inner free end 42 is cut away or recessed to reduce the shell thickness, the removed portion forming a modified surface 64 which tapers radially outward at a constant pitch from a point "J" to a point "K". Similarly, a portion of the radially inward flank surface of the non-orbiting shell 30 near its radially inner free end 40 is cut away to reduce the shell thickness, the removed portion forming a modified surface 66 which tapers radially outward at a constant pitch from a point "L" to a point "M". Points "J" and "L" are located at a point on the shell flank surfaces slightly radially outward from the point of normal shell spacing, preferably at the point where the discharge opening 32 and recess 33 are open. The structure of discharge port 32 (and corresponding recess 33) is disclosed in detail in the assignee's application by transfer entitled 'Scroll Machine Center Port' filed on the same day in the name of Gary J. Anderson, which disclosure is incorporated herein by reference. Points "K" and "M" are located slightly radially inward from the normal spacing point of the shells if they had proper involute flank surfaces. The resulting ramps, shown in a highly exaggerated form, make the transition from loading to unloading of the shell ends smooth. Runout is not a problem in the sloped region because the discharge port is already open.

Man hat herausgefunden, daß ein Abändern der Flankenflächen in der beschriebenen Art und Weise zu einer Verringerung des Lärms und des Abriebs führt, und man glaubt, daß dadurch der Herstellungsprozeß weniger genau und/oder schneller und somit weniger kostenaufwendig sein wird.It has been found that modifying the flank surfaces in the manner described will result in a reduction in noise and wear and it is believed that this will make the manufacturing process less accurate and/or faster and therefore less costly.

Claims

1. A scroll machine comprising first and second scroll members (20,26), each of said scroll members including an end plate (22,28) having an outwardly projecting scroll sleeve (24,30) thereon, each of said sleeves having effective flank surfaces and radially inner tip end portions (42,40), and outer (34) and central (32) openings for receiving and discharging fluid, said sleeves (24,30) overlapping one another so that the effective flank surfaces of said sleeves engage one another at a plurality of spaced locations, thereby forming a plurality of chambers therebetween such that when one of said scroll members (20) is caused to orbit with respect to the other of said scroll members (26), said chambers are caused to move between said openings whereby fluid received in one of said chambers through one of said openings is discharged through the other of said openings, said machine further comprising: a first recessed provided surface (50,60) in the outer flank surface of one of the shells (24,30), the recessed surface extending circumferentially inwardly along said flank surface from a point (A,E) located circumferentially outside the outer end (Y,X) of the flank surface on the other of the shells, which, apart from the recessed surface, will be an effective flank surface up to a point (B,F) located circumferentially inwardly towards the outer end (Y,X), and a ramp surface (52,62) extending radially outwardly between the point (B,F) at the circumferentially inner end of the recessed surface and the adjacent effective flank surface (at C,G) on the shell (24,30), characterized in that the inner end point (B,F) to which the recessed surface (50,60) extends is located near the outer end (Y,X), and that the ramp surface (52,62) is a tapered ramp surface which extends radially outward at a constant slope.

2. Machine according to claim 1, in which the effective flank surfaces have complementary profiles, the recessed surface (50, 60) being offset radially inwards and parallel to the profile (D, H).

3. Machine according to claim 2, wherein the profile is the involute of a geometric shape.

4. A machine according to claim 3, wherein said shape is a circle.

5. Machine according to claim 2, 3 or 4, in which the effective flank surfaces have identical profiles.

6. Machine according to one of the preceding claims, in which both covers (24, 30) have the surface provided with recesses (50, 60).

7. Machine according to claim 6, in which one (60) of the recessed surfaces has an angular extent of 8º to 9º and the other (50) has an angular extent of 180º to 190º.

8. A machine according to any preceding claim, wherein the or each ramp (52,62) has an angular extent of about 20º to 21º.

9. A machine according to any preceding claim, wherein a second recessed surface (64, 66) is provided on the or each shell (24, 30), the second recessed surface (64, 66) being located on the inner flank surface of the shell near the inner tip end (42, 40) thereof at the point (K, M) of the theoretical tip spacing for the effective flank profile of the shell.

10. A machine according to claim 9, wherein the second recessed surface has a portion extending radially outwardly from the shell surface.

11. A machine according to claim 10, wherein the surface portion extends radially outward at a constant slope.

12. A machine according to any one of claims 1 to 8, wherein a second recessed surface (64,66) is provided on the or each sleeve (24,30), the second recessed surface being located on the inner flank surface of the sleeve near the inner tip end (42,40) thereof at the point (J,L) at which the outer surface thereof is first subjected to the pressure of a fluid in the central opening (32) during operation of the machine.

13. A machine according to any one of claims 9 to 11, wherein the second recessed surface (64,66) extends from approximately the point (K,M) of theoretical peak pitch for the effective flank profile of the shell to the junction point (J,L) at which the outer surface thereof is first subjected to the pressure of the fluid in the central opening (32) during operation of the machine.