DE4036251A1 - Fluegelzellenpumpe, insbesondere fluegelzellenkompressor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Flügelzellenpumpe, insbesondere einem Flügelzellenkompressor für eine Fahrzeug- Klimaanlage, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten einflutigen Flügelzellenkompressor der eingangs genannten Art (DE 37 40 419 A1) sind die Flügel in dem im Stator exzentrisch gelagerten Rotor radial verschieblich gehalten. Die Hubfläche zur Führung der Flügel ist am hohlzylindrischen Mittelteil des Stators ausgebildet, dessen beide Stirnseiten von je einem Stirndeckel abgedeckt sind. Die Andruckvorrichtung zum Anlegen der Flügel an die Nubfläche weist zwei zur Achse des hohlzylindrischen Mittelteils koaxial angeordnete Ringbahnen auf, die in Seitenscheiben angeordnet sind, die ihrerseits jeweils in Ausnehmungen in den das hohlzylindrische Mittelteil abschließenden Begrenzungswänden der Stirndeckel drehbar gelagert sind. Jeder Flügel trägt nahe seines im Rotor liegenden Flügelendes zwei über jeweils eine der radialen Seitenkanten des Flügels axial vorstehende Gleitstifte, die in jeweils eine Ringbahn hineinragen. Bei umlaufendem Rotor und damit rotierenden Flügeln bewegen sich die Gleitstifte zwangsgeführt innerhalb der Ringbahnen und halten so die äußeren Flügelenden in Anlage an der Hubfläche im Stator. Diese Andruckvorrichtung ist jedoch nur für einflutige Kompressoren mit exzentrisch gelagertem Rotor geeignet.

Bei einem bekannten zweiflutigen Flügelzellenkompressor der eingangs genannten Art (DE 38 40 764) wird die Anlage der im Rotor gehaltenen Flügel an der im Stator ausgebildeten Hubfläche durch hydraulischen Druck an der im Rotor befindlichen Unterseite der Flügel sichergestellt. Hierzu sind am Grunde von Flügelführungsschlitzen im Rotor von den unteren Flügelenden begrenzte Druckkammern ausgebildet, die mit Kältemittel gefüllt sind, dessen Druck kleiner als der Kompressionsdruck, aber größer als der Ansaugdruck ist. Bei solchen Flügelzellenkompressoren läßt sich ein Abheben der Flügel bei totalem Druckausgleich und bei der Drehzahl Null nicht sicher vermeiden. Außerdem kann es in Einzelfällen zum verzögerten Austreten der Flügel aus den Führungsschlitzen kommen, wodurch diese mit erhöhter Geschwindigkeit auf die Hubfläche auftreffen, in welcher dann durch die höhere Belastung mit der Zeit sog. Rattermarken entstehen, die zur Zerstörung der Hubfläche und zum Ausfall des Kompressors führen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe, insbesondere Flügelzellenkompressor, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei mehrflutigen Flügelzellenpumpen bzw. Flügelzellenkompressor eine konstruktiv einfache mechanische Andruckvorrichtung ein Abheben der Flügelenden von der Hubfläche und einen damit verbundenen Leistungsverlust der Flügelzellenpumpe bzw. des Flügelzellenkompressors zuverlässig unterbindet. Die Gefahr des Flügelklemmens ist bei dieser mechanischen Andruckvorrichtung weit geringer als bei der bekannten hydraulischen, so daß ein wesentlich geringerer Verschleiß der Hubfläche auftritt. In einflutiger Ausführung hat der erfindungsgemäße Flügelzellenkompressor gegenüber dem eingangs beschriebenen bekannten Flügelzellenkompressor den Vorteil der einfacheren Konstruktion und Herstellung. Auf Kugellager gelagerte, mitdrehende Seitenscheiben entfallen.

Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe bzw. -kompressor kann in unterschiedlichen Bauarten sowohl ein- als auch mehrflutig ausgebildet werden. In einer ersten Bauart sind die Flügel im Rotor radial verschieblich angeordnet und die Hubfläche ist an der Innenwand des Stators ausgebildet. In der zweiten Bauart sind die Flügel im Stator radial verschieblich gehalten und die Hubfläche ist am Außenumfang des Rotors ausgebildet. Bei beiden Bauarten sind Rotor und Stator konzentrisch zueinander angeordnet.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Flügelzellenpumpe bzw. des Flügelzellenkompressors möglich.

Bei einer zweiflutigen Ausführung der Flügelzellenpumpe wird die Bewegungsbahn des Stützringmittelpunkts als Ellipse vorgegeben, wobei das Halbmesserverhältnis frei wählbar ist. Die Anzahl der Flügel bestimmt das Verhältnis der Kreisfrequenzen von Stützringmittelpunkt und Rotor.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung liegen zwei Stützringe jeweils entweder in einer koaxialen scheibenförmigen Ausnehmung in jeder Stirnseite des Rotors oder in koaxialen Ringnuten im Stator ein, deren Axialabstand voneinander kleiner ist als die Axiallänge der Flügel. Die beiden Ringnuten sind dabei vorteilhaft in den von Stirndeckeln abgedeckten Stirnseiten des Gehäusemittelteils angeordnet.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Flügelzellenkompressors für eine Fahrzeug-Klimaanlage gemäß Schnittlinie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt eines Flügelzellenkompressors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Berechnung der Querschnittskontur der Gehäusekammer im Flügelzellenverdichter in Fig. 1,

Fig. 6 ein der Berechnung gemäß Fig. 5 zugrundeliegendes Vektordiagramm,

Fig. 7 eine Nomenklatur für die in Fig. 5 und 6 verwendeten Vektoren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Querschnitt und in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellte zweiflutige Flügelzellenkompressor oder Flügelzellenverdichter als Beispiel für eine Flügelzellenpumpe hat ein Gehäuse 10, das im wesentlichen aus drei Teilen aufgebaut ist, nämlich einem linken Stirndeckel 11, einem rechten Stirndeckel 12 und einem von beiden Stirndeckeln 11, 12 abgedeckten Gehäusemittelteil 13. Die drei Gehäuseteile 11-13 sind durch hier nicht dargestellte Bolzen, die miteinander fluchtende Bohrungen 14, 15 in den Stirndeckeln 11, 12 und im Gehäusemittelteil 13 durchziehen, gasdicht miteinander verbunden. Der Gehäusemittelteil 13 begrenzt mit seiner als eine noch zu erläuternde Hubfläche wirkende Innenwand 17 und zusammen mit Begrenzungswänden 23, 24 an den linken und rechten Stirndeckel 11, 12 eine Gehäusekammer 18, in welcher ein zylindrischer Rotor 19 koaxial zum Gehäusemittelteil 13 angeordnet ist. Da die Innenwand bzw. Hubfläche 17 in Rotordrehrichtung (Pfeil 20) gesehen einen von einer Kreislinie abweichenden Verlauf aufweist, wobei der kleinste Durchmesser etwa dem Rotordurchmesser entspricht, werden zwischen der Mantelfläche 49 des Rotors 19 und der Hubfläche 17 am Gehäusemittelteil 13 zwei Arbeitsräume 21, 22 ausgebildet, deren radiale Breite in Rotordrehrichtung vom Arbeitsraumanfang zur Arbeitsraummitte hin zunimmt und von Arbeitsraummitte zum Arbeitsraumende hin wieder abnimmt. Die Länge des Rotors 19 ist so bemessen, daß er mit nur geringem Spiel an den seitlichen Begrenzungswänden 23, 24 der Stirndeckel 11, 12 vorbeidreht. Der Rotor 19 sitzt auf einer Rotorwelle 25, die im Ausführungsbeispiel einstückig mit diesem ist und in Lagern 26, 27 in den beiden Stirndeckeln 11,12 gelagert ist. Die Rotorwelle 25 wird beispielsweise von der Brennkraftmaschine oder einem Elektromotor angetrieben.

Der zylinderförmige Rotor 19 trägt insgesamt drei plattenförmige Flügel 28, die in parallel zur Rotorachse sich erstreckenden und radial bis zum Umfang des Rotors 19 reichenden Längsschlitzen 29 gleitend einliegen. Dabei sind die in etwa radial verlaufenden Achsen der Längsschlitze 29 um einen konstanten Betrag aus der Rotorachse querverschoben, so daß sie sich nicht in der Rotorachse schneiden, sondern ihre Schnittpunkte ein zur Rotorachse konzentrisches Dreieck bilden. Mit ihren aus dem Rotor 19 vorstehenden äußeren Flügelenden 28a liegen die Flügel 28 an der Hubfläche 17 im Gehäusemittelteil 13 an und teilen die Arbeitsräume 21, 22 in einzelne Zellen mit sich änderndem Volumen auf. Jeder der beiden Arbeitsräume 21, 22 hat mindestens eine Saug- oder Niederdruckzelle 30, 31 und eine Kompressions- oder Hochdruckzelle 32 bzw. 33. In Drehrichtung 20 des Rotors 19 am Anfang eines jeden Arbeitsraums 21,22 ist ein Fluideinlaß 34 bzw. 35 vorgesehen, der mit einem Kältemittelzulauf (Pfeil 36) im Gehäuse 10 verbunden ist. In Drehrichtung 20 des Rotors 19 gesehen am Ende eines jeden Arbeitsraums 21, 22 ist ein Fluidauslaß 37 bzw. 38 angeordnet. Jeder Fluidauslaß 37, 38 ist über ein Druckventil 39 bzw. 40 mit einem Druckkanal (Pfeil 41) verbunden.

Zum Andrücken der plattenförmigen Flügel 28 an die Hubfläche 17 ist eine Andruckvorrichtung 42 vorgesehen, die auf die im Rotor 19 liegenden inneren Flügelenden 28b einwirkt und auf die Flügel 28 eine Ausschiebekraft ausübt. Die Andruckvorrichtung 42 besteht dabei aus zwei Stützringen 43, 44, die jeweils in einer koaxialen, scheibenförmigen Ausnehmung 45, 46 an jeder Stirnseite des Rotors 19 frei einliegen. Jeder Stützring 43, 44 liegt dabei ohne elastische Verformung an den inneren Flügelenden 28b der Flügel 28 und drückt letztere mit ihren äußeren Flügelenden an die Hubfläche 17 an. Bei Drehung des Rotors 19 durchläuft der mit 47 bezeichnete Stützringmittelpunkt 47 eine Bewegungsbahn 48, die in Fig. 1 beispielhaft strichliniert dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Bewegungsbahn 48 des Stützringmittelpunkts 47 als Ellipse mit frei wählbarem Halbmesserverhältnis angenommen. Die in Drehrichtung 20 des Rotors 19 verlaufende Kontur der Hubfläche 17 ist aus der vorgegebenen Bewegungsbahn 48 des Stützringmittelpunkts 47 und der Geometrie von Rotor 19 und Flügel 28 unter Berücksichtigung der Bedingung des Anliegens der äußeren Flügelenden 28b an der Hubfläche 17 in jeder Rotordrehstellung durch einfache Arithmetik errechnet. Die Anzahl der Flügel 28 bestimmt das Verhältnis der Drehfrequenz des Stützringmittelpunkts 47 längs der Bewegungsbahn 48 zu der Rotordrehfrequenz. Bei drei Flügeln 28 beträgt dieses Verhältnis 3. Die Berechnung der Kontur der Hubfläche 17 ist in Fig. 5-7 dargestellt.

In Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines dreiflutigen Flügelzellenkompressors dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem zweiflutigen Flügelkompressor in Fig. 1 und 2 die radial gleitverschieblichen Flügel im Gehäuse angeordnet sind und die die Bewegung der Flügel vorgebende Hubfläche am Außenmantel des Rotors ausgebildet ist. Soweit Bauteile des nachfolgend beschriebenen Flügelzellenkompressors mit denen in Fig. 1 und 2 übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugszeichen versehen, die jedoch zur Unterscheidung um 100 erhöht sind.

Der Flügelzellenkompressor hat wiederum ein Gehäuse 110, das aus den drei Teilen, nämlich dem linken Stirndeckel 111, dem rechten Stirndeckel 112 und dem Gehäusemittelteil 113, zusammengesetzt ist. Der rechte Stirndeckel 112 ist dabei z. B. zweiteilig aus einer Seitenplatte 151 und einer die Seitenplatte 151 übergreifenden Kappe 152 ausgeführt. In der Kappe 152 sind von der Seitenplatte 151 begrenzte Kanäle ausgebildet, nämlich ein Druckkanal 153 und ein Zulaufkanal 154, die mit entsprechenden Anschlußstutzen am Gehäuse 110 in Verbindung stehen. Der Gehäusemittelteil 113 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist eine Innenwand 117 mit kreisförmiger Kontur auf. Die Innenwand 117 begrenzt zusammen mit den beiden Begrenzungswänden 123, 124 am linken Stirndeckel 111 und an der Seitenplatte 151 des rechten Stirndeckels 112 die Gehäusekammer 118, in welcher der Rotor 119 koaxial angeordnet ist. Der Rotor 119 weist am Rotormantel 149 drei von der Kreisform abweichende Abflachungen auf, so daß er einen dreieckähnlichen Querschnitt mit kreisförmig abgerundeten Ecken besitzt. In jeder abgerundeten Ecke ist einer von drei Fluidauslässen 134 in Form von Bohrungen eingebracht, die einerseits am Rotormantel 149 und andererseits im teilweise hohlen Innern des Rotors 119 mündet. Das Innere des Rotors 119 steht mit dem Zulaufkanal 154 in Verbindung.

Im Gehäusemittelteil 113 sind vier radial verlaufende Längsschlitze 129 um jeweils 90° gegeneinander drehversetzt angeordnet, in denen jeweils ein plattenförmiger Flügel 128 gleitend geführt ist. Die Flügel 128 liegen mit ihren aus dem Gehäusemittelteil 113 vorstehenden äußeren Flügelenden 128a an der von dem Rotormantel 149 gebildeten Führungsfläche an und werden an dieser wiederum von einer Andruckvorrichtung 142 in Anlage gehalten, die hier im Gehäusemittelteil 113 angeordnet ist. Die Andruckvorrichtung 142 ist identisch der Andruckvorrichtung 42 in Fig. 1 und 2 ausgebildet und weist zwei Stützringe 143 und 144 auf, die jeweils in einer zur Gehäuseachse koaxialen Ringnut 155, 156 im Gehäusemittelteil 113 einliegen. Die Ringnuten 155, 156 sind an den Stirnseiten des Gehäusemittelteils 113 in der Innenwand 117 eingestochen. Die in den Ringnuten 155, 156 frei angeordneten Stützringe 143,144 liegen ohne elastische Verformung an den von der Hubfläche 149 abgekehrten inneren Flügelenden 128b der Flügel 128 an. Die Hubfläche 149 am Rotor 119 ist in gleicher Weise wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben im Bereich der von der Kreisform abweichenden Abflachungen aus der vorgegebenen Bewegungsbahn des Mittelpunkts der Stützringe 143, 144 und der Geometrie von Gehäusemittelteil 113 und Flügel 128 unter Berücksichtigung des in jeder Rotordrehstellung gewährleisteten Anliegens der aus dem Gehäusemittelteil 113 vorstehenden Flügelenden 128a an der Hubfläche 149 errechnet.

In Drehrichtung 120 des Rotors 119 unmittelbar vor jedem Flügel 128 sind im Gehäusemittelteil 113 vier Fluidauslässe 137 vorgesehen, die über jeweils ein Druckventil 139 mit dem Druckkanal 153 verbunden sind. Durch die nicht rotationssymmetrische Form des Rotors 119 werden zwischen dem Rotormantel 149 und der Innenwand 117 des Gehäusemittels 113 drei Arbeitsräume 121 gebildet, die sich bei der Drehung des Rotors 119 in der Gehäusekammer 118 mitdrehen und durch die Flügel 128 in Niederdruckzellen und Hochdruckzellen unterteilt sind. Die Niederdruckzellen 130 bilden sich dabei jeweils zwischen einem Fluidauslaß 137 und einem in Drehrichtung 120 zurückversetzten Flügel 128 aus, während die Hochdruckzellen 132 sich jeweils zwischen einer abgerundeten Ecke des Rotormantels 149 und dem in Drehrichtung vorausstehenden Flügel 128 befinden.

Claims (6)

1. Flügelzellenpumpe, insbesondere Flügelzellenkompressor für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem Stator und einem Rotor, die zwischen sich mindestens einen Arbeitsraum mit sich verändernder radialer Abmessung einschließen, mit mehreren, in Radialrichtung verschiebbaren plattenförmigen Flügeln, die mit dem einen ersten Flügelende an einer den Arbeitsraum in Radialrichtung begrenzenden Hubfläche anliegen und diesen in mindestens eine Niederdruckzelle und mindestens eine Hochdruckzelle unterteilen, und mit einer auf das zum ersten Flügelende entgegengesetzte zweite Flügelende einwirkenden Andruckvorrichtung, die die Flügel in jeder Rotorstellung in Anlage an der Hubfläche hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckvorrichtung (42; 142) mindestens einen Stützring (43, 44; 143, 144) aufweist, der ohne elastische Verformung an allen zweiten Flügelenden (28b; 128b) der Flügel (28; 128) anliegt, und daß die in Rotordrehrichtung (20; 120) verlaufende Kontur der Hubfläche (17, 149) aus einer vorgegebenen Bewegungsbahn (48) des Stützringmittelpunkts (47) und der Geometrie von Rotor (19) bzw. Stator (113) und Flügel (28, 128) und unter Berücksichtigung der Bedingung des in jeder Rotordrehstellung gewährleisteten Anliegens der ersten Flügelenden (28a; 128a) an der Hubfläche (17; 149) errechnet ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbahn (48) des Stützringmittelpunktes (47) als Ellipse mit frei wählbarem Halbmesserverhältnis vorgegeben ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stützringe (43, 44; 143, 144) vorgesehen sind, die nahe den radial verlaufenden Seitenkanten der plattenförmigen Flügel (28; 128) freiliegend angeordnet sind.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubfläche (17) ein Stator (13) ausgebildet ist und die Flügel (28) in dem im Stator (13) koaxial angeordneten Rotor (19) radial verschieblich gehalten sind und daß die beiden Stützringe (43, 44) jeweils in einer koaxialen, scheibenförmigen Ausnehmung (45, 46) in jeder Stirnseite des Rotors (19) einliegen.

5. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubfläche (149) an dem im Stator (113) koaxial angeordneten Rotor (119) ausgebildet ist und die Flügel (128) im Stator (113) radial verschieblich gehalten sind und daß die beiden Stützringe (143, 144) in koaxialen Ringnuten (155, 156) im Stator (113) einliegen, deren Axialabstand voneinander kleiner ist als die Axiallänge der Flügel (128).

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein hohlzylindrisches Mittelteil (113) und zwei das Mittelteil (113) stirnseitig abdeckende Stirndeckel (111, 112) aufweist und daß die beiden Ringnuten (155,156) in der Innenwand (117) des Mittelteils (113) unmittelbar an dessen Stirnenden angeordnet sind.