DE4116747A1 - Fluegelzellenverdichter mit verbesserter auslassventilanordnung - Google Patents

Fluegelzellenverdichter mit verbesserter auslassventilanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Flügelzellenverdichter der bei­ spielsweise zum Verdichten von Kältemittelgas in einer für Kraftfahrzeuge vorgesehenen Klimaanlage mit einem Zylinder, der einen Kurvenring mit offenen Stirnseiten, zwei Seitenteilen, die die offenen Stirnseiten des Kurvenrings verschließen, einem Rotor mit mehreren radialen Flügelschlitzen, in die Flügel gleitend eingesetzt sind, aufweist und dessen Verdichtungs­ kammern von dem Kurvenring, den Seitenteilen, dem Rotor und zwei einander benachbarten Flügeln begrenzt sind.
Ein herkömmlicher Flügelzellenverdichter ist bekannt, z. B. aus der US-PS 48 61 235. Dieser Flügelzellenverdichter umfaßt einen Zylinder, der einen Kurvenring, dessen innere Umfangsober­ fläche einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt hat, ein vorderes Seitenteil und ein hinteres Seitenteil, die die offe­ nen Stirnseiten des Kurvenrings verschließen, einen zylindri­ schen, drehbar im Zylinder aufgenommenen Rotor und Flügel, die gleitend in radiale Flügelschlitze im Rotor eingesetzt sind, aufweist.
In dem bekannten Flügelzellenverdichter wird Kältemittelgas, das von einer Ansaugkammer durch ein Paar Einlaßkanäle im vorderen Seitenteil in Verdichtungskammern, die jeweils von zwei benach­ barten Flügeln begrenzt werden, angesaugt. Das Kältemittelgas in der Verdichtungskammer wird verdichtet, wenn deren Volumen abnimmt. Der Auslaßdruck des in der Verdichtungskammer verdich­ teten Kältemittelgases öffnet ein Auslaßventil, das an einem Auslaßkanal, der sich in der Umfangswand des Kurvenrings befin­ det, angeordnet ist. Das in der Verdichtungskammer verdichtete Kältemittelgas strömt durch den Auslaßkanal und Verbindungs­ leitungen in die Auslaßdruckkammer und anschließend in einen Kühlkreislauf einer Klimaanlage.
Um Größe und Gewicht des Flügelzellenverdichters zu verringern, wird vorzugsweise ein Kurvenring mit geringer Wandstärke ver­ wendet. Um jedoch ausreichende Festigkeit des Kurvenrings zu gewährleisten, muß die Wandstärke ausreichend groß sein.
Insbesondere im Bereich des Auslaßkanals wird der Kurvenring mit dem maximalen Druck, d. h. dem Auslaßdruck, beaufschlagt. Daher muß dieser Bereich des Kurvenrings hohe Festigkeit und die Wandstärke eine bestimmte Dicke aufweisen. Überdies ist ein Auslaßventil und eine Auslaßventilabdeckung in diesem Bereich an dem Kurvenring befestigt. Auch aus diesem Grund muß dieser Bereich des Kurvenrings ausreichende Festigkeit und eine große Wandstärke haben.
Da dieser Bereich des Kurvenrings große Wandstärke hat, hat der Auslaßkanal ein großes Volumen, das einen großen Totraum beim Ausströmen des Kältemittelgases aus der Verdichtungskammer darstellt. Der Totraum ist das Volumen, in dem Kältemittelgas nach dem Verdichten und Ausströmen zurückbleibt. Das nicht ausgeströmte, verdichtete und warme Kältemittelgas strömt in die folgende Verdichtungskammer zurück, in der sich Kältemittel­ gas aus der Ansaugkammer mit vergleichsweise niedrigem Druck befindet. Das zurückgeströmte und dabei entspannte warme Kälte­ mittelgas muß zusammen mit dem Kältemittelgas aus der Ansaug­ kammer erneut verdichtet werden. Der Verdichter hat eine große Verlustleistung, die Temperatur des aus dem Auslaßkanal aus­ strömenden Kältemittelgases ist erhöht. Bei kleinen Flügel­ zellenverdichtern sind die Auswirkungen besonders groß.
Daneben werden beim beschriebenen Flügelzellenverdichter die Flügelenden aufgrund der Zentrifugalkraft gegen die innere Umfangsoberfläche des Kurvenrings gedrückt. Dadurch können die Flügelenden beschädigt werden, wenn sie über die offenen inneren Enden der Auslaßkanäle gleiten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Flügelzellenverdichter mit einer verbesserten Auslaßventilanordnung zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Flügel­ zellenverdichter, der zumindest einen Auslaßkanal in mindestens einem der beiden Seitenteile, mindestens ein Auslaßventil zum Öffnen und Schließen des mindestens einen Auslaßkanals und mehrere, die Ausströmung unterstützende Rinnen an der äußeren Umfangsoberfläch des Rotors aufweist, die sich entlang jeweils eines Flügelschlitzes erstrecken und die so angeordnet sind, daß ihr eines Ende in den mindestens einen Auslaßkanal mündet unmittelbar bevor der in Drehrichtung des Rotors hintere, von zwei benachbarten, eine Verdichtungkammer begrenzenden, Flügeln am tiefsten in seinen Flügelschlitz eingeschoben ist.
Vorteil der Erfindung ist, daß die Wandstärke des Kurvenrings kleiner gewählt werden, da in dem Kurvenring keinerlei Strömungskanäle vorgesehen sind und die Auslaßventile nicht an ihm befestigt sind. Weiterhin sind die Außlaßkanäle im Seitenteil kurz und damit ist der leistungsmindernd wirkende Totraum klein. Da sich in der inneren Umfangsoberfläche des Kurvenrings keine Öffnungen befinden, wird eine Beschädigung der gegen diese Umfangsoberfläche gedrückten Flügelenden vermieden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich jede der die Ausströmung unterstützenden Rinnen entlang einer in Drehrichtung des Rotors vorne befindlichen Längskante des jeweiligen Flügelschlitzes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Flügelzellenverdichter zusätzlich mindestens eine zweite, die Ausströmung unterstützende Rinne an der inneren Umfangsober­ fläche des Kurvenrings auf, die in den mindestens einen Auslaßkanal mündet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung darge­ stellt:
Fig. 1 ist ein Längsschnitt in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen entlang der Längsachse des Flügel­ zellenverdichters;
Fig. 2 ist ein Querschnitt des Flügelzellenverdichters ent­ lang Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist die Ansicht des hinteren Seitenteils des Flügel­ zellenverdichters aus Fig. 1 bei abgenommener Ab­ deckung;
Fig. 4 ist ein Teilschnitt des hinteren Seitenteils entlang der Linie IV-IV in Fig. 3; und
Fig. 5 ist eine Explosionsdarstellung eines Rotors (A), eines Kurvenrings (B) und eines hinteren Seitenteils (C).
Der in Fig. 1 gezeigte Flügelzellenverdichter besteht im wesent­ lichen aus einem Zylinder, der einen Kurvenring 1, dessen innere Umfangsoberfläche 1a einen im wesentlichen elliptischem Quer­ schnitt hat, ein vorderes Seitenteil 3 und ein hinteres Seiten­ teil 3, die die offenen Stirnseiten des Kurvenrings 1 ver­ schließen, einen zvlindrischen Rotor 2, der drehbar im Zylinder aufgenommen ist, eine vordere Abdeckung 5 und eine hintere Abdeckung 6, die auf den äußeren Stirnseiten des vorderen bzw. hinteren Seitenteils 3, 4 befestigt sind und eine Antriebswelle 7, auf der der Rotor 2 befestigt ist, aufweist. Die Antriebs­ welle 7 ist drehbar in Lagern 8, 9 im vorderen und hinteren Seitenteil 3, 4 gelagert.
An der Oberseite der vorderen Abdeckung 5 ist eine Ansaugöffnung 5a angeordnet, durch die Kältemittelgas als thermisches Medium vom Flügelzellenverdichter angesaugt wird. An der Oberseite der hinteren Abdeckung 6 befindet sich eine Auslaßöffnung 6a, durch die Kältemittelgas ausströmt. Die Ansaugöffnung 5a ist mit einer Ansaugkammer 11, die die vordere Abdeckung 5 und das vordere Seitenteil 3 bilden, verbunden. Die Auslaßöffnung 6a ist mit einer Auslaßdruckkammer 10, die die hintere Abdec­ kung 6 und das hintere Seitenteil 4 bilden, verbunden.
Im vorderen Seitenteil 3 des Flügelzellenverdichters befinden sich an einander diametral gegenüberliegenden Stellen Einlaß­ kanäle 15 (da Fig. 1 ein Längsschnitt in zwei senkrecht zu­ einander stehenden Ebenen entlang der Längsachse des Flügel­ zellenverdichters ist, zeigt Fig. 1 nur einen Einlaßkanal 15). Diese Einlaßkanäle 15 gehen in Längsrichtung des Flügelzellen­ verdichters durch das vordere Seitenteil 3 hindurch. Durch die Einlaßkanäle 15 sind die Ansaugkammer 11 und die Verdichtungs­ räume 12 miteinander verbunden.
Wie in Fig. 2 zu sehen, sind am Außenumfang des Rotors 2 fünf axiale Flügelschlitze 13 1-13 5 mit gleichen Abständen in Um­ fangsrichtung angeordnet. In jeden Flügelschlitz 13 1-13 5 ist ein Flügel 14 1-14 5 gleitend eingesetzt.
Zwei Verdichtungsräume 12 befinden sich einander diametral gegenüberliegend zwischen der inneren Umfangsoberfläche 1a des Kurvenrings 1, der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors 2, einer dem Kurvenring 1 zugewandten Stirnfläche des vorderen Seiten­ teils 3 und einer dem Kurvenring 1 zugewandten Stirnseite des hinteren Seitenteils 4. Verdichtungskammern werden innerhalb der Verdichtungsräume 12 durch zwei der Flügel 14 1-14 5 be­ grenzt, die einander benachbart sind.
Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, befinden sich zwei Vertiefungen 4a, 4b zum Anbringen von Außlaßventilen 17 1, 17 2 einander dia­ metral gegenüberliegend in einer, der hinteren Abdeckung 6 zugewandten Stirnseite des hinteren Seitenteils 4. Außerdem sind im hinteren Seitenteil 4 Auslaßkanäle 16 1, 16 2 und Durch­ gangslöcher 4a′, 4b′ angebracht, die in die jeweilige Vertiefung 4a, 4b münden. Die Auslaßventile 17 1, 17 2 und Ventilstopper 17 1a, 17 2a sind am Boden der jeweiligen Vertiefung 4a, 4b mit Schrauben 18 1, 18 2 befestigt, die durch die Durchgangslöcher 4a′, 4b′ hindurch in Gewindebohrungen 21a, 21b im Kurvenring 1 (vgl. Fig. 5) geschraubt sind.
Die Außlaßventile 17 1, 17 2 öffnen sich aufgrund des Auslaß­ drucks, der in den Verdichtungskammern herrscht und öffnen dabei die Auslaßkanäle 16 1, 16 2, wobei verdichtetes Kältemittel­ gas aus den Verdichtungskammern durch die Auslaßkanäle 16 1, 16 2 in die Auslaßdruckkammer 10 und von dort durch die Auslaß­ öffnung 6a in einen nicht dargestellten Kühlkreislauf strömt.
Wie in Fig. 5 gezeigt, befinden sich in der äußeren Umfangs­ oberfläche des Rotors 2 die Ausströmung unterstützende Rinnen 20 1-20 5, deren Indizes mit den Indizes der Flügelschlitze 13 1-13 5 übereinstimmen. Jede dieser die Ausströmung unter­ stützenden Rinnen 20 1-20 5 hat die Form einer Stufe, die durch Abtrennen eines Stücks aus der Umfangsoberfläche des Rotors 2 an der in Drehrichtung des Rotors 2 vorderen Kante des jeweili­ gen Flügelschlitzes 13 1-13 5 entsteht. Die Rinnen 20 1-20 5 verlaufen in Längsrichtung des Rotors 2 entlang des jeweiligen Flügelschlitzes 13 1-13 5 von einem Punkt im in Längsrichtung mittleren Bereich der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors 2 bis zu der dem hinteren Seitenteil 4 zugewandten Stirnfläche 20a des Rotors 2, so daß jeweils ein Ende der die Ausströmung unterstützenden Rinnen 20 1-20 5 an der Stirnfläche 20a des Rotors 2 offen ist.
An der inneren Umfangsoberfläche 1a des Kurvenrings 1 befinden sich einander diametral gegenüberliegend zwei weitere die Aus­ strömung unterstützende Rinnen 19 1, 19 2, wie in Fig. 5 (B) gezeigt. Jede dieser kurvenseitigen, die Ausströmung unter­ stützenden Rinnen 19 1, 19 2 erstreckt sich axial von einem Punkt im mittleren Bereich der inneren Umfangsoberfläche 1a des Kur­ venrings 1 bis zu der dem hinteren Seitenteil 4 zugewandten Stirnseite 1b des Kurvenrings 1, so daß ein Ende dieser Rinnen 19 1, 19 2 an dieser Stirnseite 1b des Kurvenrings 1 offen ist.
Zwei Gewindebohrungen 21a, 21b sind an einander diametral gegen­ überliegenden Stellen im Kurvenring 1 an dessen dem hinteren Seitenteil 4 zugewandten Stirnseite 1b angebracht.
Wie in Fig. 2 dargestellt, befinden sich die kurvenringseitigen, die Ausströmung unterstützenden Rinnen 19 1, 19 2 an in Umfangs­ richtung mit den Auslaßkanälen 16 1, 16 2 im hinteren Seiten­ teil 4 übereinstimmenden Stellen, so daß das offene Ende jeder Rinne 19 1, 19 2 in den zugehörigen Auslaßkanal 16 1, 16 2 mündet. Bei einer bestimmten Winkelstellung des Rotors 2 steht eine der rotorseitigen, die Ausströmung unterstützenden Rinnen 20 2-20 5 einer der kurvenringseitigen, die Ausströmung unter­ stützenden Rinnen 19 1, 19 2 gegenüber. Bei dieser Rotorstellung, wenn eine rotorseitige, die Ausströmung unterstützende Rinne 20 1-20 5 einer kurvenringseitigen, die Ausströmung unter­ stützenden Rinne 19 1, 19 2 gegenübersteht, mündet die rotorsei­ tige, die Ausströmung unterstützende Rinne 20 1-20 5 ebenfalls in den entsprechenden Auslaßkanal 16 1, 16 2.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des oben beschriebenen Flügel­ zellenverdichters erläutert:
Wird die Antriebswelle 7 und damit der Rotor 2 des Flügelzellen­ verdichters von einem Motor eines Kraftfahrzeugs, in dem eine Klimaanlage eingebaut ist, in der durch den Pfeil in Fig. 2 angegebenen Richtung angetrieben, bewegen sich die Flügel 14 1-14 5 in den Flügelschlitzen 13 1-13 5 radial nach außen aufgrund der Zentrifugalkraft und einer Druckkraft des ver­ dichteten Kältemittelgases, das als Leckgasstrom zwischen den Seitenteilen 3, 4 und dem Rotor 2 hindurchströmt und auf die inneren Stirnseiten der Flügel 14 1-14 5 wirkt, wodurch der äußere Rand jedes Flügels 14 1-14 5 gegen die innere Umfangs­ oberfläche 1a des Kurvenrings 1 gedrückt wird.
Nimmt bei der Drehung des Rotors 2 das Volumen einer Verdich­ tungskammer während eines Ansaugtaktes zu, wird Kältemittelgas durch die Ansaugöffnung 5a, die Ansaugkammer 11 und einen Ein­ laßkanal 15 in die Verdichtungskammer angesaugt.
Durch die Volumenabnahme der Verdichtungskammer während des auf den Ansaugtakt folgenden Verdichtungstaktes wird das in der Verdichtungskammer eingeschlossene Kältemittelgas verdich­ tet. Am Ende des Verdichtungstaktes, wenn sich einer der beiden, die Verdichtungskammer begrenzenden Flügel 14 einem der beiden Aulaßkanäle 16 im hinteren Seitenteil 4 nähert, öffnet das verdichtete Kältemittelgas aufgrund des in der Verdichtungs­ kammer herrschenden Auslaßdrucks das Auslaßventil 17 und öffnet dadurch auch den Auslaßkanal 16. Das Kältemittelgas strömt aus. Unmittelbar vor dem Ende des Auslaßtaktes, d. h. unmittelbar bevor der hintere zweier, eine Verdichtungskammer begrenzenden Flügel 14 am tiefsten in seinen Flügelschlitz 13 eingeschoben ist, mündet das offene Ende der rotorseitigen, die Ausströmung unterstützende Rinne 20 1-20 5 dieser Verdichtungskammer in den jeweiligen Auslaßkanal 16 und gewährleistet dadurch eine gleichmäßige und stoßfreie Ausströmung des verdichteten Kälte­ mittelgases aus der Verdichtungskammer. Die Ausströmung von Kältemittelgas aus der Verdichtungskammer während des Auslaß­ taktes wird durch die kurvenringseitigen, die Ausströmung unter­ stützenden Rinnen 19 1, 19 2 weiter verbessert.
Da sich die Auslaßkanäle 16 1, 16 2 nicht in der Umfangswand des Kurvenrings 1, sondern im hinteren Seitenteil 4 an den Stellen befinden, die durch die Vertiefungen 4a, 4b geringe Wandstärke aufweisen, sind die Auslaßkanäle 16 1, 16 2 wesentlich kürzer und der Totraum ist sehr klein, wodurch eine gute Verdichtung und Ausströmung des Kältemittelgases erreicht wird. Der Totraum ist das Volumen, in dem verdichtetes Kältemittelgas am Ende des Verdichtungstaktes verbleibt und in die folgende Verdich­ tungskammer zurückströmt.
Desweiteren wird eine Beschädigung der äußeren Ränder der Flügel 14 1-14 5 vermieden, da die Auslaßkanäle 16 1, 16 2 nicht in der Umfangswand des Kurvenrings 1, sondern im hinteren Seitenteil vorgesehen sind, und daher die äußeren Ränder der Flügel 14 1-14 5, die gegen die inner Umfangsoberfläche 1a des Kurven­ rings 1 gedrückt werden, nicht über die inneren offenen Enden der Auslaßkanäle 16 1, 16 2 gleiten, wie es bei herkömmlichen Flügelzellenverdichtern der Fall ist.
Anstatt sowohl rotorseitige, die Ausströmung unterstützende Rinnen 20 1-20 5 an der Umfangsoberfläche des Rotors 2 als auch kurvenringseitige, die Ausströmung unterstützende Rinnen 19 1, 19 2 an der inneren Umfangsoberfläche des Kurvenrings 1 vorzusehen, können auch lediglich die rotorseitigen, die Aus­ strömung unterstützenden Rinnen 20 1-20 5 an der Umfangsober­ fläche des Rotors 2 vorgesehen sein, wodurch ebenfalls eine gleichmäßige und stoßfreie Ausströmung des verdichteten Kälte­ mittelgases aus der Verdichtungskammer gewährleistet ist.
Rotorseitige, die Ausströmung unterstützende Rinnen 20 1, 20 5 und/oder kurvenringseitige, die Ausströmung unterstützende Rinnen 19 1, 19 2 können ebenso an der dem vorderen Seitenteil 3 zugewandten Stirnseite des Rotors 2 bzw. des Kurvenrings 1 vorgesehen sein.
Der Einsatz des beschriebenen Flügelzellenverdichters ist selbstverständlich nicht auf Kältemittelgase beschränkt, er ist zum Verdichten beliebiger Gase geeignet.

Claims (6)

1. Flügelzellenverdichter mit einem Zylinder, der einen Kur­ venring mit offenen Stirnseiten, zwei Seitenteile, die die offenen Stirnseiten des Kurvenrings verschließen, einen drehbar in dem Zylinder aufgenommen Rotor mit einer äußeren Umfangsoberfläche und mehreren radialen Flügel­ schlitzen und mehrere gleitend in jeweils einem der Flügel­ schlitze gehaltene Flügel aufweist, wobei Ansaugen, Ver­ dichten und Ausströmen eines Kältemittelgases durch Volu­ menänderung einer Verdichtungskammer bewirkt werden, die von dem Kurvenring, den Seitenteilen, dem Rotor und zwei benachbarten Flügeln begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens ein Auslaßkanal (16 1, 16 2) in minde­ stens einem der beiden Seitenteile (3, 4) befindet, daß mindestens ein Auslaßventil (17 1-17 2) zum Öffnen und Schließen des mindestens einen Auslaßkanals (16 1, 16 2) angeordnet ist und, daß sich mehrere die Ausströmung unterstützende Rinnen (20 1-20 5) an der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors (2) befinden, die entlang jeweils eines der Flügelschlitze verlaufen und die so angeordnet sind, daß ihr eines Ende in den Auslaßkanal (16 1, 16 2) mündet unmittelbar bevor der hintere von zwei benachbarten Flügeln (14 1-14 5) am tiefsten in seinen Flügelschlitz (13 1-13 5) versenkt ist.
2. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der die Ausströmung unterstützenden Rinnen (20 1-20 5) entlang einer in Drehrichtung des Rotors (2) vorne befindliche Längskante jeweils eines Flügel­ schlitzes (13 1-13 5) verläuft.
3. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede der die Ausströmung unter­ stützenden Rinnen (20 1-20 5) in Längsrichtung des Rotors (2) entlang des jeweiligen Flügelschlitzes (13 1-13 5) erstreckt von einem Punkt im in Längsrichtung mittleren Bereich der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors (2) bis zu einer Stirnseite des Rotors (2), die einem der beiden Seitenteile (3, 4) zugewandt ist, so daß ein Ende jeder der die Ausströmung unterstützenden Rinnen (20 1-20 5) an dieser Stirnseite des Rotors (2) offen ist.
4. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausströmung unterstützenden Rinnen (20 1-20 5) als Aussparungen an der Längskante des jeweiligen Flügelschlitzes (13 1-13 5) ausgebildet sind.
5. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flügelzellenverdichter mindestens eine zweite, die Ausströmung unterstützende Rinne (19 1, 19 2) an der inneren Umfangsoberfläche des Kurvenrings (1) auf­ weist, die in den mindestens einen Auslaßkanal (16 1, 16 2) mündet.
6. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine zweite, die Ausströmung unterstützende Rinne (19 1, 19 2) in Längsrichtung des Kurvenrings (1) verläuft von einem Punkt im mittleren Bereich der inneren Umfangsoberfläche (1a) des Kurvenrings (1) bis zu einer Stirnseite des Kurvenrings (1), die einem der beiden Seitenteile (3, 4) zugewandt ist, so daß ein Ende der mindestens einen zweiten, die Ausströmung unterstützenden Rinne (19 1, 19 2) an dieser Stirnseite des Kurvenrings (1) offen ist.
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