DE4234055C2 - Spiralkompressor - Google Patents
SpiralkompressorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Spiralkompressor mit einer
Spiralelementanordnung, die zwei periodisch auf einer Umlaufbahn ohne gegenseitiges Verdrehen relativ
zueinander bewegbar Spiralelemente aufweist, und mit
einem Antriebsmotor, der mit der Spiralelementanordnung
eine geschlossene Einheit bildet.
Ein derartiger Spiralkompressor ist aus DE 38 38 382 A1
bekannt. Hierbei erfolgt der Antrieb durch eine Vielzahl
von expandierenden und kontrahierenden Betätigungsorganen,
beispielsweise durch piezoelektrische Motoren, die von einer
Speiseschaltung mit Wechselspannung versorgt werden.
Die Kontaktpunkte zwischen den Betätigungsorganen und dem
umlaufenden Spiralelement werden durch Ausdehnungs- und
Zusammenziehungsbewegungen der Betätigungsorgane fortlaufend
bewegt.
DE 41 30 393 A1 beschreibt einen Spiralkompressor mit
einer Spiralelementanordnung, die ein erstes festste
hendes und ein zweites relativ dazu bewegliches Spiral
element aufweist, das im Betrieb eine Umlaufbewegung
in Bezug zum ersten Spiralelement ausführt. Die
Spiralelemente stehen an bestimmten, sich im Verlauf
der Bewegung verschiebenden Punkte miteinander in Be
rührung und schließen damit Gastaschen ein, die sich im
Verlauf der Bewegung in Richtung eines Mittelpunkts der
Spiralelementanordnung bewegen und dabei ihr Volumen
verkleinern. Im Bereich des Mittelpunkts ist ein
Druckausgang vorgesehen, bei dem unter Druck stehendes
Gas aus der Spiralelementanordnung austreten kann.
Aus EP 0 133 891 A1 ist ein weiterer Spiralkompressor
bekannt, der zwei Spiralelementanordnungen aufweist.
Zwischen diesen beiden Spiralelementanordnungen ist ein
Elektromotor angeordnet. Durch diese Anordnung können
axiale Kräfte der beiden Spiralelementanordnungen aus
geglichen werden. Derartige Spiralkompressoren haben
jedoch den Nachteil, daß sie relativ viel Platz in An
spruch nehmen und im Verhältnis zu ihrer Leistung ein
hohes Gewicht aufweisen. Bei Standardmotoren ist außer
dem die Drehzahl und damit das Verdrängungsvermögen des
Kompressors begrenzt. Die vom Elektromotor als Wärme
abgegebene Verlustleistung kann zu einer Erwärmung des
zu komprimierenden Mediums führen, was in vielen Fällen
unerwünscht ist.
Ferner ist aus DE 33 32 292 A1 ein Spiralkompressor
bekannt, der über eine Riemenscheibe von einem Keilrie
men, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, angetrieben
wird. Kompressoren dieser Art erfordern eine kompli
zierte Lagerdurchführung der Welle von der Riemenschei
be zum beweglichen Spiralelement, die nur schwer abzu
dichten ist. Derartige Kompressoren werden vielfach in
Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen verwendet, bei denen
der Spiralkompressor das Kältemittel komprimieren
soll. Aufgrund der Dichtigkeitsprobleme treten hier in
der Regel Kältemittelverluste auf, die aus Umwelt
schutzgründen vermieden werden sollten. Außerdem ver
ursacht das Nachfüllen des Kältemittels unerwünschte
Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kom
pressor anzugeben, der einfach hergestellt werden kann
und bei einem großen Verdrängungsvolumen eine geringe
Größe und ein geringes Gewicht aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Spiralkompressor der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Antriebsmotor
als von einem unter Druck stehenden Fluid
angetriebener Zahnradmotor mit einem in einem innenverzahnten
Zahnring exzentrisch angeordneten Zahnrad, das weniger Zähne als der Zahnring aufweist ausgebildet
ist, wobei mindestens ein mit einem Spiralelement
verbundener Teil des Zahnradmotors im Betrieb die
Umlaufbewegung durchführt.
Hierdurch wird erreicht, daß der Kompressor in sich
geschlossen ist, also keine beweglichen Teile von außen
nach innen geführt werden müssen, die eine komplizierte
Abdichtung erfordern. Eine zusätzliche Wärmebelastung,
wie sie etwa durch einen Elektromotor auftreten würde,
wird beträchtlich vermindert. Das Fluid kann vielmehr
noch dazu verwendet werden, entstehende Wärme relativ
schnell und problemlos abzutransportieren. Es müssen
lediglich zwei Anschlußsätze bereitgestellt werden,
nämlich ein Anschlußsatz für die Zu- und Abfuhr des
unter Druck stehenden Antriebsfluids und ein Anschluß
satz zur Zu- und Abfuhr des zu komprimierenden Gases
bzw. eines zu komprimierenden Fluids. Ein derartiger
Kompressor kann vorteilhafterweise für Klimaanlagen in
Kraftfahrzeugen verwendet werden. Viele Kraftfahrzeuge
haben bereits eine hydraulische oder pneumatische An
lage, etwa zur Bremskraftverstärkung oder zur Lenk
kraftunterstützung, so daß das unter Druck stehende
Fluid in den meisten Fällen bereits zur Verfügung
steht. In der Regel wird zur Erzeugung der Relativbewe
gung ein Spiralelement bewegt, während das andere fest
steht. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit.
Es können auch beide bewegt werden. Zur Vereinfachung
der nachfolgenden Erläuterungen bezieht sich daher die
Eigenschaft "beweglich" eines Spiralelements auf ein
Koordinatensystem, in dem das andere Spiralelement
festgelegt ist. Dieses Koordinatensystem kann, muß aber
nicht, gehäusefest sein. Ein Zahnradmotor kann aus wenigen
Teilen aufgebaut sein. Verglichen mit der Leistung
anderer Motoren, etwa von Elektromotoren, läßt
sich seine Größe und sein Gewicht relativ klein halten.
Ein derartiger Zahnradmotor erlaubt gleichzeitig hohe
Drehzahlen, wodurch das gewünschte Fördervolumen des
Kompressors erreicht wird. Bei der Umlaufbewegung
werden die beiden Spiralelemente nicht gegeneinander
verdreht. Vielmehr beschreiben alle Puunkte des
beweglichen Spiralelements in einem Koordinatensystem,
das durch das andere Spiralelement festgelegt ist, periodisch
einen Umlauf. Dieser Umlauf ist in der Regel
kreisförmig ausgebildet. Dies ist jedoch für die vorliegende
Erfindung nicht Voraussetzung. Die Bewegungsbahnen
der Punkte des beweglichen Spiralelements können
vielmehr auch von der Kreisbahn abweichen, beispielsweise
eine Ellipsenform aufweisen oder einer Bahn folgen,
die durch eine einer Kreisbahn überlagerte periodisch
sich ändernde Funktion bestimmt ist. Die
Umlaufbewegung, die im einfachsten Fall durch einen
exzentrisch gelagerten Zapfen erzeugt wird, kann auf
einfache Art und Weise in die Bewegung umgesetzt werden,
die das bewegliche Spiralelement in Bezug zum
feststehenden Spiralelement durchführt. Hierdurch wird
erreicht, daß nur eine einzelne Kurbelverbindung zwischen
dem Motor und dem beweglichen Spiralelement vorhanden
sein muß. Die Lagerung von Motor und Spiralelementanordnung
kann vereinheitlicht werden. Die Lager
können leicht aufeinander abgestimmt und aneinander
angepaßt werden.
Vorteilhafterweise ist der Fluidmotor als Gerotormotor
ausgebildet, bei dem Zahnrad und Zahnring mit versetzt
zueinander angeordneten festen Mittelpunkten drehbar in
einem Gehäuse gelagert sind. Die Lage der Mittelpunkte
im Gehäuse ändert sich nicht. Die Antriebssteuerung des
Motors kann durch feste Kanäle im Gehäuse erfolgen, so
daß der Aufbau des Motors relativ einfach wird. Ein
Gerotormotor an sich ist aus DE 31 34 668 A1 bekannt.
Hierbei ist bevorzugt, daß das Zahnrad einen exzentrisch
angeordneten Zapfen aufweist, der mit dem beweglichen
Spiralelement in Wirkverbindung steht. Der exzentrische
Zapfen erzeugt die Umlaufbewegung. Es
muß nun lediglich dafür gesorgt werden, daß sich dieser
Zapfen in dem mitumlaufenden Spiralelement drehen
kann und das Spiralelement nur umläuft und sich nicht
dreht. Man kann hiermit eine Kurbel aus nur zwei Maschinenelementen
aufbauen, nämlich aus dem Zahnrad und
aus dem Spiralelement.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist der
Zahnring einen exzentrisch angeordneten Zapfen auf, der
mit dem beweglichen Spiralelement in Wirkverbindung
steht. In diesem Fall wird erreicht, daß radiale Kräfte
vom umlaufenden Spiralelement, die durch den Zapfen
auf den Zahnring überführt werden, vom äußeren Lager
des Zahnrings aufgenommen werden können. Dies ist das
Lager, mit dem der Zahnring im Gehäuse drehbar gelagert
ist. Dieses Lager kann relativ groß ausgebildet werden.
Es kann entsprechend auch relativ große Kräfte aufnehmen,
ohne daß die Lebensdauer des Kompressors deswegen
verkürzt wird.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung
ist der Fluidmotor als Orbitmotor ausgebildet, in dem
im Betrieb das Zahnrad in Bezug zum Zahnring eine
Umlaufbewegung ausführt und mit dem beweglichen Spiralelement
in Wirkverbindung steht. Zur Erzeugung der
Umlaufbewegung des Spiralelements kann nun direkt
die Umlaufbewegung des Zahnrades beziehungsweise
des Zahnrings verwendet werden. Weitere Teile,
wie exzentrisch angeordnete Zapfen, sind im Prinzip
nicht erforderlich. Die Umlaufbewegung eines
derartigen Orbitmotors muß sich nicht auf eine reine
Kreisbahn beschränken. Sie muß lediglich eine Umlaufbewegung
beinhalten, die an die Form der Spiralelemente
angepaßt ist. Ein Orbitmotor an sich ist aus
DE 32 49 829 C2 bekannt.
Bevorzugterweise sind zur Steuerung des Zahnradmotors in Umfangsrichtung
abwechselnd Pumpenkanäle und Tankkanäle
vorgesehen. Ferner sind Schlitze vorgesehen, die eine
Fluidverbindung in einen Bereich zwischen dem Zahnrad
und dem Zahnring haben, wobei die Schlitze bei der Relativbewegung
von Zahnrad und Zahnring abwechselnd in
Fluidverbindung mit den Pumpen- und den Tankkanälen
kommen. Die Pumpen- und die Tankkanäle stehen hierbei
in Verbindung mit dem Pumpen- bzw. dem Tankanschluß, so
daß die zwischen dem Zahnring und dem Zahnrad gebildeten
Drucktaschen, die über die Schlitze mit den Pumpenkanälen
verbunden sind, mit unter Druck stehendem Fluid
versorgt werden. Diese Drucktaschen vergrößern ihr Volumen.
Hierbei verkleinern sich auf der anderen Seite
Drucktaschen, die das hierbei herausgedrückte Fluid
über die Tankkanäle in den Tank ablassen können. Eine
derartige Schlitzsteuerung läßt sich relativ einfach
realisieren.
Dies ist besonders einfach, wenn die Schlitze in der
Grundplatte des beweglichen Spiralelements angeordnet
sind. Durch die Umlaufbewegung des beweglichen
Spiralelements läßt sich erreichen, daß zeitrichtig die
einzelnen Drucktaschen mit den Pumpenkanälen oder mit
den Tankkanälen in Verbindung gebracht werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei, daß der Zahnring in
einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Hierdurch ist es
möglich, das Zahnrad nur umlaufen zu lassen. Die Rotationsbewegung
wird vom Zahnring aufgenommen. Da für
das Lager des Zahnrings wesentlich mehr Platz zur Verfügung
steht als für ein Rotationslager auf einem Zapfen
zwischen dem Zahnrad und dem Spiralelement, läßt
sich das Lager größer dimensionieren. Es kann also größere
Kräfte aufnehmen, wodurch die Lebensdauer erhöht
wird.
Hierbei läßt sich das Spiralelement vorteilhafterweise
einstückig mit dem Zahnrad ausbilden. Dies vereinfacht
den Aufbau des Kompressors. Im Grunde genommen sind nur
noch vier Teile erforderlich, nämlich zwei Spiralelemente,
von denen eines das Zahnrad enthält, ein Zahnring
und das Gehäuse.
Bei dieser Ausgestaltung läßt sich die Schlitzsteuerung
einfach dadurch relalisieren, daß die Schlitze im Zahnring
jeweils zwischen zwei nach innen ragenden Zähnen
angeordnet sind. Wenn sich nun der Zahnring dreht, kommen
immer die entsprechenden Schlitze mit den Pumpenkanälen
bzw. den Tankkanälen in Verbindung. Da ein
Schlitz mehr als Pumpenkanäle bzw. Tankkanäle vorgesehen
ist, ergibt sich automatisch die richtige Verteilung
der Schlitze auf die Pumpen- bzw. die Tankkanäle.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der
Fluidmotor zwischen zwei Spiralelementanordnungen angeordnet.
Auf diese Weise können sich axiale Kräfte der
beiden Spiralelementanordnungen ausgleichen. Die entsprechenden
Lagerungen sind damit druckentlastet. Sie
müssen im wesentlichen nur noch radiale Kräfte aufnehmen.
Vorteilhafterweise sind die beweglichen Spiralelemente
beider Spiralelementanordnungen vom gleichen Maschinenteil
des Zahnradmotors angetrieben. Auch diese Ausgestaltung
vereinfacht den Aufbau des Kompressors.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die beiden beweglichen
Spiralelemente in Gegenphasen zueinander arbeiten.
Auf diese Weise können auch radiale Kräfte teilweise
ausgeglichen werden.
Bevorzugterweise ist eine Drehverhinderungseinrichtung
vorgesehen, die ein Verdrehen des Spiralelements gegen
über dem festen Spiralelement verhindert und die durch
mehrere in je einem Loch angeordnete Zapfen gebildet ist,
bei der die Löcher so groß sind, daß sie eine der Bewe
gung des beweglichen Spiralelements entsprechende Bewe
gung des Zapfens zulassen, wobei der Zapfen an einem
Spiralelement oder einem damit fest verbundenen Teil
und das Loch im anderen Spiralelement oder einem damit
fest verbundenen Teil angeordnet ist. Die Zapfen können
also in den Löchern orbitieren, und zwar entsprechend
der Bewegung des beweglichen Spiralelements. Bei dieser
Bewegung liegen sie an der Wand des Loches an. Da meh
rere Löcher-Zapfen-Kombinationen vorgesehen sind, ent
stehen hierdurch Hebel, die ein Gegenmoment aufbringen,
das die Rotation des beweglichen Spiralelements verhin
dert.
Mit Vorteil schwimmt mindestens das bewegliche Spiralelement
auf dem Fluid. Hierzu reicht es aus, daß zwischen
dem Spiralelement und benachbarten Teilen ein
dünner Film aus diesem Fluid gebildet ist. Das Fluid
ermöglicht dann eine annähernd reibungslose Bewegung
des Spiralelements. Die Antriebsleistung kann dann fast
vollständig zur Erzeugung des gewünschten Druckes verwendet
werden. Darüber hinaus kann das Fluid auch einen
Druck auf das Spiralelement ausüben, der zu einer verbesserten
Dichtigkeit der Spiralelementanordnung führt.
Mit Hilfe dieses Drucks können Gegendrücke, die beim
Komprimieren des Gases in der Spiralelementanordnung
entstehen, beispielsweise in Axialrichtung, kompensiert
werden.
Vorteilhafterweise weist das Fluid schmierende Eigenschaften
auf und schmiert die Spiralelementanordnung.
Zusätzliche Schmierstoffe müssen dann nicht zugeführt
werden. Die Reinhaltung des zu komprimierenden Gases,
beispielsweise eines Kältemittels, wird dadurch erheblich
vereinfacht. Der Kompressor kann eine lange
Lebensdauer haben.
Vorteilhafterweise ist der Zahnradmotor als Hydraulikmotor
ausgebildet. Hiermit lassen sich die notwendigen
Kräfte für den Antrieb der Spiralelementanordnung relativ
leicht aufbringen. Hydraulikmotoren können relativ
schnell laufen und damit entsprechend viele Pump- oder
Kompressionsperioden pro Zeiteinheit durchführen. Damit
werden die gewünschten großen Verdrängungsvolumina ermöglicht.
Mit Vorteil ist der Zahnradmotor durch eine flexible Wand von
der Spiralelementanordnung getrennt. Hierdurch läßt
sich verhindern, daß sich das Druckfluid, beispielsweise
Hydraulikflüssigkeit, mit dem zu komprimierenden
Fluid, beispielsweise einem Kältemittel, vermischt. Die
Flexibilität der Wand erlaubt hierbei eine Bewegung des
beweglichen Spiralelements, so daß trotz dieser Abdichtung
die Funktion des Spiralkompressors gewährleistet
bleibt.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die flexible Wand
balgartig ausgebildet ist und die Spiralelementanordnung
ringförmig umgibt, wobei sie Grundplatten der beiden
Spiralelemente miteinander verbindet. Hierdurch
werden die Beanspruchungen der Wand, die sich durch die
Bewegungen des beweglichen Spiralelements ergeben, relativ
klein gehalten.
Wenn die Wand in Umfangsrichtung steif genug ausgebildet
ist, kann sie sogar dazu dienen, das bewegliche
Spiralelement am Verdrehen zu hindern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen erläutert. Hierin zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführung eines Spiralkompres
sors mit einem Gerotormotor,
Fig. 2 einen Schnitt II-II nach Fig. 1,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Spiral
kompressors mit einem Gerotormotor,
Fig. 4 einen Schnitt IV-IV nach Fig. 3,
Fig. 5 einen Spiralkompressor mit einem Orbitmo
tor,
Fig. 6 einen Schnitt VI-VI nach Fig. 5,
Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung eines Spiralkom
pressors mit einem Orbitmotor,
Fig. 8 einen Schnitt VIII-VIII nach Fig. 7 und
Fig. 9 einen Spiralkompressor mit zwei Spiralele
mentanordnungen.
Ein Spiralkompressor 1 weist eine aus einem bewegli
chen Spiralelement 2 und einem in einem Gehäuse 16
feststehenden Spiralelement 3 bestehende Spiralelement
anordnung auf. Das Spiralelement 2 kann relativ zum
Spiralelement 3 orbitieren, also eine periodische Um
laufbewegung ausführen, ohne sich jedoch gegenüber dem
Spiralelement 3 zu drehen. Hierzu ist eine Drehverhin
derungseinrichtung im Gehäuse 16 vorgesehen, die drei
Löcher 21 im Gehäuse 16 und drei Zapfen 22 am bewegli
chen Spiralelement 2 umfaßt. In jedes Loch 21 ragt ein
Zapfen 22 hinein. Das Loch 21 ist so groß, daß der Zap
fen 22 darin eine der Bewegung des Spiralelements 2
entsprechende Umlaufbewegungen ausführen kann. Da
aber mindestens zwei Löcher 21 vorgesehen sind, kann
sich das Spiralelement 2 gegenüber dem Gehäuse nicht
verdrehen.
Das Spiralelement 2 wird durch einen Gerotormotor ange
trieben, der einen über ein Lager 7 im Gehäuse 16 dreh
bar gelagerten Zahnring 4 und ein auf einem Lagerzapfen
6 im Gehäuse 16 drehbar gelagertes Zahnrad 5 aufweist.
Zahnring 4 und Zahnrad 5 sind exzentrisch zueinander
angeordnet, d. h. die durch den Mittelpunkt des Lager
zapfens 6 gebildete Drehachse 18 des Zahnrads 5 stimmt
nicht mit der durch den Mittelpunkt des Lagers 7 gebil
deten Drehachse des Zahnringes 4 überein.
Zwischen dem Zahnring 4 und dem Zahnrad 5 sind in be
kannter Art und Weise Drucktaschen ausgebildet. Einige
Drucktaschen stehen mit einem Eingangsraum 8 in Verbin
dung, andere Drucktaschen mit einem Ausgangsraum 9. Dem
Eingangsraum 8 wird unter Druck stehendes Fluid von
einem Pumpenanschluß 10 zugeführt. Der Ausgangsraum 9
steht mit einem Tankanschluß 11 in Verbindung, so daß
Fluid, das bei einer Drehung von Zahnring 4 und Zahnrad
5 in den Drucktaschen vom Eingangsraum 8 in den Aus
gangsraum 9 transportiert wird, wieder zum Tank abflie
ßen kann. Zahnring 4 und Zahnrad 5 rotieren gemeinsam,
allerdings mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Auf dem Zahnrad 5 ist exzentrisch ein Exzenterzapfen 14
angeordnet, d. h. dessen Achse 19 beschreibt bei einer
Drehung des Zahnrades 5 eine Kreisbewegung um die Achse
18 des Zahnrades 5. Der Exzenterzapfen 14 ist mit Hilfe
eines Drehlagers 15 im Spiralelement 2 gelagert. Bei
einer Drehung des Zahnrades 5 wird daher die
Umlaufbewegung des Exzenterzapfens 14 auf das Spiral
element 2 übertragen, und das Spiralelement 2 läuft
im festen Spiralelement 3 um. Dabei bilden sich zwischen
dem beweglichen Spiralelement 2 und dem festen Spiral
element 3 Gastaschen, die sich zunehmend verkleinern,
so daß über einen Sauganschluß 12 angesaugtes Gas
schließlich an einem Druckanschluß 13 mit erhöhtem
Druck abgegeben werden kann. Zwischen Grundplatten 23,
24 der Spiralelemente 2, 3, von denen die Grundplatte
24 des festen Spiralelements 3 fest mit dem Gehäuse 16
verbunden ist, ist eine flexible Wand 25 in Form eines
Balgs angeordnet. Diese verhindert, daß sich Hydraulik
flüssigkeit und komprimiertes Gas mischen. Mit Hilfe
der Wand läßt sich, wenn sie in Umfangsrichtung steif
genug ist, die Rotation verhindern. Auf jeden Fall läßt
die Wand 25 die Umlaufbewegung des beweglichen
Spiralelements 2 zu.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausgestaltung ei
nes Spiralkompressors 1′ mit einem Gerotormotor.
Hierbei sind gleiche Teile mit gleichen und entspre
chende Teile gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die
Fluidsteuerung für den Gerotormotor ist aus Gründen der
Übersicht, nicht mehr gezeigt. Sie wird jedoch als be
kannt vorausgesetzt. Auch die flexible Wand 25 und die
Drehverhinderungseinrichtung 21, 22 sind in den folgen
den Figuren weggelassen. Sie können aber auch bei die
sen Ausgestaltungen verwendet werden.
Während in der Ausgestaltung nach den Fig. 1 und 2 der
Zahnring 4 exzentrisch im Gehäuse gelagert war, während
das Zahnrad 5 auf dem Lagerzapfen 6 zentrisch zum Ge
häuse, d. h. zentrisch zum festen Spiralelement 3 ange
ordnet war, ist in der Ausgestaltung nach den Fig. 3
und 4 das Zahnrad 5′ exzentrisch gelagert, während der
Zahnring 4′ im wesentlichen zentrisch im Gehäuse 16′
gelagert ist, d. h. seine Mittelachse 18′ hat einen vor
bestimmten Abstand von der Mittelachse 20′ des Zahnra
des, das auf einem entsprechend versetzten Lagerzapfen
6′ drehbar gelagert ist.
Diesmal trägt der Zahnring 4′ einen Exzenterzapfen 17,
der über ein Lager 15′ mit dem beweglichen Spiralele
ment 2 in Verbindung steht. Wenn sich nun der Zahnring
4′ unter der Wirkung des unter Druck stehenden Fluids
dreht, beschreibt der Exzenterzapfen 17 eine Umlaufbewegung
um die Achse 18′ des Zahnringes 4′, so
daß auch das bewegliche Spiralelement 2 eine entspre
chende Umlaufbewegung ausführt.
Um ein weiteres Lager einzusparen, wird gemäß einem
Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 anstelle des
Gerotormotors ein Orbitmotor verwendet. Hierbei sind
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und entspre
chende Teile mit um 100 erhöhten Bezugszeichen verse
hen.
Der Zahnring 104 ist nun stationär, d. h. er dreht sich
in Bezug zum festen Spiralelement 3 nicht mehr. Dafür
rotiert und kreist das Zahnrad 105 im Zahnring 104,
wie dies von einem Orbitmotor bekannt ist. Zu diesem
Zweck ist das Zahnrad 105 exzentrisch im Zahnring 104
gelagert. Das Zahnrad 105 hat einen Zahn weniger als
der Zahnring 104. Ein Antriebszapfen 114 ist mittig auf
dem Zahnrad 105 vorgesehen. Er steht über ein Lager 15
mit dem beweglichen Spiralelement 2 in Verbindung. Das
Lager 15 läßt eine Drehung zwischen dem Antriebszapfen
114 und dem beweglichen Spiralelement 2 zu. Wenn nun
das Zahnrad 105 im Zahnring 104 und damit im Gehäuse
116 kreist, wird diese Umlaufbewegung auf das
bewegliche Spiralelement 2 übertragen. Eine Drehung des
Spiralelements 2 wird durch nicht dargestellte Drehver
hinderungseinrichtungen (siehe oben) verhindert.
Zahnring 104 und Zahnrad 105 sind so aufeinander abge
stimmt, daß die Umlaufbewegung des Zahnrades 105
genau der gewünschten Umlaufbewegung des beweg
lichen Spiralelements 2 entspricht.
Im Gehäuse 116 ist ein Pumpenkanal 26 vorgesehen, der
mit dem Tankanschluß 110 in Verbindung steht. Ferner
ist ein Tankkanal 27 vorgesehen, der mit dem Tankan
schluß 111 in Verbindung steht. In der Grundplatte 123
des beweglichen Spiralelements 2 sind Schlitze 28 vor
gesehen. Diese Schlitze sind, obwohl sie nicht der
Schnittansicht entsprechen, zusätzlich in die Fig. 6
eingezeichnet. Wenn nun das bewegliche Spiralelement 2
eine Umlaufbewegung durchführt, kommen diese
Schlitze 28 abwechselnd mit den Pumpenkanälen 26 und
den Tankkanälen 27 in Verbindung. Es gelangt damit ent
weder unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in die
Drucktaschen, die sich zwischen Zahnring 104 und Zahn
rad 105 bilden, die sich aufgrund der Relativbewegung
zwischen Zahnring 104 und Zahnrad 105 gerade vergrößern
oder es entsteht eine Verbindung zum Tankanschluß 111
bei den Drucktaschen, die sich gerade verkleinern. Etwa
die Hälfte der Schlitze 28 steht mit den Pumpenkanälen
26 in Verbindung, während der verbleibende Teil mit den
Tankkanälen 27 in Verbindung steht. Die Anzahl der Pum
penkanäle 26 bzw. der Tankkanäle 27 entspricht der Zäh
nezahl des Zahnrades 105. Die Zahl der Schlitze 28 ist
um eins größer. Damit ergibt sich die zeitrichtige Ver
bindung der einzelnen Druckkammern praktisch automa
tisch.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausgestaltung, bei der
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 5 und 6 und entsprechende Teile mit entsprechend
gestrichenen Bezugszeichen versehen sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Zahnring 104′
drehbar im Gehäuse 116′ gelagert. Bei Beibehaltung der
Relativbewegung zwischen dem Zahnring 104′ und dem
Zahnrad läßt sich nun erreichen, daß das Zahnrad 105′
nur noch umläuft, während der Rotationsanteil der
Relativbewegung zwischen Zahnring 104′ und Zahnrad 105′
vom Zahnring 104′ übernommen wird, der sich in einem
Lager 107 im Gehäuse 116′ frei drehen kann. Da das La
ger 107 wesentlich größer dimensioniert werden kann als
das Lager 15, können hier auch größere Kräfte aufgenom
men werden, so daß sich die Lebensdauer des Spiralen
kompressors 4 beträchtlich verlängern läßt.
Da sich nun die Bewegung des Zahnrades 105′ auf eine
rein umlaufende Bewe
gung beschränkt, kann man das bewegliche Spiralelement
2′ und Zahnrad 105′ einstückig ausbilden. Der Aufbau
des Spiralkompressors 101′ wird dadurch sehr einfach.
Das bewegliche Spiralelement 2′ kann in einer Endfläche
des Zahnrades 105′ ausgebildet sein.
Zur Bewegungssteuerung des Motors 104′, 105′ sind auch
hier wieder Pumpenkanäle 26′ und Tankkanäle 27′ vorge
sehen, die mit einem Pumpenanschluß 110 bzw. einem
Tankanschluß 111 in Verbindung stehen. Im Zahnring 104′
sind Schlitze 28′ ausgebildet, die zwischen zwei nach
innen ragenden Zähnen 29 des Zahnrings 104 in den Zwi
schenraum zwischen Zahnring 104′ und Zahnrad 105′ mün
den. Durch die Drehung des Zahnrings 104′ kommen nun
diese Zwischenräume abwechselnd in Verbindung mit Pum
penkanälen 26′ und mit Tankkanälen 27′, wodurch sich
eine zeitrichtige Steuerung ergibt.
In allen Fällen werden vorteilhafterweise Hydraulikmo
toren verwendet. Wenn die Hydraulikflüssigkeit, wie das
üblicherweise der Fall ist, Schmiereigenschaften be
sitzt, kann sie gleichzeitig zum Schmieren der entspre
chenden Lagerstellen 7 und 15 verwendet werden. Gleich
zeitig kann die Hydraulikflüssigkeit dazu verwendet
werden, einen Flüssigkeitsfilm zwischen dem beweglichen
Spiralelement 2 und dem Gehäuse bzw. dem Zahnrad zu
bilden, so daß auch hier eine nahezu reibungsfreie Be
wegung erreicht wird. Wenn dieser Flüssigkeitsfilm un
ter einem gewissen Druck gehalten wird, können axiale
Kräfte, die beim Komprimieren des Gases zwischen dem
beweglichen und dem festen Spiralelement 2, 3 entste
hen, zumindest teilweise kompensiert werden. Dies ver
bessert die Dichtigkeit zwischen dem beweglichen und
dem festen Spiralelement 2, 3 und damit den Wirkungs
grad des Spiralkompressors. Diese Dichtigkeit kann
weiterhin dadurch erzielt werden, daß das Druckfluid
von der dem beweglichen Spiralelement 2 abgewandten
Seite den Drucktaschen zwischen dem Zahnring 4 und dem
Zahnrad 5 zugeführt wird und Zahnring 4 und Zahnrad 5
entsprechend von dieser Seite her mit einem gewissen
Druck belastet. Auch dieser Druck kann dann zur Kompen
sierung axialer Kräfte verwendet werden.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der zwei
bewegliche Spiralelemente 202, 202′ vorgesehen sind.
Die zugehörigen festen Spiralelemente sind aus Gründen
der Übersicht weggelassen. Die Ausgestaltung nach Fig.
9 entspricht im übrigen im wesentlichen der nach den
Fig. 7 und 8, so daß hier um 100 gegenüber den Bezugs
zeichen in Fig. 7 und 8 erhöhte Bezugszeichen für ent
sprechende Teile verwendet werden. Das Zahnrad 205′ ist
einstückig mit den Spiralelementen 202, 202′ ausgebil
det. Das Zahnrad 205′ ist exzentrisch im Zahnring 204′
gelagert, der wiederum über ein Lager 207 drehbar im
Gehäuse 216′ gelagert ist. Die Relativbewegung zwischen
Zahnring 204′ und Zahnrad 205′, die aus einer kreisenden
und einer rotierenden Bewegung zusammengesetzt
ist, kann nun aufgelöst werden, in eine reine Umlaufbewegung
des Zahnrades 205′, während die Rota
tionsbewegung ausschließlich vom Zahnring 204′ übernom
men wird.
Da die axialen Drücke, die beim Komprimieren von Gasen
oder anderen Fluiden zwischen den Spiralelementen ent
stehen, nun von beiden Seiten gleichförmig wirken, he
ben sie sich gegenseitig auf. Das Lager 207 muß dann
nur noch radiale Kräfte aufnehmen können. Wenn die bei
den Spiralelemente 202, 202′ so angeordnet werden, daß
sie gegenphasig arbeiten, können auch die radialen
Kräfte teilweise kompensiert werden.
Claims (20)
1. Spiralenkompressor mit einer Spiralelementanordnung,
die zwei periodisch auf einer Umlaufbahn ohne gegenseitiges
Verdrehen relativ zueinander bewegbare
Spiralelemente (2, 2′, 202, 202′; 3) aufweist, und
mit einem Antriebsmotor (4, 5; 4′; 5′; 104, 105;
104′, 105′; 204′, 205′), der mit der Spiralele
mentanordnung (2, 2′, 202, 202′; 3) eine ge
schlossene Einheit bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antriebsmotor (4, 5; 4′, 5′; 104, 105;
104′, 105′; 204′, 205′) als von einem unter Druck
stehenden Fluid angetriebener Zahnradmotor mit einem
in einem innenverzahnten Zahnring (4, 4′, 104,
104′, 204′) exzentrisch angeordneten Zahnrad (5,
5′, 105, 105′, 205′), das weniger Zähne als der Zahnring aufweist, ausgebildet ist, wobei mindestens
ein mit einem Spiralelement (2) verbundener
Teil (14, 17, 114, 105′) des Zahnradmotors im Betrieb
die Umlaufbewegung durchführt.
2. Spiralkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zahnradmotor als Gerotormotor (4,
5; 4′, 5′) ausgebildet ist, bei dem Zahnrad (5, 5′)
und Zahnring (4, 4′) mit versetzt zueinander angeordneten
festen Mittelpunkten drehbar in einem Gehäuse
gelagert sind.
3. Spiralkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zahnrad (5) einen exzentrisch
angeordneten Zapfen (14) aufweist, der mit einem beweglichen
Spiralelement (2) in Wirkverbindung
steht.
4. Spiralkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zahnring (4′) einen exzentrisch
angeordneten Zapfen (17) aufweist, der mit einem beweglichen
Spiralelement (2) in Wirkverbindung
steht.
5. Spiralkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zahnradmotor als Orbitmotor (104,
105; 104′, 105′, 204′, 205′) ausgebildet ist, in
dem im Betrieb das Zahnrad (105, 105′, 205′) in
Bezug zum Zahnring (104, 104′, 204′) die Umlaufbewegung
ausführt und mit einem beweglichen
Spiralelement (2, 2′, 202, 202′) in Wirkverbindung
steht.
6. Spiralkompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Steuerung des Zahnradmotors in Umfangsrichtung
abwechselnd Pumpenkanäle (26, 26′)
und Tankkanäle (27, 27′) vorgesehen sind, daß
Schlitze (28, 28′) vorgesehen sind, die eine Fluidverbindung
in einen Bereich zwischen dem Zahnrad
(105, 105′) und dem Zahnring (104, 104′) haben, und
daß die Schlitze (28, 28′) bei der Relativbewegung
von Zahnrad (105, 105′) und Zahnring (104, 104′)
abwechselnd in Fluidverbindung mit den Pumpen- (26,
26′) und den Tankkanälen (27, 27′) kommen.
7. Spiralkompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schlitze (28) in der
Grundplatte (123) des beweglichen Spiralelements
(2) angeordnet sind.
8. Spiralkompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zahnring (104′, 204′) in
einem Gehäuse (116′, 216′) drehbar gelagert ist.
9. Spiralkompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Spiralelement (2′, 202, 202′)
einstückig mit dem Zahnrad (105′, 205′) ausgebildet
ist.
10. Spiralkompressor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schlitze (28′) im Zahnring
(104′) jeweils zwischen zwei nach innen ragenden
Zähnen angeordnet sind.
11. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnradmotor
(204′, 205′) zwischen zwei Spiralelementanordnungen
(202, 202′) angeordnet ist, die jeweils aus einem
beweglichen und einem feststehenden Spiralelement bestehen.
12. Spiralkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die beweglichen Spiralelemente
(202, 202′) beider Spiralelementanordnungen vom
gleichen Maschinenteil (205′) des Zahnradmotors (204′,
205′) angetrieben sind.
13. Spiralkompressor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden beweglichen Spiralelemente
in Gegenphase zueinander arbeiten.
14. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehverhinderungseinrichtung
vorgesehen ist, die ein Verdrehen
des Spiralelements (2) gegenüber dem festen Spiralelement
(3) verhindert und die durch mehrere in je
einem Loch (21) angeordnete Zapfen (22) gebildet
ist, bei der die Löcher (21) so groß sind, daß sie
eine der Bewegung des beweglichen Spiralelements
(2) entsprechende Bewegung des Zapfens (22) zulassen,
wobei der Zapfen (22) an einem Spiralelement
(2) oder einem damit fest verbundenen Teil und das
Loch im anderen Spiralelement (3) oder einem damit
fest verbundenen Teil (16) angeordnet ist.
15. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 3 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das bewegliche
Spiralelement (2) auf dem Fluid schwimmt.
16. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid schmierende
Eigenschaften aufweist und die Spiralelementanordnung
(2, 2′, 202, 202′, 3) schmiert.
17. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnradmotor (4,
5; 4′; 5′; 104, 105; 104′, 105′; 204′, 205′) als
Hydraulikmotor ausgebildet ist.
18. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnradmotor (4, 5)
durch einen flexible Wand (25) von der Spiralelementanordnung
(2, 3) getrennt ist.
19. Spiralkompressor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die flexible Wand (25) balgartig
ausgebildet ist und die Spiralelementanordnung (2,
3) ringförmig umgibt, wobei sie Grundplatten (23,
24) der Spiralelemente (2, 3) miteinander
verbindet.
20. Spiralkompressor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die flexible Wand (25) in Umfangsrichtung
so steif ist, daß sie ein Verdrehen
der Spiralelemente (2, 3) relativ zueinander
verhindert.
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