DE4330609C2

DE4330609C2 - Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise

Info

Publication number: DE4330609C2
Application number: DE4330609A
Authority: DE
Inventors: Kenji Tojo; Hideyuki Ueda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: US5425626A; JP2910457B2; KR0125462B1; JPH06137286A; DE4330609A1; KR940007375A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise, die als Kompressor, Vakuumpumpe, Expan sionsmaschine oder dergleichen eingesetzt werden kann.

Bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen in Spiralbau weise hat die Spiralwand die Form einer Evolvente, die auf einem Kreis basiert, der einen konstanten Durchmesser hat, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und die durch span abhebende Bearbeitung hergestellt wird (JP-A-57-73803
Die Bauelemente der Rotationskolbenmaschine in Spiralbau weise sind ein stationäres Spiralelement und ein umlau fendes Spiralelement, von denen jedes ein gleichgeformtes Spiralelement in Form einer Evolvente hat, die auf dem gleichen Kreis mit konstantem Durchmesser basiert, eine Ansaugöffnung, die in dem stationären Spiralelement an der Außenseite des umlaufenden Spiralelements vorgesehen ist, eine Förderöffnung, die in dem stationären Spiral element an seinem Mittelteil angeordnet ist, einen eine Drehung des umlaufenden Spiralelements verhindernden Mechanismus, der dafür sorgt, daß das umlaufende Spiral element eine Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements ausführt, und einen Antriebsmechanismus für das umlaufende Spiralelement.

Bei einer Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise, wie sie aus der JP-A-60-252102 bekannt ist, ändert sich die Dicke der Spiralwand von ihrer Ausgangsseite bis zu ihrer Endseite hin kontinuierlich.

Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine in Spiralbau weise, bei welcher die Spiralwand eines jeden Spiral elements von einer Evolventenkurve gebildet wird, die auf einem Kreis mit konstantem Radius basiert, ist die Frei heit zur Festlegung der Spiralform der Wand begrenzt, wenn ein Radius eines Basiskreises, ein Evolventenwinkel, eine Dicke und eine Höhe für die Spiralwand bestimmt sind und dadurch ein Hubvolumen (das ist ein Volumen zu dem Zeitpunkt, zu dem ein durch ein Außenteil der Spiralwand bewirkter Einschluß abgeschlossen ist) und ein durch die Auslegung vorgegebenes bzw. "eingebautes" Volumenverhält nis (inneres Volumenverhältnis) festgelegt sind. Dadurch ergeben sich die nachstehend beschriebenen Probleme.

Im Falle eines Kompressors für eine Kältemaschine, bei deren Betriebsbedingungen das Verhältnis (Druckverhält nis) zwischen dem Ansaugdruck und dem Förderdruck hoch ist, muß das "eingebaute" Volumenverhältnis hoch sein. Um ein hohes "eingebautes" Volumenverhältnis zu gewährlei sten, muß der Windungswinkel größer sein, was zu einer Steigerung der Außengröße des Kompressors führt. Wenn der Windungswinkel vergrößert wird, während die Außengröße und die Höhe des Spiralkörpers auf vorgegebenen Werten gehalten werden, nimmt die Dicke der Wand des Spiral körpers ab. Demzufolge wird die Festigkeit verringert oder das Hubvolumen reduziert.

Insgesamt wird die Druckdifferenz zwischen den Arbeits kammern zu dem zentralen Teil hin höher, wo das Fluid komprimiert und der Fluiddruck erhöht werden. Bei der herkömmlichen Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise der vorstehend beschriebenen Art ist die Wanddicke des Spiralkörpers gleichförmig. Um die Verringerung der Festigkeit zu kompensieren, ist es deshalb erforderlich, die Höhe der Wanddicke des Spiralkörpers gleichförmig zu verringern oder die Wanddicke des Spiralkörpers gleich förmig zu steigern. Dadurch treten Probleme auf, nämlich daß ein Teil unnötig dick oder ein Radius unnötig groß wird.

Bei der Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise nach der JP-A-60-252102 ändert sich die Dicke der Spiralwand von ihrer Ausgangsseite zu ihrer Endseite, wobei jedoch eine Phase oder andere Bedingungen nicht berücksichtigt werden, so daß das stationäre Spiralelement und das umlaufende Spiralelement unterschiedliche Kurven haben. Es ist deshalb erforderlich, die spanabhebende Fertigung des umlaufenden Spiralelements und des stationären Spi ralelements mit unterschiedlichen Maschinenprogrammen zu fahren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein Kontaktpunkt zwischen einer Außenlinie der Spiralwand des umlaufenden Spiralelements und einer Innenlinie der Spiralwand des stationären Spiralelements sich an einer Stelle außerhalb einer tangentialen Linie bezüglich des Basiskreises befindet und daß deshalb ein vollständiger Dichtungspunkt nicht immer erreicht wird. Problematisch ist schließlich noch, daß sich die Nutbreite des Spiral körpers ändert, was von dem Windungswinkel abhängt. Es ist deshalb erforderlich, bei der spanabhebenden Ferti gung des Spiralkörpers mittels eines Stirnfräsers die Bearbeitung der Innenfläche und der Außenfläche des Spiralkörpers gesondert vorzunehmen und eine Vielzahl von spanabhebenden Bearbeitungsschritten durchzuführen, um die Bodenfläche der Nut zu erzeugen, was von der Änderung der Breite der Nut abhängt. Sonst könnte der Spiralkörper nicht präzise spanabhebend gefertigt werden. Somit wird die Anzahl der maschinellen Bearbeitungsschritte erhöht.

Aus der DE-A-38 02 573 ist eine Strömungsmaschine mit Spiral gehäuse bekannt, in deren zentralem Teil Verbindungskurven vorgesehen sind, die vom normalen Evolventenverlauf des Spi ralkörpers abweichen. Es werden in diesem Fall im zentralen Teil des Spiralkörpers Bögen mit konstantem Radius angeordnet.

Aus der DE-A-41 30 393, die den gattungsgemäßen Stand der Technik bildet, ist ein Spiralverdichter bekannt, bei dem die Profile der Wände der beiden Spiralen jeweils durch eine Kurve bestimmt sind, die durch eine Modifizierung einer Evolventen kurve eines Grundkreises erzeugt wird, wobei die Wandstärke der feststehenden Spirale und der bewegbaren Spirale von einem Anfangsbereich weg zu einem Endbereich der Spirale hin all mählich verringert werden. Dabei wird das Profil der die äußere Wand bestimmenden Außenwandkurve aus der Grundevolven tenkurve dadurch erzeugt, daß von einer Länge der jeweiligen Abwicklungslinie der Grundevolventenkurve ein bestimmter Wert abgezogen wird, der mit zunehmendem Abwicklungswinkel größer wird. Die das Profil der inneren Wand bestimmende Innenwand kurve wird aus der Außenwandkurve dadurch erzeugt, daß zuerst ein jeweiliger Punkt auf der Außenwandkurve im wesentlichen in der Richtung der Normalen auf der Außenwandkurve an dem jewei ligen Punkt zum Bilden einer Zwischenkurve um eine Strecke versetzt wird, die gleich dem Radius des Umlaufbahnkreises ist. Dann wird der entsprechende Punkt auf der Zwischenkurve symmetrisch um die Mitte des Grundkreises transformiert, wobei die Abwicklungslinie durch einen zwischen der Evolventenkurve und dem Grundkreis liegenden Abschnitt einer Tangente an dem Grundkreis bei dem jeweiligen Abwicklungswinkel gebildet wird.

Der bekannte Spiralverdichter ist im Vergleich zu vorbekannten Spiralverdichtern kleiner und kompakter und hat ein geringeres Gesamtgewicht. Allerdings muß für das Erreichen dieser Vor teile eine Verringerung der Dichtungseffizienz in Kauf genom men werden. Dies ergibt sich aus der vorgeschlagenen Konstruk tionsform der Spiralen. Beide Spiralkörper nähern sich zwar dicht aneinander an, haben jedoch keine Kontaktpunkte und sind somit voneinander separiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine solche Rota tionskolbenmaschine in Spiralbauweise bereitzustellen, bei der die Auslegungsfreiheit bezüglich des zugehörigen Volumenver hältnisses, des Hubvolumens, der Wandstärke des Spiralkörpers usw. vergrößert ist und die Maschine für die jeweiligen Einsätze eine optimale Form hat, wobei der Dichtungskontakt gewahrt bleibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit zwei Spiralelementen, von denen jedes einen auf einer Basisplatte ausgebildeten Spiralkörper hat, die so angeordnet sind, daß ihre Spiralkörper zur Bildung eines umschlossenen Raums zwischen sich ineinandergreifen, wobei eines der Spiralelemente so angeordnet ist, daß es eine Umlaufbewegung bezüglich des anderen Spiralelements ausführt, um nacheinander den umschlossenen Raum zu vergrößern oder zu verkleinern, wodurch ein in dem umschlossenen Raum einge schlossenes Fluid expandiert oder komprimiert wird, wobei die Spiralkörper jeweils eine Außenwand und eine Innenwand haben, deren Form von einer Evolvente eines Basiskreises gebildet wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Radius des Basiskreises entsprechend einem Evolventenwinkel ändert und die Form der Außenwand und der Innenwand des Spiralkörpers so ausgebildet ist, daß sie den folgenden Beziehungen genügt:

a_o = f (λ), a_i = f (λ - α),

wobei a_o der Radius des Basiskreises der Evolvente ist, welche die Form der Außenwand des Spiralkörpers bildet, a_i der Radius des Basiskreises der Evolvente ist, welche die Form der Innen wand des Spiralkörpers bildet, λ der Evolventenwinkel ist und α eine konstante Phasendifferenz < 0 ist.

Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise hat eine große Auslegungsfreiheit hinsichtlich des Hubvolu mens, der Wandstärke des Spiralkörpers, des Volumenverhältnis ses und anderer Parameter bei Aufrechterhaltung ihrer Dich tungseffizienz. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Spiral elemente bedingt, daß das umlaufende Spiralelement und das stationäre Spiralelement miteinander an einer Vielzahl von Kontaktpunkten (Dichtungspunkten) in Kontakt stehen, was die gewünschten guten Dichtungseigenschaften ergibt. Die erfin dungsgemäße Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise hat eine hohe Leistung und ist auch bei unterschiedlichen Anwendungen extrem betriebssicher. Die Spiralkörper des umlaufenden Spi ralelementes und des stationären Spiralelementes können mit dem gleichen Maschinenbearbeitungsprogramm gefertigt werden, was eine gute Produktivität ergibt.

Bevorzugt wird eine Phasendifferenz von α = π.

Bei gleichen Formen der Spiralkörper der Rotationskolbenma schine können bei beiden Spiralelementen die Spiralkörper so ausgebildet sein, daß ein Teil ihrer Form so gestaltet ist, daß sich der Abstand zwischen den Spiralkörpern ändert und daß sich die Dicke jedes Spiralkörpers entsprechend dem Evolven tenwinkel ändert, während ein restlicher Teil ihrer Form so gestaltet ist, daß ein konstanter Abstand und eine konstante Dicke bezüglich des Evolventenwinkels vorhanden sind.

Der Spiralkörper der Rotationskolbenmaschine kann so ausge bildet sein, daß er den folgenden Beziehungen genügt:

wobei a der Radius des Basiskreises der Evolvente, λ der Evolventenwinkel und f′(λ) das Differential des Radius des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels sind und das Differential f′(λ) des Radius a des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels λ über die ganze Erstreckung von der Ausgangsseite zur Endseite des Spiralkörpers oder über einen Teil davon der Beziehung genügt: f′(λ) < 0.

Wenn also der Evolventenwinkel λ vergrößert wird, so daß die Position zur Außenseite des Spiralkörpers verschoben wird, nimmt die Dicke des Spiralkörpers ab. Wenn deshalb das einge schlossene Volumen der äußersten Kammer der Vielzahl von Arbeitskammern, die zwischen den Spiralkörpern gebildet sind, auf ein gleiches Volumen eingestellt ist, können die Außen durchmesser beider Spiralelemente verglichen mit dem herkömm lichen Aufbau verringert werden, bei welchem Spiralkörper vorhanden sind, die eine Evolvente haben, die auf einem Kreis basiert, der einen konstanten Radius hat. Wenn andererseits der Außendurchmesser auf das gleiche Maß festgelegt wird, kann die Windungszahl des Spiralkörpers verglichen mit dem her kömmlichen Aufbau vergrößert werden, bei welchem der Spiral körper eine Evolvente hat, die auf einem Basiskreis basiert, der einen konstanten Radius hat. In diesem Fall wird die Dicke des Spiralkörpers zu dem Außenumfang hin verringert, so daß die Volumenänderungsgeschwindigkeit bezogen auf den Evolven tenwinkel λ verringert werden kann. Dadurch kann die Maschine so angepaßt werden, daß sie für einen glatteren Betrieb einge setzt werden kann. Die Dicke des Spiralkörpers an seinem Mit telteil, wo die Druckdifferenz zwischen benachbarten Arbeits kammern auf den Spiralkörper wirkt, kann gesteigert werden, so daß die Festigkeit des Spiralkörpers gesteigert und die Leck strommenge verringert werden können. Es ist nicht erforder lich, die Dicke an dem Umfangsabschnitt verglichen mit dem zentralen Abschnitt zu vergrößern. Deshalb kann das Gewicht des umlaufenden Spiralelements und des stationären Spiral elemente verringert werden.

Der Spiralkörper der Rotationskolbenmaschine kann aber auch so ausgebildet sein, daß er den folgenden Beziehungen genügt:

Dadurch wird die Dicke des Spiralkörpers größer, wenn sich der Spiralkörper zu der Außenseite erstreckt. Wenn deshalb die Anzahl der Windungen des Spiralkörpers konstant gehalten wird, wird das Verhältnis (das eingebaute Volumenverhältnis) des eingeschlossenen Volumens des äußersten Teils bezogen auf das eingeschlossene Volumen der innersten Kammer verglichen mit dem herkömmlichen Aufbau gesteigert, bei welchem die Evolvente auf einem Kreis basiert, der einen konstanten Radius hat. Dieser Aufbau eignet sich für einen Einsatz, wo mit einem höheren Druckverhältnis gearbeitet wird.

Bevorzugterweise wird diese Ausführungsform so ausgelegt, daß der außenseitige konvexe Abschnitt der Ausgangsseite des Spiralkörpers von einem Bogen gebildet wird, der einen Radius r_p hat, daß der innenseitige konkave Abschnitt davon von einem Bogen gebildet wird, der einen Radius r_q hat, und daß die Um laufbewegung einen Bewegungsradius ε aufweist, wobei diese Größen folgend. Beziehung bilden:

r_q = ε + r_p.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe läßt sich ferner ausgehend von einer Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit zwei Spiralelementen, von denen jedes einen auf einer Basisplatte ausgebildeten Spiralkörper hat, die so angeordnet sind, daß ihre Spiralkörper zur Bildung eines umschlossenen Raums zwischen sich ineinandergreifen, wobei eines der Spiral elemente so angeordnet ist, daß es eine Umlaufbewegung be züglich des anderen Spiralelements ausführt, um nacheinander den umschlossenen Raum zu vergrößern oder zu verkleinern, wodurch ein in dem umschlossenen Raum eingeschlossenes Fluid expandiert oder komprimiert wird, auch dadurch lösen, daß jeder Spiralkörper so ausgebildet ist, daß er den nachstehen den Beziehungen genügt:

Form der Außenwand des Spiralkörpers:
x_mo = f (λ) cosλ + {f (λ) λ + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}sinλ
y_mo = f (λ) sinλ - {f (λ)λ + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}cosλ

Form der Innenwand des Spiralkörpers:
x_mi = f (λ - π) cosλ + {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}sinλ
y_mi = f (λ - π) sinλ - {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}cosλ

wobei f(λ) = a_s + Δaλ
und a_s, Δa und t₀ Konstanten sind und λ ein Evolventenwinkel ist.

Die so gestaltete Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise unterscheidet sich von der zuerst beschriebenen dadurch, daß nur eine gedachte Mittellinie zwischen Außen- und Innenwand als Evolvente ausgebildet ist, während bei der zuerst be schriebenen die Außenwand und die Innenwand der Spiralkörper als solche Evolventenform haben. Es werden alle Vorteile erreicht, wie sie mit der zuerst beschriebenen Rotationskol benmaschine erzielt werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise in Form eines Spiralkompressors,

Fig. 2 eine Evolvente basierend auf einem Kreis, wobei f′(λ) < 0 ist,

Fig. 3 eine Evolvente basierend auf einem Kreis, bei welchem f′(λ) < 0 ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Form eines Spiralkör pers,

Fig. 5 eine Draufsicht auf zwei zusammengefügte Spiral körper,

Fig. 6 in vier Draufsichten das Wirkungsprinzip der Spiralkörper von Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Form des Spiralkörpers,

Fig. 8 in einem Diagramm die Beziehung der Volumenände rung der Spiralkörper,

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Form eines modifizier ten Spiralkörpers,

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Form des zentralen Teils eines Spiralkörpers,

Fig. 11 eine Draufsicht auf zwei ineinandergreifende Spiralkörper gemäß einer weiteren Ausführungs form,

Fig. 12 eine Draufsicht auf den geometrischen Ort einer Mitte eines Stirnfräsers und

Fig. 13 in vier Draufsichten das Wirkungsprinzip eines herkömmlichen Spiralkompressors.

Der in Fig. 1 gezeigte geschlossene Spiralkompressor hat einen Kompressorabschnitt, bestehend aus einem umlaufen den Spiralelement 1 und einem stationären Spiralelement 2, eine von einem Motor 5 angetriebene Kurbelwelle 3, einen Rahmen 4 und einen Motor 5 für den Antrieb des umlaufenden Spiralelements, wobei der Kompressorabschnitt und der Motor 5 von einem Gehäuse 6 dicht umschlossen sind. Das umlaufende Spiralelement 1 hat eine Basisplatte 1a und eine Spiralwand 1b (später Spiralkörper), die auf der Basisplatte 1a ausgebildet ist. An der Rückseite des umlaufenden Spiralelements sind ein eine Drehung unter bindender Mechanismus 1c, beispielsweise ein Oldham-Ring- Mechanismus, der eine Drehung des umlaufenden Spiral elements um seine eigene Achse verhindert, sowie ein Lager 1d für die Aufnahme eines Kurbelabschnitts der Kurbelwelle 3 ausgebildet. Das stationäre Spiralelement 2 hat eine Basisplatte 2a und eine Spiralwand 2b (später Spiralkörper), die auf der Basisplatte 2a ausgebildet ist. Das umlaufende Spiralelement 1 und das stationäre Spiralelement 2 sind so angeordnet, daß ihre Spiralwände 1a und 2b ineinandergreifen.

Durch den Rahmen 4 wird auf der Rückseite des umlaufenden Spiralelements 1 eine Gegendruckkammer 4b gebildet. Die Gegendruckkammer 4b steht über einen Druckausgleichskanal (nicht gezeigt), der in der Basisplatte 1a des stationä ren Spiralelements 1 ausgebildet ist, mit einer Kompres sionskammer in Verbindung, die von den Spiralwänden 1b, 2b und den Basisplatten 1a, 2a des umlaufenden Spiral elements 1 und des stationären Spiralelements 2 gebildet werden. Am Rahmen 4 sitzt ein Hauptlager 4c zum Lagern der Kurbelwelle 3 sowie ein Ansatz 4d zum Lagern des Motors 5. In der Kurbelwelle 3 ist ein Ölzuführungskanal 3a ausgebildet, durch den am Boden des geschlossenen Behälters 6 gespeichertes Öl dem drehenden Lager 1d und dem Hauptlager 4c zugeführt wird.

Bei dem so gebauten geschlossenen Spiralkompressor führen das umlaufende Spiralelement 1 und das stationäre Spiral element 2 eine Umlaufbewegung relativ zueinander aufgrund der Wirkung der von dem Motor 5 in eine Drehbewegung versetzten Kurbelwelle 3 und aufgrund des eine Drehung unterbindenden Mechanismus 1c aus. Wenn sich die von den beiden Spiralelementen gebildete Kompressionskammer zur Mitte hin verschiebt, wird das Volumen der Kompressions kammer zunehmend verringert. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, erzeugt das umlaufende Spiralelement 2 eine Umlaufbewe gung relativ zu dem stationären Spiralelement 1 um die Mitte des stationären Spiralelements, während die Lage des umlaufenden Spiralelements unverändert gegenüber den Positionen, wo der Kurbelwinkel Φ = 0, Φ = 90°, Φ = 180° und Φ = 270° gehalten wird, d. h. das umlaufende Spiral element 2 erzeugt eine Umlaufbewegung mit einem vorgege benen Radius ε. Ein umschlossener Raum, der Sichelform hat und zwischen den beiden Spiralelementen ausgebildet ist, im folgenden als Arbeitskammer bezeichnet, verrin gert allmählich sein Volumen entsprechend der Umlaufbewe gung des umlaufenden Spiralelements 2, wodurch ein in die Arbeitskammer von einer Ansaugöffnung 2e angesaugtes Fluid verdichtet und in den geschlossenen Behälter 6 über die Förderöffnung 2d abgeführt wird. Das in den geschlos senen Behälter 6 geförderte Fluid wird nach außen durch einen Abführstutzen 6a abgeführt. Während der Kompression in dem Kompressionsabschnitt entsteht ein Kraft, welche die beiden Spiralelemente 1 und 2 voneinander trennen möchte. Die auf der Rückseite des umlaufenden Spiral elements 2 vorgesehene Gegendruckkammer 4b hat einen Zwischendruck, der höher ist als der Ansaugdruck, jedoch niedriger als der Förderdruck, so daß das umlaufende Spiralelement 2 gegen das stationäre Spiralelement 1 unter der Wirkung dieses Zwischendrucks gedrückt wird.

Der Kompressionsabschnitt des Spiralkompressors weist, wie erwähnt, das umlaufende Spiralelement 2 und das stationäre Spiralelement 1 auf, von denen jedes die Basisplatte 10 (1a und 2a in Fig. 1) und den davon ab stehenden Spiralkörper 20 (Spiralwand 1b, 2b in Fig. 1) aufweist. Die Form des Spiralkörpers 20 des umlaufenden Spiralelements 2 und des stationären Spiralelements 1 wird bei der Ausführung von Fig. 2 und 3 durch eine Evolvente gebildet, die auf einem Kreis basiert, der einen Radius hat, der sich entsprechend einem Evolventen winkel ändert. D.h., daß, wenn ein Radius eines Basis kreises einer Evolvente durch eine Funktion eines Evol ventenwinkels λ durch

a = f(λ) (1)

ausgedrückt wird, die Punkte auf der Evolvente durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden können:

X = f(λ) cosλ + f(λ)λ sinλ (2)

Y = f(λ) sinλ - f(λ)λ cosλ (3).

In diesem Fall wird das Differential oder die erste Ableitung von f(λ) durch folgende Gleichung wiedergege ben:

f′(λ) = df (λ)/dλ (4).

Wenn f′(λ) < 0, nimmt die Breite zwischen den Linien der Evolvente allmählich zum äußeren Umfangsabschnitt hin zu, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn f′(λ) < 0, nimmt die Breite zwischen den Linien zum äußeren Umfangsab schnitt hin allmählich ab.

Zur Festlegung der Form der Spiralwand ist es erforder lich, die außenseitige Form und die innenseitige Form des Spiralkörpers 20 festzulegen. Bei der vorliegenden Aus führungsform wird die Form der Spiralwand nach folgendem Verfahren bestimmt: Der Radius des Basiskreises der Evolvente für die Außenseite des Spiralkörpers soll a_o, der Radius für den Basiskreis der Evolvente für die Innenseite des Spiralkörpers soll a_i sein. Der Radius a_o und der Radius a_i können dann durch folgende Gleichungen wiedergegeben werden:

a_o = f(λ) (5)

a_i = f(λ - π) (6).

Die Form des in Fig. 4 gezeigten Spiralkörpers wird so gebildet, daß der Radius des Basiskreises der Evolvente des für die Innenseite geformten Spiralkörpers um π bezüglich des Evolventenwinkels λ kleiner ist als der Radius des Basiskreises der Evolvente für die Außenseite des Spiralkörpers. Das bedeutet für die Form des Spiral körpers, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, in der der Radius a des Basiskreises, der f(Ap) ist, für die Außenseite und die Innenseite des Spiralkörpers gemeinsam gilt, wenn der Evolventenwinkel des Punktes P auf der Außenseite des Spiralkörpers λ_p und der Evolventenwinkel des Punktes Q auf der Innenseite des Spiralkörpers λ_g ist, daß die Form des Spiralkörpers so bestimmt wird, daß sie der durch die nachstehende Gleichung ausgedrückten Beziehung genügt:

λ_g = λ_p + π (7).

Das Differential des Radius a des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels λ ergibt sich aus Gleichung (4). Im Falle der Form des Spiralkörpers von Fig. 4 und 5 ist f′(λ) < 0, d. h. der Radius des Basiskreises wird zum Außenteil des Spiralkörpers hin verringert, wo der Evol ventenwinkel λ zunimmt.

Damit zu diesem Zeitpunkt die Arbeitskammer gebildet werden kann, müssen die beiden Spiralkörper 1 und 2 so ausgebildet sein, daß sie miteinander an einer Vielzahl von Kontaktpunkten in Berührung kommen können. Der Radius a des Basiskreises ist so bestimmt, daß die Dicke jedes Spiralkörpers 1, 2 allmählich zu seinem Außenteil hin abnimmt.

Bei dem beschriebenen Aufbau der Spiralkörper ist die Phasendifferenz π vorhanden. Auch wenn der Spiralkörper von der Evolvente des Kreises gebildet wird, die den Radius hat, der sich entsprechend dem Evolventenwinkel ändert, ist es jedoch möglich, das umlaufende Spiral element und das stationäre Spiralelement so anzuordnen, daß sie miteinander an einer Vielzahl von Kontaktpunkten in Berührung stehen und daß die Linien, welche die Kon taktpunkte und den Basiskreis verbinden, dem umlaufenden Spiralelement und dem stationären Spiralelement gemeinsam sind. Dadurch können die beiden Spiralelemente Dichtungs punkte (oder Kontaktpunkte) an den Stellen aufweisen, die senkrecht zu den Seitenflächen der Spiralkörper sind.

Bei der in der oben beschriebenen Weise gebauten Rota tionskolbenmaschine in Spiralbauweise arbeiten die beiden Spiralelemente, wenn das umlaufende Spiralelement eine Umlaufbewegung ausführt, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, während eine Vielzahl von Dichtungspunkten dazwischen zur gleichen Zeit aufrechterhalten wird. Nachdem der Dich tungspunkt an der äußersten Seite ausgebildet ist, wird ein umschlossener Raum geschaffen. Das von der Außenseite angesaugte Gas wird in diesem umschlossenen Raum einge schlossen. Dann wird das Volumen des umschlossenen Raums allmählich verringert, wodurch das Gas komprimiert und dann aus dem zentralen Teil abgeführt wird.

Wenn bei dem beschriebenen Aufbau das Volumen des um schlossenen Raums der äußersten Kammer der Vielzahl von Arbeitskammern, die zwischen den Spiralkörpern gebildet werden, d. h. das Volumen des umschlossenen Raums, der unmittelbar gebildet wird, nachdem der Dichtungspunkt an der äußersten Seite erzeugt worden ist, auf ein gleiches Volumen eingestellt ist, können die Außendurchmesser der beiden Spiralelemente verglichen mit dem Fall verringert werden, in welchem der herkömmliche Spiralkörper von der Evolvente gebildet wird, die einen Basiskreis mit kon stantem Radius hat. Wenn das Spiralelement einen Außen durchmesser in der gleichen Größenordnung hat, kann die Anzahl der Windungen erhöht werden, verglichen mit dem herkömmlichen Spiralkörper, der von der Evolvente mit einem Basiskreis mit konstantem Radius gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Dicke des Spiralkörpers zu dem äußeren Umfangsabschnitt hin verringert, und das Volumen änderungsverhältnis bezüglich des Evolventenwinkels kann verringert werden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, wo das Verhältnis aus dem umschlossenen Volumen des umschlosse nen Raums bezüglich des Evolventenwinkels λ des Abdich tungspunktes und aus dem umschlossenen Volumen des klein sten umschlossenen Raums dargestellt ist. Dieser Aufbau eignet sich für einen weicheren bzw. glatteren Betrieb.

Die Dicke des Spiralkörpers am zentralen Abschnitt, wo die Druckdifferenz zwischen benachbarten Arbeitskammern auf den Spiralkörper wirkt, kann verringert werden. Deshalb kann auch die Festigkeit des Spiralkörpers ge steigert und die Leckstrommenge verringert werden. Im Hinblick auf den äußeren Umfangsabschnitt ist es nicht nötig, die Dicke des Spiralkörpers zu erhöhen, da der zentrale Teil und deshalb das Gewicht des umlaufenden Spiralelements und des stationären Spiralelements ver ringert werden können.

Anhand von Fig. 7 wird der Fall f′(λ) < 0 erläutert, d. h. der Radius des Basiskreises des Spiralkörpers nimmt allmählich zur Außenseite des Spiralkörpers hin zu. Dieser Fall ist ähnlich dem Fall für f′(λ) < 0. Das umlaufende Spiralelement und das stationäre Spiralelement haben an einer Vielzahl von Kontaktpunkten Kontakt, und Linien, die die Kontaktpunkte und den Basiskreis ver binden, sind beiden Spiralelementen gemeinsam. In dem Fall f′(λ) < 0 sind die Spiralelemente jedoch so an geordnet, daß die Dicke des Spiralkörpers zum Außenab schnitt des Spiralkörpers hin allmählich zunimmt. Wenn die Anzahl der Windungen konstant ist, nimmt das Verhält nis aus dem umschlossenen Volumen an dem äußersten Ab schnitt und aus dem umschlossenen Volumen an dem inner sten Abschnitt (eingebautes Volumenverhältnis) im Ver gleich zum herkömmlichen Aufbau zu, wo der Spiralkörper durch die Evolvente mit dem Basiskreis mit konstantem Radius gebildet wird. Der in dieser Weise gebaute Spiral kompressor ermöglicht einen Betrieb mit höherem Kompres sionsverhältnis. Das Volumenänderungsverhältnis zum Evolventenwinkel λ ist in diesem Fall verringert.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, eine optimale Form des Spiralkörpers auszuwählen, um ein geeignetes Hubvolumen, ein passendes Einbau-Volumenver hältnis, die richtige Dicke des Spiralkörpers und der gleichen zu erhalten, was von Aufgabe und Einsatz ab hängt, beispielsweise der gewünschten Festigkeit, Leistung, Betriebssicherheit, Herstellbarkeit usw. Die Spiralkörper des umlaufenden Spiralelements und des stationären Spiralelements können mit dem gleichen Ma schinenprogramm spanabhebend gefertigt werden, wodurch die Fertigung verbessert wird. Da die Phasendifferenz u vorhanden ist, können, obwohl der Spiralkörper durch die Evolvente mit einem Basiskreis mit einem Radius gebildet wird, der sich entsprechend einem Evolventenwinkel än dert, das umlaufende Spiralelement und das stationäre Spiralelement so angeordnet werden, daß sie jeweils an vielen Kontaktpunkten Kontakt haben und Linien aufweisen, die die Kontaktpunkte mit dem Basiskreis verbinden, die dem umlaufenden Spiralelement und dem stationären Spiral element gemeinsam sind, wobei beide Spiralelemente Dich tungspunkte an Stellen haben, die senkrecht zu den jewei ligen Seitenflächen der Spiralkörper sind. Dadurch erhält man eine Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit verbesserten Dichtungseigenschaften.

Das vorstehende Ausführungsbeispiel wurde unter Bezugnah me auf einen Spiralkompressor erläutert, der ein umlau fendes Spiralelement, eine stationäres Spiralelement, einen Ansaugteil, der in dem stationären Spiralelement an der Außenseite des umlaufenden Spiralelements ausgebildet ist, eine Förderöffnung in dem zentralen Teil des statio nären Spiralelements und einen die Rotation unterbinden den Mechanismus zur Verhinderung einer Drehung des um laufenden Spiralelements um seine eigene Achse aufweist, wodurch das umlaufende Spiralelement dazu gebracht wird, eine Umlaufbewegung relativ zum stationären Spiralelement auszuführen. Die Erfindung ist auf diese Ausführungsform nicht beschränkt und kann einem Aufbau angepaßt werden, bei welchem das umlaufende Spiralelement 2 durch die Positionen bewegt wird, in denen gemäß Fig. 6 die Kurbel welle die Stellungen Φ = 0°, Φ = 270°, Φ = 180° und Φ = 90° hat. Bei dieser Anordnung macht das umlaufende Spi ralelement 2 eine Umlaufbewegung gegenüber der Spiral wand, die wie folgt festgelegt wird. Wenn der Radius a des Basiskreises der Evolvente als eine Funktion des Evolventenwinkels λ ausgedrückt wird, läßt sich der Radius a als Primärfunktion ausdrücken:

a = f(λ) = as + Δaλ (8).

In diesem Fall wird die Form der außenseitigen Linie des umlaufenden Spiralelements durch folgende Gleichungen bestimmt:

x_mo = f (λ) cosλ + {f (λ) + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}sinλ,
y_mo = f (λ) sinλ - {f (λ)λ + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}cosλ (9)

Die Form der innenseitigen Linie des umlaufenden Spiral elements ergibt sich aus folgenden Gleichungen:

x_mi = f (λ - π) cosλ + {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}sinλ,
y_mi = f (λ - π) sinλ - {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}cosλ (10)

Wenn die Form des Spiralelements wie vorstehend beschrie ben bestimmt ist, ist es möglich, zwei Spiralelemente zusammenzufügen, welche die gleiche Form mit einer Pha sendifferenz von 180° haben. In diesem Fall wird der Kontaktpunkt zwischen den beiden Spiralelementen von einer tangentialen Linie des Basiskreises entsprechend dem Windungswinkel des Kontaktpunktes gebildet.

Bei der in Fig. 9 bis 12 gezeigten Ausführungsform hat der Spiralkörper einen Abschnitt, der von einer Evolvente gebildet wird, die einen Basiskreis mit einem Radius hat, der sich entsprechend dem Evolventenwinkel ändert, und einen weiteren Abschnitt, der von einer Evolventenkurve gebildet wird, die einen Basiskreis mit konstantem Radius hat. Die Ausgangsseite wird von einem Bogen gebildet. Beispielsweise kann der äußere Umfangsabschnitt des Spiralkörpers von einer Evolventenkurve gebildet werden, die einen Basiskreis mit einem konstanten Radius hat, während der zentrale Abschnitt von einer Evolvente gebil det wird, die einen Basiskreis mit einem Radius hat, der mit größer werdendem Evolventenwinkel zunimmt. Gemäß Fig. 10 hat eine Außenfläche 12a des Spiralkörpers einen Abschnitt, der sich von einem Punkt H zu einem Punkt I erstreckt und der von einer Evolvente gebildet wird, die einen Basiskreis mit einem Radius hat, der mit größer werdendem Evolventenwinkel zunimmt und einen Abschnitt, der sich vom Punkt I zur Außenseite erstreckt, der von einer Evolventenkurve gebildet wird, die einen Basiskreis mit konstantem Radius hat. Eine Innenfläche 12b des Spiralkörpers hat einen Abschnitt, der sich von der Ausgangsseite zu einem Punkt K erstreckt, welcher von einem Bogen gebildet wird, einen Abschnitt, der sich vom Punkt K zu einem Punkt L erstreckt, der von einer Evol vente gebildet wird, die einen Basiskreis mit einem Radius hat, der mit größer werdendem Evolventenwinkel zunimmt, und einen Abschnitt, der sich vom Punkt L zur Außenseite erstreckt, der von einer Evolventenkurve gebildet wird, die einen Basiskreis mit konstantem Radius hat.

Der Abschnitt, der von der Evolvente mit dem Basiskreis mit dem Radius gebildet wird, der mit größer werdendem Evolventenwinkel zunimmt, wird genauso wie bei der Aus führungsform der Fig. 2 bis 6 festgelegt. Wenn a₀ der Radius eines Basiskreises einer Evolvente für die Außen seite des Spiralkörpers und a_i ein Radius für einen Basiskreis einer Evolvente für die Innenseite des Spiral körpers sind, gelten die Gleichungen (5) und (6) für den Radius a_o und den Radius a_i, während sich der Radius des Basiskreises der Evolvente 12b für die innenseitige Form des Spiralkörpers durch einen Wert festlegen läßt, der verglichen mit dem Radius des Basiskreises der Evolvente 12a für die außenseitige Form des Spiralkörpers um π kleiner bezogen auf den Evolventenwinkel λ ist. Das bedeutet für die Form des Spiralkörpers gemäß Fig. 9 und 10, daß der Evolventenwinkel λ_p des Punktes P auf der Außenseite des Spiralkörpers und der Evolventenwinkel λ_g des Punktes Q an der Innenseite des Spiralkörpers, der gewöhnlich den Radius a des Basiskreises a = f (Ap) einschließt, so festgelegt werden, daß sie der durch die Gleichung (7) wiedergegebenen Beziehung genügen. f′(λ) nach Gleichung (4) wird festgelegt als f′(λ) < 0.

Bei dieser Ausführungsform ändert sich der Radius des Basiskreises der Evolvente, welche den Spiralkörper bildet, fortlaufend von dem Bereich, wo sich der Radius entsprechend dem Evolventenwinkel ändert, zu dem Bereich, der den konstanten Radius hat. Es ist möglich, die Dicke der Spiralwand an dem Mittelteil des Spiralkörpers zu vergrößern, ohne die Form des äußeren Umfangsabschnitts zu ändern. Dadurch kann die Festigkeit des Spiralkörpers verbessert und die Leckstrommenge verringert werden. Ferner können das Verhältnis des umschlossenen Volumens geändert und die Flexibilität in der Auslegung gesteigert werden.

Wenn die Spiralkörper zu Bildung von Arbeitskammern in dem Zustand zusammengefügt sind, wie er in Fig. 11 ge zeigt ist, müssen zwei Spiralkörper 11 und 12 so angeord net werden, daß sie miteinander an einer Vielzahl von Kontaktpunkten in Kontakt stehen. Bei dieser Anordnung ist zwischen der innenseitigen Evolvente und der außen seitigen Evolvente des Spiralkörpers, wie oben beschrie ben, eine Phasendifferenz π bezüglich des Evolventenwin kels λ vorhanden. Dadurch kann ein Paar von Spiralelemen ten so angeordnet werden, daß sie jeweils an einer Viel zahl von Kontaktpunkten in Kontakt stehen. Sie haben eine Linie, welche den Kontaktpunkt und den Basiskreis ver bindet, die den beiden Spiralelementen gemeinsam sind. Die beiden Spiralelemente haben Dichtungspunkte (oder Kontaktpunkte) an senkrechten Positionen zu den jeweili gen Seitenflächen.

Bei der vorstehend beschriebenen Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise arbeiten beide Spiralelemente, während sie eine Vielzahl von Dichtungspunkten zur gleichen Zeit halten. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, hat die Ausgangsseite des Spiralkörpers die Form, welche einen außenseitigen konvexen Abschnitt einschließt, der von dem Bogen mit einem Radius r_p gebildet wird, und einen innenseitigen konkaven Abschnitt, der von einem Bogen mit einem Radius r_q gebildet wird. Die Form des Spiralkörpers ist so ausgebildet, daß sie der Beziehung r_p + ε = r_q genügt, wenn ε der Radius der Umlaufbewegung ist. Dadurch hat ein Paar von Spiralkörpern Dichtungspunkte von ihren Aus gangsseiten aus, und es ist möglich, das Verhältnis des umschlossenen Volumens zu steigern.

Es soll nun ein geometrischer Ort eines Stirnfräsers beschrieben werden, der für die spanabhebende Herstellung des Spiralkörpers der vorstehenden Ausführungsform ver wendet wird, wobei Bezug auf Fig. 12 genommen wird. Der Abschnitt der Außenseite, der von dem Basiskreis mit konstantem Radius gebildet wird, ist der Hauptteil des Spiralkörpers, der gleichförmig ausgebildet ist, so daß die Spanabhebende Bearbeitung des Bodens der Nut durch einen Spanabhebungsschritt bewirkt werden kann. Erforder lichenfalls kann die Bearbeitung auch in zwei spanabhe benden Schritten erfolgen. An dem zentralen Teil des Spiralkörpers, der von einer Evolvente gebildet wird, die einen Basiskreis mit einem Radius hat, der sich entspre chend einem Evolventenwinkel ändert, ändert sich die Breite der Nut des Spiralkörpers fortschreitend. Es ist deshalb unmöglich, den Boden der Nut durch einen einzigen spanabhebenden Schritt zu bearbeiten. Es müssen zwei Bearbeitungsschritte vorgesehen werden, wofür die Mitte des Stirnfräsers längs des geometrischen Ortes bewegt wird, der durch eine ausgezogene Linie 13a veranschau licht ist, und längs des geometrischen Ortes, der durch eine gestrichelte Linie 13b veranschaulicht ist, um den Außenabschnitt und den Innenabschnitt der Breite des Spiralkörpers zu bilden. Gemäß der beschriebenen Aus führungsform hat der wesentliche Abschnitt des Spiralkör pers eine konstante Nutbreite und der Abschnitt, der zwei Bearbeitungsschritte benötigt, ist auf den zentralen Teil begrenzt. Der Spiralkörper kann deshalb einfach herge stellt werden.

Claims

1. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit zwei Spiral elementen, von denen jedes einen auf einer Basisplatte ausgebildeten Spiralkörper hat, die so angeordnet sind, daß ihre Spiralkörper zur Bildung eines umschlossenen Raums zwischen sich ineinandergreifen, wobei eines der Spiralelemente so angeordnet ist, daß es eine Umlaufbewe gung bezüglich des anderen Spiralelements ausführt, um nacheinander den umschlossenen Raum zu vergrößern oder zu verkleinern, wodurch ein in dem umschlossenen Raum einge schlossenes Fluid expandiert oder komprimiert wird, und wobei die Spiralkörper jeweils eine Außenwand und eine Innenwand haben, deren Form von einer Evolvente eines Basiskreises gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß sich der Radius des Basiskreises entsprechend einem Evolventenwinkel ändert und
- daß die Form der Außenwand und der Innenwand des Spiral körpers so ausgebildet ist, daß sie den folgenden Bezie hungen genügt: a_o = f(λ), a_i = f(λ - α),wobei a_o der Radius des Basiskreises der Evolvente ist, welche die Form der Außenwand des Spiralkörpers bildet, a_i der Radius des Basiskreises der Evolvente ist, welche die Form der Innenwand des Spiralkörpers bildet, λ der Evolventenwinkel ist und α eine kon stante Phasendifferenz < 0 ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasendifferenz α = π ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei gleichen Formen der Spiralkörper bei beiden Spiralelementen die Spiralkörper so ausgebildet sind, daß ein Teil ihrer Form so gestaltet ist, daß sich der Abstand zwischen den Spiralkörpern ändert und daß sich die Dicke jedes Spiralkörpers entsprechend dem Evolventen winkel ändert, während ein restlicher Teil ihrer Form so gestaltet ist, daß ein konstanter Abstand und eine kon stante Dicke bezüglich des Evolventenwinkels vorhanden sind.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spiralkörper so ausgebildet ist, daß er den folgenden Beziehungen genügt: wobei a der Radius des Basiskreises der Evolvente, λ der Evolventenwinkel und f′(λ) das Differential des Radius des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels sind und das Differential f′(λ) des Radius a des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels λ über die ganze Er streckung von der Ausgangsseite zur Endseite des Spiral körpers oder über einen Teil davon der Beziehung genügt:f′(λ) < 0.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spiralkörper so ausgebildet ist, daß er den folgenden Beziehungen genügt: wobei a der Radius des Basiskreises der Evolvente, λ der Evolventenwinkel und f′(λ) das Differential des Radius des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels sind und das Differential f′(λ) des Radius a des Basiskreises bezüglich des Evolventenwinkels λ über die ganze Er streckung von der Ausgangsseite zur Endseite des Spiral körpers oder über einen Teil davon der Beziehung genügt:f′(λ) < 0

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der außenseitige konvexe Abschnitt der Ausgangsseite des Spiralkörpers von einem Bogen gebildet wird, der einen Radius r_p hat, daß der innenseitige kon kave Abschnitt davon von einem Bogen gebildet wird, der einen Radius r_q hat, und daß die Umlaufbewegung einen Bewegungsradius ε aufweist, wobei diese Größen folgende Beziehung bilden: r_q = ε + r_p.

7. Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit zwei Spiral elementen, von denen jedes einen auf einer Basisplatte ausgebildeten Spiralkörper hat, die so angeordnet sind, daß ihre Spiralkörper zur Bildung eines umschlossenen Raums zwischen sich ineinandergreifen, wobei eines der Spiralelemente so angeordnet ist, daß es eine Umlaufbewe gung bezüglich des anderen Spiralelements ausführt, um nacheinander den umschlossenen Raum zu vergrößern oder zu verkleinern, wodurch ein in dem umschlossenen Raum einge schlossenes Fluid expandiert oder komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiralkörper so ausgebildet ist, daß er den nachstehenden Beziehungen genügt: Form der Außenwand des Spiralkörpers:
x_mo = f (λ) cosλ + {f (λ) λ + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}sinλ
y_mo = f (λ) sinλ - {f (λ)λ + 1/2 (t₀ + Δaπλ)}cosλForm der Innenwand des Spiralkörpers:
x_mi = f (λ - π) cosλ + {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}sinλ
y_mi = f (λ - π) sinλ - {f (λ - π)λ - 1/2 (t₀ + Δaπ (λ - π))}cosλwobei f(λ) = a_s + Δaλ und a_s, Δa und t₀ Konstanten sind und λ ein Evolventen winkel ist.