DE4422315A1 - Spiralverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter mit den Merkmalen des Ober­ begriffes von Patentanspruch 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Spiralverdichter, die das Volumen eines Verdichtungsraumes, welcher von einem ortsfesten Spiral­ element und einem oszillierenden Spiralelement eingeschlossen ist, verän­ dern, um ein in einem Kühlkreislauf befindliches Kühlmittel zu verdichten.

Bei den bekannten Spiralverdichtern der geschilderten Bauart, bei welchen der Verdichtungsraum von einem ortsfesten Spiralelement und einem gegenüber dem ortsfesten Spiralelement oszillierenden Spiralelement gebildet wird, sind die Schmierung und Dichtung der beiden Spiralelemente an den in Gleit­ kontakt stehenden Oberflächen der Spiralelemente entscheidende Faktoren.

Um die erläuterten entscheidenden Faktoren zu beherrschen, ist in bekannten Spiralverdichtern (vgl. JP-A-3-149 391) beispielsweise eine Kreiskolben- Ölpumpe integriert, so daß gewährleistet ist, daß eine ausreichende Menge Öl den vorhandenen Lagern, unabhängig von dem Fluß des als Schmiermittel die­ nenden Öls in den Verdichtungsraum, zuverlässig zur Verfügung gestellt wer­ den kann. Mit Hilfe der geschilderten Maßnahme kann eine große Menge als Schmiermittel dienenden Öls zur Verfügung gestellt werden, selbst wenn das Drehantriebslager, das Exzenterlager und das erste Hauptlager stark belastet sind.

Jedoch treten auch bei den aus dem Stand der Technik bekannten zuvor geschil­ derten Spiralverdichtern Probleme auf, wenn, um das Gewicht und die Produk­ tionskosten der Spiralverdichter zu reduzieren, das ortsfeste Spiralelement und das oszillierende Spiralelement aus anderen Materialien als aus Ferrit, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt sind. Ein wesentliches Problem besteht darin, daß das oszillierende Spiralelement durch den hohen Druck auf seine dem Verdichtungsraum abgewandte Seite auf das ortsfeste Spiralelement gepreßt wird, was im Ergebnis dazu führt, daß die in Gleitkontakt stehenden Oberflächen des oszillierenden Spiralelements und des ortsfesten Spiralele­ ments dazu neigen, gegeneinander festzufressen. Um dieses Problem zu besei­ tigen, ist ein Axiallager für eine das oszillierende Spiralelement antrei­ bende Antriebswelle vorgesehen, um den auf die Antriebswelle ausgeübten Druck durch das Axiallager abzufangen.

Bei der Verwendung eines Axiallagers tritt jedoch ein weiteres Problem da­ durch auf, daß, bei einem hohen Druck auf das Axiallager, dieses selbst da­ zu neigt, festzufressen, oder daß zumindest, bei einem konstant hohen Druck auf das Axiallager, die Lebensdauer des Axiallagers stark verkürzt ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Spiralverdichter zur Verfügung zu stellen, dessen Axiallager eine deutlich verlängerte Lebens­ dauer aufweist.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Spiralver­ dichter mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Patentanspruch 1 gelöst, der Innendurchmesser des Axiallagers entspricht also nicht dem von der Oszillationswelle überstrichenen Außendurchmesser. Durch die erfin­ dungsgemäße Maßnahme wird vorteilhafterweise gewährleistet, daß die Größe der in Gleitkontakt stehenden Oberflächen innerhalb des Axiallagers auf das absolut notwendige Minimum reduziert ist, was zu einer reduzierten Reibung in dem Axiallager führt. Da außerdem die Bereiche hohen Drucks und niedrigen Drucks innerhalb des Spiralverdichters durch das Axialla­ ger getrennt sind, ist so auch der Druck auf das Axiallager wegen der er­ findungsgemäßen Reduzierung seines Durchmessers deutlich reduziert. Ins­ gesamt wird also durch die erfindungsgemäße Maßnahme gewährleistet, daß einerseits die miteinander in Gleitkontakt stehenden Oberflächen des Axiallagers verkleinert sind und daß andererseits der Druck auf das Axial­ lager reduziert ist, so daß die Wahrscheinlichkeit eines Festfressens des Axiallagers wesentlich gesenkt werden kann, bzw. seine Lebensdauer wesent­ lich verlängert wird.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsge­ mäßen Spiralverdichter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentanspruch, an­ dererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters bzw. eines bekannten Spiralverdichters in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters im Schnitt,

Fig. 2 A eine Ausführungsform des Axiallagerbereiches eines erfindungsge­ mäßen Spiralverdichters vergrößert und im Schnitt,

Fig. 2 B die Ausführungsform des Axiallagerbereiches eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters in einer Querschnittsprojektion,

Fig. 3 A eine Ausführungsform des Axiallagerbereiches bei einem bekannten Spiralverdichter vergrößert und im Schnitt und

Fig. 3 B die Ausführungsform des Axiallagerbereiches eines bekannten Spiral­ verdichters in einer Querschnittsprojektion.

Der in Fig. 1 dargestellte Spiralverdichter 1 weist ein druckdichtes Gehäu­ se 6 auf. Dieses druckdichte Gehäuse 6 weist auf einen Zylinder 3 mit ei­ nem Kühlmittelansaugstutzen 2, eine das obere Ende des Zylinders 3 abdich­ tende obere Abschlußkappe 4 und eine das untere Ende des Zylinders 3 abdich­ tende untere Abschlußkappe 5. Die obere Abschlußkappe 4 ist außerdem mit einem Kühlmittelausstoßstutzen 7 und einem Stromversorgungsanschluß 9 für den Elektro­ motor 8 versehen.

Der Elektromotor 8, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, weist auf eine Antriebswelle 10 und einen mit der Antriebswelle 10 verbundenen Rotor 11, wobei der Rotor 11 von einem Permanentmagneten und einem mit der inneren Oberfläche des Zylinders 3 verbundenen und von einer Spulenwicklung 12 umgebenen Stator 13 umgeben ist.

Die Antriebswelle 10 ist über ein Radiallager 15 in einem oberen Lagerblock 14 frei drehbar gehalten und weist an ihrem oberen Ende ein oberes Ausgleichge­ wicht 16 auf. Unterhalb des oberen Ausgleichgewichtes 16 ist der Rotor 11 an der Antriebswelle 10 befestigt. Unterhalb des Rotors 11 ist an der An­ triebswelle 10 ein unteres Ausgleichgewicht 17 befestigt, dessen unterer Teil in eine Durchgangsbohrung 19 in einem unteren Lagerblock 18, der spä­ ter näher erläutert wird, hineinragt. Der untere Teil des unteren Ausgleich­ gewichtes 17 ist in einem Hauptlager 20 gelagert, so daß es frei rotieren kann. Am unteren Ende der Antriebswelle 10 ist weiter eine, einen exzen­ trischen Fortsatz der Antriebswelle 10 bildende Oszillationswelle 21 ange­ ordnet.

Der untere Lagerblock 18 ist an der inneren Oberfläche des Zylinders 3 be­ festigt und mit einer im Zentrum vorgesehenen Durchgangsbohrung 19 versehen. Ein ortsfestes Spiralelement 22, welches später noch im Detail beschrieben wird, ist an der unteren Oberfläche des unteren Lagerblocks 18 mit einem Bolzen 27 befestigt. Hierdurch ist gleichzeitig gewährleistet, daß ein os­ zillierendes Spiralelement 23, welches ebenfalls später im Detail beschrie­ ben wird, so gehalten wird, daß es frei oszillieren kann. Außerdem ist zu­ sätzlich zu dem Hauptlager 20 ein zwischen der Antriebswelle 10 und dem unteren Lagerblock 18 angeordnetes Axiallager 37, welches später näher er­ läutert wird, zur Lagerung der Antriebswelle 10 vorgesehen. Weiter ist we­ sentlich, daß der Durchmesser des unteren Teils der Durchgangsbohrung 19 erweitert ist, so daß ein vorspringender Teil 23b des oszillierenden Spi­ ralelementes 23, in welchem eine Aufnahmebohrung 23a vorgesehen ist, in dem unteren Lagerblock 18 frei oszillieren kann.

Zur Aufnahme eines Oldham-Ringes 24 einer bekannten Oldham-Kupplung, der eine Drehbewegung des oszillierenden Spiralelementes 23 bei seiner Oszillation ver­ hindert, ist eine Oldham-Ring-Führungsnut 25 in der unteren Oberfläche des unteren Lagerblocks 18 vorgesehen. An der unteren Oberfläche des unteren Lagerblocks 18 ist weiter ein unteres Axiallager 26 für das oszillierende Spiralelement 23 angeordnet, welches mit einer Schmiermittelnut zur Ver­ sorgung mit dem als Schmiermittel dienenden Öl versehen ist.

Das oszillierende Spiralelement 23 weist in der Mitte seiner oberen Ober­ fläche den vorspringenden Teil 23b auf. Im vorspringenden Teil 23b ist die an die Oszillationswelle 21 angepaßte Aufnahmebohrung 23a vorgesehen. Die oszillierende Spirale 23c des oszillierenden Spiralelementes 23 wird an der unteren Oberfläche des oszillierenden Spiralelementes 23 von einer spiralför­ migen Windung gebildet.

Das ortsfeste Spiralelement 22 ist mit einer ortsfesten Spirale 22a ver­ sehen, welche durch Ineingriffstehen mit der oszillierenden Spirale 23c den Verdichtungsraum 28 bildet. Zwischen dem Ende des Verdichtungsraumes 28 und dem Kühlmittelansaugstutzen 2 ist auf einer Seite des Spiralverdich­ ters 1 eine Ansaugkammer 22b vorgesehen. Weiter ist im Zentrum der unteren Oberfläche des ortsfesten Spiralelementes 22 ein Kühlmittelausstoß 22c vor­ gesehen, der mit der letzten Stufe des Verdichtungsraumes 28 verbunden ist. An der unteren Oberfläche des ortsfesten Spiralelementes 22 ist außerdem eine Abdeckung 30 befestigt, die einen Kühlmittelausstoßbereich 29 bildet. Zu beachten ist weiter, daß im mittleren Bereich des Verdichtungsraumes 28 ein Bypasskanal 31 vorgesehen ist, der den Verdichtungsraum 28 mit dem Kühl­ mittelausstoßbereich 29 verbindet, und der geöffnet wird, wenn der Druck im Verdichtungsraum 28 einen bestimmten Wert überschreitet.

Ist nun der Elektromotor 8 des beschriebenen Spiralverdichters 1 in Betrieb, so oszilliert das über die Oszillationswelle 21 an die Antriebswelle 10 des Elektromotors 8 angeschlossene oszillierende Spiralelement 23 relativ zu dem ortsfesten Spiralelement 22, so daß der von der oszillierenden Spirale 23c und der ortsfesten Spirale 22a gebildete Verdichtungsraum 28 nach und nach sein Volumen von der Ansaugseite hin zu Ausstoßseite reduziert. Diese Redu­ zierung führt dazu, daß das über den Kühlmittelansaugstutzen 2 angesaugte Kühlmittel zunächst komprimiert und anschließend über den Kühlmittelaus­ stoß 22c, in den Kühlmittelausstoßbereich 29 ausgestoßen wird. Anschließend strömt das Kühlmittel über einen als durchgehende Bohrung in dem ortsfesten Spiralelement 22 und dem unteren Lagerblock 18 vorgesehenen Kühlmittelaus­ stoßkanal 32 und ein am unteren Lagerblock 18 befestigtes, nach oben abra­ gendes Rohr 33 in eine Hochdruckkammer 34, in der auch der Elektromotor 8 angeordnet ist. Von der Hochdruckkammer 34 entweicht das Kühlmittel über den Kühlmittelausstoßstutzen 7 zum nächsten Durchlauf in den Kühlmittel-Kreis­ lauf.

Das als Schmiermittel dienende Öl, welches in der Hochdruckkammer 34 durch die Rotation des Elektromotors 8 zurückgewonnen wird, sammelt sich in einer Ölwanne 35, die am oberen Ende des unteren Lagerblocks 18 vorgesehen ist. Das in der Ölwanne 35 gesammelte, als Schmiermittel dienende Öl gelangt, aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckkammer 34 und der Ansaug­ seite des Verdichtungsraumes 28 über einen, in Fig. 1 und teilweise in Fig. 2A dargestellten Öleinlaß 36 in einen, in Fig. 2A dargestellten oberen ring­ förmigen Zwischenraum 41 oberhalb des Axiallagers 37.

Das in den oberen ringförmigen Zwischenraum 41 gelangte, als Schmiermittel dienende Öl, das dort u. a. zur Schmierung des Hauptlagers 20 dient, teilt sich anschließend zwischen zwei Schmiermittelwegen auf. Der erste Schmier­ mittelweg wird von einer Öltransportnut 38 gebildet, die als aufsteigende spiralförmige Nut an der äußeren Oberfläche der Antriebswelle 10 vorgesehen ist. Über den ersten Schmiermittelweg gelangt das als Schmiermittel dienende Öl bis an das obere Ende der Öltransportnut 38 und fließt von dort aus zu­ rück in die Ölwanne 35. Auf dem zweiten Schmiermittelweg gelangt das als Schmiermittel dienende Öl von dem oberen ringförmigen Zwischenraum 41 über eine Öltransportbohrung 39 in einen scheibenförmigen Zwischenraum 40, der von dem Ende der Oszillationswelle 21 und der Aufnahmebohrung 23a gebildet wird.

Der zweite Schmiermittelweg sorgt dafür, daß, aufgrund des flußbegrenzenden Effektes des geringen Spiels zwischen der äußeren Oberfläche der Oszillations­ welle 21 und der inneren Oberfläche der Aufnahmebohrung 23a, der Druck in dem scheibenförmigen Zwischenraum 40 auf einem hohen Niveau liegt. Das dennoch durch das Spiel zwischen der Oszillationswelle 21 und der Aufnahmebohrung 23a gepreßte und dort für Schmierung sorgende Öl gelangt in einen unteren ring­ förmigen Zwischenraum 42 unterhalb des Axiallagers 37. Von diesem unteren ringförmigen Zwischenraum 42 aus sorgt es für die Schmierung der Oldham-Ring- Führungsnut 25 und des Oldham-Rings 24 und gelangt anschließend in die An­ saugkammer 22b des ortsfesten Spiralelementes 22. Von der Ansaugkammer 22b aus wird das als Schmiermittel dienende Öl vom Kühlmittel mit in den Verdich­ tungsraum 28 gerissen, wo es als Schmier- und Dichtmittel des Verdichtungs­ raumes 28 dient.

Wie in den Fig. 3A und 3B dargestellt, ist auch bei aus dem Stand der Technik bekannten Spiralverdichtern das Axiallager 37 zwischen der Antriebswelle 10 und dem unteren Lagerblock 18 angeordnet, um einerseits die unten näher be­ schriebenen Axialkräfte aufzunehmen und um andererseits den unter hohem Druck stehenden oberen ringförmigen Zwischenraum 41 gegen den unter niedrigem Druck stehenden unteren ringförmigen Zwischenraum 42 abzudichten. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spiralverdichtern ist, im Gegensatz zu dem er­ findungsgemäßen Spiralverdichter 1, der Innendurchmesser des Axiallagers 37 größer oder gleich dem von der Oszillationswelle 21 überstrichenen Bereich, so daß gewährleistet ist, daß die Oszillationswelle 21, die ja einen exzen­ trischen Fortsatz der Antriebswelle 10 bildet, ihre oszillierende Bewegung ungehindert ausführen kann.

Je größer jedoch der Innendurchmesser des Axiallagers 37 ist, um so größer ist die Fläche des Gleitkontaktes zwischen dem Axiallager 37 und der Antriebs­ welle 10 bzw. dem unteren Lagerblock 18. Aufgrund des somit höheren Gleit­ widerstandes entsteht das Problem, daß die Reibung zwischen dem Axiallager 37 und der Antriebswelle 10 bzw. dem unteren Lagerblock 18 vergrößert ist. Ein weiteres Problem besteht darin, daß, je kleiner die Fläche am Ende der An­ triebswelle 10, die in Kontakt mit den Bereichen niedrigen Druckes ist, um so kleiner auch der Druck auf das Axiallager 37 ist, da die Bereiche hohen Druckes und niedrigen Druckes durch das Axiallager 37 voneinander getrennt sind. Dies heißt mit anderen Worten, daß es um so vorteilhafter ist, je klei­ ner der Innendurchmesser des Axiallagers 37 ist.

Montiert man nun das Axiallager 37 in einem Verbindungsabschnitt 44 am un­ teren Ende der Antriebswelle 10, über den die Oszillationswelle 21 mit der Antriebswelle 10 verbunden ist, so ist es notwendig, daß das Axiallager 37 den Umfang der Oszillationswelle 21 umschließt, damit es über die Oszilla­ tionswelle 21 geschoben werden kann. Das bedeutet, daß der Innendurchmesser des Axiallagers 37 nicht kleiner gewählt werden kann als der Außendurch­ messer der Oszillationswelle 21. Hieraus folgt wiederum, daß der Außen­ durchmesser der Oszillationswelle 21 so klein als möglich zu wählen ist. Es existiert allerdings eine unter Grenze für den äußeren Durchmesser der Oszillationswelle 21, die nicht unterschritten werden darf, da die Oszilla­ tionswelle 21 die Last aufnimmt, die aus der Bewegung des oszillierenden Spiralelementes 23 resultiert.

Weiter wird der erfindungsgemäße Spiralverdichter dadurch vorteilhaft weiter­ gebildet, daß im Verbindungsabschnitt 44 ein Wellenabschnitt 43 mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser der Oszillationswel­ le 21 ist, zwischen der Antriebswelle 10 und der Oszillationswelle 21 ange­ ordnet ist, um das einen dem Außendurchmesser der Oszillationswelle 21 ent­ sprechenden Innendurchmesser aufweisende Axiallager 37 montieren zu können. Wichtig ist dabei, daß die Höhe des Wellenabschnitts 43 mit reduziertem Durchmesser mindestens der Höhe des Axiallagers 37 entspricht. In einem derart ausgebildeten Wellenabschnitt 43 kann das über die Oszillationswel­ le 21 hinweg geschobene Axiallager 37 quer zur Achse der Antriebswelle 10 verschoben werden, so daß es ohne weiteres in seine endgültige Position ge­ bracht werden kann, nämlich zwischen die Antriebswelle 10 und den unteren Lagerblock 18, mit seiner inneren Oberfläche in Kontakt mit der äußeren Ober­ fläche des Verbindungsabschnittes 44. Gäbe es diese Konstruktion nicht, so müßte das Axiallager 37 extern angesetzt werden (Halbschalenlager) oder die Wellen 10, 21 müßten trennbar gekuppelt sein.

Wie nunmehr ausführlich erläutert worden ist, ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spiralverdichters 1 gewährleistet, daß die Gleitkontakt­ fläche des Axiallagers 37 dadurch auf ein Minimum reduziert werden kann, daß der Innendurchmesser des Axiallagers 37 dem Außendurchmesser der Oszil­ lationswelle 21 entspricht. Diese reduzierte Gleitkontaktfläche führt zu einer reduzierten Reibung in dem Axiallager 37 und zu einem reduzierten Druck auf das Axiallager 37 und somit im Ergebnis dazu, daß die Wahrschein­ lichkeit eines Festfressens des Axiallagers 37 wesentlich reduziert ist bzw. dazu, daß das Axiallager eine wesentlich verlängerte Lebensdauer aufweist.

Claims (2)

1. Spiralverdichter, mit einem druckdichten Gehäuse (6), mit einem im Hoch­ druckbereich des Gehäuses (6) angeordneten Elektromotor (8) mit einer An­ triebswelle (10), mit einer, einen exzentrischen Fortsatz der Antriebs­ welle (10) bildenden Oszillationswelle (21), mit einem eine Aufnahmeboh­ rung (23a) für die Oszillationswelle (21) aufweisenden oszillierenden Spi­ ralelement (23), mit einem durch Ineingriffstehen mit dem oszillierenden Spiralelement (23) einen Verdichtungsraum (28) bildenden ortsfesten Spiral­ element (22) und mit einem das oszillierende Spiralelement (23) führenden und das ortsfeste Spiralelement (22) haltenden unteren Lagerblock (18), wo­ bei der Elektromotor (8) einen mit dem Gehäuse (6) verbundenen Stator (13) und einen mit der Antriebswelle (10) verbundenen Rotor (11) aufweist und wobei zwischen dem unteren Ende der Antriebswelle (10) und dem unteren La­ gerblock (18) ein Axiallager (37) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Axiallagers (37) in etwa dem Außendurchmesser der Oszillationswelle (21) entspricht.

2. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er­ leichterung der Montage des einen mit dem Außendurchmesser der Oszillations­ welle (21) übereinstimmenden Innendurchmesser aufweisenden Axiallagers (37) in einem Verbindungsabschnitt (44) zwischen der Antriebswelle (10) und der Oszillationswelle (21) ein, einen geringeren Durchmesser als die Oszillations­ welle (21) aufweisender Wellenabschnitt (43) vorgesehen ist.