DE60030036T2

DE60030036T2 - Spiralverdichter

Info

Publication number: DE60030036T2
Application number: DE60030036T
Authority: DE
Inventors: Mitsubishi Heavy Industries Takahide Nakamura-ku Nagoya-shi Itoh; Mitsubishi Heavy Industries Ltd. Hisao Nishi-kasugai-gun Mizuno
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: NO20002915L; KR100350750B1; ATE336657T1; JP2000352386A; EP1059447B1; DE60030036D1; US6322340B1; EP1059447A1; KR20010007061A; NO20002915D0; CN1276484A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scroll-Kompressor bzw. Spiralverdichter, und insbesondere einen Scroll-Kompressor, der für einen Dampfkompressions-Kältekreislauf geeignet ist, der ein Kältemittel verwendet, das beispielsweise den superkritischen Bereich von Kohlendioxid (CO₂) aufweist.
U.S. 5,088,906 A offenbart in Kombination die technischen Merkmale des Oberbegriffs des untenstehenden Anspruchs 1.
Beschreibung des Stands der Technik
Kürzlich wurde ein Kältekreislauf vorgeschlagen, der Kohlendioxid (nachstehend als ein „Kohlendioxid-Kreislauf" bezeichnet) als ein Arbeitsgas (Kältemittelgas) nutzt, beispielsweise in der geprüften japanischen Patentanmeldung, zweite Veröffentlichung, Nr. Hei 7-18602, als eine Maßnahme zur Eliminierung der Nutzung von Freon (Dichlorfluormethan) als ein Kältemittel in dem Kältekreislauf des Dampfkompressionstyps. Dieser Kohlendioxid-Kreislauf ist identisch mit dem herkömmlichen Kältekreislauf des Dampfkompressionstyps, der Freon verwendet. Das heißt, wie durch A-B-C-D-A in 5 gezeigt, die ein Mollier-Diagramm für Kohlendioxid zeigt, wird das Kohlendioxid in der Gasphase durch einen Kompressor (A-B) komprimiert, und dieses gasförmige Kohlendioxid, das auf eine hohe Temperatur komprimiert wurde, wird in einem Kühler gekühlt, wie beispielsweise einem Gaskühler (B-C). Als nächstes wird das Kohlendioxid unter Verwendung eines Dekompressors (C-D) dekomprimiert, das Kohlendioxid, das sich in eine flüssige Phase geändert hat, wird verdampft (D-A), und ein externes Fluid, wie beispielsweise Luft, wird durch Entfernen seiner gebundenen Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie gekühlt.
Die kritische Temperatur von Kohlendioxid beträgt jedoch ungefähr 31°, was verglichen mit der kritischen Temperatur von Freon, dem herkömmlichen Kältemittel, niedrig ist. Wenn die Außentemperatur hoch ist, zum Beispiel während des Sommers, ist die Temperatur des Kohlendioxids auf der Seite des Kühlers höher als seine kritische Temperatur. Dies heißt, dass das Kohlendioxid an der Auslassseite des Kühlers nicht kondensiert. In 5 wird dies durch die Tatsache gezeigt, dass die BC-Linie nicht die SL-Linie der gesättigten Flüssigkeit kreuzt. Außerdem wird der Zustand an der Ausgangsseite des Kühlers (Punkt C) durch den Verdichtungsdruck des Kompressors und die Temperatur des Kohlendioxids an der Auslassseite des Kühlers bestimmt. Außerdem wird die Temperatur des Kohlendioxids an der Auslassseite des Kühlers durch die Kühlkapazität des Kühlers und die Temperatur der nicht steuerbaren Außenluft bestimmt. Aufgrund dessen kann die Temperatur an dem Kühlerauslass im Wesentlichen nicht gesteuert werden. Deshalb kann der Zustand der Auslassseite des Kühlers (Punkt C) durch den Verdichtungsdruck des Kompressors gesteuert werden, das heißt, den Druck an der Auslassseite des Kühlers. Das heißt, dass, um eine ausreichende Kühlkapazität (Enthalpie-Unterschied) zu garantieren, wenn die Temperatur der Außenluft hoch ist, zum Beispiel während des Sommers, wie durch E-F-G-H-E gezeigt, der Druck an der Auslassseite des Kühlers hoch sein muss. Um dies zu erreichen, muss der Betriebsdruck des Kompressors hoch sein, verglichen mit dem Kühlkreislauf, der bei herkömmlichem Freon verwendet wird. In dem Fall einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug beträgt beispielsweise der Betriebsdruck des Kompressors, wenn Freon (Marke R134) verwendet wird, ungefähr 3 kg/cm², während im Gegensatz dazu dieser Druck für Kohlendioxid auf ungefähr 40 kg/cm² angehoben werden muss. Außerdem beträgt der Betriebsanhaltedruck, wenn Freon (Marke R134) verwendet wird ungefähr 15 kg/cm², während er im Gegensatz dazu für Kohlendioxid auf ungefähr 100 kg/cm² angehoben werden muss.
Unter Bezugnahme auf 6 wird unten ein typischer Scroll-Kompressor erklärt, wie in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, erste Veröffentlichung, Nr. Hei 5-149270 offenbart. Wie in 6 gezeigt, sind in einem Gehäuse (nicht gezeigt) ein festes Spiralelement 100, ein umlaufendes Spiralelement 101 und eine exzentrische Achse bzw. Welle 102 vorgesehen.
Die feste Spirale 100 ist durch eine Endplatte 100a ausgebildet, die eine Ablassöffnung zum Ablassen des Arbeitsgas des Kompressors (nicht dargestellt) und einen Evolventenwickel (involute wrap) 106 vorsieht, der auf einer Fläche dieser Endplatte 100a vorgesehen ist.
Die umlaufende Spirale 101 ist durch eine Endplatte 101a ausgebildet, die eine Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 und eine Exzenterachsenseiten-Endplatte 106, einen Evolventenwickel 101b, der an der Fläche der Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 vorgesehen ist, die der Endplatte 100a der festen Spirale zugewandt ist, und einen Eingriffsteil 103 aufweist, der an der Fläche der Exzenterachsenseiten-Endplatte 106 vorgesehen ist, die nicht der Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 zugewandt ist, und in ihm die Exzenterachse 102 aufnimmt, wie unten beschrieben. Die Evolventen-Kompressionskammer 104 ist durch ein Montieren der festen Spirale 100 und der umlaufenden Spirale 101 in dem Gehäuse ausgebildet, derart, dass der Evolventenwickel 100b der festen Spirale 100 und der Evolventenwickel 101b der umlaufenden Spirale 101 ineinandergreifen. Dadurch kann, wenn die umlaufende Spirale 101 exzentrisch bezüglich der festen Spirale 100 gedreht wird, durch ein Drehen der in dem Eingriffsteil 103 montierten Exzenterachse 102, während das Arbeitsgas in dem Gehäuse in der Kompressionskammer 104 komprimiert wird, das Arbeitsgas aus der Ablassöffnung abgelassen werden, die an der Endplatte 100a der festen Spirale 100 vorgesehen ist.
Des Weiteren erfordert, wie oben erklärt, ein Scroll-Kompressor, der Kohlendioxid als ein Arbeitsgas verwendet, eine hohe Umdrehung und einen hohen Druck. Somit gibt es Bedenken hinsichtlich einer Verschlechterung der Kapazität aufgrund einer Leckage des Arbeitsgases. Um dies zu verhindern, drückt die umlaufende Spirale 101 gegen die feste Spirale 100. Das heißt, entlang der axialen Richtung der umlaufenden Spirale 101, ist die Endplatte 100a von ihr in eine Evolventenwickelseiten-Endplatte 105, die einen Evolventenvorsprung 10b vorsieht, und eine Exzenterachsenseiten-Endplatte 106 unterteilt, die einen Eingriffsteil 103 vorsieht. Außerdem ist ein abgedichteter Zwischenraum 107 zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 und der Exzenterachsenseiten-Endplatte 106 ausgebildet. Ferner ist an der Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 ein enges Loch 108 ausgebildet, zum Einführen des Hochdruck-Arbeitsgases in der Kompressionskammer 104 in den abgedichteten Raum 107. Des Weiteren bezeichnet das Bezugszeichen 109 in der 6 ein Dichtungsteil zum Abdichten des abgedichteten Zwischenraums 107.
Durch ein Übernehmen dieser Art von Struktur wird ein Teil des Hochdruck-Arbeitsgases in der Kompressionskammer 104 in den abgedichteten Zwischenraum 107 über das enge Loch 108 eingeführt, und füllt den abgedichteten Zwischenraum 107. Wenn man die nach oben gerichtete Kraft, die von dem abgedichteten Zwischenraum 107 auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 wirkt, und die nach unten gerichtete Kraft vergleicht, die von der Kompressionskammer 104 auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 wirkt, ist die nach oben gerichtete Kraft größer als die nach unten gerichtete Kraft, und somit erhebt sich die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 als ein Ganzes nach oben und drückt gegen die Seite der festen Spirale 100. Deshalb sind die Endplatte 100a der festen Spirale 100 und die Endplatte 105 der umlaufenden Spirale 101 in innigem Kontakt. Somit wird eine Gasleckage aus dem Raum zwischen der festen Spirale 100 und der umlaufenden Spirale 101 behindert.
Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Scroll-Kompressor muss die Umdrehung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 106 der umlaufenden Spirale 101 jedoch auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 über das oben beschriebene Dichtungselement 109 übertragen werden. Somit gibt es das Problem einer geringen Übertragungseffizienz.
Somit wird die auf das Dichtungselement 109 wirkende Reibung ernst, und es gibt das Problem, dass der Austauschvorgang des Dichtungselements 109 Arbeit erfordert.
Des Weiteren wird, wie oben beschrieben, bei dem herkömmlichen Scroll-Kompressor ein komprimiertes Arbeitsgas verwendet, und die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 wird gegen die Seite der festen Schraube 100 gedrückt. Insbesondere während des Betriebs des Scroll-Kompressors wird jedoch die Komprimierung des Arbeitsgases nicht ausreichend groß, und somit ist die Kraft, welche die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 gegen die feste Spirale 100 drückt, schwach und die Kompressionseffizienz ist gering.
Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Scroll-Kompressor bereitzustellen, der eine Drehung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 106 der umlaufenden Spirale auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 mit einer guten Effizienz überträgt, und die Evolventenwickelseiten-Endplatte 105 kontinuierlich und ausreichend gegen die feste Spirale 100 drückt, ohne Reibung mit dem Dichtungselement 109 zu verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Scroll-Kompressor mit einer festen Spirale mit einer Endplatte und einem Evolventenwickel, der an einer Fläche der Endplatte vorgesehen ist, und einer umlaufenden Spirale, die eine Endplatte, einen Eingriffsteil, der an einer Fläche der Endplatte vorgesehen ist und eine exzentrische Achse bzw. Exzenterachse in ihm aufnimmt, und einen Evolventenwickel aufweist, der an der anderen Fläche der Endfläche vorgesehen ist und eine Vielzahl von Kompressionskammern durch die Kombination mit dem Evolventenwickel der festen Spirale ausbildet, wobei die Endplatte der umlaufenden Spirale entlang der axialen Richtung von ihr in eine Evolventenwickelseiten-Endplatte, die einen Evolventenwickel vorsieht, und Exzenterachsenseiten-Endplatte unterteilt ist, die den Eingriffsteil vorsieht, und wobei ferner ein Übertragungsmechanismus vorgesehen ist, der eine Bewegung dieser Evolventenwickelseiten-Endplatte in die axiale Richtung bezüglich der Exzenterachsenseiten-Endplatte zulässt, aber eine Bewegung in die radiale Richtung oder Umfangsrichtung verhindert, und die Umlaufbewegung der Exzenterachsenseiten-Endplatte auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte überträgt.
Dieser Scroll-Kompressor überträgt effizient die Drehung der Exzenterachsenseiten-Endfläche auf die Evolventenwickelseiten-Endfläche durch ein Übertragungsmittel, und kann einen Antriebsverlust verringern. Des Weiteren ist, weil es keine Beschädigung des Dichtungselements gibt, eine Instandhaltung desselben nicht notwendig.
Der Scroll-Kompressor umfasst ferner ein elastisches Element, dass die Evolventenwickelseiten-Endfläche in die Richtung der festen Spirale drückt, und das zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte und der Exzenterachsenseiten-Endplatte angebracht ist.
Mit diesem Scroll-Kompressor wird die Evolventenwickelseiten-Endfläche kontinuierlich gegen die feste Spirale durch das elastische Element gedrückt. Das heißt, ein einen Gegendruck aufbringender Mechanismus, der die Endplatte der umlaufenden Spirale gegen die Seite der festen Spirale drückt, ist an der umlaufenden Spirale vorgesehen. Dadurch tritt, sogar während des Betriebsbeginns des Scroll-Kompressors, keine Gasleckage aus der Kompressionskammer auf, und somit wird die Kompressionseffizienz hoch. Ferner sind bei diesem Scroll-Kompressor sowohl der einen Gegendruck aufbringende Mechanismus als auch der Übertragungsmechanismus mit einer nachgiebigen bzw. federnden Struktur an der Seite der umlaufenden Spirale vorgesehen. Wenn der Scroll- Kompressor, bei dem die feste Spirale als ein Ganzes eine schwimmende Struktur aufweist, und bei dem ein Gegendruck-Block an der rückseitigen Fläche der festen Spirale vorgesehen ist, mit dem oben beschriebenen Scroll-Kompressor verglichen wird, kann bei dem oben beschriebenen Scroll-Kompressor die Hochdruck-Kompressionskammer kompakt ausgeführt werden, und somit ist das Ergebnis eine Einhausung mit einer verringerten Größe. Insbesondere wird eine preiswerte flache Feder als das elastische Element verwendet.
Vorzugsweise umfasst der Übertragungsmechanismus Stifteinpassungslöcher, die parallel zu der axialen Richtung an dem äußeren Umfang der Evolventenwickelseiten-Endplatte und der Exzenterachsenseiten-Endplatte ausgebildet sind, und Stifte passen frei gleitbar in die Stifteinpassungslöcher von der Evolventenwickelseiten-Endfläche oder der Exzenterachsenseiten-Endfläche, weil die Struktur vereinfacht wird.
Vorzugsweise umfasst der Scroll-Kompressor auch abgedichtete Zwischenräumen, die zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte und der Exzenterachsenseiten-Endplatte ausgebildet sind, und ferner ist Einführungsloch ausgebildet, um Arbeitsgas in der Kompressionskammer in die Evolventenwickelseiten-Endplatte einzuführen.
Gemäß diesem Scroll-Kompressor wird, zusätzlich zu dem elastischen Element, die Evolventenwickelseiten-Endplatte gegen die feste Spirale durch das Arbeitsgas in der Kompressionskammer gedrückt.
Insbesondere sind vorzugsweise zwei abgedichtete Zwischenräume ausgebildet, und das Arbeitsgas in der Mitteldruck-Kompressionskammer wird in einen abgedichteten Zwischenraum eingeführt, und das Arbeitsgas in der Hochdruck-Kompressionskammer wird in den anderen abgedichteten Zwischenraum eingeführt.
Ein Verfahren zum Betreiben des Scroll-Kompressors, bei dem ein hoher Betriebsdruck zum Beispiel auf einen Kältekreislauf angewandt wird, umfasst den Schritt der Verwendung von Kohlendioxid als das Arbeitsgas.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Zeichnung im Längsschnitt, die eine erste Ausführungsform des Scroll-Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Zeichnung im Querschnitt der in 1 gezeigten umlaufenden Spirale.
3A und 3B sind Zeichnungen im Querschnitt, die ein anderes Beispiel einer umlaufenden Spirale zeigen, und welche die Spirale in gegenseitig orthogonalen Richtungen geschnitten zeigen.
3C, 3D und 3E sind Zeichnungen, die ein anderes Beispiel der umlaufenden Spirale zeigen, und sind eine Draufsicht, welche die Evolventenwickelseiten-Endplatte zeigt, eine Draufsicht, welche die Exzenterachsenseiten-Endplatte zeigt, beziehungsweise eine Draufsicht, welche die flache Feder zeigt.
4 ist eine schematische Zeichnung, die einen Kältekreislauf des Dampfkompressionstyps zeigt.
5 ist ein Mollier-Diagramm für Kohlendioxid.
6 ist eine Querschnittansicht der essentiellen Teile eines herkömmlichen Scroll-Kompressors.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Als nächstes wird eine Ausführungsform des Scroll-Kompressors der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
Als erstes wird auf 4 für den Kohlendioxid-Kreislauf für den Scroll-Kompressor der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Die in 4 gezeigten Kohlendioxid-Kreisläufe treffen zum Beispiel auf ein Klimaanlagensystem für ein Kraftfahrzeug zu.
In 4 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Scroll-Kompressor, der Kohlendioxid komprimiert, das in einem gasförmigen Zustand ist. Der Scroll-Kompressor 1 wird dadurch angetrieben, dass er Leistung von einer Antriebsquelle erhält, wie beispielsweise einem Motor (nicht dargestellt). Das Bezugszeichen 1a bezeichnet einen Kühler, wie beispielsweise einen Gaskühler, der das Kohlendioxid, das durch den Scroll-Kompressor 1 komprimiert wurde, durch einen Wärmeaustausch mit der Außenluft kühlt. Das Bezugszeichen 1b bezeichnet ein Drucksteuerventil, das den Druck der Auslassseite des Kühlers 1a gemäß der Temperatur des Kohlendioxids an der Auslassseite des Kühlers 1a steuert. Das Bezugszeichen 1c ist eine Messvorrichtung. Das Kohlendioxid wird durch das Drucksteuerventil 1b und die Messvorrichtung 1c dekomprimiert, und das Kohlendioxid ändert sich in einen Gas-Flüssigkeitszustand mit zwei Phasen bei einer geringen Temperatur und einem geringen Druck. Das Bezugszeichen 1d zeigt eine Verdampfer, wie beispielsweise eine Wärmesenke, die als ein Luftkühlmechanismus in einem Kraftfahrzeug-Fahrgastraum dient. Wenn das flüssig-gasförmige Zweiphasen-Kohlendioxid bei einer geringen Temperatur und einem geringen Druck in dem Verdampfer verdampft wird, d.h. verdunstet, wird die Luft in dem Kraftfahrzeugfahrgastraum durch Entfernen der gebundenen Verdampfungsenthalpie von der Luft in dem Kraftfahrzeugfahrgastraum gekühlt. Das Bezugszeichen 1e bezeichnet einen Akkumulator, der das Gasphasen-Kohlendioxid temporär sammelt. Der Scroll-Kompressor 1, der Kühler 1a, das Drucksteuerventil 1b, die Messvorrichtung 1c, der Verdampfer 1d und der Akkumulator 1e sind jeweils durch einen Kanal 1f verbunden, um ein geschlossenes System auszubilden.
Als nächstes wird eine bevorzugte Ausführungsform des oben beschriebenen Scroll-Kompressors unter Bezugnahme auf 1 erklärt. Die Einhausung (Gehäuse) 1A des Scroll-Kompressors 1 ist durch einen schalenförmigen Gehäusekörper 2 und ein vorderes Gehäuse (Kurbelwellengehäuse) 4 ausgebildet, das an ihm durch einen Bolzen 3 befestigt ist. Die Kurbelwelle 5 geht durch das vordere Gehäuse 4 durch, und ist frei drehbar in dem vorderen Gehäuse 4 über ein Hauptlager 6 und ein Nebenlager 7 gestützt. Die Umdrehung des Kraftfahrzeugmotors (nicht gezeigt) wird über eine bekannte elektromagnetische Kupplung 32 auf die Kurbelwelle 5 übertragen. Des Weiteren bezeichnen die Bezugszeichen 32a beziehungsweise 32b die Spule und Riemenscheibe der elektromagnetischen Kupplung 32.
Im Innern der Einhausung 1A sind das umlaufende Spiralelement 9 und das feste Spiralelement 8 angeordnet. Ferner ist ein Oldhamring 27 zwischen der festen Spirale 8 und der umlaufenden Spirale 9 montiert, der eine Eigendrehung der umlaufenden Spirale 9 verhindert, und ein Umlaufen der umlaufenden Spirale 9 bezüglich der festen Spirale 8 zulässt.
Die feste Spirale 8 umfasst eine Endplatte 10 und einen Evolventenwickel 11, der an einer Innenfläche davon vorgesehen ist. Diese Endplatte 10 ist mit dem Gehäusekörper 2 durch einen Bolzen 12 verankert. Außerdem ist an der äußeren Umfangsfläche der Endplatte 10 eine Nut zur Montage eines O-Rings 14 ausgebildet, und ein O-Ring 14 ist in dieser Nut angeordnet. Dieser O-Ring 14 ist in innigem Kontakt mit der inneren Umfangsfläche des Gehäusekörpers. Dadurch wird das Innere des Gehäusekörpers 2 in eine Niederdruck-Kammer (Einlasskammer) 15 und eine Hochdruck-Kammer (Ablasskammer) 16 unterteilt. Ferner ist an der Endplatte 10 eine Ablassöffnung 34 ausgebildet, und ein Ablassventil 35 ist zum Öffnen und Schließen dieser Ablassöffnung 34 montiert.
Die umlaufende Spirale 9 ist durch eine Endplatte 17 ausgebildet, die eine Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und eine Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b umfasst, und ein Evolventenwickel 18 ist an der Innenfläche davon vorgesehen. Dieser Evolventenwickel 18 weist eine Form auf, die im Wesentlichen identisch mit derjenigen des Evolventenwickels 11 der festen Spirale 8 ist. Die jeweiligen Evolventenwickel 18 und 11 der umlaufenden Spirale 9 und der festen Spirale 8 sind so in dem Gehäuse 1A montiert, dass sie um den Radius der Rotationsumlaufbahn exzentrisch sind, und dadurch ineinandergreifen, dass sie um eine Rotationsphase um 180° versetzt sind. Dadurch sind die Seitenflächen der Evolventenwickel 11 und 18 an einer Vielzahl von Stellen in innigem Kontakt. Außerdem ist die Spitzendichtung (nicht dargestellt), die an der Endplatte des Evolventenwickels 11 der festen Spirale 8 montiert ist, in innigem Kontakt mit der Innenfläche der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a der umlaufenden Spirale 9. Dadurch werden eine Vielzahl von Kompressionskammern 21a und 21b ausgebildet, die im Wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich der Mitte der Evolventenwickel 11 und 18 sind. Des Weiteren sind die Kompressionskammern 21a und 21c Hochdruck-Kompressionskammern, während die Kompressionskammer 21b eine Mitteldruck-Kompressionskammer ist.
Ferner ist an dem Mittelteil der Außenfläche der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b der umlaufenden Spirale 9 ein zylindrischer Eingriffsteil (Ansatz) 22 ausgebildet. Im Innern dieses Eingriffsteils 22 ist eine Antriebsbuchse 23 frei drehbar über ein umlaufendes Lager (Antriebslager) 24 aufgenommen, das auch als ein Radiallager wirkt. Ferner ist eine Exzenterachse 26, die sich von dem inneren Ende der Kurbelwelle 5 erstreckt, frei drehbar in ein Durchgangsloch 25 eingepasst, das in der Antriebsbuchse 23 ausgebildet ist. Außerdem ist zwischen der äußeren Umfangskante der Außenfläche der Endplatte 17 der umlaufenden Spirale 9 und dem vorderen Gehäuse 4 ein Kugeldrucklager 19 angeordnet, um die umlaufende Spirale 9 zu stützen.
An dem äußeren Umfang der Kurbelwelle 5 ist eine mechanische Dichtung 28, die eine bekannte Wellendichtung ist, angeordnet. Diese mechanische Dichtung 28 ist aus einem Blechring 28a, der in dem vorderen Gehäuse 4 verankert ist, und einem hinteren bzw. Nachlaufring 28b ausgebildet, der sich mit der Kurbelwelle 5 dreht. Dieser Nachlaufring 28 wird gegen den Blechring 28a durch ein Drängelement 28c gedrückt. Dadurch gleitet der Nachlaufring 28b in Bezug auf den Blechring 28a zusammen mit der Rotation der Kurbelwelle 5.
Unten werden die charakteristischen Teile des Scroll-Kompressors 1 unter Bezugnahme auf 2 erklärt.
Wie oben kurz erläutert wurde, ist die Endplatte 17 der umlaufenden Spirale 9 durch eine Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a, die entlang der axialen Richtung der umlaufenden Spirale 9 unterteilt ist und mit einem Evolventenvorsprung 18 versehen ist, und einer Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ausgebildet, die mit einem Ansatz 22 versehen ist, der ein Eingriffsteil mit der Exzenterachse 26 ist.
Die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ist frei bewegbar an der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b durch eine Vielzahl von Stiften 40a an der Seite der festen Spirale 10 angebracht. Außerdem kann die Drehung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a über die Vielzahl von Stiften 40a effizient übertragen werden. Genauer gesagt sind, an den äußeren Umfangsteilen der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b Stifteinpassungslöcher 40b zum Einführen der Vielzahl von Stiften 40a parallel in der axialen Richtung ausgebildet. Die Stifte 40a werden in diese Stifteinpassungslöcher 40b frei gleitbar von der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a zu der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b eingepasst. Ein Übertragungsmechanismus 40 ist durch diese Stifte 40a und Stifteinpassungslöcher 40b ausgebildet. Dieser Übertragungsmechanismus 40 lässt die Bewegung der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a in der axialen Richtung bezüglich der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b zu, und verhindert die Bewegungen in der radialen Richtung und der Umfangsrichtung. Ferner wird die Umlaufbewegung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a übertragen. Des Weiteren können bei dieser Struktur die Stifte 40a auch umgekehrt von der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b zu der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a eingeführt werden.
Außerdem ist eine flache Feder 41 zwischen dem äußeren Umfang der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und dem äußeren Umfang der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b angeordnet. Diese flache Feder 41 ist ein elastisches Element, das die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a gegen die feste Spirale 8 drückt. Das heißt, die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a weist eine Axialrichtung-Federungsstützstruktur (schwimmende Struktur) in ihrer axialen Richtung auf.
Ein erster abgedichteter Zwischenraum 43 und ein zweiter abgedichteter Zwischenraum 44 sind zwischen der Fläche 14a der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a, die der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b zugewandt ist, und der Fläche 14b der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ausgebildet, die der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a zugewandt ist. Genauer gesagt ist an dem Mittelteil der Fläche 14a der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ein konvexer Teil 43a ausgebildet. An dem Mittelteil der Fläche 14b der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ist ein konkaver Teil 43b ausgebildet, derart, dass ein erster abgedichteter Zwischenraum 43 ausgebildet ist, mit einer bestimmten Breite bezüglich des konvexen Teils 43b der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a. Außerdem ist ein ringförmiger konkaver Teil 44a an dem Umfang des konvexen Teils 43a der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist an der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ein ringförmiger konvexer Teil 44b derart ausgebildet, dass ein zweiter abgedichteter Zwischenraum 44 ausgebildet ist, mit einer bestimmten Breite bezüglich des konkaven Teils 44a der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a. Des Weiteren ist an der äußeren Umfangsstufe des konvexen Teils 43a eine erste ringförmige Dichtung 45 mit einem U-förmigen Querschnitt ausgebildet. Dadurch wird der oben beschriebene abgedichtete Zwischenraum 43 ausgebildet. Außerdem ist auf ähnlich Art eine zweite ringförmige Dichtung 46 mit einem U-förmigen Querschnitt an dem äußeren Umfangsstufenteil des konkaven Teils 44a angebracht. Somit wird der oben beschriebene abgedichtete Zwischenraum 44 ausgebildet.
Des Weiteren sind an der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ein Hochdruck-Einführungsloch 47, zur Verbindung zwischen dem ersten abgedichteten Zwischenraum 43 und dem Hochdruck-Teil 21a der Kompressionskammer (unter Bezugnahme auf 1), und ein Mitteldruck-Einführungsloch 48 ausgebildet, zur Verbindung zwischen dem zweiten abgedichteten Zwischenraum 44 und dem Mitteldruck-Teil 21b (unter Bezugnahme auf 1) der Kompressionskammer. Außerdem müssen der zweite abgedichtete Zwischenraum 44 und das Mitteldruck-Einführungsloch 48 nicht vorgesehen werden.
Unten wird der Betrieb des Scroll-Kompressors 1 erklärt.
Ein Strom geht durch die Spule 32a der elektromagnetischen Kupplung 32, und die Drehung des Kraftfahrzeugmotors wird auf die Kurbelwelle 5 übertragen. Dann wird die Drehung der Kurbelwelle 5 auf das umlaufende Spiralelement 9 über den umlaufenden Antriebsmechanismus übertragen, der die Exzenterachse 26, und das Durchgangsloch 25, die Antriebsbuchse 23, das umlaufende Lager 24 und den Ansatz 22 umfasst. Durch den Oldhamring 27 wird verhindert, dass das umlaufende Spiralelement 9 eine Eigendrehung durchführt, wobei der Oldhamring eine Anti-Rotationsvorrichtung ist, und sich in einer Orbitaldrehung auf einer kreisförmigen Umlaufbahn bewegt, deren Radius die Exzentrizität ρ der Exzenterachse 26 ist. Weil das umlaufende Spiralelement 9 und das feste Spiralelement 8 exzentrisch angeordnet sind, berühren sich die Evolventenwickel 11 und 18 an einer Vielzahl von Stellen, an denen die vertikale Linie, die sich über die gesamte Höhe des Evolventenwickels 11 des festen Spiralelements 8 erstreckt, in Kontakt mit der vertikalen Linie ist, die sich über die gesamte Höhe des Evolventenwickels 18 des umlaufenden Spiralelements 19 erstreckt. Dadurch werden eine Vielzahl von Kompressionszwischenräumen 21a und 21b ausgebildet. Wenn das umlaufende Spiralelement 9 umläuft, bewegen sich die sich berührenden Stellen allmählich zu den Mitten der Evolventenwickel 11 und 18. Dadurch bewegen sich, wenn das umlaufende Spiralelement 9 umläuft, die komprimierten Zwischenräume 21a und 21b, die durch die sich berührenden Evolventenwickel 11 und 18 hergestellt sind, zu der Mitte der Evolventenwickel 11 und 18 hin, während das Volumen der komprimierten Zwischenräume 21a und 21b abnimmt. Begleitend zu dem oben Beschriebenen strömt das Arbeitsgas, dass zu der Einlasskammer 15 durch die Einlassöffnung (nicht dargestellt) strömt, in den abgedichteten Zwischenraum 21a von dem äußeren Anschlussöffnungsteil (unter Bezugnahme auf den Pfeil A in 1), zwischen beiden der Evolventenwickel 11 und 18, und erreicht den Mittelteil 21c, während es komprimiert wird. Von hier geht das Arbeitsgas durch die Ablassöffnung 34, die in der Endplatte 10 des festen Spiralelements 8 ausgebildet ist, drückt das Ablassventil 35 auf, und wird aus der Hochdruck-Kammer 16 abgelassen. Nachfolgend strömt das Ablassgas aus der Ablassöffnung 38 heraus. Dadurch wird das Arbeitsgas, das ein Fluid ist, das aus der Einlasskammer 15 aufgrund des Umlaufens des umlaufenden Spiralelements 9 eingeführt wird, in den abgedichteten Zwischenräumen 21a und 21b komprimiert, und das erhaltene, unter Druck stehende Gas wird abgelassen. Der Strom, der zu der Spule 32a der elektromagnetischen Kupplung 32 fließt, wird abgeschnitten, und wenn die Übertragung der Rotationskraft auf die Kurbelwelle 5 abnimmt, wird die Bewegung des Kompressors 1 der offenen Art angehalten. Außerdem startet der Scroll-Kompressor 1 neu, wenn der Strom wieder zu der Spule 32a der elektromagnetischen Kupplung 32 läuft.
Des Weiteren wird ein Teil des Arbeitsgases, das dadurch auf einen hohen Druck komprimiert wird, dass es in dem Hochdruck-Teil 21a der Kompressionskammer komprimiert wird, in den ersten abgedichteten Zwischenraum 43 über das Hochdruck-Einführungsloch 47 eingeführt, und füllt den Zwischenraum. Die Menge des Hochdruck-Arbeitsgases, das in den ersten abgedichteten Raum 43 eingeführt wird, ist so festgelegt, dass der von dem ersten abgedichteten Zwischenraum 43 auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a aufgebrachte Axialdruck größer als der Maximalwert des von der Kompressionskammer auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a aufgebrachte Axialdruck ist. Unter Bezugnahme auf 2, um dies zu erklären, ist die Menge des Hochdruck-Arbeitsgases, das in den ersten abgedichteten Zwischenraum 43 eingeführt wird, derart, dass der nach oben gerichtete Druck, der auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a von unten aufgebracht wird größer ist, als der nach unten gerichtete Druck, der auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a von oben aufgebracht wird.
Unter der Annahme, dass der Bereich des ersten abgedichteten Zwischenraums 43 R ist, und dass das Hochdruck-Arbeitsgas von dem Hochdruck-Einführungsloch 47 mit einem Ablassdruck Pd eingeführt wird, dann wird die Kraft F1 in der nach oben gerichteten Axialrichtung, die auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a von dem ersten abgedichteten Zwischenraum 43 wirkt, durch die folgende Gleichung dargestellt: F1 = (Pd – Ps) × R (wobei Ps der Einlassdruck ist)
Wie oben erklärt, wird bei der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a nicht nur die nach oben gerichtete Kraft, sondern gleichzeitig der Druck von der Kompressionskammer auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a, das heißt die nach unten gerichtete Kraft F2, aufgebracht. Falls der Bereich R des ersten abgedichteten Zwischenraums 43 derart festgelegt ist, dass F1 > F2, dann trägt hier die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a zu einem Gegendruck von dem ersten abgedichteten Zwischenraum 43 bei, und wird gegen die feste Spirale 8 gedrückt. Der zweite abgedichtete Zwischenraum 44 wirkt auf die gleiche Art wie der erste abgedichtete Zwischenraum 43. Folglich gelangt die Spitzendichtung (nicht dargestellt), die in die Endfläche des Evolventenwickels 11 der festen Spirale 8 eingebettet ist, in innigen Kontakt mit der Innenseite der Endplatte 17 der umlaufenden Spirale 9. Gleichzeitig gelangt die Spitzendichtung (nicht dargestellt), die in die Endfläche des Evolventenwickels 18 der umlaufenden Spirale 9 eingebettet ist, auch in innigen Kontakt mit der Innenseite der Endplatte 10 der festen Spirale 8, und eine Leckage des Arbeitsgases aus den Kompressionszwischenräumen wird verhindert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Drehung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b der umlaufenden Spirale 9 effizient auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a über den Übertragungsmechanismus 40 übertragen, der eine Vielzahl von Stiften 40a und Stiftlöchern 40b aufweist, in welche diese Stifte 40a eingeführt sind.
Außerdem wird, insbesondere während des Betriebs des Scroll-Kompressors 1, der Druck des komprimierten Arbeitsgases nicht ausreichend hoch. Aufgrund dessen ist die Wirkung der Aufbringung des Gegendrucks, der die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a gegen die feste Spirale 10 drückt, gering. Sogar bei dieser Art von Fall drückt jedoch die flache Feder 41 kontinuierlich die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a gegen die feste Spirale 8, und dadurch wird eine Leckage des Arbeitsgases verlässlich verhindert, und somit kann die Kompressionseffizienz verbessert werden.
Des Weiteren wurden beide, die Gegendruckaufbringungsstruktur, bei welcher, bei der umlaufenden Spirale 9, die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a der umlaufenden Spirale 9 gegen die Seite der festen Spirale 10 gedrückt wird, und die Axialfederungsstruktur verwendet. Der festen Spirale 10 wurde als ein Ganzes eine schwimmende Struktur verliehen, und weil die feste Spirale 10 so ausgeführt ist, das sie in innigem Kontakt mit der umlaufenden Spirale 9 ist, wenn der Scroll-Kompressor, der mit einem Gegendruckblock an der hinteren Fläche der festen Spirale 10 versehen ist, mit dem Scroll-Kompressor der vorliegenden Ausführungsform verglichen wird, weist der Scroll-Kompressor der vorliegenden Ausführungsform die Vorteile auf, dass die Hochdruck-Kammer kleiner ausgeführt werden kann, und folglich die Einhausung eine verringerte Größe aufweisen kann.
Die 3A und 3B sind Zeichnungen, um ein anderes Beispiel der Axialfederungsstützstruktur (schwimmende Struktur) zu zeigen, die vorzugsweise an der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a verwendet wird. Diese Querschnittzeichnungen zeigen die umlaufende Spirale 9 im Schnitt in gegenseitig senkrechten Richtungen. Zwischen der in 3C gezeigten Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und der in 3D gezeigten Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ist die ringförmige flache Feder 50, die in 3E gezeigt ist, als ein elastisches Element vorgesehen. Diese flache Feder 50 ist zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b angeordnet, und dann wird eine Vielzahl von Bolzen 51 dadurch verankert, dass sie abwechselnd in der Umfangsrichtung von der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b eingeführt werden.
Genauer gesagt, wie in 3D gezeigt, sind an dem Außenseitenumfangsabschnitt der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b eine Vielzahl von Schraublöchern 52 (vier bei diesem Beispiel) in gleichmäßigen Intervallen entlang der Umfangsrichtung ausgebildet. Ferner ist zwischen einem Schraubloch 52 und einem Schraubloch 52 eine Kerbe 54 ausgebildet, um zu verhindern, dass die Schraublöcher 52, die an der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ausgebildet sind, bedeckt werden, wenn die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und die Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b über einander verschoben sind.
Außerdem sind, wie in 3C gezeigt, an dem Außenseitenumfangsabschnitt der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a eine Vielzahl von Schraublöchern 53 (vier bei diesem Beispiel) in gleichmäßigen Intervallen entlang der Umfangsrichtung ausgebildet. Ferner ist zwischen dem Schraubloch 53 und dem Schraubloch 53 eine Kerbe 54 ausgebildet, um zu verhindern, dass die Schraublöcher 53, die an der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ausgebildet sind, bedeckt werden, wenn die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und die Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b über einander angeordnet sind.
Ferner sind, wie in 3E gezeigt, an der flachen Feder 50 Durchgangslöcher 55 in acht gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung ausgebildet, die den Schraublöchern 53, die an der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a ausgebildet sind, und den Schraublöchern 52 entsprechend, die an der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ausgebildet sind.
Die acht Bolzen 51 gehen durch die Durchgangslöcher 55 der flachen Feder 50 aus abwechselnd entgegengesetzten Richtungen durch, das heißt, sie werden abwechselnd von der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und denn von der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b eingeführt. In anderen Worten sind in jedes Schraubloch 52 der Exzenterachsenseiten- Endplatte 13b die Bolzen 51 eingeführt und von der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a in Eingriff genommen. Zusätzlich sind in die Schraublöcher 53 der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a die Bolzen 51 eingeführt und von der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b in Eingriff genommen.
Durch die Nutzung dieser Struktur kann die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a bezüglich der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b in der axialen Richtung bis zu der Grenze der flexiblen Toleranz der flachen Feder 50 bewegt werden. Die Drehung der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b wird auf die Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a über den Übertragungsmechanismus übertragen, der die Bolzen 51 und die flache Schraube 50 umfasst.
Außerdem sind in den 3A bis 3C der abgedichtete Zwischenraum und die Hochdruck-Einführungslöcher, die zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte 13a und der Exzenterachsenseiten-Endplatte 13b ausgebildet sind, die Gleichen wie diejenigen in 2, und werden nicht dargestellt.
Ferner wurde bei der oben beschriebenen Ausführungsform ein Kohlendioxid-Kreislauf, der Kohlendioxid als ein Arbeitsgas verwendet, in einen offenen Kompressor übernommen, aber die Erfindung ist dadurch nicht beschränkt und kann auf einen Dampfkompressions-Kältekreislauf angewandt werden, der ein typisches Arbeitsgas wie beispielsweise Freon verwendet.

Claims

Scroll-Kompressor (1), mit: einer festen Spirale (8) mit einer Endplatte (10) und einem Evolventenwickel (11), der an einer Fläche der Endplatte (10) der festen Spirale (8) vorgesehen ist; einer umlaufenden Spirale (9), die eine Endplatte (7) mit einer Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) und einer Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) umfasst, wobei die Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) einen Eingriffsteil (22) aufweist, der an einer Fläche vorgesehen ist und eine exzentrische Achse (26) in ihm aufnimmt, und wobei die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) einen Evolventenwickel (11) aufweist, der eine Vielzahl von Kompressionskammern (21a, 21b und 21c) mit dem Evolventenwickel (11) der festen Spirale (8) ausbildet; und einem Übertragungsmechanismus (40), der eine Umlaufbewegung der Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) an die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) überträgt; wobei der Übertragungsmechanismus (40) so ausgestaltet ist, dass er zulässt, dass sich die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) in eine axiale Richtung der exzentrischen Achse (26) bewegt, und dass er verhindert, dass sich die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) in eine radiale Richtung bewegt; dadurch gekennzeichnet, dass eine flache Feder (41) so ausgestaltet ist, dass sie die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) zu der festen Spirale (8) hin drückt, und zwischen der Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) und der Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) angebracht ist.
Scroll-Kompressor nach Anspruch 1, bei dem der Übertragungsmechanismus (40) eine Vielzahl von Stifteinpassungslöchern (40b), die parallel zu der axialen Richtung an einem Umfang der Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) und der Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) ausgebildet sind, und eine Vielzahl von Stiften (40a) umfasst, wobei jeder so ausgestaltet ist, dass er frei gleitbar in ein jeweiliges der Vielzahl von Stifteinpassungslöchern (40b) der Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) und/oder der Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) passt.
Scroll-Kompressor nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem: die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) und die Exzenterachsenseiten-Endplatte (13b) eine Vielzahl von abgedichteten Zwischenräumen (43 und 44) ausbilden; und wobei die Evolventenwickelseiten-Endplatte (13a) ein Einführungsloch (47 oder 48) aufweist, das ausgestaltet ist, um ein Arbeitsgas von der Kompressionskammer in die abgedichteten Zwischenräume (43, 44) einzuführen.
Scroll-Kompressor nach Anspruch 3, bei dem: die Vielzahl von abgedichteten Zwischenräumen (43 und 44) zwei abgedichtete Zwischenräume umfasst; und wobei einer der zwei abgedichteten Zwischenräume (43 oder 44) ausgestaltet ist, um das Arbeitsgas von der Mitteldruck-Kompressionskammer (21b) einzuführen, und der andere der zwei abgedichteten Zwischenräume (44 oder 43) ausgestaltet ist, um das Arbeitsgas von den Hochdruck-Kompressionskammern (21a und 21c) einzuführen.
Verfahren zum Betreiben des Scroll-Kompressors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Kohlendioxid als das Arbeitsgas verwendet wird.