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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralkompressor, der in eine
Klimaanlage, eine Kühlmaschine
oder dergleichen eingebaut wird, und betrifft insbesondere die Form
der Spiralelemente darin.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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8 ist
eine Querschnittsansicht eines wohlbekannten Spiralkompressors.
Dieser Spiralkompressor umfaßt
ein festes Spiralelement 101, das fest an einem Gehäuse 100 angebracht
ist, und ein umlaufendes Spiralelement 102, das frei drehend in
dem Gehäuse 100 gelagert
ist.
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Das
feste Spiralelement 10 weist eine feste Endplatte 101a und
eine Spiralwand 101b auf, und das umlaufende Spiralelement 102 weist
eine umlaufende Endplatte 102a und eine Spiralwand 102b auf. Das
feste und das umlaufende Spiralelement 101 und 102 liegen
einander in einer derartigen Weise gegenüber, daß die Spiralwände 101b und 102b mit einer
Phasendifferenz von 180° miteinander
in Eingriff stehen und das umlaufende Spiralelement 102 über die
Welle 103 um die Achse des festen Spiralelements 101 umlaufen
kann, so daß sich
die Aufnahmefähigkeiten
der Kompressionskammern, die zwischen den Spiralelementen 101b und 102b gebildet werden,
allmählich
verkleinern und das Fluid in den Kompressionskammern komprimiert
wird, wodurch schließlich
das unter hohem Druck stehende Fluid aus einer Ablaßöffnung 104 abgelassen
wird, die in einem mittigen Abschnitt der festen Endplatte 101a vorgesehen
ist.
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In
diesem Spiralkompressor entspricht die Aufnahmefähigkeit eines halbmondförmigen geschlossenen
Raums, der an dem äußersten
Bereich der Spirale gebildet wird, der Aufnahmefähigkeit für das eingeleitete Fluid, das
allmählich
komprimiert wird. Deshalb muß zur
Erhöhung
der Aufnahmefähigkeit
für das
eingeleitete Fluid, d.h. der Aufnahmefähigkeit für das zu komprimierende Fluid,
die Anzahl der Windungen (oder Drehungen) der Spirale erhöht werden,
oder alternativ muß die
Höhe der
Spiralwände
vergrößert werden.
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In
den Dokumenten US-A-4,477,238,
EP
1 293 675 ,
JP 58 030494 und
JP 04 311693 sind jeweils
Spiralkompressoren mit einer sehr großen Anzahl von Drehungen der
Spirale offenbart.
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Jedoch
führt eine
Zunahme der Anzahl von Drehungen der Spirale zu einer Vergrößerung des Durchmessers
des Kompressors, und eine Zunahme der Höhe der Spiralwände führt zu einer
Abnahme der Steifigkeit der Spiralwände relativ zu dem Druck des
komprimierten Fluids.
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In
dem Japanischen Patent Nr. 1296413 (siehe die Geprüfte Japanische
Patentanmeldung, Zweite Veröffentlichung,
Nr. Sho 60-17956) ist eine beispielhafte Konstruktion zur Lösung dieser
Probleme offenbart. 6A und 6B sind
perspektivische Ansichten, die jeweils ein festes Spiralelement 1 und ein
umlaufendes Spiralelement 2 zeigen, die bei diesem Beispiel
verwendet werden. Das feste Spiralelement 1 besitzt eine
Endplatte 1a und eine Spiralwand 1b, die auf einer
Fläche
der Endplatte 1a ausgebildet ist. In ähnlicher Weise besitzt das
umlaufende Spiralelement 2 eine Endplatte 2a und
eine Spiralwand 2b, die auf einer Fläche der Endplatte 2a ausgebildet
ist. In den obigen Flächen
der Endplatten 1a und 2a sind jeweils gestufte
Abschnitte 3 und 3 ausgebildet, und in jedem gestuften
Abschnitt 3 ist die näher
an der Mitte der Spirale liegende Seite höher als die näher an dem äußeren Ende
der Spirale liegende Seite. Des weiteren sind in den oberen Enden
der Spiralwände 1b und 2b der
Spiralelemente 1 und 2 jeweils gestufte Abschnitte 4 und 4 ausgebildet,
die zu den gestuften Abschnitten 3 und 3 korrespondieren.
In jedem gestuften Abschnitt 4 ist die näher an der
Mitte der Spirale liegende Seite niedriger als die näher an dem äußeren Ende
der Spirale liegende Seite.
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Deshalb
weist der oben erläuterte
Spiralkompressor das Merkmal auf, daß die Spiralwände und
die Endplatten jeweils mit gestuften Abschnitten ausgebildet sind,
d.h. daß in
den Spiralwänden
die äußere Seite
(der Spirale) höher
ist und die mittige Seite niedriger ist, während in den Endplatten die äußere Seite
niedriger ist und die mittige Seite höher ist, um somit zu den Spiralwänden zu
korrespondieren.
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7 zeigt
den Eingriffszustand, in dem die Spiralwände 1b und 2b mit
einer Phasendifferenz von 180° in
Eingriff miteinander stehen. Wie in der Figur gezeigt ist, sind
durch die Endplatten und/oder die Gleitebenen der gestuften Abschnitte
der Endplatten und der Spiralwände
Kompressionskammern C2 und C3 zwischen den Spiralwänden 1b und 2b ausgebildet.
In diesem Zustand nehmen die Aufnahmefähigkeiten der Kompressionskammern
allmählich ab,
wenn das umlaufende Spiralelement 2 um die Achse des festen
Spiralelementes 1 umläuft,
wodurch das betroffene Fluid komprimiert wird.
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Bei
dem obigen Spiralkompressor ist die Höhe der näher an der äußeren Seite der Spirale liegenden
Kompressionskammer verhältnismäßig groß; mithin
läßt sich
die Aufnahmefähigkeit
für das eingeleitete
Fluid erhöhen,
ohne den Außendurchmesser
des Kompressors zu vergrößern. Des
weiteren kann die Höhe
der näher
an der Mitte liegenden Kompressionskammer gering sein, so daß man eine hohe
Steifigkeit der Wände
erhalten kann.
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Im
Vergleich zu allgemeinen Spiralkompressoren mit Wänden von
einheitlicher Höhe
gleiten jedoch jeder gestufte Abschnitt 3 und die entsprechenden
gestuften Abschnitte 4 zum Teil aufeinander, d.h. es kommt
zum Ineinandergreifen der gestuften Abschnitte. Deshalb kann das
Fluid selbst dann, wenn auf Grund der Arbeits- oder der Montagetoleranz
der Spiralelemente ein sehr geringer Spalt zwischen den in Eingriff
stehenden Abschnitten vorhanden ist, durch den Spalt hindurch aussickern,
und mithin vermindert sich der Wirkungsgrad der Komprimierung.
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Um
das Problem zu lösen,
sollten die Spiralelemente des weiteren mit einer sehr hohen Genauigkeit
gefertigt werden; mithin ist die Produktivität sehr niedrig, und die Fertigungskosten
sind sehr hoch.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts
der obigen Umstände
betrifft die vorliegende Erfindung Spiralkompressoren, die Spiralelemente
mit gestuften Abschnitten umfassen, und der vorliegenden Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spiralkompressor zur weitestgehenden Verminderung
des an den gestuften Abschnitten auftretenden Leckverlusts des Fluids
zu schaffen und den Wirkungsgrad der Komprimierung zu verbessern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen
Spiralkompressor zu schaffen, der weniger Fluidleckverlust aufweist
und einen hohen Wirkungsgrad der Komprimierung zustande bringen
kann, ohne die Genauigkeit bei der Fertigung der Spiralelemente
zu erhöhen.
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Deshalb
wird mit der vorliegenden Erfindung ein Spiralkompressor geschaffen,
umfassend:
ein festes Spiralelement, das eine Endplatte und
eine Spiralwand aufweist, die auf einer Fläche der Endplatte vorgesehen
ist und an einer speziellen Stelle befestigt ist; und
ein umlaufendes
Spiralelement, das eine Endplatte und eine Spiralwand aufweist,
die auf einer Fläche der
Endplatte vorgesehen ist und in einer solchen Weise gehalten wird,
daß die
Spiralwände
miteinander in Eingriff stehen und das umlaufende Spiralelement
umlaufen kann, während
die Drehung verhindert ist, wobei:
die Fläche jedes Spiralelements, auf
welcher die Spiralwand vorgesehen ist, in eine Mehrzahl von Bereichen
geteilt ist, die einen hohen Abschnitt, der näher an der Mitte der Spirale
liegt, einen angrenzenden niedrigen Bereich, der näher an dem äußeren Ende der
Spirale liegt, und einen gestuften Abschnitt umfassen, der an der
Grenze der hohen und der niedrigen Abschnitte ausgebildet ist, wobei
der hohe Abschnitt höher
als der niedrige Abschnitt ist;
der Rand jeder Spiralwand eine
niedrige Kante, die zu dem hohen Abschnitt korrespondiert und näher an der
Mitte der Spirale liegt, eine hohe Kante, die zu dem niedrigen Abschnitt
korrespondiert und näher
an dem äußeren Ende
der Spirale liegt, und einen gestuften Abschnitt aufweist, der an
der Grenze der hohen und der niedrigen Kanten ausgebildet ist,
wobei
dann, wenn die Spiralwände
miteinander in Eingriff stehen, die Endplatten, die Spiralwände und die
gestuften Abschnitte zum Teil miteinander in Kontakt stehen, so
daß geschlossene
Räume zwischen den
Spiralelementen geschaffen werden;
das umlaufende Spiralelement
in Umlauf versetzt wird, so daß sich
die geschlossenen Räume
allmählich
von der äußeren Seite
zu der mittigen Seite der Spirale bewegen und die Aufnahmefähigkeiten
der geschlossenen Räume
allmählich
kleiner werden und ein Fluid in den geschlossenen Räumen komprimiert
wird;
zwischen den in Eingriff stehenden Spiralelementen ein
Hochdruckraum, der mit einer Ablaßkammer verbunden wird, nahe
an der Mitte der Spirale gebildet wird, wobei unter den Kontaktstellen,
an denen die Spiralwände
beider Spiralelemente, unmittelbar bevor der innerste geschlossene
Raum mit dem Hochdruckraum verbunden wird, miteinander in Kontakt kommen,
der innerste Kontaktpunkt als Basispunkt gebildet wird;
der
Winkelabstand von dem Basispunkt zu dem äußeren Ende jeder Spiralwand,
gemessen entlang der Innenumfangsfläche der entsprechenden Spiralwand,
annähernd
4π rad beträgt; und
der
Winkelabstand von dem Basispunkt zu dem gestuften Abschnitt jeder
Endplatte, gemessen entlang der Innenumfangsfläche der entsprechenden Spiralwand,
gleich oder mehr als annähernd
3π rad beträgt.
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Gemäß der obigen
Konstruktion kann jeder gestufte Abschnitt in einem bevorzugten
Bereich der Spiralelemente angebracht werden. Deshalb ist es möglich, daß die gestuften
Abschnitte nach dem Augenblick, in dem der innerste geschlossene
Raum (der erster geschlossener Raum genannt wird) mit dem (mit der
Ablaßkammer
verbundenen) Hochdruckraum verbunden wird, nicht an der Ausbildung des
ersten geschlossenen Raums beteiligt sind. Das unter hohem Druck
stehende Fluid strömt
auf Grund der Verbindung des ersten geschlossenen Raums mit dem
Hochdruckraum aus dem Hochdruckraum zurück, und der Druck des Fluids
in dem ersten geschlossenen Raum nimmt zu. Demgemäß sind die gestuften
Abschnitte selbst dann, wenn der Differenzdruck zwischen dem ersten
geschlossenen Raum und dem zweiten geschlossenen Raum (der an den
ersten geschlossenen Raum angrenzt und näher an dem äußeren Ende der Spirale liegt)
zunimmt, nicht an der Ausbildung des ersten geschlossenen Raums
beteiligt; mithin kann der Leckverlust des Fluids als Folge des
Vorhandenseins der gestuften Abschnitte vermieden werden. Das heißt, die
gestuften Abschnitte können
an der Ausbildung des zweiten geschlossenen Raums oder der weiter
entfernten geschlossenen Räume
beteiligt werden, wodurch der Leckverlust des Fluids als Folge des
Vorhandenseins der gestuften Abschnitte so weit wie möglich vermindert
wird und sich der Wirkungsgrad der Komprimierung verbessert. Ein
solcher verbesserter Wirkungsgrad der Komprimierung kann zustande
gebracht werden, ohne die Genauigkeit bei der Fertigung der Spiralelemente
zu verbessern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht, die ein festes Spiralelement als Bestandteil des Spiralkompressors
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, was von einer Fläche aus
zu sehen ist, auf welcher eine Spiralwand gebildet ist.
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2 ist
eine Ansicht, die ein umlaufendes Spiralelement als anderen Bestandteil
des Spiralkompressors gemäß der Ausführungsform
zeigt, was von einer Fläche
aus zu sehen ist, auf welcher eine Spiralwand gebildet ist.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem das
feste und das umlaufende Spiralelement des Spiralkompressors miteinander
in Eingriff stehen, was von einem Querschnitt senkrecht zu der Achse
der Ablaßöffnung in
Richtung zu dem festen Spiralelement aus zu sehen ist.
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4A ist
eine vergrößerte Ansicht
des Bereiches A gemäß 3,
während 4B eine
vergrößerte Ansicht
des Bereiches B gemäß 3 ist.
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5A ist
ein Diagramm, welches Änderungen
des Drucks in jeder Kompressionskammer als Funktion des Drehwinkels
des umlaufenden Spiralelements während
des Betriebs des Spiralkompressors gemäß der Ausführungsform zeigt, und 5B ist
ein Diagramm, welches Änderungen
des Drucks in jeder Kompressionskammer entlang dem Drehwinkel des
umlaufenden Spiralelements während
des Betriebs eines herkömmlichen
Spiralkompressors zeigt.
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6A und 6B sind
perspektivische Ansichten, welche jeweils ein festes Spiralelement und
ein umlaufendes Spiralelement zeigen, welche in einem herkömmlichen
Spiralkompressor verwendet werden.
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7 ist
eine Querschnittsansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das
feste und das umlaufende Spiralelement des herkömmlichen Spiralkompressors
miteinander in Eingriff stehen, was von einem Querschnitt senkrecht
zu der Achse der Ablaßöffnung in
Richtung zu dem festen Spiralelement aus zu sehen ist.
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8 ist
eine Querschnittsansicht der allgemeinen Konstruktion des herkömmlichen
Spiralkompressors.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform
des Spiralkompressors gemäß der vorliegenden
Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Des
weiteren weisen andere Abschnitte als die Spiralelemente die gleichen
Konstruktionen wie diejenigen des oben erläuterten herkömmlichen Spiralkompressors
auf, und mithin wird auf ausführliche
Beschreibungen derselben verzichtet, und im folgenden wird ausführlich die
Konstruktion der Spiralelemente beschrieben, die kennzeichnende
Merkmale gemäß der vorliegenden
Erfindung sind, und insbesondere wird die Stellung erläutert, an
welcher jede gestufte Abschnitt gebildet ist.
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1 ist
eine Ansicht, die ein festes Spiralelement als Bestandteil des Spiralkompressors
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, was von einer Fläche aus
zu sehen ist, auf welcher eine Spiralwand gebildet ist. 2 ist eine
Ansicht, die ein umlaufendes Spiralelement als anderen Bestandteil
des Spiralkompressors gemäß der Ausführungsform
zeigt, was von einer Fläche
aus zu sehen ist, auf welcher eine Spiralwand gebildet ist. 3 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem das
feste und das umlaufende Spiralelement miteinander in Eingriff stehen,
was von einem Querschnitt senkrecht zu der Achse der Ablaßöffnung in
Richtung zu dem festen Spiralelement aus zu sehen ist. 4A ist
eine vergrößerte Ansicht
des Bereiches A gemäß 3,
während 4B eine vergrößerte Ansicht
des Bereiches B gemäß 3 ist. 5A ist
ein Diagramm, welches Änderungen des
Drucks in jeder Kompressionskammer als Funktion des Drehwinkels
des umlaufenden Spiralelements während
des Betriebs des Spiralkompressors gemäß der vorliegenden Ausführungsform
zeigt. 5B ist ein Diagramm, welches Änderungen
des Drucks in jeder Kompressionskammer entlang dem Drehwinkel des
umlaufenden Spiralelements während
des Betriebs eines herkömmlichen
Spiralkompressors zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt wird, ist an einer Endplatte 12a des
festen Spiralelements 12 eine Spiralwand 12b ausgebildet,
und die Fläche,
auf welcher die Spiralwand 12b vorgesehen ist, besitzt
eine flache Bodenfläche 12f,
die näher
an der Mitte der Spirale liegt, und eine tiefe Bodenfläche 12g,
die näher an
dem äußeren Ende
der Spirale liegt. An der Grenze des flachen Abschnitts 12f und
des tiefen Abschnitts 12g ist ein gestufter Abschnitt 42 ausgebildet,
und zwischen den Bodenflächen 12f und 12g steht
vertikal in Bezug auf die Spiralachse eine gemeinsame Wand 12h.
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Des
weiteren besitzt der Rand der Spiralwand 12b eine niedrigere
Kante 12c, die näher
an der Mitte der Spirale liegt, und eine höhere Kante 12d, die
näher an
dem äußeren Ende
der Spirale liegt. Deshalb ist auch zwischen den benachbarten Kanten 12c und 12d ein
gestufter Abschnitt ausgebildet, und zwischen den Kanten 12c und 12d ist
eine gemeinsame Kante 12e ausgebildet, die vertikal in Bezug
auf die Spiralachse ausgebildet ist.
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Wie
in 2 gezeigt ist, weist ein umlaufendes Spiralelement 13 eine
fast spiegelsymmetrische Form in Bezug auf das feste Spiralelement 12 auf. Insbesondere
sind an einer Endplatte 13a des umlaufenden Spiralelementes 13 eine
tiefe Bodenfläche 13g und
eine flache Bodenfläche 13f ausgebildet,
die jeweils zu der höheren
Kante 12d und der niedrigeren Kante 12c des festen
Spiralelementes 12 korrespondieren, und zwischen der tiefen
Bodenfläche 13g und
der flachen Bodenfläche 13f ist
ein gestufter Abschnitt 43 ausgebildet. An der Grenze zwischen
den Bodenflächen 13f und 13g ist
auch eine gemeinsame Wand 13h ausgebildet, die vertikal
steht.
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Des
weiteren besitzt eine Spiralwand 13b des umlaufenden Spiralelementes 13 eine
höhere Kante 13d und
eine niedrigere Kante 13c, die jeweils zu der tiefen Bodenfläche 12g und
der flachen Bodenfläche 12f der
Endplatte 12a des festen Spiralelementes 12 korrespondieren,
und an der Grenze der höheren
und niedrigeren Kanten 13c und 13d ist eine gemeinsame
Kante 13e ausgebildet, die vertikal in Bezug auf die Spiralachse
steht.
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Wenn
das umlaufende Spiralelement 13 mit dem festen Spiralelement 12 in
Eingriff kommt, kommt die niedrigere Kante 13c mit der
flachen Bodenfläche 12f in
Kontakt, und die höhere
Kante 13d kommt mit der tiefen Bodenfläche 12g in Kontakt. Gleichzeitig
kommt die höhere
Kante 12d mit der tiefen Bodenfläche 13g in Kontakt,
und die niedrigere Kante 12c kommt mit der flachen Bodenfläche 13f in Kontakt.
Demgemäß wird der
Raum zwischen den festen und umlaufenden Spiralelementen 12 und 13 in
der in 3 gezeigten Weise von den (zueinander weisenden)
Endplatten 12a und 13a und den Spiralwänden 12b und 13b in
eine Mehrzahl von Kompressionskammern geteilt. Gemäß dem Umlauf
des umlaufenden Spiralelementes 13 werden die Aufnahmefähigkeiten
dieser Kompressionskammern allmählich verkleinert,
während
sich die Kompressionskammern allmählich von der äußeren Seite
zu der mittigen Seite der Spirale bewegen und dabei das Fluid komprimieren,
und schließlich
wird das unter hohem Druck stehende Fluid aus einer Ablaßöffnung 25 abgelassen,
die in einem mittigen Bereich der Endplatte 12a des festen
Spiralelementes 12 vorgesehen ist.
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Im
folgenden werden die Stellungen der gestuften Abschnitte 42 und 43 erläutert (die
kennzeichnende Merkmale der vorliegenden Erfindung sind). In dem
festen Spiralelement 12 und dem umlaufenden Spiralelement 13 weisen
die Spiralwände 12b und 13b zueinander
symmetrische Formen auf, und die Endplatten 12a und 13a weisen
ebenfalls symmetrische Formen auf. Deshalb wird die Konstruktion
des festen Spiralelementes 12 ausführlich beschrieben, und auf
eine ausführliche
Erläuterung
der Konstruktion des umlaufenden Spiralelementes 13 (d.h.
der Stellung des gestuften Abschnitts 43) wird verzichtet.
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3 zeigt
einen Zustand, in welchem das feste Spiralelement 12 und
das umlaufende Spiralelement 13 miteinander in Eingriff
stehen. Zwischen den Spiralwänden 12b und 13b sind
eine Hochdruckkammer C1, die mit der Ablaßöffnung 25 des festen Spiralelementes 12 verbunden
ist, und zwei halbmondförmige
Kompressionskammern C2 und C2 (die zu den geschlossenen Räumen gemäß der vorliegenden
Erfindung korrespondieren) ausgebildet, wobei die Kompressionskammern
C2 und C2 jeweils an die Hochdruckkammer C1 angrenzen. 3 zeigt einen
spezifischen Zustand, unmittelbar bevor die Kompressionskammer C2
mit der Hochdruckkammer C1 verbunden wird. Bei den folgenden Erläuterungen wird
dieser Zustand als "Eingriffszustand
unmittelbar vor dem Verbinden mit dem Hochdruckraum" bezeichnet. In diesem
Zustand wird eine abgedichtete Stellung zwischen der Hochdruckkammer C1
und der Kompressionskammer (d.h. dem geschlossenen Raum C2), d.h.
eine abgedichtete Stelle zwischen den Spiralwänden 12b und 13b,
als Basispunkt P1 gebildet.
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Bei
den Spiralelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Spiralende 13i der Spiralwand 13b von
dem Basispunkt P1 um einen Winkelabstand von 4π rad entfernt, gemessen entlang der
Innenumfangsfläche
der Spiralwand 13b. Deshalb ist die Anzahl der Windungen
(oder Drehungen) der Spirale verhältnismäßig klein. Des weiteren ist
P2 eine Stellung, die von dem Basispunkt P1 um einen Winkelabstand
von 3π rad
entfernt ist, gemessen entlang der Innenumfangsfläche der
Spiralwand 12b, und der Winkelabstand zwischen dem Basispunkt
P1 und dem gestuften Abschnitt 42 beträgt 3π rad oder mehr, d.h. der gestufte
Abschnitt 42 ist bei P2 positioniert oder ist ein weiter
entfernter Punkt.
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Wie
oben erläutert,
ist der Basispunkt P1 je nach dem Zustand unmittelbar vor dem Verbinden der
Kompressionskammer C2 mit der Ablaßöffnung 25 (d.h. der
Hochdruckkammer C1) an Punkt P3 (siehe 4A) definiert.
Deshalb kommt es zu dieser Verbindung, wenn das umlaufende Spiralelement 13 weiter
sehr leicht umläuft.
Während
dieses "Eingriffszustands
unmittelbar vor dem Verbinden mit dem Hochdruckraum" kommen die Innenumfangsfläche 12x eines
Endabschnitts 12E an der mittigen Seite der Spiralwand 12b und
die Außenumfangsfläche 13x eines
Endabschnitts 13E an der mittigen Seite der Spiralwand 13b an
dem Basispunkt P1 (d.h. dem Punktkontakt" in der Beobachtungsrichtung gemäß 4A)
in linearen Kontakt. Dieser Basispunkt P1 ist ein Ausgangspunkt
zum Messen des Winkelabstands und zum Definieren der obigen Stellung
P2; mithin ist die Stellung des Basispunktes P1 als 0 rad definiert.
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Wenn
eine Spiralfigur von dem Basispunkt P1 entlang der Innenumfangsfläche 12x in
Richtung zu dem äußeren Ende
der Spiralwand 12b gezeichnet wird (siehe 4B),
ist die Linie zwischen der Basiskurve zum Zeichnen einer Evolvente,
welche zu der Spiralfigur korrespondiert, und dem Basispunkt P1
an der Evolvente als 0 rad definiert. Der Winkelabstand von dem
Basispunkt P1 zu der Stellung P2 beträgt 3π rad. In der Spiralwand 12b ist
die Kontaktstellung x zwischen dem gestuften Abschnitt 42 und der
Innenumfangsfläche 12x an
P2 oder an einer Stellung näher
an dem äußeren Ende
der Spirale angelegt. In 4 ist der
gestufte Abschnitt 42 unter dieser Bedingung an der innersten
Stellung angelegt, d.h. die Stellung P2 überlappt sich mit der Kontaktstellung
x.
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In 4B zeigt
die Bezugsziffer 12y die Außenumfangsfläche der
inneren Wand angrenzend an die Wand mit dem Punkt P2 an. Die Kontaktstellung y
zwischen dem gestuften Abschnitt 42 und der Außenumfangsfläche 12y liegt
auf der Linie zwischen der obigen Basiskurve (für die Evolvente) und der Kontaktstellung
x. Der gestufte Abschnitt 42 weist eine Halbkreisform mit
zwei Endpunkten auf, welche zu den Kontaktstellungen x und y korrespondieren. Hier überlappt
sich die Kontaktstellung y nicht mit der Kompressionskammer C3,
und mithin ist während des
oben erläuterten
Eingriffszustands unmittelbar vor dem Verbinden mit dem Hochdruckraum
kein Teil des gestuften Abschnitts 42 im Bereich der Kompressionskammer
C3 vorhanden.
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5A und 5B sind
Diagramme zur Erläuterung
der Wirkungen, die man mit dem Spiralkompressor mit der oben erläuterten
Konstruktion erhält. 5A zeigt
eine Wechselbeziehung zwischen dem Druck jeder Kompressionskammer
und dem Drehwinkel der Kurbelwelle bei der vorliegenden Erfindung,
während 5B eine
Wechselbeziehung zwischen dem Druck jeder Kompressionskammer und
dem Drehwinkel der Kurbelwelle bei einer Konstruktion zeigt, bei
welcher die gestuften Abschnitte 42 und 43 zu
der mittigen Seite der Spirale verschoben sind (d.h. was dem herkömmlichen,
in 7 gezeigten Beispiel entsprecht). Bei den Betriebsbedingungen
des Kompressors, die angewandt wurden, beträgt der definierte niedrige
Druck 0,4 MPa, während
der definierte hohe Druck 25 MPa beträgt.
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Die
Veränderungsrate
bei der Aufnahmefähigkeit
der Kompressionskammer richtet sich nach den Stellungen der gestuften
Abschnitte 42 und 43; mithin verändert sich
selbst bei gleichem Drehungswinkel der Kurbelwelle der Punkt P des
Druckanstiegs in der Kompressionskammer gemäß den Stellungen der gestuften
Abschnitte 42 und 43. In 5A zeigt
die mit der Bezugsziffer 200 bezeichnete Linie (d.h. die
durchgehende Linie) die Veränderung
des Drucks, wenn die gestuften Abschnitte 42 und 43 gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind. Wenn die Stellungen dieser gestuften
Abschnitte 42 und 43 entlang der Spirale zu der
mittigen Seite hin derart verschoben werden, daß die in dem herkömmlichen
Beispiel gezeigte Konstruktion entsteht (siehe
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7),
wird die Änderung
des Drucks von der Linie 201 (d.h. der durchgehende Linie)
in 5B gezeigt.
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Jeder
Punkt in 5A und 5B entspricht
dem oben erläuterten
Eingriffszustand unmittelbar vor dem Verbinden mit dem Hochdruckraum.
In dem Druckbereich von mehr als P (d.h. auf der rechten Seite von
P in jeder Figur) ist die Kompressionskammer mit der Hochdruckkammer
C1 verbunden, und demgemäß fließt das in
der Hochdruckkammer C1 verbleibende, unter hohem Druck stehende
Fluid in Gegenrichtung in die Kompressionskammer. Infolgedessen
nimmt der Druck der Kompressionskammer plötzlich zu, d.h. der Druck der
Kompressionskammer nimmt unmittelbar nach dem Punkt P plötzlich zu.
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Die
mit der Bezugsziffer 300 bezeichnete Linie (d.h. die Strichellinie)
zeigt eine Veränderung
der angrenzenden Kompressionskammer, die näher an der äußeren Seite der Spirale (d.h.
angrenzend an die Kompressionskammer, in welcher der Druck mit der
Bezugsziffer 200 bezeichnet ist) in dem Spiralkompressor
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
liegt. In ähnlicher
Weise zeigt die mit der Bezugsziffer 301 bezeichnete Linie
(d.h. die Strichellinie) eine Veränderung der angrenzenden Kompressionskammer,
die näher
an der äußeren Seite
der Spirale (d.h. angrenzend an die Kompressionskammer, in welcher
der Druck mit der Bezugsziffer 201 bezeichnet ist) in dem
Spiralkompressor gemäß dem herkömmlichen
Beispiel liegt.
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In 5A und 5B werden
die kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Ausführungsform
im Vergleich zu dem herkömmlichen
Beispiel erläutert.
Bei dem in 5B gezeigten herkömmlichen
Spiralkompressor beläuft
sich der Bereich, in welchem die in Eingriff stehenden Teile an den
gestuften Abschnitten 42 und 43 (die den gestuften
Abschnitten 3, 3 in 7 entsprechen)
an der Ausbildung der Kompressionskammern beteiligt sind, auf L1,
was einem Drehwinkel der Kurbelwelle von 180 Grad entspricht. Umgekehrt
beläuft
sich bei dem in 5A gezeigten Spiralkompressor
gemäß der vorliegenden
Erfindung der Bereich, in welchem die in Eingriff stehenden Teile
an den gestuften Abschnitten 42 und 43 an der
Ausbildung der Kompressionskammern beteiligt sind, auf L0, was einem Drehwinkel
der Kurbelwelle von 180 Grad entspricht.
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Jeder
in Eingriff stehende Teil an den gestuften Abschnitten 42 und 43 weist
auf Grund einer Toleranz für
die mechanische Bearbeitung oder die Montage einen winzigen Spalt
auf. Die den Spalt fließende
Leckmenge des Fluids entspricht dem Differenzdruck des Fluids in
dem Bereich, in welchem die Eingriff stehenden Teile an den gestuften
Abschnitten 42 und 43 an der Ausbildung der Kompressionskammern
beteiligt sind, d.h. (i) dem Differenzdruck ΔP1 zwischen den Linien 201 und 301 bei
dem herkömmlichen
Beispiel und (ii) dem Differenzdruck ΔP0 zwischen den Linien 200 und 300 bei
der vorliegenden Ausführungsform
innerhalb dieses Bereiches. In 5A und 5B ist
offenkundig, daß ΔP1 > ΔP0. Demgemäß kann bei der vorliegenden
Ausführungsform
die Leckmenge des Fluids, die durch einen Spalt der in Eingriff
stehenden Teile an den (in den Spiralelementen vorgesehenen) gestuften
Abschnitten 42 und 43 fließt, vermindert und dadurch
der Wirkungsgrad der Komprimierung verbessert werden.
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Das
heißt,
bei dem Spiralkompressor mit den gestuften Abschnitten 42 und 43 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wird der gestufte Abschnitt 42 an der Stellung P2 oder
einer näher
an dem äußeren Ende
der Spirale liegenden Stellung angebracht, an welcher der Winkelabstand
von dem Basispunkt P1 zu der Stellung P2 (gemessen entlang der Innenumfangsfläche der
Spiralwand 12b) 3π rad
beträgt, und
in ähnlicher
Weise wird der gestufte Abschnitt 43 an der entsprechenden
Stellung (3π rad)
oder einer weiter entfernten Stellung angebracht. Gemäß dieser in 5A gezeigten
Konstruktion haben die in Eingriff stehenden Teile an den gestuften
Abschnitten 42 und 43 nichts mit der Ausbildung
der Kompressionskammern in dem Druckbereich über dem Punkt P zu tun, in
welchem der Druck der Kompressionskammern sehr hoch ist. Deshalb
kann die Leckmenge des durch einen Spalt an den gestuften Abschnitten 42 und 43 fließenden Fluids
so weit wie möglich
vermindert und dadurch der Wirkungsgrad der Komprimierung verbessert
werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
beläuft
sich der Winkelabstand von dem Basispunkt P1 zu dem Spiralenende 13i,
gemessen entlang der Innenumfangsfläche der Spiralwand 13b,
auf 4π rad. Praktisch
kann dieser Winkelabstand jedoch von 3,3π rad bis 5π rad gewählt werden, um somit ähnliche
Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Des weiteren können ähnliche
Veränderungen an
der Spiralwand 12b angewandt werden.
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Ebenso
beläuft
sich bei der vorliegenden Ausführungsform
der Winkelabstand von dem Basispunkt P1 zu dem gestuften Abschnitt 42,
gemessen entlang der Innenumfangsfläche der Spiralwand 12b, auf
3π rad oder
mehr. Wenn jedoch dieser Winkelabstand etwas kleiner als 3π rad ist
(beispielsweise 2,7π rad,
d.h. um 0,3π rad
näher an
der Mitte der Spirale liegt), ist die entsprechende Verminderung
des Wirkungsgrades der Komprimierung klein, und es lassen sich ebenfalls
Wirkungen ähnlich
denen der vorliegenden Erfindung erhalten. Des weiteren können ähnliche
Veränderungen
an dem gestuften Abschnitt 43 angewandt werden.