DE60213146T2

DE60213146T2 - Spiralmaschine

Info

Publication number: DE60213146T2
Application number: DE60213146T
Authority: DE
Inventors: c/o Anest Iwata Corporation Hideyuki Yokohama-shi Kimura; c/o Anest Iwata Corporation Atsushi Yokohama-shi Unami
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2002266777A; EP1239159A3; DE60213146D1; EP1239159B1; EP1239159A2; US6659743B2; US20020131882A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Spiralfluidmaschine, die Fluid komprimiert, expandiert und es unter Druck ausgibt, und spezieller betrifft sie eine Spiralfluidmaschine mit einer mehrstufigen Kompressionseinrichtung, die durch eine Vorstufen-Kompressionseinrichtung komprimiertes Fluid, das gekühlt wurde, komprimiert und es durch eine Nachstufen-Kompressionseinrichtung weiter komprimiert.
Beschreibung der einschlägigen Technik
Bisher war es möglich, das Kompressionsverhältnis durch Erhöhen der Anzahl der Windungsumläufe zu erhöhen. Jedoch führt ein Erhöhen des Kompressionsverhältnisses zu Problemen wie dem Vorliegen einer unnötig großen Konstruktion, wobei sich auch eine Verringerung der Lebensdauer von Lagern und Abdichtungsteilen wegen hohen Temperaturen ergibt, wie sie durch die Kompression des Fluids erzeugt werden.
Demgemäß muss die Struktur des Kühlers vergrößert werden, um die umlaufende Spirale und die stationäre Spirale unter Verwendung einer größeren Menge an Kühlenergie des Kühlers als üblich zu kühlen. In einem Spiralfluidmechanismus wird Fluid vom Außenumfang des umlaufenden Windungsträgers erhalten, und das Fluid wird durch Verringern der es komprimierenden Tasche, in der es aufgenommen ist, zum Zentrum hin komprimiert, und das komprimierte Fluid wird vom im zentralen Bereich angebrachten Auslassanschluss ausgegeben. Daher ist eine hoch entwickelte Technik erforderlich, um den zentralen Bereich effektiv zu kühlen.
Aus dem o.g. Grund ist eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine erforderlich, bei der ein Kühler angrenzend an den Spiralfluidmechanismus angeordnet ist und ein Kompressionsteil der Spiralfluidmaschine in zwei Stufen unterteilt ist, damit ein komprimiertes Fluid von einer Kompressionsvorstufe zum Kühler geleitet und in diesem gekühlt wird und das gekühlte Fluid in eine Kompressions-Nachstufe eingeleitet wird, um erneut komprimiert zu werden. Diese mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine kann ein gewünschtes Kompressionsverhältnis ohne dass eine höhere Temperatur als üblich erreicht wird, dadurch erzielen, dass in einer Vorstufe auf einen solchen Druck komprimiert wird, dass die Temperatur auf diejenige begrenzt ist, der die Spiralfluidmaschine gemäß ihrer Konzeption standhalten kann, und dass dann das komprimierte Fluid durch einen Zwischenkühler geleitet wird und es dann weiter in einer Nachstufe komprimiert wird, bis es dieselbe begrenzte Temperatur wie bei der Kompression in der Vorstufe erreicht.
Die o.g. mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine, bei der eine Kompressionseinrichtung derselben in zwei Stufen unterteilt ist, damit komprimiertes Fluid von einer Kompressions-Vorstufe in einen Kühler geleitet und in diesem gekühlt wird und das gekühlte Fluid in eine Kompressions-Nachstufe eingeleitet wird, um erneut komprimiert zu werden, ist allgemein durch die Veröffentlichung der ungeprüften Anmeldung Shou54-59608 und durch das Dokument US-4141677 bekannt, von dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht.
In der 6 ist eine erhaltene Fluidkompressionscharakteristikkurve L₁, L₂ gemäß einem Stand der Technik dargestellt, wobei die vertikale Achse einen Fluidtaschendruck P₃ angibt und die horizontale Achse einen Drehwinkel ω einer umlaufenden Spiralantriebswelle (einer Kurbelwelle) angibt. Das Kompressionsverhalten entlang der Charakteristikkurve ist das Folgende. Das erhaltene Fluid mit einem Druck P₀ in der Fluidtasche, wie durch "a" gekennzeichnet, wird auf einen Druck P₁, wie durch "b" gekennzeichnet; komprimiert, wobei das komprimierte Fluid gekühlt wird. Das gekühlte Fluid wird entlang der Kurve L₂ zu einem Punkt "d" des Fluiddrucks P₃ (dem Auslassdruck) weiter komprimiert.
Indessen variiert das Fluiddrucktaschenvolumen entsprechend einem vorgegebenen Drehwinkel der Rotationsantriebswelle abhängig von Herstellfehlern, zu denen es bei der Herstellung beispielsweise einer stationären Spiralwindung, einer umlaufenden Spiralwindung, einer Antriebswelle für die umlaufende Spirale oder einer Kurbelwelle, um eine Drehung der umlaufenden Spirale zu ver hindern, kommt. Die Aufmerksamkeit wird nun auf die Charakteristikkurve L₂ der Kompressions-Nachstufe gerichtet, und es ergibt sich, dass hinsichtlich jedes Kompressors eine Variation eines Innendrucks um einen Wert ΔP der Fluidtasche erzeugt wird, die komprimiertes Fluid in einem abgedichteten Raum aufnimmt, wobei diese Variation einem vorgegebenen Drehwinkelwert Δω der Antriebswelle der umlaufenden Spirale entspricht.
Wie es in den 4 und 5 dargestellt ist, werden Fluiddrucktaschen so gebildet, wie es als abgedichtete Räume S innerhalb sowie T außerhalb einer umlaufenden Spiralwindung dargestellt ist. Diese abgedichteten Räume stehen mit einem Auslassanschluss in Verbindung, nach dem Letztkompressionskammern gebildet wurden, so dass komprimierte Fluide in diesen im Auslassanschluss miteinander gemischt werden, um zur Außenseite des Kompressors ausgegeben zu werden. Daher variiert der Auslassdruck am Auslassanschluss aufgrund der Variation des Innendrucks um den Wert ΔP der Fluidtasche, die das komprimierte Fluid eines jeweiligen abgedichteten Raums aufnimmt, wie des abgedichteten Raums S und T, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkel Δω der Antriebswelle der umlaufenden Spirale, so dass sich eine Überkompression oder eine unzureichende Kompression ergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das o.g. Problem zu überwinden und eine Spiralfluidmaschine mit verringerter Variation des Ausgangsdrucks am Auslassanschluss zu schaffen.
Diese Aufgabe ist durch eine Spiralfluidmaschine gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung gibt eine Spiralfluidmaschine mit einer mehrstufigen Kompressionseinrichtung an, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Volumina der abgedichteten Räume, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkel der Antriebswelle der umlaufenden Spirale, weniger Variation zeigen.
Der Oberbegriff der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spiralfluidmaschine mit einer mehrstufigen Kompressionseinrichtung, die Fluid durch eine Nachstufen-Kompressionseinrichtung komprimiert, wobei das Fluid durch eine Vorstufen-Kompressionseinrichtung komprimiert wurde und gekühlt wurde, ein Verringerungsverhältnis ΔY des Volumens einer Kompressionskammer in einer hinteren Kompressionseinrichtung kleiner als in einer vorderen Kompressionseinrichtung ist, wobei ΔY durch ΔY = {A(n – 1) – An}/A(n – 1)} ausgedrückt ist, wobei A das Volumen einer durch eine Spiralwindung und eine Spiralspiegelebene gegebenen Kompressionskammer ist, A(n – 1) das Volumen einer Kompressionskammer beim Drehwinkel Δω(n – 1) ist. An das Volumen einer Kompressionskammer beim Drehwinkel Δωn ist und Δω der Drehwinkel einer Antriebswelle einer umlaufenden Spirale ist. Gemäß der Erfindung ist, da das Verringerungsverhältnis ΔY des Volumens der Kompressionskammer in der hinteren Kompressionseinrichtung kleiner als in der vorderen Kompressionseinrichtung ist, dieses Verringerungsverhältnis ΔY des Volumens der durch die Spiralwindung und die Spiralspiegelfläche gebildeten Kompressionskammer, entsprechend dem Drehwinkel der Spiralantriebswelle klein, so dass das Ausmaß der Variation des Drucks P im abgedichteten Raum, der das Volumen der Kompressionskammer bildet, klein ist. Demgemäß fällt die Charakteristikkurve des Drucks P im abgedichteten Raum nur sanft. Demgemäß kann eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine mit einer kleineren Variation des Innendrucks der Fluidtasche, die das komprimierte Fluid jedes abgedichteten Raums aufnimmt, entsprechend einem Wert ΔP, und mit stabilem Auslassdruck geschaffen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Spiralfluidmaschine mit einer mehrstufigen Kompressionseinrichtung, die ein Fluid durch eine Nachstufen-Kompressionseinrichtung komprimiert, wobei das Fluid durch eine Vorstufen-Kompressionseinrichtung komprimiert wurde und gekühlt wurde, wobei der Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung größer als ein Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, wo der Druck des abgedichteten Raums größer als in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkel der Spiralantriebswelle, ein Volumenverringerungsverhältnis durch Kompression entsprechend einem Ausmaß kleiner, das proportional zu einem längeren Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen ist, so dass das Ausmaß der Variation des Drucks P im abgedichteten Raum, der das Volumen der Kompressionskammer bildet, klein ist. So fällt eine Charakteristikkurve des Drucks P im abgedichteten Raum nur sanft. Demgemäß kann eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine geschaffen werden, die nur eine kleine Variation des Innendrucks der Fluidtasche, die das komprimierte Fluid jedes abgedichteten Raums aufnimmt, entsprechend einem Wert ΔP, und einen stabilen Auslassdruck zeigt.
Als alternative, effektive Maßnahme ist die Spiralfluidmaschine so konstruiert, dass der Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung und in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung entlang der Richtung vom Sauganschluss zum Auslassanschluss für das Fluid länger wird.
Gemäß dieser technischen Maßnahme kann die Spiralfluidmaschine so aufgebaut werden, dass der Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung, gemeinsam mit der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, schrittweise oder allmählich entlang der Richtung vom Sauganschluss zum Auslassanschluss für das Fluid länger wird. D.h., dass das Verhältnis des durch Kompression abnehmenden Volumens, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkel der Windungsantriebswelle kleiner wird, wenn die Fluidtasche näher am Auslassanschluss in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung, gemeinsam mit der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, liegt, so dass das Ausmaß der Variation des Drucks P im abgedichteten Raum, der das Volumen der Kompressionskammer bildet, klein ist. Demgemäß fällt die Charakteristikkurve des Drucks P im abgedichteten Raum sanft. Entsprechend kann eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine mit kleinerer Variation des Innendrucks der Fluidtasche, die das komprimierte Fluid jedes abgedichteten Raums aufnimmt, entsprechend einem Wert ΔP, und mit stabilem Auslassdruck geschaffen werden.
KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Spiralfluidmaschine gemäß der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer stationären Spirale.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer umlaufenden Spirale.
4 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Kompressionszustands von Fluid, wenn Fluid von einer Seite von Wandflächen einer umlaufenden Spiralenwindung eingeschlossen wird.
5 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Kompressionszustands von Fluid, wenn Fluid von der anderen Seite von Wandflächen einer umlaufenden Spiralenwindung eingeschlossen wird.
6 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Verhaltens beim Komprimieren von Fluid in einer Spiralfluidmaschine.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die hier vorliegende Beschreibung spezieller Ausführungsformen, wie hinsichtlich der Abmessungen, der Materialarten, der Konfigurationen und der Relativanordnungen der Elementteile und dergleichen die Erfindung nicht auf die speziell offenbarten Formen einschränken soll, sondern es besteht die Absicht einer beispielhaften Offenbarung, solange nichts anderes speziell angegeben ist.
Die 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Spiralfluidmaschine gemäß der Erfindung. Die 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer stationären Spirale. Die 3 ist eine perspektivische Ansicht einer umlaufenden Spirale. Die 4 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Kompressionszustands von Fluid, wenn Fluid von einer Seite von Wandflächen einer umlaufenden Spiralenwindung eingeschlossen wird. Die 5 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Kompressionszustands von Fluid, wenn Fluid von der anderen Seite von Wandflächen einer umlaufenden Spiralenwindung eingeschlossen wird. Die 6 ist eine schematische Zeichnung zum Veranschaulichen eines Verhaltens beim Komprimieren von Fluid in einer Spiralfluidmaschine.
Wie es in der 1 dargestellt ist, verfügt der Körper eines mehrstufigen Spiralfluidmechanismus (der Körper einer Spirale) 1 über ein Gehäuse 2 einer stationären Windung, an dem eine Gehäuseabdeckung 4 fest angebracht ist, und über ein Antriebswellegehäuse 3, das am Gehäuse 2 für die stationäre Windung fest angebracht ist. Zwischen einer Auslassleitung 6, die an einem Auslassanschluss einer Vorstufen-Kompressionseinrichtung des Gehäuses 2 für die stationäre Spirale, mit späterer Angabe, befestigt ist, und einer Ansaugleitung 7 angeordnet, die an einem Sauganschluss einer Nachstufen-Kompressionsein richtung befestigt ist. Ein Zwischenweg wird dadurch gebildet, dass der Kühler 24 durch ein Leitungswerk mit der Auslassleitung 6 und der Ansaugleitung 7 verbunden wird.
Wie es in der 2 dargestellt ist, verfügt der Zwischenweg über ein Gesamtleitungsvolumen über einen Auslassanschluss 2e der Vorstufe, einen Auslassanschluss 2f der Nachstufe und das Innere des Kühlers, das zwischen diesen Auslassanschlüssen vorliegt. Das Gesamtvolumen ist auf das N(ganze Zahl)-fache des Volumens einer Letztkompressionskammer in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung eingestellt. Nach n-maliger Ausgabe aus der Letztkompressionskammer in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung schließt die Nachstufen-Kompressionseinrichtung, als erstes Ansaugstadium in ihr, ein Fluidvolumen ein, das dem Volumen der Letztkompressionskammer in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung entspricht.
Zu Beginn des Laufs steht jedoch die Spiralfluidmaschine still, die Letztkompressionskammer in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung des durch die stationäre Spiralwindung und die umlaufende Spiralwindung gebildeten Fluidkompressionsraums enthält Fluid mit demselben Druck oder einem höheren Druck als dem Außendruck am Auslassanschluss 2d (1) in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, und manchmal wird der Druck des Fluids abgesenkt, das im zunächst erhaltenen Raum existierte, wobei Verbindung mit dem Zwischenweg besteht.
Wenn der anfängliche Lauf in diesem Zustand gestartet wird, wird das Restfluid in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung auf einen Druck über dem Außendruck komprimiert. D.h., dass dann, wenn das komprimierte Fluid in der Letztkompressionskammer in der Nachstufe mit dem komprimierten Fluid der Kompressionskammer vor der letzten kombiniert wird, um auf einen höheren Druck als den Außendruck komprimiert zu werden, komprimiertes Fluid nach außen ausgegeben wird. Wenn der Druck immer noch niedriger als der Außendruck ist, wird das Fluid vom Zwischenweg erhalten und mit dem Fluid auf der Auslassanschlussseite kombiniert, um komprimiert zu werden.
Ungefähr am Ende des anfänglichen Laufs wird, nach n-maliger Ausgabe aus der Letztkompressionskammer in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung, der Laufzustand dergestalt, dass die Nachstufen-Kompressionseinrichtung, als Erststufenansaugung derselben, ein Fluidvolumen enthält, das dem Volumen der Letzt kompressionskammer in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung entspricht. Das Gehäuse für eine stationäre Spirale ist als kreisförmige Schale, wie es in der 2 dargestellt ist, mit Befestigungsteilen 2i, 2j und 2k an drei Stellen in der Umfangsrichtung an seiner Umfangsfläche ausgebildet, wobei die Befestigungsteile mit dem später angegebenen Antriebswellengehäuse 3 durch eine Verbindungsfläche 2m verbunden sind. Eine Spiegelfläche 2c₁ ist in einem Vertiefungsteil ausgebildet, der durch einen Windungsgraben 27 der Vorstufen-Kompressionseinrichtung gebildet ist. Diese Spiegelfläche 2c₁ steht mit einem Kanal 2a in Verbindung, der im Innenteil des Befestigungsteils 2i ausgebildet ist. An einem Vertiefungsteil, der durch einen Windungsgraben 28 der Nachstufen-Kompressionseinrichtung gebildet ist, ist eine Spiegelfläche 2c₂ vorhanden. Die Beziehung zwischen der Windungshöhe L₂ (1) der Vorstufen-Kompressionseinrichtung von der Spiegelfläche 2c₁ bis zur Oberseite der Windung und der Windungshöhe L₁ der Nachstufen-Kompressionseinrichtung von der Spiegelfläche 2c₂ zur Oberseite der Windung ist als L₁ > L₂ eingestellt.
Die Verbindungsfläche 2m verfügt über eine selbstschmierende Staubdichtung 12 aus beispielsweise einem Harz vom Fluorkohlenstofftyp im im Teil 2 vorhandenen Kanal in solcher Weise, dass sie an der passenden Fläche der umlaufenden Spirale 11 reibt.
Der Auslassanschluss 2e der Vorstufe (4, 5), der mit der in der 1 dargestellten Auslassleitung 6 verbunden ist, und der Sauganschluss 2f (4, 5) der Nachstufe, der mit der Ansaugleitung 7 verbunden ist, sind an den Spiegelflächen 2c₁ bzw. 2c₂ vorhanden. Eine stationäre Spiralwindung 9b, die die Vorstufen-Kompressionseinrichtung bildet, ist in der Gegenuhrzeigerrichtung und spiralförmig eingebettet, und eine stationäre Spiralwindung 9c, die die Nachstufen-Kompressionseinrichtung bildet, verläuft spiralförmig ausgehend von einem erhabenen Teil 9a aus, an dem diese Anschlüsse angebracht sind. Kanäle sind an den Oberseiten der Windungen, d.h. den obersten Enden derselben vorhanden, und in diese Kanäle sind selbstschmierende Oberendedichtungen 14, die beispielsweise aus einem Harz vom Fluorkohlenstofftyp bestehen, eingelegt. Kühlrippen 2b sind, wie es in der 1 dargestellt ist, in die Rückseiten der Spiegelflächen 2c₁ und 2c₂ des Gehäuses 2 für eine stationäre Spirale eingebettet, und über die Oberseite der Kühlrippen ist eine Gehäuseabdeckung 4 gesetzt, um einen Kühlkanal 2n zu bilden. So ist die Spiralfluidmaschine so aufgebaut, dass sie die stationäre Spirale durch Kühlluft kühlen kann, die in der Richtung vertikal zur Zeichnungsebene in der
1 strömt. Eine Leitung 5 ist so angebracht, dass sie Fluid in den Kanal 2a einschließen kann.
Wie es in der 3 dargestellt ist, verfügt die umlaufende Spirale 11 über eine Spiegelfläche 10c, die, wie es in der 1 dargestellt ist, der Staubdichtung 12, die an der Verbindungsfläche der stationären Spirale vorhanden ist, gegenüberstehend angeordnet ist und diese berührt. Die Spiegelfläche 10c, an deren Außenumfangsteil eine umlaufende Spiralwindung 10a eingebettet ist, die die Vorstufen-Kompressionseinrichtung bildet, und wobei an ihrem zentralen Teil eine umlaufende Spiralwindung 10b eingebettet ist, die die Nachstufen-Kompressionseinrichtung bildet. Hinsichtlich der Windungshöhen von der Spiegelfläche 10c zur Oberseite der Windungen ist die umlaufende Spiralwindung 10b der Nachstufen-Kompressionseinrichtung höher als die umlaufende Spiralwindung 10a der Vorstufen-Kompressionseinrichtung entsprechend der o.g. Höhenbeziehung L₁ > L₂ für die stationären Spiralen eingestellt.
An den Oberseiten der Windungen sind Kanäle vorhanden, und in diese sind selbstschmierende Oberendedichtungen 13 eingelegt, die aus beispielsweise einem Harz vom Fluorwasserstofftyp bestehen.
Die umlaufenden Spiralwindungen 10a und 10b sind hinsichtlich ihrer Wandflächen den stationären Spiralwindungen 9b, 9c gegenüberstehend angeordnet. Kühlrippen 11a sind, wie es in der 1 dargestellt ist, in die Rückseite der Spiegelfläche 10c eingebettet, und über die Oberseite der Kühlrippen ist eine Hilfsabdeckung 15 gesetzt, um einen Kühlkanal 11n zu bilden. So ist die Spiralfluidmaschine so aufgebaut, dass sie die umlaufende Spirale mittels Kühlluft kühlen kann, die in der Richtung vertikal zur Zeichnungsebene der 1 strömt.
Diese Hilfsabdeckung 15 verfügt an ihrer zentralen Seite über ein Lager 18, das einen exzentrischen Endteil 16a einer Drehantriebswelle 16 drehbar lagert, und sie verfügt auch über Lager 19 an Positionen auf der Umfangsseite, die in der zugehörigen Umfangsrichtung ein Dreieck bilden, wobei dadurch Kurbelteile gelagert werden, um eine Drehung der umlaufenden Spirale zu verhindern.
Der Kurbelteil verfügt über eine Welle 22 auf einer Seite einer Platte 21, die in das Lager 19 passt, und eine Welle 23 auf der anderen Seite der Plat te, mit einem Zentrum, das in Bezug auf das der Welle 22 versetzt ist. Diese Welle 23 passt in ein Lager 20, das am Antriebswellengehäuse 3 vorhanden ist, um die Position einzustellen. So ist die umlaufende Spirale 11 so aufgebaut, dass sie durch exzentrische Drehung des exzentrischen Endteils 16a der Drehantriebswelle 16 eine Umlaufbewegung ausführen kann.
Das Antriebswellengehäuse 3 verfügt über einen offenen Raum in der Richtung vertikal zur Zeichnungsebene in der 1, um die Rippen 11a der umlaufenden Spirale durch darin strömende Kühlluft zu kühlen. Ein Lager 17 im zentralen Teil lagert die mit einer Welle eines Antriebsmotors, der in der Figur nicht dargestellt ist, verbundene Drehantriebswelle 16 auf drehbare Weise.
Im so konstruierten Spiralkörper 1 läuft die umlaufende Spirale um, wenn sich der exzentrische Endteil 16a durch die Drehung der Drehantriebswelle 16 um eine Achse 16b dreht, und, wie es in der 4 dargestellt ist, wird das vom Sauganschluss (vom Kanal) 2a des Gehäuses 2 für eine stationäre Spirale angesaugte komprimierte Fluid mittels der umlaufenden Spiralwindung 10a erhalten, d.h., es wird in die durch diese Windung und die stationäre Spiralwindung 9b gebildeten abgedichteten Räume S₁ und T₁ eingeschlossen.
Da diese abgedichteten Räume um 180 Grad versetzt sind, werden gleichzeitig ungefähr gleiche Volumina eingeschlossen.
Der abgedichtete Raum wird, wie es in der 4 und der 5 dargestellt ist, in der Reihenfolge S₁→S₂→S₃→S₄→S₅ und dann Auslassanschluss 2e der Vorstufe → Zwischenweg → Sauganschluss 2f der Nachstufe →S₆→S₇→S₈→S₉ komprimiert. Der als T₁ erhaltene abgedichtete Raum, wie er in der 1 dargestellt ist, wird in der Reihenfolge T₁→T₂→T₃→T₄ und dann Auslassanschluss 2e der Vorstufe → Zwischenweg → Sauganschluss 2f der Nachstufe →T₅→T₆→T₇→T₈→T₉ komprimiert, um an den zentralen Teil geliefert zu werden. S₉ wird mit T₉ vereinigt, um aus dem Auslassanschluss 2d auszuströmen und mittels einer Auslassleitung 8 ausgelassen zu werden.
Da der abgedichtete Raum S₉ über denselben wie T₉ verfügt, wie es in der 4 dargestellt ist, werden Fluide mit demselben Druck ausgegeben. Die Funktion der vorliegenden Ausführungsform der so aufgebauten Spiralfluidmaschine wird unter Verwendung der 6 wie folgt erläutert.
In der 6 ist eine Charakteristiklinie des Drucks im abgedichteten Raum dargestellt, wobei die vertikale Achse P den Druck im durch die Spiralwindungen gebildeten abgedichteten Raum (Innendruck der Fluidtasche) repräsentiert und die horizontale Achse den Drehwinkel der Antriebswelle der Kurbelwelle der umlaufenden Spirale repräsentiert.
L₃ zeigt eine Charakteristiklinie für die Kompression in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung. L₉ zeigt eine Charakteristiklinie für die Kompression in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung für den Fall, dass die Windungshöhe höher als die in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist. L1 und L2 zeigen Charakteristiklinien für die Kompression in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung und der Vorstufen-Kompressionseinrichtung für den Fall, dass beide Windungen über dieselbe Höhe verfügen.
Wenn der Körper der Spiralfluidmaschine zu laufen beginnt, beginnt die Vorstufen-Kompressionseinrichtung Fluid anzusaugen. Das Fluid im mittleren Weg wird verdünnt, wenn es im Volumen T desselben zwischen dem Auslassanschluss der Vorstufe und dem Sauganschluss der Nachstufe aufgenommen wird.
Das Fluid im abgedichteten Raum der Vorstufen-Kompressionseinrichtung wird entlang der Linie L3 zum Punkt "b" komprimiert und unter Druck gesetzt.
Das komprimierte Fluid fließt aufgrund des verdünnten Fluids im mittleren Weg zu diesem am Punkt "c", um gleichzeitig den Druck abzusenken. Danach nimmt der Fluiddruck aufgrund des komprimierten, von der Vorstufen-Kompressionseinrichtung gelieferten Fluids zu, um wieder den Punkt "c" zu erreichen, an dem der Druck P2 ist.
Das Fluid am Punkt "c" wird durch den Kühler 24 im Zwischenweg gekühlt und an die Nachstufen-Kompressionseinrichtung geliefert. Nach dem Punkt "c" wird das Fluid im abgedichteten Raum der Nachstufen-Kompressionseinrichtung komprimiert, wodurch der Druck entlang der Linie L₉ ansteigt.
Wenn die erhaltene Fluidkompressionscharakteristikkurve L₁, L₂ einer herkömmlichen Spiralfluidmaschine mit der vorliegenden Ausführungsform verglichen wird, wird, bei einer herkömmlichen Spiralfluidmaschine, Fluid vom Punkt "a" des Fluidtasche-Innendrucks P₀ zum Punkt "b" des Drucks P₁ komprimiert, und das komprimierte Fluid wird am Punkt "b" gekühlt. Dann wird der Vorgang aus geführt, wie er in der Charakteristikkurve entlang L₂ vom Punkt "b" zum Punkt "d" des Fluidtasche-Innendrucks P₃ (Auslassdruck) dargestellt ist. Wenn nun die Charakteristikkurve L₂ der Nachstufen-Kompressionseinrichtung betrachtet wird, ist das Veränderungsverhältnis Z des Innendrucks der Fluidtasche, das einem vorgegebenen Drehwinkelwert Δω entspricht, wie folgt ausgedrückt: Z = ΔP/Δω (1),wobei Δω ein vorgegebener Drehwinkelwert ist, ΔP der Veränderungswert des Innendrucks der Fluidtasche, entsprechend Δω ist.
Demgegenüber wird bei der vorliegenden Ausführungsform Fluid vom Punkt "a" des Fluidtasche-Innendrucks P₀ zum Punkt "c" eines Drucks über dem am Punkt "b" komprimiert, und das komprimierte Fluid wird an diesem Punkt "c" gekühlt. Dann wird der Vorgang ausgeführt, wie er in der Charakteristikkurve entlang L₉ vom Punkt "c" zum Punkt "d" des Fluidtasche-Innendrucks P3 (Auslassdruck) dargestellt ist. Wenn nun die Charakteristikkurve L₉ der Nachstufen-Kompressionseinrichtung betrachtet wird, ist das Veränderungsverhältnis Z' des Innendrucks der Fluidtasche, das einem kleinen Drehwinkelwert Δω entspricht, wie folgt ausgedrückt: Z' = ΔP'/Δω (2),wobei Δω ein vorgegebener Drehwinkelwert ist, ΔP' der Veränderungswert des Innendrucks der Fluidtasche, entsprechend Δω ist.
Demgemäß führt die sich ergebende Beziehung ΔP' < ΔP zur Tatsache, dass der Variationswert ΔP' des Innendrucks der Fluidtasche bei der Nachstufen-Kompressionseinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kleiner als ΔP ist. Demgemäß ist, da das Verringerungsverhältnis ΔY des Volumens einer Kompressionskammer, die durch eine Spiralwindung und eine Spiralspiegelfläche gebildet ist, bei der vorliegenden Ausführungsform in einer Nachstufen-Kompressionseinrichtung kleiner als in einer Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist, der Auslassfluiddruck der Vorstufen-Kompressionseinrichtung bei der vorliegenden Ausführungsform höher als bei einer herkömmlichen Spiralfluidmaschine eingestellt, und der Gradient der Linie L₉ verläuft sanfter als der der Linie L₂ im herkömmlichen Fall. Demgemäß kann eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine mit einer kleinen Änderung ΔP des Innendrucks der Fluidtasche, die das komprimierte Fluid jedes ausgewählten Raums S oder T enthält, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkelwert Δω der umlaufenden Spirale und mit stabilem Auslassdruck geschaffen werden.
Selbstverständlich wurde zwar die vorliegende Ausführungsform für den Fall eines längeren Abstands zwischen einer Windung und einer Spiegelfläche in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung als in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung erläutert, jedoch kann eine erfindungsgemäße Spiralfluidmaschine so aufgebaut werden, dass der Abstand zwischen den Spiegelflächen der Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung, gemeinsam mit der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, schrittweise oder allmählich in der Richtung vom Sauganschluss zum Auslassanschluss des Fluids länger wird.
Wie oben beschrieben, kann durch die Erfindung eine mehrstufige Kompressions-Spiralfluidmaschine mit stabilem Auslassdruck und kleiner Streuung des Variationswerts des Fluidtasche-Innendrucks ΔP in jedem abgedichteten Raum S oder T, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkelwert Δω, aufgrund eines kleinen Gradienten der Charakteristikkurve für den Druck P in einem abgedichteten Raum geschaffen werden, da das Ausmaß der Druckvariation im abgedichteten Raum, der ein Volumen einer Kompressionskammer bildet, die durch eine umlaufende Windung und eine gegenüberstehende Spiralspiegelfläche gebildet ist, in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung, entsprechend dem vorgegebenen Drehwinkelwert Δω, kleiner ist.

Claims

Spiralfluidmaschine mit mehrstufiger Kompressionseinrichtung, die ein Fluid, das von einer Vorstufen-Kompressionseinrichtung (2c1, 9b, 10a, 10c) komprimiert wurde und gekühlt wurde, mittels einer Nachstufen-Kompressionseinrichtung (2c2, 9c, 10b, 10c) weiter komprimiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Verringerungsverhältnis ΔY des Volumens einer Kompressionskammer (S, T) in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung kleiner als in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist, wobei ΔY durch ΔY = {A(n – 1) – An}/A(n – 1) gegeben ist, wobei A das Volumen einer durch eine Spiralwicklung (9b, 9c, 10a, 10b) und eine Spiralspiegelfläche (2c1, 2c2, 10c) gegebenen Kompressionskammer, A(n – 1) das Volumen einer Kompressionskammer beim Drehwinkel ω(n – 1), An das Volumen einer Kompressionskammer beim Drehwinkel ωn, und ωn und ω(n–1) Drehwinkel einer Antriebswelle einer umlaufenden Spirale sind.
Maschine nach Anspruch 1, wobei der Abstand (L1) zwischen den Spiegelflächen (2c2, 10c) von Windungen in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung größer als der Abstand (L2) zwischen den Spiegelflächen (2c1, 10c) von Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung ist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand (L1, L2) zwischen den Spiegelflächen (2c1, 2c2, 10c) der Windungen in der Vorstufen-Kompressionseinrichtung und in der Nachstufen-Kompressionseinrichtung bei Messung weiter weg vom Sauganschluß (2a, 2f) zum Abgabeanschluß (2e, 2d) des Fluids hin größer ist.