2. Gebiet der Erfindung und Darstellung ähnlicher technischer Lösungen
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiralströmungsmaschine, die als Kompressor,
Expansionsmaschine usw. eingesetzt wird.
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Ein Mechanismus mit variablem Rotationsradius zur Veränderung des Rotationsradius einer
in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung rotierenden Spirale entsprechend der Veränderung
des Gasdruckes und der auf die rotierende Spirale eines Spiralkompressors einwirkenden
Fliehkraft wurde in der Japanese Patent Provisional Publication No. 59-120794 (No.
120794/1984) offenbart.
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Bei diesem Mechanismus wird das schwingende Lager 03 in das Gleitloch 02 eingepaßt, das
am oberen Ende der Rotationswelle 01 vorgesehen ist, so daß es in Längsrichtung gleitet,
sich jedoch nicht um seine Achse drehen kann, und der Zapfen 05, der aus einer zentralen
Position der Unterseite der Endplatte 04a der rotierenden Spirale 04 nach unten ragt, wird in
dieses schwingende Lager 03 eingefügt, so daß er eine relative Drehbewegung ausführen
kann, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt wird.
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In Fig. 5 und 6 greifen die Spiralhülse 06b, die an der Innenfläche der Endplatte 06a der
stationären Spirale 06 angebracht ist, und die Spiralhülse 04b, die an der Innenfläche der
Endplatte 04a der rotierenden Spirale 04 angebracht ist, ineinander, so daß sie den
Kompressionsraum 07 begrenzen. Die Ziffer 08 bezeichnet einen Rahmen, 09 bezeichnet ein
Drucklager zum Auffangen des Druckes, der auf die rotierende Spirale 04 wirkt, 010
bezeichnet ein Lager zur Stützung des oberen Endes der Rotationswelle 01, O&sub1; bezeichnet die
Wellenmitte der Rotationswelle 01, O&sub2; bezeichnet die Mitte des Zapfens 05, r bezeichnet die
Exzentrizität zwischen O&sub1; und O&sub2;, und a bezeichnet die Neigung des Gleitloches 02 in bezug
auf die Richtung der Exzentrizität.
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Wird die Rotationswelle 01 durch einen Motor oder ähnliche nicht dargestellte Bauteile in
Drehung versetzt, wird die Drehung über das Gleitloch 02, das schwingende Lager 03 und
den Zapfen 05 auf die rotierende Spirale 04 übertragen. Die rotierende Spirale 04 dreht sich
in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung und durchläuft dabei ihre kreisförmige Bahn mit der
Exzentrizität r als Radius in einer Weise, daß die Drehung um ihre Achse durch einen nicht
dargestellten Mechanismus zur Überwachung der Rotationsachse kontrolliert wird. Aufgrund
dessen wird ein Gas, das in den Kompressionsraum 07 eingesaugt wird und sich zur Mitte
der Spirale hin bewegt, wobei der Kompresssionsraum 07 sein Volumen verringert, allmählich
komprimiert, gelangt in den Zentralraum 012 und tritt durch die Ausströmungsöffnung 011
aus.
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Die Fliehkraft Fc wirkt wegen der Drehung der rotierenden Spirale 04 in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung in Richtung des Exzenters auf die rotierende Spirale 04, und die Gaskraft
Fg wirkt in einer Richtung, die wegen des Gasdrucks im Kompressionsraum 07 rechtwinklig
zur Fliehkraft Fc steht. Die aus der Fliehkraft Fc und der Gaskraft Fg zusammengesetzte
Kraft F wirkt auf die Mitte 02 des Zapfens 05.
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Die Fliehkraft wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
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Fc = rω² (1)
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worin W die Masse der rotierenden Schnecke,
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r der Radius der Drehung der rotierenden Schnecke in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung,
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g die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden
Schnecke und
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g die Gravitationsbeschleunigung sind.
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Die zusammengesetzte Kraft F wird durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
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F= [Fg² +Fc²] (2)
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Der Winkel e zwischen der Ausrichtung der zusammengesetzten Kraft F und der
exzentrischen Richtung wird durch die folgende Formel (3) ausgedrückt:
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θ = tan&supmin;¹ {Fg/Fc} (3)
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Wenn die zusammengesetzte Kraft F über den Zapfen 05 auf das schwingende Lager 03
einwirkt, gleitet das schwingende Lager 03 im Gleitloch 02 in dessen Längsrichtung durch
eine Komponente der Kraft F' in der Längsrichtung des Gleitlochs 02 der zusammengesetzten
Kraft F, so daß sich der Radius der Drehung r in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung
vergrößert, und die Hülse 04b der rotierenden Spirale 04 kommt durch den Kontaktdruck F"
in Kontakt mit der Hülse 06b der stationären Spirale 06.
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Ferner wird die Komponente der Kraft F' der zusammengesetzten Kraft F wird durch die
folgende Gleichung (4) ausgedrückt:
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F' = Fcos (α + θ) (4)
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Der Kontaktdruck F" wird durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt:
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F" = F'cos α=Fcos(α+θ) cosα (5)
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Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Spirale erhöht sich die auf die rotierende Spirale
04 einwirkende Fliehkraft Fc mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit ω der rotierenden
Spirale 04, wie aus Gleichung (1) hervorgeht. Wenn sich die Fliehkraft Fc erhöht, verringert
sich der Winkel θ, wie aus Gleichung (3) ersichtlich ist. Dementsprechend steigen die
Komponente der Kraft F' sowie der Kontaktdruck F" an, wie aus den Gleichungen (4) und (5)
hervorgeht.
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Da sich der Kontaktdruck P' proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ω erhöht,
ergibt sich das Problem, daß der Kontaktdruck F" bei hohen Drehgeschwindigkeiten der
Rotationswelle 01 übermäßig ansteigt, was verstärkte Abnutzung und Lärmentwicklung bei den
Hülsen 04b und 06b zur Folge hat.
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EP-A-91 544 sowie EP-A-122 066 offenbaren eine Spiralströmungsmaschine, bei der eine
stationäre Spirale und eine rotierende Spirale, an deren Endplatten Spiralhülsen angebracht
sind, ineinander greifen, eine Antriebsbuchse drehbar in einen Vorsprung eingepaßt ist, der
aus der Mitte der Außenfläche der Endplatte dieser rotierenden Spirale herausragt, und ein
Treibzapfen, der aus der Rotationswelle herausragt, gleitend (im Sinne eines drehenden
Gleitens) in ein Gleitloch eingefügt ist, das in die Antriebsbuchse gebohrt ist; bei der eine
Gegenmasse, die eine Fliehkraft in der entgegengesetzten Richtung zur Fliehkraft erzeugt,
die auf die genannte rotierende Spirale bei ihrer Drehung in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung einwirkt, an der genannten Antriebsbuchse angebracht ist, und bei der die von
der Gegenmasse erzeugte Fliehkraft so gestaltet ist, daß sie im wesentlichen der Fliehkraft
entspricht, die durch Drehung der rotierenden Spirale in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung Spirale wirkt.
3. Zielstellung und summarische Beschreibung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, im Hinblick auf diese Aspekte eine
Spiralströmungsmaschine anzubieten, bei der die obengenannten Probleme gelöst sind.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Spiralströmungsmaschine anzubieten, die
gegenüber der oben beschriebenen Strömungsmaschine weitere Verbesserungen aufweist.
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Um die genannten Ziele zu erreichen, bestehen die Hauptpunkte der vorliegenden Erfindung
im folgenden:
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Spiralströmungsmaschine, bei der eine stationäre Spirale und eine rotierende Spirale, an
deren Endplatten jeweils Spiralhülsen angebracht sind, ineinander greifen, eine
Antriebsbuchse drehbar in einen Vorsprung, der aus der Mitte der Außenfläche der Endplatte der
rotierenden Spirale herausragt, eingepaßt ist und ein aus der Rotationswelle herausragender
Treibzapfen gleitend in ein Gleitloch eingefügt ist, das in die Antriebsbuchse gebohrt ist,
gekennzeichnet dadurch, daß eine Gegenmasse zum Ausgleichen dynamischer Unwuchten,
die durch Drehung der rotierenden Spirale in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung
hervorgerufen werden, an der Antriebsbuchse angebracht ist und daß die Achsenlage des
Schwerkraftzentrums der Gegenmasse so gestaltet ist, daß sie im wesentlichen mit der
Achsenmitte der Antriebsbuchse übereinstimmt.
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Aufgrund des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbaus kann verhindert werden, daß
der Kontaktdruck zwischen der Hülse der rotierenden Spirale und der Hülse der stationären
Spirale übermäßig ansteigt, indem die Wirkung einer Gegenmasse genutzt wird, und das
geneigte Drehmoment der Antriebsbuchse, das auf der auf die Gegenmasse einwirkenden
Fliehkraft beruht, wird teilweise oder ganz beseitigt, so daß die geneigte Drehung der
Antriebsbuchse unterdrückt wird.
4. Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Fig. 1 und 2 zeigen ein Beispiel, das dem Stand der Technik entspricht, wobei es sich bei
Fig. 1 um eine Längsschnittdarstellung des Hauptteils und bei Fig. 2 um eine
Querschnittdarstellung entlang der Linie II-II in Fig. 1 handelt.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung, wobei Fig. 3 eine
Längsschnittdarstellung des Hauptteils zeigt und Fig. 4 eine Frontansicht ist, bei der die rotierende Spirale
abgenommen ist.
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Fig. 5 und 6 zeigen ein Beispiel für einen herkömmlichen Spiralkompressor, wobei Fig. 5 eine
partielle Längsschnittdarstellung ist und Fig. 6 eine Querschnittdarstellung entlang der Linie
VI-VI in Fig. 5.
5. Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen
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Im folgenden werden bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungen unter Bezugnahme auf die
Abbildungen 3 und 4 ausführlich erläutert.
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Die erste Ausführung:
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Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele, die den Stand der Technik veranschaulichen.
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In Abbildung 1 und 2 besteht die stationäre Spirale 1 aus der Endplatte 1a und der an deren
Innenfläche angebrachten Spiralhülse 1b. Die rotierende Spirale 2 besteht aus der Endplatte
2a und der an deren Innenfläche angebrachten Spiralhülse 2b. Die stationäre Spirale 1 und
die rotierende Spirale 2 sind aufgrund des Radius r einer Drehung in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung exzentrisch zueinander gelagert und greifen um 180º versetzt ineinander,
wodurch sie eine Vielzahl von Kompressionsräumen 3 abgrenzen und in bezug auf die Mitte
der Spirale eine Punktsymmetrie bilden. Der zylindrische Vorsprung 4 ragt aus der Mitte der
Außenfläche der Endplatte 2a der rotierenden Spirale heraus, und die Antriebsbuchse 5 ist
mittels des Lagers 6 drehbar in den Vorsprung 4 eingepaßt. Das Gleitloch 7 ist in die
Antriebsbuchse 5 gebohrt, und der Treibzapfen 9, der aus einer Endfläche der Rotationswelle
8 um r exzentrisch gegenüber der Wellenmitte O&sub1; herausragt, ist in das Gleitloch 7 eingepaßt.
Die Schnittfläche des Gleitlochs 7 ist als Kreissegment gestaltet, das dadurch entsteht, daß
ein Kreis wird mit einer geraden Linie, die in einer bestimmten Richtung geneigt ist,
geschnitten wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Weiterhin ist die Schnittfläche des exzentrischen
Treibzapfens 9 ebenfalls als Kreissegment gestaltet mit einem geringeren Durchmesser als
das obengenannte Kreissegment und mit derselben Anordnung wie dieser Kreissegment. Auf
diese Weise gerät der geradlinige Abschnitt 9a des Treibzapfens 9 in Kontakt mit dem
geradlinigen Abschnitt 7a des Gleitlochs 7, so daß der Treibzapfen 9 dort in allen Richtungen
entlanggleiten kann mit einem gewissen Spielraum zwischen der inneren Mantelfläche des
Gleitlochs 7 und der äußeren Mantelfläche des Zapfens 9.
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Außerdem ist die Gegenmasse 10 starr an der Antriebsbuchse 5 befestigt, und die
Gegenmasse 10 erzeugt eine Fliehkraft in entgegengesetzter Richtung zur Fliehkraft, die auf die
rotierende Spirale 2 bei deren Drehung in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung einwirkt.
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Wird die Rotationswelle 8 gedreht, wird die Triebkraft von dem geradlinigen Abschnitt 9a des
Treibzapfens 9 über den geradlinigen Abschnitt 7a des Gleitlochs 7 auf die Antriebsbuchse
5 und dann weiter über das Lager 6 und den Vorsprung 4 auf die rotierende Spirale 2
übertragen. Auf diese Weise dreht sich die rotierende Spirale 2 in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung und durchläuft dabei eine kreisförmige Bahn mit der Exzentrizität r als
Radius und mit der Wellenmitte O&sub1; der Rotationswelle 8 als Mittelpunkt. Das in die
Kompressionsräume 3 eingeleitete Gas wird dadurch allmählich komprimiert und gelangt, während
sich die Kompressionsräume 3 zur Mitte der Spirale hin bewegen und dabei dessen Volumen
reduzieren, in den Zentralraum 11, wo es durch die Ausströmungsöffnung 12 austritt.
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Aufgrund der Drehbewegung der rotierenden Spirale 2 erzeugt eine unausgewuchtete Masse,
die aus der rotierenden Spirale 2, dem Vorsprung 4, dem Lager 6 sowie der Antriebsbuchse
5 besteht, eine Fliehkraft mit exzentrischer Ausrichtung in bezug auf die Wellenmitte O&sub1; der
Rotationswelle 8 der Antriebsbuchse 5, doch gleichzeitig wird durch die Gegenmasse 10 eine
Fliehkraft in entgegengesetzter Richtung zur der genannten Fliehkraft erzeugt.
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Auf diese Weise ist es möglich, eine Kraft zu erzeugen, die die Seitenfläche der Spiralhülse
2b der rotierenden Spirale 2 gegen die Seitenfläche 1 b der stationären Spirale 1 drückt, d. h.
der Kontaktdruck, der unabhängig von der Drehzahl der Rotationswelle 8 konstant ist.
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Da an der Antriebsbuchse eine Gegenmasse angebracht ist, die eine Fliehkraft in
entgegengesetzter Richtung zu der Fliehkraft erzeugt, die auf die rotierende Spirale während deren
Drehung in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung einwirkt, kann das übermäßige Ansteigen
des Kontaktdrucks zwischen der Hülse der rotierenden Spirale und der Hülse der stationären
Spirale verhindert werden, selbst wenn die Rotationswelle eine hohe Drehgeschwindigkeit
erreicht.
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Dadurch läßt sich eine übermäßige Abnutzung der Hülse vermeiden. Außerdem muß keine
Leistungsminderung der Spiralströmungsmaschine hingenommen werden, und ihre
Lebensdauer läßt sich verlängern.
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Die zweite Ausführung:
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Bei der in Fig. 1 der oben beschriebenen ersten Ausführung gezeigten
Spiralströmungsmaschine befindet sich die Achsenlage des Schwerkraftzentrums G der Gegenmasse 10 im
unteren Teil in Achsenrichtung der Antriebsbuchse 5, und die Antriebsbuchse 5 und die
Gegenmasse 10 sind so angeordnet, daß sie auf der oberen Endfläche der Rotationswelle 8
gleiten, und der exzentrische Treibzapfen 9 ist gleitend in das Gleitloch 7 eingefügt. Deshalb
werden die Gegenmasse 10 und die angearbeitete Antriebsbuchse 5 in Fig. 1 mit
uhrzeigersinngemäßer Neigung aufgrund der Fliehkraft F gedreht, die auf das Schwerkraftzentrum der
Gegenmasse 10 wirkt, wenn sich die rotierende Spirale 2 in sonnenbahnähnlicher
Umlaufbewegung dreht. Daraus haben sich Probleme ergeben wie z.B. eine auf das Drehlager
6 wirkende Verschiebungsbelastung. Außerdem arbeitet die untere Endfläche der
Antriebsbuchse 5 durch Verschiebung auf der oberen Endfläche der Rotationswelle 8.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Spiralströmungsmaschine vor, bei der die oben
beschriebenen Probleme gelöst sind.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung.
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Wie in Fig. 3 und 4 veranschaulicht wird, ist die Achsenlage des Schwerkraftzentrums G der
Gegenmasse 10 so gestaltet, daß sie nahezu mit dem Mittelpunkt in Achsenrichtung der
Antriebsbuchse 5 übereinstimmt, indem die Dicke in vertikaler Richtung der Gegenmasse 10
erhöht wird.
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Der übrige Aufbau ist fast unverändert gegenüber dem in Fig. 1 und 2, und entsprechende
Bauteile sind mit denselben Symbolen versehen.
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Wenn sich die rotierende Spirale 2 in sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung dreht, drehen
sich auch die Antriebsbuchse 5 und die daran befestigte Gegenmasse 10 in
sonnenbahnähnlicher Umlaufbewegung mit der obengenannten Drehbewegung, und die Fliehkraft F wirkt am
Schwerkraftzentrum G auf die Gegenmasse 10. Da sich die Achsenlage des
Schwerkraftzentrums G im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Mitte in Achsenrichtung der
Antriebsbuchse 5 befindet, ist das auf der Fliehkraft F beruhende geneigte Drehmoment der
Antriebsbuchse 5 völlig aufgehoben oder wird merklich reduziert.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird in der oben beschriebenen Weise die Achsenlage des
Schwerkraftzentrums der Gegenmasse im wesentlichen mit der Achsenmitte der
Antriebsbuchse in Übereinstimmung gebracht. Dadurch wird das geneigte Drehmoment der
Antriebsbuchse, das auf der auf die Gegenmasse wirkenden Fliehkraft beruht, vollständig oder
teilweise vermieden, so daß die geneigte Drehung der Antriebsbuchse unterdrückt wird.
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Aufgrund dessen läßt sich eine Verschiebungsbelastung des Drehlagers, das die
Antriebsbuchse aufnimmt, sowie eine Verschiebungsbelastung der Endfläche der Antriebsbuchse
gegen die Endfläche der Rotationswelle vermeiden, so daß keine durch die genannte
Verschiebungsbelastung hervorgerufene außergewöhnliche Abnutzung und Beschädigung
auftritt, wodurch die Zuverlässigkeit der Spiralströmungsmaschine erhöht wird.