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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralverdichter zur Verwendung in einem
Kühlsystem wie einer Klimaanlage. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
einen Spiralverdichter, der eine Entlastungsöffnung umfaßt, die ein
Ungleichgewicht der Druckwerte in einem gasförmigen Medium verursacht, das in
geschlossenen Taschen, die sich im Verdichter befinden, abgegrenzt ist,
zusammen mit einer sich daraus ergebenden Verringerung der
Geräuschentwicklung und der Vibrationen.
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Spiralverdichter werden zunehmend dazu verwendet, um Gase in Wärmepumpen
mit hoher Energieausbeute für Wohnräume und in Kühlsystemen wie Klimaanlagen
zu komprimieren. Verwendungsmöglichkeiten für Spiralverdichter umfassen deren
Einsatz in Vakuumpumpen, Pumpen für verschiedene Flüssigkeiten, Gasexpandern
und Motorengebläsen.
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In solchen Verdichtern befindet sich ein stationäres Spiralenteil mit einer Endplatte
und einer Schnecke oder spiralförmigen Windung, die sich davon erstreckt.
Typisch ist eine Entladeöffnung in der Endplatte gebildet. Eine umlaufende Spirale
ist ineinandergreifend mit der stationären Spirale angebracht, und auch sie
erstreckt sich von einer Endplatte. Das umlaufende Spiralenteil ist mittels eines
kurzen Kurbelmechanismus wirksam mit einer Antriebswelle verbunden, so daß
jeder beliebige Punkt auf dem umlaufenden Spiralenteil eine Umlaufbahn in Bezug
auf einen bestimmten Punkt auf dem stationären Spiralenteil beschreibt.
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Die beiden Spiralenteile sind um 180º phasenversetzt, d.h. das eine ist das
Spiegelbild des anderen. Bei der relativen Bewegung zwischen dem stationären
und dem umlaufenden Spiralenteil bilden sich geschlossene Taschen zwischen
ineinandergreifenden Evolventenflächen, in denen das zu komprimierende Gas
eingesperrt ist. In dem Maße, wie die Orbitalbewegung voranschreitet, sind die
geschlossenen Taschen einer Volumenverringerung unterworfen. Demzufolge
wirken die geschlossenen Taschen als Verdichtungskammern, während das
eingesperrte Gas einer progressiven Eingrenzung unterworfen ist.
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In solchen Verdichtern tritt angesaugtes Kühlgas in das stationäre und das
umlaufende Spiralenteil an deren äußerem Umfang ein. Das Ineinandergreifen der
Spiralenteile bildet sichelförmige Taschen, deren Größe sich, beginnend vom
Umfang, verringert, wodurch der Druck des eingesperrten Gases erhöht wird. Die
äußeren Taschen, die anfänglich mit einer Ansaugkammer in Verbindung stehen,
werden geschlossen, sobald das umlaufende Spiralenteil das äußere Ende des
stationären Spiralenteils berührt. Die geschlossenen Taschen bewegen sich radial
nach innen, bis sie sich unter Verbindung zur Austrittsöffnung miteinander
vereinigen, was das Ausstoßen von Gas unter hohem Druck bewirkt.
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Der Spiralverdichter ist unidirektional. Er wirkt als Verdichter, wenn er in der einen
Richtung gedreht wird, und als Expander, wenn er in der entgegengesetzten
Richtung gedreht wird.
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Durch das Steuern der Anzahl der Windungen auf den Spiralenteilen und der
Stellung der Austrittsöffnung wird ein optimales Druckverhältnis für einen
bestimmten Verdichter festgelegt. Die Leistungsgrade für derartige Verdichter
hängen ebenso von der Steuerung der Undichtigkeit ab.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, erhöht sich der Druck des Kühlgases in den
geschlossenen Taschen, wenn sich deren Volumen zwischen den Endplatten durch
die Bewegung der umlaufenden Spirale bezüglich des stationären Spiralenteils
verringert. Der Eintritt des Gases in eine geschlossene Tasche erfolgt durch eine
Eintrittsöffnung, bevor es zunehmend durch die Wirbelbewegung der Spiralenteile
komprimiert wird. Das eingesperrte Gas wird dadurch zum Zentrum des
Spiralverdichters gedrängt. Wie sich das eingesperrte Gas dem Zentrum nähert,
rücken die geschlossenen Taschen noch näher zusammen, wobei das Gas weiter
komprimiert wird. In der Nähe des Zentrums entweicht das komprimierte Gas
durch die Entladeöffnung, von der es in eine äußere Vorrichtung wie einen
Kondensator geleitet wird. Von einer solchen externen Vorrichtung kehrt das
verdichtete Gas zu einer Einlaßseite des Verdichters zurück, bevor der normale
Zyklus der Verdichtung wiederholt wird.
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Das exzentrische Montieren des umlaufenden Spiralenteils auf der Antriebswelle
verursacht gewöhnlich gleichzeitig Lärmentwicklung und Vibrationen. In der
Vergangenheit begegnete man den Problemen des Lärms und der Vibrationen
durch das Vervielfältigen der Anzahl der Entladeöffnungen. Veranschaulichend für
solche Ansätze ist die Patentschrift der japanischen Patentveröffentlichung Nr.
2-5781, die das Datum der Patentveröffentlichung vom 10. Januar 1990 trägt.
Diese Literaturstelle offenbart die Bereitstellung vielfältiger Entladeöffnungen an
genau bestimmten Stellen auf dem stationären Spiralenteil. In solchen Entwürfen
tritt etwas Leistungsverlust ein. Ein weiterer Ansatz, wie jener, der im U.S. Patent
Nr. 4,626,179 offenbart ist, das am 2. Dezember 1986 erteilt wurde, bedingt das
Konfigurieren des umlaufenden Spiralenteils bezöglich des stationären Spiralenteils
auf eine solche Weise, daß deren Längen unterschiedlich sind. Als Ergebnis ist die
Verteilung des Gasdruckes in den Fluidumtaschen asymmetrisch. Das erzeugt ein
höheres Drehmoment für das umlaufende Spiralenteil, was angeblich die
Vibrationen und die Geräusche verringert. Die Offenbarung des U.S. Patentes Nr.
4,626,179 ist hierin zur Bezugnahme darauf eingearbeitet.
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US-A-5,055,012 offenbart einen Spiralverdichter zur Verwendung bei der
Verdichtung von Gasen, der ein stationäres Spiralenteil mit einer oberen
Oberfläche umfaßt, ein bewegliches Spiralenteil, das sich um das stationäre
Spiralenteil herum bewegt, um zusammen mit dem stationären Spiralenteil Gase zu
komprimieren, wenn es sich um das stationäre Spiralenteil dreht, eine
Entladeöffnung, die im Zentrum des stationären Spiralenteils gebildet ist, um die
komprimierten Gase zu entladen, eine Vielzahl von Entladeöffnungen, die bezüglich
des Zentrums des stationären Spiralenteils um unterschiedliche Entfernungen
versetzt sind, einen Auslaßraum, der im stationären Spiralenteil gebildet ist und in
Verbindung mit einer aus der Vielzahl von Öffnungen steht, einen Entladekanal, der
durch das stationäre Spiralenteil führt, parallel zur oberen Oberfläche des
stationären Spiralenteils und in Verbindung mit dem Auslaßraum, einen
geschlossenen Behälter, um das stationäre Spiralenteil und das bewegliche
Spiralenteil aufzunehmen, und ein Auslaßrohr, das durch den geschlossenen
Behälter mit dem Entladekanal verbunden ist.
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Die Gesamtlänge der Spirale ist vom Aspekt der Herstellung bedeutend. Die Länge
der Spirale bestimmt die Herstellungszeit, die zum Fertigbearbeiten jeder Windung
benötigt wird, was einen der dominierenden Kosten- und Produktivitätsfaktoren
darstellt.
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Angesichts solcher Problemstellungen wäre es wünschenswert, die
Lärmentwicklung und die Vibrationen zu reduzieren, ohne auf unnötige Weise die
Anzahl der Entladeöffnungen zu erhöhen, und ohne unterschiedliche Längen für
das stationäre und das bewegliche Spiralenteil zu verwenden. Demzufolge ist der
Bedarf entstanden, die Probleme des Lärms und der Vibrationen zu lösen, indem
der Beginn der Komprimierung in einer geschlossenen Tasche bezüglich einer
anderen geschlossenen Tasche verzögert wird, aus Gründen, die weiter unten
erörtert werden. Die Lösung solcher Probleme ermöglicht die Herstellung von
Verdichtern, die im Vergleich zu ihren Vorläufern eine höhere Energieausbeute
bereitstellen und die leichter und kleiner sind.
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Einer der Gegenstände der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Spiralverdichters, in dem ein umlaufendes Spiralenteil in ein stationäres
Spiralenteil ohne eine signifikante Lärmentwicklung und Vibrationen eingreift.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Spiralverdichters einfacher Bauweise, der nicht zahlreiche Entladeöffnungen
oder unterschiedliche Längen der Evolventenflächen des stationären und des
beweglichen Spiralenteils benötigt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Spiralverdichters, in dem die Probleme der Geräuschentwicklung und der
Vibrationen ungeachtet der absoluten Druckwerte des in den Verdichter
einströmenden Gases gelöst sind.
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Die vorstehenden und andere Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden
durch die Bereitstellung eines Spiralverdichters erfüllt, worin eine einzelne
Entlastungsöffnung bereitgestellt ist, die sich durch eine Endplatte hindurch
erstreckt, von der sich entweder das umlaufende oder das stationäre Spiralenteil
erstreckt. Die Entlastungsöffnung befindet sich mit einer der verschlossenen
Taschen in Verbindung, die durch die ineinandergreifende Wirkung von Windungen
zwischen den stationären und den beweglichen Teilen gebildet werden. Zu jedem
Zeitpunkt der Orbitalbewegung existiert ein Ungleichgewicht der Druckwerte
zwischen aufeinanderfolgend geschlossenen Taschen, weil der Beginn der
Verdichtung in einer geschlossenen Tasche bezüglich des dazugehörigen
Gegenstücks verzögert ist. Demzufolge herrscht eine asymmetrische Verteilung
des Gasdrucks innerhalb der geschlossenen Taschen, wodurch ein höheres
Drehmoment des umlaufenden Spiralenteils erzeugt wird. Folglich werden die
Probleme des Lärms und der Vibrationen des Spiralverdichters beseitigt.
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Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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Abbildung 1 eine schematische Ansicht ist, die die Ausrichtung
ineinandergreifender Evolventen des umlaufenden und des stationären Spiralenteils
in einem von dieser Erfindung offenbarten Spiralverdichter zeigt, zu Beginn eines
Verdichtungszyklus;
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Abbildung 2 eine schematische Ansicht ist, die die ineinandergreifenden
Spiralenteile zu einem späteren Zeitpunkt des Verdichtungszyklus zeigt; und
Abbildung 3 eine schematische Ansicht ist, die einen noch späteren Zeitpunkt des
Verdichtungszyklus zeigt.
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Die Basisstruktur eines Spiralverdichters umfaßt fünf Hauptbestandteile: ein
unbewegliches Spiralenteil, ein umlaufendes Spiralenteil, eine Gegenlaufkupplung,
eine Antriebswelle und ein Kurbelgehäuse. Zwecks Einfachheit und Klarheit
werden sich diese Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen primär auf das
unbewegliche und das umlaufende Spiralenteil fokussieren.
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In Abbildung 1 der Zeichnungen ist ein Spiralverdichter 10 dargestellt, der ein
stationäres Spiralenteil 12 mit einer Endplatte 14 umfaßt. Eine stationäre
Evolventenfläche 16 erstreckt sich von der Endplatte 14. Komprimierte Kühlgase
werden aus den Spiralverdichter 10 durch eine Entladeöffnung 18 ausgestoßen,
die in der Endplatte 14 gebildet ist.
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In das stationäre Spiralenteil 12 ist ein umlaufendes Spiralenteil 20 eingepaßt, das
auch eine Endplatte 22 einschließt. Zwecks Klarheit ist in Abbildung 1 nur ein
Teilstück der aufliegenden umlaufenden Endplatte 22 wiedergegeben. Von der
umlaufenden Endplatte 22 erstreckt sich eine umlaufende Evolventenfläche 24, die
bezüglich der stationären Evolventenfläche 16 vom stationären Spiralenteil 12
beweglich ist und damit zusammenwirkt. Die relative Bewegung zwischen dem
stationären 12 und dem umlaufenden Spiralenteil 20 erzeugt geschlossene
Taschen wie jene, die durch den Buchstaben "C" (Abbildung 1) bezeichnet sind.
Mit fortschreitender Orbitalbewegung wird das Volumen der Luft in den
geschlossenen Taschen C verringert.
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Unter fortwährender Bezugnahme auf Abbildung 1 ist dort eine Entlastungsöffnung
32 wiedergegeben. Während die Entlastungsöffnung 32 als in der Endplatte 14
des stationären Spiralenteils 12 befindlich dargestellt ist, sollte erkennbar sein, daß
die Entlastungsöffnung 32 alternativ in der Endplatte 22 des umlaufenden
Spiralenteils 20 gebildet sein könnte.
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Wie dargestellt ist, befindet sich die Entlastungsöffnung 32 in Verbindung mit
einer der Taschen C, die eine aus dem Paar von geschlossenen Taschen ist, die
zwischen der stationären 16 und der umlaufenden Evolventenfläche 24 gebildet
sind. Weitere Paare, wie jene, die durch den Buchstaben B bezeichnet sind, sind
ebenso im umlaufenden und im stationären Spiralenteil 12, 20 gebildet. Der Effekt
der Entlastungsöffnung 32 besteht darin, den Beginn des Verdichtungsvorganges
zu verzögern, so daß der Druck in der geschlossenen Tasche C auf der rechten
Seite von Abbildung 1 niedriger als jener in der geschlossenen Tasche C auf der
linken Seite von Abbildung 1 ist. Dieses Ungleichgewicht der Druckwerte erzeugt
ein höheres Drehmoment für das umlaufende Spiralenteil 20 mit einer sich daraus
ergebenden Verringerung des Lärms und der Vibrationen im Spiralverdichter 10.
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Als Bezugspunkt wurde in der Konfiguration aus Abbildung 1 willkürlich ein Punkt
bei 270º der Orbitalbewegung im umlaufenden Spiralenteil 20 bezüglich seines
stationären Gegenstücks 12 gewählt. Die Teile 12, 20 sind aufeinander
abgestimmt, um eine Reihe (z.B. B, C) von gepaarten, symmetrischen,
sichelförmigen geschlossenen Taschen zu bilden. Das zu komprimierende,
eintretende Kühlgas wird simultan in der Nähe eines äußeren Endes 36 des
stationären Spiralenteils 12 und an einer diametral gegenüberliegenden Öffnung in
der Nähe des äußeren Endes 40 des umlaufenden eingepaßten Spiralenteils 24
eingeführt. Mit der Bewegung des umlaufenden Spiralenteils 20 unterstehen die
Taschen C einer zunehmenden Volumenverringerung bei gleichzeitiger Bewegung
zum Zentrum des Spiralverdichters 10 und zur Entladeöffnung 18.
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Die Abbildungen 2-3 zeigen aufeinanderfolgende Stufen bei 315º und 360º der
nachfolgenden Orbitalbewegung. Im Zentrum A des Spiralverdichters 10 werden
die unter Druck befindlichen Taschen vereinigt und durch die Entladeöffnung 18
ausgestoßen. Allgemein werden von 1 1/2 bis 3 Umdrehungen der Antriebswelle
benötigt, um das Kühlgas vom Vorgang des Ansaugens zu dem der Entladung zu
bringen.
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Wie vorstehend angemerkt wurde, sind die zwei Spiralenteile 12, 20 im
allgemeinen durch die Evolventen von Kreisen definiert. Die Evolventen werden mit
einem Phasenversatz von 180º montiert. Typisch wird das stationäre Spiralenteil
12 an das Kurbelgehäuse montiert, während das umlaufende Spiralenteil 20 dank
einer Antriebswelle rotiert. Die Gegenlaufkupplung wird typisch über einen
Oldham-Ring verwirklicht, was dem umlaufenden Spiralenteil 20 die
Orbitalbewegung in einer Richtung erlaubt, wobei die gegenläufige Drehung
verhindert wird, die durch ein Ungleichgewicht der Druckwerte zwischen einer
Ansaugöffnung und der Entladeöffnung 18 verursacht wird, insbesondere wenn
der Spiralverdichter 10 außer Betrieb ist.
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Wenn man zu Abbildung 1 zurückkehrt, ist dort sichtbar, das die stationäre
Evolventenfläche 16 ein äußeres Ende 36 und ein inneres Ende 34 einschließt. Wie
gezeigt ist, verläuft die Entlastungsöffnung 32 durch die Endplatte 14 in der Nähe
des äußeren Endes 36 der stationären Evolventenfläche 16.
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Abbildung 3 zeigt die relativen Stellungen des stationären und des umlaufenden
Spiralenteils 12, 20, die zunehmend die Entlastungsöffnung 32 verschließen. Bei
315º (Abbildung 2) herrscht ein partieller Verschluß. In Abbildung 3 ist der
Verschluß der Entlastungsöffnung 32 bei 360º vollständig. Der Effekt der
fortschreitenden Verschließung der Entlastungsöffnung 32 besteht in der
Verzögerung des Auftretens der Verdichtung in einer geschlossenen Tasche C
bezüglich der anderen geschlossenen Tasche im Paar. Als Ergebnis wird das
Auftreten der Verdichtung effektiv um zirka 15º-20º Umdrehung verzögert.
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Die Abbildungen 1-3 zeigen eine einzelne Entlastungsöffnung 32. Allgemein besitzt
die Entlastungsöffnung 32 einen kreisförmigen Querschnitt und eine ausreichende
Größe, um das erwünschte leichte Ungleichgewicht der Druckwerte zwischen den
geschlossenen Taschen C bereitzustellen. Alternativ kann die Entlastungsöffnung
32 mit einer ovalen oder einer anderen Form gebildet sein. Jedoch ist die
Entlastungsöffnung 32 auf jeden Fall in der zugehörigen Endplatte 14 oder 22 in
der Nähe des Umfangs davon gebildet, aber innerhalb des äußeren Endes 36 oder
40 des dazugehörigen Spiralenteils 12 oder 20.
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Die Wirkung des gewünschten Ungleichgewichtes der Druckwerte kann unter
Ansicht beispielsweise von Abbildung 3 leicht verstanden werden. Man nehme die
geschlossenen Taschen C, die durch die Bezugsnummern 26, 28 bezeichnet sind.
Das Kühlgas tritt in den Spiralverdichter 10 in die geschlossenen Taschen 26, 28
gleichzeitig ein. Die Teilchen des Kühlgases treten in die geschlossene Tasche 28
jenseits vom äußeren Ende 40 des umlaufenden Spiralenteils 20 ein. Solche
Gasteilchen sind nicht der Entlastungsöffnung 32 ausgesetzt. Zum gleichen
Zeitpunkt, wie solche Gasteilchen jenseits vom äußeren Ende 40 in die Pumpe
eintreten, treten andere Gasteilchen jenseits vom äußeren Ende 36 (Abbildung 1)
des stationären Spiralenteils 12 in einer diametral gegenüberliegenden Stellung des
Spiralverdichters 10 in die Pumpe ein. Bei voranschreitender Orbital bewegung
kommt das Gas in der geschlossenen Tasche 26 mit der Entlastungsöffnung 32 in
Verbindung. Folglich entweicht etwas Gas aus der geschlossenen Tasche 26 dort
hindurch. Also ist der Druck in der geschlossenen Tasche 26 etwas geringer als
der Druck in der geschlossenen Tasche 28. Demzufolge ist die Masse des Gases in
der geschlossenen Tasche 28 höher und verursacht wirksam ein größeres
Drehmoment im umlaufenden Spiralenteil 20. Als Ergebnis werden das Problem
der Vibrationen und die begleitenden Geräuschpegel verringert.
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Demnach wurde ein Spiralverdichter 10 offenbart, in dem ein umlaufendes
Spiralenteil 20 in ein stationäres Spiralenteil 12 ohne signifikante Lärmentwicklung
oder Vibrationen eingreift. Die Bauweise des Spiralverdichters 10 ist einfach und
erfordert keine große Anzahl von Entlastungsöffnungen 32 oder unterschiedliche
Längen der Evolventenflächen des stationären und des umlaufenden Spiralenteils
12, 20. Ferner beseitigt der offenbarte Spiralverdichter die Probleme des Lärms
und der Vibrationen, ungeachtet der absoluten Druckwerte des Kühlgases, das in
den Spiralverdichter 10 eintritt.