DE69320798T2

DE69320798T2 - Spiralverdichter

Info

Publication number: DE69320798T2
Application number: DE69320798T
Authority: DE
Inventors: John E. Carlisle Ma 01741-1553 Mccullough
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: DE69320798D1; EP0633979B1; JPH07505458A; EP0846843A1; WO1993020342A1; EP0633979A1; EP0633979A4; CA2133317A1; US5247795A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spiralexpander-Verdichter-Antriebssystem mit einem Spiralexpander, der verwendet wird, um einen Spiralverdichter oder eine Pumpe anzutreiben. Das spiralexpandergetriebene Verdichtersystem ist insbesondere für die Verwendung gemeinsam mit einem Verbrennungsmotor geeignet, wie etwa einem eingebauten Verbrennungsmotor, der Auspuffgase erzeugt, um den Spiralexpander anzutreiben. Der Spiralexpander kann dann den Spiralverdichter antreiben, der dazu verwendet werden kann, um den Verbrennungsmotor mit verdichteter Luft zu versorgen oder um andere Systeme anzutreiben.
Die Verwendung einer Verdichteranordnung, die von einem Spiralexpander gemeinsam mit einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, ist vom Stand der Technik her bekannt, wie durch die Lehren des US-Patents 4,192,152 veranschaulicht wird. Bei derartigen bekannten Anordnungen wird das Auspuffgas von einem Verbrennungsmotor verwendet, um einen Expander anzutreiben, der auf einer gemeinsamen Welle mit einem Verdichter angebracht ist. Mit dieser Anordnung treibt das Auspuffgas von dem Verbrennungsmotor den Expander an, der wiederum den Verdichter antreibt, um verdichtete Luft für den Verbrennungsvorgang bereitzustellen.
Derartige bekannte Expander-Verdichter-Antriebssysteme stellen sich wegen der innewohnenden Betriebseigenschaft von Spiralfluidvorrichtung als außerordentlich wirksam heraus. Leider wurden die Vorteile einer derartigen Antriebsanordnung wegen verschiedener Mängel in Verbindung mit den Systemen vom Stand der Technik noch nicht voll wahrgenommen. Zum Beispiel sind solche Systeme vom Stand der Technik bisher ziemlich klobig wegen der Art und Weise, mit der der Expander den Verdichter antreibt, der Verwendung von einzelnen Gegengewichten für die Spiralbauteile und des Einbaus von verschiedenen Gleichlaufeinrichtungen zwischen dem Antrieb und den angetriebenen Bauteilen. Außerdem sind die Spiralfluidvorrichtungen, wenn sie gemeinsam mit einer Verbrennungsmaschine verwendet werden, einem breiten Temperaturbereich unterworfen, die die gegen einander drehenden Spiralbauteile sich ausdehnen oder zusammenziehen lassen, was sich in Systemschwingungen, Geräuschen und Leistungsverlusten auswirkt.
Die Verwendung von eigenen Gegengewichten und gesonderten Gleichlaufeinrichtungen zwischen dem Antrieb und den angetriebenen Spiralbauteilen kann vermieden werden, indem der Expander und Verdichter an gegenüberliegenden Seiten von einem gewöhnlichen Drehbauteil, der die Drehspiralbauteile von dem Expander und Verdichter trägt, in einem Stück zusammen gebildet werden, wie zum Beispiel in US-A-5,094,205 und 4,677,949 und DE-A-3,826,640 offenbart wird. Diese Zusammenstellung zeigt jedoch die oben erwähnten temperaturbezogenen Probleme wegen der Wärmeleitung von Expander zum Verdichter.
Daher gibt es im Stand der Technik einen Bedarf für eine Verdichteranordnung, die von einem Spiralexpander angetrieben wird, die kompakt ist, die Wärmeausdehnung und -zusammenziehung ausgleicht und die einen einfachen Aufbau aufweist, so daß sie ohne weiteres mit einer Mindestanzahl von Bauteilen hergestellt werden kann, während sie für eine lange Lebensdauer tauglich ist.
Die vorliegende Erfindung wendet sich an eine expandergetriebene Verdichteranordnung von dem allgemeinen Typ, der im US-A-4,192,152 offenbart ist und wie sie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine expandergetriebene Verdichteranordnung vorgesehen, wie sie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert ist.
Im allgemeinen sieht die vorliegende Erfindung ein kompaktes Spiralexpander- Verdichter-Antriebssystem dar, das einen Spiralexpander und einen Verdichter enthält, wobei beide je einen feststehenden Bauteil und einen umlaufenden Bauteil umfassen. Ein Antriebsmechanismus verbindet die umlaufenden Bauteile von dem Expander und Verdichter, so daß sich die umlaufenden Bauteile übereinstimmend bewegen. Der Antriebsmechanismus schließt auch eine einzelne Gleichlaufeinrichtung und eine Gegengewichtsanordnung sowohl für den Expander als auch für den Verdichter ein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen sowohl der Expander als auch der Verdichter zwei- oder mehrstufige Spiralfluidvorrichtungen mit einem mittleren umlaufenden Bauteil auf, der zwischen feststehenden Spiralbauteilen eingeschlossen ist. Außerdem ist zumindest eine Strebe zwischen den feststehenden Spiralbauteilen eingebaut, um die Wärmeausdehnung und/oder -zusammenziehung auszugleichen.
Wenn der Spiralexpander, der durch die vorliegende Erfindung verkörpert wird, zusammen mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, wird er von den heißen Auspuffgasen, die aus dem Verbrennungsmotor treten, angetrieben, und der Verdichterausgang ist mit dem Lufteinlaß des Verbrennungsmotors verbunden. Da der Expander von den heißen Auspuffgasen angetrieben wird, bewirkt der Antriebsmechanismus, daß der Spiralbauteil des Verdichters sich in bezug auf seine feststehenden Bauteile bewegt, um Einlaßluft in den Verbrennungsmotor zu pumpen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird auch ein Wärmetauscher vorgesehen, um Wärme von dem Ausgang des Expanders zu übertragen, um die von dem Verdichter in den Verbrennungsmotor geleitete Luft vorzuheizen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf die entsprechenden Teile in den einzelnen Ansichten beziehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze von einer spiralexpandergetriebenen Verdichteranordnung oder -system, die die vorliegende Erfindung verkörpert, zusammen mit einem Verbrennungsmotor,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Expander- Verdichter-Anordnung,
Fig. 3 einen Querschnitt, der entlang der Linie III-III in Fig. 2 genommen ist,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Expander-Verdichter-Anordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, mit einem Teil des Außengehäuses, das der Klarheit halber nicht gezeigt ist,
Fig. 5 einen Aufriß, der entlang der Linie V-V in Fig. 4 genommen ist;
Fig. 6 einen Aufriß, der entlang der Linie VI-VI in Fig. 4 genommen ist;
Fig. 7 eine sternförmige Struktur, die in der Expander- Verdichter-Anordnung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, eingebaut ist.
Das spiralexpandergetriebene Verdichtersystem oder -anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf Fig. 1 im allgemeinen mit 5 bezeichnet und umfaßt einen Expander 10, der einen Verdichter 15 durch einen mit 20 bezeichneten Antriebsmechanismus antreibt. Eine Zapfwelle 25 (im folgenden als PTO bezeichnet) ist auch in der Antriebsverbindung zwischen dem Expander 10 und dem Verdichter 15 vorgesehen, und sie kann dazu verwendet werden, um die vom Expander 10 erzeugte Zusatzkraft, die nicht vom Antriebsverdichter 15 gebraucht wird, nutzbar zu machen.
Bei der gezeigten Prinzipskizze wird das Spiralexpander-Verdichter-System nach der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit einem Verbrennungsmotor 35 und einem Wärmetauscher 40 verwendet. Der Auspuffgasauslaß vorn Verbrennungsmotor 35 strömt durch ein Rohr 50 an den Einlaß des Expanders 10, um eine Drehung des Antriebsmechanismus 20 und des Verdichters 15 auf eine Art hervorzurufen, die unten ausführlich beschrieben ist. Die Auspuffgase vom Expander 10 strömen durch eine Rohrleitung 55 in einen Wärmetauscher 40 und werden dann abgeleitet. Das Antreiben des Verdichters 15 bewirkt, daß Luft über eine Einlaßleitung 60 angesaugt und vom Verdichter 15 verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird vom Verdichter 15 in ein Auslaßrohr 65 und in einen Wärmetauscher 40 ausgestoßen, wobei sie von der Strahlungswärme vom Auspuffrohr 55 vorgewärmt wird. Die Einlaßluft wird dann durch eine Leitung 70 geführt, damit sie mit Treibstoff von einer Kraftstoffzuleitung 75 vermischt wird, um die Gemischzufuhr für den Verbrennungsmotor 35 zu bilden. Die verdichtete Luft kann, falls erwünscht, für andere Anwendungen vom Verdichter 15 über eine Leitung 66 bezogen werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht von dem expandergetriebenen Verdichtersystem oder -anordnung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wie gezeigt ist, liegt der Expander 10 in einem Expandergehäuse 85, und der Verdickter 15 liegt in einem Verdichtergehäuse 90. Das Expandergehäuse 85 und das Verdichtergehäuse 90 sind durch einen Verbindungsmanschettenbauteil 95 miteinander verbunden. Das Manschettenbauteil 95 umfaßt einen in einem Stück ausgeführten Sockelteil 98, der verwendet werden kann, um die expandergetriebene Verdichteranordnung fest anzubringen.
Es ist jetzt bei der Beschreibung der einzelnen Bauteile der expandergetriebenen Verdichteranordnung und der Art, wie die Anordnung arbeitet, auf die Fig. 3 -6 Bezug genommen. Es sei angemerkt, daß ein Teil von dem Außengehäuse der Anordnung in Fig. 4 der Klarheit halber nicht gezeigt ist. Unter anfänglicher Bezugnahme auf Fig. 3 umfaßt der Expander 10 einen zwei- oder mehrstufigen Expander mit einer ersten Evolventenspiralhülle 100, die an einer Seitenwand 105 vom Expandergehäuse 85 befestigt ist, und eine zweite, mit einem Abstand in Achsrichtung befestigte Evolventenspiralhülle 115, die an eine Hüllenträgerplatte 120 befestigt ist oder mit ihr in einem Stück ausgeführt ist. Zwischen der Seitenwand 105 und der Hüllenträgerplatte 120 liegt ein umlaufendes Spiralbauteil, das eine längliche Evolventenspiralhülle 125 und eine Hüllenträgeranordnung umfaßt, die allgemein mit 130 bezeichnet wird. Die längliche Evolventenspiralhülle 125 erstreckt sich im wesentlichen über den gesamten Abstand zwischen der Seitenwand 105 der Hüllenträgerplatte 120, so daß die Evolventenspiralhülle 125 sowohl mit der Evolventenspiralhülle 100 und der Evolventenspiralhülle 115 verzahnt ist. Die Hüllenträgeranordnung 130 umfaßt eine Mehrzahl von sich strahlenförmig ausbreitenden Platten (nicht jede für sich gekennzeichnet), die an vorbestimmten Stellen an der Mitte zwischen den Flanschen der Evolventenspiralhülle 125 verbunden sind. Durch diesen Aufbau werden eine Mehrzahl von Ausdehnungskammern 160, 165 zwischen der Evolventenspiralhülle 125 und den Evolventenspiralhüllen 100 und 115 an jeweils beiden Seiten der Hüllenträgeranordnung 130 definiert. Die Hüllenträgeranordnung 130 umfaßt zumindest eine Mittelöffnung 180, die eine Fluidverbindung zwischen dem Auspuffrohr 50 und den Ausdehnungskammern 160, 165 herstellt.
Der Einlaß vom Auspuffrohr 50 in den Expander 10 umfaßt eine strahlenförmige Struktur 190 (siehe Fig. 7). Die strahlenförmige Struktur 190 kann als Teil der Seitenwand 105 in einem Stück ausgeführt sein, oder sie kann starr in einem Einlaßstutzen, der in der Seitenwand 105 gebildet ist, oder im Auspuffrohr 50, das an den Einlaßbereichen für den Expander 10 angrenzt, befestigt sein. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, umfaßt die strahlenförmige Struktur 190 verschiedene Trägerrippen 200, die dazwischen Durchgänge für das Fluid 205 definieren. Zwischen einem Mittelstrukturträger 210 für die Trägerrippen 200 und der Hüllenträgerplatte 120 ist zumindest eine Ausdehnungsstrebe 225 starr befestigt (siehe Fig. 3). Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ausdehnungsstrebe 225 für den Expander 10 einen röhrenförmigen Aufbau auf und dient zum Ausgleich der Wärmeausdehnung und -zusammenziehung vom Expander 10, wie hernach ausführlicher beschrieben ist.
Aus der obigen Beschreibung kann ohne weiteres ersehen werden, daß das Fluid, das aus dem Auspuffrohr 50 strömt, die Ausdehnungskammern 160, 165 im Expander 10 über die strahlenförmige Struktur 190 erreicht, zwischen den jeweiligen ineinandergreifenden Spiralhüllen 100, 125 und 115, 125 ausgedehnt wird, und aus der Auspuffleitung 155 ausströmt. Bei diesem Vorgang drehen sich die Evolventenspiralhüllen 125 gegen die feststehenden Evolventenspiralhüllen 100 und 115 aufgrund des Vorhandenseins einer Gleichlaufanordnung, die unten genauer ausgeführt ist.
Der Verdichter 15 ist auf eine Art und Weise aufgebaut, die im wesentlichen mit dem Aufbau des oben beschriebenen Expanders 10 identisch ist, insofern er einen einzelnen umlaufenden Spiralbauteil umfaßt, der axial zwischen dem ersten und zweiten Spiralbauteil liegt. Der erste feststehende Spiralbauteil umfaßt eine erste feststehende Evolventenspiralhülle 250, die mit der Seitenwand 255 vom Verdichtergehäuse 90 in einem Stück ausgeführt ist oder andernfalls damit starr befestigt ist. Der zweite feststehende Spiralbauteil umfaßt eine feststehende Evolventenspiralhülle 260, die sich axial von einer Hüllenträgerplatte 270 erstreckt. Der umlaufende Spiralbauteil umfaßt eine längliche Evolventenspiralhülle 275 und eine Hüllenträgeranordnung 280. Die Evolventenspiralhülle 275 ist sowohl mit der Evolventenspiralhülle 250 als auch 260 verzahnt. Die Flansche der Evolventenspiralhülle 275 sind miteinander durch eine Hüllenträgeranordnung 280, die darin eine im wesentlichen mittige und sich in Achsrichtung erstreckende Öffnung 285 umfaßt, verbunden.
Durch diesen Aufbau wird, wenn sich die Evolventenspiralhülle 275 gegen die feststehenden Evolventenspiralhüllen 250, 260 dreht, Fluid in die Einlaßleitung 60 gezogen, in den Verdichtungskammern 300, 305, die an beiden Seiten der Hüllenträgeranordnung 280 definiert sind, verdichtet, und durch das Auslaßrohr 65 abgeleitet.
Der Auslaßbereich zwischen dem Verdichter 15 und dem Abgaberohr 65 ist mit einer strahlenförmigen Struktur 315, die sich darüber erstreckt, versehen. Die strahlenförmige Struktur 315 ist in ihrer Struktur mit der oben beschriebenen strahlenförmigen Struktur 190 unter Bezugnahme auf Fig. 7 identisch. Außerdem umfaßt der Verdichter 15 eine Ausdehnungsstrebe 335, die sich zwischen der strahlenförmigen Struktur 315 und der Hüllenträgerplatte 270 erstreckt und an sie starr befestigt ist. Wieder soll die Ausdehnungsstrebe 335 die Ausdehnung und Zusammenziehung in Achsrichtung vom Verdichter 15 ausgleichen, wie unten ausführlicher erklärt ist. Außerdem kann die Evolventenspiralhülle 275 sich gegen die Evolventenspiralhüllen 250 und 260 mittels einer Gleichlaufeinrichtung drehen, was auch unten erläutert ist.
Wie in Fig. 3 und 4 am besten gezeigt wird, ist die Hüllenträgeranordnung 130 vom Expander 10 starr an einer ringförmige Manschette 400 befestigt, die in einem nach innen gerichteten Flansch 405 endet. Der Verdichter 15 umfaßt eine ähnliche ringförmige Manschette 415, die auch in einem nach innen gerichteten Flansch 420 endet. Die Flansche 405 und 420 sind mit einer Mehrzahl von Antriebsstäben 440 miteinander verbunden, wobei jeder mit einem Ende starr an dem Flansch 405 befestigt ist, und ein zweites, geschraubtes Ende aufweist, das sich durch eine jeweilige Öffnung 450 im Flansch 420 erstreckt und daran mit einer Mutter 460 befestigt ist. Da die Hüllenträgeranordnung 130 vom Expander 10 und die Hüllenträgeranordnung 280 vom Verdichter 15 damit starr durch die Antriebsstäbe 440 miteinander verbunden sind, bewegen sich die Hüllenträgeranordnungen 130 und 280 gleichläufig auf ihren Umlaufwegen. Daher wird, wenn der Expander 10 von den Auspuffgasen des Verbrennungsmotors 35 angetrieben wird, der Verdichter 15 auch durch Antriebsstäbe 440 angetrieben, die zusammen den Antriebsmechanismus 20 umfassen. Zusätzliche Eigenschaften der Antriebsanordnung zwischen Expander 10 und dem Verdichter 15 sind unten ausführlicher zusammen mit einem Gleichlaufsystem erklärt, das den beweglichen Spiralbauteilen erlaubt, sich gegen die feststehenden Spiralbauteile sowohl bei Expander 10 als auch bei den Verdichter 15 ohne gegenseitiger Drehung zu drehen.
Das Expandergehäuse 85, das die Seitenwand 105 einschließt, ist starr mit dem Verdichtergehäuse 90 über einen Gehäusemanschettenbauteil 490 verbunden. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, sind sowohl das Expandergehäuse 85 als auch das Verdichtergehäuse 90 fest mit dem Gehäusemanschettenbauteil 490 mittels einer Mehrzahl von Bolzen 494 verbunden, die sich durch Löcher, die in den Flanschen 496 und 498 vom Expandergehäuse 85 und Verdichtergehäuse 90 jeweils gebildet sind, und durch Öffnungen 500, die im Gehäusemanschettenbauteil 490 gebildet sind, erstrecken. Durch diesen Aufbau können das Expandergehäuse 85 und das Verdichtergehäuse 90 in einem Stück zu einer einzelnen Arbeitseinheit zusammengefaßt werden, wie allgemein und Fig. 2 gezeigt ist.
Die feststehende Hüllenträgerplatte 120 der zweiten feststehenden Evolventenspiralhülle 115 umfaßt eine Mehrzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Beinen 510, die in nach einwärts ragenden Laschen 520 enden. Die Laschen 520 sind mittels Bolzen 530 an einem ersten Lagerträgerbauteil 540 starr angebracht. Der Lagerträgerbauteil 540 ist starr an den Manschettenbauteil 490 durch eine Platte oder Platten 545, die zwischen aufeinanderfolgenden Antriebsstäben 440 in Abständen angebracht sind, starr befestigt und ist mit einer Mehrzahl von rings herum in Abständen angebrachten Achslagern 580 ausgeführt. Es sind in den Achslagern 580 eine Mehrzahl von Walzen 600 frei drehbar angebracht. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind sechs solcher Walzen 600 in einem sechseckigen Muster angebracht, das in einem vorbestimmten radialen Abstand einwärts von den Antriebsstäben 440 liegt.
In einer direkt analogen, zu jener oben in bezug auf Expander 10 erläuterten Weise umfaßt die Hüllenträgerplatte 270 der festen Evolventenspiralhülle 260 des Verdichters 15 eine Mehrzahl von einwärts ragenden Beinen 610, die in einer Mehrzahl von Laschen 620 enden. Die Laschen 620 sind mittels Bolzen 630 an einem zweiten Lagerträgerbauteil 640 befestigt. Das Lagerträgerbauteil 640 ist starr mit dem Manschettenbauteil 490 durch eine Platte oder Platten 645, die zwischen aufeinander folgenden Antriebsstäben 440 in Abständen angebracht sind, befestigt, und umfaßt eine Mehrzahl von Achslagern 680, die axial in Abständen angebracht sind und den Achslagern 580 gegenüberliegen. Wie weiter unten ausführlicher erklärt ist, erstrecken sich die Walzen 600 zwischen beiden Achslagern 580 und 680 und sind darin drehbar angebracht.
Das erste Lagerträgerbauteil 540 umfaßt auch ein Mittelachslager 700, das axial in einem Abstand von einer in der Mitte liegenden Öffnung 710 angebracht ist, die im zweiten Lagerträgerbauteil 640 ausgeführt ist. Wie unten ausführlicher erklärt ist, ist eine Antriebswelle 725 im Mittelachslager 700 frei drehbar befestigt und erstreckt sich durch die in der Mitte liegenden Öffnung 710. Die Antriebswelle 725 wird verwendet, um eine Hilfsantriebswelle 730 mit einer Riemenantriebsanordnung anzutreiben, die allgemein mit 735 bezeichnet ist.
Es ist in der Antriebsanordnung zwischen Expander 10 und Verdichter 15 eine Gleichlaufeinrichtung und Gegengewichtsanordnung eingebaut, die allgemein mit 750 in Fig. 4 bezeichnet ist. Die Gleichlaufeinrichtung und Gegengewichtsanordnung 750 umfaßt ein Gegengewicht 760 mit einer Mehrzahl von ringsherum in Abständen angebrachten Bohrlöchern 770, die mit den Achslagern 580, 680 ausgerichtet sind. Das Gegengewicht 760 wird auch mit einem Paar von in der Mitte liegenden Ausnehmungen 775 zu beiden Seiten des Gegengewichts 760 und mit einem durchgehenden Loch 780 gebildet, das von einem Mittelpunkt des Gegengewichts 760 leicht radial abgesetzt liegt. Der Durchmesser vom durchgehenden Loch 780 ist größer als der Durchmesser der Antriebswelle 725. Das Gegengewicht 760 wird mit einer Mehrzahl von Kerben 790 ausgeführt, die um seinen Außenumfang ausgeführt sind. Die Größe der Kerben 790 ist durch die gewünschte Größe und Gewicht des Gegengewichts 760 bestimmt, wie unten ausführlicher erklärt ist.
Zu beiden Seiten des Gegengewichts 760 liegt ein Paar von Antriebs-/Gleichlaufplatten 800 und 810. Da die Platten 800 und 810 im Aufbau identisch sind, ist unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 5, die die Antriebs-/Gleichlaufplatte 800 abbildet, nur eine beschrieben. Die Platte 800 ist mit einer Vielzahl von Bohrlöchern 820 versehen, die um ihren Umfang herum in Abständen angebracht sind. Die Anzahl der Bohrlöcher 820 entspricht der Anzahl der Antriebsstäbe 440. Die Platte 800 umfaßt eine Mehrzahl von Bohrlöchern 830, die radial einwärts zu den Bohrlöchern 820 liegen, deren Anzahl der Anzahl von Walzen 600 entspricht. Zusätzlich ist die Platte 800 mit einem durchgehenden Mittelloch 840 versehen.
Es liegen in den Ausnehmungen 775 vom Gegengewicht 760 zwei Nocken 850 mit durchgehenden Löchern 860, die zum durchgehenden Loch 780 ausgerichtet sind. Eine ähnliche Nocke 865 mit einem durchgehenden Loch 870 ist ebenso in der Mittelöffnung 840 von jeder Antriebsplatte 800 und 810 vorgesehen.
Eine ausführliche Beschreibung folgt jetzt unter Bezugnahme auf die oben beschriebene Struktur, indem die spezielle Art beschrieben ist, mit der der Antrieb von Expander 10 zum Verdichter 15 übertragen wird, zusammen mit der Art, in der die Umlaufbewegung der Evolventenspiralhülle 125 mit der Umlaufbewegung der Evolventenspiralhülle 275 in Gleichklang gebracht wird. Außerdem ist die Weise, auf die das Gegengewicht 760 arbeitet, zum Ausgleich der radialen Kräfte, die während der Tätigkeit des Expanders 10 und Verdichters 15 entstehen, ebenfalls beschrieben.
Die Antriebsstäbe 440 erstrecken sich durch die Bohrlöcher 820 in der Platte 800, in die Kerben 790 im Gegengewicht 760 durch die entsprechenden Bohrlöcher 820 in der Platte 810 hindurch, und sie werden dann in den Öffnungen 450 vom nach innen gerichteten Flansch 420, wie vorhin beschrieben, verbunden. Auf diese Weise sind die Platten 800 und 810 starr verbunden, damit sie sich mit der Evolventenspiralhülle 125 vom Expander 10 und mit der Evolventenspiralhülle 275 vom Verdichter 15 mitdrehen. Außerdem ist jede Walze 600 mit einem ersten Ende in einem jeweiligen Achslager 580 von dem ersten Lagerträgerbauteil 540 drehbar befestigt. Jede Walze 600 erstreckt sich von seinem jeweiligen Achslager 580 durch die Öffnungen 830 in der Platte 800, die Bohrlöcher 770 im Gegengewicht 760 und durch die jeweiligen Öffnungen 830 in der Platte 810, und ist mit dem anderen Ende in dem Achslager 680 vom zweiten Lagerträgerbauteil 640 drehbar befestigt. Die Radien der Bohrlöcher 770 und Öffnungen 830 sind so gewählt, daß sie dem Bahnradius der Evolventenspiralhüllen 125 und 275 entsprechen. Daher wirken die Walzen 600 auf die Innenflächen der Bohrlöcher 770 und Öffnungen 830, um die Radialkräfte aufzunehmen, die von der Umlaufbewegung der Drehbauteile vom Expander 10 und Verdichter 15 erzeugt werden. Diese Anordnung arbeitet auch als Gleichlaufeinrichtung, die zwischen der ersten und zweiten feststehenden Evolventenspiralhülle 100, 115 und der umlaufenden Evolventenspiralhülle 125 von Expander 10 und der ersten und zweiten Evolventenspiralhülle 250, 260 und der umlaufenden Evolventenspiralhülle 275 vom Verdichter 215 wirkt, um eine gegenseitige Drehung zwischen diesen Bauteilen zu verhindern; d. h., die Phasenbeziehung zwischen den Spiralbauteilen wird beibehalten.
Außerdem ist die Antriebswelle 725 drehbar zwischen dem mittleren Achslager 700 an einem Ende angebracht, ist an Nocken 850 und 865, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, bei 880 beziehungsweise 885 eingerastet, und ihr zweites Ende ist drehbar in der Öffnung 710 des zweiten Lagerträgerbauteils 640 angebracht. Aus der Betrachtung von Fig. 3 wird es klar ersichtlich, daß die Antriebswelle 725 durch ihre Verbindung mit den Nocken 850 und 865 axial zurückgehalten wird. Aus der Betrachtung von Fig. 5 und 6 kann ersehen werden, daß beim Umlaufen der Evolventenspiralhülle 125 von Expander 10 auch die Platten 800 und 810 entgegen dem Gegengewicht 760 umlaufen. Natürlich läuft das Gegengewicht 760 um 180º phasenversetzt in bezug auf den Umlauf der Platten 800 und 810. Da die Walzen 600 in radialer Richtung durch die Achslager 580 und 680 festgehalten werden, wenn die Platten 800 und 810 entgegen dem Gegengewicht 760 umlaufen, haben die Walzen 600 Einfluß auf die Oberflächen ihrer jeweiligen Bohrlöcher 770, 830. Da die Antriebswelle 725 in den Nocken 850 und 865 einrastet, wird die Antriebswelle 725 sich drehen, wenn sich die Platten 800, 810 und das Gegengewicht 760 drehen. Alle Leistung, die durch das Umlaufen des Expanders 10 durch die Verbrennungsgase erzeugt wird, die in das Einlaßrohr 50 strömen und nicht verwendet werden, um den Verdichter 15 zu drehen, kann der Hilfsantriebswelle 730 mittels der Verbindung mit der Antriebswelle 725 durch die Antriebsübertragungsanordnung 735 entnommen werden. Die Antriebsübertragungsanordnung 735 umfaßt, wie gezeigt ist, ein Riemenantriebssystem, das mit zwei Rollen (nicht gezeigt) zusammenarbeitet, die jeweils auf der Antriebswelle 725 und der Hilfsantriebswelle 730 angebracht sind, jedoch kann andererseits ein Zahnrad oder eine Zahnradzusammenstellung oder eine Kettenübertagungsanordnung verwendet werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Expander 10 aus Stahl gemacht, und der Verdichter 15 ist aus Aluminium gemacht. Dem Unterschied der radialen Kräfte, die während des Betriebs vom Expander 10 und Verdichter 15 entstehen, wirkt das Gegengewicht 760 entgegen. Die Größe der Kerben 790 ist der erforderlichen Gegenwirkung oder der Ausgleichsmasse angepaßt.
Wenn die spiralexpandergetriebene Verdichteranordnung, in der die vorliegende Erfindung verkörpert ist, zusammen mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, können die Verbrennungsgase, die in den Expander 10 gelangen, einen Bereich von ungefähr 593,3ºC (1100ºF) betragen. Umgebungen mit extremer Temperatur, wie etwa dieser, führen zu einer Wärmeausdehnung zwischen den umlaufenden und den feststehenden Bauteilen von Expander 10 und in geringerem Ausmaß beim Verdichter 15. Um solche Wärmeeffekte auszugleichen, werden Ausdehnungsstreben 225 und 335 vorgesehen. Jede Ausdehnungsstrebe ist aus demselben Material gemacht wie der Bestandteil, bei dem sie verwendet wird. Zum Beispiel umfaßt die Strebe 225 im Expander 100 ein hohles Stahlrohr. Wenn Temperaturveränderungen bewirken, daß sich die Evolventenspiralhülle 100, 115 und 125 ausdehnt oder zusammenzieht, dehnt sich die Strebe 225 dementsprechend mit aus oder zieht sich zusammen. Da die Enden der Hüllenträgerplatten 105, 120 an das Gehäuse 85 angebracht sind oder einen Teil davon bilden, erstreckt sich die Strebe 225 nur zwischen den mittleren Teilen dieser Platten, die von sich aus etwas biegsam sind.
Es sei angemerkt, daß, auch wenn die vorliegende Erfindung in bezug auf ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist, verschiedene Änderungen und/oder Modifizierungen gemacht werden können, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel sind die vorgesehene Anzahl der Streben und die Größe und das Material des Expanders und des Verdichters für die Erfindung nicht entscheidend. Im allgemeinen ist die Erfindung nur durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Expandergetriebene Verdichteranordnung, umfassend:

einen Spiralexpander (10), der zumindest ein Paar sich in Achsrichtung erstreckende, vernaschte Evolventenspiralhülten (125; 100, 115) mit Evolventenzentren aufweist und zumindest eine Ausdehnungskammer (160, 165) zwischen ihnen definiert, die sich zwischen den Expandereinlaß- und -auslaßzonen (50, 55) radial auswärts bewegt, wenn eine erste der Hüllen (125) entlang einer kreisförmigen Bahn um ein Drehzentrum herum in bezug auf eine zweite der Hüllen (100, 115) kreist, und ein Hüllenträgermittel (130; 105, 120), das an jeder Hülle (125; 100, 115) befestigt ist und diese trägt;

wobei in Betrieb der Expander (10) angetrieben wird, indem Fluid von einem Fluidversorgungsmittel (35) in die Einlaßzone (50) geleitet wird und durch zumindest eine Ausdehnungskammer (160, 165) hindurch bis zur Auslaßzone (55) ausgedehnt wird, wodurch das zumindest eine Hüllenpaar veranlaßt wird sich gegenseitig zu umkreisen;

einen Spiralverdichter (15), der zu dem Expander (10) koaxial liegt und von ihm axial beabstandet ist, wobei der Verdickter zumindest ein Paar sich in Achsrichtung erstreckende, vermaschte Evolventenspiralhüllen (250, 260; 275) mit Zentren aufweist und zumindest eine Verdichtungskammmer (300, 305) zwischen ihnen definiert, die sich zwischen den Verdichtereinlaß- und -auslaßzonen (60, 65) radial einwärts bewegt, wenn eine erste der Hüllen (275) entlang einer kreisförmigen Bahn in bezug auf eine zweite der Hüllen (250, 260) um das Drehzentrum herumkreist;

ein Mittel (20, 440), das sich zwischen den axial voneinander beabstandeten Expander (10) und Verdichter (15) erstreckt und diese antriebsmäßig miteinander verbindet; und

ein Gleichlaufmittel, das zwischen dem zumindest einen Hüllenpaar des Expanders und zwischen dem zumindest einen Hüllenpaar des Verdichters wirkt, um die gegenseitige Drehung der ersten Hülle (125, 275) von jedem Paar in bezug auf die zweite Hülle (105, 115; 250, 260) dieses Paares zu verhindern, während es den ersten Hüllen (125, 275) ermöglicht wird und sie gezwungen werden, eine relative Kreisbewegung um das Drehzentrum herum auszuführen;

wodurch die relative Kreisbewegung zwischen dem zumindest einen Paar von Evolventenspiralhüllen (125; 100, 115) des Expanders eine relative Kreisbewegung zwischen dem zumindest einem Paar von Evolventenspiralhüllen (275; 250, 260) des Verdichters um das Drehzentrum verursacht, wodurch erreicht wird, daß Fluid in die Einlaßzone (60) des Verdichters angesaugt wird, das durch zumindest eine Verdichtungskammer (300, 305) verdichtet und durch die Verdichterauslaßzone (65) ausgestoßen wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel (20, 440) die ersten Hüllen (125, 275) des Expanders (10) und des Verdichters (15) starr miteinander verbindet, wodurch die ersten Hüllen gezwungen sind, sich im Gleichlauf zu bewegen, und daß das Gleichlaufmittel eine einzige, der ersten Hülle (125, 275) sowohl des Expanders als auch des Verdichters gemeinsame Gleichlauf- und Gegengewichtsanordnung (750, 760) umfaßt, wobei die Anordnung axial zwischen dem Expander und dem Verdichter liegt und an dem Verbindungsmittel (20, 220) zwischen dem Expander und dem Verdickter angekuppelt ist.

2. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 1, die einen Kraftabnehmermechanismus mit einer Antriebswelle einschließt, die angepaßt ist, sich mit dem Verbindungsmittel zu drehen.

3. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Expander (10) ein erstes (105), ein zweites (130) und drittes (120) Hüllenträgermittel umfaßt, wobei das erste und dritte Hüllenträgermittel (105, 120) von dem dazwischenliegenden zweiten Hüllenträgermittel (130) axial beabstandet sind, wobei das zweite Hüllenträgermittel auf jeder Axialseite eine Evolventenspiralhülle (125) befestigt hat und diese trägt, die jeweils mit der Evolventenspiralhülle (100, 115), die von dem ersten und dritten Hüllenträgermittel getragen werden und dadurch eine doppelstufige Spiralexpandereinheit definieren, vermascht sind.

4. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 3, bei der das zweite Hüllenträgermittel (130) des Expanders eine im wesentlichen mittig liegende, darin gebildete Öffnung (180) einschließt.

5. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das erste und dritte Hüllenträgermittel (105, 120) des Expanders mit zumindest einer sich axial erstreckenden Strebe (225) zusammengeschlossen sind.

6. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 5, bei der zumindest eine Strebe (225) aus demselben Material wie die Spiralhüllen (100, 115) und das Hüllenträgermittel (105, 120) des Expander gebildet ist.

7. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 6, bei der das Material Stahl umfaßt.

8. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der das erste und dritte Hüllenträgermittel (105, 120) des Expanders (10) ortsfest sind, wobei das zweite Hüllenträgermittel (130) in bezug auf das erste und dritte Hüllenträgermittel kreist, und wobei das zweite Hüllenträgermittel antriebsmäßig an das Verbindemittel (440) angeschlossen ist.

9. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Verdickter (15) ein erstes (255), zweites (280) und drittes (270) Hüllenträgermittel umfaßt, wobei das erste und dritte Hüllenträgermittel (255, 270) von dem dazwischenliegenden zweiten Hüllenträgermittel (280) axial beabstandet ist, wobei das zweite Hüllenträgermittel auf jeder Axialseite eine Evolventenspiralhülle (275) befestigt hat und diese hält, die jeweils mit der Evolventenspiralhülle (250, 260), die von dem ersten und zweiten Hüllenträgermittel getragen werden, vermascht sind, wodurch eine doppelstufige Spiralverdichtereinheit definiert ist.

10. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 9, bei der das zweite Hüllenträgermittel (280) des Verdichters eine darin gebildete, im wesentlichen mittig angeordnete Öffnung (285) beinhaltet.

11. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der das erste und dritte Hüllenträgermittel (255, 270) des Verdichters mit zumindest einer sich axial erstreckenden Strebe (335) zusammengeschlossen sind.

12. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 11, bei der zumindest eine Strebe (335) aus demselben Material wie die Spiralhüllen und das Hüllenträgermittel des Verdichters gebildet ist.

13. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 12, bei der das Material Aluminium umfaßt.

14. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der das erste und dritte Hüllenträgermittel (255, 270) des Verdichters (15) ortsfest sind und beider das zweite Hüllenträgermittel (280) antriebsmäßig derart an das Verbindemittel angeschlossen ist, daß das zweite Hüllenträgermittel relativ zu dem ersten und dritten Hüllenträgermittel kreist.

15. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche in Kombination mit einem Fluidversorgungsmittel (35), das eine Brennkraftmaschine umfaßt, wobei das Fluid Auspuffgase von der Brennkraftmaschine umfaßt, und ein Mittel (50) zum Fördern der Auspuffgase an den Expander (10) vorgesehen ist.

16. Kombination nach Anspruch 15, bei der das von dem Verdickter (15) zu verdichtende Fluid Luft ist und ein Mittel (65, 70) zum Fördern der Luft an einen Lufteinlaß der Brennkraftmaschine (35) vorgesehen ist.

17. Kombination nach Anspruch 16, die ferner einem Wärmetauscher (40) umfaßt, der ein Mittel (55) zum Empfangen der Auspuffgase, die von der Auslaßzone des Expanders (10) herströmen, und der Luft, die von der Auslaßzone (65) des Verdichters (15) herströmt, und zu ihrer Gegenstromführung in wärmetauschender Beziehung.

18. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Gleichlaufmittel (750) umfaßt:

eine an dem Verbindemittel (440) fest angebrachte erste Platte (800), so daß sie mit der ersten Hülle (125) des Expanders (10) kreist, wobei die erste Platte einen ersten Satz umfangsmäßig voneinander beabstandeter Bohrungen (830) aufweist;

eine an dem Verbindemittel (440) fest angebrachte zweite Platte (810), so daß sie mit der ersten Hülle (275) des Verdichters (15) kreist, wobei die zweite Platte einen zweiten Satz umfangsmäßig voneinander beabstandeter Bohrungen (830) aufweist, die mit dem ersten Satz Bohrungen (830) fluchten;

eine Mehrzahl von Rollen (600), von denen jede eine erste und zweite Stirnseite aufweist, wobei sich jede der Rollen durch die fluchtenden Bohrungen (830) in der ersten und zweiten Platte (800, 810) erstreckt; und

Mittel (580, 680) zum Unterstützen der ersten und zweiten Stirnseiten jeder der Rollen, wobei das Stützmittel hinsichtlich der ersten und zweiten Platte feststeht.

19. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 18, bei der das Gleichlaufmittel ferner ein Gegengewicht (760) mit einem dritten Satz umfangsmäßig beabstandeter Bohrungen (770) aufweist, wobei sich jede der Rollen (600) ferner durch jeweils eine entsprechende Rolle des dritten Bohrungssatzes erstreckt.

20. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 15 oder 19, bei der das Trägermittel umfaßt:

einen ersten Trägerbauteil (540) mit einer Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Achslager (580), wobei jedes Achslager die erste Stirnseite einer jeweils entsprechenden Rolle (600) drehbar trägt; und

einen zweiten Trägerbauteil (640) mit einer Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Achslager (680), wobei jedes Achslager die zweite Stirnseite einer jeweils entsprechenden Rolle (600) drehbar trägt.

21. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 20 in Kombination mit Anspruch 19, bei der das Gleichlaufmittel ferner eine Steuerwelle (725) umfaßt, die zwischen den Achslagern (700, 710) in dem ersten und zweiten Trägerbauteil (540, 640) drehbar montiert ist, wobei die Nockenwelle erste und zweite, um 180º phasenverschobene Nocken (865, 850) aufweist, die jeweils in mittigen Öffnungen (840, 775) in der ersten und zweiten Platte (800, 810) und in dem Gegengewicht (760) drehbar gelagert sind, wodurch die erste und zweite Platte und das Gegengewicht gezwungen sind, sich bei Drehung der Nockenwelle (725) um 180º phasenverschoben auf der Kreisbahn zu bewegen.

22. Expandergetriebener Verdichter nach Anspruch 21, der eine Antriebswelle (730) aufweist, antreibend mit der Nockenwelle (725) verbunden ist.

23. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 3 oder 9, bei welcher der Expander und/oder Verdichter ein Expansionssteuerungsmittel (225, 335) umfaßt, welches das erste und dritte Hüllenträgermittel miteinander verbindet, um den axialen Abstand zwischen dem ersten und dem dritten Hüllenträgermittel zu steuern.

24. Expandergetriebene Verdichteranordnung nach Anspruch 23, bei der das Expansionssteuerungsmittel (225, 335) zumindest eine sich axial erstreckende Strebe umfaßt, die zwischen dem ersten Hüllenträgermittel und dem dritten Hül lenträgermittel befestigt ist, und bei der das zweite Hüllenträgermittel mit zumindest einer Öffnung ausgebildet ist, durch die sich die zumindest eine Strebe erstreckt.