DE69500906T2 - Spiralmaschine - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiraltyp-Fluidbzw. -Strömungsmaschine zur Verwendung als Verdichter, Expander o.dgl..
• Dieser Spiraltyp-Verdichter nach dem Stand der Technik ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt.
• In den Fig. 3A und 3B steht die Bezugsziffer 1 für ein feststehendes Spiralgehäuse (scroll), das aus einer Stirnplatte 1a und einer von einer Innenfläche der Stirnplatte 1a hochragenden Spiral(wickel)leiste 1b besteht. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet ein Drehspiralgehäuse, bestehend aus einer Stirnplatte 2a und einer von einer Innenfläche derselben hochragenden Spiral(wickel)leiste 2b mit im wesentlichen der gleichen Form wie bei der obengenannten Spiralleiste 1b.
• Das feststehende Spiralgehäuse 1 und das Drehspiralgehäuse 2 sind mit einem vorbestimmten Abstand r zwischen ihren Zentren O&sub1; und O&sub2; zueinander versetzt, und ihre Phase ist um 180º verschoben, um die dargestellte Eingriffskombination zu erreichen, wobei mehrere Kompressionskammern 3 um das Zentrum der Spiralform mit einer Punktsymmetrie festgelegt sind.
• Von einem äußeren Mitteilteil der Stirnplatte 2a des Drehspiralgehäuses 2 steht ein zylindrischer Stutzen 4 ab, in den über ein Lager 6 eine Antriebs- oder Mitnehmerbüchse 5 drehbar eingesetzt ist. In der Mitnehmerbüchse 5 ist eine Gleitbohrung 7 ausgebildet, in welche ein Exzenterzapfen 9 eingreift, der in einem vorbestimmten Abstand r vom axialen oder Achs-Zentrum O&sub1; einer Stirnfläche einer Dreh-Welle 8 absteht.
• Gemäß Fig. 3B besitzt die Gleitbohrung 7 eine langgestreckte (oder Langloch-)Form, die unter einem Winkel Θ relativ zur Exzenterrichtung des Exzenterzapfens 9 schräggestellt ist. Durch Abtragen beider Seiten des Exzenterzapfens 9 geformte lineare Abschnitte 9a können sich in Berührung mit linearen Abschnitten 7a der Gleitbohrung 7 längs diesen gleitend verschieben.
• Bei einer Drehung der Dreh-Welle 8 wird deren Rotationsdrehmoment über den linearen Abschnitt 7a der Gleitbohrung 7 von den linearen Abschnitten 9a des Exzenterzapfens 9 auf die Mitnehmerbüchse 5 und weiter über das Lager 6 und den Stützen 4 auf das Drehspiralgehäuse 2 übertragen.
• Das Drehspiralgehäuse 2 führt mithin eine Umlauf- und Drehbewegung (oder Kreiselbewegung) auf einer kreisförmigen Bahn mit einem Radius in einem vorbestimmten Abstand r um ein Zentrum O&sub1; der Achse der Dreh-Welle 8 und des feststehenden Spiralgehäuses 1 unter der Bedingung bzw. in dem Zustand durch, daß das Drehspiralgehäuse 2 durch einen (nicht dargestellten) eine Drehung verhindernden Mechanismus an einer Drehung um ihre eigene Achse gehindert wird.
• Ein in den Kompressionskammern 3 eingeschlossenes Gas wird dann unter Verkleinerung seines Volumens zum Zentrum der Spiralform bewegt bzw. gefördert; das Gas wird bis zum Erreichen der zentralen Kammer allmählich verdichtet und über den Auslaß 12 ausgetragen.
• Entsprechend der umlaufenden Drehbewegung des Drehspiralgehäuses 2 wird eine zur bzw. in Exzenterrichtung des Exzenterzapfens 9 gerichtete Zentrifugalkraft Fs durch ein(e) Ungleichgewicht bzw. Unwucht erzeugt, das bzw. die durch das Drehspiralgehäuse 2, den Stutzen 4, das Lager 6, die Mitnehmerbüchse 5 und dgl. hervorgerufen wird.
• Andererseits wirkt aufgrund des Gasdrucks in den Kompressionskammern 3 eine Gaskraft Fp auf das Drehspiralgehäuse 2 ein.
• Die Mitnehmerbüchse 4 wird durch eine Komponente F der Zentrifugalkraft Fs und des Gasdrucks Fp in der Richtung des Winkels Θ in der Richtung des Winkels Θ verschoben, so daß sich der Umlauf- und Drehradius des Drehspiralgehäuses 2 vergrößert; durch die genannte Kraft F werden Seitenflächen bzw. Flanken der Spiralleiste 2b des Drehspiralgehäuses 2 an die Seitenflächen bzw. Flanken der Spiralleiste 1b des feststehenden Spiralgehäuses 1 angepreßt.
• Beim oben beschriebenen Spiraltyp-Verdichter besteht eine Gefahr, daß dann, wenn die Zentrifugalkraft Fs aufgrund einer erhöhten Umlaufdrehbewegung des Drehspiralgehäuses 2 ansteigt, die Kraft, welche die Flanken der Spiralleiste 2b des Drehspiralgehäuses 2 an die Flanken der Spiralleiste 1b des feststehenden Spiralgehäuses 1 anpreßt, übermäßig groß wird, so daß die Flanken der Spiralleisten 1b und 2b anomalem Verschleiß unterworfen sind.
• Wenn die Umlaufdrehbewegung des Drehspiralgehäuses die vorbestimmte Größe übersteigt, wird das Drehspiralgehäuse in einer solchen Richtung verschoben, daß sich der Umlaufdrehradius verkleinert. Infolgedessen ist es möglich, den erhöhten Anlagedruck zwischen den Spiralleisten von Drehspiralgehäuse und feststehendem Spiralgehäuse zu unterdrücken.
ABRISS DER ERFINDUNG
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Spiraltyp-Fluidmaschine, umfassend: ein feststehendes Spiralgehäuse (scroll); ein Drehspiralgehäuse, das eine Umlaufdrehbewegung relativ zum feststehenden Spiralgehäuse auszuführen vermag, während es mit letzterem mit einer Exzentrizität einer vorbestimmten Strecke bzw. Größe relativ zum feststehenden Spiralgehäuse und mit einem Winkelversatz in Eingriff steht; eine am Drehspiralgehäuse drehbar gelagerte Antriebs- oder Mitnehmerbüchse und einen Exzenterzapfen, der exzentrisch zu einer Achse einer Dreh- Welle angeordnet ist und (gleitend) verschiebbar in eine Gleitbohrung der Mitnehmerbüchse eingreift; wobei die Mitnehmerbüchse (gleitend) in einer Richtung senkrecht zu einer Exzenterrichtung des Exzenterzapfens verschiebbar ist, um damit einen Umlaufdrehradius des Drehspiralgehäuses zu ändern; wobei die Verbesserung darin besteht, daß an der Mitnehmerbüchse ein Gegengewicht vorgesehen bzw. angeordnet ist, um eine Zentrifugalkraft Fc, die größer ist als eine während der Umlaufdrehbewegung des Drehspiralgehäuses auf die Mitnehmerbüchse einwirkende zweite Zentrifugalkraf Fs, und in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der zweiten Zentrifugalkraft Fs zu erzeugen; und ein Federelement vorgesehen ist, um die Mitnehmerbüchse in einer Richtung vorzubelasten, in welcher sich der Umlaufdrehradius in der Verschieberichtung vergrößert, so daß dann, wenn die Umlaufdrehgeschwindigkeit eine vorbestimmte Größe übersteigt, das Drehspiralgehäuse in einer Richtung im Sinne einer Verkleinerung des Umlaufdrehradius verschoben wird.
• An der Mitnehmerbüchse ist ein Verschiebungsbegrenzungsmittel zum Begrenzen einer Verschiebung im Sinne einer Verkleinerung des Umlaufdrehradius vorgesehen.
• Das Verschiebungsbegrenzungsmittel umfaßt in der Gleitbohrung geformte abgestufte Schulterabschnitte.
• Das Federelement besteht aus einer Schraubenfeder.
• Dabei ist die Schraubenfeder zwischen eine abgestufte Nut am einen Ende der Gleitbohrung und den Exzenterzapfen eingefügt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1A und 1B eine Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 1A eine Längsschnittansicht eines Hauptteils und Fig. 1B ein Querschnitt längs der Linie B-B sind,
• Fig. 2 eine Darstellung von auf das Drehspiralgehäuse bei dieser Ausführungsform einwirkenden Kräften und
• Fig. 3A und 3B ein Beispiel eines herkömmlichen Spiraltyp- Verdichters, wobei Fig. 3A eine Längsschnittansicht eines Hauptteils und Fig. 3B ein Querschnitt längs der Linie B-B sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN
• Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand der Fig. 1A und 1B beispielhaft beschrieben.
• An der Antriebs- oder Mitnehmerbüchse 5 ist ein Gegengewicht 10 angebracht, das sich in einer Richtung entgegengesetzt zu der einer bei einer Umlaufdrehbewegung (orbiting swivelling motion) des Drehspiralgehäuses 2 auf letzteres einwirkenden Zentrifugalkraft Fs bewegt und eine Zentrifugalkraft Fc erzeugt, die größer ist als die Zentrifugalkraft Fs.
• Gemäß Fig. 1B besteht eine Gleitbohrung 70 der Mitnehmerbüchse 5 aus einem breiten Abschnitt 71 und einer abgestuften Nut 72. An einer Grenzfläche dazwischen sind Schulterabschnitte gebildet.
• In den breiten Abschnitt 71 ist ein Exzenterzapfen 9 (gleitend) verschiebbar eingesetzt, und von der abgestuften Nut 72 ist ein Federelement 15 in Form einer Schraubenfeder aufgenommen.
• Ein Ende des Federelements 15 liegt am Exzenterzapfen 9 an, während sich sein anderes Ende an einer Sohle 74 der abgestuften Nut 72 abstützt, um damit die Mitnehmerbüchse 5 in einer Verschieberichtung vorzubelasten, d.h. in einer Richtung, in welcher sich der Umlaufdrehradius in der Richtung des Winkels Θ vergrößert.
• Wenn somit die Umlaufdreh- oder Kreiselgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 unter einer vorbestimmten Größe liegt, wird die Mitnehmerbüchse in der Richtung verschoben, in welcher sich der Umlaufdrehradius vergrößert. Wenn dagegen die Umlaufdreh- oder Kreiselgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 über der vorbestimmten Größe liegt, wird die Mitnehmerbüchse in der Richtung verschoben, in welcher sich der Umlaufdrehradius verkleinert.
• Die sonstige Ausgestaltung ist die gleiche wie bei der herkömmlichen Technik nach den Fig. 3A und 3B, weshalb gleiche Bauteile und Elemente mit den gleichen Bezugsziffern (wie dort) bezeichnet sind.
• Eine im Betrieb des Verdichters auf das Drehspiralgehäuse 2 einwirkende Kraft ist nachstehend anhand von Fig. 2 erläutert.
• Die Kraft Fp, die in einer Richtung senkrecht zur Exzenterrichtung der Gaskraft aufgrund des Gasdrucks in jeder Kompressionskammer 3 gerichtet ist, bestimmt sich nach Gleichung 1:
• Fp = (PH - PL) h W&sub1; + (P&sub1; - P&sub2;) h W&sub2;
• Darin bedeuten: PH = Ausstoßdruck; PL = Ansaugdruck; P&sub1; = Gasdruck in einer inneren Kompressionskammer 3; P&sub2; = Gasdruck in einer äußeren Kompressionskammer 3; h = Höhe der Spiraheisten 1b und 2b; W&sub1; = Abstand zwischen Berührungs- oder Anlagepunkten A und C der Spiralleisten 1b und 2b; und W&sub2; = Abstand zwischen Anlagepunkten B und D der Spiralleisten 1b und 2b.
• Nebenbei bemerkt: Obgleich die senkrecht zur Kraft Fp gerichtete Kraft erzeugt wird bzw. entsteht, ist diese sehr klein und daher vernachlässigbar.
• Andererseits wirkt die in der Exzenterrichtung gerichtete Zentrifugalkraft Fs auf das Zentrum O&sub2; des Drehspiralgehäuses 2 ein, während die Zentrifugalkraft Fc in der zur Zentrifugalkraft Fs entgegengesetzten Richtung einwirkt.
• Wenn mithin eine Kraft an der Mitnehmerbüchse 5 in einer Richtung rechts aufwärts längs der Verschieberichtung Θ zu F gegeben ist, bestimmt sich die Kraft F nach folgender Gleichung 2:
• F = Fs cosΘ + Fp sinΘ - Fc cosΘ + f x
• Darin bedeuten: f x = durch das Federelement 15 ausgeübte Kraft; f = Elastizitätskoeffizient des Federelements 15; und x = Verschiebung des Federelements 15.
• Wenn daher die Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 unter einer vorbestimmten Größe liegt, ist die Kraft F positiv; wenn die Geschwindigkeit über der vorbestimmten Größe liegt, werden die Faktoren Fs, Fc, Fp, f x und der Winkel Θ so gewählt, daß die Kraft negativ ist. Genauer gesagt: hierzu wird ein Feder- bzw. Elastizitätskoeffizient f des Federelements 15 (entsprechend) gewählt.
• Wenn mithin die Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 unter der vorbestimmten Größe liegt, werden die Flanken der Spiralleiste 2 b durch die Kraft F an die Flanken der Spiralleiste 1b des feststehenden Spiralgehäuses 1 angepreßt. Infolgedessen verschiebt sich die Mitnehmerbüchse 5 innerhalb des breiten Abschnitts 72 der Gleitbohrung 70 längs der Richtung Θ (gleitend) in der Richtung nach rechts oben. Hierdurch wird der Umlaufdrehradius vergrößert, und das Federelement 15 längt sich bzw. dehnt sich aus.
• Wenn die Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 über der vorbestimmten Größe liegt, werden die Flanken der Spiralleiste 2b durch die Kraft F von der Spiralleiste 1b des feststehenden Spiralgehäuses 1 getrennt. Hierdurch werden der Umlaufdrehradius verkleinert und das Federelement 15 verkürzt bzw. zusammengedrückt
• In Abhängigkeit von der Erhöhung der Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses 2 wird die Mitnehmerbüchse 5 in der Richtung des Winkels Θ nach links unten verschoben. Der Exzenterzapfen 9 gelangt jedoch in Anlage gegen die abgestuften Schulterabschnitte 73 der Gleitbohrung 70, wobei er sich nicht über die Schulterabschnitte 73 hinaus verschiebt. Der Betrieb dauert folglich unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen den Spiralleisten 1b und 2b an.
• Erfindungsgemäß ist das Gegengewicht an der Mitnehmerbüchse vorgesehen (angeordnet), um eine größere Zentrifugalkraft Fc als die Zentrifugalkraft Fs in der entgegengesetzten Richtung zur Zentrifugalkraft Fs zu erzeugen, die bei der Umlauf- und Drehbewegung (oder Kreiselbewegung) des Drehspiralgehäuses auf dieses einwirkt, und das Federelement ist vorgesehen, um die Mitnehmerbüchse in der Verschieberichtung im Sinne einer Vergrößerung des Umlaufdrehradius vorzubelasten, so daß dann, wenn die Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses die vorbestimmte Größe übersteigt, das Drehspiralgehäuse in einer Richtung bewegt bzw. verschoben wird, in welcher sich der Umlaufdrehradius verkleinert. Auf diese Weise ist es möglich, den erhöhten Anlagedruck zwischen den Spiralleisten von Drehspiralgehäuse und feststehendem Spiralgehäuse zu unterdrücken bzw. aufzuheben.
• Bei Drehung mit niedriger Drehzahl gelangen die Flanken der Spiralleiste des Drehspiralgehäuses in Andruckanlage gegen die Flanken der Spiralleiste des feststehenden Spiralgehäuses, um dabei einen luftdichten Zustand dazwischen zu erhalten.
• Wenn jedoch die Umlaufdrehgeschwindigkeit des Drehspiralgehäuses die vorbestimmte Größe übersteigt, wird 30 ein vorbestimmter Spalt zwischen den jeweiligen Flanken der Spiralleisten von Drehspiralgehäuse und feststehendem Spiralgehäuse aufrechterhalten, um damit den anomalen Verschleiß der Spiralleisten zu vermeiden und einen Anstieg des Leistungsbedarfs zu unterdrücken.

Claims (5)

1. Spiraltyp-Fluidmaschine, umfassend:

ein feststehendes Spiralteil oder -gehäuse (1);

ein Drehspiralteil oder- gehäuse (2), das eine Umlaufdrehbewegung relativ zum feststehenden Spiralgehäuse auszuführen vermag, während es mit letzterem mit einer Exzentrizität einer vorbestimmten Strecke bzw. Größe relativ zum feststehenden Spiralgehäuse und mit einem Winkelversatz in Eingriff steht;

eine am Drehspiralgehäuse drehbar gelagerte Antriebs- oder Mitnehmerbüchse (5) und

einen Exzenterzapfen (9), der exzentrisch zu einer Achse einer Dreh-Welle (8) angeordnet ist und gleitend verschiebbar in eine Gleitbohrung der Mitnehmerbüchse eingreift;

wobei die Mitnehmerbüchse (5) gleitend in einer Richtung senkrecht zu einer Exzenterrichtung des Exzenterzapfens (9) verschiebbar ist, um damit einen Umlaufdrehradius des Drehspiralgehäuses (2) zu ändern;

dadurch gekennzeichnet, daß an der Mitnehmerbüchse (5) ein Gegengewicht (10) vorgesehen bzw. angeordnet ist, um eine erste Zentrifugalkraft (Fc) zu erzeugen, die größer ist als eine während der Umlaufdrehbewegung des Drehspiralgehäuses aufgrund des Ungleichgewichts verschiedener Verdichterbauteile auf die Mitnehmerbüchse (5) einwirkende zweite Zentrifugalkraft (Fs) und in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der zweiten Zentrifugalkraft (Fs) wirkt, und

ein Federelement (15) vorgesehen sit, um die Mitnehmerbüchse (5) in einer Richtung vorzubelasten, in welcher sich der Umlaufdrehradius in der Verschieberichtung vergrößert, so daß dann, wenn die Umlaufdrehgeschwindigkeit eine vorbestimmte Größe übersteigt, das Drehspiralgehäuse in einer Richtung im Sinne einer Verkleinerung des Umlaufdrehradius verschoben wird.

2. Spiraltyp-Fluidmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mitnehmerbüchse (5) ein Verschiebungsbegrenzungsmittel zur Begrenzung einer Verschiebung im Sinne einer Verkleinerung des Umlaufdrehradius vorgesehen ist.

3. Spiraltyp-Fluidmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschiebungsbegrenzungsmittel in der Gleitbohrung geformte abgestufte Schulterabschnitte (73) umfaßt.

4. Spiraltyp-Fluidmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus einer Schraubenfeder (15) besteht.

5. Spiraltyp-Fluidmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (15) zwischen eine abgestufte Nut (72) am einen Ende der Gleitbohrung und den Exzenterzapfen (6 bzw. 9) eingefügt ist.