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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Rotations-Verdrängerkompressor mit Schraube und Ritzel.
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Die Druckschrift FR-A-1 331 998 beschreibt Kompressoren mit
einer mit Gewindegängen versehenen Schraube, die sich in der
Bohrung eines Gehäuses dreht und mit mindestens einem Ritzel
mit Zähnen zusammenwirkt, die in diese Gewindegänge eingreifen,
um mit dem Gehäuse zusammen Kammern veränderlichen Volumens zu
definieren.
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Die Druckschrift FR-A-1 586 832 beschreibt eine Vorrichtung zur
Kompression oder zur Entspannung mit einem Rotor, der durch die
Rotation eines Kreisbogens um eine Rotationsachse gebildet ist.
Der Rotor ist mit mehreren vorspringenden Gewindegängen
versehen, deren Kämme mit einem die Achse des Rotors umgebenden
Drehgehäuse zusammenwirken. Die Gewindekämme greifen in die
Zähne mindestens eines Ritzels ein.
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Die Ritzel können jeweils auf Achsen gleiten und werden von
Federn an die Globoidschraube gedrückt, wobei die Spannung
dieser Federn durch Schraubenmuttern einstellbar ist.
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Die Druckschrift US-A-5 080 568 beschreibt Ritzel, die so
gelagert sind, daß sie sich um eine quer zum Ritzel verlaufende
Achse drehen können und daß die Achse des Ritzels durch
Verbinden derselben auf der Seite des Ritzels, die dem Hochdruck
ausgesetzt ist, mit dem Gehäuse axial festgelegt ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor zur
Verdichtung eines Gases von einem Niedrigdruck zu einem
Hochdruck, mit einer mit mindestens einem Gewinde ausgestatteten
Schraube, die sich in einem Gehäuse dreht und mit mindestens
einem Ritzel mit Zähnen zusammenwirkt, die in das Gewinde
ein
greifen, um mit dem Gehäuse ein Volumen zu definieren, um dort
den Druck des Mediums zu erhöhen, wobei eine Fläche der Zähne
dem Hochdruckmedium und die andere dem Niedrigdruckmedium
ausgesetzt ist, wobei das Ritzel aus einem Plastikblatt besteht,
in dem die dicht in das Gewinde eingreifenden Zähne gebildet
sind, das auf der Hochdruckseite des Ritzels angeordnet ist und
das auf der Niedrigdruckseite von einem Metallträger gestützt
wird; wobei die Hochdruckfläche des Plastikblattes des Ritzels
sich in quasi dichtem Kontakt mit einer Lippe des Gehäuses
befindet, während Schubmittel zum Ausüben einer Kraft die Welle
des Ritzels gegen Arretiervorrichtungen drücken, wobei die von
den besagten Mitteln erzeugte Druckkraft größer ist als die
maximale, auf das Ritzel während des normalen Betriebs des
Kompressors ausgeübte Kraft.
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Diese Anordnung hat den bemerkenswerten Effekt, daß die
Schäden, die dem Kompressor durch einen sogenannten
Flüssigkeitsstoß zugefügt werden, wesentlich verringert sind, ohne daß eine
Schädigung des Profils der Plastikzähne oder der Merkmale des
Kompressors auftritt.
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Es ist nämlich in der Kälte- und Klimaanlagenindustrie bekannt,
daß unter bestimmten Bedingungen, insbesondere beim Anlauf, der
Kompressor möglicherweise während einer kurzen Zeitspanne, im
allgemeinen weniger als eine Sekunde, anstelle von Gas
Flüssigkeit zu komprimieren hat, was den sogenannten Flüssigkeitsstoß
hervorruft.
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Tatsächlich treten, wenn sich das Volumen der Kammer zur
Verdichtung des Gases verringert, im Gewinde enorme Drücke auf,
wenn Flüssigkeit das Gas ersetzt, da die Flüssigkeit
inkompressibel ist, bis etwas bricht oder Spiel entsteht, durch welches
die Flüssigkeit entweichen kann.
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Die entstehenden Drücke sind daher um ein Vielfaches, im
allgemeinen 10 bis 20 mal, höher als die Drücke, für welche der
Kompressor ausgelegt ist.
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Gemäß der Erfindung verursacht der Druck im Gewinde, wenn ein
solcher Flüssigkeitsstoß auftritt, eine axiale Kraft auf das
Ritzel, welche die von den Schubmitteln ausgeübte Kraft bei
weitem übertrifft, und das Ritzel bewegt sich axial, wobei es
einen Raum zwischen der Hochdruckseite der Zähne und der Lippe
des Gehäuses öffnet, so daß die überschüssige Flüssigkeit im
Gewinde durch besagten Raum entweichen kann und so der Druck im
Gewinde innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden kann.
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Jedoch befinden sich, wenn eine solche axiale Verlagerung des
Ritzels auftritt, die Flanken der Ritzelzähne nicht mehr in
ihrer vorgesehenen Betriebsposition. Es ist bekannt, daß eine
solche Verlagerung denselben Effekt erzeugt wie eine plötzliche
Verringerung der Größe des Gewindes. Je größer die Verlagerung
ist, desto mehr Zähne müssen sich durch Verwindung den
scheinbar enger gewordenen Gewinden anpassen. Wenn die Zähne des
Ritzels vollständig aus Metall wären, dann würden entweder die
Zähne oder die Gewinde schwerwiegend beschädigt; Plastik ist
flexibler und bricht nicht, aber wenn es eine bestimmte Zeit an
der neuen, von der Verlagerung hervorgerufenen Position bliebe,
dann würde es sich in der Weise abnützen, daß sich die Form der
Zähne an das scheinbar engere Gewinde anpaßt, und wenn man sie
in ihre ursprüngliche Position zurückbringt, würde sich diese
Abnutzung durch Verluste infolge eines zunehmenden Schwundes
und durch einen wesentlich verringerten Wirkungsgrad äußern.
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So führt beispielsweise in Klimaanlagen-Kompressoren von etwa
350 kW thermischer Leistung ein Zurückweichen des Ritzels um
0,5 mm nach einigen Betriebsstunden zu einem irreversiblen
Verlust in der Größenordnung von 5% des geförderten Volumens.
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Das bemerkenswerte Ergebnis, welches bei einem Kompressor gemäß
der Erfindung beobachtet werden konnte, ist, daß selbst wenn
der Kompressor wiederholten Flüssigkeitsstößen ausgesetzt ist,
keinerlei Absinken der Leistungsmerkmale auftritt.
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Daß dem Ritzel keine meßbare Abnutzung zugefügt wird, läßt sich
wahrscheinlich durch die geringe Zeitdauer, während der die
erhöhten Drücke im Gewinde wirken und das Ritzel aus seiner
normalen Position verlagern, das verhältnismäßig flexible
Plastik und seine gute Verschleißfestigkeit erklären.
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Besser verständlich wird die vorliegende Erfindung durch die
nachfolgende beispielhafte, nicht einschränkende Beschreibung
und die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigen:
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Fig. 1 einen Teilschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2
einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Maschine, in der Achse eines ihrer Ritzel senkrecht zur Achse
der Schraube;
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Fig. 2 einen schematischen Halbschnitt durch die Maschine
entlang der Linie II-II aus Fig. 1;
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Fig. 3 einen Teilschnitt, entsprechend Fig. 1 einer
Ausführung der Erfindung mit einem Ritzel mit drehbarer Achse.
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Die in Fig. 1 gezeigte Maschine ist eine erfindungsgemäße
Abwandlung einer Maschine, wie sie im französischen Patent 1
331 998 beschrieben ist.
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Eine um eine Achse 2 drehbare Schraube 1 weist ein im
wesentlichen schraubenförmiges Gewinde 1a (Fig. 2) auf, welches in die
Zähne 3 des Ritzels 4 eingreift. Beide sind in ein Gehäuse 5
eingebaut, das mit einer Bohrung 6 versehen ist, deren Nähe zu
der Spitze 1b der Gewinde, welche die aufeinanderfolgenden
Gewindegänge trennt, eine Quasi-Dichtheit schafft. Aufgrund des
Eingriffs zwischen der Schraube 1 und dem Ritzel 4 führt die
Drehung der Schraube zu einer entsprechenden Drehung des
Ritzels.
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Das Ritzel ist in bekannter Weise aus einem Plastikblatt 7
hergestellt, das von einem Metallträger 8 gestützt wird, der
wiederum zwei Lager 9 und 10 trägt, welche das Ritzel 4 drehbar
auf einer Achse 11 halten.
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Die geometrische Achse der Achse 11 ist durch eine Bohrung 12
im Gehäuse und eine in einem Träger 14 angebrachte Bohrung 13
bestimmt, wobei der Träger selbst in einer Bohrung 15 im
Gehäuse zentriert ist.
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In einem solchen Aufbau übt das zu verdichtende Fluid den
Hochdruck in Richtung des Pfeiles 16 aus, wobei das Ritzel unter
Abstützen auf das Lager 9 mitgenommen wird.
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Gemäß der Erfindung drücken Schubmittel, beispielsweise die
Federscheiben 17, die Achse 11 gegen den Anschlag 18, der
selbst durch den am Gehäuse befestigten Deckel 19 in seiner
Position gehalten wird.
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Die Länge des Anschlages 18 ist so fixiert, daß das Spiel 20
zwischen der Lippe 21 des Gehäuses und der Druckfläche 22 des
Plastikzahns auf einem Minimalwert gehalten ist, im allgemeinen
einige Zehntel Mikrometer.
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Die Federscheiben 17 sind so berechnet, daß nach der Montage
die von ihnen ausgeübte Schubkraft die von dem in Richtung des
Pfeiles 16 wirkenden Druck hervorgerufene axiale Last
übersteigt. Sie sind typischerweise so ausgewählt, daß ihre Kraft
150 bis 200% der maximalen Schubkraft entspricht, die auf das
Ritzel ausgeübt wird, wenn der Kompressor unter den maximalen
Drücken arbeitet, für die er konzipiert ist.
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Das System funktioniert wie folgt:
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Wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt, im allgemeinen beim Anlauf,
vom Kompressor beträchtliche Flüssigkeitsvolumen aufgenommen
worden sind, dann steigt der Druck im Gewinde auf Werte an,
welche wesentlich höher sind als die maximalen Betriebswerte;
beispielsweise kann in Klimaanlagen-Kompressoren, die zum
Erreichen von Drücken von 24000 oder 28000 hPa konzipiert sind,
der Spitzendruck 2000000 oder 300000 hPa erreichen.
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Die Schubkraft auf das Ritzel wird also weit höher als die von
den bereits zusammengedrückten Federscheiben, weshalb sich die
Achse des Ritzels axial bewegen und das Spiel 20 öffnen und
somit der Druck im Gewinde sinken kann.
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Obwohl eine solche Verlagerung des Ritzels aufgrund der
Massenträgheit des Ritzels nicht augenblicklich erfolgt, so ist sie
doch wirksam zur Reduzierung des Druckes im Gewinde beim
Anlauf, wenn die Gewinde mit Flüssigkeit gefüllt sind und der
Motor Mühe hat, die Schraube zu drehen. Tatsächlich erreicht
das Motormoment im Augenblick des Anlaufs das Dreifache des
maximalen Nennmomentes und ruft eine Kraft auf die Ritzel
hervor, welche die Schubkraft der Federscheiben übersteigt, was
den Druck verringert, so daß der Motor seine maximale Drehzahl
erreichen kann. Ist der Kompressor erst einmal unter
Verringerung der Zeitdauer, während der die Ritzel extremen Drücken
ausgesetzt sind, auf seiner Nenngeschwindigkeit, so verringert
diese Verlagerung in spektakulärer Weise die Ermüdungskräfte,
welche durch wiederholte Flüssigkeitsstöße auf die Bestandteile
des Kompressors einwirken.
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Sobald die Flüssigkeit verschwunden und die normale Kompression
von Gas wieder aufgenommen ist, drücken die Federscheiben die
Achse 11 wieder gegen den Anschlag 18 und nehmen das Spiel 20
wieder auf seine normalen Werte von einigen Zehntel Mikrometer
zurück.
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Die Dicke der Federscheiben ist im allgemeinen so gewählt, daß
die axiale Verlagerung des Ritzels auf Werte begrenzt ist,
welche vom Plastik und seinen Abmessungen, insbesondere seiner
Dicke, abhängen. Wie weiter oben gezeigt, scheint die axiale
Verrückung des Ritzels die Breite des Gewindes aus Sicht des
Ritzels zu verringern, und eine übermäßige Verlagerung könnte
zu bleibenden Schäden führen; es hat sich aber herausgestellt,
daß Verlagerungen in der Größenordnung von 0,5 und selbst von
1 mm von den Plastikzähnen ohne Schaden akzeptiert werden.
Wie weiter oben gezeigt, erleidet der Zahn des Ritzels aufgrund
der sehr kurzen Dauer des Flüssigkeitsstoßes keine bleibende
Abnutzung, und die Leistungsmerkmale des Kompressors bleiben
unverändert.
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Die Erfindung ist beschrieben worden mit einem Ritzel, das sich
um eine feste Achse drehen kann, könnte aber in anderen
Anordnungen angewendet werden, beispielsweise wenn die Achse des
Ritzels fest mit dem Träger des Ritzels verbunden ist und sich
mit diesem dreht und wenn die Lager, welche das Ritzel halten,
direkt in das Gehäuse eingebaut sind.
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In diesem Fall würden die Schubmittel 17a das Lager gegen den
Lagerschild 18a drücken, welcher mit den Schraubenmuttern 22 an
dem Träger 14a festgemacht ist, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht wesentlich verändert, wenn die
Federscheiben 17, die dazu verwendet werden, jene Schubkraft zu
erzeugen, welche die Achse des Ritzels am Anschlag 18 hält,
durch andere Mittel zur Erzeugung einer Schubkraft ersetzt
wären, wie etwa ein Kolben, der unter dem Druck eines Gases,
beispielsweise dem Auslaßdruck, wirkt, wobei der Kolben einen
ausreichenden Querschnitt haben müßte, damit seine Schubkraft
in jedem Falle, außer bei einem Flüssigkeitsstoß, größer wäre
als die Kraft, welche durch das Gas, das gerade komprimiert
wird, auf die Zähne des Ritzels wirkt.
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Die Erfindung läßt sich auch anwenden, wenn sich die
Arretiervorrichtungen, gegen die das Ritzel von den Schubmitteln
gedrückt wird, nicht im Gehäuse der Hochdruckseite des Ritzels,
sondern an einem anderen Ort befinden.
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Beispielsweise kann die Erfindung auch in dem Fall angewendet
werden, wo sich die Arretiervorrichtungen auf der
Niederdruckseite der Achse 11 befinden.
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Ein solches Mittel könnte ein Stift sein, der sich rechtwinklig
durch die Achse im Bereich der Bohrung und in ein im Träger 14
angebrachtes Langloch erstreckt.
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Wenn er von den Schubmitteln in die Endposition gedrückt ist,
hat das Spiel 20 den gewünschten Wert von einigen Zehntel
Mikrometern. In der anderen Endposition des Stiftes im Langloch
erreicht das Spiel den Wert von 0,5 mm oder sogar 1 mm.
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Eine Konstruktion wie in Fig. 1, wo die Achse gegen die mit
der Hochdruckseite des Gehäuses verbundenen
Arretiervorrichtungen gedrückt ist, ist jedoch besser, da das Spiel 20 unter
normalen Betriebsbedingungen nicht dem Einfluß von Verwindungen
des Gehäuses unterliegt, die infolge von Druck oder
Temperaturschwankungen relative Verrückungen von der gleichen
Größenordnung oder größer als das vorgesehene Spiel 20 hervorrufen.