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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf
Fluidverdichter. Insbesondere bezieht sie sich auf einen verbesserten
Spiralverdichter mit einem "Axiallager
mit einer Gleitoberfläche" und mit "Zwei-Wege-Ansaug-Ölgasdurchgängen", um eine ausreichende
Schmiermittelversorgung an dem Axiallager unter einem Öldampf-Schmierzustand sicherzustellen,
und mit einem "Oldham-Ring
mit Federn auf einer Seite",
um den Arbeitsbereich für
das Axiallager mit einer Gleitoberfläche für Anwendungen mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit zu maximieren.
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Spiralverdichter sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart US-Patent 801,182
von Creux eine Spiralvorrichtung, die zwei Spiralglieder umfasst,
die jeweils eine kreisförmige Endplatte
und ein spiralförmiges
oder evolventenförmiges
Spiralelement aufweisen. Diese Spiralelemente weisen eine identische
Spiralgeometrie auf und passen in einen winkelmäßigen und radialen Versatz ineinander,
um eine Vielzahl von Linienkontakten zwischen ihren spiralförmigen gekrümmten Oberflächen zu
erzeugen. Folglich definieren die ineinander gepassten Spiralelemente
zumindest ein Paar von Fluidtaschen und dichten diese ab. Durch
Orbitieren von einem Spiralelement gegenüber dem anderen werden die
Linienkontakte entlang der spiralförmig gekrümmten Oberflächen verlagert,
wodurch das Volumen der Fluidtaschen verändert wird. Dieses Volumen
steigt an oder nimmt ab in Abhängigkeit
der Richtung der relativen orbitierenden Bewegung der Spiralelemente
und folglich kann die Vorrichtung verwendet werden, um Fluide zu
komprimieren oder auszudehnen.
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Bezug nehmend auf die 1a bis 1d soll der allgemeine Betrieb eines
herkömmlichen
Spiralverdichters nun beschrieben werden. Die 1a bis 1d geben schematisch
die relative Bewegung der ineinander gepassten spiralförmig ausgebildeten
Spiralelemente 1 und 2 wieder, um ein Fluid zu
komprimieren. Die Spiralelemente 1 und 2 sind
winkelmäßig und
radial versetzt und passen ineinander. 1a zeigt, dass das äußere abschließende Ende
jedes Spiralelements in Kontakt mit dem anderen Spiralelement ist,
d. h. ein Ansaugen wurde eben erst vervollständigt und ein symmetrisches
Paar von Fluidtaschen A1 und A2 wurde eben ausgebildet.
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Jede der 1b bis 1d zeigt
die Position der Spiralelemente in einem besonderen Antriebswellen-Kurbelwinkel,
welcher von dem in der vorhergehenden Figur gezeigten Winkel weiter
fortgeschritten ist. Wenn der Kurbelwinkel fortschreitet, verlagern sich
die Fluidtaschen A1 und A2 winkelmäßig und radial in Richtung
zu der Mitte der ineinander gepassten Spiralelemente, wobei das
Volumen jeder Fluidtasche A1 und A2 nach und nach verringert wird.
Die Fluidtaschen A1 und A2 gehen in dem Zentrum des Abschnitts A
ineinander über,
wenn der Kurbelwinkel von dem in 1c gezeigten
Zustand in den in 1d gezeigten
Zustand übergeht.
Das Volumen der verbundenen einzigen Tasche wird weiter verringert
durch eine zusätzliche
Umdrehung der Antriebswelle. Während
der relativen orbitierenden Bewegung der Spiralelemente verändern sich äußere Räume, d.
h. Saugkammern, die in 1b und 1d geöffnet gezeigt sind, um neue
abgedichtete Fluidtaschen auszubilden, in welchen das nächste Volumen
des zu komprimierenden Fluids eingeschlossen ist (1c und 1a zeigen
diese Zustände).
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In einigen Anwendungen, wie beispielsweise für Klimaanlagenverdichter
in Automobilen, dreht sich der Verdichter mit einer Geschwindigkeit,
welche zwischen 800 bis 6000 Umdrehungen pro Minute variiert, was
eine große
Herausforderung für
das Axiallager des Verdichters darstellt. Es ist unzuverlässig, das
Axiallager in einem Klimaanlagenverdichter für Automobile durch eine Ölpumpe zu
schmieren, welche für
Klimaanlagenverdichter für
Wohnungen verwendet wird. Dies ist deswegen so, da das Ölniveau in
dem Ölsumpf
eines Klimaanlagenverdichters für Automobile
sich permanent in Abhängigkeit
der Lage des Automobils verändert, bergauf,
bergab oder horizontal. Daher wurde ein Öldampfschmierschema in der
bestehenden Technologie von Klimaanlagenverdichtern für Automobile
weitverbreitet angewandt. In diesem Schema ist die Menge des an
die Lager zugeführten Öls begrenzt.
Das Axiallager mit einer Gleitoberfläche mit einer ausreichenden
Schmierung ist nicht teuer und in der Lage, um einen leisen Betrieb
und eine stabile Lagerung zur Verfügung zu stellen. Es wurde in
Klimaanlagenspiralverdichtern für Häuser erfolgreich
angewandt, jedoch wurde es auf Grund der vorhergehenden Gründe nicht
in Klimaanlagenspiralverdichter für Automobile eingesetzt. Stattdessen
wird in einem Klimaanlagenverdichter für Automobile ein Axialkugellager
verwendet. Das Axialkugellager, welches in Klimaanlagenspiralverdichter
beispielsweise verwendet wird, das von Sanden Corporation hergestellt
wird, toleriert eine geringere Schmierung. Jedoch ist das Axialkugellager
teuer. Es erzeugt bei einer hohen Geschwindigkeit laute Geräusche und
verschleißt
auf Grund der hohen Kontaktspannungen an den Kontaktpunkten zwischen
den Kugeln und den Bahnen sehr rasch.
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US
4,484,869 offenbart einen Spiralverdichter gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Der darin offenbarte Verdichter stellt Schmierkreisläufe bereit,
um das Antriebssystem zu schmieren und zu kühlen, wobei das Antriebssystem
Lager des Rollenlagertyps aufweist. Diese An von Lagern kann mit
einer geringen Menge von Öl
geschmiert werden, so dass die Kreisläufe für dessen Zuführung entsprechen
konstruiert und konfiguriert sind. Jedoch sind die offenbarten Kreisläufe nicht
in der Lage, um ausreichend Schmiermittel für ein Lager des Gleitaxiallagertyps
bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demzufolge ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, einen Spiralverdichter bereitzustellen,
bei welchem ein Axiallager mit einer Gleitoberfläche mit einer maximalen effektiven
Lageroberfläche
in der Lage ist, bei verschiedenen Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben
zu werden.
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Es ist ebenso eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Mechanismus für
Zwei-Wege-Ansaug-Ölgasdurchgänge bereitzustellen.
Das meiste des Öls
in der zurückgeführten Mischung
des Kühlmittels
und des Öldampfes
wird gesammelt, um eine ölreiche
Mischung auszubilden, wenn die Durchgänge passiert werden. Die ölreiche
Mischung wird geleitet, um das Axiallager mit der Gleitoberfläche zu schmieren.
Das meiste des Kühlmittelgases
strömt direkt
zu den Sauganschlüssen
des Spiralverdichters. Folglich wird der Verlust im Saugdruck minimiert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen verbesserten Spiralverdichter zu Verfügung. Durch Bereitstellen eines
Mechanismus mit Zwei-Wege-Ansaug-Ölgasdurchgängen kann
das meiste des Öls
in dem Öldampf
gesammelt werden und dann zu dem Axiallager mit der Gleitoberfläche geleitet
werden, um das Schmiererfordernis zu erfüllen und zur gleichen Zeit
werden die Verluste im Saugdruck minimiert. Das Axiallager mit der
Gleitoberfläche
ist in der Lage, bei Rotationsgeschwindigkeiten betrieben zu werden,
die in einem weiten Bereich variieren. Ein Oldham-Ring mit Federn
auf einer Seite gestattet es, die Arbeitsoberfläche des Axiallagers zu maximieren.
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Um diese und andere Aufgaben umzusetzen,
stellt die offenbarte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Spiralverdichter zur Verfügung, welcher
ein Gehäuse
umfasst, das einen Fluideinlassanschluss und einen Fluidauslassanschluss aufweist.
Ein erstes Spiralglied weist eine Endplatte auf, von welcher sich
ein erstes Spiralelement axial in das Innere des Gehäuses erstreckt.
Ein zweites Spiralglied weist ebenfalls eine Endplatte auf, von
welcher sich ein zweites Spiralelement axial erstreckt. Das zweite
Spiralglied ist beweglich angeordnet für eine nicht-drehende orbitierende
Bewegung gegenüber
dem ersten Spiralglied. Ein Axiallager mit einer Gleitoberfläche trägt die zweite
Endplatte des zweiten Spiralglieds.
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Das erste und das zweite Spiralelement
passen in einen winkelmäßigen und
radialen Versatz ineinander, um eine Vielzahl von Linienkontakten
auszubilden, welche zumindest ein Paar von abgedichteten Fluidtaschen
definieren. Antriebsmittel sind antreibend mit den Spiralgliedern
verbunden, um deren relative orbitierende Bewegung zu bewirken,
während
ihre relative Drehung durch einen Oldham-Ring verhindert wird, was
folglich bewirkt, dass die Fluidtaschen das Volumen verändern.
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Die offenbarten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen einen Mechanismus mit Zwei-Wege-Ansaug-Ölgasdurchgängen bereit.
Die Mischung eines Kühlmittels
und eines Öldampfes, welche
in das Gehäuse
durch den Fluideinlassanschluss eintritt, kann entlang zwei Durchgängen in zwei
unterschiedlichen Richtungen strömen.
Eine Richtung ist die direkte Verlängerung des Einlassanschlusses,
die die Mischung zu dem mittigen Abschnitt des Gehäuses und
zu dem Sumpf führt.
Das meiste des Öldampfes
und Tröpfchen
strömen
in dieser Richtung auf Grund der großen Trägheit, welche durch deren hohe
Dichte verursacht wird, um eine Mischung, die reich an Öldampf ist,
auszubilden. Die ölreiche
Mischung strömt
durch die Spalte in dem Hauptwellenlager und durch die radialen
Durchgänge
an der Arbeitsoberfläche
des Axiallagers und schmiert so die Axiallageroberfläche. Die
andere Richtung ist eine scharfe Umkehr von dem Einlassanschluss
zu den Saugkammern, die durch zwei Spiralelemente ausgebildet werden,
wo der niedrigste Druck in dem gesamten Gehäuse vorherrscht. Das meiste
des Kühlmittelgases,
das durch den Druckunterschied zwischen dem Einlassanschluss und
den Saugkammern angetrieben wird, vollführt eine scharfe Umkehr und
strömt
zu den Saugkammern. Folglich kann der Druckabfall des zurückkehrenden
Kühlmittelgases
minimiert werden.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung
umfasst der Spiralverdichter ein Axiallager mit einer Gleitoberfläche, welches
zumindest einen radialen Durchgang auf seiner Arbeitsoberfläche aufweist,
um es der ölreichen
Mischung zu ermöglichen, von
dem Spalt in dem Hauptwellenlager durch die Arbeitsober fläche des
Axiallagers zu strömen
und diese zu schmieren und dann zu der Saugkammer zu strömen.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung
sind die radialen Durchgänge
an Arbeitsoberflächen
des Axiallagers in solch einer An und Weise angeordnet, dass der
minimale Abstand von irgendeinem Punkt auf den Arbeitsoberflächen zu
den radialen Durchgängen
nicht größer als
der Durchmesser der nicht-drehenden
orbitierenden Bewegung des zweiten Spiralglieds ist.
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In einem noch anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung weist ein Oldham-Ring zwei Gruppen von Federn auf, die
auf derselben Seite des Rings lokalisiert sind und folglich genannt
wird "Oldham-Ring mit
Federn auf einer Seite".
Es gibt zwei Federn in jeder Gruppe und diese sind an zwei Enden
eines Durchmessers lokalisiert. Die Mittellinien der zwei Gruppen
von Federn sind zueinander senkrecht. Der Ring und das zweite Spiralglied
sind auf unterschiedlichen Seiten des Axiallagers mit einer Gleitoberfläche lokalisiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird besser verstanden
werden, wenn sie hinsichtlich der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
betrachtet wird, welche sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht,
in welchen:
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1a–1d schematische Ansichten
sind, die die relative orbitierende Bewegung der Spiralglieder in
einem herkömmlichen
Spiralverdichter zeigen;
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2 einen
Querschnitt eines Klimaanlagenspiralverdichters für Automobile
mit Zwei-Wege-Ansaug-Ölgasdurchgängen gemäß der vorliegenden
Erfindung wiedergibt;
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3a–3b ein Axiallager mit einer
Gleitoberfläche
mit radialen Durchgängen
zeigt, durch welche ein ölreicher
Dampf strömt
und dadurch das Axiallager gemäß der vorliegenden
Erfindung schmiert;
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4a–4b einen "Oldham-Ring mit Federn auf einer Seite" gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen; und
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5a–5b einen typischen Oldham-Ring des
Standes der Technik zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug nehmend auf 2 ist ein Klimaanlagenspiralverdichter
für Automobile,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestaltet ist, gezeigt. Die Verdichtereinheit 10 umfasst
ein Hauptgehäuse 20, eine
vordere Schale 21, eine hintere Abdeckung 11 und
ein erstes Spiralglied (fixes Spiralglied) 60, die zusammen
den Verdichterschalenkörper
ausbilden. Das Hauptgehäuse 20 trägt ein Hauptlager 32.
Eine Hauptwelle 40 ist drehbar durch das Hauptlager 32 und
ein hinteres Lager 34, welches von der vorderen Schale 21 gehalten
wird, gelagert und dreht sich entlang seiner Achse S1-S1, wenn es durch eine elektromagnetische
Kupplung 22 angetrieben wird.
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Ein Antriebszapfen 42 erstreckt
sich von dem hinteren Ende der Hauptwelle 40 und die zentrale Achse
des Antriebszapfens, S2-S2,
ist von der Hauptwellenachse, S1-S1 versetzt um einen Abstand, der dem orbitierenden
Radius Ror des zweiten Spiralglieds (orbitierendes Spiralglied) 50 entspricht.
Der orbitierende Radius ist der Radius des orbitierenden Kreises,
der von dem zweiten Spiralglied 50 durchlaufen wird, wenn
dieses gegenüber
dem ersten Spiralglied 60 orbitiert.
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Das erste Spiralglied 60 weist
eine Endplatte 61 auf, von welcher sich ein Spiralelement 62 erstreckt.
Das erste Spiralglied ist senkrecht zu der Achse S1-S1 und ist an der Oberfläche 64 des Hauptgehäuses 20 derart
angebracht, dass geeignete Spalte zwischen den Spitzen eines Spiralglieds
und den Basen des anderen Spiralglieds aufrechterhalten werden.
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Diese Spalten müssen breit genug sein, um zu
verhindern, dass die Spitzen und Basen der Spiralglieder miteinander
in Kontakt geraten, nachdem die Herstellungstoleranzen und die thermische
Ausdehnung der Spiralelemente während
des Normalbetriebs berücksichtigt
wurde. Andererseits müssen
die Spalten ebenso schmal genug sein, um durch die Spitzendichtungen 66,
die in den spiralförmig
ausgebildeten Nuten in den Spitzen der Spiralglieder lokalisiert
sind, mechanisch und durch einen Film eines Schmiermittels während des
Normalbetriebs hydrodynamisch abgedichtet werden zu können.
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Das zweite Spiralglied 50 umfasst
eine kreisförmige
Endplatte 51, ein Spiralelement 52, welches an
der hinteren Oberfläche
der Endplatte 51 befestigt ist und sich von dieser erstreckt
und einen orbitierenden runden Lagervorsprung 53, der an
der vorderen Oberfläche
der Endplatte 51 befestigt ist und sich von dieser erstreckt.
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Die Spiralelemente 52 und 62 passen
in einem Winkelversatz von 180° und
in einem radialen Versatz, welcher einen orbitierenden Radius Ror
aufweist, ineinander. Zumindest ein Paar von abgedichteten Fluidtaschen
wird dadurch zwischen den Spiralelementen 52 und 62 und
den Endplatten 51 und 61 definiert. Das zweite
Spiralglied 50 ist mit einem Antriebszapfen 42 über ein
Antriebszapfenlager 43 und ein Antriebsgelenk 41 verbunden.
Die Funktion des Oldham-Rings 45 liegt darin, das zweite
Spiralglied 50 am Drehen zu hindern. Das zweite Spiralglied 50 wird
in eine orbitierende Bewegung mit dem orbitierenden Radius Ror durch
eine Drehung der Antriebswelle 40 versetzt, um dadurch
ein Fluid zu komprimieren. Das Arbeitsfluid von dem Einlassanschluss 91 tritt über den
Zwischendurchgang 93 in die Saugkammern 95 ein,
die durch die Spiralelemente 50 und 60 ausgebildet
sind, und wird dann durch die Spiralelemente komprimiert und strömt schließlich durch
den Auslassanschluss 70 über Durchgänge 71 und 72 aus.
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Nachdem die Mischung des Kühlmittels
und des Öldampfes
durch den Sauganschluss 91 eingetreten ist, ändert das
meiste des Kühlmittelgases
seine Strömungsrichtung,
um, wie durch den Pfeil A gezeigt, zu strömen und strömt mit einer geringen Menge
eines Öldampfes über einen
Durchgang 93 zu den Saugkammern 95. Das meiste
des Öldampfes
fährt auf
Grund seiner hohen Dichte fort, in Richtung zu dem mittigen Abschnitt
des Gehäuses
zu strömen, nachdem
es in den Verdichter eingetreten ist. Der ölreiche Dampf von dem Einlassanschluss
zusammen mit den Öltröpfchen,
der sich in dem Ölsumpf 96 befindet
und aufgespritzt wird durch das Gegengewicht 98, strömt über die
Spalte in dem Hauptlager 32 zu der zentralen Kammer 82,
und strömt
dann durch die radialen Durchgänge 86 auf
dem stationären
Axiallager 84 und schmiert gleichzeitig das Axiallager.
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Die Gegengewichte 97, 98 und 99 gleichen die
Zentrifugalkräfte
aus, die durch die orbitierende Bewegung und durch die Rotation
des zweiten Spiralglieds 50, durch das bewegende Axiallager 27, durch
das Antriebsgelenk 41 bzw. den Antriebszapfen 42 verursacht
werden.
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Bezug nehmend auf die 3a bis 3b ist das stationäre Axiallager 84,
welches an dem Hauptgehäuse 20 befestigt
ist, gezeigt. 3a ist
eine Vorderansicht und 3b ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A. Die Basis 401 des
stationären Axiallagers
ist ein Graugusseisen, das mit einer Schicht 402 einer
Lagermetalllegierung beschichtet ist. Es gibt mehrere radiale Nuten 86 auf
der Arbeitsoberfläche
des stationären
Axiallagers 84. Jedoch können die Nuten auch auf dem
sich bewegenden Axiallager 27 (2) oder sowohl auf dem stationären als
auch auf sich bewegenden Axiallagern lokalisiert sein. Nichtsdestotrotz
sind die folgenden Prinzipien für
die Anordnung der Durchgänge 86 von Bedeutung:
- 1) die Durchgänge sollten es dem ölreichen Dampf
erlauben, die gesamte Oberfläche
des Axiallagers zu benetzen und sollten es dem ölreichen Dampf gestatten, durch
die Saugkammern 95 zu strömen;
- 2) der minimale Abstand von irgendeinem Punkt auf der Arbeitsoberfläche des
Axiallagers mit einer Gleitoberfläche zu den Durchgängen sollte nicht
signifikant größer sein
als der Durchmesser der nicht-drehenden kreisförmigen orbitierenden Bewegung
des zweiten Spiralglieds 50. Daher kann irgendein Punkt
auf der Arbeitsoberfläche des
sich bewegenden Axiallagers die Möglichkeit besitzen, durch den ölreichen
Dampf, der in dem Durchgang strömt,
benetzt zu werden und folglich geschmiert zu werden. Andererseits überführt die benetzte
Oberfläche
des sich bewegenden Axiallagers Öl
zu der Arbeitsoberfläche
des stationären Axiallagers 84 auf
dem Hauptgehäuse.
Folglich ist eine ausreichende Schmierung der Axiallager mit Gleitoberfläche sichergestellt.
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Der ölreiche Dampf tritt durch die
Durchgänge 86 hindurch
und tritt in die Saugkammern 95 ein. Die Anordnung der
Durchgänge 86 kann
unterschiedlich sein, solange die vorhergehend erwähnten Prinzipien
erfüllt
werden, und eine ausreichende Schmierung an den Axiallagern sichergestellt
werden kann.
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Bezug nehmend auf die 4a und 4b ist ein "Oldham-Ring mit Federn auf einer Seite" gezeigt. Auf der
gleichen Seite des kreisförmigen
Rings 45 sind vier rechteckförmige Federn gleichförmig verteilt.
Dies unterscheidet sich von einem alten Ring aus dem Stand der Technik
(gezeigt in 5a bis 5b). Die vier Federn sind
in zwei Gruppen unterteilt, hohe Federn und niedrige Federn. Der
Oldham-Ring 45 ist unterhalb des stationären Axiallagers 84 (siehe 2) lokalisiert. Die zwei
niedrigen Federn 145 und 146 (4a und 4b)
sind in die Nuten 188 und 189 des stationären Axiallagers 84 (3a) eingefügt und können jeweils
in den Nuten gleiten. Die hohen Federn 147 und 148 erstrecken
sich durch die Nuten 186 und 187 und können in
den Nuten auf dem sich bewegenden Axiallager 27 gleiten.
Im Stand der Technik gleitet der Oldham-Ring in unmittelbarer Nähe, wo die
stationäre
Axialoberfläche
lokalisiert ist, und begrenzt dadurch den Arbeitsbereich des stationären Axiallagers.
Da der Oldham-Ring mit Nuten auf einer Seite unterhalb des stationären Axiallagers
lokalisiert ist, gestattet er es, den Arbeitsbereich des stationären Axiallagers
zu maximieren.
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Während
die vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
bevorzugt werden, wird der Fachmann Modifikationen in der Struktur, Anordnung,
Zusammenstellung und dergleichen erkennen, welche nicht von dem
wahren Umfang der Erfindung abweichen. Die Erfindung wird durch
die beiliegenden Ansprüche
definiert und alle Vorrichtung und/oder Verfahren, die unter den
Sinn der Ansprüche
fallen, sei es wörtlich
oder durch Äquivalente,
sind beabsichtigt, hierin umfasst zu sein.