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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Verdränger für Fluide. Im Besonderen betrifft
diese Erfindung einen verbesserten Spiralverdränger für Fluide, der über einen
Strömungsumleitmechanismus
vertilgt, welcher die Einlassfluidströmung leitet, um die in einem
Lagergehäuse
angesammelte nicht kompressible Flüssigkeit in feine Tröpfchen zu
zersprengen, die durch zwei Saugtaschen, die durch die Spiralen
gebildet werden, gleichmäßig aufgenommen
werden können.
Diese Erfindung betrifft des Weiteren einen Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
zum radialen Abdichten der Kompressionstaschen, die durch die Spiralen
gebildet werden. Diese Erfindung betrifft darüber hinaus einen halbradialen
nachgiebigen Mechanismus, der die radiale nachgiebige Funktion der
umlaufenden Spirale aufrecht erhält,
und gleichzeitig ist ihr Umlaufradius derart vorgegeben, dass die
Last auf die unbewegliche Spirale, die durch die umlaufende Spirale
aufgrund der Zentrifugalkraft ausgeübt wird, auf die Kurbelwelle
verlagert wird.
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Spiralverdränger für Fluide
sind auf dem Gebiet der Technik gut bekannt. Beispielsweise offenbart
das US-Patent Nr. 801.182 von Creux eine Spiralvorrichtung, die
zwei Spiralbauteile umfasst, wobei jedes Bauteil eine kreisförmige Endplatte
und ein schraubenartiges oder ein Evolventen-Spiralelement besitzt.
Diese Spiralelemente besitzen eine identische schraubenartige Geometrie
und sind zwischen einem Winkelversatz und einem Radialversatz eingesetzt,
um eine Vielzahl von Linienkontakten zwischen deren schraubenartig
gebogenen Oberflächen
zu schaffen. Dementsprechend definieren und dichten die dazwischen
angebrachten Spiralelemente wenigstens ein Paar der Fluidtaschen
ab. Durch Umlaufen eines Spiralelementes relativ zu dem anderen werden
die Linienkontakte entlang der schraubenartig gebogenen Oberflächen verschoben,
wodurch das Volumen der Fluidtaschen verändert wird. Dieses Volumen
wird in Abhängigkeit
von der Richtung der relativen Umlaufbewegung der Spiralelemente größer oder
kleiner, und folglich kann die Vorrichtung verwendet werden, um
Fluide zu komprimieren oder auszudehnen.
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Bei
der Anwendung der Spiralfluidverdichtung ist es notwendig, Öl zum Schmieren
der Wellenlager und Axiallager zuzuführen. Das Öl sammelt sich danach an dem
niedrigsten Punkt des Verdichters, der als eine Ölwanne bezeichnet wird, wie
dies in dem US-Patent
Nr. 3.994.633 von Shaffer offenbart wird. Normalerweise wird das Öl anschließend von
einer Ölpumpe
erneut in Umlauf gebracht. Diese Ölpumpe verbraucht jedoch nicht
nur zusätzliche
Energie, sie stellt auch eine potenzielle Unfallquelle dar, wenn
sie ausfällt.
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US-Patent
Nr. 3.994.636 von McCullough et al. offenbart einen Spitzenabdichtungsmechanismus zum
radialen Abdichten zwischen den Kompressionstaschen. Bei diesem
Mechanismus wird eine Spitzendichtung in eine schraubenartige Nut
an der Spitze der Spiralschaufel platziert. Sie verläuft kontinuierlich
entlang der schraubenartigen Nut. Die Spitzendichtung wird entweder
durch eine mechanische Vorrichtung, wie beispielsweise ein elastisches
Material, oder durch eine pneumatische Kraft eingetrieben, um die
Grundfläche
des anderen Spiralbauteils zu kontaktieren und demzufolge eine radiale
Abdichtung bereitzustellen. US-Patent Nr. 4.437.820 von Tarauchi
et al. offenbart einen Mechanismus, der den Fluiddruck verwendet,
um eine Spitzendichtung in die Spitzennut eines Spiralbauteils zu
treiben, so dass sie die Grundfläche
eines anderen Spiralbauteils kontaktiert. Der von Tarauchi et al.
offenbarte Mechanismus weist drei Nachteile auf:
- 1)
Der Einfachheit halber wird die Fläche der Spitzendichtung, die
die Grundfläche
des eingreifenden Spiralbauteils kontaktiert, als Spitzenfläche bezeichnet.
Die Fläche
der Spitzendichtung, die der Spitzenfläche gegenüber liegt, wird als Rückfläche bezeichnet.
Die Spitzendichtung in der schraubenartigen Nut erstreckt sich von
dem zentralen zu dem peripheren Bereich. An verschiedenen Stellen
unterliegt die Spitzenfläche
der Spitzendichtung einem unterschiedlichen Druck, der einfach als
der Durchschnitt des Fluiddruckes an ihren beiden Seiten berechnet
werden kann. In dem zentralen Bereich, in dem der Druck, der auf die
Spitzenfläche
wirkt, hoch ist, wird ein hoher Gegendruck benötigt, um die Rückfläche der
Spitzendichtung zu schieben, um dem Druck auf ihre Spitzenfläche standzuhalten.
Demgegenüber wird
in dem peripheren Bereich, in dem der Druck, der auf die Spitzenfläche wirkt,
gering ist, ein geringer Gegendruck benötigt. Eine einzige Quelle pneumatischer
Kraft übt
eine übermäßige Kraft auf
die Rückfläche der
Spitzendichtung in dem peripheren Bereich aus, während die Kraft für den zentralen
Bereich ausreichend ist. Dadurch wird ein übermäßiger Reibungsverlust verursacht
und die Abnutzung der Spitzendichtung beschleunigt.
- (2) US-Patent Nr. 4.437.820 erfordert, dass die Spitzendichtung
locker in der Nut eingesetzt ist. Aus diesen Grund wird das treibende
Fluid, das an der Rückfläche der
Spitzendichtung wirkt, aus den Zwischenräumen zwischen der Spitzendichtung
und der Nut in die Kompressionstaschen laufen. Diese interne Fluidleckage
mindert die Energieeffizienz und verursacht ein Überhitzen.
- (3) Eine lange Spitzendichtung, die sich von dem zentralen Bereich
bis zu dem peripheren Bereich erstreckt, unterliegt der Wärmeausdehnung
proportional zu ihrer Länge,
wenn die Arbeitstemperatur ansteigt. Je länger die Spitzendichtung ist, desto
schwieriger erweist es sich, sie bei verschiedenen Temperaturen
in die Nut einzupassen.
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US-Patent
Nr. 4.082.484 von McCullough et al. offenbart ein Festhub-Kurbelmechanismus
mit einem Gegengewicht, das an einem Nabenlager angebracht ist,
das an der Periphere der umlaufenden Spiralnabe positioniert ist,
um der Zentrifugalkraft der umlaufenden Spirale zumindest teilweise
entgegen zu wirken. Dieser Mechanismus verteilt die Antriebskraft
und die Zentrifugalkraft separat auf zwei Lager, die Antriebskraft
auf das umlaufende Lager in der umlaufenden Nabe und die Zentrifugalkraft
auf das Nabenlager außerhalb
der Nabe. Auf diese Weise wird die Arbeitsbedingung der Lager außerordentlich verbessert.
Dieser Mechanismus ist jedoch nur für einen Festhub-Kurbel- und nicht
für einen
radial nachgiebigen Mechanismus geeignet, der sich als eine bewährte Anordnung
für Spiralvorrichtungen
erwiesen hat.
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US-Patent
Nr. 3.924.977 von McCullough et al. offenbart einen Mechanismus
mit einer radial nachgiebigen mechanischen Verbindungseinrichtung,
die ebenfalls Einrichtungen (das heißt, eine mechanische Feder)
umfasst, um wenigstens einem Teil der durch das umlaufende Spiralbauteil
ausgeübten Zentrifugalkraft
entgegen zu wirken. Dieser Mechanismus vertilgt jedoch nicht über ein
Gegengewicht, das an einem Nabenlager befestigt ist, welches an der
Peripherie der umlaufenden Spiralnabe positioniert ist. Wenn die
Masse der umlaufenden Spirale und/oder die Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle zunehmen, kann die Zentrifugalkraft im Wesentlichen nicht
durch den Verbindungsmechanismus ausgeglichen werden. Als Ergebnis übt die Flanke
der umlaufenden Spirale eine übermäßige Kraft
aus, die durch die Umlaufzentrifugalkraft auf die Flanke der unbeweglichen
Spirale hervorgerufen wird. Dies führt zu einer übermäßigen Abnutzung und
Reibung zwischen den Spiralbauteilen und einem Ermüdungsversagen
der Spiralelemente.
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JP05099167 offenbart eine
Spiralvorrichtung, die über
sämtliche
Leistungsmerkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 verfügt.
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In Übereinstimmung
mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Spiralverdränger für Fluide
bereitgestellt, umfassend:
ein unbewegliches Spiralbauteil,
das ein schraubenartiges Spiralelement mit einer Eingriffsflanke
aufweist;
ein bewegliches Spiralbauteil, das eine Lagernabe und
ein schraubenartiges Spiralelement mit einer Eingriffsflanke aufweist;
eine
rotierbare Welle mit einem daran befindlichen Kurbelzapfen zum Übertragen
einer Antriebskraft auf das bewegliche Spiralbauteil, um das bewegliche Spiralbauteil
in einer Umlaufstrecke relativ zu dem unbeweglichen Spiralbauteil
mitzunehmen;
ein Gleitstück
auf dem Kurbelzapfen und im Inneren eines Lagers, das sich mit der
Lagernabe in Eingriff befindet, wobei eine Drehung der Welle bewirkt
wird, um das bewegliche Spiralbauteil in der Umlaufstrecke durch
den Kurbelzapfen, das Gleitstück
und das Lager mitzunehmen;
eine vordere Ausgleichvorrichtung,
die auf der Lagernabe angebracht ist;
eine Antriebsverbindung,
die zwischen der Welle und der vorderen Ausgleichvorrichtung vorgesehen
ist, um die vordere Ausgleichvorrichtung relativ zu dem beweglichen
Spiralbauteil zu rotieren; und
ein Abstandselement zwischen
dem Kurbelzapfen und dem Gleitstück;
wobei
der Fluid-Spiralverdränger
des Weiteren dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Abstandselement
ein kompressibles Material umfasst, das in einem komprimierten Zustand nach
dem ersten Einlaufen des Gerätes
aushärtet, wenn
zwischen den Eingriffsflanken der zwei Spiralelemente, wo sie sich
treffen, wenn das bewegliche Spiralbauteil relativ zu dem unbeweglichen
Spiralbauteil umläuft,
im Wesentlichen kein Zwischenraum vorhanden und der Eingriff im
Wesentlichen Null ist.
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In Übereinstimmung
mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden
eines Abstandelementes zwischen einer Oberfläche auf einem Antriebswellen-Kurbelzapfen in einem
Spiralverdränger
und einer gegenüber
liegenden Oberfläche
im Inneren eines an dem Kurbelzapfen angebrachten Gleitstücks bereitgestellt,
wobei das Gerät umfasst:
ein
unbewegliches Spiralbauteil, das ein schraubenartiges Spiralelement
mit einer Eingriffsflanke aufweist;
ein bewegliches Spiralbauteil
mit einer Lagernabe und einem schraubenartigen Spiralelement mit
einer Eingriffsflanke;
eine rotierbare Welle mit einem daran
befindlichen Kurbelzapfen zum Übertragen
einer Antriebskraft auf das bewegliche Spiralbauteil, um das bewegliche Spiralbauteil
in einer Umlaufstrecke relativ zu dem unbeweglichen Spiralbauteil
mitzunehmen;
ein Gleitstück
an dem Kurbelzapfen und ein Lager um das Gleitstück herum und mit der Lagernabe
in Eingriff, wobei eine Rotation der Welle bewirkt wird, um das
bewegliche Spiralbauteil in der Umlaufstrecke durch das Gleitstück und das
Lager mitzunehmen; und
eine vordere Ausgleichvorrichtung, die
an dem Lager angebracht ist; eine Antriebsverbindung, die zwischen
der Welle und der vorderen Ausgleichvorrichtung vorgesehen ist,
um die vordere Ausgleichvorrichtung relativ zu dem beweglichen Spiralbauteil
zu rotieren; und
ein Abstandselement zwischen dem Kurbelzapfen und
dem Gleitstück;
gekennzeichnet
durch und umfassend die Schritte:
Bilden des Abstandselements
mit einer Schicht aus ungehärtetem
Epoxidmaterial von vorbestimmter Dicke;
Anordnen des Abstandselementes
zwischen den gegenüber
liegenden Flächen
des Kurbelzapfens und des Gleitstückes, bevor das Epoxidmaterial
ausgehärtet
ist;
Rotieren der Welle zum Antrieb des Spiralverdrängers, während das
Epoxidmaterial aushärtet,
so dass die Oberflächen
das Epoxidmaterial nach dem ersten Einlaufen des Gerätes in einen
komprimierten Zustand zusammendrücken,
wenn zwischen den Eingriffsflanken der zwei Spiralbauteile, wo sie
sich treffen, wenn das bewegliche Spiralbauteil relativ zu dem unbeweglichen
Spiralbauteil umläuft,
im Wesentlichen kein Zwischenraum vorhanden und der Eingriff im
Wesentlichen Null ist.
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In
den angehängten
Zeichnungen illustriert:
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1 einen
Querschnitt eines Spiralverdichters, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist.
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2 illustriert
einen Fluidumleitmechanismus der vorliegenden Erfindung in einer
Querschnittsdarstellung des Spiralverdichters von 1 entlang
der Linie A-A.
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3 illustriert
ein Spiralbauteil des Spiralverdichters von 1 mit Nuten
eines Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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4 illustriert
eine Querschnittsdarstellung eines Spiralbauteils von 3 entlang
der Linie A-A.
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Die 5a-d
illustrieren Teildarstellungen der Nuten des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
von 3.
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5e illustriert
eine Querschnittsdarstellung der Nut des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
von 5b entlang der Linie D-D.
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5f illustriert
eine Querschnittsdarstellung der Nut des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
von 5d entlang der Linie E-E.
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Die 6a-b
illustrieren Querschnittsdarstellungen der Nut des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
von 5a mit einem Spitzenabdichtungselement und einem
Spitzenreibungselement entlang der Linie g-g beziehungsweise der Line
i-i.
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Die 6c-d
illustrieren Querschnittsdarstellungen der Nut des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus
von 5b mit einem Spitzenabdichtungselement und einem
Spitzenreibungselement entlang der Linie h-h beziehungsweise der Line
j-j.
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Die 7a-c
illustrieren perspektivische Darstellungen eines Spitzenabdichtungselementes des
Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus von 3.
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Die 7d-f
illustrieren Querschnittsdarstellungen des Spitzenabdichtungselementes
des Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus von 7c entlang
der Linie A-A, der Linie B-B beziehungsweise entlang der Linie C-C.
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8 illustriert
einen halbradialen nachgiebigen Mechanismus der vorliegenden Erfindung
in einer Teil-Querschnittsdarstellung des Spiralverdichters von 1 entlang
der Linie A-A.
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9 illustriert
eine Seitenansicht eines Abstandselementes des halbradialen nachgiebigen
Mechanismus von 8.
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In
Bezug auf 1 wird ein Spiralverdichter für Fluide
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Verdichtereinheit 10 umfasst
ein Hauptgehäuse 20,
ein erstes Spiralbauteil 60 und ein zweites Spiralbauteil 50.
Eine hintere Abdeckung 21 mit einer Wellendichtung 22 ist
auf eine herkömmliche
Weise (zum Beispiel durch Verschraubung) an dem Hauptgehäuse befestigt.
Das Hauptgehäuse 20 hält das vordere
Lager 30 und das hintere Lager 31. Eine Hauptwelle 40 wird
rotierbar durch die Lager 30, 31 gelagert und
dreht sich entlang ihrer Achse S1-S1, wenn sie durch einen Elektromotor oder
-antrieb (nicht dargestellt) über
eine Riemenscheibe 32 angetrieben wird.
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Eine
Wellendichtung 22 dichtet die Welle 40 ab, um
zu verhindern, dass das Schmiermittel und das Fluid im Inneren des
Gehäuses
austreten und Fluid und Schmutz von außen eintreten. Ein Antriebszapfen 42 steht
von dem vorderen Ende der Hauptwelle 40 hervor, und die
Mittelachse des Antriebszapfens S2-S2 wird von der Hauptwellenachse
S1-S1 um einen Abstand versetzt, der dem Umlaufradius Ror des
zweiten Spiralbauteils 50 entspricht. Der Umlaufradius
ist der Radius des Umlaufkreises, der durch das zweite Spiralbauteil 50 durchquert
wird, da es relativ zu dem ersten Spiralbauteil 60 umläuft.
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Das
erste Spiralbauteil 60 umfasst eine Endplatte 61,
von der ein Spiralelement 62 herausragt. Das erste Spiralbauteil 60 ist
an dem Hauptgehäuse 20 auf
eine Weise angebracht, dass angemessene Zwischenräume, die
mit der Referenznummer 64 bezeichnet sind, zwischen der
Spitze des Spiralelementes eines Spiralbauteils und der Grundfläche der Endplatte
des anderen Spiralbauteils erhalten bleiben. Das erste Spiralbauteil 60 umfasst
darüber
hinaus eine Versteifungsrippe 63 und einen Druckstutzen 65.
Ein Rückschlagventil 66 und
eine Rückschlagventilleitung 67 befinden
sich in dem Druckstutzen 65. Während des Betriebes des Verdichters öffnet das
Rückschlagventil 66 die
Auslassöffnung 68 an
dem ersten Spiralbauteil 60. Wenn der Verdichter den Betrieb
unterbricht, schließt
das Rückschlagventil 66 die
Auslassöffnung 68.
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Das
zweite Spiralbauteil 50 umfasst eine kreisförmige Endplatte 51 und
ein Spiralelement 52, das an der Vorderseite der Endplatte 51 befestigt
ist und von dieser herausragt. Das zweite Spiralbauteil 50 vertilgt
ebenfalls über
eine umlaufende Lagernabe 53, die an der Rückseite
der Endplatte 51 befestigt ist und von dieser herausragt.
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Die
Spiralelemente der Spiralbauteile können, wie dies am besten in 3 dargestellt
ist, jeweils eine oder mehrere Aussparungen 37 aufweisen.
Diese Aussparungen 37 reduzieren das Gewicht der Spiralelemente,
wobei der ihr Wirkungsgrad wenig oder gar nicht reduziert wird.
Die Aussparungen können
in Abhängigkeit
von den Herstellungs- und Kundenpräferenzen
jegliche gewünschte
Form oder Größe haben.
Die Aussparungen des Spiralelementes der umlaufenden Spirale sind
vorzugsweise auch durch die Platte 38, wie in 1 dargestellt,
vom Fluid abgedichtet.
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Die
Spiralelemente 52 und 62 werden zwischen einem
180 Grad Winkelversatz und einem Radialversatz mit einem Umlaufradius
ROR befestigt. Wenigstens ein Paar der ab gedichteten
Fluidtaschen wird auf diese Weise zwischen den Spiralelementen 52 und 62 sowie
den Endplatten 51 und 61 definiert. Das zweite
Spiralbauteil 50 ist mit dem Antriebszapfen 42 über ein
Antriebszapfenlager 43 und ein Antriebsgleitstück 44 sowie
mit einem Oldham-Ring 80 zum Verhindern einer Drehung verbunden.
Das zweite Spiralbauteil 50 wird in einer Umlaufbewegung
bei einem Umlaufradius ROR durch die Rotation
der Antriebswelle 40 angetrieben, um dadurch Fluid zu komprimieren.
Das Arbeitsfluid tritt durch die Einlassöffnung 74 in den Verdichter 10 ein
und gelangt anschließend
in den Einlassfluidkanal 91. Der Einlassfluidkanal 91 ist
zwischen dem Gehäuse 20 und
dem Axiallager 23, wie in 1 dargestellt,
gebildet.
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Im
Folgenden wird in Bezug auf die 1-2 der
Strömungsumleitmechanismus
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Schmieröl gelangt
durch die Öffnung 35 und
die Kanäle 36 und 36A in
das Hauptgehäuse 20.
Nach dem Schmieren der Wellenlager 30, 31, des
Kurbelzapfenlagers 43 und des Axiallagers 23 fließt das überschüssige Öl durch
einen Ableitungskanal 25 in einen Bereich B, wie in 2 dargestellt.
Beim Eintreten in die Einlassöffnung 74 wird
das Einlassfluid durch eine Fluidumleiteinrichtung 24 umgeleitet,
die verhindert, dass das Einlassfluid in einer Uhrzeigerrichtung
fließt.
Demzufolge kann das Fluid nur nach unten (entgegen der Uhrzeigerrichtung),
wie durch den Pfeil C dargestellt, entlang der Fluidleitung 91 fließen. Diese
einseitig gerichtete Strömung
ist schnell genug, um das in dem Bereich B angesammelte Öl in kleine
Tröpfchen zu
zersprengen. Die Öltröpfchen werden
durch die Fluidströmung
mitgenommen und gleichmäßig durch die
Saugtaschen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralbauteil 50, 60 gebildet
sind, aufgenommen. Dadurch werden die überhöhte Krafteinwirkung auf den
Oldham-Ring sowie die Schwingung und die Geräusche, die durch die periodische
Ansammlung von Öl
und durch das plötzliche
ungleichmäßige Aufnehmen
des angesammelten Öls
in die Saugtaschen entstehen, eliminiert. Von dem Einlassfluidkanal 91 tritt
das Fluid in die Saugtaschen (nicht dargestellt) zwischen zwei Spiralbauteilen
ein und wird anschließend
durch die Spiralbauteile komprimiert. Das komprimierte Fluid fließt über die
Auslassöffnung 68,
die Kammern 94, 95 und den Auslasskanal 96 ab.
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In
Bezug auf die 3, 4, 5a-f, 6a-d
und 7a-f wird der Mehrfachnuten-Spitzenabdichtungsmechanismus der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Obwohl sich die folgende Beschreibung auf
den Spitzenabdichtungsmechanismus des ersten Spiralbauteils bezieht,
ist dieser gleichermaßen
auf das zweite Spiralbauteil anwendbar. Das erste Spiralbauteil 60 weist
eine Spitze 154 und eine Grundfläche 155 auf. Auf der
Spitze der Spirale 154 des ersten Spiralbauteils 60 befinden
sich eine erste Nut 136 und eine zweite Nut 236,
die separat und mit Abstand von der ersten Nut angeordnet ist. Die
erste und die zweite Nut sind in dem Peripherie- beziehungsweise
in dem zentralen Abschnitt der Spiralspitze des ersten Spiralbauteils
angeordnet. Die Richtung, entlang welcher sich die schraubenartige Nut
erstreckt, soll als Längsrichtung
bezeichnet werden. Um Redundanzen und unnötige Wiederholungen zu vermeiden,
wird im Folgenden lediglich die erste Nut 136 ausführlich beschrieben,
da die detaillierte Struktur der Nut 136 die der Nut 236 mit
Ausnahme der Längslänge und
der Biegung entspricht. Dieselben Referenznummern, die zur Beschreibung der
ersten Nut 136 verwendet werden, gelten ebenfalls für die zweite
Nut 236 mit der Ausnahme, dass die erste Ziffer jeder Referenznummer,
die zum Verweis auf die erste Nut (das heißt, „1") verwendet wird, durch eine „2" ersetzt wird, die
zum Verweis auf die zweite Nut verwendet wird. Beispielsweise wird
aus der Referenznummer 136 für die erste Nut die Referenznummer 236 für die zweite
Nut.
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Die
erste Nut 136 verfügt über ein
erstes Ende 140 in der Nähe der Peripherie der schraubenartigen
Schaufel des ersten Spiralbauteils und über ein zweites Ende 141,
das dem ersten Ende gegenüber
liegt. Der Fluiddruck in der Nähe
des zweiten Endes ist höher
als der in der Nähe
des ersten Endes. In Bezug auf die 3 und 5a-f
verfügt
die Nut 136 über
ein erstes Stiftloch 151 an ihrem ersten Ende 140 und über ein
zweites Stiftloch 152 an ihrem zweiten Ende 141.
In Bezug auf die 6a-d werden die Stifte 131 und 132 in
dem ersten Stiftloch 151 beziehungsweise in dem zweiten
Stiftloch 152 eingesetzt. In Bezug auf die 6a-d
und 7a-f hat das Spitzenabdichtungselement 137a eine
geschlossene schraubenartige Form in der Längsrichtung und verfügt sowohl über ein
erstes Ende 145 als auch über ein zweites Ende 146.
Die Stifte 131 und 132 halten das erste und das
zweite Ende des Abdichtungselementes 137a fest gegen das
erste beziehungsweise das zweite Ende der Nut 136. Auf
diese Weise kann die Spitzendichtung effektiv beide Enden der Nut 136 abdichten,
ohne durch thermisches Wachstum beeinträchtigt zu werden. Darüber hinaus
kann ein Spitzenreibungselement 137b auf der Spitze des
Spitzenabdichtungselementes 137a angebracht werden. Das
Spitzenabdichtungselement 137a und das Spitzenreibungselement 137b können separat
angeordnet oder beide aus einem Stück gebildet sein.
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In
der Nähe
des zweiten Endes 141 der Nut 136 befindet sich
eine Öffnung 153,
die auf dem Boden der Nut 136 angeordnet ist und die Nut
pneumatisch mit dem Hochdruckfluid verbindet. Die Position der Öffnung 153 ist
so ausgewählt,
dass der optimale Abdichtdruck in die Nut 136 eingebracht
wird. Dieser so genannte optimale Abdichtdruck bezieht sich auf den
Minimaldruck, bei dem die Flüssigkeit,
die in die Nut 136 eingeleitet wird, in der Lage ist, das
Spitzenabdichtungselement 137a und das Spitzenreibungselement 137b gegen
die Grundfläche
der eingreifenden Spirale zu drücken,
und auf diese Weise eine radiale Abdichtung zwischen den durch die
beiden Spiralen gebildeten Kompressionskammern zu gewährleisten.
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In
Bezug auf die 1 und 8-9 wird der
halbradiale nachgiebige Mechanismus der vorliegenden Erfindung mit
einem Gegengewicht an der Peripherie der umlaufenden Spiralnabe
beschrieben. Wenn die Welle 40 rotiert, nimmt der Kurbelzapfen 42 ein
Gleitstück 44 mit,
um eine Drehung entgegen der Uhrzeigerrichtung, wie durch den Pfeil
B in 8 dargestellt, durchzuführen. Das Gleitstück 44 nimmt wiederum
die zweite Spiralnabe 53 durch den Lagerinnenring 43a,
die Rollen 43b und den Außenring 43c mit (zusammen 43a-43b-43c).
Das zweite Spiralbauteil 50 führt eine Umlaufbewegung unter
der Führung
des Oldham-Ringes 80 durch, wobei auf das Spiralbauteil
eine Zentrifugalkraft Fco ausgeübt wird.
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Wie
in 1 dargestellt, ist die mittlere Ausgleichvorrichtung 47 an
der Welle 40 befestigt. Ein Stift 49 ist in einer
ovalen Öffnung 55 in
der vorderen Ausgleichvorrichtung 46 positioniert, und
ist mittels einer Schraube 82 an der mittleren Ausgleichvorrichtung 47 befestigt.
Wenn sich die mittlere Ausgleichvorrichtung 47 zusammen
mit der Welle 40 dreht, treibt der Stift 49 die
vordere Ausgleichvorrichtung 46 an. Die vordere Ausgleichvorrichtung 46 ist
an der Nabe 53 des zweiten Spiralbauteils 50 durch
einen Lagerinnenring 45a, Rollen 45b und einen
Außenring 45c (zusammen 45a-45b-45c)
befestigt. Wenn das zweite Spiralbauteil 50 in Bezug auf
das erste Spiralbauteil 60 umläuft, rotiert die vordere Ausgleichvorrichtung 46 um
die Nabe 53 des zweiten Spiralbauteils. Die Zentrifugalkraft
Fcc1, die auf die vordere Ausgleichvorrichtung 46 wirkt,
gleicht einen Teil der Zentrifugalkraft Fco aus, die auf das zweite
Spiralbauteil 50 wirkt. Die ovale Öffnung 55 ermöglicht, dass
sich das zweite Spiralelement 52 zusammen mit dem Lager 43a-43b-43c,
dem Gleitstück 44,
dem Lager 45a-45b-45c und der vorderen
Ausgleich vorrichtung 46 in Richtung des ersten Spiralelementes 62 (das
heißt,
es erhöht
die Exzentrizität
ROR) unter der Nettokraft (Fco-Fcc1) bewegt.
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Ein
Abstandselement 41 wird in den Zwischenraum 39 zwischen
dem Gleitstück 44 und
dem Kurbelzapfen 42, wie in 8 dargestellt,
eingesetzt. Das Abstandselement 41 weist eine sehr sorgfältig konzipierte
Dicke auf, so dass der Zwischenraum zwischen dem ersten und dem
zweiten Spiralelement 62 und 52 im Bereich zwischen
Null bis δ liegt,
welches die Bearbeitungsgenauigkeit der Spiralelemente ist. Mit
anderen Worten bedeutet dies, dass sich das zweite Spiralelement 53,
das Lager 43a-43b-43c, die vordere Ausgleichvorrichtung 46, das
Lager 45a-45b-45c und das Gleitstück 44 unter der
Kraft (Fco-Fcc1) bewegen würden,
bis das Gleitstück 44 von
dem Kurbelzapfen 42 durch das Abstandselement 41 gestoppt
wird oder das zweite Spiralelement 53 von dem ersten Spiralelement 63 aufgrund
des Flankenkontaktes zwischen den Spiralelementen gestoppt wird.
Wenn sich in letzterem Fall die Erhebungen an den Flanken der Spiralelemente
abnutzen, stoppen der Kurbelzapfen 42 und das Abstandselement 41 schließlich das
Gleitstück 44,
und daraufhin wird auch das zweite Spiralelement 52 in seiner
Bewegung in Richtung des ersten Spiralelementes 62 gestoppt.
Demzufolge ist nach dem Einlaufen der Spiralelemente kein Zwischenraum
zwischen den Flanken des ersten und zweiten Spiralelementes vorhanden.
In diesem Fall wird die Netto-Zentrifugalkraft (Fco-Fcc1) von den
Spiralelementen auf den Kurbelzapfen 42 übertragen,
um eine Ermüdung
des ersten und des zweiten Spiralelementes zu verhindern. Wenn jedoch
die radiale Trennkraft, die auf das zweite Spiralbauteil wirkt,
aufgrund von Flüssigkeitskompression
oder Fremdstoffen, die zwischen den Flanken der zwei Spiralbauteile
festsitzen, übermäßig groß wird,
bewegen sich das zweite Spiralbauteil 50 und die daran
befindlichen Teile (das heißt,
das Gleitstück 44,
das Lager 43a-43b-43c, das Lager 45a-45b-45c sowie
die vordere Ausgleichvorrichtung) in die Richtung entgegengesetzt
der Zentrifugalkraft Fco, um den Zwischenraum zwischen den Flanken
der beiden Spiralelemente zu vergrößern.
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Das
Abstandselement 41 wird vorzugsweise aus einem Epoxidmaterial
hergestellt. Wie in 9 dargestellt, ist ein dünnes Klemmstück 41a mit
Epoxid 41b versehen. Die Expoxidmenge an dem Klemmstück wird
sorgfältig
abgewogen, um den Zwischenraum 39 ausreichend zu füllen, und
um dennoch die übermäßige Verteilung
des Epoxids zu vermeiden.
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Wenn
der Verdichter startet, treibt die Netto-Zentrifugalkraft (Fco-Fcc1)
die zweite Spiralnabe und daraufhin das Gleitstück 44 in eine Richtung nach
unten (8). Das Gleitstück 44 drückt das
Abstandselement 41 zusammen und ändert seine Dicke, bis die
zweite Spiralflanke durch die erste Spiralflanke gestoppt wird.
Der Verdichter ist weiterhin in Betrieb, bis das Abstandselement 41 aus
Epoxid schließlich
aushärtet.
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Alternativ
dazu kann das Abstandselement 41 aus Metall, Kunststoff
oder einem ähnlichen
Material hergestellt werden. Dies wird erreicht, indem der Zwischenraum 39 gemessen
und das Abstandselement 41 so konzipiert wird, dass es
in den Zwischenraum 39 hinein passt.
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Der
oben beschriebene Aufbau gewährt
dem zweiten Spiralbauteil 50 radiale Bewegungsfreiheit genauso
wie in der vollständig
radialen nachgiebigen Anordnung, die auf dem Gebiet der Technik
bekannt ist, beschränkt
jedoch diese radiale Freiheit innerhalb eines festgelegten Bereiches.
Als Ergebnis ist nach dem ersten Einlaufen zwischen den Flanken
der beiden Spiralelemente kein Zwischenraum vorhanden, und der Eingriff
ist Null, im Gegensatz zu der auf dem Gebiet der Technik bekannten
vollständig
radialen nachgiebigen Anordnung, bei der der Flanken-zu-Flanken-Kontakt
während
des normalen Betriebes permanent aufrecht erhalten wird. Die halbradiale
nachgiebige Anordnung der vorliegenden Erfindung überträgt die Zentrifugalkraft
von dem ersten und dem zweiten Spiralelement auf den Kurbelzapfen.
Demzufolge ist diese Anordnung besonders in den Fällen geeignet,
in denen die Zentrifugalkraft unter verschiedenen Betriebsbedingungen
zu hoch sein kann oder das verwendete Spiralenmaterial, wie beispielsweise
Aluminiumlegierung, eine geringe Ermüdungsfestigkeit besitzt.
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Die
vorangehend beschriebenen und in den 1-9 ausführlich dargestellten
Mechanismen der vorliegenden Erfindung können mit verschiedenen dem
Stand der Technik entsprechenden Spiralgeräten verwendet werden. Diese
Mechanismen sind insbesondere zur Verwendung mit dem Spiralgerät, das in
dem US-Patent Nr. 5.458.471 offenbart wird, geeignet.
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Während die
vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung bevorzugt werden, sind für eine Person mit gewöhnlicher
Erfahrung auf dem Gebiet die Modi fizierungen der Struktur, der Anordnung
und des Aufbaus und Ähnlichem
offensichtlich, die nicht vom tatsächlichen Umfang der Erfindung
abweichen. Die Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche definiert, und es ist beabsichtigt, dass
sämtliche
Vorrichtungen und/oder Verfahren, die in den Umfang der Ansprüche fallen,
darin beinhaltet sind.