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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter mit variabler
Leistungsfähigkeit zum
Verdichten eines gasförmigen
Mediums, üblicherweise
Luft, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Diese Variierung der Leistungsfähigkeit wird mit einer Anzahl
von Hubventilen, normalerweise vier Hubventilen, erreicht, die bewirken,
daß ein Teil
der teilweise verdichteten Luft zum Einlaß zurückgeführt wird.
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Ein
solcher Verdichter ist aus der US-Patentschrift US-A 5,556,271 bekannt.
Das von dieser Veröffentlichung
gelehrte Hubventil umfaßt
einen gewölbten
Ventilbereich, der in einer Endstellung des Ventils einen Teil des
zylindrischen Rotorgehäuses des
Verdichters bildet und in seiner anderen Endstellung einen Abstand
zu der Öffnung
in dem Rotorgehäuse
aufweist, mit der er zusammenwirkt, so daß teilweise verdichtete Luft
die Arbeitskammer des Verdichters verlassen und zum Einlaß zurückkehren kann.
Dieser gewölbte
Ventilbereich hat zur Folge, daß das
Ventilelement nicht um seine Achse gedreht werden kann. Dieses Problem
wurde dadurch gelöst, daß das Ventilgehäuse mit
einer Stange mit quadratischem Querschnitt versehen wurde, die sich
in einer entsprechenden quadratischen oder rechteckigen Öffnung in
dem Ventilelement auf der gegenüberliegenden
Seite des Ventilbereichs bewegen kann.
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Dessen
ungeachtet ist es hochwahrscheinlich, daß das Ventilelement um seine
Achse rotieren kann, nachdem es über
einen Zeitraum in Betrieb gewesen ist, und dadurch den Rotor stören und
ihm Schaden zufügen
kann.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das mit der Rotation
des Ventilelements um seine Achse verbundene Problem zu vermeiden.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, einen Schraubenverdichter zu schaffen, der
ein Ventilelement umfaßt,
das einen Ventilbereich aufweist, der es ermöglicht, das Ventilelement rotieren
zu lassen, ohne den Rotor zu beschädigen.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch einen Schraubenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, der durch eine elastische Vorrichtung, die zwischen der zweiten
Seite des Ventilkopfes und der Kappe des Ventilgehäuses angeordnet
ist, und weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste und zweite Kompressionskammer
ein und dieselbe Kompressionskammer sind.
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Bevorzugte
Ausführungen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung in weiteren Einzelheiten anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt
eines bekannten Schraubenverdichters;
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2 einen Schnitt entlang
der Linie II-II in 1;
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3 eine Schnittansicht eines
Teils eines erfindungsgemäßen Schraubenverdichters mit
einem in Längsschnitt
gezeigtem Hubventil;
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4 eine Schnittansicht eines
Teils eines erfindungsgemäßen Schraubenverdichters
mit einer weiteren im Längsschnitt
gezeigten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Hubventils.
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Das
Konstruktions- und Arbeitsprinzip eines Schraubenverdichters wird
nun kurz anhand der 1 und 2 beschrieben.
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Ein
Paar ineinander greifender Schraubenrotoren 101, 102 sind
drehbar in einer Arbeitskammer montiert, die durch zwei Stirnwandungen 103, 104 und
eine Tonnenwandung 105 definiert ist, die sich zwischen
den Stirnwandungen erstreckt. Die Tonnenwandung 105 besitzt
eine Form, die im wesentlichen der Form zweier sich gegenseitig
schneidender Zylinder entspricht, wie aus 1 deutlich wird. Jeder Rotor 101, 102 weist
mehrere Vorsprünge 106 bzw. 107 und
dazwischen liegende Nuten auf, die sich schraubenförmig entlang
des Rotors erstrecken. Ein Rotor 101 ist ein männlicher
Rotortyp, bei dem der Großteil
jedes Vorsprungs 106 außerhalb des Wälzkreises
angeordnet ist, und der andere Rotor 102 ist ein weiblicher
Rotortyp, bei dem der Großteil jedes
Vorsprungs 107 innerhalb des Wälzkreises angeordnet ist. Der
weibliche Rotor 102 besitzt normalerweise mehr Vorsprünge als
der männliche
Rotor 101. In einer typischen Kombination hat der männliche
Rotor 101 vier Vorsprünge
und der weibliche Rotor 102 sechs Vorsprünge.
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Das
zu verdichtende Gas, normalerweise Luft, wird dem Arbeitsraum des
Verdichters durch einen Einlaßkanal 108 zugeleitet
und wird dann in V-förmigen
Arbeitskammern verdichtet, die zwischen den Rotoren und den Kammerwandungen
ausgebildet sind. Im Sinne von 1 bewegt
sich jede Arbeitskammer nach rechts, wenn die Rotoren 101, 102 sich
drehen. Auf diese Weise verringert sich das Volumen einer Arbeitskammer
im Anschluß während des
letzten Teils ihres Zyklus kontinuierlich, nachdem die Verbindung
mit dem Einlaßkanal 108 getrennt worden
ist. Dabei wird das Gas verdichtet, und das verdichtete Gas verläßt den Verdichter
durch einen Auslaßkanal 109.
Das Verhältnis
des Auslaß-
zum Einlaßdruck
wird bestimmt durch die konstruktionsbedingte volumetrische Beziehung
zwischen dem Volumen einer Arbeitskammer unmittelbar nachdem ihre
Verbindung mit dem Einlaßkanal 108 abgetrennt wurde
und dem Volumen dieser Arbeitskammer, wenn sie beginnt, mit dem
Auslaßkanal 109 in
Verbindung zu stehen.
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3 zeigt in größerem Maßstab die
Tonnenwandung 105 des in 1 gezeigten
Schraubenverdichters und darüber
hinaus ein in dieser Wandung angeordnetes Hubventil 1.
In dem dem Hubventil 1 nächsten Bereich umfaßt die Tonnenwandung 105 eine
innere Tonnenwandung 31, die einen Rotor 101 umgibt,
und eine äußere Tonnenwandung 32,
die mit Abstand zu der inneren Tonnenwandung angeordnet ist. Die
Wandungen 31, 32 legen einen Zwischenraum fest,
der einen Fluiddurchgang 33 bildet. Der Fluiddurchgang
oder die Fluiddurchführung 33 ist
mit dem Verdichtereinlaß 108 oder
einer Arbeitskammer des Verdichters, deren Verbindung mit dem Einlaß 108 noch
intakt ist, verbunden.
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Die
innere Tonnenwandung 31 begrenzt den Arbeitsraum des Kompressors,
in dem die beiden wechselseitig zusammenwirkenden Schraubenrotoren 101, 102 (1) montiert sind. Das Hubventil 1 ist
von dem zylindrischen Arbeitsraum radial nach außen weisend in einem Bereich
montiert, in dem eine geschlossene Arbeitskammer liegt, beispielsweise 111 oder 112 in 2.
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Die
Tonnenwandung 105 umfaßt
eine erste Öffnung 8 in
der inneren Wandung 31 und eine zweite Öffnung 34 in der äußeren Wandung 32.
In der Öffnung 34 in
der äußeren Wandung 32 ist
ein Ventilgehäuse 2 angeordnet,
das ein hin- und herbewegliches Ventilelement 4 aufnimmt.
Das Ventilelement 4 umfaßt einen Ventilschaft 5,
einen Kopf 6 an einem Ende des Schafts und einen Ventilkörper 7 an
dem anderen Ende des Schafts 5. Große Teile des Ventilschafts 5 und
des Ventilkörpers 7 befinden
sich außerhalb
des Ventilgehäuses 2.
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Der
Ventilkopf 6 besitzt die Form eines Ringelementes, das über das
Ende des Ventilschaftes 5 in dem Ventilgehäuse gesteckt
und mit Hilfe einer Unterlegscheibe 22 und einer Gewindehülse 27 fest
an den Schaft geschraubt wird.
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Das
Ventilgehäuse 2 wird
seitlich durch eine innere, zylindrische Seitenwand 9,
nach oben durch eine Kappe 3 und nach unten durch ein Unterteil 10 begrenzt.
Die Kappe 3 ist in der Seitenwand fest mittels Bolzen 40 gesichert.
Das Unterteil 10 weist eine zylindrische Bohrung 11 auf,
entlang derer sich der Ventilschaft 5 mit einem leichten
Spiel bewegen kann.
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Der
Kopf 6 des Ventilelements 4 und der Ventilschaft 5 können sich
entlang der zylindrischen Seitenwand 9 des Ventilgehäuses 2 bzw.
der Öffnung 11 in
dem Unterteil 10 mit einem ge ringen Spiel bewegen. Der
Ventilkopf 6 umfaßt
eine ringförmige
Nut 23, in der ein Dichtring 24 angeordnet ist.
Das Abdichten der Arbeitskammer des Ventilgehäuses 2 gegen den Fluiddurchgang 33 wird
mit Hilfe einer zylindrischen Nut 25 in der Öffnung 34 des
Unterteils 10 und einem in diese Nut eingepaßten Dichtring
bewerkstelligt. Die Dichtringe 24 und 26 können O-Ringe
sein.
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Eine
elastische Vorrichtung 12 ist zwischen der Kappe 3 und
dem Ventilkopf 6 angeordnet. Im dargestellten Fall besitzt
die elastische Vorrichtung 12 die Form einer schraubenförmigen Druckfeder. Das
untere Ende der elastischen Vorrichtung 12 lagert in einer
Ausnehmung 18 des Kopfes 6. Die Vorrichtung 12 dient
dazu, das Ventilelement mit einer vorbestimmten Kraft weg von der
Kappe 3 und in eine erste Endposition des Ventilkörpers 7 zu
drängen.
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Das
freie Ende des Ventilkörpers 7 besitzt eine
zylindrische Gestalt 13 und geht in einen Flansch 14 über. Der
Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 13 ist kleiner
als der Durchmesser der zylindrischen Öffnung 8, um dazwischen
einen kleinen Spielraum vorzusehen. Die innere Wandung 31 umfaßt auf der
Seite, die den Fluiddurchgang 33 in dem Bereich um die Öffnung 8 begrenzt,
einen Oberflächenbereich 15 zur
Anlage an dem Flansch 14. Dieser Oberflächenbereich 15 bestimmt
die erste Endstellung des Ventilelements 4, d. h. er ist
die erste Endstellung.
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Die
Stirnfläche
des zylindrischen Abschnitts 13 bildet einen Ventilbereich 21,
der einer Verdichterkammer 111 (112) des Verdichters
zugewandt ist. Der zylindrische Abschnitt 13 ist so lang,
daß sichergestellt
ist, daß er
nicht in die zylin drische Arbeitskammer des Verdichters hineinragt
und deshalb die Drehung des Rotors 101 nicht verhindert,
wenn der Flansch 14 des Ventilkörpers 7 an dem Oberflächenbereich 15 anliegt.
Das Ventilelement 4 ist in seiner ersten Endstellung, wenn
der Flansch an den Oberflächenbereich
angreift. In dieser Endstellung des Ventilelements ist die Stirnfläche des
zylindrischen Abschnitts 13 vorzugsweise tangential zu
der Tonnenoberfläche
in der Öffnung 8 entlang
ihres Durchmessers parallel zu der Rotorachse. Alternativ kann der
zylindrische Abschnitt 13 eine etwas kürzere Länge aufweisen. Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
weist das Ende des Ventilkörpers 7 eine zylindrisch
gekrümmte
Stirnfläche
auf, die denselben Krümmungsradius
wie die innere Wandung 31 hat. Wenn der Ventilkörper 7 sich
in seiner ersten Endstellung befindet, bildet diese gekrümmte Stirnfläche eine
einheitliche Fläche
mit der Tonnenwandung 31. In dieser, eine gekrümmte Stirnfläche umfassenden Ausführungsform
ist es notwendig, sicherzustellen, daß sich der Ventilkörper 7 nicht
um seine Längsachse
aus der Stellung, in der er eine einheitliche Oberfläche mit
der Ventilwandung 31 bildet, verdrehen kann. Der Aufbau
eines Ventilelements, das nicht um seine Längsachse zu rotieren vermag,
ist in der schwedischen Patentanmeldung 9703164-5 beschrieben.
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Die
Länge des
Ventilschaftes 5 ist so bemessen, daß der Ventilkopf mit einem
Abstand von dem Unterteil 10 des Ventilgehäuses 2 angeordnet
ist, wenn der Flansch 14 sich in Anlage mit dem Oberflächenbereich 15 befindet.
Der Grund hierfür
wird nachfolgend beschrieben.
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Das
Ventilelement 4 umfaßt
einen Durchgang 19, der sich durch das Element entlang
dessen Zentrumsachse erstreckt. Ein Ende des Durchgangs 19 wird
von der Gewindehülse 27 gebildet.
Der Durchgang 19 verbindet die Arbeitskammer 111, 112 des
zylindrischen Arbeitsraums des Verdichters mit dem Inneren des Ventilgehäuses 2.
Dies schafft eine Verbindung zwischen der Arbeitskammer 112 des
zylindrischen Arbeitsraums des Verdichters und dem Raum oberhalb
des Ventilelements 4, so daß der gleiche Druck auf beide
Seiten des Ventilelements 4 wirkt. Vorzugsweise umfaßt der Durchgang 19 eine Einschnürung oder ähnliche
Drosselmittel, wie bei 20 gezeigt.
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Eine Öffnung 17 ist
in der Wandung des Ventilgehäuses 10 im
Bereich von dessen Unterteil 10 vorgesehen. Weil der Ventilkopf
immer einen Abstand zum Unterteil 10 des Ventilgehäuses 2 besitzt, hat
diese Anordnung der Öffnung 17 zur
Folge, daß diese
immer zwischen dem Unterteil 10 und dem Ventilkopf 6 angeordnet
ist, selbst wenn das Ventilelement 4 in seiner ersten Endstellung
ist. Die Öffnung 17 bildet
ein Ende eines Durchgangs 28, von dem nur der Teil in nächster Nähe der Öffnung 17 gezeigt
ist und welcher wechselweise entweder mit einem Auslaßdurchgang
oder einer Verdichterkammer, in der ein Auslaßdruck vorherrscht, oder mit
einem Einlaßdurchgang
oder einer Verdichterkammer, in der ein Einlaßdruck vorherrscht, verbunden
werden kann.
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Das
Hubventil 1 ist geschlossen, wenn der Verdichter unter
Vollast läuft.
Der Ventilkörper 7 befindet
sich dann in seiner ersten Endstellung, wobei der Flansch 14 sich
in Anlage an dem Oberflächenbereich 15 befindet.
Die Öffnung 17 in
dem Ventilgehäuse 2 ist
dann mit einer Arbeitskammer, in der Einlaßruck vorherrscht, oder mit
dem Einlaß 108 verbunden.
In dieser Stellung ist der Ventilkörper Kräften unterworfen, die zu der
ersten Stellung hin wirken, wobei es sich bei den Kräften um
die von der elastischen Vorrichtung 12 ausgeübte Druckkraft
und die von dem Druck in dem Raum oberhalb des Ventilelements 4 und
der Oberfläche
des Ventilkopfes 6 herrührende
Kraft handelt. Diese Kraft ist größer als die in der Gegenrichtung
auf das Ventilelement 4 einwirkenden Kräfte. Diese entgegenwirkenden
Kräfte
setzen sich teilweise aus der auf den Ventilbereich 21 des
Ventilelements 4 wirkenden Kraft, die eine Funktion der
Größe der Ventilfläche sowie
des Drucks ist, und teilweise aus der Kraft zusammen, die von dem in
der Öffnung 17 vorherrschenden
Druck ausgeübt wird,
wobei dieser Druck gleich dem Einlaßdruck des Verdichters ist.
Die letztere Kraft bestimmt sich aus der Größe der Fläche, auf die der Druck wirkt,
und der Größe des Drucks.
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Die Öffnung 17 wird
mit dem Auslaßdruck verbunden,
sobald man die Last auf den Verdichter zu entfernen wünscht. Dies
führt zu
einem Anstieg der auf das Ventilelement 4 wirkenden Kraft
in einer Richtung weg von der ersten Endstellung. Die elastische
Vorrichtung 12 muß deshalb
das Ventilelement mit einer Kraft derart betätigen, so daß die Veränderung
in dem Druckverhältnis
es dem Ventilelement 4 ermöglicht, von dieser ersten Position
fortbewegt zu werden, wenn die Öffnung 17 mit
dem Auslaßdruck verbunden
ist. Diese Verschiebung erlaubt es, daß Luft von der geschlossenen
Kammer und durch den Fluiddurchgang 33 zu dem Einlaß fließen kann.
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4 stellt eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hubventils
dar. Diese Ausführung
unterscheidet sich von der Ausführung
nach 3 durch den Umstand,
daß der
Durchgang 19 durch das Ventilelement 4 durch einen
Durchgang 29 ersetzt ist, von dem nur ein Teil gezeigt
ist. Dieser Durchgang 29 endet in einer Öffnung 16 in
der Kappe 3. Das (nicht gezeigte) andere Ende des Durchgangs 29 ist
mit der abgeschlossenen Arbeitskammer 111 (112)
in dem Ventilgehäuse 1 verbunden.
Vorzugsweise umfaßt
der Durchgang 29 ebenfalls eine Einschnürung oder ähnliche Drosselmittel, die
den Drosselmitteln 20 in dem Durchgang 19 entsprechen.
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Das
Hubventil gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
funktioniert in derselben Weise, wie das mit Bezug auf 3 beschriebene.