EP0283867B1

EP0283867B1 - Rollkolbenverdichter

Info

Publication number: EP0283867B1
Application number: EP88103830A
Authority: EP
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. Schabert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1992-01-29
Anticipated expiration: 2008-03-10
Also published as: EP0283867A2; KR880011467A; EP0283867A3; DE3727697A1; DE3868097D1; ATE72302T1; JPS63253190A; US4883414A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rollkolbenverdichter oder allgemein ausgedrückt eine Rotationskolbenmaschine mit einem Zylinder, in dem oder um den ein dünnwandiger, radial federnder Kolben mit Kreisquerschnitt mit Hilfe einer rotationssymmetrischen radialen Abstützung von einer Antriebswelle exzentrisch bewegt wird, wobei die Exzentrizität größer als die halbe Differenz der Durchmesser von Zylinder und Kolben ist.
Nach der deutschen Offenlegungsschrift 35 30 436 umfaßt die rotationssymmetrische Abstützung eine dünnwandige Schale aus dauerelastischem Material, die mit dem einen Ende an einer Antriebswelle befestigt ist und mit dem anderen Ende auf den Rollkolben drückt. Die Schale wirkt dabei als Biegefeder. Deshalb wird sie beim Umlaufen des Rollkolbens ständig verformt. Die damit verbundene Walkarbeit verursacht Verluste und führt zu einer Erwärmung. Dies widerspricht der an sich gewünschten isothermischen Verdichtung. Deshalb geht die Erfindung von der Aufgabe aus, eine rotationssymmetrische Abstützung zu schaffen, die mit geringeren Verlusten arbeitet und dennoch ebenso einfach aufgebaut ist wie die bekannte rotationssymmetrische Abstützung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Abstützung an der zylinderfernen Seite des Kolbens angreift, während an der Berührungsstelle des Kolbens mit dem Zylinder örtlich ein Spiel zwischen dem Kolben und der Abstützung vorhanden ist.
Bei der Erfindung wird im Fall der Ausführungsform mit innenliegendem Rollkolben die zur Verformung des Rollkolbens notwendige Kraft nicht als Druckkraft auf die Innenseite des Rollkolbens übertragen, sondern von der der Dichtungsstelle, also der Berührungsstelle zwischen Rollkolben und Zylinder entfernt liegenden, sozusagen zylinderfernen Seite als Zugkraft eingeleitet. Hierdurch wird der Rollkolben selbst als elastische Feder in Form einer Biegefeder aktiviert. Damit wird zusätzliche Walkarbeit erspart. Der Aufbau bleibt jedoch denkbar einfach.
Das Spiel zwischen Rollkolben und Abstützung an der vorgenannten Berührungsstelle beträgt mindestens 0,1 mm. Vorzugsweise liegt es bei 0,3 bis 0,5 mm, und zwar im Betriebsfall, d.h. in erster Linie bei den dann vorliegenden Temperaturverhältnissen. Ferner sollte das Durchmesserspiel des unverformten Kolbens gegenüber der Abstützung das 0,2- bis 0,5-fache des Spiels an der Berührungsstelle zum Zylinder betragen. Mit diesem Spiel entsteht der notwendige Raum für die elastische Verformung des Rollkolbens, die die Dichtung zwischen Kolben und Zylinder ergibt. Andererseits wird der Raum möglichst knapp bemessen, damit die Abstützung den abgeplatteten Kolben auf einen großen Teil seines Umfangs (180 ° bis 270 °C) spielfrei fest umschließt und gegen Vibrationen sichert.
Die erfindungsgemäße Abstützung kann an der Stirnseite des Kolbens von innen oder von außen her angreifen. Zweckmäßig ist dann an der Angriffsstelle eine Dichtung angeordnet. Mit dieser werden Gasverluste vermieden, die sonst durch das bei der erfindungsgemäßen Abstützung vorgesehene Spiel verursacht werden würden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Kolben innerhalb des Zylinders angeordnet ist und die Abstützung auf ein in den Kolben spielarm eingesetztes Druckband wirkt. Mit "spielarm" ist z.B. ein Wert von 0,1 mm, bezogen auf den Durchmesser gemeint, und zwar gemessen an den unverformten rotationssymmetrischen Bauteilen. Auch eine leichte Verspannung, wie sie ein negatives Spiel hervorrufen könnte, wäre tolerabel. Zu vermeiden ist aber eine starke Verspannung, bei der infolge dauernder wechselnder Abplattung die beiden ineinanderliegenden Bauteile Energieverluste durch gegenseitige Reibung erzeugen. Zu berücksichtigen sind auch unterschiedliche Temperaturen und Wärmeausdehnungszahlen, ebenso die den Umfang des Druckbandes leicht stauchenden örtlichen tangentialen Druckspannungen. Letztlich kommt es darauf an, die gewünschte Eigenschaft "spielarm" für den normalen Dauerbetrieb zu erreichen.
Das Druckband kann mit dem Kolben auch fest verbunden sein oder einen Bestandteil des Kolbens bilden. Andernfalls kann man durch einen Gleitring oder eine Gleitschicht zwischen dem Druckband und dem Rollkolben Reibungsverluste verringern.
Das Druckband kann auch aus einer Vielzahl von Einzelklammern bestehen, die in geeigneter Weise mit dem Rollkolben verbunden, z.B. vernietet sind. Ein mit der Antriebswelle verbundener Klammerkörper kann das Druckband an beiden Seiten umfassen. Der Klammerkörper ist vorzugsweise quer zur Kolbenachse geteilt, damit ohne schwierige Montage ein genügender Eingriff zwischen ihm und dem Druckband erreicht werden kann. Dabei können an den Seiten des Druckbandes Verschleißschutzringe angeordnet werden.
Der Klammerträger kann Wälzlager und Kühlluftbohrungen enthalten. Dies gilt auch für den Fall, daß mehrere Klammerkörper über die axiale Länge des Kolbens verteilt sind. Die letzte Bauweise ist besonders dann von Vorteil, wenn die axiale Länge des Rollkolbens wesentlich größer als der Durchmesser ist, z. B. ab einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von 3:1.
Die Erfindung kann auch so verwirklicht werden, daß der Kolben den Zylinder umgibt. Dabei umfaßt die Abstützung ein auf den Kolben aufgesetztes Zugband. Das Zugband kann einmal den Kolben spielarm umfassen und mit einem mit der Antriebswelle verbundenen Ring verklammert sein, vorzugsweise unter Zwischenlager von Gleit- und Verschleißschutzringen. Alternativ kann das Zugband biegeweich als Riemen mit sehr großem Spiel ausgeführt und mit einer Spannrolle außerhalb des Rollkolbens versehen sein.
Gemäß der weiteren Erfindung kann vorgesehen sein, daß im Bereich der beiden Enden des Kolbens je ein Druckband vorhanden ist, das eine einseitig zur Kolbenmitte hin gerichtete Stufe aufweist, daß über die Stufe eine zu den Stirnseiten des Kolbens einseitig offene Klammerrolle greift und daß die Klammerrolle mit der Antriebswelle fest verbunden ist. Bei dieser Bauweise ergibt die Antriebswelle mit dem an beiden Enden vorgesehenen Klammerrollen eine vormontierbare Einheit, die als Ganzes in den Zylinder eingesetzt werden kann. Während der Montage wird die Antriebswelle mit Hilfe der im Bereich der Enden des Kolbens angeordneten Druckbänder festgelegt, an deren zur Kolbenmitte gerichteten Stufe die Klammerrollen mit Axialspiel angreifen. Im Betrieb dagegen wird die Axialführung des Kolbens durch die Stirnseiten des Zylinders übernommen.
Die Klammerrolle kann vorteilhaft aus einer Klammerglocke und einem Rillenkugellager bestehen, das sowohl mit der Antriebswelle als auch mit der Klammerglocke durch einen Preßsitz verbunden ist. Dabei kann die Klammerglocke ein einfaches Blechpreßteil sein und einen Innenbund zur Anlage an das Rillenkugellager aufweisen, so daß eine auch in axialer Richtung fixierte Anordnung entsteht.
Das Druckband kann ebenfalls in axialer Richtung am Kolben fixiert sein. Dies kann man so ausführen, daß das Druckband mit Hilfe eines den Stirnseiten des Zylinders zugeordneten Dichtringträgers fixiert ist, der zur Abdichtung des Kolbens an den Stirnseiten des Zylinders dient. Dabei kann das Druckband in dem Dichtringträger an einem Bund eingesprengt sein, wobei die unterschiedliche Nachgiebigkeit des Dichtringträgers, der aus Kunststoff besteht und/oder des Druckbandes ausgenutzt wird, das aus Metall, z.B. aus Bronze hergestellt wird. Das Druckband kann auch an einer Stufe des Kolbens anliegen.
Der Dichtringträger kann auch mit einem Fortsatz in einen Ringspalt zwischen dem Druckband und dem Kolben ragen, so daß das Druckband an dem Kolben mittelbar angreift. Der Dichtringträger wirkt in diesem Fall als Zwischenlage und kann bei geeigneter Materialwahl die Gleitfähigkeit zwischen Druckband und Kolben steigern, so daß die Laufeigenschaften verbessert und Abrieberscheinungen vermieden werden.
Vorteilhaft umschließt der Dichtringträger einen Kolbenring und eine auf diesen in axialer Richtung wirkende Feder. Mit Umschließen ist dabei gemeint, daß der Kolbenring und die Feder in dem Dichtringträger gehalten und als vormontierte Einheit ausgebildet sind. Der Kolbenring ist zweckmäßig geschlitzt und besteht aus Kunststoff, Kohle oder dergleichen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu einem sehr laufruhigen Rollkolbenverdichter. Diese Eigenschaft kann noch dadurch erhöht werden, daß die Antriebswelle in einem mittleren Bereich als Gegengewicht gekröpft ist. Hierdurch wird ausgenützt, daß die erfindungsgemäße Abstützung in den Endbereichen des Kolbens erfolgt. Zusätzlich können die Wellenenden gegenläufig gekröpft sein, wobei die Länge des schrägen Wellenteils höchstens doppelt so groß wie der Wellendurchmesser im Bereich der Klammerrolle ist, und zwischen dem schrägen Wellenteil und der Klammerrolle kann eine zylindrische Wellenlänge von 70 - 100 % der Breite des zur Klammerrolle gehörenden Rillenkugellagers vorhanden sein. Diese Ausbildung läßt sich auch für kleine Kolbendurchmesser gut montieren, wie später noch näher erläutert wird.
Die gekröpften Wellenenden liegen vorteilhaft in einer nach außen weisenden Verlängerung der Zylinderstirnwände. Damit gelingt es nämlich, das Bauvolumen des Rollkolbenverdichters wesentlich zu verringern. Dabei kann die Verlängerung einen Innenbund zur axialen Fixierung der Antriebswelle aufweisen.
Das Rillenkugellager kann mit einem Sicherungsring auf der Antriebswelle festgelegt sein, dessen Nenndurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Rillenkugellagers, aber größer als der Durchmesser des gekröpften Bereiches der Wellenenden ist. Hier ergibt sich der Vorteil, daß das Rillenkugellager nur über eine kurze Wellenlänge aufzufädeln ist und dennoch festigkeitsmindernde Kerbwirkungen durch eine für den Sicherungsring erforderliche Nut vermieden werden.
In den Klammerglocken und in den Stirnseiten des Zylinders können Kühlluftbohrungen vorgesehen sein. Sie ermöglichen eine intensive interne Kühlung, so daß eine angenähert isothermische Verdichtung erreicht werden kann.
Aufgrund der einfachen Bauweise läßt sich die Erfindung vorteilhaft so ausführen, daß zwei gegenläufig rotiertende Kolben parallelachsig in zwei Zylinderbohrungen eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind, in dem ein gemeinsamer Schieber zur Trennung von Saug- und Druckraum der Zylinderbohrungen sitzt, und daß die Kolben über die Klammerrollen von gemeinsamen Deckeln an den Stirnseiten des Gehäuses getragen werden. Mit solchen sogenannten Zwillingsverdichtern lassen sich beträchtliche Verdichterleistungen auf kleinem Raum erzielen. Dies geschieht besonders vorteilhaft in der Weise, daß parallel zu den Rollkolben ein Saug- und ein Druckrohr an gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Man erhält damit einen Verdichter mit einer flachen Form, die auch bei begrenzten Raumverhältnissen, z.B. in dem Motorraum eines Kraftfahrzeuges, gut untergebracht werden kann.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

FIG 1 einen Rollkolbenverdichter nach der Erfindung in einem Schnitt längs der Antriebsachse,
FIG 2 eine Einzelheit der Abstützung des Rollkolbens in größerem Maßstab,
FIG 3 eine andere Ausführung der Abstützung des Rollkolbens,
FIG 4 einen Schnitt durch die Abstützung bei einer weiteren Ausführungsform,
FIG 5 einen Schnitt in der Nähe der Stirnseite eines Rollkolbenverdichters mit einer weiteren Ausführungsform,
FIG 6 einen Rollkolbenverdichter in einem Schnitt parallel zur Antriebsachse, bei dem der Rollkolben den zugehörigen ruhenden Zylinder einschließt,
FIG 7 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Rollkolben den rotierenden Zylinder einschließt in einem Querschnitt rechtwinklig zur Antriebsachse und
FIG 8 eine weitere Ausführungsform mit rotierendem Zylinder in einem Längsschnitt.
FIG 9 einen Rollkolbenverdichter nach der Erfindung in einem Schnitt längs der Gehäuseachse,
FIG 10 einen Ausschnitt aus dem Rollkolbenverdichter in vergrößertem Maßstab,
FIG 11 einen Ausschnitt ebenfalls mit einem anderen Dichtringträger in größerem Maßstab,
FIG 12 eine weitere Ausführungsform von Dichtträger und Druckband in einem Ausschnitt,
FIG 13 eine perspektivische Darstellung eines Zwillingsverdichters und
FIG 14 eine Ansicht des hinteren stirnseitigen Deckels für den Verdichter nach FIG 13.

Der Rollkolbenverdichter nach FIG 1 besitzt ein Gehäuse 1, das aus einem zylindrischen Mantelkörper 2 und den beiden ebenen Seitenteilen 3 und 4 zusammengesetzt ist. In den Seitenteilen 3 und 4 ist eine Antriebswelle mit Wälzlagern 7 gelagert. Die Antriebswelle 6 besitzt einen Exzenter 8, auf dem mit einem Kugellager 9 ein Klammerkörper 10 befestigt ist, der Kühlluftbohrungen 11 aufweist.
Der Klammerkörper 10 ist Teil der rotationssymmetrischen Abstützung 12 eines zylindrischen Rollkolbens 13, der einen kleineren Durchmesser als der Zyinder 1 aufweist. Die halbe Differenz der Durchmesser von Rollkolben 13 und Zylinder 1 ist kleiner als die Exzentrizität des Exzenters 8 (z.B. um 4 %, also 10,0 mm statt 10,4 mm), so daß der Rollkolben 13 auf der zylindernahen Seite (in der FIG 1 ist dies die Oberseite) durch elastische Verformung mit einer Dichtungskraft längs einer Mantellinie an der Zyinderwand anliegt.
Die zur Verformung notwendige Kraft wird von dem Klammerkörper 10 als Zugkraft auf den Rollkolben 13 ausgeübt, und zwar auf der Unterseite der FIG 1, über einen mit dem Rollkolben 13 fest verbundenen ringförmigen Bereich 15. Dieser weist einen schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 16 auf, der symmetrisch ausgebildet ist. Auf der Oberseite der FIG 1 dagegen ist das infolge der elastischen Abplattung des Rollkolbens 13 entstandene Spiel "S" zwischen dem Klammerkörper 10 und dem Vorsprung 16 deutlich zu erkennen.
FIG 2 zeigt diese Eingriffsverhältnisse im Detail. In die Ausnehmungen 17 und 18 des Bereiches 15 greift der Klammerkörper 10 mit einem im Querschnitt U-förmigen Randbereich 20, der auf beiden Seiten des zweiteiligen Klammerkörpers 10 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann von der Abstützung 12 auf der zylinderfernen Seite eine Zugkraft auf den Rollkolben 13 ausgeübt werden, während an der Berührungsstelle zwischen Rollkolben 13 und Zylinder 1 das Spiel S zwischen dem Schwalbenschwanz 16 und dem Randbereich 20 vorhanden ist. Seine Größe S muß kleiner sein als das Spiel S1 zwischen dem Randbereich 20 und dem Rollkolben 13. Typisch sind folgende Abmessungen: Dicke D der Kolbenwand 13 = 1,2 mm, Dicke D_S des Schwalbenschwanzes 16 = 0,5 mm, Dicke D_R des Randes 20 = 0,5 mm, Spiel S1 im unverformten Zustand 0,6 mm.
In FIG 3 ist dargestellt, daß die schwalbenschwanzförmige Struktur des Kolbens 13 auch mit einzelnen Klammern 24 erreicht werden kann, die mit Nieten 25 auf den Kolben 13 aufgenietet werden. Es können z.B. 36 Klammern 24 mit einer Breite von 12 mm an der Innenseite eines Rollkolbens 13 befestigt sein, der einen Durchmesser von 145 mm hat. Die Nieten können z.B. 2 mm stark sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 4 wirkt die Abstützung 12 des Rollkolbens 13 auf ein Druckband 28, das im Querschnitt das aus der Figur 4 ersichtliche T-Profil aufweist. Der dem Rollkolben 13 zugekehrte Steg 29 des Druckbandes 28, der mindestens doppelt so dick ist wie die beiden symmetrischen Flansche 30, wirkt über einen Kunststoffring 31 auf die Innenseite des Rollkolbens 13. Dabei kann der Kunststoffring 31 an dem Druckring 28 oder an der Innenseite des Rollkolbens 13 befestigt sein. Er kann z.B. in Form eines Kunstharzauftrags hergestellt sein. Der U-förmige Rand 20 des Klammerkörpers 10 umschließt zwei Kunststoffringe 33 und 34, die als Verschleißschutzschicht dafür sorgen, daß das metallische Druckband 28 von dem ebenfalls metallischen, insbesondere aus dem gleichen Material bestehenden Klammerkörper 10 verschleißfrei geführt werden kann. Der Klammerkörper 10 ist, wie man sieht, aus zwei symmetrischen Hälften 35 und 36 zusammengesetzt, die mit sechs Schrauben 37 mit Gewinde M5 verbunden sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 5 greift ein unsymmetrischer Klammerkörper 10 mit einem einseitig abgewinkelten Rand 38 über die Stirnseite des Rollkolbens 13, der dort eine Ausnehmung 39 aufweist. Zwischen dieser Ausnehmung 39 und dem Rand 38 ergibt sich ebenfalls ein Spiel S an der gezeichneten Stelle des Umfanges, der einen Schnitt durch die Berührungsstelle des Rollkolbens 13 mit dem zylindrischen Mantelkörper 2 darstellt. Auf den nicht sichtbaren Bereichen des Kolbenumfanges (z.B. über 240 °C) greift der Klammerkörper 10 direkt und spielfrei auf die Ausnehmung 39 des Rollkolbens 13 und überträgt die erfindungsgemäße Zugkraft. Gleichzeitig stabilisiert er den Rollkolben 13 gegen Deformationen, die durch wechselnde seitliche Gaskräfte erzeugt werden könnten, und verhindert dadurch denkbare Flattererscheinungen bei hoher Drehzahl.
An der Innenseite des Rollkolbens 13 ist ein Dichtungsträger 40 befestigt, in dem ein Dichtring 41 mit einem Feder 42 untergebracht ist. Die Feder 42 ist als Wellring ausgebildet. Sie drückt den Dichtring 41 in axialer Richtung gegen den Klammerkörper 10, so daß trotz des Spiels zwischen dem Rand 38 und der Ausnehmung 39 eine Abdichtung vorhanden ist. Weiter ist noch ein Dichtring 46 vorhanden, der die in der FIG 5 (unten) nicht dargestellte Antriebswelle konzentrisch umgibt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 6 ist ein Rollkolben 54 als Einschluß eines feststehenden Zylinders 49 ausgeführt. Die Antriebswelle 50 trägt hier einen Exzenter 51, auf dem eine Exzenterglocke 52 befestigt ist. Die Exzenterglocke 52 greift an einem Zugband 53 an, das seinerseits spielarm auf der Außenseite des Rollkolbens 54 sitzt. Der Rollkolben 54 ist in dieser Ausführung doppelt wirkend ausgebildet. Dies läßt sich am besten aus dem Querschnitt der FIG 7 ersehen.
Nach FIG 7 enthält der rotierende Zylinder 49 zwei Schieber 57 und 58, die unter der Wirkung einer Feder 60 stehen. Die Schieber trennen jeweils einen inneren Saugraum 61 und 62 von einem inneren Druckraum 63 und 64, der ein Rückschlagventil 65 bzw. 66 aufweist. Der Rollkolben 54 wird bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 7 mit biegeweichen Riemen 69 und 70 angetrieben. Die Riemen laufen beide um eine Treibrolle 71 und um eine Spannrolle 72, mit der die auf den Kolben 54 ausgeübte Zugspannung vorgegeben werden kann. Die Spannrolle 72 dient gleichzeitig zur seitlichen Stabilisierung des Rollkolbens 13.
In dem Beispiel nach FIG 8 ist der Rollkolben 13 ebenfalls auf der Außenseite eines mit zwei Schiebern 57 und 58 bestückten, rotierenden Zylinders 49 angeordnet. Der Rollkolben 13 wird hier von zwei exzentrisch gelagerten Seitenscheiben 73 und 74 auf den Zylinder 49 gedrückt. Hierdurch entsteht die spielfreie Anlage des Rollkolbens 13 auf den Seitenscheiben 73, 74 an der Oberseite der FIG 8. Auf der Unterseite der FIG 8 dagegen ist das Spiel S deutlich sichtbar, weil dort der Zylinder 49 den Rollkolben 13 entlang seiner Berührungslinie nach außen ausbeult. Die Seitenscheiben 73, 74 weisen Dichtungen 75, 76 zum Rollkolben 13 hin, und Dichtungen 77, 78 zum Zylinder 49 hin auf.
Der Rollkolbenverdichter ist in erster Linie zur Aufladung von Kraftfahrzeugmotoren vorgesehen. Er fördert dann Luft mit Unterdruck. Er kann aber auch als Vakuumpumpe oder zur Förderung anderer Fluide eingesetzt werden.
Der Rollkolbenverdichter 100 nach der FIG 9 ist zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Aufladung von Viertakt-Dieselmotoren vorgesehen. Er umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 102 mit symmetrischen Zylinderdeckeln 103 und 104 an den Stirnseiten. Das Gehäuse 102 und die Deckel 104 bestehen aus Aluminium.
In dem Zylinder 102 sitzt ein Rollkolben 108. Er ist in Form eines zylindrischen Rohres aus Edelstahl ausgebildet und wird mit Hilfe einer Abstützung 109 von einer Antriebswelle 110 gehalten. Die Antriebswelle 110 ist ein Schmiedestück. Sie ist im mittleren Bereich 111 gekröpft und ergibt für den Kolben 108 eine Exzentrizität in Bezug auf die Achse des Zylinders 102, die größer ist als die Differenz der halben Durchmesser von Zylinder 102 und Kolben 108. Durch das Übermaß ergibt sich eine Ovalisierung an der Anlagestelle des Kolbens 108, die einen Anpreßdruck und dementsprechend eine gute innere Dichtigkeit bewirkt.
Die Abstützung 109 ist in den Endbereichen 114 und 115 des Kolbens 108 vorgesehen. Sie ist symmetrisch ausgebildet und umfaßt in erster Linie eine Klammerrolle 117. Zu dieser gehört ein Rillenkugellager 118 und eine Klammerglocke 119. Die letzte ist ein Preßteil aus Blech mit einem radialen Bereich 120, der mit Löchern 121 für den Durchtritt von Kühlungsluft versehen ist, und zwei im wesentlichen axial orientierten Ringbereichen 124 und 125. Der Bereich 125 umschließt das Kugellager 118 und hält dies mit einem nach innen weisenden Bund 126 in axialer Richtung fest. Der Bereich 124 greift über ein Druckband 130 aus Bronze, das auf seiner zur Zylindermitte weisenden Seite eine Stufe 131 bildet, so daß ein im Durchmesser verringerter Ringbereich 132 entsteht. Die Klammerglocke 119 ist mit dem Rillenkugellager und dieses mit der Antriebswelle 110 durch einen Preßsitz fest verbunden. Das Kugellager 118 ist mit Dichtscheiben versehen und mit Fett gefüllt.
Das Druckband 130 hat in seinem mittleren Bereich einen Außendurchmesser, der ebenso groß wie der Innendurchmesser des Kolbens 108 ist. Der nach außen weisende Teil ist im Durchmesser verringert, so daß ein Ringstück 134 mit einem Bund 135 entsteht. Dort ist ein aus Kunststoff bestehender Dichtringträger 138 eingesprengt, der am Kolbenende 114 mit einem Bund 139 über die Stirnseite des Kolbens 108 greift. Der Dichtringträger 138 besitzt eine Ringnut 140, in die ein aus Kunststoff oder Kohle bestehender Kolbenring 141 eingesetzt ist. Der Kolbenring 141 wird unter der Wirkung einer Wellringfeder 142 gegen die Stirnwand des Zylinders, nämlich gegen den Deckel 103, gepreßt.
Das Rillenkugellager 118, das mit einem Preßsitz auf einem zylindrischen Bereich 145 der Antriebswelle 110 sitzt, ist zusätzlich mit einem Sicherungsring 146 gehalten, der in eine Nut 147 in einem im Durchmesser verringerten Bereich 148 eingelassen ist. Anschließend an den Sicherungsring 146 ist der Bereich 150 der Antriebswelle 10 abermals im Durchmesser verringert. Deshalb ist der Nenndurchmesser des Sicherungsringes 146 mit 22 mm kleiner als der Wälzlagerinnendurchmesser oder der Durchmesser des zylindrischen Bereiches 145, der 25 mm beträgt, aber größer als der Außendurchmesser eines schrägen Wellenbereiches 151, der zu dem gekröpften Wellenende 152 gehört.
Das gekröpfte Wellenende 152 ragt, wie die FIG 10 deutlich erkennen läßt, in eine nach außen weisende Verlängerung 154 des Deckels 103. Dort ist ein zylindrischer Bereich 155 mit einem Kugellager 156 gehalten. Das Kugellager 156 ist in axialer Richtung mit einem nach innen weisenden Bund 157 der Verlängerung 154 festgelegt. Deshalb kann die Welle 110 mit dem Kolben 108 nach dem Einschieben des Druckbandes 130 allein dadurch befestigt werden, daß die Deckel 103 und 104 von beiden Seiten auf die Antriebswelle 110 geschoben werden. Kühlluftbohrungen 158 in den Deckeln 103, 104 sorgen zusammen mit den Löchern für eine durch Pfeile angedeutete Kühlluftströmung durch den Kolben 108.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 11 ist das Druckband 130ʹ nicht direkt mit dem Kolben 108 verbunden. Dazwischen liegt vielmehr ein Fortsatz 159 des Dichtringträgers 138ʹ, der einen Zwischenraum 160 ausgefüllt, der wesentlich größer ist als die Wandstärke des Ringbereiches 124 der Klammerglocke 119.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 12 ist dargestellt, daß das Druckband 130ʺ axial festgelegt ist zwischen einer Stufe 162 an der Innenseite des Kolbens 108 und dem Dichtringträger 138ʺ, der seinerseits mit seinem Außenbund 139 zwischen dem Kolben 108 und dem Zylinderdeckel 103 axial fixiert ist.
Die FIG 13 läßt erkennen, daß der Rollkolbenverdichter nach der Erfindung vorteilhaft in Form eines Zwillingsverdichters ausgebildet werden kann, bei dem zwei Zylinder in einem gemeinsamen Gehäuse 165 zusammengefaßt sind. Die parallel liegenden Ausnehmungen für die nicht weiter dargestellten Rollkolben sind an den Stirnseiten mit Deckelplatten 166 verschlossen, die parallel liegende Verlängerungen 154 zur Aufnahme der Wellenenden besitzen. Parallel zu den Rollkolben liegen ein Ansaugrohr 168 und ein Auslaßrohr 169 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 165. Zwischen den Ein- und Auslaßrohren, von denen das Einlaßrohr (Saugstutzen) 168 einen größeren Durchmesser als der Druckstutzen 169 haben kann, ist in FIG 14 ein Trennschieber 170 angedeutet, der mit beiden Kolben zusammenwirkt.
Mit der Erfindung ergibt sich eine außerordentlich einfache Bauweise. Deshalb ist es möglich, mit einem Zwillingsverdichter, wie er in der FIG 13 prinzipiell dargestellt ist, hohe Umdrehungen zu erreichen und entsprechend hohe Verdichterleistungen. Bei 4800 Umdrehungen pro Minute und einem volumetrischen Wirkungsgrad von etwa 85 % kann ein Saugvolumen von 100 Liter pro Sekunde oder 360 m³ pro Stunde erreicht werden. Dabei hat der Verdichter nur eine Länge von etwa 300 mm und eine Höhe von etwa 120 mm. Der Zylinderdurchmesser beträgt 100 mm, während der Kolbendurchmesser 80 mm beträgt. Das Druckverhältnis kann typisch 2,0 betragen.

Claims

Rollkolbenverdichter mit einem Zylinder, in dem oder um den ein dünnwandiger, radial federnder Kolben mit Kreisquerschnitt mit Hilfe einer rotationssymmetrischen radialen Abstützung von einer Antriebswelle exzentrisch bewegt wird, wobei die Exzentrizität größer als die halbe Differenz der Durchmesser von Zylinder und Kolben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (12) an der zylinderfernen Seite des Kolbens (13) angreift, und an dieser Seite die zur Verformung des Kolbens (13) notwendige Kraft auf den Kolben (13) ausgeübt wird, während an der Berührungsstelle des Kolbens (13) mit dem Zylinder (1) infolge der elastischen Verformung des Kolbens (13) örtlich ein Spiel (S) zwischen dem Kolben (13) und der Abstützung (12) vorhanden ist (FIG 1).
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel (S) an der Berührungsstelle mindestens 0,1 mm, vorzugsweise 0,3 - 0,5 mm beträgt.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserspiel des unverformten Kolbens (13) gegenüber der Abstützung (12) das 0,2 bis 0,5-fache des Spiels (S) an der Berührungsstelle zum Zylinder (13) beträgt.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (12) an der Stirnseite des Kolbens (13) angreift (FIG 5).
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Angriffsstelle eine Dichtung (41) angeordnet ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (13) innerhalb des Zylinders (1) angeordnet ist und die Abstützung (12) auf ein in den Kolben (13) spielarm eingesetztes Druckband (28) wirkt.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen Druckband (28) und Kolben (13) im Normalbetrieb kleiner als ± 0,2 mm bezogen auf den Durchmesser der unverformten rotationssymmetrischen Bauteile (28, 13) ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckband (28) und dem Rollkolben (13) ein Gleitring (31) oder eine Gleitschicht angeordnet ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (28) und der Rollkolben (13) aus Metall mit etwa gleichgroßer Wärmeausdehnungszahl bestehen.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (28) mit dem Kolben (13) fest verbunden oder ein Bestandteil desselben ist.
Rollenkolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband aus einer Vielzahl von Einzelklammern (25) besteht (FIG 3).
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Antriebswelle (6) verbundener Klammerkörper (10) das Druckband (28) an beiden Seiten umfaßt.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Klammerkörper (10) quer zur Kolbenachse geteilt ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Klammerkörper (10) und den Seiten des Druckbandes (28) Verschleißschutzringe (33, 34) angeordnet sind.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Klammerkörper (10) Wälzlager (9) und Kühlluftbohrungen (11) enthält.
Rollkolbenverdichter nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Klammerkörper (10) über die axiale Länge des Kolbens (13) verteilt sind.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (54) außerhalb des Zylinders (49) angeordnet ist und daß die Abstützung ein auf den Kolben (54) aufgesetztes Zugband (53) umfaßt (FIG 6).
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugband (53) spielarm den Kolben (54) umfaßt und mit einem mit der Antriebswelle (50) verbundenen Ring (52), vorzugsweise unter Zwischenlage von Gleit- und Verschleißschutzringen, verklammert ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugband biegeweich als Riemen (69, 70) mit sehr großem Spiel ausgeführt und mit einer Spannrolle (72) außerhalb des Rollkolbens (54) versehen ist (FIG 7).
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der beiden Enden (114, 115) des Kolbens (108) je ein Druckband (130) vorhanden ist, das eine einseitig zur Kolbenmitte hin gerichtete Stufe (131) aufweist, daß über die Stufe (131) eine zu den Stirnseiten des Kolbens (108) einseitig offene Klammerrolle (117) greift und daß die Klammerrolle (117) mit der Antriebswelle (110) fest verbunden ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammerrolle (117) aus einer Klammerglocke (119) und einem Rillenkugellager (118) besteht, das sowohl mit der Antriebswelle (110) als auch mit der Klammerglocke (119) durch einen Preßsitz verbunden ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammerglocke (119) ein Blechpreßteil ist und einen Innenbund (126) zur Anlage an das Rillenkugellager (118) aufweist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (130) in axialer Richtung fixiert ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (130) mit Hilfe eines den Stirnseiten des Zylinders (102) zugeordneten Dichtringträgers (138) fixiert ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (130) an einer Stufe (162) des Kolbens (108) anliegt.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckband (130) in den Dichtringträger (138) an einem Bund (135) eingesprengt ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtringträger (138) mit einem Fortsatz (158) in einen Ringspalt (160) zwischen dem Druckband (130) und dem Kolben (108) ragt, so daß das Druckband (130) an dem Kolben (108) mittelbar angreift.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtringträger (138) mit einem Außenbund (139) über die Stirnseite des Kolbens (108) greift.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtringträger (138) einen Kolbenring (108) und eine auf diesen in axialer Richtung wirkende Feder (142) umschließt.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (110) in einem mittleren Bereich (111) als Gegengewicht gekröpft ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenenden (152) gegenläufig gekröpft sind, wobei die Länge des schrägen Wellenteils (151) höchstens doppelt so groß wie der Wellendurchmesser im Bereich der Klammerrolle (117) ist, und daß zwischen dem schrägen wellenteil (151) und der Klammerrolle (117) eine zylindrische Wellenlänge (150) von 70 - 100 % der Breite des zur Klammerrolle (117) gehörenden Rillenkugellagers (118) vorhanden ist.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die gekröpften Wellenenden (152) in einer nach außen weisenden Verlängerung (154) der Zylinderstirnwände (103, 104) liegen.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (154) einen Innenbund (157) zur axialen Fixierung der Antriebswelle (110) aufweist.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (118) mit einem Sicherungsring (140) auf der Antriebswelle (110) festgelegt ist, dessen Nenndurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Rillenkugellagers (118), aber größer als der Durchmesser des gekröpften Bereiches (152) der Wellenenden ist.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß in den Klammerglocken (119) und in den Deckeln (103, 104) des Zylinders Kühlluftbohrungen (121, 158) vorgesehen sind.
Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenläufig rotierende Kolben (108) parallelachsig in zwei Zylinderbohrungen eines gemeinsamen Gehäuses (165) angeordnet sind, in dem ein gemeinsamer Schieber (170) zur Trennung von Saug- und Druckraum der Zylinderbohrungen sitzt, und daß die Kolben (108) über die Klammerrollen (117) von gemeinsamen Deckeln (166) an den Stirnseiten des Gehäuses (165) getragen werden.
Rollkolbenverdichter nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Rollkolben (108) ein Saug- und ein Druckrohr (168, 169) an gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Gehäuses (165) angeordnet sind.