EP0842362A1 - Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge - Google Patents

Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge

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EP0842362A1
EP0842362A1 EP96924755A EP96924755A EP0842362A1 EP 0842362 A1 EP0842362 A1 EP 0842362A1 EP 96924755 A EP96924755 A EP 96924755A EP 96924755 A EP96924755 A EP 96924755A EP 0842362 A1 EP0842362 A1 EP 0842362A1
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/023—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where both members are moving
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C17/00—Arrangements for drive of co-operating members, e.g. for rotary piston and casing
    • F01C17/06—Arrangements for drive of co-operating members, e.g. for rotary piston and casing using cranks, universal joints or similar elements

Definitions

  • Spiral compressor in particular for use in compressed air generation for rail vehicles
  • the invention relates to a scroll compressor according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to design a preferably completely oil-free scroll compressor with a one-sided scroll arrangement such that an exact relative position of the two scrolls is ensured even with a large intake volume flow and also with large compression ratios; in particular, no unnecessary frictional engagement leading to jamming should occur during the relative movement of the two spirals required to form the compression pockets.
  • the support rollers Due to the forced guidance with the aid of the support rollers, a so-called “anti-rotation mechanism” between the spirals is provided, ie this does not prevent the spirals from rotating relative to the housing, but rather prevents the two spirals from rotating relative to one another these orbiting movements towards each other, which are necessary to create the suction and compression pockets for generating the compressed air, the support rollers are thus advantageously effective as a driver of one spiral over the other spiral, at the same time they mediate due to the degree of freedom of their rolling movement the necessary relative movement in the bore to form the suction and pressure pockets.
  • Figure 1 of the drawing is a sectional view of the scroll compressor according to the invention.
  • Figure 2 is an enlarged sectional view of one of the support rollers within the bore embedded in the pressure ring.
  • FIG. 1 of the drawing shows a scroll compressor 1 provided with a one-sided scroll arrangement. This is provided with a housing 3 in which two interlocking spirals run, namely a spiral 7 driven by a shaft 5 and a spiral 9 dragged by the spiral 7.
  • the two spirals each perform a pure rotational movement; due to the purely rotary movement of the spirals, no unbalance forces occur, provided the spirals are balanced in each case.
  • the orbiting relative movement of the two spirals relative to one another required for a compression effect is produced by the axes of rotation 11 and 13 of the two spirals being at a certain distance from one another. Furthermore, the dragged spiral 9 is encompassed by a pressure ring 15, which is screwed to the driven spiral 7 (via fastening means, not shown) or is connected in some other way.
  • an "anti-rotation mechanism” acts in the form of a forced guidance between the two spirals, which consists of three of the towed spiral 9 supported support rollers 17, which run at the same angular distance from each other bores 19 in the pressure ring 15. Accordingly, three support rollers arranged at an angular distance of 120 ° from each other are assigned to three bores 19 arranged at the same angular distance from one another.
  • FIG. 2 shows an enlarged sectional view of one of the support rollers 17 within the bore 19 that guides it.
  • the bore 19 is formed in the illustrated embodiment as a guide ring such that a steel sleeve 20 is provided for the wear-free support of the support roller.
  • the support rollers can have an elastic plastic sleeve (not shown) on their outer circumference or they can be plastic-coated.
  • the attachment of the support rollers to the spiral 9 is provided in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 by means of screws 22, which enable the support rollers to be exchanged in a simple manner.
  • a device for axial force compensation is provided.
  • This device consists of pressure chambers 35, which are provided between the inside of the pressure ring 15 and an annular disk 37 attached to the rear of the spiral 9.
  • the pressure chambers 35 are the very low volumes, each between the Washer 37 and the facing inner surface of the pressure ring 15 exist.
  • the size and shape of the pressure chambers is determined by dry-running seals 39 which hold the pressure chambers Seal against outside air, ie against the outside air volume between cooling air inlet 40 and cooling air outlet 41 of the spiral 9.
  • three pressure chambers 35 are provided between the bores 19 at the same angular distance of 120 ° to one another, each of which is supplied with compressed air from the compression pockets 45 of the spirals via bores 43.
  • a pressure builds up in these due to the pressure supply of the pressure chambers 35 described above, which presses the two scrolls towards one another, since the pressure ring 15 is connected to the scroll 7 and the annular disk 37 in the rear region of the scroll 9 thereof is worn, e.g. by means of radial cooling ribs 47 connected to the spiral 9 or by the bearing journals of the support rollers 17 which penetrate the annular disc 37 at an angular distance from one another, as can be seen in the upper half of the drawing.
  • a corresponding cooling system is also provided on the spiral 7, ie there is a cooling air inlet 49 and a cooling air outlet 51; furthermore, radial cooling fins 53 connected to the spiral 7 are provided.

Abstract

Bei einem mit großen Ansaugvolumenströmen und großem Verdichtungsverhältnis vorzugsweise vollständig ölfrei arbeitenden Spiralverdichter (1), insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge, sind bei einseitiger Spiralenanordnung Maßnahmen zur exakten Führung der beiden Spiralen relativ zueinander vorgesehen; zu diesem Zweck ist an einer der Spiralen (Spirale 7) unter axialem Abstand zu dieser ein Druckkranz (15) vorgesehen, innerhalb welchem die zweite der Spiralen (Spirale 9) unter Zwangsführung angeordnet ist. Die Zwangsführung besteht aus von der zweiten Spirale axial sich in Richtung des Druckkranzes erstreckenden Stützrollen (17), welche in im Druckkranz (15) eingelassenen Bohrungen (19) in Form von Führungsringen gefesselt abrollen, derart, daß die beiden Spiralen infolge der Versetzung ihrer Achsen und unter Zwangsführung durch die in den Bohrungen ablaufenden Stützrollen orbitierende Bewegungen zueinander ausführen.

Description

Spiralverdichter, insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Drucklufterzeugung, insbesondere bei der ölfreien Drucklufterzeugung in Schienenfahrzeugen, sind infolge der großen, zu erzeugenden Luftmengen und der extrem rauhen Bedingungen besondere Anforderungen an die Verdichtertechnik zu stellen. Selbst unter rauhen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Schwingungen, Stöße etc.) ist stets volle Betriebsfähigkeit zu gewährleisten.
In zunehmendem Maße wird im Bereich der Schienenfahrzeuge ölfreien Spiralverdichtern erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet, insbesondere um den Anfall ölhaltigen Kondensats zu vermeiden und um die Wartung zu vereinfachen. Aufgrund der gegenüber heutigen handelsüblichen, ölfreien Spiralverdichtern im Schienenfahrzeugeinsatz stark zu vergrößernden Leistung (z.B. Ansaugvolumen¬ strom von ca. 1600 l/min) und der damit verbundenen hohen Belastungen des Spiralverdichters ist eine einfache Vergrößerung derartiger Verdichter nicht möglich, insbesondere im Hinblick auf die sehr hohen Axialkräfte, welche die Neigung besitzen, die Spiralen des Verdichters auseinanderzudrücken. Bei sogenannter einseitiger Spiralanordnung ist insbesondere die Abstützung derartiger Axialkräfte problematisch, da sehr große Lager erforderlich sind. Verschärft wird diese Problematik durch die geforderte ölfreie Verdichtung, aufgrund welcher die Reibleistung der Lager nur sehr schwer abführbar ist. Verdichter mit einseitiger Spiralanordnung wurden bis dato aus den vorgenannten Gründen im Schienenfahrzeugbereich als nicht einsetzbar angesehen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei derartigen Spiralverdichtern der Aufwand für eine „Antirotationseinrichtung", welche die korrekte Relativstellung der beiden Spiralen sicherstellt, möglichst gering zu halten ist. Nach dem Stand der Technik wurde dazu i. allg. eine Oldham-Kupplung verwendet, die aber für größere Einheiten, sowie für ölfreie Verdichter relativ ungeeignet ist. Konventionelle Nebenexzenter bringen einen erheblichen Bauaufwand mit sich, insbesondere im Hinblick auf hohe Anzahl der benötigten Lager.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen vorzugsweise vollständig ölfrei arbeitenden Spiralverdichter mit einseitiger Spiralanordnung so auszugestalten, daß auch bei großem Ansaugvolumenstrom als auch bei großen Verdichtungsverhältnissen eine exakte Relativstellung der beiden Spiralen sichergestellt ist; insbesondere soll bei der zur Bildung der Verdichtungstaschen benötigten Relativbewegung beider Spiralen kein unnötiger, zum Verklemmen führender Reibungseingriff entstehen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1.
Durch die Zwangsführung mit Hilfe der Stützrollen ist ein sogenannter „Antirotations- mechanismus" zwischen den Spiralen gegeben, d.h. dieser verhindert nicht die Rotation der Spiralen gegenüber dem Gehäuse, sondern eine Relativrotation beider Spiralen zueinander. Infolge der Versetzung der Achsen der beiden Wellen der Spiralen führen diese orbitierende Bewegungen zueinander aus, welche erforderlich sind, um die Saug- und Verdichtungstaschen zur Erzeugung der Druckluft entstehen zu lassen. Die Stützrollen sind somit in vorteilhafter Weise als Mitnehmer der einen Spirale gegenüber der anderen Spirale wirksam, gleichzeitig vermitteln sie infolge des Freiheitsgrades ihrer Abrollbewegung in der Bohrung die nötige Relativbe¬ wegung zur Bildung der Saug- und Drucktaschen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in weiteren Patentansprüchen aufgeführt. Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Figur 1 der Zeichnung ist eine Schnittansicht des Spiralverdichters nach der Erfindung; und
Figur 2 ist eine vergrößerte Einzelschnittdarstellung einer der Stützrollen innerhalb der im Druckkranz eingelassenen Bohrung.
In Figur 1 der Zeichnung ist ein mit einer einseitigen Spiralanordnung versehener Spiralverdichter 1 dargestellt. Dieser ist mit einem Gehäuse 3 versehen, in welchem zwei ineinandergreifende Spiralen laufen, nämlich eine mittels einer Welle 5 angetriebene Spirale 7 und eine durch die Spirale 7 geschleppte Spirale 9. Die beiden Spiralen führen jeweils eine reine Rotationsbewegung aus; durch die rein rotatorische Bewegung der Spiralen treten keine Unwuchtkräfte auf, sofern die Spiralen jeweils in sich ausgewuchtet sind.
Die für eine Verdichtungswirkung erforderliche, orbitierende Relativbewegung beider Spiralen zueinander wird erzeugt, indem die Rotationsachsen 11 und 13 beider Spiralen einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Fernerhin ist die geschleppte Spirale 9 von einem Druckkranz 15 umgriffen, welcher mit der angetriebenen Spirale 7 (über nicht dargestellte Befestigungsmittel) fest verschraubt oder auf sonstige Weise verbunden ist. Um die Funktion des sogenannten „co- rotating"-Prinzips beider Spiralen zu gewährleisten, d.h. um jederzeit die korrekte Relativstellung der beiden Spiralen zueinander sicherzustellen, wirkt zwischen den beiden Spiralen ein „Antirotationsmechanismus" in Form einer Zwangsführung, welche aus drei von der geschleppten Spirale 9 getragenen Stützrollen 17 besteht, die in unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Bohrungen 19 im Druckkranz 15 laufen. Demnach sind drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander angeordneten Stützrollen drei unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Bohrungen 19 zugeordnet. Da sich der Druckkranz 15 mit der angetriebenen Spirale 7 dreht, nimmt dieser mittels der Wandungen der Bohrungen und die Stützrollen 17 die Spirale 9 mit, d.h. diese wird geschleppt, wobei die beiden Spiralen infolge der Versetzung der Rotationsachsen 11 und 13 innerhalb des Freiheitsgrades der Bohrungen „orbitierende" Bewegungen zueinander ausführen. Diese orbitierenden Bewegungen der Spiralen zueinander erzeugen zwischen diesen im Volumen sich verändernde Spiraltaschen, welche zur Verdichtung des über den Ansaugkanal 21 angesaugten Gas- bzw. Luftvolumens beitragen. Die verdichtete Luft wird durch eine im Zentrum der Spirale 9 liegende Axialbohrung 23 und einen Druckstutzen 25 aus dem Verdichtungsraum 27 ausgeschoben. Die angetriebene Welle 5 der Spirale 7 läuft in einem Lager 29, während die Welle 31 der geschleppten Spirale 9 in einem Lager 33 läuft.
In Figur 2 ist in vergrößerter Einzelschnittansicht eine der Stützrollen 17 innerhalb der sie führenden Bohrung 19 dargestellt. Die Bohrung 19 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Führungsring ausgebildet, derart, daß eine Stahlbüchse 20 zur möglichst verschleißfreien Auflage der Stützrolle vorgesehen ist. Um geringe thermische Dehnungen verspannungsfrei aufzunehmen können die Stützrollen an ihrem Außenumfang eine elastische Kunststoffhülse (nicht dargestellt) tragen oder sie können kunststoffbeschichtet sein. Die Befestigung der Stützrollen an der Spirale 9 ist im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 22 vorgesehen, welche in einfacher Weise einen Austausch der Stützrollen ermöglichen.
Bei einem Spiralverdichter der vorstehend beschriebenen einseitigen Spiralenanordnung ist es bei komplett ölfreiem Lauf erwünscht, ein großes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, ohne daß es infolge der daraus resultierenden Axialkräfte an den Spiralen zu einer zu starken Belastung der Lager kommt. Um diesem Problem zu begegnen, ist eine Vorrichtung zur Axialkraftkompensation vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht aus Druckkammern 35, welche zwischen der Innenseite des Druckkranzes 15 und einer auf der Rückseite der Spirale 9 angebrachten Ringscheibe 37 vorgesehen sind, im dargestellten Ausführungs¬ beispiel handelt es sich bei den Druckkammern 35 um die sehr niedrigen Volumina, welche jeweils zwischen der Ringscheibe 37 und der zugewandten Innenfläche des Druckkranzes 15 bestehen. Die Größe und die Formgebung der Druckkammern ist durch trockenlaufende Dichtungen 39 bestimmt, welche die Druckkammern gegenüber Außenluft d.h. gegenüber dem Außenluftvolumen zwischen Kühllufteintritt 40 und Kühlluftaustritt 41 der Spirale 9 abdichten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind unter gleichem Winkelabstand von 120° zueinander jeweils zwischen den Bohrungen 19 befindlich drei Druckkammern 35 vorgesehen, welche jeweils über Bohrungen 43 mit Druckluft aus den Verdichtungstaschen 45 der Spiralen versorgt werden.
Bei Betrieb des Spiralverdichters baut sich infolge der vorstehend beschriebenen Druckversorgung der Druckkammern 35 in diesen ein Druck auf, welcher die beiden Spiralen einander zugewandt drückt, da der Druckkranz 15 mit der Spirale 7 verbunden ist und die Ringscheibe 37 im rückwärtigen Bereich der Spirale 9 von dieser getragen wird, z.B. durch mit der Spirale 9 verbundene, radiale Kühlrippen 47 bzw. durch die Lagerzapfen der Stützrollen 17, welche unter Winkelabstand zueinander die Ringscheibe 37 durchsetzen, wie in der oberen Schnitthälfte der Zeichnung ersichtlich ist. Da die Spiralen 7 und 9 mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Axialkraftkompensation bei gleichzeitiger Zwangsführung aufeinander zugewandt gedrückt werden, werden die Lager 29 und 33 in gleichem Maße von Axialkräften entlastet, weshalb ölfrei arbeitende Spiralverdichter der beschriebenen Art auch mit großem Verdichtungsverhältnis bei großem Ansaugvolumen arbeiten können.
Außer der vorgenannten Kühlluftanordnung für die Spirale 9 ist auch an der Spirale 7 ein entsprechendes Kühlsystem vorgesehen, d.h. es besteht ein Kühllufteintritt 49 und ein Kühlluftaustritt 51 ; desweiteren sind mit der Spirale 7 verbundene, radiale Kühlrippen 53 vorgesehen.
Bezugszeichenliste
Spiralverdichter 47 Kühlrippen
Gehäuse 49 Kühllufteintritt
Welle 51 Kühlluftaustritt
Spirale 53 Kühlrippen
Spirale
Rotationsachse
Rotationsachse
Druckkranz
Stützrolle
Bohrung
Stahlbüchse
Ansaugkanal
Schraube
Axialbohrung
Druckstutzen
Verdichtungsraum
Lager
Welle
Lager
Druckkammer
Ringscheibe
Dichtung
Kühllufteintritt
Kühlluftaustritt
Bohrung
Verdichtungstasche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Spiralverdichter, insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge, mit wenigstens zwei in einem Gehäuse angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen, deren für die Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung zueinander durch eine gegenseitige Versetzung ihrer in Lagern geführten Rotationsachsen erzeugt wird, wobei die Spiralen je in einem Lager laufen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die erste der ineinandergreifenden Spiralen ( Spirale 7) trägt unter axialem Abstand einen mit ihr verbundenen und mit ihr umlaufenden Druckkranz (15) ;
b) zwischen dem Druckkranz (15) und der ersten Spirale (7) ist die zweite Spirale (Spirale 9) angeordnet; und
c) von der dem Druckkranz (15) zugewandten Rückseite der zweiten Spirale (Spirale 9) erstrecken sich unter Abstand zueinander drehbar gelagerte Stützrollen (17), welche unter Zwangsführung in in den Druckkranz (15) eingelassenen Bohrungen (19) abrollen.
2. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander an der Rückseite der zweiten Spirale (9) angeordnete, von dieser sich erstreckende Stützrollen (17) in den Bohrungen (19) des mit der ersten Spirale (7) verbundenen Druckkranzes (15) abrollen.
3. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (17) an ihrem Außenumfang eine elastische Kunststoffhülse tragen oder kunststoffbeschichtet sind.
4. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (17) jeweils mit einer Schraube (22) gegenüber einem axialen Fortsatz der zweiten Spirale (9) verschraubt sind.
5. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Kompensation der von den Spiralen (7,9) auf die Lager (29,33) ausgeübten Axialkräfte Druckkammern (35) vorgesehen sind, mittels welchen die beiden Spiralen (7,9) gegenseitig abgestützt sind.
6. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammern (35) zwischen der Innenseite des Druckkranzes (15) und einer an dieser anliegenden Ringscheibe (37) gebildet und über Bohrungen (43) von Verdichtungstaschen (45) des Spiralverdichters mit Druckluft gespeist sind.
7. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :
a) die Druckkammern (35) sind je durch eine im Druckkranz eingelassene Druckkammerdichtung mit Trockenlaufeigenschaften begrenzt ;
b) die Ringscheibe (37) überlappt die Druckkammern mit einer der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Spiralen (7,9) entsprechenden Gleitgeschwindigkeit; und
c) die Druckkammern sind über Durchlässe in der Ringscheibe und über die Bohrungen (43) mit den Verdichtungstaschen des Spiralverdichters verbunden.
8. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Ringscheibe (37) an mit der zweiten Spirale verbundenen, radialen Kühlrippen (47) abstützt, derart, daß durch den in den Druckkammern sich aufbauenden Druck als Reaktionskraft gegenüber dem Druckkranz (15) und der Ringscheibe (37) die auf die Lager (29,33) der Spiralen einwirkenden Axialkräfte kompensiert werden.
9. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander bestehende Druckkammern zwischen der Innenfläche des Druckkranzes (15) und der zugewandten Innenfläche der Ringscheibe (37).
10. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (19) jeweils zwischen zwei Druckkammern (35) angeordnet sind.
11. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spirale (7) angetrieben ist und daß die zweite Spirale (9) mittels der Zwangsführung von der ersten Spirale (7) geschleppt ist.
EP96924755A 1995-07-31 1996-07-19 Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge Expired - Lifetime EP0842362B1 (de)

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