EP0842363B1 - Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge - Google Patents

Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge Download PDF

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EP0842363B1 EP96925640A EP96925640A EP0842363B1 EP 0842363 B1 EP0842363 B1 EP 0842363B1 EP 96925640 A EP96925640 A EP 96925640A EP 96925640 A EP96925640 A EP 96925640A EP 0842363 B1 EP0842363 B1 EP 0842363B1
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • 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
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C27/00—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C27/005—Axial sealings for working fluid

Definitions

  • the invention relates to a scroll compressor according to the preamble of the claim 1.
  • EP 0 482 209 A1 shows a generic scroll compressor.
  • the scroll compressor is equipped with two spirals that run into one another, which are each supported by a bearing and their for the compression effect required relative movement to each other by mutual displacement of their axes of rotation is generated, with the purpose of compensating for that of the spirals on the Bearings exerted axial forces on the inside of a connected to the first spiral Pressure ring pressure chambers are provided, which under the pressure of the Compressed air fed by the scroll compressor press the two scrolls towards each other.
  • Oil-free scroll compressors are increasingly used in the field of rail vehicles increased attention, especially to the accumulation of oily condensate avoid and to simplify maintenance. Due to the compared to today's commercial, Oil-free scroll compressors in rail vehicle use can be greatly enlarged Performance (e.g. intake volume flow of approx. 1,600 l / min) and the associated high A simple enlargement of such compressors is not a burden on the scroll compressor possible, especially in view of the very high axial forces. which the inclination have to push apart the spirals of the compressor. With so-called one-sided Spiral arrangement is particularly problematic in supporting such axial forces because very large bearings are required. This problem is exacerbated by the required Oil-free compression, which makes the friction of the bearings very difficult to remove is. Compressors with a spiral arrangement at the end have hitherto been derived from the aforementioned Considered reasons in the rail vehicle area as not usable.
  • the object of the invention is preferably one completely oil-free scroll compressor with one-sided scroll arrangement large intake volume flow as well as with large compression ratios to design that account for the aforementioned problems of high axial forces will be carried; in particular, despite the required volume and Compression quantities are free of high axial forces and therefore as possible wear-free running of the compressor be made possible.
  • Scroll compressor 1 shown, which an inventive arrangement for Compensation for the high ones that act on the bearings of the compressor Has axial forces.
  • the scroll compressor 1 is provided with a housing 3, in which two interlocking spirals run, namely one by means of a shaft 5 driven spiral 7 and a spiral dragged by the spiral 7 9. Die both spirals perform a pure rotational movement; through the purely rotational movements of the spirals do not occur unbalance forces, provided that Spirals are balanced in each case.
  • a device for Axial force compensation provided.
  • This device consists of pressure chambers 35, which is between the inside of the print collar 5 and one on the back the spiral 9 attached washer 37 are provided.
  • the pressure chambers 35 are very low volumes, each between the washer 37 and the facing inner surface of the pressure ring 15 exist.
  • the size and the The shape of the pressure chambers is determined by dry-running seals 39, which the pressure chambers in relation to outside air i.e.
  • the scroll compressor When the scroll compressor is operating, it builds up as a result of that described above Pressure supply of the pressure chambers 35 in this a pressure on which the two Presses spirals facing each other, since the pressure ring 15 with the spiral 7th is connected and the washer 37 in the rear region of the spiral 9 from this is worn, e.g. by radial cooling fins 47 connected to the spiral 9 or by the journals of the support rollers 17, which are at an angular distance enforce each other the washer 37, as in the upper half of the cut Drawing can be seen.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Drucklufterzeugung, insbesondere bei der ölfreien Drucklufterzeugung in Schienenfahrzeugen, sind infolge der großen, zu erzeugenden Luftmengen und der extrem rauen Bedingungen besondere Anforderungen an die Verdichtertechnik zu stellen. Selbst unter rauen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Schwingungen, Stöße, etc.) ist stets volle Betriebsfähigkeit zu gewährleisten.
Aus der EP 0 482 209 A1 geht ein gattungsgemäßer Spiralverdichter hervor. Der Spiralverdichter ist mit zwei in einem Gehäuse angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen ausgestattet, welche je von einem Lager getragen sind und deren für die Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung zueinander durch eine gegenseitige Versetzung ihrer Rotationsachsen erzeugt wird, wobei zum Zwecke der Kompensation der von den Spiralen auf die Lager ausgeübten Axialkräfte an der Innenseite eines mit der ersten Spirale verbundenen Druckkranzes Druckkammern vorgesehen sind, welche unter Druckeinwirkung der vom Spiralverdichter eingespeisten Druckluft die beiden Spiralen einander zugewandt drücken.
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. Ansaugvolumenstrom von ca. 1.600 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 endseitiger Spiralanordnung wurden bis dato aus den vorgenannten Gründen im Schienenfahrzeugbereich als nicht einsetzbar angesehen.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen vorzugsweise vollständig ölfrei arbeitenden Spiralverdichter mit einseitiger Spiralanordnung bei großem Ansaugvolumenstrom als auch bei großen Verdichtungsverhältnissen so auszugestalten, daß den vorgenannten Problemen hoher Axialkräfte Rechnung getragen wird; im besonderen soll trotz der geforderten Volumen- und Verdichtungsgrößen ein von hohen Axialkräften freier und somit möglichst verschleißfreier Lauf des Verdichters ermöglicht sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1.
Bei einseitiger Anordnung der Spiralen, nämlich der antreibenden und der geschleppten Spirale, ist durch die von den Verdichtungstaschen des Spiralverdichters gespeisten Druckkammern in sehr einfacher Weise eine Vorrichtung geschaffen, mittels welcher den sehr hohen, auf die Lager wirkenden Axialkräften entgegengewirkt werden kann; es ist mithin eine Kompensation dieser Axialkräfte erzielbar. Trotz der hohen Umlaufgeschwindigkeiten der beiden Spiralen ist die Funktion der Druckkammern bei insbesondere Trockenlaufeigenschaften der die Druckkammern begrenzenden Dichtungen sichergestellt, da nur eine geringe Relativgeschwindigkeit zwischen den Spiralen, also auch im Bereich des Druckkranzes und der mit dem Druckkranz die Druckkammern bildenden Ringscheibe besteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Zeichnung erläutert. Diese zeigt in Schnittansicht den Spiralverdichter nach der Erfindung.
In der Zeichnung ist ein mit einer einseitigen Spiralanordnung versehener Spiralverdichter 1 dargestellt, welcher eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kompensation der hohen, gegenüber den Lagern des Verdichters wirkenden Axialkräfte aufweist. Der Spiralverdichter 1 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 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 z.B. 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.
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 gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Axialkraftkompensation vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht aus Druckkammern 35, welche zwischen der Innenseite des Druckkranzes 5 und einer auf der Rückseite der Spirale 9 angebrachten Ringscheibe 37 vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel 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 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
1
Spiralverdichter
3
Gehäuse
5
Welle
7
Spirale
9
Spirale
11
Rotationsachse
13
Rotationsachse
15
Druckkranz
17
Stützrolle
19
Bohrung
21
Ansaugkanal
23
Axialbohrung
25
Druckstutzen
27
Verdichtungsraum
29
Lager
31
Welle
33
Lager
35
Druckkammer
37
Ringscheibe
39
Dichtung
40
Kühllufteintritt
41
Kühlluftaustritt
43
Bohrung
45
Verdichtungstasche
47
Kühlrippen
49
Kühllufteintritt
51
Kühlluftaustritt
53
Kühlrippen

Claims (7)

  1. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter, insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge, mit wenigstens zwei in einem Gehäuse (3) angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen (7, 9), welche je von einem Lager (29, 33) getragen sind und deren für die Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung zueinander durch eine gegenseitige Versetzung ihrer Rotationsachsen (11, 13) erzeugt wird, wobei zum Zwecke der Kompensation der von den Spiralen (7, 9) auf die Lager (29, 33) ausgeübten Axialkräfte an der Innenseite eines mit der ersten (7) der ineinanderlaufenden Spiralen verbundenen Druckkranzes (15) Druckkammern (35) vorgesehen sind, welche unter Druckeinwirkung der vom Spiralverdichter eingespeisten Druckluft die beiden Spiralen (7, 9) zum Zwecke der Entlastung der Lager (29, 33) einander zugewandt drücken, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) die Druckkammern (35) sind zwischen der Innenseite des Druckkranzes (15) und einer an dieser anliegenden Ringscheibe (37) gebildet;
    b) an ihrer von den Druckkammern (35) abgewandten Seite stützt sich die Ringscheibe (37) an mit der zweiten Spirale (9) verbundenen, radialen Kühlrippen (47) ab; und
    c) die Ringscheibe (37) überlappt die Druckkammern (35) mit einer der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Spiralen (7, 9) entsprechenden Gleitgeschwindigkeit;
    d) die Druckkammern (35) sind über durch die Kühlrippen (47) sich erstreckende Bohrungen (43) und über Durchlässe in der Ringscheibe (37) von Verdichtungstaschen (45) des Spiralverdichters mit der Druckluft gespeist.
  2. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal :
    die Druckkammern (35) sind je durch eine im Druckkranz (15) eingelassene Druckkammerdichtung mit Trockenlaufeigenschaften begrenzt.
  3. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander bestehende Druckkammern (35) zwischen der Innenfläche des Druckkranzes (15) und der zugewandten Innenfläche der Ringscheibe (37).
  4. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spirale (7) angetrieben ist, und daß die zweite Spirale (9) mittels einer Zwangsführung von der ersten Spirale geschleppt ist.
  5. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :
    a) von der dem Druckkranz (15) zugewandten Rückseite der zweiten Spirale (9) erstrecken sich drehbar gelagerte Stützrollen (17); und
    b) die Stützrollen (17) rollen in Bohrungen ab, welche in den Druckkranz (15) eingelassen sind.
  6. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch drei unter einem Winkelabstand von 120° zueinander an der Rückseite der zweiten Spirale (9) angeordnete, von dieser sich erstreckende Stützrollen (17), welche jeweils in den Bohrungen (19) des mit der ersten Spirale (7) verbundenen Druckkranzes (15) abrollen.
  7. Ölfrei arbeitender Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (17) und die Druckkammern (35) wechselweise auf einem Teilkreis angeordnet sind.
EP96925640A 1995-07-31 1996-07-19 Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge Expired - Lifetime EP0842363B1 (de)

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DE19528005 1995-07-31
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PCT/DE1996/001329 WO1997005389A1 (de) 1995-07-31 1996-07-19 Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge

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EP0842363A2 EP0842363A2 (de) 1998-05-20
EP0842363B1 true EP0842363B1 (de) 2002-12-04

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